劉戰(zhàn)英

（神華神東煤炭集團(tuán)維修中心，陜西 榆林 719315）

煤炭是不可再生資源，從資源節(jié)約和開(kāi)采效率上考慮，煤炭企業(yè)的開(kāi)采技術(shù)已全面向綜合機(jī)械化采煤方式發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步促使煤礦綜采設(shè)備自動(dòng)化、智能化的快速發(fā)展，在煤礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效，降低煤礦工人勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，改善了礦工的工作環(huán)境，提高了礦工作業(yè)時(shí)的安全系數(shù)。綜采液壓支架是實(shí)現(xiàn)工作面自動(dòng)推進(jìn)和安全防護(hù)的主要設(shè)備，其工作動(dòng)力來(lái)源于乳化液泵站系統(tǒng)。乳化液泵站系統(tǒng)是綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備之一，其除了要為綜采工作面的液壓支架、液壓馬達(dá)、推移千斤頂及單體液壓支柱等設(shè)備提供一定壓力的液體之外，還要為綜采工作面的其他設(shè)備的冷卻系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)提供一定流量的壓力液。其工作的穩(wěn)定性和可靠性是綜采支護(hù)設(shè)備運(yùn)行的根本保證[1]。

目前，煤炭企業(yè)綜采工作面使用的大流量液壓泵站，其自身的技術(shù)特征具有顯著的智能電器的特點(diǎn)[2]，可實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行。其自身保護(hù)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)曲軸箱的油溫、油壓、油位、水箱液位、水溫、系統(tǒng)壓力等參數(shù)及各傳感器狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加載卸載，以及泵的起?？刂啤Ｔ谝惶滓簤罕谜驹谶M(jìn)行大修后，要對(duì)液壓泵進(jìn)行整機(jī)測(cè)試，以確認(rèn)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、可靠性，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵部位的溫度、噪聲監(jiān)測(cè)，分析機(jī)械方面的工作狀態(tài)[3]。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓泵站運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集監(jiān)測(cè)，本公司自主研發(fā)了大流量乳化液壓泵在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該測(cè)試系統(tǒng)采用電子信息技術(shù)[4]，可完成對(duì)液壓泵運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)采集、電控檢測(cè)、流量控制及起?？刂?，測(cè)試過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)狀態(tài)顯示、實(shí)時(shí)曲線繪制、歷史曲線繪制、報(bào)警、數(shù)據(jù)打印存儲(chǔ)等功能，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)現(xiàn)智能化設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的隱性故障的發(fā)現(xiàn)[5]。

該測(cè)試裝置以組態(tài)靈活、通信速度快、工作可靠性高的組態(tài)王為軟件平臺(tái)[6-9]，以研華USB-4711A數(shù)據(jù)采集模塊為核心硬件設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制輸出。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和信號(hào)接口電路設(shè)計(jì)三部分。

1 系統(tǒng)控制要求及整體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

嚴(yán)格按照《中華人民共和國(guó)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T 188.2—2000煤礦用乳化液泵站 乳化液泵》規(guī)定的測(cè)試項(xiàng)目、程序和要求進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和實(shí)際測(cè)試。測(cè)試裝置運(yùn)行安全可靠，特別是在測(cè)試系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)能夠安全停機(jī)，保證人身及產(chǎn)品安全；測(cè)試裝置具有操作簡(jiǎn)單方便，具有實(shí)用性與先進(jìn)性、自動(dòng)化與人機(jī)交互的有機(jī)結(jié)合。能夠在測(cè)試過(guò)程中自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、分析處理數(shù)據(jù)、顯示打印數(shù)據(jù)，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地管理。

1.2 系統(tǒng)測(cè)試內(nèi)容要求

依據(jù)《煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T 188.2—2000煤礦用乳化液泵站乳化液泵》規(guī)定的測(cè)量并記錄的參數(shù)有：潤(rùn)滑油溫、潤(rùn)滑油壓、潤(rùn)滑油位、系統(tǒng)壓力、液壓泵流量、關(guān)鍵點(diǎn)運(yùn)行溫度、關(guān)鍵點(diǎn)運(yùn)行噪聲、綜合

噪聲。對(duì)水箱液位與加卸載狀態(tài)監(jiān)測(cè)，控制液壓泵的起停及流量調(diào)整等功能。

1.3 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)要求以電磁比例閥為控制對(duì)象，以溫度傳感器、壓力傳感器噪聲傳感器及流量傳感器為反饋元件，實(shí)現(xiàn)乳化液泵運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、分析及控制。并具有對(duì)乳化液泵電控系統(tǒng)保護(hù)元件的檢測(cè)作用。

