液压支架安全阀试验台测控系统设计 -.pdf

2 0 1 3年第 7期 煤炭工程 d o i 1 0 ． 1 1 7 9 9 ／ c e 2 0 1 3 0 7 0 4 5 液压支架安全 阀试验 台测控系统设计 赵 越 ，杨建新 ，牛一村 ，沙宝银 1 ．煤炭科学研究总院 检测研究分院，北京1 0 0 0 1 3 ； 2 ．煤炭资源开采与环境保护国家重点实验室 煤炭科学研究总院 ，北京1 0 0 0 1 3 摘要通过对液压支架安全阀试验 台功能及要 求的研究和分析 ，设计了液压支架安全阀试 验 台测控 系统的硬件及软件 ，包括数据采集、液压 系统控制 ，并且采用模糊 自适应 P I D算法实现 系统流量闭环控制 ，同时引入数字滤波器，对采集的数据进行滤波。该试验 台能对试验结果进行 分析、计算、保存和打印，经运行试验证明该 系统可靠稳定 ，满足设计要求。 关键词 液压支架安全阀试验 台；模糊 自适应 P I D；数字滤波 中图分类号 T D 7 6 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 3 0 7 - 0 1 2 9 - 0 3 安全阀是使液压支架立柱保持恒阻工作特性的关键元 件。由于安全阀长期在高压状态下工作 ，因此要求安全阀 动作灵活，密封可靠 ，工作稳定，使用寿命长⋯。液压支 架安全阀试验台是依据中华人民共和国国家标准 煤矿用 液压支架 第 3部分液压控制系统及阀 G B 2 5 9 7 4 ． 3 2 0 1 0 、中华人民共 和国煤炭行业 标准 液压支架用 阀 MT4 1 91 9 9 5 以下简称标准 设计的。用于对安全阀 的启溢闭特性、密封性能、强度性能、耐久性能等进行综 合测试。标准中对试验流程和试验参数进行了严格的规定， 本文根据对试验台液压系统的研究设计了测控系统 ，能实 现系统数据的采集 ，系统 的自动运行，流量的准确控制， 试验结果的显示、保存、打印等功能。 1 测控系统构成及功能 该测控系统主要包括 工控机、多通道数据采集卡、 多通道开关量输 出卡、拉线式位移传感器、高频压力传感 器 和打印机等 。系统构成如 图 1 所示 。 1 ． 1 位移传感器 位移传感器的作用是测量增压缸的位移，根据液体体 积的变化量换算出安全阀的试验流量，系统要求达到的最 小流量为0 ． 0 4 L ／ m i n ，增压缸的位移变化较小，故采用精度 为0 ． 0 1 m m的拉线式位移传感器，经试验证明满足系统要 求 。 1 ． 2 压 力传感器 测控系统要求在极短的时间内，压力传感器需要不失 真的测量一些变化频率快的动态压力波形和幅值 ，记录试 验过程中的压力变化 ，这就要求压力传感器有较高的固有 频率和较宽的响应频带， 本系统选用高频动态压力传感器 ， 拉线式位移传感器 数 据 各压力传感器 采 采 比流量 阀开 口度 集 输 厂一 出 工 卡 控 机 比例流量阀控制 开 关 量 系统各功能阀控制 输 出 控制柜指示报警控制 卡 图 1 系统构 成简图 其参数如下 固有频 率高 可达 1 MH z ，测 量范 围为 0～ 1 0 0 MP a ，上升 时间为 01 p , s 。 1 ． 3 数据采集输 出卡 系统对模拟量 的要求分采集和输出两类，采集功能是 对压力传感器和比例流量阀开口度进行快速不失真的测量， 并保证测量精度，这就要求采集设备有较高的采样频率和 分辨率。输出功能是对 比例流量阀开 口度的控制，输出值 的精度决定着开 口度的精确度。本系统选用研华的 P C I 一 1 7 1 6高分辨率多功能数据采集卡，其参数为1 6位分辨 率，l 6路模 拟 量输入 ，2路模 拟 量输 出，带 1 k F I F O， 2 5 0 k S ／ s采样率 。 1 ． 4开关量输 出卡 开关量输 出卡主要用来控制液压 系统 中电磁阀 的动作 ， 在选型时应注意板卡的触点容量，通道个数和隔离能力等。 系统选用研华的P C I 一1 7 3 0 U隔离数字量输入／ 输出卡，输 出范围为 5～ 4 0 V D C，隔离保护电压可达到2 5 0 0 V D C 。 收稿 日期 2 0 1 3 0 2 2 6 作者简介赵越 1 9 8 3一 ，男，山东肥城人，研究生，2 0 1 0年毕业于山东科技大学控制理论与控制工程专业 ，现从 事矿山支护设备测试仪器开发工作。 