液压支架电液控制系统自动化测试平台研制.pdf

第44卷 第4期 2018年4月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 4 Apr 2018 文章编号671-251X201804-0013-07 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2017110051 液压支架电液控制系统自动化测试平台研制 李俊士12 1.煤炭科学研究总院智能控制技术研究分院， 北 京 100013 修回日期修回日期2018-02-26 ;责任编辑责任编辑张 强 。 基金项目基金项目煤 炭 科 学 研 究 总 院 青 年 基 金 项 目 （2016ZYQN005能 源 自 主 创 新 项 目 （ 发 改 投 资 （2015 1780号 ） 。 作者简介作者简介李 俊 士 （1982-，男，山 西 运 城 人，助 理 研 究 员 ， 硕 士 ， 现 主 要 从 事 综 采 工 作 面 自 动 化 控 制 系 统 与 测 试 技 术 方 面 的 研 究 工 作 ，E-mail lijstdmarco. com。 引用格式引用格式李 俊 士.液 压 支 架 电 液 控 制 系 统 自 动 化 测 试 平 台 研 制 工 矿 自 动 化，2018,444 3-19. LI Junshi. Development of automatic test plat of electro-hydraulic control system of hydraulic support[J]. Industry and Mine Automation，，2018，，444 13-19. [ 1 0 ]叶 萍 ， 高 嵩 ， 高 毓 麟叶 萍 ， 高 嵩 ， 高 毓 麟.强 力 输 送 带 接 头 伸 长 计 算 方 法强 力 输 送 带 接 头 伸 长 计 算 方 法 的 软 硬 件 实 现的 软 硬 件 实 现[C ]//第 七 届 全 国 煤 矿 自 动 化 学 术 年第 七 届 全 国 煤 矿 自 动 化 学 术 年 会 ，会 ，1997. [ 1 ]苗 长 云 ， 李 现 国 ， 叶 春 青 ， 等苗 长 云 ， 李 现 国 ， 叶 春 青 ， 等. 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Beijing Tiandi-Marco Electronic-Hydraulic Control System Company Ltd. , Beijing 100013, China Abstract In view of problems of high cost, low test efficiency and unable to record test data automatically of functional test s of existing electro-hydraulic control system of hydraulic support, and in order to verify adaptability of control logic of the electro-hydraulic control system of hydraulic support to working condition of fully mechanized coal mining face, an automatic test plat of electro hydraulic control system of hydraulic support was developed by taking SAC hydraulic support electro hydraulic control system as research object. The test plat uses a test management plat to coordinate multiple test devices to cute test cases collaboratively, adopts simulation technology to simulate data changing process of various