矿用支架试验台液压系统计算机控制(1).pdf

太原科技大学 硕士学位论文 矿用支架试验台液压系统计算机控制 姓名杨鹏 申请学位级别硕士 专业控制理论与控制工程 指导教师张井岗 20090701 中文摘要 在煤矿安全同益受到社会各界普遍重视的形势下，矿用支架的质量就显得 格外重要。矿用支架试验台是矿用支架在出厂前或维修后进行检验的试验设 备，它的性能关系着矿用支架的质量和煤矿生产的安全。 通过分析目前国内支架试验台控制系统的现状，根据煤炭行业有关标准中 关于支架试验台的要求，设计和开发了矿用支架试验台计算机控制系统。该系 统采用计算机集中控制方式，系统硬件主要由研华I P C ．6 10 ．H 工控机、 P C L ．818 L 模拟量I ／O 板卡、固高G T 0 4 0 0 ．S V 运动控制器、P C L ．7 3 0 数字量I ／O 板卡和编码器等组成。工控机为整个系统的核心，通过相应的板卡，可以进行 液压泵站压力的采集和调节、平台升降四缸的同步运动及插拔销动作的控制。 系统的软件是基于W i n d o w s 平台下的V B6 ．0 进行开发的。采用模块化、结构 化设计方法，使软件具有可靠性高、灵活性大、易于维护和操作等特点。系统的软 件提供了友好的人机交互界面，可方便进行液压缸同步运动方式和插拔销动作按钮 的选择、泵站压力设置，实现了泵站压力、平台升降四缸同步运动和插拔销动作的 自动控制。同时，泵站压力、液压缸位移状态、位移误差和插拔销到位状态的动态 显示，方便了操作人员对现场设备的监测。 所开发的矿用支架试验台计算机控制系统受太原市科技局科技兴市专项的支 持，并成功应用于目前国内最大的 2 0 0 0 0 K N 矿用支架试验台，取得良好的效果， 受到用户的高度评价，并通过厂家验收。 关键词支架试验台；液压系统；计算机控制；同步控制 A B S T R A C T T h ev e r yi m p o r t a n tq u e s t i o no ft h ec o a lm i n es a f e t yh a sb e e np a i dm o r e a n dm o r ea t t e n t i o nf r o mv a r i o u sc i r c l e so fs o c i e t y ．I nt h es i t u a t i o n ，t h e q u a l i t yo fm i n es u p p o r th a sb e c o m ep a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t ．M i n es u p p o r t t e s t b e di st h et e s t e q u i p m e n to fm i n es u p p o r t a t f a c t o r y o ra f t e r m a i n t e n a n c e ，a n di t sp e r f o r m a n c er e l a t e st ot h eq u a l i t yo fm i n es u p p o r ta n d t h es a f e t yo fc o a Ip r o d u c t i o n ． A c c o r d i n gt ot h er e q u e s to fr e l e v a n ts t a n d a r do f c o a li n d u s t r yf o rs u p p o r t t e s t - b e d ，t h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mf o rm i n es u p p o r tt e s t b e dh a sb e e n d e s i g n e da f t e ra n a l y z i n gt h es t a t u sq u oo fc o n t r o ls y s t e mf o rs u p p o r t t e s t - b e d ．T h es y s t e ma d o p t st h ec o m p u t e r - c e n t r a l i z e dc o n t r 0 1 ．