基于LabVIEW的采煤機模擬調(diào)高實驗裝置測控系統(tǒng)研究

彭天好，馬 濤，李長鵬

(安徽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

采煤機滾筒自動調(diào)高技術(shù)是實現(xiàn)采煤機自動化的關(guān)鍵[1]?，F(xiàn)有采煤機普遍采用定量泵、電磁換向閥組成的液壓調(diào)高系統(tǒng)。以電磁換向閥為基礎(chǔ)的液壓控制系統(tǒng)，一方面控制精度低，難以精確跟蹤采煤機截割軌跡，另一方面，開關(guān)閥的突變控制會給系統(tǒng)帶來較大的沖擊，對調(diào)高系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[2]。針對這種情況，提出利用電液比例技術(shù)建立電液比例調(diào)高液壓系統(tǒng)，設(shè)計了能夠?qū)崿F(xiàn)模擬截割以及調(diào)高和牽引動作的綜合性采煤機模擬調(diào)高實驗裝置[3]，并研制了實物。本文在此基礎(chǔ)上，利用LabVIEW軟件設(shè)計采煤機模擬調(diào)高實驗裝置測控系統(tǒng)。

1 實驗裝置

該實驗裝置是利用相似理論，以某薄煤層采煤機為原型設(shè)計的采煤機模擬調(diào)高實驗裝置。該實驗裝置實物如圖1所示。電器控制柜內(nèi)置變頻器和綜保器，具有電動機的保護和控制功能。液壓泵站安裝在導(dǎo)軌上，是整個液壓系統(tǒng)的動力源。調(diào)高和牽引油缸在液壓泵站的驅(qū)動下實現(xiàn)實驗裝置的調(diào)高和牽引動作。減速裝置通過聯(lián)軸器連接截割電機和螺旋滾筒，構(gòu)成了實驗裝置的截割部，可完成模擬截割工作。模擬煤壁夾持裝置安裝在底座上用于固定模擬煤壁[4]。

1—電控柜；2—液壓泵站；3—油箱；4—截割滾筒；5—截割電機；6—減速裝置；7—牽引液壓缸；8—底座；9—調(diào)高液壓缸；10-模擬煤壁夾持裝置圖1 采煤機模擬調(diào)高實驗裝置

2 調(diào)高實驗裝置測控系統(tǒng)

實驗裝置進行模擬截割和自動調(diào)高控制時需要根據(jù)煤巖截割參數(shù)和運行工況，實現(xiàn)對調(diào)高油缸、牽引油缸及截割電機的控制。因此，該實驗裝置測控系統(tǒng)應(yīng)具備各種工況信號的采集和能夠?qū)嶒炑b置進行控制等功能。

2.1 測控系統(tǒng)硬件組成

實驗裝置測控系統(tǒng)由油缸、比例閥、電機、變頻器和數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成的控制部分和多種傳感器、數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成的測量部分以及裝有LabVIEW測控程序的PC機組成[5]。硬件組成如圖2所示。

圖2 測控系統(tǒng)硬件組成圖

數(shù)據(jù)采集卡是連接控制部分和測量部分的核心硬件，具有模擬輸入和輸出功能。測量部分，輸入信號設(shè)置了5路壓力、2路位移、2路傾角、2路電流、2路振動、2路聲音共15路模擬信號輸入，采用單端輸入連接方式。NI公司的PCIe-6323型數(shù)據(jù)采集卡具有32路模擬輸入，速率250 kS/s，16位分辨率；4路模擬輸出，速率900 kS/s，16位分辨率，完全滿足了該系統(tǒng)對于多通道和高速I/O的需求[6]。

通過LabVIEW程序輸出數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡D/A轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號輸出至比例方向閥，電液比例方向閥根據(jù)輸入的電壓信號控制閥芯移動調(diào)節(jié)油液流量的大小和方向來控制調(diào)高和牽引油缸伸縮，實現(xiàn)實驗裝置的牽引和調(diào)高動作。該比例閥的輸入電壓信號范圍為-10～10V。

