液压支架试验台测控系统的研究.pdf

分类号分类号TP273TP273 单位代码单位代码1011010110 学学 号号s20s20100606100606 中中 北北 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 液压支架试验台测控系统液压支架试验台测控系统的研究的研究 硕士研究生硕士研究生 赵向南赵向南 指导教师指导教师 任一峰任一峰 学科专业学科专业 控制理论与控制工程控制理论与控制工程 2012013 3 年年 5 5 月月 2626 日日 液 压 支 架 试 验 台 测 控 系 统 的 研 究 液 压 支 架 试 验 台 测 控 系 统 的 研 究 赵 向 南 赵 向 南 中 北 大 学 中 北 大 学 图书分类号图书分类号 TP273 TP273 密级密级 非密非密 UDCUDC 注注 1 1 621.3 621.3 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 液压支架试验台测液压支架试验台测控系统控系统的研究的研究 赵向南赵向南 指导教师（姓名、职称）指导教师（姓名、职称） 任一峰（任一峰（教授）教授） 申请学位级别申请学位级别 工学硕士工学硕士 专业名称专业名称 控制理论与控制工程控制理论与控制工程 论文提交日期论文提交日期 年年____________月月____________日日 论文答辩日期论文答辩日期 年年____ ______月月____ ____日日 学位授予日期学位授予日期 年年____________月月____________日日 论文评阅人论文评阅人______________________________________________________________________________________________________________________ 答辩委员会主席答辩委员会主席____________________________________________ 年年 月月 日日 注注 1 1注明国际十进分类法注明国际十进分类法 UDCUDC的分类的分类 原原 创创 性性 声声 明明 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。对本文的研究作出重要贡其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 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律责任由本人 承担。承担。 论文作者签名论文作者签名 日期日期 关于学位论文使用权的说明关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括本人完全了解中北大学有关保管、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与复印件；②学校可①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；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） 。后遵守此规定） 。 签签 名名 日期日期 导师签名导师签名 日期日期 液压支架试验台测控系统的研究 摘要 液压支架作为煤矿井下综采工作面的关键支护设备，已经成为煤矿安全生产的重要 环节。但由于相应的检测设备的不完善，阻碍了新产品的开发和市场推广。因此为了提 高液压支架的检测质量，研发新型液压支架试验台测控系统势在必行。 通过分析 MT312-2000 试验标准和用户对于系统的需求，按照安全性、实时性、稳 定性和可靠性的要求，对系统进行了设计，建立了一套行之有效的系统控制方案。本文 开发了由嵌入式芯片 STM32 为控制器的下位机和高级编程语言编写的上位机软件结合 构成的液压支架试验台测控系统，着重介绍了硬件及软件的设计。 在硬件方面，主要对器件进行选型，对电磁阀控制回路、数据采集系统和上下位机 的通信进行设计，分析了系统的干扰源，并采取了相应的抗干扰措施等等；在软件方面， 主要完善了下位机控制器的固件程序编写及其上位机测控软件各项试验控制功能的软件 编写，设计简单易操作的人机界面。整个项目着眼于在国内该领域提供一套新的先进的 液压支架试验台测控系统。 通过现场的实际测试， 测控系统较好的完成了对于液压支架试验台的自动/手动控制 和 MT312-2000 规定的液压支架性能测试的需求。整个课题由于将应用于工程实际，成 本较合理、使用性较好，比较实用。 最后对全文进行了总结和展望。 关键字关键字液压支架，液压支架试验台，STM32 控制器，测控系统 Research on the control system of Hydraulic Support Test-bed Abstract As the key support equipment of the coal mine fully mechanized working face, Hydraulic support has become an important part of coal mine production safety. But because the corresponding detection device is not perfect, the development of new products and markets are hindered. Therefore, in order to improve the detection quality of hydraulic support, the research and development of new control of Hydraulic Support Test-bed System is imperative. Through the analysis of the MT312-2000 test standards and the demand of user to the system, in accordance with safety, real-time, stability and reliability requirements, system design, create a set of effective system control scheme. This paper develops a measure and control of hydraulic support test-bed system consists of embedded chip STM32 as the lower controller and advanced programming language combination the upper computer software, this paper introduces the design of hardware and software. In the hardware aspect, mainly includes the selection of devices, design the electromagnetic valve control circuit, data acquisition system and the communication of upper and lower machine, analyzes the interference of the system, and to take the corresponding anti-interference measures etc.; In the software aspect, mainly to improve the controller firmware programming and the function of control software of the test control. The