毕业设计（论文）-采煤机液压设计.doc

采煤机液压设计AbstractAll the countries in the world in order to make full use of coal resources， are constantly upgrading shearer， shearers technical performance have being improved， monitoring system as shearer automation level important symbol， its development andapplication has been highly valued by the shearers manufacturing enterprises， universities and research institutes. The variable speed closed hydraulic traction system which put forward by author search group is the results of technological transformation for the traditional traction system， it has simple structure， good energy-saving effect， excellent control characteristics and so on. In order to improve the automation level of system， this paper specific to this system designed a set of monitoring system， using the touch screen， PLC， and the configuration software. According to the layered design idea， in accordance with the lower position machine structure， the monitoring system is divided into the field layer and management layer， the touch screen and PLC system constitute the field layer， century star monitoring system constitute the management layer. This paper analyzed the structure principle of variable speed closed hydraulic traction for shearer， collect related monitoring parameters， designed the hardware system， and selected the hardware module， developed touch screen monitoring system and the century star monitoring system. Described the general steps of designing monitoring system， and explained the key of system in detail， Writed PLC program by using the ladder diagram language， and explained the main program in detail. In order to verify the reliability of the monitoring system， this paper utilized the hydraulic transmission experiment platform for the system of hardware and software combined with simulation experiment， mainly complete the shearer speed regulation experiment， simulation experiment and shearer constant power control simulation experiments. From the system running situation， this