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液压支架安全阀试验台测控系统设计

文档作者：赵越杨建新牛一村沙宝银文档来源： 1．煤炭科学研究总院检测研究分院 2．煤炭资源开采与环境保护国家重点实验室(煤炭科学研究总院)		点击数：	更新时间： 2021年05月20日
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2013年第7期 煤炭工程
doi：10．1 1799／ce201307045
液压支架安全阀试验台测控系统设计
赵 越 ，杨建新 ，牛一村 ，沙宝银
(1．煤炭科学研究总院检测研究分院，北京100013；
2．煤炭资源开采与环境保护国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京100013)
摘要：通过对液压支架安全阀试验台功能及要求的研究和分析，设计了液压支架安全阀试
验台测控系统的硬件及软件，包括数据采集、液压系统控制，并且采用模糊自适应PID算法实现
系统流量闭环控制，同时引入数字滤波器，对采集的数据进行滤波。该试验台能对试验结果进行
分析、计算、保存和打印，经运行试验证明该系统可靠稳定，满足设计要求。
关键词：液压支架安全阀试验台；模糊自适应PID；数字滤波
中图分类号：TD76 文献标识码：B 文章编号：1671—0959(2013)07-0129-03
安全阀是使液压支架立柱保持恒阻工作特性的关键元
件。由于安全阀长期在高压状态下工作，因此要求安全阀
动作灵活，密封可靠，工作稳定，使用寿命长⋯ 。液压支
架安全阀试验台是依据中华人民共和国国家标准《煤矿用
液压支架第3部分：液压控制系统及阀(GB 25974．3—
2010)》、中华人民共和国煤炭行业标准《液压支架用阀
(MT419—1995)》(以下简称标准)设计的。用于对安全阀
的启溢闭特性、密封性能、强度性能、耐久性能等进行综
合测试。标准中对试验流程和试验参数进行了严格的规定，
本文根据对试验台液压系统的研究设计了测控系统，能实
现系统数据的采集，系统的自动运行，流量的准确控制，
试验结果的显示、保存、打印等功能。
1 测控系统构成及功能
该测控系统主要包括：工控机、多通道数据采集卡、
多通道开关量输出卡、拉线式位移传感器、高频压力传感
器和打印机等。系统构成如图1所示。
1．1 位移传感器
位移传感器的作用是测量增压缸的位移，根据液体体
积的变化量换算出安全阀的试验流量，系统要求达到的最
小流量为0．04L／min，增压缸的位移变化较小，故采用精度
为0．01mm的拉线式位移传感器，经试验证明满足系统要
求。
1．2 压力传感器
测控系统要求在极短的时间内，压力传感器需要不失
真的测量一些变化频率快的动态压力波形和幅值，记录试
验过程中的压力变化，这就要求压力传感器有较高的固有
频率和较宽的响应频带，本系统选用高频动态压力传感器，
拉线式位移传感器 数
据
各压力传感器 采
采
比流量阀开口度 集
输
厂一 卡出 控机工
比例流量阀控制 开
关
量
系统各功能阀控制 输
出
控制柜指示报警控制 卡
图1 系统构成简图
其参数如下：固有频率高可达1MHz，测量范围为0～
100MPa，上升时间为0—1p,s。
1．3 数据采集输出卡
系统对模拟量的要求分采集和输出两类，采集功能是
对压力传感器和比例流量阀开口度进行快速不失真的测量，
并保证测量精度，这就要求采集设备有较高的采样频率和
分辨率。输出功能是对比例流量阀开口度的控制，输出值
的精度决定着开口度的精确度。本系统选用研华的PCI一
1716高分辨率多功能数据采集卡，其参数为：16位分辨
率，l6路模拟量输入，2路模拟量输出，带1k FIFO，
250kS／s采样率。
1．4 开关量输出卡
开关量输出卡主要用来控制液压系统中电磁阀的动作，
在选型时应注意板卡的触点容量，通道个数和隔离能力等。
系统选用研华的PCI一1730U隔离数字量输入／输出卡，输
