趙元江

（晉能控股煤業(yè)集團馬道頭煤業(yè)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(wěn)定，工作面中部區(qū)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(tǒng)，為了保證電液控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，設(shè)計研究系統(tǒng)測試平臺，完成系統(tǒng)功能和穩(wěn)定性測試。

2 液壓支架電液測控系統(tǒng)測試平臺總體架構(gòu)

馬道頭煤礦針對液壓支架進行的電液系統(tǒng)測試平臺通過真實模擬井下液壓支架關(guān)鍵參數(shù)，將該數(shù)據(jù)組作為系統(tǒng)測試平臺的輸入?yún)?shù)，得出測試各項功能的圖形或數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)液壓支架運行狀態(tài)的實時監(jiān)控和控制。液壓支架的立柱壓力和推移千斤頂?shù)耐埔菩谐讨凳菧y試平臺監(jiān)測的重要功能，通過傳感器采集立柱壓力，經(jīng)系統(tǒng)分析處理實現(xiàn)立柱壓力的閉環(huán)反饋控制；系統(tǒng)對比推移千斤頂?shù)膶嶋H推移行程和監(jiān)測行程，實現(xiàn)液壓支架推移功能測試；設(shè)計人機交互系統(tǒng)[1-6]，為系統(tǒng)功能測試提供控制信號輸入與測試結(jié)果顯示平臺。

液壓支架電液測控系統(tǒng)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(tǒng)的功能性和穩(wěn)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(tǒng)和上位機人機交互系統(tǒng)。功能測控系統(tǒng)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(tài)數(shù)據(jù)的采集、輸入指令的處理以及計算結(jié)果的輸出等；人機交互系統(tǒng)提供系統(tǒng)的指令輸入通道以及測控結(jié)果的顯示等，兩部分功能相互依托，完成系統(tǒng)測試。平臺總體架構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 液壓支架電液測控系統(tǒng)測試平臺架構(gòu)示意圖

測控系統(tǒng)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(shù)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(xiàn)測試平臺液壓油源和液壓支架實時狀態(tài)的監(jiān)測。人機交互系統(tǒng)是基于Win CC 建立的，與測控系統(tǒng)的信息通訊采用TCP/IP 協(xié)議，在人機交互界面上顯示各測量傳感器和模塊的測量數(shù)據(jù)以及測控結(jié)果，另外還會對測控系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)調(diào)用理論函數(shù)進行處理，將結(jié)果量反饋到控制器或顯示器上，再者人機交互系統(tǒng)還具有歷史數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)波動分析等功能。

3 液壓支架電液測控系統(tǒng)測試平臺設(shè)計

（1）硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

測控系統(tǒng)平臺硬件結(jié)構(gòu)分為液壓支架模擬系統(tǒng)和測控系統(tǒng)兩大部分。中央控制主機通過信息采集與通訊系統(tǒng)，獲取液壓支架實時狀態(tài)，并對液壓支架模擬系統(tǒng)發(fā)出控制命令，使液壓支架模擬系統(tǒng)模擬真實液壓支架狀態(tài)。液壓支架模擬系統(tǒng)主要實現(xiàn)礦井液壓支架的液壓、電氣和比例模擬等系統(tǒng)功能；測控系統(tǒng)監(jiān)測支架控制器輸出端口的輸出電壓，獲取傳感系統(tǒng)的傳感數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)測試平臺的立柱壓力及推移千斤頂?shù)纳炜s速度。硬件組成如圖2。測控裝置是系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心，設(shè)計采用分布式I/O站結(jié)構(gòu)，硬件由6 組試驗臺架構(gòu)成，將西門子S7-300PLC 設(shè)為DP 主站，主要負責對液壓支架液壓油源監(jiān)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(tài)參數(shù)進行采集。

圖2 液壓支架電液測控系統(tǒng)測試平臺硬件結(jié)構(gòu)圖

（2）人機交互系統(tǒng)設(shè)計

基于Win CC 的人機交互系統(tǒng)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(jié)果進行組態(tài)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(tǒng)進行計算、對比等處理，按照設(shè)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(tǒng)的測試。人機交互畫面真實組態(tài)顯示馬道頭煤礦N8206 工作面液壓支架電液監(jiān)控測試平臺的畫面，主畫面主要顯示液壓支架監(jiān)控的關(guān)鍵參數(shù)，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(zhí)行動作、設(shè)定壓力和設(shè)定速度等數(shù)值。

4 應(yīng)用效果

馬道頭煤礦為了檢驗設(shè)計的液壓支架電液控制系統(tǒng)測試平臺的應(yīng)用效果，在實驗室進行了系統(tǒng)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(diào)整到升柱狀態(tài)持續(xù)改變目標壓力，系統(tǒng)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(diào)整曲線。通過對系統(tǒng)動態(tài)鏈接庫的調(diào)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(shù)的調(diào)整，直至立柱實際壓力與目標壓力偏差在允許范圍內(nèi)。測試平臺立柱壓力控制與響應(yīng)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(yīng)時間僅為0.6 s，測試平臺的立柱壓力控制穩(wěn)定，響應(yīng)時間迅速，滿足設(shè)計要求。

圖3 測試平臺立柱壓力控制與響應(yīng)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(tǒng)設(shè)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(jiān)測系統(tǒng)設(shè)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(shè)定為8.5 s，規(guī)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(jiān)測該組液壓支架的推移千斤頂?shù)膶嶋H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(shè)定時間相差0.3 s，偏差率為3.5%，低于設(shè)計偏差值5%，同樣滿足設(shè)計要求。

圖4 受測試組液壓支架實際推移時間圖

5 結(jié)語

通過對液壓支架電液測控系統(tǒng)測試平臺設(shè)計架構(gòu)、各系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計，構(gòu)建了一套針對馬道頭煤礦井下液壓支架電液控制系統(tǒng)的測試平臺，通過研究形成以下結(jié)論：

（1）平臺總體框架可以分為功能測控系統(tǒng)和上位機人機交互系統(tǒng)兩大部分。

（2）測控系統(tǒng)平臺硬件結(jié)構(gòu)分為液壓支架模擬系統(tǒng)和測控系統(tǒng)兩大部分。液壓支架模擬系統(tǒng)主要實現(xiàn)礦井液壓支架的液壓、電氣和比例模擬等系統(tǒng)功能；測控系統(tǒng)采用分布式I/O 站結(jié)構(gòu)，硬件由6 組試驗臺架構(gòu)成，將西門子S7-300PLC 設(shè)為DP主站，主要負責對液壓支架液壓油源監(jiān)測。

（3）人機交互系統(tǒng)能夠真實組態(tài)顯示馬道頭煤礦N8206 工作面液壓支架電液監(jiān)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(zhí)行動作、設(shè)定壓力和設(shè)定速度等數(shù)值。

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