sensors, and uses multiple communication networks to real timely collect testdata, uses switching of multiple relays to realize multi-function complex. The test plat can realize automatic configuration and management of port function of detection device according to the specific application of fully mechanized coal mining face, and can realize single function test, group function test, automatic following function test and automation adaptability test of working condition of fully mechanized coal mining face, which improves test efficiency and test accuracy, provides an effective means to study adaptability of the electro-hydraulic control system under complex working conditions such as roof caving and floor bump on fully mechanized mining face. Keywords coal mining ； hydraulic support; test plat； electro-hydraulic control; hydraulic support controller; working condition adaptability ; functional testing ； automatic testing 〇 引言〇 引言 目前， 我国矿井在用的液压支架架型较多， 不同 项目应用的液压支架电液控制系统需要检测的设备 状态和工况环境的信息也呈现多元化、 多样化的特 征。由于各个综采工作面采煤工艺不尽相同， 液压 支架动作也不一致， 所以， 造成液压支架电液控制系 统的多样化和测试的复杂化。 现有液压支架电液控制系统的测试一般采用模 拟测试和实物测试2 种方法。模拟测试通过变阻器 手动模拟传感器数据变化过程， 利用负载指示灯确 定电磁阀口状态， 通过测试人员观察和记录代表电 磁阀的负载指示灯状态来判断系统的控制功能和控 制逻辑是否与实际需求符合。该方法测试简单、 操 作简便， 但是缺少精确的测试过程数据， 测试人员工 作强度较大。 实物测试是将控制系统连接到液压支架实物或 实物模型上进行测试。近年来， 在液压支架电液控 制系统测试技术的研究方面， 针对工况和传感器的 模拟基本上是采用实物模拟方法。例如通过电液比 例阀控制液压缸的压力和伸缩速度， 以模拟液压支 架立柱压力和推移速度的变化规律， 为电液控制系 统提供测试所需的传感器信号， 再现液压支架工作 时的真实状态1 ;利用液压支架、 采煤机、 刮板输送 机三机配套模型模拟煤矿井下综采工作面工况2 。 该方法测试过程直观， 容易发现问题， 但是液压支架 实物或模型需要根据具体的项目配套配置多种传感 器， 部件动作的执行也需要额外的动力源， 成本 较高。 以上2 种方法均无法模拟连续变化的综采工作 面顶底板条件， 无法有效地进行环境工况的适应性 测试。针对现有测试方法存在的问题， 本文根据液 压支架电液控制系统的基本组成和工作原理， 研制 了基于数字模拟技术的液压支架电液控制系统自动 化测试平台。该测试平台基于SA C型液压支架电 液控制系统设计， 可以根据具体的综采工作面应用 配套实现检测装置端口功能自动化配置和管理、 控 制系统基本功能测试、 控制系统对综采工作面工况 适应性测试及测试过程的自动化执行、 测试数据存 储和发布等。 