進行數(shù)據(jù)采集時，實驗裝置上多處的壓力、位移、傾角、電流、振動、聲音等物理信號經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號后傳輸至數(shù)據(jù)采集卡，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入至PC機中，由LabVIEW程序?qū)崟r顯示與分析。

該裝置液壓系統(tǒng)工作壓力為6MPa，故選用量程為0～12MPa的CYG1102型壓力傳感器；牽引油缸和調(diào)高油缸的行程分別為160mm和1400mm，據(jù)此選用型號為SMW型的磁致伸縮位移傳感器；該裝置運行時的搖臂擺角范圍是-10°～20°，根據(jù)量程選擇VG200數(shù)字動態(tài)傾角傳感器；B200-E20T電機保護器通過其自帶的互感器單元測量電流，通過RS485 接口進行遠程通訊；振動傳感器選擇LC0109型壓電加速度傳感器，量程為50g，分辨率0.0002g，滿足使用要求；聲音傳感器選擇AWA14422型傳聲器，采集頻率為20～10000Hz。各硬件型號見表1。

表1 硬件選型

2.2 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計基于LabVIEW，LabVIEW平臺程序主要包括前面板和程序框圖兩部分。該系統(tǒng)程序主要包括模擬信號輸出、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理及數(shù)據(jù)存儲等模塊。測控系統(tǒng)流程如圖3所示[7-9]。

圖3 測控程序VI流程圖

該系統(tǒng)采用多循環(huán)結(jié)構(gòu)進行軟件設(shè)計，循環(huán)之間利用隊列方式進行數(shù)據(jù)傳遞。由于多個循環(huán)以不同速率并行運行，有效地避免了在同一循環(huán)中數(shù)據(jù)還沒處理完，下一批數(shù)據(jù)已經(jīng)到達卻無法讀取的情況，提高了系統(tǒng)的執(zhí)行效率。

2.2.1 模擬信號輸出

啟動實驗裝置后，裝置進入待機狀態(tài)，需要向電液比例方向閥中輸入模擬電壓信號，控制裝置運行。模擬量輸出模塊采用LabVIEW中DAQ助手進行設(shè)計。模擬量輸出如圖4所示，將“DAQ助手”Express VI放置在程序框圖中，系統(tǒng)自動打開，按照以下步驟進行設(shè)置，選擇“生成信號”→“模擬輸出”→“電壓”，并根據(jù)需要選擇物理通道，完成后系統(tǒng)將自動創(chuàng)建模擬電壓輸出任務(wù)。

圖4 模擬量輸出

2.2.2 數(shù)據(jù)采集

在開始數(shù)據(jù)采集工作之前需要完成系統(tǒng)的初始化和工作參數(shù)設(shè)置等，如物理通道的選擇、采樣模式、采集速率等。本系統(tǒng)需要進行多通道信號采集任務(wù)，采集程序利用DAQmx API函數(shù)編寫，相較于DAQ助手，該函數(shù)編程靈活，能實現(xiàn)更復(fù)雜的功能，應(yīng)用也最為廣泛[10]。使用“DAQmx創(chuàng)建通道”、“DAQmx定時”和“DAQmx開始任務(wù)”函數(shù)進行代碼編寫可以完成采集通道初始化和參數(shù)設(shè)置程序。如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集模塊中由“DAQmx讀取”函數(shù)獲取采集數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)的格式選用“模擬1D波形N通道N采樣” ，表示模擬操作中，從指定數(shù)目的通道讀取指定數(shù)目的樣本，讀取數(shù)據(jù)類型是一維波形，然后通過“元素入隊列”函數(shù)將波形數(shù)據(jù)輸入隊列中。 每循環(huán)一次，該程序?qū)拿總€物理通道中讀取一組波形數(shù)據(jù)，波形數(shù)據(jù)中含有采集起始時間t0，采樣間隔dt和波形數(shù)據(jù)Y。

2.2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理包括平滑濾波處理和標(biāo)尺轉(zhuǎn)換，在數(shù)據(jù)采集及傳輸?shù)倪^程中，由于客觀因素和人為因素的干擾，測量數(shù)據(jù)中有時會存在一些大的干擾噪聲和異常值，為了保證數(shù)據(jù)的準確性，需要在數(shù)據(jù)顯示之前利用平滑濾波器剔除異常值。標(biāo)尺轉(zhuǎn)換是將采集到的信號電壓值通過傳感器的標(biāo)定關(guān)系，換算出對應(yīng)的物理量數(shù)值。