T h eh a r d w a r e o ft h es y s t e mi sm a d eu po fI P C 一610 一Ho fA d v a n t e c h ，P C L 一818 La n a l o gI ／O c a r d ，P C L 一7 30d i g i t a lI ／Oc a r da n de n c o d e re t c ．T h eI P Ci st h ec o r eo ft h e w h o l es y s t e m ．B yu s i n gr e l e v a n tc a r d ，t h eI P Cc o l l e c t sa n dc o n t r o l st h e p r e s s u r eo ft h ep u m p i n g s t a t i o na n dc o n t r o l st h em o t i o ns y n c h r o n o u sf o r t h e f o u r c y l i n d e r ．M e a n w h i l e ，i tc o n t r o l st h ea c t i o no ft h eb o l ta n dj u d g e st h e s i t u a t i o no ft h eb o l t ’Sa c t i o n ． T h es o f t w a r eo f t h es y s t e mi sd e v e l o p e db yu s i n go fV B6 ．0o nW i n d o w s p l a t f o r m ．B yu s i n gt h em o d u l a r i z e da n ds t r u c t u r e dd e s i g n ，t h es o f t w a r eh a s t h eg o o df e a t u r e ss u c ha sh i 曲r e l i a b i l i t y , f l e x i b i l i t y , a n de a s yo p e r a t i o ne t c ． T h es o f t w a r ep r o v i d e saf r i e n d l yi n t e r a c t i v ei n t e r f a c e ，S Oy o uc a ne a s i l y c h o o s et h ew a yo ff o u r - c y l i n d e rm o t i o ns y n c h r o n o u sc o n t r o la n dt h eb o l t a c t i o nb u t t o n s ，a n ds e tt h ep r e s s u r eo fp u m p i n gs t a t i o n ．T h r o u g ht h e s e o p e r a t i o n s ，t h e a u t o m a t i cc o n t r o lo ft h ep u m ps t a t i o n ，t h ef o u r - c y l i n d e r s y n c h r o n o u sm o t i o n ，a n dt h eb o l ta c t i o nc a nb ea c h i e v e d ．A tt h es a m et i m e ， t h ep r e s s u r eo ft h ep u m ps t a t i o n ，t h ed i s p l a c e m e n ts t a t eo ft h eh y d r a u l i c c y l i n d e r , t h es t a t eo ft h ed i s p l a c e m e n te r r o ra n dt h eb o l ta c t i o na r eb e i n g r e a l t i m e d i s p l a y e d ，w h i c hm a k et h i n g se a s yf o rt h eo p e r a t o r st om o n i t o r o n