l 2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 3年第 7期 2 系统流量闭环控制设计 标准中规定进行安全 阀小流量启溢闭试验 的流量为 0 ． L ／ mi n 。对于安全阀来说，在 阀的调定压力范围之内， 调定压力越高，它所允许通过的系统流量越大，降低调定 压力值，它所允许通过的系统流量也会减少 。在安全阀 特性试验系统中，单纯靠比例流量阀控制系统流量，经试 验发现流量值不稳定，对于整个系统构成闭环控制，可较 好的解决此问题。 比例流量阀对流量 的控制，实际就是系统对 比例流量 阀开口度的精确控制。为实现整个系统流量的闭环控制， 该系统选用高精度位移传感器测量系统流量，位移传感器 测得的系统流量作为反馈输入计算机，采用模糊 自整定 P I D - 4 j 控制策略调整比例流量阀开度，较好的实现了对试 验系统的流量控制 。系统控制原理如 图 2所示 。 图 2 系统流量闭环控制原理 图 3软件设计方案 该测控 系统 软件采 用 V i s u a l B a s i c语 言编 制，应用 A c t i v e D A Q控件进行高精度实时数据采集。软件功能主要包 含采集、控制和数据处理等主要部分。其中采集部分包括 对传感器数据的采集、比例流量阀开 口度数据的采集等。 控制部分包括对系统充液增压等功能阀的手动和 自动控制、 通过 P I D算法对比例流量阀开 口度的控制等。数据处理部 分包括曲线的滤波、试验结果的计算，曲线的保存和打印 等功能。 3 ． 1 数 字滤波 由于液压系统振动及压力传感器数据采集误差等原因， 造成压力波形不平滑，因此需对原始压力数据进行处理。 根据压力值的特征，对原始数据进行滤波后，并进行曲线 拟合，得到连续、光滑的时间一压力曲线。 经过分析和仿真实验发现，采用递推平均滤波法对压 力曲线进行处理，能达到较为理想的效果 ，递推平均滤波 的原理如下把连续取 Ⅳ个采样值看成一个队列，队列的 长度固定为 Ⅳ，每次采样到一个新数据放入队尾 ，并扔掉 原来队首的一次数据 ． 先进先出原则 把队列中的 Ⅳ个数 据进行算术平均运算，就可获得新的滤波结果 J 。本系统 中N 5 。 3 ． 2 软件菜单结构图及流程 图 软件菜单结构图及流程图如图3所示。 】 3 0 图 3 软件菜单结构 图及流程 图 4系统测试 结果 选 取型号为 F A D 1 6 0 0的安 全 阀为例进行 小 流量启 溢 闭特性试验，得到的压力时间曲线如图 4所示。从试验曲 线中可以直观的看出从开始增压到实验结束的全过程的压 力变化值，左侧数据栏是系统根据曲线计算出的试验结果。 M Pa 4 0 试件编号 2 0 1 2 1 1 0 2 3 ． 1 3 6 开启压力 3 9 ． 2 9 3 2 2 8 最大压力 3 9 ．6 7 2 4 最小压力 3 8 - 3 0 2 O 1 6 关闭压力 3 7 _ 2 8 1 2 波动值 1 l3 7 8 - _ - _ _ ● _ ● J - 4 试验时间 2 O l 3 ． 1 ． 2 n 时 J ， s 图4启溢闭特性试验压力时间 曲线 5结语 文 章通过安全阀试验 台的液压系统 ， 设计了相应的采 下转第 1 3 3页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年 第 7期 煤炭工程 煤矿采购人员在采购设备时，只需要通过此读卡器， 从设备安全标志标识中读出煤安认证编码和设备信息，然 后登陆煤矿安全标识管理系统信息化平 台，核实相关信息 是否准确，如果和读出的信息与平台数据库内的信息相同， 则说明设备已经通过煤矿安全机构的认证，若是在平 台数 据库内没有关于该设备 的信息，或者是读卡器读不出相关 信息，则说明该设备的安全性需要进一步核实。该终端系 统的基本原理如 图 2所示 。 信 息 核 对 网 络 煤 矿 煤矿安全标志管理系统信息化平台 信息 反馈 网络 人 为i 操作。。 煤安认证编码 、 设备信息 设备 信息化平台检测终端 网 络 认证 编码 设备 信息 图2 安全标志管理系统终端系统原理圈 认证 编码 设备 信息 设 备 生 产 厂 其中读卡器的设计是本课题主要研究对象，如果说煤 矿安全标识管理系统信息化平台是针对煤矿安全标识管理 机制所出现的问题，那么读卡器则是一种最直接、最简便 的检测工具。下文将具体介绍读卡器的设计。 4 ． 