史海昱

(山西焦煤西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030000)

液壓支架是綜采工作面的主要支護(hù)設(shè)備，而電液控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)液壓支架自動(dòng)化控制的關(guān)鍵，是衡量煤礦生產(chǎn)技術(shù)水平的重要參考標(biāo)準(zhǔn)[1]。隨著我國煤礦生產(chǎn)自動(dòng)化水平的提高，每年都有大量的液壓支架電液控制系統(tǒng)投入生產(chǎn)運(yùn)行中[2]，煤礦井下的特殊環(huán)境對(duì)電液控制系統(tǒng)的軟件可靠性有著較高要求，但是現(xiàn)有的測(cè)試平臺(tái)無法滿足電液控制系統(tǒng)發(fā)展的要求，測(cè)試效率低且不夠全面。

每臺(tái)液壓支架都需要配備一臺(tái)支架控制器，支架控制器的硬件配置需與液壓支架型號(hào)相配合，由于不同型號(hào)的液壓支架的傳感器數(shù)量和液壓油缸的數(shù)量不同，因此支架控制器的硬件配置存在較大差異。即使硬件配置基本一致，液壓支架在不同地質(zhì)條件的采煤工作面，其控制流程要求也不盡相同?，F(xiàn)有支架控制器測(cè)試方式，多為手工搭建測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試過程多為手工操作，效率低，并且測(cè)試過程中難以模擬井下工作環(huán)境，無法測(cè)試支架控制器軟件對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性[3-5]。所以需要能夠自動(dòng)化測(cè)試支架控制器的裝置，以提高測(cè)試過程的效率、可重復(fù)性以及全面性。

1 支架控制器工作原理

1.1 支架控制器組成部分

支架控制器是液壓支架電液控制系統(tǒng)的核心，其內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)功能，支架控制器的組成部分包括：電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、電磁驅(qū)動(dòng)模塊、人機(jī)交互模塊、存儲(chǔ)模塊等。其中數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)，包括傾角傳感器、行程傳感器以及壓力傳感器，分別負(fù)責(zé)檢測(cè)液壓支架的姿態(tài)、推移千斤頂行程以及頂板壓力。通信模塊主要負(fù)責(zé)支架控制器與相鄰支架控制器和端頭支架控制器的通信，主要的通信模塊包括RS232、RS485總線以及CAN總線。電磁驅(qū)動(dòng)模塊是通過輸出開關(guān)量信號(hào)控制繼電器中的電磁鐵吸合，電磁鐵吸合的保持電流必須大于70 mA，電磁鐵吸合瞬間的電流為120～180 mA之間。人機(jī)交互模塊包括LCD屏幕顯示電路、鍵盤電路以及閉鎖/急停按鍵電路等。存儲(chǔ)模塊主要用來存儲(chǔ)支架控制運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)，并保證其在掉電后不會(huì)丟失。

1.2 支架控制器工作原理

支架控制器在工作時(shí)需要采用鄰架控制，即工人可以選擇工作面上任意一臺(tái)液壓支架作為主控支架，然后通過主控支架上的支架控制器發(fā)布命令，此時(shí)主控支架附近一定范圍內(nèi)的其他支架均為被控支架，被控支架在收到控制命令后，改變CPU特定I/O口的電平，通過電磁驅(qū)動(dòng)電路控制先導(dǎo)閥中的電磁鐵動(dòng)作，電磁鐵將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械信號(hào)，使得電磁先導(dǎo)閥開啟，從而將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)化為液壓信號(hào)，主控閥放大液壓信號(hào)后控制液壓油缸動(dòng)作，這就是液壓支架動(dòng)作的總體過程。安裝在支架上的傾角傳感器、壓力傳感器以及行程傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)液壓支架的狀態(tài)，并將這些信息反饋到支架控制器，作為支架控制器動(dòng)作的重要參考；通過編寫不同的軟件程序，支架控制器既可以完成單架動(dòng)作也可以完成成組動(dòng)作功能。

