马道头煤矿液压支架电液控制系统测试平台设计研究

赵元江

（晋能控股煤业集团马道头煤业有限责任公司，山西 大同 037101）

马道头煤矿N8206 工作面3#煤层底板起伏不大，煤层倾角1°～3°，平均1.5°。工作面里程110～120 m 受断层DF112（H=0～25 m）影响，煤层底板标高从巷道开口+1100 m 下降至+1060 m，随后煤层底板赋存较为稳定，工作面中部区域煤层近水平，最后逐渐下沉直至切巷+1050 m。N8206 工作面综采液压支架采用电液控制系统，为了保证电液控制系统的安全稳定，设计研究系统测试平台，完成系统功能和稳定性测试。

马道头煤矿针对液压支架进行的电液系统测试平台通过真实模拟井下液压支架关键参数，将该数据组作为系统测试平台的输入参数，得出测试各项功能的图形或数据信息，实现液压支架运行状态的实时监控和控制。液压支架的立柱压力和推移千斤顶的推移行程值是测试平台监测的重要功能，通过传感器采集立柱压力，经系统分析处理实现立柱压力的闭环反馈控制；
系统对比推移千斤顶的实际推移行程和监测行程，实现液压支架推移功能测试；
设计人机交互系统[1-6]，为系统功能测试提供控制信号输入与测试结果显示平台。

液压支架电液测控系统测试平台[7-10]主要是对马道头N8206 工作面液压支架自动控制系统的功能性和稳定性进行测试，平台总体框架可以分为两大部分：功能测控系统和上位机人机交互系统。功能测控系统以西门子S7-300 可编程控制器为控制中心，主要负责对液压支架状态数据的采集、输入指令的处理以及计算结果的输出等；
人机交互系统提供系统的指令输入通道以及测控结果的显示等，两部分功能相互依托，完成系统测试。平台总体架构示意图如图1。

图1 液压支架电液测控系统测试平台架构示意图

测控系统包括S7-300PLC 和ET200M 分布式I/O 站，接收各类传感器、信号控制阀门等将信号输出到各类通讯模块、数字量和模拟量输入模块等，控制器完成信号处理输出到信号输出模块，实现测试平台液压油源和液压支架实时状态的监测。人机交互系统是基于Win CC 建立的，与测控系统的信息通讯采用TCP/IP 协议，在人机交互界面上显示各测量传感器和模块的测量数据以及测控结果，另外还会对测控系统采集的数据调用理论函数进行处理，将结果量反馈到控制器或显示器上，再者人机交互系统还具有历史数据查询和数据波动分析等功能。

（1）硬件结构设计

测控系统平台硬件结构分为液压支架模拟系统和测控系统两大部分。中央控制主机通过信息采集与通讯系统，获取液压支架实时状态，并对液压支架模拟系统发出控制命令，使液压支架模拟系统模拟真实液压支架状态。液压支架模拟系统主要实现矿井液压支架的液压、电气和比例模拟等系统功能；
测控系统监测支架控制器输出端口的输出电压，获取传感系统的传感数据，调节测试平台的立柱压力及推移千斤顶的伸缩速度。硬件组成如图2。测控装置是系统功能实现的核心，设计采用分布式I/O站结构，硬件由6 组试验台架构成，将西门子S7-300PLC 设为DP 主站，主要负责对液压支架液压油源监测。6 组台架分别采用ET200M 作为DP 从站，负责对平台的主要状态参数进行采集。

图2 液压支架电液测控系统测试平台硬件结构图

（2）人机交互系统设计

基于Win CC 的人机交互系统采集测控装置各模块和传感器的输出信号，将信息依托通讯通道输入到上位机，Win CC 将上位机接收到的信息做二次传感融合处理，将结果进行组态显示。另外，操作人员的指令输入也是通过人机交互界面完成，接收到输入指令的人机交互系统进行计算、对比等处理，按照设定流程对测孔装置输出控制信号，完成整个液压支架电液控制系统的测试。人机交互画面真实组态显示马道头煤矿N8206 工作面液压支架电液监控测试平台的画面，主画面主要显示液压支架监控的关键参数，包括液压泵压力和流量以及趋势曲线等，控制立柱压力、推移行程、执行动作、设定压力和设定速度等数值。

马道头煤矿为了检验设计的液压支架电液控制系统测试平台的应用效果，在实验室进行了系统搭建，并配合液压支架进行测试平台功能校验。主要测试平台的立柱压力控制性功能和推移时间控制功能。

立柱压力控制功能测试方法为：液压支架调整到升柱状态持续改变目标压力，系统测试控制液压支架的实际压力与目标压力进行对比，分别形成压力调整曲线。通过对系统动态链接库的调用，将实际压力与目标压力的压力差和偏差率作为输入量，输入到PID 控制器中，通过计算得到控制电压比例参数的调整，直至立柱实际压力与目标压力偏差在允许范围内。测试平台立柱压力控制与响应时间曲线如图3。由图3 可以看出，压力偏差波动范围很小，从16 MPa 到11 MPa，测试响应时间仅为0.6 s，测试平台的立柱压力控制稳定，响应时间迅速，满足设计要求。

图3 测试平台立柱压力控制与响应时间曲线图

推移时间控制功能主要测试液压支架的千斤顶实际伸缩周期与系统设定的伸缩周期的时间差，测试方法为：通过进行推移控制命令输入，监测系统设定的推移时间与实际的推移时间的偏差，分析测试平台的推移时间控制准确性。在上位机上选定一组液压支架，将推移时间设定为8.5 s，规定液压支架的推移千斤顶从收缩到再次完成推升的时间周期，同时监测该组液压支架的推移千斤顶的实际推升周期，绘制成图4。通过推移时间图看出，液压支架的真实推移周期为8.8 s 左右，与设定时间相差0.3 s，偏差率为3.5%，低于设计偏差值5%，同样满足设计要求。

图4 受测试组液压支架实际推移时间图

通过对液压支架电液测控系统测试平台设计架构、各系统硬件和软件设计，构建了一套针对马道头煤矿井下液压支架电液控制系统的测试平台，通过研究形成以下结论：

（1）平台总体框架可以分为功能测控系统和上位机人机交互系统两大部分。

（2）测控系统平台硬件结构分为液压支架模拟系统和测控系统两大部分。液压支架模拟系统主要实现矿井液压支架的液压、电气和比例模拟等系统功能；
测控系统采用分布式I/O 站结构，硬件由6 组试验台架构成，将西门子S7-300PLC 设为DP主站，主要负责对液压支架液压油源监测。

（3）人机交互系统能够真实组态显示马道头煤矿N8206 工作面液压支架电液监控测试平台的画面，包括液压泵压力和流量以及趋势曲线等，控制立柱压力、推移行程、执行动作、设定压力和设定速度等数值。

（4）立柱压力控制功能测试从16 MPa 到11 MPa，测试响应时间仅为0.6 s，测试平台的立柱压力控制稳定，响应时间迅速；
系统推移时间控制功能测试的偏差率为3.5%，低于设计偏差值5%。