design is simple and easy to operate interface. The whole project is focused on the field of domestic and provide a set of advanced measurement and control system of Hydraulic Support Test-bed . Through the actual test in site, the measurement and control system of hydraulic support complete the perance testing for Hydraulic Support Test-bed automatic / manual control and meet the MT312-2000 specified requirements. The whole subject due to be applied to engineering practice, the cost is reasonable, the use of better and more practical. Finally, the paper is summarized and prospected. Keywordshydraulic support ，Hydraulic Support Test-bed，The STM32 controller，the measurement and control system I 目录目录 1. 1. 绪论绪论 ............................................................................................................ 1 1 1.1 课题来源课题来源 .................................................................................................................. 1 1.2 课题背景及意义课题背景及意义 ....................................................................................................... 1 1.3 国内外研究状况国内外研究状况 ....................................................................................................... 2 1.3.1 液压支架的简介液压支架的简介 .............................................................................................. 2 1.3.2 测控技术的研究和发展概况测控技术的研究和发展概况 ........................................................................... 3 1.4 本文所做的主要工作本文所做的主要工作 ............................................................................................... 5 1.5 本文的内容及构成本文的内容及构成 ................................................................................................... 5 2. 2. 液压支架试验台测控系统总体方案设计液压支架试验台测控系统总体方案设计 .................................................. 7 7 2.1 概述概述 .......................................................................................................................... 7 2.2 液压支架试验标准液压支架试验标准 ................................................................................................... 7 2.3 液压支架试验台测控系统的工作原理及性能参数液压支架试验台测控系统的工作原理及性能参数 ................................................. 9 2.3.1 主体结构主体结构 .......................................................................................................... 9 2.3.2 液压支架液压支架试验台工作原理试验台工作原理 ............................................................................. 10 2.3.3 主要性能参数主要性能参数 ................................................................................................ 11 2.4 液压支架测控系统的总体方案液压支架测控系统的总体方案 .............................................................................. 11 2.4.1 液压支架试验台测控系液压支架试验台测控系统统 ............................................................................. 11 2.4 .2 本课题研究总体方案本课题研究总体方案 ................................................................................... 12 2.5 本章小结本章小结 ................................................................................................................ 15 3. 3. 液压支架试验台测控系统硬件设计液压支架试验台测控系统硬件设计........................................................ 1616 3.1 系统硬件总体设计系统硬件总体设计 ................................................................................................. 16 3.1.1 技术要求技术要求 ........................................................................................................ 16 3.1.2 测试系统硬件总体框图测试系统硬件总体框图................................................................................. 16 3.2 CPU 的选择的选择 ............................................................................................................ 