衛(wèi)智慧

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)燕家河煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 042100）

0 引言

煤層識(shí)別技術(shù)是提升采煤機(jī)械自動(dòng)化程度的關(guān)鍵，現(xiàn)如今已有20 余種不同的煤層識(shí)別技術(shù)[1]。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于采煤機(jī)智能調(diào)高的研究多采用記憶截割技術(shù)，一些大型采煤機(jī)械仍在使用記憶截割技術(shù)，這種技術(shù)一般都裝有位置傳感器、同步位置傳感器、調(diào)高油缸等結(jié)構(gòu)，用以記錄采煤機(jī)滾筒的切割軌跡，但是由于不具有可識(shí)別煤層的設(shè)備，所以不能實(shí)現(xiàn)調(diào)高的智能化。虛擬儀器是近幾年新興的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)，不僅可以在虛擬儀器上進(jìn)行編程，而且在此基礎(chǔ)上完成信號(hào)的分析、控制程序的開發(fā)。

1 采煤機(jī)智能調(diào)高方法的提出

利用傳統(tǒng)的記憶截割技術(shù)，對(duì)采煤機(jī)振動(dòng)及電流信號(hào)進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了一套采煤機(jī)智能調(diào)高系統(tǒng)。它的基本技術(shù)思路是：按照記憶截割系統(tǒng)設(shè)定的路線，在正常工作時(shí)對(duì)煤壁進(jìn)行截割。這時(shí)，采煤機(jī)的振動(dòng)、電流感應(yīng)器被用來采集振動(dòng)和電流信號(hào)，并將其輸入到LABVIEW 處理器中，利用LABVIEW 對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、處理和調(diào)整（當(dāng)振動(dòng)信號(hào)和電流信號(hào)均符合要求時(shí)才能進(jìn)行調(diào)高），將提升命令發(fā)送至驅(qū)動(dòng)器，使電磁換向閥工作來控制提升油缸，通過機(jī)械機(jī)構(gòu)的移動(dòng)來調(diào)整搖桿和滾筒的高度，如圖1 所示，為基于虛擬儀器的采煤機(jī)智能調(diào)高的方法。

圖1 基于虛擬儀器的采煤機(jī)智能調(diào)高方法

記憶調(diào)高系統(tǒng)的位置傳感器、提升油箱、同步位置傳感器都會(huì)將采煤機(jī)的截割軌跡記錄下來，然后通過計(jì)算機(jī)保存，采煤機(jī)在一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行一次截割，然后在下次截割的過程中使用新的截割路線，并重復(fù)上述操作，使采煤機(jī)達(dá)到智能調(diào)高的效果。

2 采煤機(jī)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 振動(dòng)信號(hào)的處理

在礦井智能化調(diào)高系統(tǒng)中，振動(dòng)信號(hào)是一種重要的識(shí)別信號(hào)。目前，對(duì)振動(dòng)信號(hào)的處理主要包括預(yù)處理、頻域分析、時(shí)域分析等。自從1988 年Mullard 提出多分辨率分析后，小波包分析已逐漸成為振動(dòng)信號(hào)處理中的重要手段[2]。

振動(dòng)信號(hào)的預(yù)處理，由于煤礦開采過程中的環(huán)境復(fù)雜和惡劣，當(dāng)振動(dòng)信號(hào)經(jīng)由加速度傳感器，再經(jīng)過傳送器傳輸?shù)接?jì)算機(jī)時(shí)，會(huì)有大量的干擾信號(hào)，這時(shí)可以通過程序設(shè)計(jì)來減小這種干擾，例如，使用將加速度和速度- 位移的相互轉(zhuǎn)化的集成電路、加入數(shù)字矢量法和低通法過濾噪聲、引入窗函數(shù)功能以防止信號(hào)的泄漏等。時(shí)域和頻域的分析，一般的處理方法是對(duì)信號(hào)進(jìn)行積分、微分、濾波，然后根據(jù)信號(hào)的極值、頻率特性、平均信號(hào)等來獲得相應(yīng)的信號(hào)；在一些環(huán)境中，信號(hào)的周期特性、因果關(guān)系、信號(hào)源等都要進(jìn)行相關(guān)性分析。在頻域中，采用傅里葉變換法將信號(hào)分解成若干個(gè)正弦函數(shù)，然后通過正弦波的響應(yīng)，得到其頻譜。然后，再添加振幅譜、倒譜、包絡(luò)譜、功率譜和窗口函數(shù)，以求出目標(biāo)的振動(dòng)特征。小波分析方法，小波分析能夠?qū)π盘?hào)的各種變化特性進(jìn)行分析，尤其適合于邊界處理、濾波、時(shí)域、頻域、弱信號(hào)提取、信噪分離等。小波變換多分辨率分析技術(shù)是振動(dòng)信號(hào)處理中的一種常見技術(shù)，但它只能用來對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行低頻分析。小波包分析是一種新的多分辨率分析技術(shù)，能夠同時(shí)對(duì)低頻、高頻分量進(jìn)行分解，從而獲得各個(gè)頻帶的信號(hào)。

綜合以上分析，利用小波包分析法對(duì)振動(dòng)信號(hào)的能量特性進(jìn)行了分析，并將其他分析方法的結(jié)果作為輔助變量，編寫了振動(dòng)信號(hào)的解析程序[3]。

2.2 截割電機(jī)工作特性及電流信號(hào)的分析

當(dāng)前采煤機(jī)截割電動(dòng)機(jī)多為三相交流異步電動(dòng)機(jī)，并均裝有變頻調(diào)速裝置。在煤礦采煤機(jī)組的常規(guī)割煤工況下，一般采用低速重負(fù)荷恒力恒功率控制，而在采煤機(jī)的常規(guī)割煤工況下，大都是采用恒功率調(diào)節(jié)。正常情況下，恒功率調(diào)速的工作范圍很窄，工作范圍也很小，如果超過這個(gè)范圍，就會(huì)導(dǎo)致電流過載。