出范围为5～40VDC，隔离保护电压可达到2500VDC。
收稿日期：2013—02—26
作者简介：赵越(1983一)，男，山东肥城人，研究生，2010年毕业于山东科技大学控制理论与控制工程专业，现从
事矿山支护设备测试仪器开发工作。
l29
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煤炭工程 2013年第7期
2 系统流量闭环控制设计
标准中规定进行安全阀小流量启溢闭试验的流量为
0．~L／min。对于安全阀来说，在阀的调定压力范围之内，
调定压力越高，它所允许通过的系统流量越大，降低调定
压力值，它所允许通过的系统流量也会减少 。在安全阀
特性试验系统中，单纯靠比例流量阀控制系统流量，经试
验发现流量值不稳定，对于整个系统构成闭环控制，可较
好的解决此问题。
比例流量阀对流量的控制，实际就是系统对比例流量
阀开口度的精确控制。为实现整个系统流量的闭环控制，
该系统选用高精度位移传感器测量系统流量，位移传感器
测得的系统流量作为反馈输入计算机，采用模糊自整定
PID -4j控制策略调整比例流量阀开度，较好的实现了对试
验系统的流量控制。系统控制原理如图2所示。
图2 系统流量闭环控制原理图
3 软件设计方案
该测控系统软件采用Visual Basic语言编制，应用
ActiveDAQ控件进行高精度实时数据采集。软件功能主要包
含采集、控制和数据处理等主要部分。其中采集部分包括
对传感器数据的采集、比例流量阀开口度数据的采集等。
控制部分包括对系统充液增压等功能阀的手动和自动控制、
通过PID算法对比例流量阀开口度的控制等。数据处理部
分包括曲线的滤波、试验结果的计算，曲线的保存和打印
等功能。
3．1 数字滤波
由于液压系统振动及压力传感器数据采集误差等原因，
造成压力波形不平滑，因此需对原始压力数据进行处理。
根据压力值的特征，对原始数据进行滤波后，并进行曲线
拟合，得到连续、光滑的时间一压力曲线。
经过分析和仿真实验发现，采用递推平均滤波法对压
力曲线进行处理，能达到较为理想的效果，递推平均滤波
的原理如下：把连续取Ⅳ个采样值看成一个队列，队列的
长度固定为Ⅳ，每次采样到一个新数据放入队尾，并扔掉
原来队首的一次数据．(先进先出原则)把队列中的Ⅳ个数
据进行算术平均运算，就可获得新的滤波结果 J。本系统
中N=5。
3．2 软件菜单结构图及流程图
软件菜单结构图及流程图如图3所示。
】30
图3 软件菜单结构图及流程图
4 系统测试结果
选取型号为FAD160~0的安全阀为例进行小流量启溢
闭特性试验，得到的压力时间曲线如图4所示。从试验曲
线中可以直观的看出从开始增压到实验结束的全过程的压
力变化值，左侧数据栏是系统根据曲线计算出的试验结果。
M Pa
试件编号 20121 1023．1 40
36
开启压力 39．29 32
最大压力 39 28
．67 24
最小压力 38-30 2O
关闭压力 37_28 16
12
波动值 1l37 8
-
_ - _ _ ● _ ● J -
试验时间 2Ol3．1．2 4n
时 J，s
图4 启溢闭特性试验压力时间曲线
5 结语
文章通过安全阀试验台的液压系统，设计了相应的采
(下转第133页)
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2013年第7期 煤炭工程
煤矿采购人员在采购设备时，只需要通过此读卡器，
从设备安全标志标识中读出煤安认证编码和设备信息，然
后登陆煤矿安全标识管理系统信息化平台，核实相关信息
是否准确，如果和读出的信息与平台数据库内的信息相同，
则说明设备已经通过煤矿安全机构的认证，若是在平台数
据库内没有关于该设备的信息，或者是读卡器读不出相关
信息，则说明该设备的安全性需要进一步核实。该终端系
统的基本原理如图2所示。
信
息
核
对
网
络
煤
矿
煤矿安全标志管理系统信息化平台
信息
反馈
网络
人为i
操作。。
煤安认证编码、设备信息
设备
信息化平台检测终端
网
络
认证
编码