1.4 整體方案設(shè)計(jì)

結(jié)合圖1對(duì)大流量乳化液泵測(cè)試裝置的整體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用雙絞屏蔽線從乳化液泵電控系統(tǒng)取出所需監(jiān)測(cè)信號(hào)，與其他的外圍監(jiān)測(cè)信號(hào)一起經(jīng)光電耦合器送入數(shù)據(jù)采集塊轉(zhuǎn)化后，由USB總線送入計(jì)算機(jī)分析處理、完成曲線圖的繪制及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和打印。

整個(gè)測(cè)試裝置由工業(yè)計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)傳輸隔離模塊、傳感器和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)線、執(zhí)行器件5部分組成。傳感器和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)線將測(cè)得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)由信號(hào)傳輸隔離模塊送到采集卡處理轉(zhuǎn)換輸入計(jì)算機(jī)。采集卡與計(jì)算機(jī)通信采用USB總線結(jié)構(gòu)，USB（universal serial bus）總線是一種新的 PC機(jī)互連協(xié)議，具有總線供電、低成本、即插即用、熱拔插、方便快捷等特點(diǎn)。本系統(tǒng)選用了基于USB總線技術(shù)的研華USB-4711A數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡具有8路數(shù)字量I/O端口；16路模擬量輸入端口；2路模擬量輸出端口；2個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)端口。

圖1 大流量乳化液泵測(cè)試裝置系統(tǒng)圖

2 軟件設(shè)計(jì)

由組態(tài)王6.55編程制作。

基本配置對(duì)研華USB-4711A板卡進(jìn)行安裝后，在數(shù)據(jù)詞典中對(duì)系統(tǒng)壓力、潤(rùn)滑油位、油溫、油壓、水位、水溫、流量、泵起?？刂啤⒈眉虞d控制、運(yùn)行返回、噪聲及曲軸箱溫度等變量的基本屬性、報(bào)警、記錄和安全區(qū)進(jìn)行定義。

監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)包括“液壓泵測(cè)試監(jiān)控畫(huà)面”“報(bào)警畫(huà)面”“歷史趨勢(shì)曲線畫(huà)面”“數(shù)據(jù)存儲(chǔ)打印畫(huà)面”，其中“液壓泵測(cè)試監(jiān)控畫(huà)面”由“液壓泵監(jiān)控畫(huà)面”、“實(shí)時(shí)曲線畫(huà)面”“控制畫(huà)面”組成（如圖2所示）。

圖2 液壓泵測(cè)試監(jiān)控畫(huà)面

液壓泵監(jiān)控畫(huà)面展示了液壓泵站實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，畫(huà)面中各圖素的動(dòng)畫(huà)由采集卡獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)控制，下面以曲軸箱&泵頭及潤(rùn)滑系統(tǒng)的動(dòng)畫(huà)運(yùn)行為例，說(shuō)明各圖素的動(dòng)畫(huà)設(shè)置條件。

曲軸箱&泵頭初始畫(huà)面動(dòng)畫(huà)條件設(shè)置如下：

勾選“隱含”→條件表達(dá)式“\本站點(diǎn)泵運(yùn)行返回”；表達(dá)式為真時(shí)“顯示”。

當(dāng)潤(rùn)滑油壓大于3.5bar時(shí)，吸液管和潤(rùn)滑油冷卻器運(yùn)行藍(lán)色流體動(dòng)畫(huà)，潤(rùn)滑管路運(yùn)行黃色流體動(dòng)畫(huà)，動(dòng)畫(huà)條件設(shè)置如下：

勾選“隱含”→條件表達(dá)式“\本站點(diǎn)卡瑪特油壓”；表達(dá)式為真時(shí)“隱含”。

勾選“流動(dòng)”→流動(dòng)條件“\本站點(diǎn)卡瑪特油壓+10”。

電磁加載閥、主液壓管路、卸載管路、水箱液位等圖素的動(dòng)畫(huà)設(shè)置條件也都是依據(jù)液壓泵站的實(shí)際運(yùn)行要求進(jìn)行條件設(shè)置。

“實(shí)時(shí)曲線畫(huà)面”實(shí)時(shí)顯示并繪制出高壓管路中液體壓力、泵潤(rùn)滑油壓、油溫、綜合噪聲及液壓泵各關(guān)鍵點(diǎn)溫度實(shí)時(shí)曲線圖，用于測(cè)試人員的分析比較。

