矿山液压支架测高系统的设计与实现

　　摘要：为解决现有矿用液压支架测高方案智能化程度低、准确度差等问题, 研究了液压支架在不同姿态下的测高方案, 提出了一种基于倾角传感器的矿用液压支架测高系统设计方法, 搭建了基于倾角传感器的矿用液压支架测高系统。并针对井下强烈电磁和振动干扰导致信号降质的问题, 对采集到的数据进行小波分解和重构, 提高了测高系统在恶劣环境下的准确性, 同时从提高通信抗干扰能力, 增加传输距离等方面, 提出下一步研究的方向, 矿用液压支架测高系统在实验室和井下进行测试试验, 结果表明, 在井下恶劣环境下系统测高误差在10 cm内, 可以满足工作面的实际需求。

　　关键词：倾角传感器; 液压支架; 高度测量; 小波滤波; 阈值去噪;

　　Abstract：In order to solve a low intelligent degree, poor accuracy and other problems of the available mine height measuring plan for the hydraulic powered support, a height measuring plan of the hydraulic powered support under different attitude was studied, a design method of height measuring system based on inclination sensor was provided for the mine hydraulic powered support and the height measuring system of the mine hydraulic powered support was established based on the inclined sensor. And according to the strong electromagnetic and vibration interference caused the signal degradation problem in the underground mine, the wavelet decomposition and reconstruction were conducted on the collected data and the accuracy of the height measuring system was improved under the harsh environment. Meanwhile, from the aspects to improve the anti-interference capability of the communication, to increase the transmission distance and others, the further study orientation was provided. The height measuring system of the mine hydraulic powered support was tested in the lab and the underground mine. The results showed that under the harsh environment, the error of the height measuring system was within 10 cm and could meet the actual requirements of the coal mining face.

　　Keyword：inclination sensor; hydraulic powered support; height measurement; wavelet filtering; threshold denoising;

　　我国的煤炭开采模式先后经历人工镐刨、炮采、普采、综采、自动化信息化采煤等发展阶段。近年来, 国内煤炭行业综采工作面自动化技术迅猛发展, 采煤机记忆割煤和支架自动跟机拉架、收放护帮板等功能已经成为现实。以澳大利亚为代表的发达国家采用综采工作面自动化控制技术已经实现少人化智能开采, 我国黄陵矿业集团采用国产综采工作面智能化控制技术和装备实现了无人操作、一人巡视的智能化开采, 并得到推广应用[1-3]。

　　支架高度信息为采煤机截煤高度的调控提供重要参数, 并为液压支架进行自动移架、降柱的过程控制提供数据。液压支架高度测量系统, 在综采工作面智能化控制系统中是重要的一环。最初使用人工读数记录的方法获得支架高度信息, 不仅影响综采效率也带来安全隐患。在一些自动化程度较高的工作面, 采用压力测高、激光测高等方案。压力测高利用连通器原理, 通过压力传感器将压强换算成高度, 但管道漏液和堵塞问题影响测量精度。激光测高在支架运动过程中难以保证激光束准确打到目标靶, 其光学镜头易被截割煤过程中产生的粉尘遮挡, 导致传感器失效[4-8]。因此, 笔者提出一种通过角度测高的方案, 建立相应的测高原理模型, 并推导高度计算公式。针对井下强电磁干扰、振动等因素导致采样信号质量下降的问题, 通过小波滤波去除噪声干扰。在实验室用液压支架模型搭建测试平台, 验证了液压支架测高方案原理的正确性, 并在阳泉煤业集团一矿测试, 证明了此测高方案的可行性。为液压支架高度测量提供了一种更加可靠、精确的方案, 推进了液压支架控制系统自动化进程。

　　1、液压支架控制系统及测高技术方案

　　1.1、液压支架控制系统

　　液压支架主要的作用是支撑采煤工作面, 在实际应用中, 综采煤层的高度可通过液压支架高度间接获得。支架控制器获取到实时支架高度信息, 可对高度信息进行分析处理, 对液压支架姿态的调整具有指导作用。液压支架闭环控制如图1所示。

图1 液压支架闭环控制系统

　　1.2、液压支架测高技术方案

　　液压支架建模如图2所示, L1~L4分别为顶梁、掩护梁、四连杆和底座, H1~H4为待求的高度值。当支架与水平面平行时, 如图2a所示, 顶梁、掩护梁和四连杆在X轴方向与水平面夹角分别为θ1、θ2、θ3, 根据数学知识可得支架高度HA计算公式为[9]

　　当支架沿X轴倾斜α角度时, 顶梁、掩护梁和四连杆在X轴方向与水平面夹角仍为θ1、θ2、θ3, 但计算支架高度所需的角度是顶梁、掩护梁和四连杆与底座所在平面之间的夹角, 由图2b可知, 二者之间会有±α的差值。根据图2模型和式 (1) , 得到支架沿X轴倾斜α时液压支架高度HB计算公式为