s i t ee q u i p m e n t ． T h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mf o rm i n es u p p o r tt e s t b e ds u p p o r t e db y ；i i s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c ti nT a i y u a n ，h a sb e e nu s e di nt h eg r e a t e s t c u r r e n ts u p p o r tt e s t b e d 2 0 0 0 0 K N i nC h i n as u c c e s s f u l l y ．I ta c h i e v e sg o o d e f f e c t sa n dh i g hp r a i s e so ft h eu s e r s ，a n dh a sb e e np a s s e dt h ee x a m i n a t i o no f t h ef a c t o r y ． K E YW O R D S S u p p o r tt e s t b e d ；H y d r a u l i c s y s t e m ；C o m p u t e rc o n t r o l ； S y n c h r o n o u sc o n t r o l 声明尸刚 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 作者签名辛之堕遂L 日期立2 擘L j 』匾一 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、复印 件与电子版；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存 学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交 流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全 部或部分内容 保密学位论文在解密后遵守此规定 。 作者签名毖必日期丝望呈堕 导师签名霉之』牡日期j 举二生三L 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百了匕 1 ．1 本论文研究的目的和意义 矿用支架作为煤矿综合机械化采煤的主要支护设备，在煤炭生产中有着非常重 要的地位。它能可靠而有效地支撑和控制工作面的顶板，隔离采空区，防止矸 石进入回采工作面和推进输送机。它与采煤机配套使用，实现采煤综合机械化， 解决机械化采煤工作中项板管理落后于采煤工作的矛盾，进一步改善和提高采 煤和运输设备的效能，减轻煤矿工人的劳动强度，最大限度保障煤矿工人的生 命安全。在当前煤矿安全日益受到社会各界普遍重视的形势下，作为煤矿综合 机械化采煤主要支护设备的矿用支架的质量显得格外重要，因此矿用支架生产 企业越来越注重产品的性能测试，不仅包括新品出厂，而且包括设备大修，同 时，作为产品性能和质量检验的试验台是矿用支架在出厂前或维修后进行检验 的试验设备，主要对支架的密封性安全阀的开启压力及整机的强度和寿命等进 行试验，从而确保矿用支架的质量和煤矿安全。 为满足矿用支架试验要求，必须提高矿用支架试验台控制系统的性能。矿用支 架试验台控制系统在满足系统工作要求的前提下，还要实现系统的自动控制，并降 低系统的控制误差。针对上述要求，本论文设计了矿用支架试验台计算机控制系统， 该系统实现了液压泵站、插拔销的自动控制和平台升降四缸的同步控制的功能。本 系统的设计对提高矿用支架的质量保证煤矿的高产高效具有非常重要的意义。 1 ．2 矿用支架试验台控制系统的研究现状 目前，国内矿用支架试验台控制系统多采用C A T 控制或计算机与P L C 、单片机 等微型处理器相结合的控制方式。具体如下 1 ．矿用支架试验台C A T 控制系统 矿用支架试验台C A T 控制系统通过计算机处理A ／D 卡采集到的各类信号，实现 对试验台的测控。在传统矿用支架试验台中，测试数据往往采用普通机械仪表指示， 靠人工读取和记录，精度低，而且易受人为因素影响。