液压支架安全阀试验台测控系统设计
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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［3 － 4］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。
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［1］。 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 （ MT 419 － 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。
2013 年第 7 期
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。
事矿山支护设备测试仪器开发工作。
129
信息工程
煤炭工程
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. 04L / 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［2］。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。
参考文献：
［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］
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． 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． 张 申，赵小虎． 论感知矿山 物 联 网 与 矿 山 综 合自动化 ［J］． 煤炭科学技术，2012，1（ 1） ： 80 ～ 83． AQ1043 － 2007，矿用产品安全标志标识 ［S］． 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．
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 － 1716 高分辨率多功能数据采集卡，其参数为： 16 位 分 辨 率，16 路 模 拟 量 输 入，2 路 模 拟 量 输 出， 带 1k FIFO， 250kS / s 采样率。
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)
2013 年第 7 期
煤炭工程
信息工程
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。
机制所出现的问题，那么读卡器则是一种最直接、最简便 化平台框架结构，及其基于 ＲFID 技术的安全标识和读卡器
的检测工具。下文将具体介绍读卡器的设计。
设计，方便于煤矿用户对产品的煤安证的便捷现场检测及
4. 2 读卡器的设计
管理，以及煤矿对大量设备的库房管理。此类信息化管理
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＆ＲEST1 单元、8M SDＲAM 单元、320 × 240 TFT LCD 单元、LED1＆SWITCH1 单元、蜂
( 责任编辑 赵巧芝)
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( 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。
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 TTL、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。
参考文献：
［2］ ［3］ ［4］
翟 京，杨一青，刘欣科． 安全阀溢流流量与压力的对应关 系 ［J］． 煤矿开采，2005，10（ 2） ： 6 ～ 9． 王士同． 模糊系统、模糊神经网络及应用程序设计 ［M］． 上海： 上海科学技术文献出版社，1998． 白志刚． 自动调节系统解析与 PID 整定 ［M］． 北京： 化学 工业出版社，2012．
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。
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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 /40 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。
［1］ 人力资源和社会保障部教材办公室． 液压支架与泵站 ［M］． 北京： 中国劳动社会保障出版社，2009．
［5］ 任克强，刘 晖． 微机控制系统的数字滤波算法 ［J］． 现代
电子技术，2003，（ 3） ： 15 ～ 18． ( 责任编辑 赵巧芝)
133
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。
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 － 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 － ） ，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
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—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 N 个采样值看成一个队列，队列的 长度固定为 N，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 N 个数 据进行算术平均运算，就可获得新的滤波结果［5］。本系统 中 N = 5。
图 3 读卡器的单片机最小系统框图
5结语
图 2 安全标志管理系统终端系统原理图
本文针对于煤矿安全标志管理机制在实施过程中所面
其中读卡器的设计是本课题主要研究对象，如果说煤 临的一些问题，提出了将物联网技术运用于煤矿产品安全
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 标志监控系统中。主要阐述了煤矿安全标识管理系统信息
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。
2013 年第 7 期
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［1］。 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 （ MT 419 － 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。
2013 年第 7 期
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。
事矿山支护设备测试仪器开发工作。
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信息工程
煤炭工程
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. 04L / 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［2］。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。
参考文献：
［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］
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． 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． 张 申，赵小虎． 论感知矿山 物 联 网 与 矿 山 综 合自动化 ［J］． 煤炭科学技术，2012，1（ 1） ： 80 ～ 83． AQ1043 － 2007，矿用产品安全标志标识 ［S］． 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．
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 － 1716 高分辨率多功能数据采集卡，其参数为： 16 位 分 辨 率，16 路 模 拟 量 输 入，2 路 模 拟 量 输 出， 带 1k FIFO， 250kS / s 采样率。
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)
2013 年第 7 期
煤炭工程
信息工程
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。
机制所出现的问题，那么读卡器则是一种最直接、最简便 化平台框架结构，及其基于 ＲFID 技术的安全标识和读卡器
的检测工具。下文将具体介绍读卡器的设计。
设计，方便于煤矿用户对产品的煤安证的便捷现场检测及
4. 2 读卡器的设计
管理，以及煤矿对大量设备的库房管理。此类信息化管理
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＆ＲEST1 单元、8M SDＲAM 单元、320 × 240 TFT LCD 单元、LED1＆SWITCH1 单元、蜂
( 责任编辑 赵巧芝)
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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。
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 TTL、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。
参考文献：
［2］ ［3］ ［4］
翟 京，杨一青，刘欣科． 安全阀溢流流量与压力的对应关 系 ［J］． 煤矿开采，2005，10（ 2） ： 6 ～ 9． 王士同． 模糊系统、模糊神经网络及应用程序设计 ［M］． 上海： 上海科学技术文献出版社，1998． 白志刚． 自动调节系统解析与 PID 整定 ［M］． 北京： 化学 工业出版社，2012．
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。
130
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 /40 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。
［1］ 人力资源和社会保障部教材办公室． 液压支架与泵站 ［M］． 北京： 中国劳动社会保障出版社，2009．
［5］ 任克强，刘 晖． 微机控制系统的数字滤波算法 ［J］． 现代
电子技术，2003，（ 3） ： 15 ～ 18． ( 责任编辑 赵巧芝)
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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。
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 － 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 － ） ，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
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—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 N 个采样值看成一个队列，队列的 长度固定为 N，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 N 个数 据进行算术平均运算，就可获得新的滤波结果［5］。本系统 中 N = 5。
图 3 读卡器的单片机最小系统框图
5结语
图 2 安全标志管理系统终端系统原理图
本文针对于煤矿安全标志管理机制在实施过程中所面
其中读卡器的设计是本课题主要研究对象，如果说煤 临的一些问题，提出了将物联网技术运用于煤矿产品安全
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 标志监控系统中。主要阐述了煤矿安全标识管理系统信息
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。
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