液压系统的智能化测试方法研究
液压系统的智能化测试方法研究
韩旭
黄河交通学院机电工程学院
摘要：
针对现有液压系统测试方法的不足, 研究了智能化液压测试系统的理论方法和通讯技术, 以系统在矿用支护设备测量领域中的应用为例, 将监测目标多节点单元划分, 构建了矿用支护设备测量系统。该测量方法在实际测量应用中表明系统满足预定要求, 且不仅仅局限于CAN总线, 具有较强的通用性。以截止阀操作力矩性能测试为例详细分析系统的测量过程, 实现了数据的实时测量, 验证了所研究内容的正确性。
关键词：
智能化; 液压系统; 测试方法; 矿用支护设备;
基金：河南省智能制造技术与装备工程技术研究中心 (中心编号:3118210370);焦作市物料传输设备关键件制造工艺与装备工程技术研究中心项目;黄河交通学院2017年度教学工程项目《电气工程及其自动化特色专业》项目的研究成果 (HHJTXY-2017tszy03);
Research on Intelligent Testing Method of Hydraulic System
Han Xu
College of Mechanical and Electrical Engineering, Huanghe Jiaotong University
Abstract：
In view of the shortcomings of the existing hydraulic system testing methods, the theoretical methods and communication technology of intelligent hydraulic testing system are studied. Taking the application of the system in the field of mine support equipment measurement as an example, the monitoring target multi-node unit is divided and the mine support equipment measurement system is constructed. This measurement method is used in the application of hydraulic support equipment that the system meets predetermined requirements, and is not limited to the CAN bus, with a strong versatility. The measurement process is analyzed in detail as the example of valve operating torque performance test. The real-time measurement data is realized, and the correctness of the research content is verified.
Keyword：
Intelligent; Hydraulic System; Testing Method; Mine Support Equipment;
0 引言
液压技术已经广泛地应用于国防军事、工业生产制造、日常应用等各个方面, 液压元件在传动系统中起着重要作用, 其性能的好坏直接影响整个系统的工作特性[1,2,3], 因此, 需要对液压元件进行检测和控制, 如何更加准确、快速、智能化的对液压元件进行检测和控制是一项重要的任务和课题[4]。目前大多数传统液压检测系统每批检测数量有限, 需要时间较长, 且不能同时多参量测试, 影响工作效率。以煤矿生产中液压支护装备为例, 液压支护装备是综合机械化采煤和普通机械化采煤中必不可少的一种顶板支护的液压动力支撑装置, 其使用正在逐步增加, 测试和检修任务非常严峻。就当前煤矿用支护设备测量系统来看, 系统的在线动态改变配置的能力相对较弱, 同时在检修时液压支护装备分布位置不同, 集中式或分散式测量系统在测量中具有局限性[5,6], 因此迫切需要一种能够准确快速检测煤矿用液压支护装备性能的测量系统。
1 测量总线通讯系统
液压元件测量系统中现场总线网络通讯子系统以CAN总线为例进行设计。在系统中, CAN总线通讯电路主要包括MCU (Micro Control Unit) 控制器、独立的CAN通讯控制器及收发器三大部分。CAN总线节点的硬件构成主流模式有两种: (1) MCU控制器+独立CAN控制器+CAN收发器, (2) 带有CAN控制器的MCU和CAN收发器。本研究采用第一种设计方案, 该设计方案优点是可移植性好, 可以方便的移植到任意的MCU。CAN通讯控制器用于将欲收发的报文转换为规范的帧内容, 通过CAN收发器在CAN总线上交换信息, CAN收发器能够增加通讯距离。同时采用高速光耦来实现收发器和控制器之间的电气隔离, 保护系统电路, 提高系统抗干扰能力[7]。
根据系统功能要求及系统的灵活性和经济性要素, 选取STC12C5A60S2作为节点中央处理器, SJA1000作为总线控制器, 结合PCA82C250CAN总线收发器和6N137高速光电耦合器实现系统的通讯功能。系统通讯模块硬件结构如图1所示。