为此，上海大屯能源股份有 限公司拓特机械厂对矿用支架试验台进行了改造，采用C A T 控制系统实现了测试 数掘的计算机自动采集与处理，提高了测试精度，减少了操作人员的工作强度【l 儿2 1 。 2 ．计算机与P L C 相结合的矿用支架试验台控制系统 这种控制系统，计算机为上位机，P L C 为下位机。上位机只显示下位机上发出 矿用支架试验台液压系统计算机控制 的设备运行状态、参数设置及数据保存等功能；下位机控制现场泵、阀等设备的启 停，模拟量、数字量的采集，设备状态上传等功能。文献[ 3 1 q bS Z L ．1 0 0 0 ／3 0 0 型矿 用支架试验台的监控系统就是采用计算机与P L C 结合实现的方式，但是其油泵系 统、调高系统和插拔销系统只是用手动调节，通过操作电气操作台面板上的按钮、 开关，手动启停设备，没有实现自动控制的功能。 3 ．计算机与单片机相结合的矿用支架试验台控制系统 文献[ 4 1 q 丁采用单片机与计算机组成的千吨试验台测控系统，由于数据采集的点 数多达1 6 0 个，在实现这一系统时，采用的方法为利用四块数据采集板，每一块板 都能独自完成工作，就是说每一块板都是一个完整的采集、处理、存储子系统。当 每一块板的上数据存储器数据存满以后，这块板就可以向计算机申请中断，传输所 采集的数据，供计算机进行数据处理、分析、存储、显示、图形分析等。该系统实 现了数据的快速传递，完成了系统性能要求。 1 ．3 液压缸同步控制技术分析及应用 矿用支架试验台综合应用了机械电子、计算机、自动控制、液压伺服等多方面 的工程技术。其中，实现支架试验台活动平台移动的液压缸同步控制在整个系统中 占据着重要的地位，也是整个系统实现的难点和关键。 1 ，3 。1 液压缸同步控制技术方式及其比较 液压缸同步控制技术的实现形式有多种，按系统控制方式，可以分为开环控制 和闭环控制；按液压控制元件的不同可以分为电液伺服阀液压缸同步控制、电液比 例阀液压缸同步控制和数字阀液压缸同步控制；根据同步控制理论【5 1 1 6 1 ，液压缸同 步控制技术又可以分为单通道模型同步控制技术和多通道模型同步控制技术。 1 ．液压缸同步开环控制和闭环控制 开环控制系统不带测量反馈装置，控制模块发出的指令信号单方向传递，指令 信号发出后不再反馈控制效果。开环控制系统依靠液压控制元件本身的精度来控制 执行元件同步，不能消除或者抑制扰动的影响，所以其同步精度低，但是开环同步 控制系统结构简单、成本低，所以适用于同步精度要求不高的场合【7 J 一【纠。与开环同 步控制相比，液压缸同步闭环控制组成较复杂、成本高，但是闭环控制系统通过对 输出进行检测、反馈，在很大程度上能够消除或者抑制扰动的影响，从而获得高精 度的同步控制。因此，闭环控制系统已经得到人们越来越多的关注，特别是随着现 代控制理论以及计算机技术的发展，闭环控制在高精度液压缸同步控制系统中得到 2 第一章绪论 较好的应用【1 0 ] 1 1 1 1 。 2 ．不同控制元件的液压缸同步控制系统的比较 电液伺服阀是一种高精度、高频响的电液控制元件。它具有较高的响应速度和 高精度同步控制的优点，但是这种阀结构复杂、成本高、抗污染能力差。所以电液 伺服阀液压同步闭环控制一般适用于同步精度要求高、工作环境好的的系统。电液 比例阀作为一种新型的电液控制元件与电液伺服阀相比，它的的频率响应低，但其 成本低、抗污染能力较强、同步控制精度较高，所以采用电液比例阀的液压缸同步 控制技术已大量用于频率响应适中、同步控制精度较高的系统。数字控制阀是上世 纪八十年代初期才发展起来的可以用计算机实现电液系统控制的新型元件，它能适 应计算机控制的需要，直接用数字量来实现控制。数字控制阀液压缸同步闭环控制 系统具有可靠性高、重复精度高、结构简单且控制方便等优点，但是这种控制形式 的同步控制精度要受到步进电机驱动信号的脉冲数、脉宽占空比以及计算机硬、软 件的影响，因此目前应用较少。 3 ．基于单通道模型和多通道模型液压缸同步控制系统的比较 基于单通道模型的同步控制技术立足于各自通道的性能要求，对各自通道分别 进行控制性能补偿，以得到具有一致性能的多通道同步驱动系统。基于单通道的同 步控制策略主要有“等同方式”和“主从方式”两种形式，其中“主从方式”是指 多个需要同步控制的执行元件以其中的一个执行器输出量为理想输入，其余的执行 元件均跟踪这一选定的理想输入来达到同步驱动的方式。