图2 液压支架水平及沿X轴倾斜建模

　　当支架沿Y轴倾斜β时, 对支架简化后建模如图3a所示, 设∠MDN、∠MDC、∠MD1C1分别为γ、δ、δ1。取四连杆所在平面为研究对象, 线段ME为四连杆边沿的一条线段, 过点M向斜面作垂线, 垂足为点N;过点M向地面作垂线, 垂足为点C, 交斜面于点C1;延长ME, 与斜面、地面分别交于点D和D1。

图3 液压支架Y轴倾斜建模

　　图3b中, 四连杆与水平面的夹角为MD1C1, 即δ1。在进行高度计算时, 所需角度为四连杆和斜面的夹角γ。由图3c知, CMN与Y轴倾斜β相等。为简化计算, 分别将C、C1视为同一点, D、D1视为同一点。根据几何性质, 由式 (3) 、式 (4) 、式 (5) 推导求得θ的计算公式 (6) , γ为四连杆用于高度计算的有效角度。

　　式 (6) 中, δ (δ1) 、β分别为四连杆沿X、Y方向倾斜的角度;γ为在支架在沿Y轴方向有倾斜时, 归算得到的液压支架在新姿态下X轴方向的有效计算值。分别再取顶梁、掩护梁为研究对象得到相应的γ。此时, 若X轴方向没有倾斜, 将得到的γ代入式 (1) 对应的θ处;若X轴方向存在倾斜, 代入式 (2) 对应的θ处。

　　2、液压支架测高系统功能实现

　　2.1、总体设计

　　液压支架测高系统设计要充分考虑倾角传感器的布局和器件之间的通信。依据测高技术方案需求, 为计算得到液压支架高度, 需悉知顶梁、掩护梁、四连杆、底座的长度和在X、Y方向倾斜的角度。长度经人工测量在程序设计中预置, 倾斜角度则需要4个双轴倾角传感器测得。如图4所示, 1号和4号传感器固定在底座和顶梁。因四连杆、掩护梁角度一般超过45°, 需将2号和3号传感器固定在四连杆、掩护梁延伸出的45°安装架上, 保证倾角传感器在精度较高的±30°范围内工作, 45°的角度差在程序设计中弥补。4个传感器均隐蔽在支架下方, 防护性能较好。

图4 液压支架测高系统设计

　　倾角传感器的A、B两个接口, 用来供电和与其他传感器通信。2、3、4号传感器将测得角度传给1号传感器, 由其负责计算得到支架高度值, 并通过A口将4个角度值和支架高度值发给支架控制器。

　　2.2、电路设计思路

　　测高系统需双轴角度测量, 对角度传感芯片性能要求较高, 高精度传感芯片对电压有较高要求, 需对电源模块需进行特殊设计。这2点是本电路设计的核心。

　　高精度双轴角度测量传感芯片SCA100T基于微机电系统MEMS, 测量精度高、抗震动能力强, 具有温度补偿功能, 在井下较为适用, 其主要技术参数:工作电压5 V, 工作电流3 m A;X、Y双轴高精度角度测量;在-3 d B, 18 Hz条件下受阻尼频率响应控制;可承受20 000 g机械冲击;模拟量输出灵敏度2 V/g[10-13]。

　　供电电路模块采用2路供电的宽电源供电方式, 电源转换器LM2674将12 V电压转换到5 V供给AD转换器LTC1865, 电压调节器LP2992将5 V转换到3.3 V为主控芯片供电。高精度角度传感芯片SCA100T和AD转换器LTC1865的参考电压需要稳定、精确的5 V电压, 由低噪声、高精度的基准电压源REF195供给。

　　目前ARM系列芯片市场主要由NXP、ST主导, 各自有丰富的产品生产线以满足不同的需求。经过深入调研厂家方案, 结合自己的实际需求, 从性能、价格、开发周期等方面综合考虑。选择LPC2138微控制器作为倾角传感器的主控芯片。

　　基于LPC2138设计的液压支架测高系统硬件设计框图如图5所示。LPC 2138是32位微控制器, 采用ARM内核, 片上外设丰富, 具有JTAG接口, 可直接进行调试和编程。在满足对运算速度要求的同时有效控制成本。

图5 液压支架测高系统硬件设计框图

　　看门狗电路在程序异常时提供复位信号, 防止程序进入死循环。4个倾角传感器的A、B口通过四芯连接器首尾相连, 并接入支架控制器。

　　2.3、程序设计

　　4个倾角传感器的功能大致相同又略有区别。每个传感器都具有初始化、编号、校准等功能, 但只有与控制器相连的1号传感器负责高度计算。

　　系统包括1个主程序和2个子程序结构, 将共同的功能整合到主程序中, 并在初始化程序Sensor Init里对4个倾角传感器进行编号。在主程序结束时, 每个传感器根据自己的编号执行对应的子程序。既保证差异化功能的实现, 又可简化工艺生产流程。液压支架测高系统主程序流程如图6所示。