2 0 1 8 年 第 期李 俊 士 液 压 支 架 电 液 控 制 系 统 自 动 化 测 试 平 台 研 制 15 1液压支架电液控制系统液压支架电液控制系统测试平台组成及工作原理测试平台组成及工作原理 液压支架是煤矿开采的主要装备， 液压支架电 液控制系统是实现液压支架自动化的必要手段， 融 合 、 控制、 传感器检测、 通信、 计算机技术等， 国 工 到了普遍 与应用。液 压支架 的应用替代了人工手动操作， 架的程 实 架的单动作 控制、 成组支架动作的顺序程序控制， 实现了以液压 支架跟机自动控制为主、 人工远程干预为辅的自动 化 模式[ 3 4 *， 降 煤矿工人的劳动强度， 提高 煤矿 效率， 为煤矿用 巨大的 f 效益[5] S A C型液压支架电液控制系统的核心控制部 分由支架 、 偶合器、 感器、 行程传感器、 源箱、 电磁先导阀、 整体插装式多功能换向 连 接器等组成[67]， 布置如图1 所示， 系统工作原 理如图2 所示。 1一主控阀组一主控阀组一电磁阀组一电磁阀组一护帮板行程传感器一护帮板行程传感器 4一尾梁行程传感器一尾梁行程传感器一插板行程传感器一推溜行程一插板行程传感器一推溜行程 传感器传感器一推移行程传感器一推移行程传感器一电源箱一电源箱一驱动器一驱动器 10 隔离偶合器隔离偶合器；11 一支架控制器；一支架控制器；12放煤键盘；放煤键盘； 13 红外传感器；红外传感器；14一倾角传感器一倾角传感器5 振动传感器振动传感器 16前柱压力传感器前柱压力传感器7后柱压力传感器后柱压力传感器 图图1液 压 支 架 电 液 控 制 系 统 布 置液 压 支 架 电 液 控 制 系 统 布 置 Fig. 1 Layout diagram of electro-hydraulic control system of hydraulic support 根据液压支架电液控制系统的组成和工作原理 设计的 架 试平台 检测 装置和测试管理平台组成。测试平台收集现场电液 运 程中的传感 并下载到测试系 统中， 通过控制系统与测试平台进行相互融合， 实现 环境工况的实验室仿 试[8]。测试平台的主 要 组 如 图 3所 示 。 I显示屏显示屏h I测试管理平台测试管理平台I f总线总线 ---------H 检 测 置 1 | 觀 负 _ |模量||串口 ||||c J N| | 电▲阀| rTTW 「驱动 器h T 液压支架控制器 | 图图3测 试 平 台 主 要 组 成测 试 平 台 主 要 组 成 Fig. 3 Main composition of test plat 检测装 架控制器连接， 根据测试管 理平台的指令完 功能传感器模拟功能的 、 出信号的检测， 各个检测装 间通过RS485和以太网方式互连组网。检测装置 实现对传感器变化过程的数字模拟和复现， 为液压 架 “ 真实的 工 环境” ， 以 进行实际综采工作面运行数据的复现和系统运行工 的模 。 试 管 台 实 对 试 用 的 管 、 检 装 置电路端口功能的自动配置、 典型工况下各种传感 变化过程的模 实际综采工 架 运 的下载） ]， 以及检测装置检 测结果的自动收 判定， 并自动出具测试报告。 3检测装置设计检测装置设计 根据液压支架控制器的特点， 检测装置硬件电 路实现的功能包括4 2 路模拟信号采集、 8 路模拟信 号输出（ 路C A N信号监测、 2 路RS485通信、 3 路 串口通信、 液晶显示输出等， 检测装置电路主要原理 框图如图4 所示。 检测装置硬件电路主要功能模块分为C PU模 块、C A N模块、U A R T模块、 继 选通模块、 AD 图图2液 压 支 架 电 液 控 制 系 统 工 作 原 理液 压 支 架 电 液 控 制 系 统 工 作 原 理 Fig. 2 Working principle of electro-hydraulic control system of hydraulic support 模 块 DA 模 块 隔 模 块 等 。 1 C PU模块 包 括C PU最小系统（SRAM、 Flash、 存储器、JT A G接口 、 电源系统（ 12， 3. 3， 16 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 | | can模块丨_ 电器选通模块模块丨_ 电器选通模块 隔 离f mni | |JTAG| | 电源系统电源系统 CPU 串口 2串口 2 485总线485总线 隔 离 。 隔 离G | |AD转转k模块模块I | |UAR模块|模块| Flash存储器。