馬道頭煤礦液壓支架電液控制系統測試平臺設計研究

趙元江

（晉能控股煤業集團馬道頭煤業有限責任公司，山西 大同 037101）

1 概況

馬道頭煤礦N8206 工作面3#煤層底板起伏不大，煤層傾角1°～3°，平均1.5°。工作面里程110～120 m 受斷層DF112（H=0～25 m）影響，煤層底板標高從巷道開口+1100 m 下降至+1060 m，隨后煤層底板賦存較為穩定，工作面中部區域煤層近水平，最后逐漸下沉直至切巷+1050 m。N8206 工作面綜采液壓支架采用電液控制系統，為了保證電液控制系統的安全穩定，設計研究系統測試平臺，完成系統功能和穩定性測試。

2 液壓支架電液測控系統測試平臺總體架構

馬道頭煤礦針對液壓支架進行的電液系統測試平臺通過真實模擬井下液壓支架關鍵參數，將該數據組作為系統測試平臺的輸入參數，得出測試各項功能的圖形或數據信息，實現液壓支架運行狀態的實時監控和控制。液壓支架的立柱壓力和推移千斤頂的推移行程值是測試平臺監測的重要功能，通過傳感器采集立柱壓力，經系統分析處理實現立柱壓力的閉環反饋控制；系統對比推移千斤頂的實際推移行程和監測行程，實現液壓支架推移功能測試；設計人機交互系統[1-6]，為系統功能測試提供控制信號輸入與測試結果顯示平臺。

液壓支架電液測控系統測試平臺[7-10]主要是對馬道頭N8206 工作面液壓支架自動控制系統的功能性和穩定性進行測試，平臺總體框架可以分為兩大部分：功能測控系統和上位機人機交互系統。功能測控系統以西門子S7-300 可編程控制器為控制中心，主要負責對液壓支架狀態數據的采集、輸入指令的處理以及計算結果的輸出等；人機交互系統提供系統的指令輸入通道以及測控結果的顯示等，兩部分功能相互依托，完成系統測試。平臺總體架構示意圖如圖1。

圖1 液壓支架電液測控系統測試平臺架構示意圖

測控系統包括S7-300PLC 和ET200M 分布式I/O 站，接收各類傳感器、信號控制閥門等將信號輸出到各類通訊模塊、數字量和模擬量輸入模塊等，控制器完成信號處理輸出到信號輸出模塊，實現測試平臺液壓油源和液壓支架實時狀態的監測。人機交互系統是基于Win CC 建立的，與測控系統的信息通訊采用TCP/IP 協議，在人機交互界面上顯示各測量傳感器和模塊的測量數據以及測控結果，另外還會對測控系統采集的數據調用理論函數進行處理，將結果量反饋到控制器或顯示器上，再者人機交互系統還具有歷史數據查詢和數據波動分析等功能。

3 液壓支架電液測控系統測試平臺設計

（1）硬件結構設計

測控系統平臺硬件結構分為液壓支架模擬系統和測控系統兩大部分。中央控制主機通過信息采集與通訊系統，獲取液壓支架實時狀態，并對液壓支架模擬系統發出控制命令，使液壓支架模擬系統模擬真實液壓支架狀態。液壓支架模擬系統主要實現礦井液壓支架的液壓、電氣和比例模擬等系統功能；測控系統監測支架控制器輸出端口的輸出電壓，獲取傳感系統的傳感數據，調節測試平臺的立柱壓力及推移千斤頂的伸縮速度。硬件組成如圖2。測控裝置是系統功能實現的核心，設計采用分布式I/O站結構，硬件由6 組試驗臺架構成，將西門子S7-300PLC 設為DP 主站，主要負責對液壓支架液壓油源監測。6 組臺架分別采用ET200M 作為DP 從站，負責對平臺的主要狀態參數進行采集。

