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液壓支架安全閥試驗臺測控系統(tǒng)設(shè)計

文檔作者：趙越楊建新牛一村沙寶銀文檔來源： 1．煤炭科學(xué)研究總院檢測研究分院 2．煤炭資源開采與環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室(煤炭科學(xué)研究總院)		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年05月20日
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2013年第7期 煤炭工程
doi：10．1 1799／ce201307045
液壓支架安全閥試驗臺測控系統(tǒng)設(shè)計
趙 越 ，楊建新 ，牛一村 ，沙寶銀
(1．煤炭科學(xué)研究總院檢測研究分院，北京100013；
2．煤炭資源開采與環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京100013)
摘要：通過對液壓支架安全閥試驗臺功能及要求的研究和分析，設(shè)計了液壓支架安全閥試
驗臺測控系統(tǒng)的硬件及軟件，包括數(shù)據(jù)采集、液壓系統(tǒng)控制，并且采用模糊自適應(yīng)PID算法實現(xiàn)
系統(tǒng)流量閉環(huán)控制，同時引入數(shù)字濾波器，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。該試驗臺能對試驗結(jié)果進(jìn)行
分析、計算、保存和打印，經(jīng)運行試驗證明該系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，滿足設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞：液壓支架安全閥試驗臺；模糊自適應(yīng)PID；數(shù)字濾波
中圖分類號：TD76 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1671—0959(2013)07-0129-03
安全閥是使液壓支架立柱保持恒阻工作特性的關(guān)鍵元
件。由于安全閥長期在高壓狀態(tài)下工作，因此要求安全閥
動作靈活，密封可靠，工作穩(wěn)定，使用壽命長? 。液壓支
架安全閥試驗臺是依據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《煤礦用
液壓支架第3部分：液壓控制系統(tǒng)及閥(GB 25974．3—
2010)》、中華人民共和國煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《液壓支架用閥
(MT419—1995)》(以下簡稱標(biāo)準(zhǔn))設(shè)計的。用于對安全閥
的啟溢閉特性、密封性能、強度性能、耐久性能等進(jìn)行綜
合測試。標(biāo)準(zhǔn)中對試驗流程和試驗參數(shù)進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定，
本文根據(jù)對試驗臺液壓系統(tǒng)的研究設(shè)計了測控系統(tǒng)，能實
現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集，系統(tǒng)的自動運行，流量的準(zhǔn)確控制，
試驗結(jié)果的顯示、保存、打印等功能。
1 測控系統(tǒng)構(gòu)成及功能
該測控系統(tǒng)主要包括：工控機、多通道數(shù)據(jù)采集卡、
多通道開關(guān)量輸出卡、拉線式位移傳感器、高頻壓力傳感
器和打印機等。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。
1．1 位移傳感器
位移傳感器的作用是測量增壓缸的位移，根據(jù)液體體
積的變化量換算出安全閥的試驗流量，系統(tǒng)要求達(dá)到的最
小流量為0．04L／min，增壓缸的位移變化較小，故采用精度
為0．01mm的拉線式位移傳感器，經(jīng)試驗證明滿足系統(tǒng)要
求。
1．2 壓力傳感器
測控系統(tǒng)要求在極短的時間內(nèi)，壓力傳感器需要不失
真的測量一些變化頻率快的動態(tài)壓力波形和幅值，記錄試
驗過程中的壓力變化，這就要求壓力傳感器有較高的固有
頻率和較寬的響應(yīng)頻帶，本系統(tǒng)選用高頻動態(tài)壓力傳感器，
拉線式位移傳感器 數(shù)
據(jù)
各壓力傳感器 采
采
比流量閥開口度 集
輸
廠一 卡出 控機工
比例流量閥控制 開
關(guān)
量
系統(tǒng)各功能閥控制 輸
出
控制柜指示報警控制 卡
圖1 系統(tǒng)構(gòu)成簡圖
其參數(shù)如下：固有頻率高可達(dá)1MHz，測量范圍為0～
100MPa，上升時間為0—1p,s。
1．3 數(shù)據(jù)采集輸出卡
系統(tǒng)對模擬量的要求分采集和輸出兩類，采集功能是
對壓力傳感器和比例流量閥開口度進(jìn)行快速不失真的測量，
并保證測量精度，這就要求采集設(shè)備有較高的采樣頻率和
分辨率。輸出功能是對比例流量閥開口度的控制，輸出值