17 3.3 传感器模块设计传感器模块设计 ..................................................................................................... 19 II 3.3.1 传感器模块设计传感器模块设计 ............................................................................................ 19 3.3.2 压力传感器的选定压力传感器的选定 ........................................................................................ 19 3.3.3 传感器主要技术参数传感器主要技术参数 .................................................................................... 19 3.4 保护电路保护电路 ................................................................................................................ 21 3.5 电磁先导阀驱动电路电磁先导阀驱动电路 ............................................................................................. 22 3.6 上下位机通信设计上下位机通信设计 ................................................................................................. 24 3.6.1 串口通信硬件电路串口通信硬件电路 ........................................................................................ 24 3.6.2 CAN 总线硬件电路总线硬件电路 ........................................................................................ 26 3.7 按键键盘设计按键键盘设计 ......................................................................................................... 27 3.7.1 常用键盘接口常用键盘接口 ................................................................................................ 27 3.7.2 行列式键盘的工作原理行列式键盘的工作原理................................................................................. 28 3.8 停电记忆的硬件设计停电记忆的硬件设计 ............................................................................................. 29 3.9 电源设计电源设计 ................................................................................................................ 30 3.10 系统硬件抗干扰设计系统硬件抗干扰设计 ........................................................................................... 31 3.11 本章小结本章小结 ............................................................................................................... 33 4. 4. 液压支架试验台测控系统软件设计液压支架试验台测控系统软件设计........................................................ 3434 4.1 下位机下位机固件开发固件开发 ..................................................................................................... 34 4.1.1 固件固件开发环境开发环境 ................................................................................................ 34 4.1.2 固件开发流程固件开发流程 ................................................................................................ 35 4.2 下位机固件总体设计下位机固件总体设计 ............................................................................................. 35 4.2.1 数据采集模块设计数据采集模块设计 ........................................................................................ 38 4.2.2 CAN 模块设计模块设计 ............................................................................................... 40 4.2.3 键盘扫描程序设计键盘扫描程序设计 ........................................................................................ 42 4.2.4 报警程序设计报警程序设计 ................................................................................................ 45 4.3 上位机上位机软件开发环境软件开发环境 ............................................................................................. 47 4.4 上位机上位机软件总体设计软件总体设计 ............................................................................................. 47 4.4.1 人机界面设计与实现人机界面设计与实现 .................................................................................... 47 III 4.4.2 试验流程设计与实现试验流程设计与实现 .................................................................................... 