而“等同方式”是指多个 需要同步控制的执行元件同时跟踪同一理想输入。基于单通道模型同步控制策略获 得了较好的应用，但是其主要适用于各同步通道间性能差异不大的场合。对于具有 工况条件复杂、负载多变的系统，由于各同步子通道间由参数非线性或不确定性引 起的耦合和干扰作用已经不能忽略，因此该方式的应用难以获得满意的同步控制效 果。 基于多通道模型的同步控制技术又可分为多通道解耦同步控制技术和“交叉耦 合”同步控制技术。多通道解耦同步拉制技术考虑了各同步子通道间的耦合作用， 对多通道系统进行解耦，然后再进行各自通道的性能补偿，以得到各同步子通道具 有一致性能的多通道同步系统。“交叉耦合”同步控制技术在对各子通道分别进行 控制性能补偿的基础上，对各通道间由于系统非线性、外部扰动以及通道间相互耦 合干扰所引起的同步误差进行再补偿，这相对基于单通道模型的同步控制技术，更 进一步地减小了各同步子通道间的性能差异，提高了同步控制性能。 1 矿用支架试验台液压系统计算机控制 1 ．3 ．2 液压缸同步控制技术控制策略及其发展 控制理论从2 0 世纪5 0 年代发展成熟的经典控制理论，到2 0 世纪6 0 年代末发 展起来的现代控制理论，再到2 0 世纪7 0 年代后鲁棒控制理论和智能控制理论的不 断丰富，已经发展得十分壮大，并在工业控制领域得到广泛的应用。 P I D 控制策略作为典型的经典控制理论，以单变量线性定常系统为主要研究对 象，所以也叫单变量P I D 控制。它以基于工作点附近的增量线性化模型为基础，以 频率法作为研究控制系统动态特性的主要方法，以N i c h l o s 图、B o d e 图、N y q u i s t 曲线、根轨迹等作为系统分析和综合的主要工具。到目前为止，经典P I D 控制仍因 结构简单、易于实现等优点而成为工程上最实用、最流行的方法【1 2 1 。 自适应控制 a d a p t i v ec o n t r 0 1 为现代控制理论的代表。当被控对象的参数存在缓 慢变化时，通过实时辨识对象参数的变化来自动地调整控制器的参数或者根据对象 的实际输出与期望的输出 参考模型的输出 的偏差来调节控制器，从而使系统的性 能保持不变。与P I D 控制相比，自适应控制则不需要模型完全已知，是一种“以变 制变”的控制策略。其实际应用以模型参考自适应控制 M R A C 和自校正控制 S T C 最为成熟【1 3 】1 1 4 】。 鲁棒控制理论和智能控制理论的丰富以及在工业过程中获得的成功，极大的鼓 舞和激发了人们运用这些新理论成果于各类工业实际的热情，对于液压同步控制的 应用也不例外。在液压伺服系统中常用的鲁棒控制控制策略有定量反馈控制、玩 控制以及自适应鲁棒控制；有关人工智能控制的研究主要侧重于模糊控制、神经网 络等方面【1 5 】f 1 6 】。 1 ．3 ．3 液压缸同步控制技术的应用 目前，液压缸同步控制技术在冶金工业过程、大型水利工程、各类金属压力加 工和工程机械等设备上得到了广泛的应用。 液压折板 弯 机是一种通用的金属板料折弯机械，其用途是能在常温下利用简 单模具将板料弯成各种型材或构件。这一机械装置已大量用在汽车、船舶、飞机及 家电制造业。为保证板料折弯成形的质量，其关键就在于控制推动活动横粱运动， 即布置于横粱两端的两个液压缸的同步驱动。为此，对于精度要求不高的小型液压 折板机，一般均采用由机液伺服阀等组成的机械反馈式同步闭环控制；而对于中型 液压折板机或同步精度要求较高的小型液压折板机，以采用电液伺服阀或比例控制 阀或数字控制阀组成的电反馈式同步闭环控制为宜；对于大型液压折板机，则多使 用电控变量泵等组成的同步闭环控制。根据上述原则对液压折板机实现同步驱动， 4 第一章绪论 均获得了较好的效果【1 7 】。 汽车纵梁液压机一般采用多个液压缸并联工作，因此各液压缸的同步驱动是其 中的关键技术。现在一般都采用比例控制阀等组成的同步闭环控制，在文献[ 1 8 ] [ 1 9 】 中，3 5 0 0 0 K N 和3 0 0 0 0 K N 两种汽车纵梁液压机均采用了液压缸闭环同步控制技术。 在三峡大型水轮机转子静平衡装置中的四缸同步控制系统中，需要在重载5 0 0 t 下，对四个缸进行同步控制。该系统采用电液比例阀实现四缸同步的控制方案，采 用模糊控制算法作为四缸同步控制器，实现了在5 0 0 m m 的行程范围内控制精度为 0 ．6 m m 的同步控制【2 0 】。 