基于LabVIEW的采煤机模拟调高实验装置测控系统研究.pdf

doi 10. 11799/ ce202002030 收稿日期 2019-03-31 基金项目 国家自然科学基金资助项目51475001 作者简介 彭天好1964─, 男, 江西鄱阳人, 博士, 教授, 博士生导师, 研究方向为液压节能传动、 矿山机械及机电 液控制, E-mail thp1909 163. com。 引用格式 彭天好, 马 涛, 李长鹏 . 基于 LabVIEW 的采煤机模拟调高实验装置测控系统研究 [J]. 煤炭工程, 2020, 522 142-146. 基于 LabVIEW 的采煤机模拟调高 实验装置测控系统研究 彭天好, 马 涛, 李长鹏 安徽理工大学 机械工程学院, 安徽 淮南 232001 摘 要 针对采煤机自动调高问题, 研究设计了具有电液比例调高系统的采煤机模拟截割实验 装置。 分析了该实验装置的组成, 以 NI PCIe-6323 数据采集卡和电液比例方向阀为核心硬件, 构建 了以 LabVIEW 为基础的采煤机模拟调高实验装置测控系统。 该系统具有模拟信号输出、 多通道数 据采集、 数据实时显示与存储等模块。 论文进行了测控系统的硬件选型以及各模块的程序设计, 给 出了测控系统前面板和程序框图, 并进行了实验验证。 实验结果表明, 该系统可以对实验装置运行 工况进行实时监控。 该系统的开发, 为后续采煤机自动调高的实验研究提供了平台。 关键词 采煤机; 电液比例阀; LabVIEW; 数据采集; 测控系统 中图分类号 TD421 文献标识码 A 文章编号 1671-0959202002-0142-05 Research on test and control system of shearer simulated height adjustment experimental device based on LabVIEW PENG Tian-hao, MA Tao, LI Chang-peng School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China Abstract Aiming at the problem of automatic height adjustment of shearer, a shearer simulation cutting device with electro- hydraulic proportional height adjustment system is designed. The experimental device composition is analyzed. The NI PCIe- 6323 data acquisition card and the electro-hydraulic proportional direction valve are used as the core hardware. The test and control system of shearer simulation height adjustment experimental device based on LabVIEW is constructed. The system has modules such as analog signal output, multi-channel data acquisition, real-time data display and storage.The hardware selection and the program design of each module are carried out. The front panel and block diagram of the system are given, and the experimental verification is carried out.The experimental results show that the system can monitor the operating conditions of the experimental device in real time. The development of this system provides a plat for the experimental research of the subsequent automatic height adjustment of shearer. Keywords shearer; electro-hydraulic proportional valve; LabVIEW; data acquisition; test and control system 采煤机滚筒自动调高技术是实现采煤机自动化 的关键[1]。 现有采煤机普遍采用定量泵、 电磁换向 阀组成的液压调高系统。 以电磁换向阀为基础的液 压控制系统, 一方面控制精度低, 难以精确跟踪采 煤机截割轨迹, 另一方面, 开关阀的突变控制会给 系统带来较大的冲击, 对调高系统的稳定性产生影 响 [2] 。 