设备
信息
图2 安全标志管理系统终端系统原理圈
认证
编码
设备
信息
设
备
生
产
厂
其中读卡器的设计是本课题主要研究对象，如果说煤
矿安全标识管理系统信息化平台是针对煤矿安全标识管理
机制所出现的问题，那么读卡器则是一种最直接、最简便
的检测工具。下文将具体介绍读卡器的设计。
4．2 读卡器的设计
硬件部分由9个基本功能模块组成，如图3所示，即
POWER单元、USB单元、JTAG1&amp;amp;REST1单元、8M SDRAM
单元、320×N0 TFT LCD单元、LED1&amp;amp;SWITCH1单元、蜂
鸣器模块、RFID(13．56MHz)模块、ETHERNET单元。其实
现的功能包括供电、USB传输、程序下载及复位、数据存
储、液晶显示、按键输入、蜂鸣器报警、射频读卡及网络
连接等功能。主要芯片模块是：
LM3~B96：支持最大主频为80 MHz的ARM Codex—
M3内核，256 kByte FLASH，96 kByte SRAM，LQFP一100
封装。集成10／I~MHz以太网、2路CAN控制器等外设。
RFID模块 J：选用FM1702芯片，FM17XX系列是复
旦微电子股份有限公司设计的，基于ISO14443标准的系列
非接触卡读卡机专用芯片，采用0．6微米CMOS EEPROM
工艺，可分别支持13．56MHz频率下的typeA、typeB、
15693三种非接触通信协议，支持MIFARE和SH标准的加
密算法，可兼容Philips的RC500、RC530、RC531、及
RC632等读卡机芯片。芯片内部高度集成了模拟调制解调
电路，只需最少量的外围电路就可以工作。支持6种微处
理器接口，数字电路具有1TL、CMOS两种电压工作模式，
适用于各类计费系统的读卡器的应用。
图3 读卡器的单片机最小系统框图
5 结语
本文针对于煤矿安全标志管理机制在实施过程中所面
临的一些问题，提出了将物联网技术运用于煤矿产品安全
标志监控系统中。主要阐述了煤矿安全标识管理系统信息
化平台框架结构，及其基于RFID技术的安全标识和读卡器
设计，方便于煤矿用户对产品的煤安证的便捷现场检测及
管理，以及煤矿对大量设备的库房管理。此类信息化管理
平台在别的行业如身份证、烟花爆竹监管中已经得到很好
的应用，相信此平台能够加强煤矿安全生产的保障，保证
矿工安全作业。
参考文献：
[1] 国家安全生产监督管理总局．关于进一步加强矿用产品安全
标志管理工作的通知[R]．安监总规划，2011．
[2] 工业和信息化部电信研究院．物联网白皮书[R]．北京：
工业和信息化部电信研究院，2011．
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[4] AQI~3—20o7，矿用产品安全标志标识[s]．
[5] 游战清，李苏剑．无线射频识别技术(RFID)原理与应用
[M]．北京：电子工业出版社，2004．
(责任编辑赵巧芝)
(上接第130页)
集及控制系统，并设计流量闭环控制系统，利用模糊自适应
PID算法较好的实现了流量控制，并可以保存和打印试验曲
线，并通过数据和曲线的方式直观的显示实验结果，通过一
段时间的测试，系统运行可靠稳定，达到了设计要求。
参考文献：
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北京：中国劳动社会保障出版社，2oo9．
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[2] 翟京，杨一青，刘欣科．安全阀溢流流量与压力的对应关
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工业出版社，2012．
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133
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