文献[ 2 1 】中采用了模型跟随自适应 A M F C 控制策略对一由电液伺服阀等组成 的同步闭环控制的卧式拉伸试验机成功的进行了同步加载控制，有效地克服了时变 非线性及耦合等因素的影响。在文献[ 2 2 】中则应用了A M F C 控制策略对一大型壳体 实现高精度、大载荷同步加载的多通道电液伺服同步闭环加载系统实施了控制，也 取得了成功，其轴向同步误差小于0 ．5 ％。 除上述应用实例外，液压缸同步闭环控制还在大型电液伺服飞行仿真转台和航 天航空驱动装置上也得到了应用【2 3 1 。 1 ．4 本论文的主要内容 本文通过研究分析矿用支架试验台的结构特点及工艺过程，设计了矿用支架试 验台计算机控制系统。并对矿用支架试验台液压系统的硬件和软件进行设计与开 发，具体内容包括 1 ．分析了支架试验台结构，并对组成试验台的机械结构、液压系统和控制系统 进行介绍；给出试验台技术参数，并分析了系统的工作流程。 2 ．计算机控制系统总体设计。系统采用计算机集中控制方式，工控机为整个系 统的核心，结合模拟量、数字量I ／O 板卡、运动控制器和编码器，进行液压泵站压 力采集与调整、平台升降四缸的同步运动和插拔销动作控制；控制系统由三个子系 统组成，根据每个子系统的功能特点，进行了硬件设计和选型，并分析了各个硬件 设备的特点和工作原理。 3 ．计算机控制系统软件设计。根据软件设计要求及对系统功能的分析，采用了 模块化、结构化的方法设计了系统软件的功能结构。其中，液压泵站控制子系统 实现了泵站压力的采集和调整；插拔销控制子系统实现了插拔销动作的控制和 到位状态的判断。平台升降四缸同步控制子系统采用单通道控制模型的液压系 矿用支架试验台液压系统计算机控制 统闭环控制实现了平台升降四缸的同步控制。 4 ．计算机控制系统软件实现。在W i n d o w s 平台下利用V B6 ．0 进行了软件的 设计与开发，通过调用相关函数对板卡输入、输出端口写和读操作，实现系统 的各功能。 6 第 章支架试验弁结构 第二章支架试验台结构 2 ．1 试验台组成 矿用支架试验台是矿用支架在出厂前和维修后进行试验的大型专用设备，矿用 支架在试验台内，以内加载的形式进行试验。主要对支架的密封性、立柱安全阀的 开启压力及整机的强度和寿命等进行检测性试验，从而确保矿用支架的质量和煤矿 安全生产。试验台由机械结构、液压系统和控制系统组成。 211 试验台机械结构 如图2l 所示，矿用支架试验台机械结构由门架梁、下工作平台、上工作平台 活动平台 、底座、顶粱、两级升降液压缸、支撑粱、插拔销液压缸和其他一些 试验用辅具组成。 图21 支架试验台结构幽 r i g2 IS t r u c t u r ed i a g r a m o f m i n es u p p o r t w s t - b e d 门架粱与下工作台通过四根同定式插拔销联接，活动平台通过插拔销轴与门架 粱联接，从而形成一个试验高度可调节的封闭式受力框形结构。该试验台采用先进 制造技术和工艺．工作台和底座采用整体铸造结构，框架采用焊接结构，提高了抗 疲劳强度。两级升降液压缸和插拔销油缸设置在试验台外侧，便于维修、养护。支 撑架采用桥梁拉杆结构，调整方便，增加了试验台的稳定性。 矿用支架试验台液尔系统计算机控制 2 ．1 ．2 试验台液压系统 矿用支架试验台的液压系统由液压泵站、四个两级升降液压缸、四个插拔销液 压缸以及电液阀门组成，主要用于控制和完成支架试验台活动平台高度的调整，插 拔销的插拔动作。矿用支架试验台液压系统的工作流程是首先启动液压泵站，充 油泵和主油泵充油后，系统开始工作。四个两级升降液压缸分立在支架梁的四角， 实现活动平台的升降。活动平台到位后，驱动插拔销油缸动作，固定移动平平台。 根据工艺要求，驱动活动平台升降的四个两级升降液压缸必须保证高精度的速 度同步和位置同步，图2 ．2 为四个两级升降液压缸同步回路，A ，B ，C ，D 为电液 比例阀，E 为换向阀，F 为背压阀，a ，b ，c ，d 为编码器1 ，2 ，3 ，4 为液压缸。控 制阀为电液比例阀，它具有压力补偿性能，与其它阀 如电液伺服阀 相比，它的结 构简单，成本较低。换向阀可以改变同步油缸的运动方向，背压阀可以使系统压力 恒定。 图2 ．2 四缸同步液压回路 F i g ．2 ．2H y d r a u l i cc i r c u i to fs y n c h r o n i z a t i o nf o rf o u r - c y l i n d e r 2 ．