针对这种情况, 提出利用电液比例技术建立 电液比例调高液压系统, 设计了能够实现模拟截割 以及调高和牵引动作的综合性采煤机模拟调高实验 装置[3], 并研制了实物。 本文在此基础上, 利用 LabVIEW 软件设计采煤机模拟调高实验装置测控 系统。 241 第52卷第2期 煤 炭 工 程 COAL ENGINEERING Vol. 52, No. 2 万方数据 1 实验装置 该实验装置是利用相似理论, 以某薄煤层采煤 机为原型设计的采煤机模拟调高实验装置。 该实验 装置实物如图 1 所示。 电器控制柜内置变频器和综 保器, 具有电动机的保护和控制功能。 液压泵站安 装在导轨上, 是整个液压系统的动力源。 调高和牵 引油缸在液压泵站的驱动下实现实验装置的调高和 牵引动作。 减速装置通过联轴器连接截割电机和螺 旋滚筒, 构成了实验装置的截割部, 可完成模拟截 割工作。 模拟煤壁夹持装置安装在底座上用于固定 模拟煤壁[4]。 1电控柜; 2液压泵站; 3油箱; 4截割滚筒; 5截割电机; 6减速装置; 7牵引液压缸; 8底座; 9调高液压缸; 10-模拟煤壁夹持装置 图 1 采煤机模拟调高实验装置 2 调高实验装置测控系统 实验装置进行模拟截割和自动调高控制时需要 根据煤岩截割参数和运行工况, 实现对调高油缸、 牵引油缸及截割电机的控制。 因此, 该实验装置测 控系统应具备各种工况信号的采集和能够对实验装 置进行控制等功能。 2. 1 测控系统硬件组成 实验装置测控系统由油缸、 比例阀、 电机、 变 频器和数据采集卡构成的控制部分和多种传感器、 数据采集卡构成的测量部分以及装有 LabVIEW 测控 程序的 PC 机组成[5]。 硬件组成如图 2 所示。 数据采集卡是连接控制部分和测量部分的核心 硬件, 具有模拟输入和输出功能。 测量部分, 输入 信号设置了 5 路压力、 2 路位移、 2 路倾角、 2 路电 流、 2 路振动、 2 路声音共 15 路模拟信号输入, 采 用单端输入连接方式。 NI 公司的 PCIe-6323 型数据 采集卡具有 32 路模拟输入, 速率 250 kS/ s, 16 位分 辨率; 4 路模拟输出, 速率 900 kS/ s, 16 位分辨率, 完全满足了该系统对于多通道和高速 I/ O 的需求[6]。 通过 LabVIEW 程序输出数字信号经过数据采集 图 2 测控系统硬件组成图 卡 D/ A 转换成模拟电压信号输出至比例方向阀, 电 液比例方向阀根据输入的电压信号控制阀芯移动调 节油液流量的大小和方向来控制调高和牵引油缸伸 缩, 实现实验装置的牵引和调高动作。 该比例阀的 输入电压信号范围为-1010V。 进行数据采集时, 实验装置上多处的压力、 位 移、 倾角、 电流、 振动、 声音等物理信号经过传感 器转换为电压信号后传输至数据采集卡, 经 A/ D 转 换为数字信号输入至 PC 机中, 由 LabVIEW 程序实 时显示与分析。 该装置液压系统工作压力为 6MPa, 故选用量程 为 012MPa 的 CYG1102 型压力传感器; 牵引油缸 和调高油缸的行程分别为 160mm 和 1400mm, 据此 选用型号为 SMW 型的磁致伸缩位移传感器; 该装置 运行时的摇臂摆角范围是-1020, 根据量程选择 VG200 数字动态倾角传感器; B200-E20T 电机保护 器通过其自带的互感器单元测量电流, 通过 RS485 接口进行远程通讯; 振动传感器选择 LC0109 型压电 加速度传感器, 量程为 50g, 分辨率 0. 0002g, 满足 使用要求; 声音传感器选择 AWA14422 型传声器, 采集频率为 2010000Hz。 各硬件型号见表 1。 表 1 硬件选型 硬件名称型号 数据采集卡NI PCIe-6323 方向比例阀4WREEM 型 变频器FRA840 型 压力传感器CYG1102 型 位移传感器SMW 型 倾角传感器VG200 数字动态型 电流传感器B200-E20T 电机保护器 振动传感器LC0109 声音传感器传声器 AWA14422 2. 2 测控系统软件设计 软件设计基于 LabVIEW, LabVIEW 平台程序主 341 2020 年第 2 期 煤 炭 工 程 装备技术 万方数据 要包括前面板和程序框图两部分。 该系统程序主要 包括模拟信号输出、 数据采集、 数据预处理及数据 存储等模块。 测控系统流程如图 3 所示[7-9]。 图 3 测控程序 VI 流程图 该系统采用多循环结构进行软件设计, 循环之 间利用队列方式进行数据传递。 由于多个循环以不 同速率并行运行, 有效地避免了在同一循环中数据 还没处理完, 下一批数据已经到达却无法读取的情 况, 提高了系统的执行效率。 2. 2. 1 模拟信号输出 启动实验装置后, 装置进入待机状态, 需要 向电液比例方向阀中输入模拟电压信号,控制装置运 行。 模拟量输出模块采用 LabVIEW 中 DAQ 助手进 行设计。 