2 液壓支架控制器自動(dòng)化檢測(cè)裝置研究

液壓支架控制器自動(dòng)化檢測(cè)裝置需要能夠?qū)χЪ芸刂破鞯目煽啃浴⒐δ?、性能等方面進(jìn)行測(cè)試，在設(shè)計(jì)檢測(cè)裝置的過程中需要考慮支架控制器的功能需求以及電路接口和原理。在對(duì)支架控制器測(cè)試之前，需要根據(jù)檢測(cè)裝置的檢測(cè)程序編寫支架控制器的測(cè)試程序，從而使支架控制器能夠與檢測(cè)裝置協(xié)調(diào)工作。支架控制器的可靠性測(cè)試主要包括抗干擾測(cè)試、疲勞強(qiáng)度測(cè)試以及壓力測(cè)試；功能測(cè)試包括支架控制器的功能實(shí)現(xiàn)以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換；性能測(cè)試主要包括性能指標(biāo)以及狀態(tài)變化速度、趨勢(shì)。自動(dòng)化檢測(cè)裝置的檢測(cè)程序和支架控制器的測(cè)試程序需要通過上位機(jī)測(cè)試管理軟件實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)工作。

2.1 電磁驅(qū)動(dòng)電路自動(dòng)檢測(cè)

電磁驅(qū)動(dòng)電路負(fù)載為電磁先導(dǎo)閥中的電磁鐵，電磁鐵的額定電壓為12 V，額定電流為120～180 mA，電阻范圍為100～120 Ω，因此采用電阻為100 Ω的電感線圈作為模擬負(fù)載，為了測(cè)試電磁驅(qū)動(dòng)電路的負(fù)載電流，設(shè)計(jì)了基于高精密電阻的旁路檢測(cè)電路，電磁驅(qū)動(dòng)電路自動(dòng)檢測(cè)裝置如圖2所示。支架控制器在發(fā)出電磁驅(qū)動(dòng)命令后，也將該命令通過上位機(jī)測(cè)試管理軟件發(fā)送給檢測(cè)裝置，檢測(cè)裝置先要分析命令中對(duì)應(yīng)的電磁驅(qū)動(dòng)檢測(cè)裝置，檢查電磁驅(qū)動(dòng)電路的端口連接是否正確，然后對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)能力進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)通過此裝置，還可以對(duì)驅(qū)動(dòng)次數(shù)進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，從而完成壽命試驗(yàn)。

圖2 電磁驅(qū)動(dòng)電路自動(dòng)檢測(cè)裝置示意

2.2 傳感器信號(hào)輸入電路自動(dòng)檢測(cè)

不同型號(hào)的傳感器輸出信號(hào)類型并不相同，主要包括模擬量信號(hào)以及通過RS485總線和CAN總線輸出的數(shù)字量信號(hào)。在自動(dòng)化檢測(cè)裝置中需要設(shè)計(jì)有標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生電路，并將支架控制器采集到的信號(hào)與檢測(cè)裝置發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，從而檢驗(yàn)支架控制器的采樣精度和速度能否滿足要求。

也可以通過檢測(cè)裝置測(cè)試支架控制器對(duì)于突發(fā)情況的應(yīng)對(duì)能力。先將液壓支架在井下運(yùn)行過程中的傳感器數(shù)據(jù)收集起來，做成數(shù)據(jù)庫保存在計(jì)算機(jī)中。在對(duì)支架控制器進(jìn)行測(cè)試時(shí)則將傳感器數(shù)據(jù)下載到檢測(cè)裝置中，在支架控制器動(dòng)作的過程中，檢測(cè)裝置在數(shù)據(jù)庫中自動(dòng)查找對(duì)應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過模擬量信號(hào)或總線通信發(fā)送至支架控制器中，從而模擬支架控制器在井下運(yùn)行環(huán)境。

2.3 通信電路自動(dòng)檢測(cè)

為了檢測(cè)通信電路的穩(wěn)定性，需要在通信線路中增加通信檢測(cè)電路從而偵聽支架控制器之間的通信信號(hào)，通過將偵聽信號(hào)與支架控制器的發(fā)送、接收信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析，從而得到數(shù)據(jù)傳輸過程中的傳輸延時(shí)、丟包率以及通信線路的占空比、負(fù)荷等數(shù)據(jù)，為評(píng)價(jià)通信的可靠性和實(shí)時(shí)性提供依據(jù)。

2.4 顯示模塊自動(dòng)檢測(cè)

