基于蓝牙通信的液压支架电液控制器无线遥控系统开发

矿井机械化综采工作面工况复杂,光线昏暗,液压支架操作人员活动范围狭窄,这使得支架操作人员操作电液控制器控制液压支架时视野受到限制,无法对液压支架进行灵活控制。为进一步满足对液压支架高效性、灵活性的控制需求,提出了一种基于蓝牙通信的液压支架电液控制器的无线遥控方法,开发了无线遥控的软硬件系统,设计了蓝牙主从机的配对方案及通信协议,使无线遥控器能准确无误的向目标支架传递控制命令,实现了对目标支架的无线近距离灵活控制。与此同时,搭建了无线遥控系统实验平台,通过测试,目标支架动作迅速,状态参数传输准确,验证了本控制系统的可行性。

液压支架电液控制系统总线通信故障检测与诊断方法

通信系统是综采工作面液压支架电液控制系统信息传递的通道与桥梁,目前多采用CAN总线作为通信总线,易受井下复杂电磁环境的干扰,导致支架控制器内部通信硬件出现故障,造成控制器“失联”现象,且CAN总线通信系统采用多主通信模式,单台控制器“失联”将导致整个电液控制系统无法正常工作,造成安全隐患。设计了CAN通信保护电路,可使通信系统在较大负载情况下稳定运行,在复杂环境中具有较强的抗干扰性。基于CAN总线通信协议,结合令牌环网思想,提出了CAN总线通信故障检测与诊断方法,通过合理设计数据的帧结构与故障检测方式,弥补了CAN总线通信模式下节点丢失时难以定位的缺陷,并将增加数据长度对传输负载的影响降到最低,确保良好的通信性能。以2台端头控制器配合6台液压支架控制器组成环网,通过上位机不定时下发命令模拟井下实际操作时总线真实的负载情况,对液压支架电液控制系统总线通信故障检测与诊断方法进行实验验证,结果表明:该方法对系统负载率的影响较低,不会影响系统的正常运行;当出现故障节点时,可在300 ms内检测出故障控制器并向全工作面报警,故障排除率达100%。

混合型本安电路短路瞬态能量分析

目前针对本安电路本安特性的研究大多以IEC火花实验装置为实验平台,仅对单一电容电路或电感电路的放电特性进行分析,存在适用性差、实验条件要求高等问题,缺少对混合型本安电路本安特性的研究。针对该问题,在GB/T 3836.4—2010《爆炸性环境第4部分:由本质安全型“i”保护的设备》的基础上,以截流型保护方式下的混合型电路为实验对象进行短路瞬态能量实验,通过分析短路瞬态能量释放过程,建立了短路瞬态能量数学模型,分析了等效数学模型中电容、电感、电源电压和保护时间对短路瞬态能量的影响。Matlab仿真结果表明:随着电容和电感的增大,短路瞬态能量会逐渐增大,最后趋于一个稳定值;增大电源电压会显著增加短路瞬态能量;缩短动作保护时间可有效降低瞬态能量,但只有当保护时间小于临界时间时其作用才明显。基于短路瞬态能量数学模型开发了本安电源,进行了短路实验。实验结果表明:短路电流和电压波形与理论分析基本吻合,短路瞬态能量为33.22µJ,符合本安要求,可为本安电源的设计提供参考。

液压支架电液控制系统通信调度策略研究

随着液压支架电液控制系统智能化进程不断推进,基于CAN总线的电液控制系统通信数据量越来越大,总线数据冲突增多,高优先级节点占据总线控制权,造成了低优先级节点持续发送失败的饥饿现象,严重影响通信实时性,阻碍其智能化进程,甚至威胁工作面安全工作生产。针对这种现象,对液压支架电液控制通信系统进行了详细的分析,结合系统结构和信息特点对CAN标识符和动态调度算法进行设计,提出了基于EDF(Earliest Deadline First)的总线动态调度策略,通过实验验证,该动态调度策略能够极大改善节点饥饿现象,降低系统平均时延,提高系统的实时性,为实现自动化无人值守工作面打好基础。