2 读卡器的设计 硬件部分由9个基本功能模块组成，如 图3所示 ，即 P O WE R单元、U S B单元、J T A G 1 R E S T 1 单元、8 M S D R A M 单元、3 2 0 N0 T F T L C D单元 、L E D 1 S WI T C H1 单元、蜂 鸣器模块、R F I D 1 3 ． 5 6 MHz 模块、E T H E R N E T单元。其实 现的功能包括供电、U S B传输、程序下载及复位、数据存 储、液晶显示、按键输入、蜂鸣器报警、射频读卡及 网络 连接等功能。主要芯片模块是 L M3 B 9 6 支持最大主频为 8 0 MH z的 A R M C o d e x M3内核 ，2 5 6 k B y t e F L A S H，9 6 k B y t e S R A M，L Q F P一1 0 0 封装。集成 1 0 ／ I MH z以太网、2路 C A N控制器等外设。 R F I D模块 J 选用 F M1 7 0 2芯片，F M1 7 X X系列是复 旦微电子股份有限公司设计的，基于 I S O 1 4 4 4 3标准的系列 非接触卡读卡机专用芯片，采用 0 ． 6微米 C MO S E E P R O M 工艺，可分别支持 1 3 ． 5 6 M Hz 频率下的 t y p e A、t y p e B 、 1 5 6 9 3三种非接触通信协议，支持 MI F A R E和 S H标准的加 密 算 法 ，可 兼 容 P h i l i p s 的 R C 5 0 0 、 R C 5 3 0 、R C 5 3 1 、及 R C 6 3 2等读卡机芯片。芯片内部高度集成了模拟调制解调 电路，只需最少量的外围电路就可以工作。支持 6种微处 理器接 口，数字电路具有 1 T L 、C MO S两种 电压工作模式， 适用于各类计费系统的读卡器的应用。 图 3 读卡器的单片机最小 系统框 图 5 结语 本文针对于煤矿 安全 标志 管理机 制在 实施 过程 中所面 临的一些问题，提出了将物联网技术运用于煤矿产品安全 标志监控系统中。主要阐述了煤矿安全标识管理系统信息 化平台框架结构，及其基于 R F I D技术的安全标识和读卡器 设计，方便于煤矿用户对产品的煤安证的便捷现场检测及 管理，以及煤矿对大量设备的库房管理。此类信息化管理 平台在别的行业如身份证、烟花爆竹监管中已经得到很好 的应用，相信此平台能够加强煤矿安全生产的保障，保证 矿工安全作业。 参考文献 [ 1 ] 国家安全生产监督管理总局．关 于进一 步加 强矿用产 品安全 标志管理工作的通知 [ R] ．安监总规 划，2 0 1 1 ． [ 2 ] 工业 和信 息化 部 电信 研究 院．物联 网 白皮书 [ R] ．北 京 工业和信息化部电信研 究院 ，2 0 1 1 ． [ 3 ] 张 申，赵小虎．论感知矿山物联 网与矿 山综合 自动化 [ J ] ．煤炭科学技术 ，2 0 1 2 ，1 1 8 O～ 8 3 ． [ 4 ] A Q I 3 2 0 o 7 ， 矿用产品安全标志标识 [ s ] ． [ 5 ] 游战清，李苏剑．无线射频识别技术 R F I D 原理与应用 [ M] ．北 京 电子工业 出版社 ，2 0 0 4 ． 责任编辑赵巧芝 上接第 1 3 0页 集及控制系统，并设计流量闭环控制系统，利用模糊 自适应 P I D算法较好的实现了流量控制 ， 并可以保存和打印试验曲 线，并通过数据和曲线的方式直观的显示实验结果，通过一 段时间的测试，系统运行可靠稳定，达到了设计要求。 参考文献 [ 1 ] 人力资源和社会保障部教材办公室．液压支架与泵站 [ M] 北京中国劳动社会保障出版社， 2 o o 9 ． 、 [ 2 ] 翟京 ，杨一青 ，刘欣科 ．安全 阀溢流流量与压力 的对应关 系 [ J ] ．煤矿开采，2 o o 5 ，1 0 2 6～ 9 ． [ 3 ] 王士同．模糊系统、模糊神经网络及应用程序设计 [ M] ． 上海 上海科学技术文献 出版社 ，1 9 9 8 ． [ 4 ] 白志刚．自动调节系统解析与 P I D整定 [ M] ．北京化学 工业出版社 ，2 0 1 2 ． [ 5 ] 任克强，刘晖．微机控制系统的数字滤波算法 [ J ] ．现代 电子技术， 2 0 0 3 ， 3 1 5 ～ 1 8 ． 责任编辑赵巧芝 1 3 3 鲞 睦 上 读卡器 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m