以上數(shù)據(jù)的文本，在其動(dòng)畫(huà)連接中均設(shè)置為模擬值輸出，下面以系統(tǒng)壓力和綜合噪聲為例說(shuō)明命令編寫(xiě)條件。

系統(tǒng)壓力文本設(shè)置：

勾選“模擬值輸出”→表達(dá)式“\本站點(diǎn)系統(tǒng)壓力 MPa”。

綜合噪聲文本設(shè)置：

勾選“模擬值輸出”→表達(dá)式“\本站點(diǎn)噪聲dB”。

命令語(yǔ)言→應(yīng)用程序命令→運(yùn)行時(shí)輸入如下語(yǔ)句：

\本站點(diǎn)噪聲 dB=Average(\本站點(diǎn)環(huán)境噪聲\本站點(diǎn)電機(jī)噪聲\本站點(diǎn)泵頭噪聲\本站點(diǎn)對(duì)輪噪聲)。

“控制畫(huà)面”實(shí)時(shí)顯示高壓液體的出口流量和水位、油位的狀態(tài)，水位、油位低于設(shè)定值時(shí)，報(bào)警條由綠色變成紅色閃爍，并顯示“水箱液位極低”“潤(rùn)滑油位極低”等信息。

“泵起動(dòng)”“流量調(diào)整”兩個(gè)按鈕，可實(shí)現(xiàn)泵的起停和電磁比例閥的調(diào)整。進(jìn)入其他頁(yè)面和退出系統(tǒng)需選擇相對(duì)應(yīng)的用戶，輸入密碼后方可進(jìn)行其他操作。

圖 3“歷史趨勢(shì)曲線畫(huà)面”中可以查詢、打印各監(jiān)測(cè)變量的歷史數(shù)據(jù)，在曲線配置屬性頁(yè)中可以進(jìn)行變量及其曲線顯示、坐標(biāo)系、打印、報(bào)警和游標(biāo)等參數(shù)的設(shè)置。

“數(shù)據(jù)存儲(chǔ)打印畫(huà)面”可實(shí)現(xiàn)所有測(cè)試數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和打印功能，非常方便對(duì)測(cè)試過(guò)的高壓液壓泵的數(shù)據(jù)跟蹤。

各操作按鈕的命令語(yǔ)言如下。測(cè)試數(shù)據(jù)：

ReportSetHistData2(6,2);數(shù)據(jù)保存：

string filename;

filename=infoAppDir()+"數(shù)據(jù)文件夾"+

StrFromReal(\本站點(diǎn)$年, 0, "f" )+

StrFromReal(\本站點(diǎn)$月, 0, "f" )+

StrFromReal(\本站點(diǎn)$日, 0, "f" )+

StrFromReal(\本站點(diǎn)$時(shí), 0, "f" )+

StrFromReal(\本站點(diǎn)$分, 0, "f" )+".rtl";

ReportSaveAs("Report1",FileName);

圖3 歷史趨勢(shì)曲線畫(huà)面

數(shù)據(jù)查詢：

string filename1;

string filename2;

filename1=InfoAppDir()+"數(shù)據(jù)文件夾"+\本站點(diǎn)報(bào)表查詢變量：

ReportLoad("report1", filename1);

filename2=InfoAppDir()+"數(shù)據(jù)文件夾*.rtl";

listClear("ctrl1");

listLoadFilename("ctrl1", filename2);返回監(jiān)控中心：

ShowPicture("液壓泵測(cè)試監(jiān)控中心");

ShowPicture("運(yùn)行狀態(tài)");

ShowPicture("操作系統(tǒng)");

3 硬件及接口電路設(shè)計(jì)

大流量乳化液壓泵站是由 4臺(tái)乳化液泵、2個(gè)乳化混液箱、3臺(tái)噴霧泵、1個(gè)水箱、2臺(tái)增壓泵及輔助設(shè)備組成。每臺(tái)設(shè)備都有其獨(dú)立的電控保護(hù)單元，各保護(hù)單元與系統(tǒng)控制單元組成了泵站電控系統(tǒng)。液壓泵保護(hù)單元由智能采樣模塊、傳感器、電磁卸載閥及繼電器箱組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)曲軸箱潤(rùn)滑油位、潤(rùn)滑油溫、潤(rùn)滑油壓的監(jiān)測(cè)保護(hù)，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，通過(guò)繼電器箱實(shí)現(xiàn)報(bào)警跳閘。同時(shí)通過(guò)485通信線接收系統(tǒng)壓力數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定參數(shù)控制電磁卸載閥工作，以使整個(gè)液壓泵站的系統(tǒng)壓力保持在設(shè)定范圍內(nèi)。

