CN102819248A - 采场矿压机械模拟实验台伺服控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采场矿压机械模拟实验台伺服控制系统及控制方法，创新点在于将现有集散控制系统控制站的I/O模板连接在模拟实验台每个压力变送器和电磁阀上，构成模拟实验台的模拟煤层气囊的闭环控制回路；控制站的I/O模板连接在模拟实验台每个位移传感器和减速电机上，构成模拟实验台的模拟采高升降装置的闭环控制回路；控制站的I/O模板连接在模拟实验台模拟老顶裂断位置的每个电磁铁上，构成模拟实验台的模拟老顶模型块的顺序开环控制回路。本发明实现了采场矿压机械模拟实验中采煤工作面的推进控制，以及模拟推进过程中煤体由弹性到塑性转化的过程控制、煤层开采高度以及老顶垮落后触矸点的模拟控制、老顶岩梁裂断的顺序控制等问题。

Description

采场矿压机械模拟实验台伺服控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及采场矿压机械模拟实验台用的伺服控制系统。

背景技术

之前，本发明人已公开了“一种相似模拟和物理模拟相结合的采场矿压机械模拟实验台”(专利号为：ZL 2008 1 0128331.8)。它是一种在长方体实验框架内向上依次布置有模拟采高的升降装置、模拟煤层底板的橡胶板、模拟煤层的气囊、层状结构模拟老顶的模型块和加载气囊。该发明实验台用于研究采场推进过程中上覆岩层运动状态与煤层支撑压力变化关系、采场来压时支架阻力与上覆岩层运动状态关系和采场推进过程中上覆岩层运动状态与煤层支撑压力以及底板应力分布关系等问题。由于该发明实验台是进行实验研究的机械结构部分，在实际的实验过程中对实验台的操作还必须解决以下几个主要的关键问题：

1.采煤工作面的推进以及推进过程中煤体由弹性到塑性过程转化的控制。

2.煤层开采高度以及老顶垮落后触矸点的控制。

3.老顶裂断顺序控制。

发明内容

本发明的目的在于解决上述采场矿压机械模拟实验台在实验操作中的控制问题，发明一种采场矿压机械模拟实验台伺服控制系统及控制方法。

为达上述目的，本发明的技术方案是：一种采场矿压机械模拟实验台伺服控制系统，它是一种集散控制系统，该集散控制系统由工业控制计算机组成的操作站和由控制模板、交换机、I/O模板组成的控制站共同构成，操作站与控制站通过控制站的交换机组成系统网络，控制站将采集的实验数据进行控制运算、并通过交换机向操作站上传实时实验数据；其特征在于：

控制站的I/O模板连接在模拟实验台每个压力变送器和电磁阀上，构成模拟实验台的模拟煤层气囊的闭环控制回路；

控制站的I/O模板连接在模拟实验台每个位移传感器和减速电机上，构成模拟实验台的模拟采高升降装置的闭环控制回路；

控制站的I/O模板连接在模拟实验台模拟老顶裂断位置的每个电磁铁上，构成模拟实验台的模拟老顶模型块的顺序开环控制回路。

利用上述伺服控制系统进行采场矿压机械模拟实验的控制方法如下：

一、煤层的开采以及开采过程中煤层弹性模量变化的模拟实验控制方法：

第一步：操作站为每个模拟煤层的气囊设置初始充气压力值和N组放气压力值；N值根据模拟煤层不同弹性模量变化的次数确定；

第二步：操作站发出充气指令，使充气泵逐一向每个模拟煤层的气囊充气，当达到初始充气压力值时，控制站通过气动电磁阀自动关断充气回路，使模拟煤层处于未开采状态；

第三步：实验开始，操作站发出指令，使控制站通过气动电磁阀依次对模拟煤层的气囊放气，并实时采集当前每个气囊压力与相应的设置放气压力进行比较，当达到设置放气压力时停止放气；此时模拟煤层的开采过程；

第三步：操作站继续发出指令，使控制站通过气动电磁阀依次对模拟煤层的气囊继续放气，当气囊的压力值为零时，为该模拟煤层的开采完毕状态。

二、煤层开采过程中采高以及老顶触矸点的模拟实验控制方法：

第一步：操作站为每套模拟采高的升降装置设置开采高度和触矸点高度；

第二步：操作站根据不同推进步距发出调整采高指令或调整触矸点高度指令，使控制站依次启动各模拟采高升降装置的闭环控制回路，模拟采高升降装置动作，位移传感器实时采集当前高度，并与相应的设置高度比较，当达到设置高度时停止调整，等待下次调整指令；