模拟量输出如图 4 所示, 将 “DAQ 助手” Express VI 放置在程序框图中, 系统自动打开, 按照 以下步骤进行设置, 选择 “生成信号” → “模拟输 出” → “电压”, 并根据需要选择物理通道, 完成 后系统将自动创建模拟电压输出任务。 图 4 模拟量输出 2. 2. 2 数据采集 在开始数据采集工作之前需要完成系统的初始 化和工作参数设置等, 如物理通道的选择、 采样模 式、 采集速率等。 本系统需要进行多通道信号采集 任务, 采集程序利用 DAQmx API 函数编写, 相较于 DAQ 助手, 该函数编程灵活, 能实现更复杂的功 能, 应用也最为广泛[10]。 使用 “ DAQmx 创建通 道”、 “DAQmx 定时” 和 “DAQmx 开始任务” 函数 进行代码编写可以完成采集通道初始化和参数设置 程序。 如图 5 所示。 图 5 数据采集 数据采集模块中由 “DAQmx 读取” 函数获取采 集数据, 读取数据的格式选用 “模拟 1D 波形 N 通 道 N 采样” , 表示模拟操作中, 从指定数目的通道 读取指定数目的样本, 读取数据类型是一维波形, 然后通过 “元素入队列” 函数将波形数据输入队列 中。 每循环一次, 该程序将从每个物理通道中读取 一组波形数据, 波形数据中含有采集起始时间 t0, 采样间隔 dt 和波形数据 Y。 2. 2. 3 数据预处理 数据预处理包括平滑滤波处理和标尺转换, 在 数据采集及传输的过程中, 由于客观因素和人为因 素的干扰, 测量数据中有时会存在一些大的干扰噪 声和异常值, 为了保证数据的准确性, 需要在数据 显示之前利用平滑滤波器剔除异常值。 标尺转换是 将采集到的信号电压值通过传感器的标定关系, 换 算出对应的物理量数值。 441 装备技术 煤 炭 工 程 2020 年第 2 期 万方数据 数据预处理模块中应用 “元素出队列” 函数将 读取数据从队列中取出, 利用 “索引波形数组” 函 数将各物理通道的数据提取至平滑滤波器中进行平 滑滤波处理。 然后根据标定关系将电压数据转换成 为物理量数值, 最终在显示控件中显示数值信号, 进行实时监控。 2. 2. 4 数据存储 数据保存涉及保存路径的创建与文件的命名, 采用 “获取日期/ 时间秒” 函数获取 PC 机系统时 间, 进行格式转换后创建以日期命名的文件夹, 并 将日期和时间作为数据文件名,“当前 VI” 函数获 取本 VI 文件路径, 经过 “拆分路径” 等函数将数据 文件夹保存在该路径中。 如图 6 所示。 图 6 数据存储 采集数据从队列中取出后, 利用 “索引波形数 组” 函数和 for 循环结构将每个通道中的数据依次索 引至 “导出波形至电子表格文件” 函数, 即可将通 道名称、 波形起始时间、 采样间隔和波形数值等信 号保存至电子表格中。 3 测控系统实验 在测控程序编写完成以后, 连接硬件, 进行实 验, 验证其准确性与可靠性。 实验中连接了 5 路压 力、 2 路位移和调高比例阀反馈电压共 8 路信号。 信号输入物理通道选择 ai0ai7, 采样模式选择连续 采样, 根据采样定理采样率应大于采集信号最高频 率的2 倍, 工程应用中一般选择510 倍, 所以设置 采样速率为 1kS/ s, 每通道采样数为 1000[11]。 实验时, 向调高电液比例阀输入 3V 电压值, 调 高油缸活塞杆伸出, 摇臂从最低点开始上调。 运行 至 6s 时输入电压改为 0, 停止调高, 在 11s 重新输 入 3V 电压值, 运行至 19s 时位移值达到油缸最大行 程, 测控系统前面板如图 7 所示。 摇臂上调过程中, 在 0 6s, 调高油缸行程为 70mm, 计算得出速度为 11. 67mm/ s, 无杆腔进油, 压力值为 2MPa, 有杆腔回油, 压力值为 1MPa; 在 611s, 调高油缸行程为 0, 速度为 0, 由于负载降 低, 压力下降, 无杆腔压力值为 1MPa, 有杆腔压力 值为 0. 5MPa; 在 1119s, 调高油缸行程为 92mm, 图 7 测控系统前面板 计算出速度为 11. 5mm/ s, 无杆腔压力值恢复为 2MPa, 有杆腔压力值为 1MPa; 在 1925s, 调高油 缸保持为最大行程, 负载增大, 无杆腔压力值为 5MPa, 有杆腔压力值为 0, 在整个调高过程中, 系 统入口压力保持为 8MPa, 且各压力信号与液压系统 压力表示数一致。 4 结 语 分析了采煤机模拟调高实验装置的组成, 确定 了测控系统硬件配置及选型, 利用 LabVIEW 软件进 行了实验装置测控系统的程序设计, 并进行了实验 研究。 实验中, 通过对程序前面板的操作, 实现了 运行控制、 多通道数据采集与实时显示、 数据存储 541 2020 年第 2 期 煤 炭 工 程 装备技术 万方数据 等功能。 实验结果表明, 该系统可以完成测控任务, 为后续采煤机自动调高实验研究提供了平台, 也为 类似系统的开发提供了借鉴。 参考文献 [1] 郭 鑫. 基于电液比例控制的采煤机自动调高系统的研究 [J]. 机械管理开发, 2018, 3312 101-103. 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