system achieve the goal of monitoring for the variable speed closed hydraulic traction system， to the same type of the hydraulic system or engineering machinery monitor has a certain referential significance.Key Words : shearer， monitoring system， century star configuration software， PLC， touch-screen摘 要世界各国为了充分利用煤炭资源，都在不断对采煤机进行升级改造，采煤机的技术性能得到不断提高。釆煤机监控系统作为釆煤机自动化水平的重要标志，其 发与应用也不断得到各采煤机生产企业、高校以及相关科研院所的高度重视。作者课题组提出的“采煤机变转速闭式液压牵引系统”是针对传统采煤机液压牵引系统进行技术改造的结果，具有结构简单、节能效果好、控制特性优等优点。为提高系统的自动化水平，本文针对该系统利用触摸屏、PLC、以及组态软件联合设计了一套监控系统。依据分层设计思想，按照上、下位机结构将监控系统分为现场层和管理层，由触摸屏及PLC系统构成现场层，世纪呈监控系统构成管理层。本文分析了采煤机变转速闭式液压牵引系统的结构原理、收集相关监控参数，对下位机的硬件系统进行了设计，并对所有硬件模块进行了选型， 发了触摸屏监控系统和世纪星监控系统。阐述了监控系统设计的一般步骤、并对设计的重点难点进行了详细说明。利用梯形图语言对PLC控制程序进行了设计，并就重点程序进行了详细阐述。为验证监控系统的可靠性，本文利用液压传动综合实验台对该系统进行了软硬件联合模拟实验，主要完成了采煤机速度调节模拟实验、采煤机工况模拟实验以及采煤机恒功率控制模拟实验。从系统运行情况来看，本课题设计的监控系统可以满足釆煤机变转速闭式液压牵引系统监控的目的，对于同类型的液压系统或工程机械的监控具有一定的借鉴意义。关键词:采煤机;监控系统;世纪星组态软件;PLC;触摸屏目录Abstract1摘 要21绪论41.1采煤机发展历程41.2采煤机结构及工作原理51.3课题研究背景61.4本章小结72课题研究对象及相关工具简介82.1课题研究对象简介82.2组态软件简介92.2.1组态软件的功能92.2.2组态软件的特点92.2.3几种典型组态软件介绍92.3 PLC简介102.3.1 PLC发展过程102.3.2 PLC的特点及应用102.4触摸屏简介102.4.1触摸屏的类型及原理102.4.2触摸屏的特点112.5变频器控制方式简介122.6本章小结123监控系统构成133.1监控系统设计方案133.1.1监控系统结构模式设计133.1.2监控系统总体功能设计133.2监控系统方框图设计143.2.1系统监控参数的确定143.2.2监控系统方框图设计143.3监控系统硬件设计153.3.1 PLC系统选型及系统硬件连接图设计153.3.2压力传感器选择193.3.3马达转速测量电路设计203.3.4温度测量电路设计213.3.5触摸屏的选择223.4监控系统软件开发平台223.4.1三菱PLC编程软件223.4.2触摸屏编程软件233.4.3世纪星组态软件243.5本章小结244监控系统软件设计与开发254.1监控系统软件设计目标254.2世纪星监控系统设计254.2.1使用世纪星组态软件开发工程的一般步驟254.2.2建立监控系统工程264.2.3世纪星与PLC通讯设置284.2.4建立监控系统画面294.2.5组态数据库设计334.2.6监控系统动画连接344.2.7监控系统安全管理354.2.8监控系统WEB发布364.3触摸屏监控系统设计384.3.1使用触摸屏的一般步驟384.3.2触摸屏绘图前的通用设置394.3.3创建屏幕并设置对象404.3.4连接通讯并执行监视414.4 PLC程序设计424.4.1数据采集程序设计424.4.2数据控制程序设计424.5本章小结425监控系统软硬件联合模拟实验435.1实验平台简介435.2监控系统模拟实验455.2.1监控系统实验准备455.2.2监控系统实验步驟465.2.3监控系统模拟实验475.3 本章小结496总结与展望506.1全文总结506.2展望50参考文献51致 谢521绪论1.1采煤机发展历程世界各国的能源消耗量自二十世纪以來大幅增长。在能源利用方面，尽管世界能源结构在不断调整，但煤炭资源的重要性和地位依然逐渐提升，我国以煤炭为主体的能源消费结构在一段时间内不会改变1。济报告报道，长期以来中国和世界能源消费结构中始终以煤炭消费为主，2009年能源消费结构图如图1所示2。