三、煤层开采过程中老顶岩梁各裂断位置的模拟实验控制方法：

第一步：操作站发出指令，使控制系统为老顶岩梁每个断裂点的电磁铁上电，等待实验；

第二步：操作站根据不同推进步距发出电磁铁裂断指令指令，由控制站依次使老顶岩梁各断裂点的电磁铁顺序断电，模拟出老顶岩梁各裂断位置。

本发明采用了集散控制系统，分别组成140组模拟煤层气囊的闭环控制回路、25组模拟采高升降装置的闭环控制回路和模拟老顶裂断的顺序开环控制回路；工作人员通过键盘或鼠标等输入设备可以对试验系统进行功能组态和组态数据下载，也可以灵活、方便、准确地监视实验过程，以及根据实验流程变化调整过程参数等；控制站可实现实验数据的采集、控制运算、控制输出，从而实现了采场矿压机械模拟实验中采煤工作面的推进控制，以及模拟推进过程中煤体由弹性到塑性转化的过程控制、煤层开采高度以及老顶垮落后触矸点的模拟控制、老顶岩梁裂断的顺序控制等问题。

附图说明

图1是本发明实施例的系统图。

图2是集散控制系统结构图。

图3是气囊压力控制流程图。

图4是采高和触矸点控制流程图。

图5是老顶岩梁裂断顺序控制流程图。

图例说明：1-操作站；2-控制站；3-开关电磁阀；4-气动电磁阀；5-模拟煤层气囊；6-压力变送器；7-气源；8-采高升降装置；9-减速电机；10-位移传感器；11-模拟老顶模型块；12-进气总管。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施例进一步说明。

图1、图2示出了实施例的整体系统结构，从图中看出，采场矿压机械模拟实验台伺服控制系统，它是一种集散控制系统，该集散控制系统由工业控制计算机组成的操作站1和由控制模板、交换机、I/O模板组成的控制站2共同构成，操作站1与控制站2通过控制站的交换机组成系统网络，控制站2将采集的实验数据进行控制运算、并通过交换机向操作站1上传实时实验数据；其中：

控制站2的I/O模板连接在模拟实验台每个压力变送器6和气动电磁阀4上，构成模拟煤层气囊5的闭环控制回路；

控制站2的I/O模板连接在模拟实验台每个位移传感器10和减速电机9上，构成模拟采高升降装置8的闭环控制回路；

控制站2的I/O模板连接在模拟实验台每个电磁铁线圈(图中未画电磁铁线圈)上，构成模拟老顶裂断装置的顺序开环控制回路。

上面所述的模拟煤层气囊5，由140个气囊沿试验框架长度方向紧密排列，每个气囊上带有压力变送器6和气动电磁阀4，所有压力变送器6和气动电磁阀4分别与控制站2、进气总管12的开关电磁阀3和气源7连接，组成模拟煤层气囊5的闭环控制回路；

上面所述的模拟采高升降装置8，由25套升降架沿试验框架长度方向上连续布置，每套升降架带有位移传感器10和减速电机9，移传感器10和减速电机9分别与控制站2连接，组成模拟采高升降装置8的闭环控制回路；

上面所述的模拟老顶模型块11，由若干个设置在老顶岩梁断裂位置的电磁铁线圈组成，每个电磁铁线圈分别与控制站2连接，组成模拟老顶模型块11的顺序开环控制回路。

下面根据图3、图4和图5，对上述伺服控制系统进行采场矿压机械模拟实验的控制方法再说明如下：

如图3所示，煤层的开采以及开采过程中煤层弹性模量变化的模拟实验控制方法有以下步骤：

第一步：操作站1为每个模拟煤层气囊5设置初始充气压力值和N组放气压力值；N值根据模拟煤层不同弹性模量变化的次数确定；

第二步：操作站1发出充气指令，使充气泵逐一向每个模拟煤层气囊5充气，当达到初始充气压力值时，控制站1通过气动电磁阀4自动关断充气回路，使模拟煤层处于未开采状态；

第三步：实验开始，操作站1发出指令，使控制站2通过气动电磁阀4依次对模拟煤层气囊5放气，并实时采集当前每个气囊压力与相应的设置放气压力进行比较，当达到设置放气压力时停止放气；此时模拟煤层的开采过程；