128bit宽度的存储器接口和独特的 加 速 结 构 使 3 2b it代 码 能 够 在 最 大 时 钟 速 率 60MHQ下运行[ 1 0 *，DAC7574响应时间为7 能够在2 m s以内完成， 为检测装 的高效 后期功能扩展 。 4测试管理平台设计测试管理平台设计 图图4检 测 装 置 电 路 主 要 原 理检 测 装 置 电 路 主 要 原 理 Fig. 4 Main principle block diagram of detection device circuit 1.8 V、串口通信模块等。CPU模块作为检测装置 的主体和大脑， 用于完 类传感器模 的转 、 号和模 号的 处理、 任务调度及外 围模块的电源 。 2 CAN模块 包 括 2 个单线C A N接口及其 相应的驱动电路， 用于实时 被测系统的 I 。 3 U A R T模 块U A R T总 线 共 4 路，1 路 RS485总线， 用于实现检测装置和测试管理主机的 数 据 通 信 路RS232总线， 根据具体传感器的通信 实现对被 串口类传感器的模拟。 “ 继 选通模块 该模块可实现检测装置 1 个端口的2 个复用功能自动切换， 使用C PU的10 端 继 的选通， 使检测装置同一端口可实 模拟量输出和模拟量检测2 个功能的 。 “ A D转换模块通过T L C系列A/D采集模 块 出 的电压、 电流， 并 功率 计算判 的驱动能力是否能够正常驱动配 的。 6 D A转换模块 通 过DAC7574控制器将数 字信号转换为模 ， 并连接到 架控制器 的模 入端。 “ 隔离模块 为了保证测试平台和被测系统 的独立性， 减少外接电源对测试结果的 ， 检测装 架 间 的 号 ADUM 隔 光耦芯片隔离， 确保检测装 丨 液 压 架 间信号互联、 电源独立。 检测装置模 架动 程中各类传感器 数据的变化过程， ， 验需要每20 m* 组 感 ， 程 、 、 、 、 倾角数据等。检测装 心处理器采用 LPC2X ，该 基 于 * 支持实时仿真和跟踪的16/32 b ARM7TDMI-S C PU的微控制器， 并带有128/256 K B嵌入式高速 4. 1 测试管理平台主要功能 测试管 台主要实现检测装置端口功能自动 配置、 检测结果自动收集， 并以图形化方式展现， 根 试用例， 判断每项测试的结果， 并自动出 试 报告。测试管理平台软件功能树如图5 所示。 _式管理平台软件|_式管理平台软件| |测试项目配置| |实时检测界面| |测试用例库管理 1|测试项目配置| |实时检测界面| |测试用例库管理 1 测测 控控 控控 控控 传传单单 成成中中单单 成成中中安安 it制制 制制 制制 感感组组部部 角角组组 部部 角角 全全 项项 器器 器器 器器 器器功功 功功 跟跟 煤煤 功功 功功 跟跟 煤煤 功功 巨巨 端端变变能能 能能 机机 工工 能能 能能 机机工工 能能 基基n作作 作作 化化 测测 测测功功 艺艺 测测 测测功功艺艺 测测 本本 功功 和和曲曲 试试 试试能能 测测 试试 试试能能 测测 试试 信信能能电电 传传线线测测 试试 用用 用用 测测i夫用用 息息 配配 磁磁 感感 设设试试例例 例例试试 用用 例例 登登 置置阀阀 器器 置置管管 管管 用用 例例 管管 记记p关关理理 理理 例例管管 理理 定定 联联管管 理理 义义 定定理理 义义 图图5测 试 管 理 平 台 软 件 功 能 树测 试 管 理 平 台 软 件 功 能 树 Fig. 5 Function tree of software of test management plat “ 测试项目基 登记 内容包括项目名 称、 类型、 版本号等 。 2 端 功 能 的 应 用 项 目 ， 测试管 台完成对检测装置复用端 口的实际应用功能 ， 端口功能 界面 如图6 所示。 IRS232 ▼ 丨 丨 R S 232 4电 磁 阀▼ II模 拟 量▼ II模 拟 量▼ 丨 丨 模 拟 量▼ 丨 丨 模 拟 量 1 4 9 红 外 信 号 数 字 HI_1 _3 | _ A 2 P B 2 P C 2 口D 2 P _ _ E2 口F2 口G 2 口 ICAN -JIR S232 叫| 模 拟 量▼ 丨 1模 拟 量 ▼ II模 拟 景 ▼ 丨 丨 CAN ▼ II HI1 1 7 左 柱 压 力 前 丨 6推 溜 行 程 传 感 器_ ▼ | 丨 下 发 配 置 丨 图图6控 制 器 端 口 功 能 配 置控 制 器 端 口 功 能 配 置 Fig. 6 Function configuration of controller port 3 动 的 应用项目 功能， 实 的 出口与 实 际 架 构 件 动 的 ， 如 图 7 所示 。 