煤矿综采工作面液压支架电液控制技术的发展及应用

液压支架是综采工作面的主要装备,其电液控制技术是综采工作面实现高效开采的重要象征。液压支架自动化水平对提高生产效率,保障生产安全至关重要。电液控制技术起源于英国,发展于德国,20世纪90年代走向成熟,并逐渐推广应用于全球;而在我国该技术的发展起步较晚,虽然在基本功能上已经赶上世界先进水平,但可靠性、稳定性和智能化方面仍有提高的必要。在分析发展电液控制技术必要性的基础上,回顾了电液控制技术不同发展阶段的功能要求和技术特点;接着介绍了现阶段国内外电液控制技术的研究现状,并重点展望了综采自动化工作面液压支架电液控制技术的发展方向。

基于双CAN总线的薄煤层液压支架电液控制系统研究

为了解决当前薄煤层自动化、智能化开采程度低的问题,文章以"成套液压支架集中远程自动化控制+人工干预"为思路,提出了一种基于双CAN总线的薄煤层液压支架电液控制系统,通过分析薄煤层采煤工艺和自动化、智能化开采的关键技术指标,搭建系统的整体架构,设计了系统的硬件结构和通信方案,通过实验验证了液压支架邻架控制和远程控制通讯功能,证明了系统具有较高的实时性和稳定性。

液压支架电液控制系统总线通信故障检测研究

通过国内液压支架电液控制系统理论研究和现场实践,发现系统总线通信故障比较常见,危害较大。基于系统常见通信故障和错误检测机制理论,确定基于电流检测的485总线短路故障检测方法和基于主从握手协议的CAN总线故障检测方法,依据ZDYZ-JK型液压支架电液控制系统平台进行现场实验。研究结果表明,提出的检测方法可实现在线监测485总线通信分支的机械短路故障和CAN总线通信故障,从而在短时间内移除故障点,避免故障进一步损坏系统。

基于非完整性约束的采煤机定位方法

目前基于惯性导航系统和里程计组合的采煤机定位方法直接用里程计输出对惯性导航系统推算得到的采煤机前进速度进行修正,但抑制惯性导航系统误差发散的能力非常有限。采煤机在运动过程中满足非完整性约束的特点,即在采煤机不发生跳跃和侧滑的情况下,牵引齿轮和履带连接处的侧向和垂向速度为零。基于该特点,在惯性导航系统和里程计组合定位的基础上,提出了一种基于非完整性约束的采煤机定位方法。安装于采煤机机身中部的惯性测量单元输出经机械编排获得采煤机姿态、速度和位置信息;安装于采煤机牵引齿轮上的里程计输出用于计算采煤机瞬时速度。使用惯性导航系统的机械编排结果和误差传播模型建立卡尔曼滤波状态方程,在采煤机牵引齿轮和履带的连接处引入非完整性约束,利用惯性导航系统投影在连接处的速度与里程计输出的速度之差作为观测向量,建立卡尔曼滤波观测方程;将卡尔曼滤波算法处理后的结果作为误差反馈,对惯性导航系统的输出进行修正,得到采煤机姿态、速度和位置的最优估计。实验结果表明,相较于传统惯性导航系统和里程计组合的定位方法,加入非完整性约束后定位误差没有随时间发散,对实际轨迹具有良好的追踪性能;采煤机在前向、侧向、垂向上的定位误差分别降低了66%,62%,67%。

具有故障诊断功能的液压支架电液控制器通信系统

综采工作面通信节点数量多、通信距离长、电磁环境复杂。针对现有液压支架电液控制器通信系统普遍缺乏故障诊断功能的问题,以ZDYZ-JK型液压支架电液控制器为研究对象,设计了一套具有故障诊断和故障定位功能的液压支架电液控制器通信系统。该系统具有双路通信网络,其中一路采用总线结构同时连接主控制器和所有间架控制器,另一路则采用串联结构,仅连接相邻2台间架控制器。主控制器与间架控制器间的通信采用总线方式,手动模式下的间架控制器间邻架通信及控制则采用串联方式,二者互不干扰。间架控制器在接收到主控制器的通信信号后,会实时进行故障诊断并记录故障情况,同时会周期性向相邻支架上的间架控制器发送诊断信息,使得存在总线通信故障的间架控制器的诊断结果能够通过相邻支架上的间架控制器反馈给主控制器,从而可以在间架控制器发送报文功能故障或出错时及时对错误进行上报,上报内容包含控制器编号信息,以实现故障定位。试验结果表明:(1)系统在121个通信节点、最大通信距离约为1040 m时工作良好,且节点数量可继续增加,最高可达255个,该指标满足200个节点、1000 m通信距离的设计要求。(2)可对由于工作面电磁干扰、电液控制器物理损坏、电液控制器软件错误等原因造成的多种通信故障进行诊断和精确定位。

