液壓支架控制器自動化測試裝置設(shè)計(jì)與研究

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)有的測試平臺無法滿足電液控制系統(tǒng)發(fā)展的要求，測試效率低且不夠全面。

每臺液壓支架都需要配備一臺支架控制器，支架控制器的硬件配置需與液壓支架型號相配合，由于不同型號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。現(xiàn)有支架控制器測試方式，多為手工搭建測試平臺，測試過程多為手工操作，效率低，并且測試過程中難以模擬井下工作環(huán)境，無法測試支架控制器軟件對環(huán)境的適應(yīng)性[3-5]。所以需要能夠自動化測試支架控制器的裝置，以提高測試過程的效率、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)動模塊、人機(jī)交互模塊、存儲模塊等。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)動模塊是通過輸出開關(guān)量信號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。存儲模塊主要用來存儲支架控制運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)，并保證其在掉電后不會丟失。

1.2 支架控制器工作原理

支架控制器在工作時需要采用鄰架控制，即工人可以選擇工作面上任意一臺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)動電路控制先導(dǎo)閥中的電磁鐵動作，電磁鐵將電信號轉(zhuǎn)化為機(jī)械信號，使得電磁先導(dǎo)閥開啟，從而將機(jī)械信號轉(zhuǎn)化為液壓信號，主控閥放大液壓信號后控制液壓油缸動作，這就是液壓支架動作的總體過程。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監(jiān)測液壓支架的狀態(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作也可以完成成組動作功能。

2 液壓支架控制器自動化檢測裝置研究

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

2.1 電磁驅(qū)動電路自動檢測

電磁驅(qū)動電路負(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，為了測試電磁驅(qū)動電路的負(fù)載電流，設(shè)計(jì)了基于高精密電阻的旁路檢測電路，電磁驅(qū)動電路自動檢測裝置如圖2所示。支架控制器在發(fā)出電磁驅(qū)動命令后，也將該命令通過上位機(jī)測試管理軟件發(fā)送給檢測裝置，檢測裝置先要分析命令中對應(yīng)的電磁驅(qū)動檢測裝置，檢查電磁驅(qū)動電路的端口連接是否正確，然后對電磁驅(qū)動電路的驅(qū)動能力進(jìn)行檢測。同時通過此裝置，還可以對驅(qū)動次數(shù)進(jìn)行循環(huán)測試，從而完成壽命試驗(yàn)。

圖2 電磁驅(qū)動電路自動檢測裝置示意

2.2 傳感器信號輸入電路自動檢測

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

也可以通過檢測裝置測試支架控制器對于突發(fā)情況的應(yīng)對能力。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。在對支架控制器進(jìn)行測試時則將傳感器數(shù)據(jù)下載到檢測裝置中，在支架控制器動作的過程中，檢測裝置在數(shù)據(jù)庫中自動查找對應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過模擬量信號或總線通信發(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 通信電路自動檢測

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

2.4 顯示模塊自動檢測

液晶顯示的檢測主要是測試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。液晶顯示自動檢測主要通過視頻圖像識別完成。通過對圖像的灰度測試判斷顯示屏幕亮度是否滿足要求；通過編寫測試程序?qū)⑵聊坏南袼攸c(diǎn)全部關(guān)閉或點(diǎn)亮，通過圖像識別對比，從而判斷顯示屏是否有像素?fù)p壞問題。

2.5 鍵盤自動檢測

按鍵自動檢測裝置如圖3所示，主要組成部分包括：側(cè)頭、彈簧、控制電路、托架、氣動油缸以及頂桿組成。按鍵自動檢測裝置的關(guān)鍵裝置是按鍵組件，一個按鍵組件由測頭、彈簧和頂桿組成，由托架固定在氣動油缸上。控制電路控制氣動液壓缸的伸縮，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stm32的編程，不僅可以控制氣動液缸的伸縮，還能夠準(zhǔn)確控制伸縮時間，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 功能測試

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

圖3 鍵盤自動檢測裝置示意

2.7 可靠性測試

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

2.8 性能測試

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

3 結(jié) 語

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