1 ．3 试验台控制系统 如图2 ．3 所示，试验台计算机控制系统由液压泵站控制子系统、平台升降四缸 同步控制子系统和插拔销控制子系统组成。系统硬件由研华I P C ．6 1 0 ．H 工控机、研 华模拟量、数字量I ／O 板卡、固高运动控制器等组成；软件基于W i n d o w s 平台下 V B6 ．0 进行开发。通过软、硬件开发设计，试验台计算机控制系统控制系统实现 了四个液压缸的同步控制和液压泵站、插拔销的自动控制。 R 第二章支架试验台结构 图2 ．3 支架试验台计算机控制系统的组成 F i g ．2 ．3S t r u c t u r eo fc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mf o rs u p p o r tt e s t b e d 实现支架试验台活动平台移动的液压缸同步控制在整个系统中占据着重要的地 位，也是整个系统实现的难点和关键。在图2 ．1 中，四缸同步回路以控制A ，B ，C ， D 四个电液比例阀的阀芯开口度来实现四个液压缸1 ，2 ，3 ，4 的同步运动。工 作原理为工作时实时采集与液压缸相连的编码器a ，b ，c ，d 输出值，即四个液 压缸运动位移值。以四个液压缸运动位移值最大者为基准，其它液压缸的位移值与 之相比较而得到各缸的偏差位移量，经过转化后得到偏差电压值，再通过控制器运 算后输入到电液比例阀，最终达到四缸同步运动。该回路的优点是结构简单，成本 相对较低，对流体介质的要求不是很苛刻。缺点是能量损失大，效率利用率较小。 但是，考虑到整个工装设备的性能要求和技术要求以及经济性等因素，利用此设计 方案比较理想。 2 ．2 试验台技术参数及工艺流程 2 ．2 ．1 试验台技术参数 性能参数 1 ．试验台承载能力2 0 0 0 0 K N 2 ．额定压力1 2 0 0 0 K N 3 ．最大加载1 5 0 0 0 K N 9 矿用支架试验台液压系统计算机拄制 4 ．液压泵站压力p 。 3 6 M p a 5 ．液压泵站流量Q 8 0 - 9 0 L ／m i n 6 ．活动平台高度调整范围2 0 0 0 ～3 6 0 0 m m 7 ．升降平台液压缸 液压缸个数4 个 液压缸形式两级液压缸 8 ．插拔销个数4 个 9 ．插拔销液压缸个数4 个 几何参数 1 ．‘试验台有效空间尺寸5 6 0 0 2 9 2 0 5 6 0 0 单位m m 2 ．外形尺寸6 5 0 0 4 2 9 0 9 4 5 0 单位m m 3 ．整机高度9 4 5 0 地下1 6 0 0 单位n l n 3 4 ．设备重量约3 4 0 吨 3 ．设备功率2 5 0 K W 2 ．2 ．2 试验台工艺流程 由试验台的技术参数可以看到，支架试验台为大行程、重负载的大型设备，工 艺要求试验台活动平台移动时必须保证四个液压缸的位置和速度同步，并实现活动 平台的准确定位。支架试验台由液压泵站提供工作压力，四个液压缸驱动活动平台 运动，满足矿用支架试验高度的要求，在活动平台到位后由插拔销固定其位置。具 体工作流程为首先开启电机带动液压泵站油泵工作，因为升降平台的液压缸为两 级液压缸，液压缸的每一级对压力的要求不同，这时需要通过液压泵站调节系统压 力；满足液压缸工作的要求，当压力满足要求时，拔出平台处插拔销，以便平台移 动；根据试验要求调整活动平台的高度，由于设计计算、铸造以及加工过程误差和 材料本身的不均匀，会导致四个液压缸的特性存在偏差和活动平台质量的不均匀， 因此在相同压力的作用下，四个液压缸的运动位移值会存在一定得误差，需要对四 个液压缸运动进行同步的控制；当活动平台到位后，插入插销。 2 ．3 本章小结 本章对组成支架试验台的机械结构、液压系统和控制系统进行了介绍，给出了 矿用支架试验台的技术参数，并对其工作流程进行了说明。 1 0 第三章支架试验台计算讥控制系统总体设计 第三章支架试验台计算机控制系统总体设计 3 ．1 计算机控制系统方案设计 矿用支架试验台计算机控制系统的基本思想是集中控制模式。计算机功能多、 运算能力强，可方便进行信号分析、数据处理、存储、传输以及显示功能，因此采 用集中控制，减少了资源的浪费，提高了工作效率‘2 4 】【2 5 J 。 如图3 ．