首先，計(jì)算機(jī)會(huì)給控制器一個(gè)特定的功率進(jìn)行參照，由該控制器對(duì)該參照功率進(jìn)行分析，然后將控制電壓轉(zhuǎn)換成截割電機(jī)所需的頻率，這樣就可以對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。在負(fù)荷改變時(shí)，通過傳感器向控制器傳輸截割電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，并與給定的額定功率進(jìn)行比較，從而得到穩(wěn)定的控制電壓。應(yīng)用以上恒定功率控制技術(shù)，對(duì)礦井恒定功率調(diào)整的基本理論進(jìn)行了探討，如下所示：

式中：P 為采煤機(jī)的電機(jī)功率，kW；T 為采煤機(jī)的牽引速度，m/min；k 為煤層硬度；n 為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

結(jié)果表明，當(dāng)采煤機(jī)在進(jìn)行智能調(diào)高的過程中，假設(shè)牽引速度不變，其功率與煤層硬度及截割電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)，因此，當(dāng)遇上硬煤時(shí)，其轉(zhuǎn)速會(huì)自動(dòng)下降，從而使扭矩得到適當(dāng)?shù)奶岣?；?dāng)遇上軟煤時(shí)，由于負(fù)荷的減少，電動(dòng)機(jī)的速度會(huì)自動(dòng)升高，從而使割煤的效率得到提高。

3 基于虛擬儀器的采煤機(jī)智能調(diào)高系統(tǒng)構(gòu)建及仿真

3.1 采煤機(jī)智能調(diào)高系統(tǒng)的構(gòu)建

本文利用虛擬儀器技術(shù)，研制了一套采煤機(jī)智能調(diào)高控制系統(tǒng)，包括被測(cè)對(duì)象、傳感器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、控制對(duì)象等。從以上分析可以看出，為了得到振動(dòng)信號(hào)和電流信號(hào)，必須對(duì)采煤機(jī)截割部分進(jìn)行調(diào)節(jié)，但現(xiàn)有的調(diào)高油缸一般采用電磁換向閥，因此其輸出信號(hào)為電磁換向閥，如圖2 所示，為采煤機(jī)智能調(diào)高系統(tǒng)的整體架構(gòu)。

圖2 采煤機(jī)智能調(diào)高系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架

在目標(biāo)信號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)定上，必須遵循接近信號(hào)源、干擾小、不影響設(shè)備正常運(yùn)行的原則。振動(dòng)信號(hào)需要通過加速度傳感器進(jìn)行檢測(cè)，而加速度傳感器則應(yīng)設(shè)置在接近振源的截割滾筒與搖臂之間的連接處，以便在不影響采煤機(jī)正常工作的情況下，接收到最大的振動(dòng)信號(hào)。截割電動(dòng)機(jī)的電流信號(hào)可以經(jīng)由電流傳感器插入的導(dǎo)線來測(cè)量。在考慮了采樣頻率、信道數(shù)、頻率響應(yīng)特性、頻率響應(yīng)特性以及頻率響應(yīng)等因素的基礎(chǔ)上，選用了PCI2006 采集卡。以PC 作為控制平臺(tái)，L9349 為核心，實(shí)現(xiàn)了換向閥的驅(qū)動(dòng)與控制。

3.2 采煤機(jī)智能調(diào)高系統(tǒng)的仿真

運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)對(duì)采煤機(jī)智能調(diào)高系統(tǒng)進(jìn)行建立后，但考慮到現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)難以獲取，為此，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行了仿真。由于電流信號(hào)具有較短的突變周期，因此可以忽略其轉(zhuǎn)變過程，從而使電流信號(hào)變?yōu)樘菪味钦鎸?shí)信號(hào)。0～2 s 為截煤區(qū)域（50～300 A 為區(qū)域電流范圍），2～5 s 為切割巖石緩沖區(qū)域（確定電流范圍為300～600 A）；5～7 s 后，再次開始割煤，建立模擬振動(dòng)信號(hào)的思想和建立電流信號(hào)的思想是一致的如圖3-1 所示。然后將采集到的數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)軟件中，通過模擬得出采煤機(jī)的擺角輸出控制信號(hào)，如圖3-3 所示。

圖3 采煤機(jī)智能調(diào)高系統(tǒng)仿真模擬

從如圖3-2 所示，在1.7 s 時(shí)未進(jìn)行調(diào)高，在2 s時(shí)，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)達(dá)到所需的頻率時(shí)，就會(huì)發(fā)出一個(gè)控制信號(hào)，然后對(duì)上擺動(dòng)臂進(jìn)行降級(jí)和調(diào)節(jié)。在電流和振動(dòng)信號(hào)恢復(fù)正常時(shí)，會(huì)自動(dòng)停止調(diào)整，從而也就達(dá)到了控制要求。

4 結(jié)語

基于傳統(tǒng)的記憶式截割方法，本文采用虛擬儀器技術(shù)，研制了一套智能化的采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)。通過對(duì)煤礦井下調(diào)調(diào)高系統(tǒng)的振動(dòng)、電流信號(hào)分析，提出了一種基于小波分析技術(shù)的振動(dòng)特征提取方法；分析了采煤電機(jī)在恒功率調(diào)速過程中的電流，指出該電流可作為采煤機(jī)高度調(diào)節(jié)的變量。利用虛擬儀器建立了采煤機(jī)智能調(diào)高系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了仿真，得到的仿真結(jié)果基本符合采煤機(jī)智能調(diào)高的需要。