基于最大熵卡尔曼滤波算法的液压支架调直方法

现有液压支架调直方法受到传感器测量误差和液压支架推移误差的影响,使得调直误差较大;且在非高斯量测噪声环境下,传统基于卡尔曼滤波(KF)算法的调直方法对液压支架轨迹的预测准确度低,无法达到理想的调直效果。针对上述问题,提出了一种基于最大熵卡尔曼滤波(MCKF)算法的液压支架调直方法。首先根据液压支架的位置坐标和工作面推进方向确定调直参考直线;然后根据液压支架调直原理构建液压支架线性推移系统的状态方程和观测方程,经MCKF算法处理后得到液压支架推移后的预测轨迹;最后根据液压支架预测轨迹与调直参考直线解算出每架液压支架的推移距离补偿量,从而达到调直目的。仿真结果表明:与现有基于KF算法的调直方法相比,基于MCKF算法的液压支架调直方法能够有效降低量测噪声和过程噪声对液压支架直线度的影响,特别当量测噪声服从非高斯分布时,该方法的均方误差平均值仅为4.76 mm,远小于基于KF算法的调直方法的均方误差,可以更加准确地预测液压支架的真实轨迹,使调直后液压支架的直线度误差降低了36%,有效提高了调直精度,且液压支架直线度误差只与本次调直过程有关,有效避免了累计误差。

液压支架健康评估与寿命预测模型研究

为解决当前综采工作面液压支架健康状态评估和寿命预测的迫切需求,提出了一种应用于液压支架的层次型模糊综合评价方法。该方法采用基于三标度法的改进型模糊层次分析法计算健康状态参量的权重向量,引入变异系数和梯形模糊数的概念对评价结果去分歧化,提高了综合评价结果的一致性和有效性。在综合评价的基础上可得到液压支架健康指数和综合健康水平。同时,在此基础上建立了基于健康指数的液压支架寿命预测模型,实现了液压支架综合健康管理。以晋煤集团古书院矿152313工作面所使用的液压支架为例分析健康状态评估和寿命预测,结果表明;该方法所预测的评估时刻到失效大修的剩余寿命为13.45个月,而这与预期大修时间13个月基本一致,验证了上述模型的合理性和有效性。

基于自适应卡尔曼滤波的双惯导采煤机定位方法

基于惯导的采煤机定位方法存在误差累计、姿态角及位置漂移等固有缺陷,虽然引入误差补偿技术和多传感器组合定位技术可在一定程度上减小误差,但效果有限。针对上述问题,提出了一种基于自适应卡尔曼滤波的双惯导采煤机定位方法。实时同步采集安装在采煤机上的2套惯导系统的加速度和姿态角,以惯导系统的位置作为状态量,惯导系统之间的距离和夹角为观测量,建立了双惯导定位模型,以克服单惯导定位误差累计的缺点。然而,双惯导系统输出存在较大差异时会导致双惯导定位模型出现状态突变,降低定位模型准确度,因此采用自适应卡尔曼滤波算法,通过计算基于残差的卡方检验值评估双惯导定位模型是否发生状态突变,并采用三段模糊判别函数动态调整过程噪声的协方差矩阵,以降低状态突变对定位精度的影响。仿真和实验结果表明,自适应卡尔曼滤波相比扩展卡尔曼滤波的抗干扰能力更强,有效减小了状态突变时的估计误差;基于自适应卡尔曼滤波的双惯导采煤机定位方法的定位误差比单惯导的定位误差在各方向上均有所减小。

基于MC9S12XDP512单片机的液压支架集中控制系统研究与设计

为了满足综采工作面自动化采煤技术发展所提出的新的技术要求,开发了一套基于高性能MC9S12XDP512单片机的液压支架集中控制系统,通过分析井下环境要求和采煤自动化技术指标,设计了系统的硬件结构和控制软件,建立了液压支架控制模型,以留三角割煤为例详细介绍了支架集中控制的实现过程。通过试验测试表明,该系统通信具有稳定性和实时性,集中控制策略具有可靠性和稳定性。

基于MC9S12XDP512单片机的液压支架支架控制器的研究与设计

为了满足综采工作面自动化采煤技术发展提出的新技术要求,提出了一种基于高性能MC9S12XDP512单片机的液压支架支架控制器设计方案,介绍了该控制器的硬件设计,详细阐述了该控制器的功能实现。通过地面工业试验以及故障模拟表明,该控制器能够完成液压支架模拟量的信息采集、显示以及支架动作输出等控制功能。