图6 液压支架测高系统主程序流程

　　液压支架测高系统主程序设计逻辑如下:首先进行初始化设置, 检查对倾角传感器编号是否正确, 如果编号不正确, 清零并等待重新编号。然后读取以下3种重要的系统参数: (1) 倾角传感器的编号。若编号完成, 读取传感器的编号并更新。没有完成则设置标志位并跳转到初始化程序Sensor Init, 对倾角传感器进行初始化编号。 (2) 校准开关、校准方式、安装方式、倾角传感器的开关以及X/Y轴的测量。 (3) 获取预置的顶梁、掩护梁、四连杆和底座的初值以及角度校准值。读取完3种参数后进入主循环体, 编号为1的倾角传感器跳到子程序Sensor One, 其余3个跳到子程序Sensor Other。

　　主循环体下2个子程序逻辑大同小异, 功能实现中都包含角度测量、检查升级、根据串口收到的命令执行相应的操作等功能。若检测到编号不正确, 系统会设置新的标志位并进入初始化程序Sensor Init进行重新编号。为避免信号干扰, 均设计了校验串口数据的功能, 串口在确定收到完整有效的数据帧后, 才会根据约定的通信协议执行对应的命令。2个子程序的区别在于子程序Sensor One有高度计算功能, 且A、B口对应的命令稍有不同。子程序Sensor One的流程如图7所示。

图7 液压支架测高系统的子程序

　　3、液压支架测高系统

　　煤矿井下空间狭小, 大型机电设备众多, 位置相对集中, 启停频繁, 导致井下存在严重的电磁干扰问题[14-15]。外加机械振动等因素的影响, 造成采集到的信号多为含有噪声的降质信号。液压支架高度测量与4个传感器都有密切关系, 若采集的信号质量不高, 会带来很大的误差积累, 导致测量精度不足。本设计对信号进行小波阈值去噪, 提高了采样质量, 并用MATLAB软件对信号处理结果进行仿真。对染噪信号进行小波分解和重构的步骤如下:

　　1) 对染噪信号进行小波分解, 得到逼近部分和细节部分dj。

　　2) 取出第j层的细节部分dj, 根据式 (7) —式 (10) , 将细节部分dj和选定的阈值λj进行比较, 得到更新后的细节部分dj。

　　3) 将逼近部分和更新后的细节部分进行重构, 即滤波后的信号。

　　式中:j为小波分解重构对应的层数;σ为噪声标注方差;N为信号长度;median为中值[16-20]。

　　MATLAB仿真选用小波函数Daubechies中的db3进行滤波, 其具有三阶消失矩的紧支集正交小波, 能够避免频域区间被折断。在静态和动态2种情形下, 分别对采集到的信号进行滤波, 滤波前后的波形如图8、图9所示。

图8 静态滤波前后波形对比

图9 动态滤波前后波形对比

　　对比滤波前后仿真结果可见, 经过小波去噪后, 采集到的信号轮廓更加清晰, 信号中噪声减少, 采样质量大幅提高。

　　4、试验及结果分析

　　为验证液压支架测高系统的功能, 测试其在不同工作环境、不同姿态下的性能表现, 分别在实验室和井下进行试验。

　　4.1、实验室验证

　　在实验室用液压支架模型搭建测试平台如图10所示, 并用标准的角度尺进行角度测量验证。

图10 实验室液压支架模型测试平台

　　1号倾角传感器通过串口连接到PC机, 调整支架姿态, 用串口助手获取角度及高度数据。实验室液压支架测高系统测试结果见表1。

表1 液压支架测高系统实验室测试结果

　　可见, 倾角传感器测高在液压支架的测高和姿态测量中性能优异, 误差在5%左右, 能满足对误差的要求。

　　4.2、煤矿井下实验验证

　　为验证此测高系统在实际工作环境下的精确度, 在有电磁干扰和振动的环境下进行测试。选择山西阳泉煤业集团一矿S8310大采高工作面进行井下试验, 在500~600 cm范围内调整液压支架高度并采集数据, 测试结果见表2。

表2 液压支架测高系统井下测试结果

　　5、结论

　　通过对液压支架测高方案研究、倾角传感器改善, 解决了液压支架高度测量智能化程度低、准确度差的问题。主要取得了以下成果:研究一种基于倾角传感器的矿用液压支架测高系统;改进液压支架高度测量算法, 设计倾角传感器的电路并进行软件编程;通过小波滤波处理采集的数据, 保证测量的准确性。

　　液压支架测高系统误差在10 cm内, 可以满足现阶段智能开采对支架高度的需求, 目前该产品已经投入市场。但是部分技术有待进一步完善, 以下2点将是下一步工作的重点。

　　1) 倾角传感芯片在双轴倾斜情况下性能有提升的空间, 下一步工作将引入加速度计, 与双轴测量芯片配合成为升级版的测量组合。

　　2) 将测高系统和支架控制器之间的通信方式升级为总线型结构, 以增强通信抗干扰能力, 增加传输距离, 简化控制器及相连设备之间的接线。

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