液壓泵電控系統(tǒng)各單元以地址碼區(qū)分，通過(guò)RS-485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取交換，泵站運(yùn)行方式和參數(shù)由系統(tǒng)控制單元設(shè)定后，通過(guò)RS-485通信線傳輸給各臺(tái)設(shè)備的保護(hù)單元。

在液壓泵電控系統(tǒng)中，傳感器為智能采樣模塊提供的系統(tǒng)壓力、潤(rùn)滑油壓、潤(rùn)滑油溫和水溫等信號(hào)均為0.4～2.0V的電壓信號(hào)。

而研華USB-4711A數(shù)據(jù)采集卡16路模擬量輸入端口，識(shí)別的是0～10V或0～5V的電壓信號(hào)，如果用數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)線直接連接液壓泵上的各傳感器，就會(huì)造成傳感器輸出值減小，而使液壓泵不能正常工作。

為保證監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性及發(fā)揮監(jiān)測(cè)裝置的直接在線檢測(cè)功能，在研華USB-4711A數(shù)據(jù)采集模塊和液壓泵模擬量傳感器輸入電路之間，增設(shè)光電隔離接口電路，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)量無(wú)誤差讀取，并使監(jiān)測(cè)裝置工作時(shí)，不會(huì)干擾液壓泵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)而影響其正常運(yùn)行，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電路原理如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接線圖

光電隔離接口電路采用了順源 ISO U4-P2-O4光電隔離器，該光電隔離器為電壓輸入/電壓輸出型，其輸入阻抗非常高，不會(huì)對(duì)液壓泵站的傳感器輸出值造成影響，其響應(yīng)靈敏、轉(zhuǎn)換精度高、抗電磁干擾特性強(qiáng)。接口電路采用12V電源工作，并為每路光電隔離器加裝了調(diào)節(jié)零點(diǎn)和增益、滿度校準(zhǔn)的電位器，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，該接口電路完全消除了研華 USB-4711A數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)液壓泵電控系統(tǒng)的影響，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的直接在線監(jiān)測(cè)功能。

這種直接在線檢測(cè)方式與通過(guò)數(shù)據(jù)總線從液壓泵系統(tǒng)中讀取數(shù)據(jù)相比，具有更直觀、更可靠、更準(zhǔn)確的檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)。其對(duì)液壓泵站相關(guān)硬件的監(jiān)測(cè)，比采用注入附加激勵(lì)信號(hào)，對(duì)其偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算[10]的方法，具有操作簡(jiǎn)單靈活、檢測(cè)數(shù)據(jù)可靠穩(wěn)定、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、精度高的優(yōu)點(diǎn)。

4 系統(tǒng)的調(diào)試及運(yùn)行

根據(jù)監(jiān)測(cè)要求，連接好測(cè)試線路，開(kāi)機(jī)進(jìn)入監(jiān)視頁(yè)面，對(duì)液壓泵的系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)顯示，液位、油位、油溫?zé)o報(bào)警的情況下，可以通過(guò)工控機(jī)起動(dòng)液壓泵，也可以由泵自身起停裝置，起動(dòng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)雙絞線把液壓泵運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)壓力、油壓、油溫、噪聲等信息讀入，進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算、對(duì)比，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)參數(shù)經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)校對(duì)，與液壓泵控制系統(tǒng)采集的參數(shù)一致。輸入用戶密碼可查看所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的歷史紀(jì)錄曲線，并可進(jìn)行存儲(chǔ)、打印。

5 結(jié)論

使用該監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了液壓泵運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)讀取和存儲(chǔ)，相比人工監(jiān)測(cè)效率高，數(shù)據(jù)狀態(tài)無(wú)遺漏，并通過(guò)歷史數(shù)據(jù)查看，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)綜合分析，從而實(shí)現(xiàn)液壓泵的最優(yōu)運(yùn)行方案設(shè)計(jì)，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采用的組態(tài)王6.5和研華USB-4711A數(shù)據(jù)采集模塊運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)讀取精確，保證了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的正確性，為液壓泵的運(yùn)行、大修等方案的設(shè)計(jì)提供了有力的數(shù)據(jù)保證。

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