尽管各国都在不断追寻新能源的开发，但煤炭资源的主导地位还将占据相当长的一段时间。采煤机是煤炭采掘行业的重要机械之一，其发展经历大致如下3，4，5，6。20世纪40年代初，英国和前苏联相继研制出了链式采煤机，德国研制出了用刨削方式落煤的刨煤机。自此，采煤作业进入机械化时代。50年代初，英国和德国陆续研制出了滚筒式采煤机，在滚筒上安装截齿，用来实现落煤和装煤。这种采煤机与可弯曲输送机配套，为煤炭开采机械化作业奠定了基础。60年代，德国、英国等一些西方国家和前苏联分别对采煤机的截割滚筒做出改进，实现可调高。这种采煤机或刨煤机与液压支架等设备配套，构成综合机械化采煤设备，使煤炭生产进入高产、高效、安全和可靠的现代化发展阶段。20世纪70年代，美国先后研制了 1LS-6LS等多种型号的多电机横向布置电牵引采煤机。进入20世纪80年代，前苏联、英国、R本等陆续研制出直流和交流电牵引采煤机;20世纪90年代，英国在之前基础上，加大采煤机的功率，开发出交流电牵引采煤机。我国于1952年购进并使用原苏联生产的世界上第一台采煤机。随后，国内釆煤机经历了购进与仿制、消化与研制、逐步成熟与发展的三大阶段7，8。目前，中国采煤机生产企业生产的电牵引采煤机总功率不断增加，高达800-1200KW。典型的釆煤机生产企业如上海分院、西安煤机厂、太原矿山机器厂生产的各个系列采煤机，可分别应用在不同厚度的煤层。目前国内采煤机是电牵引和液压牵引并存，以电牵引为主、液压牵引为辅，两种类型采煤机各具优点。2001年大倾角电牵引采煤机和2002年短臂电牵引采煤机的成功研制标志着我国采煤机设计水平达到国际先进水平，但与国外采煤机相比整体性能上还存在一定的差距9。1.2采煤机结构及工作原理采煤机主要用来实现落煤和装煤，目前应用最广的是滚筒式采煤机。以双滚筒采煤机为例来阐述采煤机的结构及工作原理。其结构如图2所示。双滚筒采煤机主要由电动机、牵引部、截割部以及附属装置等部分组成。其中，电动机11是整机的动力单元，它通过传动轴分别驱动牵引部和截割部。牵引部6由刮板输送机两端的牵引链8与链轮相啮合构成，当需要牵引运动时，电动机带动链轮转动，通过链轮与牵引链的啮合使采煤机沿运输机正向或反向牵引移动。截割部固定减速箱4经齿轮减速机构将电动机的动力传递给摇臂12内的传动机构，驱动滚筒2的旋转。滚筒上装有截齿，滚筒旋转时靠截齿落煤，再通过螺旋叶片将煤输送到工作面刮板运输机上。弧形挡煤板1可以提高采煤机的装煤效果。底托架9通过其下部的滑靴3支承在工作面刮板运输机销轨和伊煤板上。调高液压缸7用来调节摇臂的升降，从而调节采煤机的采高。调斜液压虹5调整采煤机的纵向倾斜度。采煤机的电缆与水管夹持在托缆装置13中。电气控制箱10内装有多种电控元件，用于采煤机的故障诊断、检测及各种保护等。整机的操作可以在采煤机中部电控箱上或两端左右牵引部上的按钮箱进行，也可以用无线遥控器控制。1.3课题研究背景采煤机的发展经历了有链牵引、液压牵引到电牵引的的发展过程。目前，电牵引采煤机主要应用于大功率大采高综采工作面，而中等及较小功率综采工作面和普采工作面以液压牵引采煤机为主，因为液压调速容易实现无级调速和自动调速，而且结构紧凑，过载保护也很简便，所以液压牵引采煤机仍占据一定的市场份额。采煤机是运行在煤矿井下综采面上的重要设备。随着采煤机制造技术的不断发展，其结构更加复杂，加上恶劣的工作环境，发生故障的原因也很复杂因此，除了要对采煤机结构进行不断升级改造外，还要能实时监控并显示采煤机的运行状态、据此诊断和预报采煤机的故障信息，从而可以及时掌握和了解采煤机的运行状态，发现并预测可能出现的故障点，完成对釆煤机的快速维护，并根据需要实时调节采煤机，使其经常处于最佳运行状态15，16。目前，在电牵引釆煤机监控方面，国外采煤机利用计算机构建的监控系统已经比较完善。美国JOY公司的7LS6型、德国Eickhoff公司SL500型采煤机在检测和显示等方面有着一些共同的特点:如使用的传感器和处理单元较多，相互之间通信形式为串行通信，彼此连线较少，具有较快的数据处理速度，可以实时显示工况参数的变化。采用专用嵌入式计算机控制系统作为主控系统，具有直观、友好的人机交互界面，强大的服务功能17。但引进国外的采煤机监控系统又有诸多不足，如英文版的操作界面给生产管理者和操作人员带来一定的不便;而且国外的监控系统一般价格昂贵，并且维护和调试费用高，难度较大。而国内对于电牵引釆煤机来说，大都釆用PLC作为核心控制部件，用其来监视采煤机运行时的电压、电流、温度及故障显示等内部参数，由采煤机驾驶人员现场进行监视并完成对故障点的操作。另外，这样的系统没有直观的上位机监控画面，也没有实时报表、历史曲线和数据查询等功能不便于以后设计人员对采煤机的故障进行分析，也不利于生产管理人员协调全况生产，增加了管理人员统筹管理的难度。