动作与传感器关联定义 主要用于 实 动 程中关联的传感器变化过程的同 模拟。 该 ， 检测装 检测到 相关动作的过程中， 自动 与该动作关联的传 2 0 1 8 年 第 期李 俊 士 液 压 支 架 电 液 控 制 系 统 自 动 化 测 试 平 台 研 制 1 图 ；控 制 器 动 作 和 电 磁 阀 口 定 义图 ；控 制 器 动 作 和 电 磁 阀 口 定 义 Fig. 7 Controller action and magnetic valve port definition 感器模拟输出％ 架动作过 程中相关联的传感 同步发生变化。 动 感器关联 如图8 所示。 控制器动作与传感器关联表 传感器列表控制器动作与传感器关联表 传感器列表 动作名称 传感器名称动作名称 传感器名称行程传感器行程传感器 左柱压力传感器前）左柱压力传感器前） 红外信号数字传感器红外信号数字传感器 升 柱 左柱压力传感器前）升 柱 左柱压力传感器前） 降柱 左柱压力传感器前）降柱 左柱压力传感器前） 移架 推溜行程传感器移架 推溜行程传感器 推溜 推溜行程传感器推溜 推溜行程传感器 伸平衡伸平衡 收平衡收平衡 伸侧护伸侧护 收侧护收侧护 抬底抬底 喷雾喷雾 伸一级护帮伸一级护帮 收一级护帮收一级护帮 伸伸缩梁伸伸缩梁 收伸缩梁收伸缩梁 伸底调伸底调 收底调收底调 丨 下 发配置I 图图8控 制 器 动 作 和 传 感 器 关 联 定 义控 制 器 动 作 和 传 感 器 关 联 定 义 Fig. 8 Controller action and sensor association definition 5传感器变化曲线设置 实际测试过程中， 对 具体的 工 的各类传感器变化趋势 分 ， 根据分析结果 相关传感器的变化曲线。检 装 动作过程中使用该曲线同 感器变化的模 号， 为 似于实际综 采工 工况的 环境。 4. 2 环境工况适应性测试 以液压支架自动移架的主要动作顺序为例来测 试其综采工作面环境工况适应性。液压支架自动移 架的主要过程为降柱、 移架、 升 柱 3 个动 ， 相关联的传感器为 立 的 感器 架移动 的推移行程传感器[11]。 i 架降柱时％ 架 着立柱的收 工 ， 立 大的 向较小的压 渡变化多架时％ 架推移 出的行程 大到小变化传感器倒装）升柱时， 立 小 变大％ 架 工作面顶板结合达到支承 。 检测装置检测到定义为降柱的电磁阀输出时， 启动立 变化过程的模拟。此处的 变化曲 线 工况特点， 可以设计为模 稳定、 工 下的 时间由大到小变化的曲线， 或 模 破碎工况的 时间变化不显著的曲 线 ， 以测试 件 在 2 同工况下是否能 够 变化趋势 大小判断是立即 立柱动作以 ， 结束移架过程， 还 是 豆 移架， 进入移架 [1213]。 与降 类似， 支架移架过程中， 行程传感器 数值变化曲线可以 工 凹凸和起伏 工况设计为模 工 下的行程传 感 时间由大到小的变化曲线， 或模 板 凹凸工况下推移受阻， 行程传感 变化不显著 的 曲 线 ， 以 试 件 2 同 工 下 否 能 够 程 变 化趋势 大小 判 立即 立柱动作以 ， 结束移架过程， 还是开 启抬底动作， 克服凹凸 ， 继 移架动作 至目标行程值到达。 模拟大倾角 工作面或仰俯采工况时需要通 过模拟安装 架 、 掩 座等构件 上的倾角传感 变化过程的曲线， 验证 I系 统的 略对 变化的工 工况的适应能 。 倾角 感 的 变 化趋势 感知 架的姿态， 通过对平衡、 调底（和 等 架构件的 ， 实 架姿态 的 移架过程的 [414]。 4.3 控制系统基本功能测试 架 基本功能分为控制单个 架 构件的单动功能、 架 构件 的成组功能 煤 的变 化、 照 的采煤工 的自动 功能。 架 基本功能测试流 程如图9 所示。 18 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 4 单动功能测试 .’4 单动功能测试 .’ 