圖2 液壓支架電液測控系統測試平臺硬件結構圖

（2）人機交互系統設計

基于Win CC 的人機交互系統采集測控裝置各模塊和傳感器的輸出信號，將信息依托通訊通道輸入到上位機，Win CC 將上位機接收到的信息做二次傳感融合處理，將結果進行組態顯示。另外，操作人員的指令輸入也是通過人機交互界面完成，接收到輸入指令的人機交互系統進行計算、對比等處理，按照設定流程對測孔裝置輸出控制信號，完成整個液壓支架電液控制系統的測試。人機交互畫面真實組態顯示馬道頭煤礦N8206 工作面液壓支架電液監控測試平臺的畫面，主畫面主要顯示液壓支架監控的關鍵參數，包括液壓泵壓力和流量以及趨勢曲線等，控制立柱壓力、推移行程、執行動作、設定壓力和設定速度等數值。

4 應用效果

馬道頭煤礦為了檢驗設計的液壓支架電液控制系統測試平臺的應用效果，在實驗室進行了系統搭建，并配合液壓支架進行測試平臺功能校驗。主要測試平臺的立柱壓力控制性功能和推移時間控制功能。

立柱壓力控制功能測試方法為：液壓支架調整到升柱狀態持續改變目標壓力，系統測試控制液壓支架的實際壓力與目標壓力進行對比，分別形成壓力調整曲線。通過對系統動態鏈接庫的調用，將實際壓力與目標壓力的壓力差和偏差率作為輸入量，輸入到PID 控制器中，通過計算得到控制電壓比例參數的調整，直至立柱實際壓力與目標壓力偏差在允許范圍內。測試平臺立柱壓力控制與響應時間曲線如圖3。由圖3 可以看出，壓力偏差波動范圍很小，從16 MPa 到11 MPa，測試響應時間僅為0.6 s，測試平臺的立柱壓力控制穩定，響應時間迅速，滿足設計要求。

圖3 測試平臺立柱壓力控制與響應時間曲線圖

推移時間控制功能主要測試液壓支架的千斤頂實際伸縮周期與系統設定的伸縮周期的時間差，測試方法為：通過進行推移控制命令輸入，監測系統設定的推移時間與實際的推移時間的偏差，分析測試平臺的推移時間控制準確性。在上位機上選定一組液壓支架，將推移時間設定為8.5 s，規定液壓支架的推移千斤頂從收縮到再次完成推升的時間周期，同時監測該組液壓支架的推移千斤頂的實際推升周期，繪制成圖4。通過推移時間圖看出，液壓支架的真實推移周期為8.8 s 左右，與設定時間相差0.3 s，偏差率為3.5%，低于設計偏差值5%，同樣滿足設計要求。

圖4 受測試組液壓支架實際推移時間圖

5 結語

通過對液壓支架電液測控系統測試平臺設計架構、各系統硬件和軟件設計，構建了一套針對馬道頭煤礦井下液壓支架電液控制系統的測試平臺，通過研究形成以下結論：

（1）平臺總體框架可以分為功能測控系統和上位機人機交互系統兩大部分。

（2）測控系統平臺硬件結構分為液壓支架模擬系統和測控系統兩大部分。液壓支架模擬系統主要實現礦井液壓支架的液壓、電氣和比例模擬等系統功能；測控系統采用分布式I/O 站結構，硬件由6 組試驗臺架構成，將西門子S7-300PLC 設為DP主站，主要負責對液壓支架液壓油源監測。

（3）人機交互系統能夠真實組態顯示馬道頭煤礦N8206 工作面液壓支架電液監控測試平臺的畫面，包括液壓泵壓力和流量以及趨勢曲線等，控制立柱壓力、推移行程、執行動作、設定壓力和設定速度等數值。

（4）立柱壓力控制功能測試從16 MPa 到11 MPa，測試響應時間僅為0.6 s，測試平臺的立柱壓力控制穩定，響應時間迅速；系統推移時間控制功能測試的偏差率為3.5%，低于設計偏差值5%。