基于红外载波调制和RS485总线的液压支架遥控装置研究

针对煤矿井下综采工作面液压支架数量多、环境恶劣、现有液压支架电液控制系统操作繁琐以及灵活性差等问题,提出了一种基于红外载波调制和RS485总线的液压支架遥控策略,研究了红外遥控控制方法,介绍了遥控装置硬件设计和软件设计,通过动作遥控测试表明,该遥控装置能够将当前架号、目标架号及动作命令统一编码,生成控制信号通过架间电缆传输,实现对目标支架的无线近距离遥控操作,状态显示及动作输出正常,且遥控装置操作灵活、运行可靠。

基于双总线的电液控制系统动态仿真平台开发

综采工作面环境恶劣,煤矿井下顺槽监控系统缺乏对液压支架的直观体现。针对上述问题,运用Lab VIEW开发出一套基于双总线的自动监控系统,同时建立综采工作面液压支架模型,通过支架控制器和端头服务器实时反馈数据,模拟支架动作和运动状态,实现对综采工作面液压支架运行状况的动态监测。该系统通过了现场调试和井下运行试验,试验结果表明系统性能稳定、运行可靠、仿真准确,满足设计要求,具有较高的实用价值。

基于捷联惯导的刮板输送机布置形态检测方法的研究

针对煤矿井下刮板输送机在工作面连续推进数刀后中部槽出现弯曲的问题,提出了一种基于捷联惯导的刮板输送机布置形态检测的方法。根据采煤机与刮板输送机的位置关系,将惯导系统安装在采煤机机身平面上,采用四元数对惯导模块的姿态信息进行解算,然后通过检测安装在液压支架上的红外信号发射器所产生的的红外信号建立起刮板输送机节数的检测模型,最后在考虑在各节中部槽尺寸为常值以及每节刮板的连接间隙的情况下建立刮板输送机中部槽几何特征点位置推导模型,通过坐标旋转变换解算出各中部槽的空间位置坐标。实验结果表明该方法所测得刮板输送机姿态角误差小于1.3°、位移误差小于15 mm,具有很好的可靠性。

基于LabVIEW的液压支架虚拟仿真平台设计

综采工作面环境恶劣,煤矿地面和井下监控系统缺乏对液压支架的直观体现。针对上述问题,运用SolidWorks建立液压支架三维模型,结合LabVIEW前面板和三维显示控件构建液压支架虚拟仿真平台,并利用D-H建模对液压支架运动构件进行位置矫正,最后通过液压支架运动学模型以及LabVIEW运动控制工具包完成对液压支架动作的虚拟仿真。结果表明,该仿真平台能准确反映液压支架关键动作以及运动状态,可视化程度高,模拟效果逼真。

ZigBee与5G的液压支架无线传感器网络的研究

针对煤矿井下综采工作面空间狭小、液压支架的传感器数量众多、布线以及维修困难等问题,文中设计一种基于ZigBee与5G无线通信技术的液压支架无线传感器网络系统。首先介绍无线传感器与无线收发器的硬件与软件设计,并研究了ZigBee与5G通信传输数据的方式。然后制作集成液压支架传感器数据的中央控制系统,融合一种适用于液压支架无线传感器网络的分簇式DFD节点故障诊断算法。最后进行测试实验,实验结果表明,文中的无线传感器网络能够将采集的液压支架无线传感器数据传输至无线收发器,通过工作面5G基站传输至井下中央控制系统,再通过支架间电缆传输至支架控制器,满足液压支架对无线传感器网络的高精度、高稳定性和低能耗的要求。该研究可为煤矿井下液压支架电液控制系统无线化奠定基础。

基于RSSI的液压支架调直方法研究

针对煤矿井下液压支架容易发生不直现象的问题,基于液压支架电液控制系统,提出了一种综采工作面调直的方法,涉及采煤机、液压支架以及支架控制器。采煤机定位装置以及支架控制器内包含抗干扰蓝牙芯片。该方法通过3个调直参数来调整支架动作进行调直,调直参数通过蓝牙来测量。参数的基准用接收信号强度指示(RSSI)值来表示。根据3个调直参数,推导出了该方法的调直仿真方程。经过实验仿真验证了该方法的可行性以及参数测量的精确性。