丨丨s ▼ 冰 ▼ 冰 图图9液 压 支 架 电 液 控 制 系 统 基 本 功 能 测 试 流 程液 压 支 架 电 液 控 制 系 统 基 本 功 能 测 试 流 程 Fig. 9 Test flow chart of basic function of electro hydraulic control system of hydraulic support 4. 3 . 1 单动功能测试 单动功能测试主要是验证控制系统所实现的液 压支架立柱、 推移千斤顶（ 等构件控 制是否齐全， 对应功能的电磁阀输出口是否正确及 出功率是否 工作功率的 要求， 避免 试过程中发 架误动作， 确保人 设备的安全。 动功能测试采用循环方式对所有的动作进行 测试， 测试 时管 件 动 自动列出项目 的所 动动作。管理 件 动 ， 通过网络 发送单动 动令， 同时判断检测装置上报的 出 端口号与 否一致、 驱动电流 否符合标准 大于110 mA， 依次对所 动动 试 ， 如 图 10所示。 图图1 0单 动 功 能 测 试单 动 功 能 测 试 Fig. 10 Single function test 4. 3. 2成组功能测试 成组功能测试主要验证控制系统对多个液压支 架 架不同构件的组合动 否符合设计的 流程 动作的 时间是否 与设置值一致。一般的成组功能包括成组推溜、 成 组 、 成组 、 成组 联动、 成组喷雾动作等[13]。 以 架二级护帮板联动动作为例， 测 试成组 收动作。测试 时由管 件 网络 发出模 动 的成组 收 动 令和动 架的范围。 接收到指 令后启动规定范围内的 二 收 动作并 时间（ 或二 感 〔 7 ， 收动作并 时间 感 7 。管理软件根 检测装置检测到的 出 、 持续时间 感 判 的 否 合要 动 试 时 ， 二 感 变化过程的模拟， 以测试当 〖压 力达到 煤壁 后％ 的伸动作能否及 时停止。 4.3.3 自动 功 能 试 自动 功能 试 组功能 试的基 上 煤 的模拟， 管 件 网络给控制 发送采煤 走方向指令， 以模 煤 的运行。 检测到采煤 发生变化 后 ， 按照采煤工艺要求触发相应范围 架进 规定的 动作[ 1 5 16]。 自动 功能 到 架 同 构 件的 同 动 ， 动 的 时 间 般 以 时 间 感 变化为 架各构 件动 时长。实际测试过程中需要 丨 的 煤工艺， 设计传感器正常、 传感 、 传感 、 采煤机中 煤、 采煤 头 煤 、 煤 煤 等 组 试 用 ， 的 煤 工 6结论结论 1 液压支架电液控制系统自动化测试平台实 架 的 动 功 能 试、 组 功能测试、 自动 功能测试 工 工 应 试的自动化， 相 用实物或设备模型进行 传感器模拟的方法， 不仅实 ， 而且提高 I 试效率 试精度， 对于不同工况下传感 变 化过程的模 捷。该平台为提高测试效率和 研究 架 的自适应 效 手段。 2 从该测试平台的设计原理和测试流程可看 -2 -3 -2 -3 -2 -3 -2 -3 -2 -3 -2 -3 -2 -3 -2 - 3 1122334 455667788 IDDDDDDDDDDDDDDDD 帮帮 护护梁梁 衡衡护护 级级綰綰调调 桂柱架溜平平侧侧底雾一一伸伸底底 开降移推伸收伸收抬喷伸收伸收伸收 2 0 1 8 年 第 期李 俊 士 液 压 支 架 电 液 控 制 系 统 自 动 化 测 试 平 台 研 制 19 出， 该测试平台适用于包括SA C型液压支架电液控 制系统在内的各种液压支架电液控制系统及根据模 拟或数字型传感器信号、 驱动电磁阀进行设备控制 的其他工业控制系统的测试。 参 考 文 献 （参 考 文 献 （References 1 *金 静 飞金 静 飞.液 压 支 架 电 液 控 制 系 统 测 试 平 台 关 键 技 术 研液 压 支 架 电 液 控 制 系 统 测 试 平 台 关 键 技 术 研 究究[D ].徐 州 中 国 矿 业 大 学 ，徐 州 中 国 矿 业 大 学 ，2015. 2 *杨 汉 宏 ， 孟 峰杨 汉 宏 ， 孟 峰.液 压 支 架 控 制 器 自 动 化 检 测 装 置 研 究液 压 支 架 控 制 器 自 动 化 检 测 装 置 研 究 [J ].工 矿 自 动 化 ，工 矿 自 动 化 ，2017，，431 13-17. 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