的精度決定著開口度的精確度。本系統(tǒng)選用研華的PCI一
1716高分辨率多功能數(shù)據(jù)采集卡，其參數(shù)為：16位分辨
率，l6路模擬量輸入，2路模擬量輸出，帶1k FIFO，
250kS／s采樣率。
1．4 開關(guān)量輸出卡
開關(guān)量輸出卡主要用來控制液壓系統(tǒng)中電磁閥的動作，
在選型時應(yīng)注意板卡的觸點容量，通道個數(shù)和隔離能力等。
系統(tǒng)選用研華的PCI一1730U隔離數(shù)字量輸入／輸出卡，輸
出范圍為5～40VDC，隔離保護(hù)電壓可達(dá)到2500VDC。
收稿日期：2013—02—26
作者簡介：趙越(1983一)，男，山東肥城人，研究生，2010年畢業(yè)于山東科技大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，現(xiàn)從
事礦山支護(hù)設(shè)備測試儀器開發(fā)工作。
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煤炭工程 2013年第7期
2 系統(tǒng)流量閉環(huán)控制設(shè)計
標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定進(jìn)行安全閥小流量啟溢閉試驗的流量為
0．~L／min。對于安全閥來說，在閥的調(diào)定壓力范圍之內(nèi)，
調(diào)定壓力越高，它所允許通過的系統(tǒng)流量越大，降低調(diào)定
壓力值，它所允許通過的系統(tǒng)流量也會減少 。在安全閥
特性試驗系統(tǒng)中，單純靠比例流量閥控制系統(tǒng)流量，經(jīng)試
驗發(fā)現(xiàn)流量值不穩(wěn)定，對于整個系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)控制，可較
好的解決此問題。
比例流量閥對流量的控制，實際就是系統(tǒng)對比例流量
閥開口度的精確控制。為實現(xiàn)整個系統(tǒng)流量的閉環(huán)控制，
該系統(tǒng)選用高精度位移傳感器測量系統(tǒng)流量，位移傳感器
測得的系統(tǒng)流量作為反饋輸入計算機，采用模糊自整定
PID -4j控制策略調(diào)整比例流量閥開度，較好的實現(xiàn)了對試
驗系統(tǒng)的流量控制。系統(tǒng)控制原理如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)流量閉環(huán)控制原理圖
3 軟件設(shè)計方案
該測控系統(tǒng)軟件采用Visual Basic語言編制，應(yīng)用
ActiveDAQ控件進(jìn)行高精度實時數(shù)據(jù)采集。軟件功能主要包
含采集、控制和數(shù)據(jù)處理等主要部分。其中采集部分包括
對傳感器數(shù)據(jù)的采集、比例流量閥開口度數(shù)據(jù)的采集等。
控制部分包括對系統(tǒng)充液增壓等功能閥的手動和自動控制、
通過PID算法對比例流量閥開口度的控制等。數(shù)據(jù)處理部
分包括曲線的濾波、試驗結(jié)果的計算，曲線的保存和打印
等功能。
3．1 數(shù)字濾波
由于液壓系統(tǒng)振動及壓力傳感器數(shù)據(jù)采集誤差等原因，
造成壓力波形不平滑，因此需對原始壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
根據(jù)壓力值的特征，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波后，并進(jìn)行曲線
擬合，得到連續(xù)、光滑的時間一壓力曲線。
經(jīng)過分析和仿真實驗發(fā)現(xiàn)，采用遞推平均濾波法對壓
力曲線進(jìn)行處理，能達(dá)到較為理想的效果，遞推平均濾波
的原理如下：把連續(xù)?、魝€采樣值看成一個隊列，隊列的
長度固定為Ⅳ，每次采樣到一個新數(shù)據(jù)放入隊尾，并扔掉
原來隊首的一次數(shù)據(jù)．(先進(jìn)先出原則)把隊列中的Ⅳ個數(shù)
據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運算，就可獲得新的濾波結(jié)果 J。本系統(tǒng)
中N=5。
3．2 軟件菜單結(jié)構(gòu)圖及流程圖
軟件菜單結(jié)構(gòu)圖及流程圖如圖3所示。
】30
圖3 軟件菜單結(jié)構(gòu)圖及流程圖
4 系統(tǒng)測試結(jié)果
選取型號為FAD160~0的安全閥為例進(jìn)行小流量啟溢
閉特性試驗，得到的壓力時間曲線如圖4所示。從試驗曲
線中可以直觀的看出從開始增壓到實驗結(jié)束的全過程的壓
力變化值，左側(cè)數(shù)據(jù)欄是系統(tǒng)根據(jù)曲線計算出的試驗結(jié)果。
M Pa
試件編號 20121 1023．1 40
36
開啟壓力 39．29 32
最大壓力 39 28
．67 24
最小壓力 38-30 2O
關(guān)閉壓力 37_28 16
12
波動值 1l37 8
-
_ - _ _ ● _ ● J -
試驗時間 2Ol3．1．2 4n
時 J，s
圖4 啟溢閉特性試驗壓力時間曲線