第三步：操作站1继续发出指令，使控制站2通过气动电磁阀4依次对模拟煤层气囊5继续放气，当气囊的压力值为零时，为该模拟煤层的开采完毕状态。

如图4所示，煤层开采过程中采高以及老顶触矸点的模拟实验控制方法有以下步骤：

第一步：操作站1为每套模拟采高升降装置8设置开采高度和触矸点高度；

第二步：操作站1根据不同推进步距发出调整采高指令或调整触矸点高度指令，使控制站2依次启动各模拟采高升降装置8的闭环控制回路，模拟采高升降装置8动作，位移传感器10实时采集当前高度，并与相应的设置高度比较，当达到设置高度时停止调整，等待下次调整指令。

如图5所示，煤层开采过程中老顶岩梁各裂断位置的模拟实验控制方法有以下步骤：

第一步：操作站1发出指令，使控制站2为老顶岩梁11每个断裂点的电磁铁上电，等待实验；

第二步：操作站1根据不同推进步距发出电磁铁裂断指令指令，由控制站2依次使老顶岩梁11各断裂点的电磁铁顺序断电，模拟出老顶岩梁11各裂断位置。

Claims (4)

1.一种采场矿压机械模拟实验台伺服控制系统，它是一种集散控制系统，该集散控制系统由工业控制计算机组成的操作站和由控制模板、交换机、I/O模板组成的控制站共同构成，操作站与控制站通过控制站的交换机组成系统网络，控制站将采集的实验数据进行控制运算、并通过交换机向操作站上传实时实验数据；其特征在于：

控制站的I/O模板连接在模拟实验台每个压力变送器和电磁阀上，构成模拟实验台的模拟煤层气囊的闭环控制回路；

控制站的I/O模板连接在模拟实验台每个位移传感器和减速电机上，构成模拟实验台的模拟采高升降装置的闭环控制回路；

控制站的I/O模板连接在模拟实验台模拟老顶裂断位置的每个电磁铁上，构成模拟实验台的模拟老顶模型块的顺序开环控制回路。

2.一种如权利要求1所述控制系统进行煤层的开采以及开采过程中煤层弹性模量变化的模拟实验控制方法，其特征在于：

第一步：操作站为每个模拟煤层的气囊设置初始充气压力值和N组放气压力值；N值根据模拟煤层不同弹性模量变化的次数确定；

第二步：操作站发出充气指令，使充气泵逐一向每个模拟煤层的气囊充气，当达到初始充气压力值时，控制站通过气动电磁阀自动关断充气回路，使模拟煤层处于未开采状态；

第三步：实验开始，操作站发出指令，使控制站通过气动电磁阀依次对模拟煤层的气囊放气，并实时采集当前每个气囊压力与相应的设置放气压力进行比较，当达到设置放气压力时停止放气；此时模拟煤层的开采过程；

第三步：操作站继续发出指令，使控制站通过气动电磁阀依次对模拟煤层的气囊继续放气，当气囊的压力值为零时，为该模拟煤层的开采完毕状态。

3.一种如权利要求1所述控制系统进行煤层开采过程中采高以及老顶触矸点的模拟实验控制方法，其特征在于：

第一步：操作站为每套模拟采高的升降装置设置开采高度和触矸点高度；

第二步：操作站根据不同推进步距发出调整采高指令或调整触矸点高度指令，使控制站依次启动各模拟采高升降装置的闭环控制回路，模拟采高升降装置动作，位移传感器实时采集当前高度，并与相应的设置高度比较，当达到设置高度时停止调整，等待下次调整指令；

4.一种如权利要求1所述控制系统进行煤层开采过程中老顶岩梁各裂断位置的模拟实验控制方法，其特征在于：

第一步：操作站发出指令，使控制系统为老顶岩梁每个断裂点的电磁铁上电，等待实验；

第二步：操作站根据不同推进步距发出电磁铁裂断指令指令，由控制站依次使老顶岩梁各断裂点的电磁铁顺序断电，模拟出老顶岩梁各裂断位置。

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