數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊中應(yīng)用“元素出隊列”函數(shù)將讀取數(shù)據(jù)從隊列中取出，利用“索引波形數(shù)組”函數(shù)將各物理通道的數(shù)據(jù)提取至平滑濾波器中進行平滑濾波處理。然后根據(jù)標(biāo)定關(guān)系將電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為物理量數(shù)值，最終在顯示控件中顯示數(shù)值信號，進行實時監(jiān)控。

2.2.4 數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)保存涉及保存路徑的創(chuàng)建與文件的命名，采用“獲取日期/時間(秒)”函數(shù)獲取PC機系統(tǒng)時間，進行格式轉(zhuǎn)換后創(chuàng)建以日期命名的文件夾，并將日期和時間作為數(shù)據(jù)文件名，“當(dāng)前VI”函數(shù)獲取本VI文件路徑，經(jīng)過“拆分路徑”等函數(shù)將數(shù)據(jù)文件夾保存在該路徑中。如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)存儲

采集數(shù)據(jù)從隊列中取出后，利用“索引波形數(shù)組”函數(shù)和for循環(huán)結(jié)構(gòu)將每個通道中的數(shù)據(jù)依次索引至“導(dǎo)出波形至電子表格文件”函數(shù)，即可將通道名稱、波形起始時間、采樣間隔和波形數(shù)值等信號保存至電子表格中。

3 測控系統(tǒng)實驗

在測控程序編寫完成以后，連接硬件，進行實驗，驗證其準確性與可靠性。實驗中連接了5路壓力、2路位移和調(diào)高比例閥反饋電壓共8路信號。信號輸入物理通道選擇ai0—ai7，采樣模式選擇連續(xù)采樣，根據(jù)采樣定理采樣率應(yīng)大于采集信號最高頻率的2倍，工程應(yīng)用中一般選擇5～10倍，所以設(shè)置采樣速率為1kS/s，每通道采樣數(shù)為1000[11]。

實驗時，向調(diào)高電液比例閥輸入3V電壓值，調(diào)高油缸活塞桿伸出，搖臂從最低點開始上調(diào)。運行至6s時輸入電壓改為0，停止調(diào)高，在11s重新輸入3V電壓值，運行至19s時位移值達到油缸最大行程，測控系統(tǒng)前面板如圖7所示。

圖7 測控系統(tǒng)前面板

搖臂上調(diào)過程中，在0～6s，調(diào)高油缸行程為70mm，計算得出速度為11.67mm/s，無桿腔進油，壓力值為2MPa，有桿腔回油，壓力值為1MPa；在6～11s，調(diào)高油缸行程為0，速度為0，由于負載降低，壓力下降，無桿腔壓力值為1MPa，有桿腔壓力值為0.5MPa；在11～19s，調(diào)高油缸行程為92mm，計算出速度為11.5mm/s，無桿腔壓力值恢復(fù)為2MPa，有桿腔壓力值為1MPa；在19～25s，調(diào)高油缸保持為最大行程，負載增大，無桿腔壓力值為5MPa，有桿腔壓力值為0，在整個調(diào)高過程中，系統(tǒng)入口壓力保持為8MPa，且各壓力信號與液壓系統(tǒng)壓力表示數(shù)一致。

4 結(jié) 語

分析了采煤機模擬調(diào)高實驗裝置的組成，確定了測控系統(tǒng)硬件配置及選型，利用LabVIEW軟件進行了實驗裝置測控系統(tǒng)的程序設(shè)計，并進行了實驗研究。實驗中，通過對程序前面板的操作，實現(xiàn)了運行控制、多通道數(shù)據(jù)采集與實時顯示、數(shù)據(jù)存儲等功能。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以完成測控任務(wù)，為后續(xù)采煤機自動調(diào)高實驗研究提供了平臺，也為類似系統(tǒng)的開發(fā)提供了借鑒。