两者比较而言，国外采煤机都是采用计算机进行控制，采集的参数众多，传感器数量多，信息量比较大，并且人机交互界面更加直观;而国产采煤机处于计算机和PLC控制共存的局面，传感器相对较少，信息量较少，人机交互界面也只是简車的文字和数字信息在远程监控方面，国外采煤机大都具有数据远程传输、集中监控及部分集中控制功能。严格地讲，如今国产采煤机还没有远程通讯、集中控制和集中监控功能，仅有一些通过井下摄像头构建起来的地面监测系统但国内的众多企业和科研院所都在对釆煤机远程监控领域进行研究。我国第一个采煤机远程监控中心于2008年8月在西安建成，并通过验收，这一技术在国内同行业中属于首创，并在国际上处于领先水平。目前该系统已投入试运行，具有较高的故障排出率。国家863计划也已将该系统纳入深入研发计划之内。我国对液压牵引采煤机的监控起步较晚，由于液压元件要求比较高的加工精度，而且维修比较困难，加上采煤机是在井下运行，恶劣的工作环境极易把工作液体污染，产生各种故障，导致工作的可靠性不高27。为了克服此类缺点，国内相关科研院所都在对采煤机进行升级改造方面的研究。作者所在课题组针对某型液压牵引采煤机进行改造，研究并提出了 “采煤机变转速闭式液压牵引系统” 该系统克服了传统液压牵引系统诸多缺点如:系统效率和自动化程度低，回路复杂，响应较慢等。与传统液压牵引系统相比，该系统具有调速特性优、节能效果好等优点。变转速闭式液压牵引系统是国内首次提出的改迸型液压系统，为进一步提高其实用性，有必要Jf发一套与之配套的监控系统。1.4本章小结本章简要介绍了采煤机的发展历程，分析了采煤机的结构和工作原理，同时也分析了采煤机变转速闭式液压牵引系统的工作原理，给出了课题的来源、背景，明确了课题研究的主要内容和研究意义。2课题研究对象及相关工具简介2.1课题研究对象简介采煤机变转速闭式液压牵引系统是作者所在课题组针对某型液压牵引采煤机进行改造，研究并提出的，已中请获批的一项国家实用新型专利?。为扩展其应范围，增强其自动化程度，本文主要针对此系统研究一套与之配套的监控系统。釆煤机变转速闭式液压牵引系统原理如图3所示，主要包括主回路系统、补油和热交换回路系统以及检测控制系统。主回路系统中主栗电机3带动变量泵4旋转从系统低压侧吸油，排出的高压油经电液比例方向阀14进入牵引马达15，构成一个闭式回路。补油和热交换回路中，补油电机6带动补油栗9经过滤器7从油箱8中吸入低温油，经单向阀5e、5a、或5b进入系统低压侧;同时电液比例方向阀14回油口的部分热油经液控换向阀15、低压溢流阀16回油箱进行油液的热交换。检测控制系统为在主回路系统的高、低压侧分别设置压力传感器，以高压侧压力传感器的输出信号为反馈信号，按恒功率进行速度调节:当牵引阻力较小 ，检测控制单元2发出信号，增大变频器1输出频率，加快驱动电机3转速，同时增大电液比例方向阀的开度，增大牵引速度;相反，当牵引阻力较大时，检测控制单元2发出信号，减小变频器1输出频率，降低驱动电机3转速，同时减小电液比例方向阀的开度，减小牵引速度。当需要牵引换向时，检测控制单元2发出相反的电压信号，使电液比例方向阀换向，牵引马达换向牵引。当牵引马达需要紧急制动时，电磁阀11断电，液压制动器12的油腔压力油回油箱8，通过弹賛压紧内外摩擦片，进行牵引制动。2.2组态软件简介组态软件译自英文 SCADA，即 Supervisory Control and Data Acquisition(数据釆集与监视控制)，是用于数据釆集与过程控制的专用软件29。它是一种运用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。2.2.1组态软件的功能组态软件是一类专用于数据采集与过程控制的软件，其自带的各种模块可以非常容易地实现监控层的多项功能，也可以同时支持各硬件厂家研发的计算机及I/O产品，和高可靠的工控机和网络系统相结合，可以向管理层提供软硬件的全部接口，实现系统集成组态软件具有强大的功能32:画面显示组态功能强大;开放性良好;功能模块丰富;强大的数据库功能;灵活可编程的命令语言;周密的系统安全防范;支持仿真功能。2.2.2组态软件的特点与传统工业控制软件相比，通用组态软件具有以下主要特点33，34，35，36。1)延续性和可扩充性。就是当工业现场的硬件设备、系统结构或用户需求发生改变时，它无须作很多修改就可完成软件的更新，快速设计出符合用户需求的应用程序。2)封装性(场学易用)。由于通用组态软件所要完成的功能都进行包装，方便用户使用，对于大多用户，都能轻易地实现较为复杂工程所要求的全部功能。3)通用性。不同行业的用户，可利用组态软件自身提供的底层设备的驱动以及软件数据库和画面制作工具，开发出具有丰富功能的实际工程。