总线协议不针对特殊某一总线网络, 其支持任意的传输协议, 为了更符合现实, 便于理解与应用, 具体实现采用的模型在协议模型的基础上利用CAN总线定义协议。为保证数据传输的实时性和准确性, 必须合理设计总线通讯协议。液压支护装备测量系统中数据信息主要分为测量信号和控制命令两种, 总线网络报文必须能够满足测量要求[8]。以CAN总线网络为例进行定义, 协议采用PeliCAN模式, 报文信息用扩展数据帧表示。CAN总线应用层协议的制定有较大的灵活性, 扩展数据帧信息包含13字节, 需要对帧描述符和帧数据两部分进行定义, 即对仲裁场和数据场信息进行预定义。系统地址通过标识符设计实现每个节点地址编码唯一, 利用双滤波器技术对不符合条件的CAN帧不予接受, 从而降低了硬件中断频率。液压支护装备测量系统中CAN总线网络节点主要有中继器和智能节点, 双滤波技术使标识符的高16位参与滤波, 标识符分配形式如表1所示。
图1 CAN总线通讯系统硬件结构图
表1 CAN总线标识符分配形式 下载原表
(1) 功能码:ID28—ID26定义了报文起始标准。
(2) 组别地址:ID25—ID21定义了中继器节点号, 00001 (B) ～11111 (B) , 该网络中可扩展31个中继器。
(3) 写入/读取:ID20定义了发送报文的写入和读取, 0表示写入, 1表示读取。当写入时由主机发往从机, 目的地址不变, 当读取时, 目的地址代表源节点。
(4) 智能节点地址:ID19—ID13定义了智能节点的节点号, 为了方便编排, 节点号从1开始到127, 二进制表示0000001 (B) ～1111111 (B) , CAN总线最大驱动能力为110个节点, 所以智能节点地址为0000001 (B) ～1101101 (B) 。
(5) 通道号:ID12—ID7定义了智能节点的通道号, 不参与滤波。
(6) 不滤波:ID6—ID0不参与滤波, ID6—ID5为预留, ID4—ID0不进行定义。
系统以CAN控制器SJA1000为例说明滤波器设置, 双滤波器接收扩展帧信息, 第一个滤波器由ACR0、ACR1和AMR0、AMR1组成, 第二个滤波器由ACR2、ACR3和AMR2、AMR3组成, 滤波器的设置使节点只接收本节点的报文, 例如接收在单播模式下, 使组别1中智能节点20接收报文, 发送节点为主机, 定义其节点地址为0x00。首先分析报文二进制代码, 组别为1, 其二进制为00001 (B) , 报文由主控制器发往智能节点, 所以是写模入式0, 智能节点地址为20, 二进制0010100 (B) , 双滤波器设置如表2所示。
CAN总线标准的网络传输数据包用来描述相关的信息以便信息能准确有效的传输, 除了对每条消息有正确的寻址外, 协议还要规定数据传送的规则以便能准确的传输。包含13字节, 后8字节是帧数据, 数据帧第6字节至13字节设计为命令字节和数据交换字节, 第6字节为任务字节, 7-13字节为命令执行和数据反馈。如表3所示。
表2 滤波器ACR、AMR配置 下载原表
表3 数据帧信息设计 下载原表
由于双滤波模式下的两个滤波器都只比较扩展标识符的前两个字节 (ID28～ID13) , 故将发送的扩展帧的第2字节和第3字节配置为目标节点地址的组号、写入/读取状态和节点号。将扩展帧的第6字节数据1配置为命令字节, 第7～13字节配置为参数1～7, 包括装备信息, 测量内容等。CAN总线本身具有15位CRC校验, 其校验强度完全可以满足本系统对通讯可靠性的要求。需要说明的是, 本文只将扩展帧的第6字节数据1配置为任务字节, 则共可设计256种任务, 完全可以矿用支护设备测量系统的通讯要求。
2 系统模块化管理
测试系统对各路通道采用独立管理模式, 采集到的数据在通过缓冲区进行数据交换, 然后通过内核缓冲区写入硬盘。系统的采集模块、存储模块、显示模块都进行独立封装。
矿用支护设备测量系统运行环境比较恶劣, 所以系统采用模型化设计。在系统采集到数据之后, 利用缓冲区将数据进行分配, 完成信息的预处理。然后动态内存将处理完成的结果写入存储区, 完成结果的显示。当用户再次调用历史测试数据时, 系统可以通过内核缓冲区对数据进行读取。
完成数据处理之后, 数据显示模型将数据从缓冲区中提取出来进行分析, 完成数据图形的绘制。在数据存储模块中, 通过动态内存与计算机内存缓冲区进行数据交换, 动态内存的作用是将采集的现场数据通过动态内存传输给计算机内核缓冲区进行运算, 然后将运算后的值通过动态内存硬盘存储缓冲区。
3 液压元件智能化测量系统的应用
矿用液压支架阀类性能测试主要包括安全阀性能测试、液控单向阀性能测试、换向阀性能测试和截止阀性能测试。截止阀试验方法包括操作力矩性能试验、压力流量特性试验、耐久性能试验、密封性能试验和强度试验, 以截止阀操作力矩性能测试为例完成任务配置、信号采集及结果分析。
通过矿用支护设备可重构测量系统对液压支架截止阀操作力矩性能测试, 对截止阀以压力为31MPa流量为16L/min供液三次, 其开启时的操作力矩分别为22.6N·m、22.4N·m、21.9N·m, 均小于30N·m。满足液压支架液截止阀操作力矩性能测试要求, 测试结果合格。
4 结语
针对矿用支护设备检测需求, 结合网络化测量技术发展趋势, 研究了网络化测量技术和可重构测量技术在煤矿用支护设备测量领域中的应用。提出了支持多总线协议的虚拟总线接口, 解决了多网络技术应用到测量中存在的通讯协议过于复杂问题。研究了多网络虚拟总线接口, 实现了多网络协作的动态重构测量。设计了系统的通讯协议, 通过开放式可重构测量模式实现了测量资源的透明访问问题。