51 4.5 数据库设计与实现数据库设计与实现 ................................................................................................. 53 4.5.1 数据库数据库系统分析系统分析 ............................................................................................ 53 4.5.2 数据库设计数据库设计 .................................................................................................... 53 4.6 上上/下位机通信协议设计下位机通信协议设计 ........................................................................................ 54 4.7 本章小结本章小结 ................................................................................................................ 55 5. 5. 试验台测控系统调试与分析试验台测控系统调试与分析 ................................................................. . 5656 5.1 试验台测控系统调试试验台测控系统调试 ............................................................................................. 56 5.2 试验台测控系统分析试验台测控系统分析 ............................................................................................. 60 5.3 本章小结本章小结 ................................................................................................................ 60 6. 6. 结论与展望结论与展望 .............................................................................................. 6161 6.1 结论结论 ........................................................................................................................ 61 6.2 展望展望 ........................................................................................................................ 61 参考文献参考文献 ........................................................................................................ 6363 攻读硕士学位期间发表的论文及取得的研究成攻读硕士学位期间发表的论文及取得的研究成果果 ...................................... 6767 致谢致谢 中北大学学位论文 1 1. 绪论 1.1 课题来源课题来源 本课题来源自工程项目实际,系林州重机集团股份有限公司委托中科院自动化研 究所并与其一并研发的工程项目。项目旨在通过外加多种传感器对液压支架试验台及 被测液压支架的液压千斤顶进行实时检测，并将检测到的物理参数通过 CAN 总线技 术传输到上位机进行算法分析，并及时的下发操作指令及预警报告故障，从而实现对 液压支架试验台的手动/自动控制及液压支架的安全检测。 1.2 课题背景及意义课题背景及意义 煤炭是我国的重要能源和工业原料，长期在国民经济中占有举足轻重的地位，因 而煤炭的开采技术及其设备一直以来都是人们关注的焦点。 20 世纪 50 年代以来，随着科学技术的不断发展，一种用于变革煤炭开采工艺新 技术，新装备的综合机械化采煤技术出现了。综合采煤矿井生产系统配备设备，除了 包括直接与综采工作面刮板运输机连接的顺槽转载机、破碎机及带式输送机外，还应 包括提升设备、掘进机支护设备、工作面供电设备、通风排水设备等。要保证综采工 作面设备效能的充分发挥，必须保证生产系统各个环节具有足够的通过能力和适应能 力。 然而，由于我国的开采方法和技术装备落后，不仅造成了煤炭资源积压浪费，而 且矿井安全设备检测和监控不健全直接导致安全事故频发。为了提高安全生产，加大 科技投入、提高设备可靠性及自动化水平，建设安全型矿井，改善井下作业环境，减 轻劳动强度是解决资源浪费及死亡率的唯一出路。作为煤矿井下安全支护主要设备液 压支架的合格与否已经成为煤矿安全生产的重要环节。因此支架在出厂之前必须在模 拟的井下恶劣工况条件下进行测试 ]31[  。 由于各个矿井的地质条件不尽相同，所以设计人员设计的支架类型及性能参数也 各不相同。因此，生产厂家在新产品批量生产之前必须先对一或两架样架来进行架型 测试。即要选择类似于煤矿实际地质条件的恶劣工况，对整架进行密封性试验、强度 中北大学学位论文 2 试验、耐久性试验等，通过查看试验结果判断是否达到了设计要求。只有通过了检测， 才能大批量生产，从而保证了液压支架设计和制造的质量，避免在实际工况中应用时 出现问题。 本课题旨在建设一套完整的液压支架试验台及液压支架测试系统。此测控系统可 以准确的完成液压支架整架出厂时，要求检测的所有项目。以提高液压支架的检测质 量，严格按标准做各项试验，以满足支架生产厂的需要。此测控系统的特点是可以 满足对液压支架的检测要求；测控系统按照支架行业试验标准中进行设计，能够创造 出标准要求的试验条件；试验过程中，除了需手动更换耐久试验中的被试液压支架垫 块位置外，其余过程能够全部由上位机预先设置自动控制进行；现场各项试验数据由 高精度的 AK-4A 压力传感器采集并实时传输至上位机用于判断； 试验结束后， 可以按 要求打印试验报表报表；能够存储试验数据，方便历史查询和数据管理。建成之后将 大大提高液压支架出厂时的安全性能，并减少由于实验员手动操作带来的很多误差， 确保试验结果的准确性及其操作人员的安全。 1.3 国内外研究状况国内外研究状况 1.3.1 液压支架的简介液压支架的简介 液压支架是用来支撑煤矿井下采煤工作面矿山压力的主要支护设备，是综采设备 的重要组成之一。它可以可靠地控制和支撑矿井中工作面的顶板，防止煤块、矸石等 滚落砸伤工作人员及损坏采煤设备。同时，采用它可以减轻劳动强度，最大程度上保 护了工人安全，提高采煤和运输皮带的效能，直接提高煤矿生产效率。由于液压支架 在煤矿生产中所起的重要作用，所以支架设备生产厂家必须在支架出厂之前检验其质 量是否合格，确保其应用的安全性 ]4[ 。 液压支架有许多类型，按照液压支架的结构与围岩顶板关系分类，可分为掩护式 （支撑掩护式、支顶掩护式） 、支撑掩护式（支顶支掩支撑掩护式、支顶支撑掩护式） 、 支撑式（节式支架、垛式支架） 。 近年来，我国的液压支架的研制工作进程很快且取得了长足的发展，从开始完全 依靠进口，发展到自行研究设计、自行生产制造，并且产出类型繁多、功能齐全、质 中北大学学位论文 3 量可靠的各类型支架。随着煤矿开采对支架需求量的激增和科学研究技术不断发展， 我国逐渐形成了以北京煤矿机械厂及煤炭科学研究院等为主的支架研发设计队伍。其 中，部分研发技术的突破使更将我国处于世界领先地位，部分先进液压支架已经批量 对外出口，远销海外 ]5[ 。 1.3.2 测测控控技术的研究和发展概况技术的研究和发展概况 测试一般是指生产生活和科学试验中经常进