1 所示，矿用支架试验台计算机控制系统分为液压泵站控制子系统、平 台升降四缸同步控制子系统和插拔销控制子系统。硬件由工控机、模拟量I ／O 板 卡、运动控制器和数字量I ／O 板卡等组成。 工控机 JLJLJL II ●● 1 r1r I 1r I 模j似量I ／o 板卡运动控制器 ● 数字量J ／o 板卡 l JI ’ J‘ ； L JL 继 电 器 - I ◆ ● I ● I ● I ● I ● I ● 1 r I1r ●● I I ●● 比 压 II ● 电 例力 l 光 ● 液 编 电 溢 变 I 比码 I 磁 电 ●● 开 流送 ● 例器 I 阀 ● 关 阀器 I 阀 I ●● l- ●● 液压泵站控制子系统平台升降四缸同步控制予系统 插拔销控制子系统 图3 ．1 试验台计算机控制系统硬件结构图 F i g ．3 ．1H a r d w a r es t r u c t u r ed i a g r a mo fc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mf o rt e s t b e d 工控机作为整个系统的核心，完成输入信号的处理与显示、控制算法的调用以 及控制信号的输出。工控机发出的控制指令，由模拟量I ／O 板卡转换为电信号，作 为控制信号输送至比例溢流阀，进而调节泵站压力。工控机与运动控制器构成上、 下位机关系，与编码器一起组成平台升降四缸同步控制子系统。插拔销动作采用闭 环控制方式，工控机发出控制指令，经数字量I ／0 板卡转换并传送至继电器，通 过控制其线圈得电与断电来实现电磁阀的开与关，光电开关输出的信号作为反 1 1 矿用支架试验台液胜系统计算机控制 馈信息，经数字量I ／O 板卡转换并传送至工控机，工控机处理后，判断插拔销 的到位状况。 3 。2 计算机控制系统硬件设计 3 ．2 ．1 液压泵站控制子系统硬件设计 液压泵站控制子系统由模拟量I ／O 板卡、压力变送器、堵塞报警器、比例溢流 阀等硬件组成。模拟量I ／O 板卡安装在工控机内，通过I ／0 板卡的接线端子连接压 力变送器和全隔离信号变送器。经过全隔离信号变送器的转化，将I ／0 板卡输出的 0 1 0 V 的电压信号转换为比例阀溢流阀需要的4 ～2 0 m A 的输入信号，来控制比例 溢流阀阀口的开度，进而调节泵站的压力。压力变送器把液压泵站压力信号反馈给 工控机实现计算机对泵站压力的采集。通过堵塞报警器来监测比例溢流阀是否发生 堵塞。 1 ．模拟量I ／O 板卡 系统采用研华公司生产的P C L ．8 1 8 L 作为模拟量I ／O 板卡，进行压力变送器输 出信号的采集和比例溢流阀控制信号的输出。 采集信号数字信号 I压力变送器 P C L - 8 1 8 L 工控机 l 比例溢流阀 控制信号数字信号 图3 ．2P C L 一8 1 8 L 转换信号和传递信号过程 F i g ．3 ．2P C L - 8 18 Ls i g n a lp r o c e s so fc o n v e r s i o na n dt r a n s m i s s i o n 研华P C L ．8 1 8 L 是一款多功能的I ／O 板卡，它提供了5 种最常用的测量和控制 功能1 2 位A ／D 、D ／A 转换、数字输入、数字输出和时钟定时器控制。它不但具 备数据采集的功能，而且还具备信号控制、输出的功能。通过I ／O 板卡，将采集到 的压力变送器电信号转换为数字信号输入工控机，并把工控机输出的数字信号转换 为电信号传递给电液比例溢流阀，控制比例溢流阀的阀口开度。信号传递过程如图 3 ．2 所示。 在使用研华P C L ．8 1 8 L 时，需要对板卡的基地址、通道、D ／A 基准电压等进行 设置。P C L ．8 1 8 L 是通过计算机的I ／O 口来控制的，每个I ／O 口各自都有一个独立的 I ／O 存储空间以免相互之间发生地址冲突，P C L ．8 1 8 L 使用3 2 个连续的I ／O 地址空 间或使用1 6 个连续的I ／O 地址空间，其有效地址范围是0 0 0 到3 F O 十六进制 ，此 1 2 第 点m 试验台”算机控制系统总体设“ 处选择其初始默认地址3 0 0 。P C L - 8 1 9 L 提供单端和差分模拟量输入两种通道模式， 系统采用其差分模拟量输入通道模式。它的1 6 个模拟输入通道，可以设置成8 路 差分式输入通道。为了避免共模干扰，需