2.2.3几种典型组态软件介绍组态软件在国外首次出现是在80年代中期，直至80年代末90年代初?进入中国市场37。组态软件经过不断发展，目前仍处在蓬勃发展的成长阶段，组态软件产品也不断得到更多用户的接受38。下面对几种常见组态软件简要介绍。1)IFix:它是由GE Fanuc智能设备公司研发，该公司由美国通用电气公司(GE)和日本Fanuc公司合资组建，其产品具有较高品牌知名度;稳定的系统，先进的技术，支持VBA脚本;合理的产品结构，较强的系统开放性;完备的文档，丰富的驱动等诸多优点。但其价格较高，在国内也只是一些代理做，技术支持和服务能力较差。2)InTouch: InTouch软件是由Wonderware (万维公司)设计刃?发的一款组态软件，也是最早进入中国市场的组态软件。它提供了丰富的图库，其主要优势集中在系统稳定、使用方便、文档完备、驱动丰富等。缺点与IFix类似。3)WinCC;西门子公司开发的WinCC，其对西门子本身支持完善;但其软件加密不严格，很少在非西门子产品中使用。其结构也较为复杂，用户往往需要西门子的培训以掌握其应用。4)组态王KingView:是国内使用量最大的一款组态软件。其品牌知名度高;国内售后服务能力强;驱动丰富而且一般都比较可靠。但其价格相对较高。5)世纪星:也是一款国产组态软件，产品自1999年开始销售。主要做一些小型工程，32点免费提供给用户使用。本文正是选用了世纪星作为监控系统发软件，它相比国内外其他监控组态软件，具有以下特点。(1)稳定性。世纪星组态软件推向市场10年多以来，已经有二万套软件应用于各行各业，其运行一直比较稳定，深得用户好评。(2)先进性。其组态理念先进，结合了当今国内外众多组态软件的优点，其在一些如组态报表、语音报警等功能上占据行业领先地位。(3)方便性。世纪星使用方便，用户无须掌握太多的编程语言，就能很好地发出一个复杂功能的系统工程。(4)延续性和可扩充性。用世纪星组态软件开发的应用程序，具有较高的重复使用率，当用户需求发生变化时，只须稍加修改即可使用。(5)广泛性。无论应用到何种工程场合，如电力、通讯、机械等，只要想用计算机管理工控底层设备，都可以使用世纪星组态软件来开发设计监控和数据采集系统。2.3 PLC简介PLC是Programmable Logic Controller (可编程逻辑控制器)的简称。它采用一类可编程的存储器，用于其内部程序存储，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟量输入/输出控制各种类型的机械设备或生产过程。2.3.1 PLC发展过程世界上第一台PLC是由美国于1969年研制的。那时PLC功能简单，真正具有运算、数据处理等计算机特征的PLC是20世纪70年代初出现微处理器后，人们才将其引入到PLC中。PLC于20世纪70年代中末期进入实用化发展阶段。至20世纪80年代初已广泛应用到一些先进工业国家中。PLC也已步入成熟阶段。到了20世纪末，PLC发展了大型机和超小型机;出现了特殊功能模块，可使用于测量温度、压力、位移等场合;生产了多种人机界面单元和通信单元等。目前，PLC在机械制造、冶金钢铁、石油化工等多个领域的应用得到了长足的发展41，42，43。我国最初是将PLC使用在引进设备中，之后不断将PLC的应用范围扩大到各种企业的生产设备及产品中。如今，我国已经可以生产出中小型PLC44。国内众多PLC生产厂家的产品也具备了一定的规模并得到广泛应用。随着我国改革开放进程的不断升入，PLC在我国将具有更加广阔的发展空间。2.3.2 PLC的特点及应用PLC作为工业应用而设计的数字运算操作电子装置。其具有如下特点45。1)具有较高的可靠性和较强的抗干扰能力PLC系统中。一方面可以由半导体电路来完成各种JT?关动作，另一方面，PLC在硬件和软件上均采取了多项抗干扰措施，使得PLC具有较高的可靠性。2)通用性强，适应面广。使用方便PLC都是系列化生产的，品种齐全，组合和扩展起来较为方便，当生产工艺发生改变或设备更新时，用户无须修改硬件只要改变程序就可以满足不同系统的复杂要求，使用更加方便。PLC都是系列化生产的，品种齐全，组合和扩展起来较为方便，当生产工艺发生改变或设备更新时，用户无须修改硬件只要改变程序就可以满足不同系统的复杂要求，使用更加方便。3)编程简单，易学易用。由于多数PLC的编程均采用梯形图语言，直观易懂，用户只需阅读PLC用户手册或简单培训，就可以很快掌握PLC编程方法和技巧，易学易用。4)系统设计、安装、调试方便。与传统继电器系统相比，PLC控制系统无须现场复杂的接线，代之以编程软元件，大大减少了系统繁杂的接线工作，因此，系统设计、安装、调试较为方便。