液晶顯示的檢測(cè)主要是測(cè)試OLED顯示屏是否有像素?fù)p壞以及顯示亮度能否達(dá)到要求。液晶顯示自動(dòng)檢測(cè)主要通過視頻圖像識(shí)別完成。通過對(duì)圖像的灰度測(cè)試判斷顯示屏幕亮度是否滿足要求；通過編寫測(cè)試程序?qū)⑵聊坏南袼攸c(diǎn)全部關(guān)閉或點(diǎn)亮，通過圖像識(shí)別對(duì)比，從而判斷顯示屏是否有像素?fù)p壞問題。

2.5 鍵盤自動(dòng)檢測(cè)

按鍵自動(dòng)檢測(cè)裝置如圖3所示，主要組成部分包括：側(cè)頭、彈簧、控制電路、托架、氣動(dòng)油缸以及頂桿組成。按鍵自動(dòng)檢測(cè)裝置的關(guān)鍵裝置是按鍵組件，一個(gè)按鍵組件由測(cè)頭、彈簧和頂桿組成，由托架固定在氣動(dòng)油缸上?？刂齐娐房刂茪鈩?dòng)液壓缸的伸縮，通過托架和按鍵組件向按鍵施加一定的壓力，壓力應(yīng)大于0.5 N?？刂齐娐芬允莝tm32微控制器為控制核心，通過對(duì)stm32的編程，不僅可以控制氣動(dòng)液缸的伸縮，還能夠準(zhǔn)確控制伸縮時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)鍵盤的單鍵持續(xù)按鍵操作、多鍵順序控制以及雙鍵連鎖控制等操作。

2.6 功能測(cè)試

根據(jù)支架控制器的控制模式，需要對(duì)支架控制器的單架單動(dòng)作控制、單架順序動(dòng)作控制以及成組控制功能進(jìn)行測(cè)試。通過鍵盤自動(dòng)檢測(cè)裝置即可實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤不同方式的操作，同時(shí)檢測(cè)支架控制器是否實(shí)現(xiàn)相應(yīng)動(dòng)作。按鍵操作主要包括持續(xù)按下、點(diǎn)動(dòng)以及雙鍵連鎖。支架控制器的單動(dòng)作控制采用按鍵持續(xù)按下的方式，當(dāng)按鍵按下時(shí)動(dòng)作開始執(zhí)行，按鍵抬起后動(dòng)作停止；單架順序動(dòng)作控制采用按鍵點(diǎn)動(dòng)的方式，在選擇被控支架編號(hào)后，按下自動(dòng)控制按鍵，被控支架即開始自動(dòng)動(dòng)作；當(dāng)被控支架需要同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)動(dòng)作時(shí)，就需要操作支架控制器同時(shí)按下兩個(gè)按鍵，即為雙鍵連鎖控制。通過按鍵檢測(cè)裝置發(fā)送命令，同時(shí)檢測(cè)電磁驅(qū)動(dòng)電路是否有對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出，從而驗(yàn)證支架控制器功能。

圖3 鍵盤自動(dòng)檢測(cè)裝置示意

2.7 可靠性測(cè)試

可靠性測(cè)試的主要內(nèi)容包括：抗電磁干擾測(cè)試、鍵盤疲勞壽命測(cè)試、電磁驅(qū)動(dòng)電路疲勞壽命測(cè)試、傳輸通道壓力測(cè)試以及模擬量輸入電路的短路測(cè)試等。通過調(diào)節(jié)自動(dòng)化檢測(cè)裝置的參數(shù)即可調(diào)節(jié)測(cè)試強(qiáng)度。

2.8 性能測(cè)試

支架控制器的性能測(cè)試主要是電氣性能測(cè)試，主要包括：通信總線傳輸性能、傳感器采集性能動(dòng)作控制性能以及上電氣動(dòng)性能等。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的液壓支架控制器自動(dòng)化檢測(cè)裝置將被測(cè)支架控制器與檢測(cè)裝置緊密結(jié)合在了一起，根據(jù)操作規(guī)程和支架控制器特點(diǎn)將測(cè)試過程自動(dòng)化、數(shù)字化，相較于傳統(tǒng)的人工測(cè)試方式，能夠更好地模擬液壓支架的井下工作環(huán)境，在提高產(chǎn)品測(cè)試質(zhì)量的同時(shí)也提高了測(cè)試效率。