5 結(jié)語
文章通過安全閥試驗臺的液壓系統(tǒng)，設(shè)計了相應(yīng)的采
(下轉(zhuǎn)第133頁)
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2013年第7期 煤炭工程
煤礦采購人員在采購設(shè)備時，只需要通過此讀卡器，
從設(shè)備安全標(biāo)志標(biāo)識中讀出煤安認(rèn)證編碼和設(shè)備信息，然
后登陸煤礦安全標(biāo)識管理系統(tǒng)信息化平臺，核實相關(guān)信息
是否準(zhǔn)確，如果和讀出的信息與平臺數(shù)據(jù)庫內(nèi)的信息相同，
則說明設(shè)備已經(jīng)通過煤礦安全機構(gòu)的認(rèn)證，若是在平臺數(shù)
據(jù)庫內(nèi)沒有關(guān)于該設(shè)備的信息，或者是讀卡器讀不出相關(guān)
信息，則說明該設(shè)備的安全性需要進(jìn)一步核實。該終端系
統(tǒng)的基本原理如圖2所示。
信
息
核
對
網(wǎng)
絡(luò)
煤
礦
煤礦安全標(biāo)志管理系統(tǒng)信息化平臺
信息
反饋
網(wǎng)絡(luò)
人為i
操作。。
煤安認(rèn)證編碼、設(shè)備信息
設(shè)備
信息化平臺檢測終端
網(wǎng)
絡(luò)
認(rèn)證
編碼
設(shè)備
信息
圖2 安全標(biāo)志管理系統(tǒng)終端系統(tǒng)原理圈
認(rèn)證
編碼
設(shè)備
信息
設(shè)
備
生
產(chǎn)
廠
其中讀卡器的設(shè)計是本課題主要研究對象，如果說煤
礦安全標(biāo)識管理系統(tǒng)信息化平臺是針對煤礦安全標(biāo)識管理
機制所出現(xiàn)的問題，那么讀卡器則是一種最直接、最簡便
的檢測工具。下文將具體介紹讀卡器的設(shè)計。
4．2 讀卡器的設(shè)計
硬件部分由9個基本功能模塊組成，如圖3所示，即
POWER單元、USB單元、JTAG1&amp;amp;REST1單元、8M SDRAM
單元、320×N0 TFT LCD單元、LED1&amp;amp;SWITCH1單元、蜂
鳴器模塊、RFID(13．56MHz)模塊、ETHERNET單元。其實
現(xiàn)的功能包括供電、USB傳輸、程序下載及復(fù)位、數(shù)據(jù)存
儲、液晶顯示、按鍵輸入、蜂鳴器報警、射頻讀卡及網(wǎng)絡(luò)
連接等功能。主要芯片模塊是：
LM3~B96：支持最大主頻為80 MHz的ARM Codex—
M3內(nèi)核，256 kByte FLASH，96 kByte SRAM，LQFP一100
封裝。集成10／I~MHz以太網(wǎng)、2路CAN控制器等外設(shè)。
RFID模塊 J：選用FM1702芯片，F(xiàn)M17XX系列是復(fù)
旦微電子股份有限公司設(shè)計的，基于ISO14443標(biāo)準(zhǔn)的系列
非接觸卡讀卡機專用芯片，采用0．6微米CMOS EEPROM
工藝，可分別支持13．56MHz頻率下的typeA、typeB、
15693三種非接觸通信協(xié)議，支持MIFARE和SH標(biāo)準(zhǔn)的加
密算法，可兼容Philips的RC500、RC530、RC531、及
RC632等讀卡機芯片。芯片內(nèi)部高度集成了模擬調(diào)制解調(diào)
電路，只需最少量的外圍電路就可以工作。支持6種微處
理器接口，數(shù)字電路具有1TL、CMOS兩種電壓工作模式，
適用于各類計費系統(tǒng)的讀卡器的應(yīng)用。
圖3 讀卡器的單片機最小系統(tǒng)框圖
5 結(jié)語
本文針對于煤礦安全標(biāo)志管理機制在實施過程中所面
臨的一些問題，提出了將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用于煤礦產(chǎn)品安全
標(biāo)志監(jiān)控系統(tǒng)中。主要闡述了煤礦安全標(biāo)識管理系統(tǒng)信息
化平臺框架結(jié)構(gòu)，及其基于RFID技術(shù)的安全標(biāo)識和讀卡器
設(shè)計，方便于煤礦用戶對產(chǎn)品的煤安證的便捷現(xiàn)場檢測及
管理，以及煤礦對大量設(shè)備的庫房管理。此類信息化管理
平臺在別的行業(yè)如身份證、煙花爆竹監(jiān)管中已經(jīng)得到很好
的應(yīng)用，相信此平臺能夠加強煤礦安全生產(chǎn)的保障，保證
礦工安全作業(yè)。
參考文獻(xiàn)：
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(責(zé)任編輯趙巧芝)
(上接第130頁)
集及控制系統(tǒng)，并設(shè)計流量閉環(huán)控制系統(tǒng)，利用模糊自適應(yīng)
PID算法較好的實現(xiàn)了流量控制，并可以保存和打印試驗曲
線，并通過數(shù)據(jù)和曲線的方式直觀的顯示實驗結(jié)果，通過一
段時間的測試，系統(tǒng)運行可靠穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計要求。
參考文獻(xiàn)：
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