5)体积小、重量轻、功耗低。由于PLC采用了微电子技术，其总体结构紧凑，体积小，重量轻，功耗低。其体积和质量只有通常的接触器大小，是实现机屯一体化的理想控制设备。2.4触摸屏简介GOT(Graphic Operation Terminal-人机界面)是电子操作面板，在其监视屏幕上可完成原需要由操作面板来完成的一些动作，如开关、指示灯和数据显示、信息显示以及其他一些由操作面板执行的操作，它是一种典型的人机交互方式。2.4.1触摸屏的类型及原理1.触摸屏的主要类型按照触摸屏的工作原理可将触摸屏分为以下四种类型:电阻式、红外线式、表面声波式、电容感应式。这也是目前比较成熟的四种触摸屏技术。每一种触摸屏都有其特殊的应用场合，具体应用时应根据其工作原理和特点进行选择。2.触摸屏的工作原理触摸屏的组成如图4所示，包括触摸检测部件和触摸屏控制器。前者用于检测用户触摸位置。后者主要负责从触摸点检测装置上接受触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，同时它能接受CPU发来的命令并加以执行。在上述四种触摸屏中，目前应用最为广泛的是电阻式触摸屏，下面以电阻式触摸屏为例来简要说明触摸屏的工作原理46。电阻式触摸屏由上下叠合的两透明层组成，中间常有弹性材料来隔开。上层为显示屏，下层为电阻薄膜屏。此电阻薄膜屏通常分为两层:一层是由玻璃或有机玻璃构成的基层，其表面涂有透明导电层;基层外面压着经过硬化及防刮处理的塑料层，塑料层内部同样有一层导电层，两个导电层之间是分离的。其原理图如5所示，当用手指或其他物体按压触摸屏表面的压力足够大时，其上下两层相接触，电阻发生变化，触摸屏控制器则根据电阻的具体变化来判断触点的坐标并进行相应的操作。2.4.2触摸屏的特点不同类型的触摸屏因其工作原理不同而具有不同的特点，一般地，触摸屏具有以下主要特点丨47。1)操作简便。只需用手或其他物品轻触屏幕就可以执行相应的命令，实现对应的功能2)界面友好。触摸屏界面信息无须懂得电脑知识，界面简单，适合不同年龄段的人群。3)信息丰富。信息存储量丰富，信息类型复杂，视听皆备。4)响应迅速。系统采用先进的技术，无论数据容量大小，查询相应速度都很快。5)安全可靠。触摸屏开发的系统可以长时间运行，而且可靠性较高，运行稳定;维护容易，系统包括一个与演示系统界面完全相同的管理维护系统，可方便地对数据内容进行增、删、改等管理操作。6)扩充性好。通过数据线，可随时增加系统内容和数据，方便进行联网和多数据库的操7)动态联网。系统根据用户需要可建立各种网络连接。2.5变频器控制方式简介变频器不同的控制方式具有各自不同的控制特性。其常用的控制方式有如下几种481)V/F控制。为了得到理想的转矩-速度特性，V/F控制就是在保证电机磁通不变的情况下改变电源频率来进行调速。这种控制变频器控制方式由于结构非常简单，属开环控制方式，因此它达不到较高的控制特性，在低频时，要改变低频转矩特性仍须通过转矩补偿来实现。2)转差频率控制。此种控制方式就是在V/F控制方式的基础上，按照己知电动机的实际转速对应的电源频率，并根据目标转矩来改变变频器的输出频率，从而使电动机具有对应的输出转矩。因此，它既是一种闭环控制方式，也是一种直接控制转矩的方式。3)矢量控制。此种控制方式就是通过矢量坐标电路控制电机定子电流大小和相位，从而控制电机励磁电流和转矩电流，达到控制电机转矩的目的。目前在应用中用于控制变频器的两种矢量控制方式主要为基于转差频率控制和无速度传感器的矢量控制方式。4)直接转矩控制。此种控制方式就是在定子坐标系下，用空间矢量坐标的概念分析交流电机的数学模型，控制电机的转矩和磁链，通过检测定子电阻大小来达到观测定子磁链的目的，由于它省去了复杂的变换计算，所以系统更加直观、简洁，计算速度及精度都得到提尚。2.6本章小结本章对采煤机液压牵引监控系统开发过程中所用到的几个相关工具:组态软件、PLC以及触摸屏分别进行了介绍，阐述了各自的特点、原理及应用范围。同时简要介绍了变频器的几种控制方式及其各自的优缺点。3监控系统构成3.1监控系统设计方案3.1.1监控系统结构模式设计目前，计算机监控系统常用的结构模式如图6所示。通常可分为三层，即设备层、直接过程控制层和控制管理层(或称信息层)49。每层之间通过通讯网络相互连接，同层各站或車元由本级的通讯网络联系，在此种模式下由于采用了分布式监控预警系统，因此各种不稳定因素被分散到多个控制点上，其中某几个点或主机故障均不会影响其他点的监测，所以，通过这种模式设计的计算机监控系统具有集中管理、分散控制、危险分散及可靠性高等优点。本课题借鉴上述监控模式，结合釆煤机运行的实际特点和运行环境因素，将集散式控制系统和网络技术相结合，综合运用目前工控领域比较流行的触摸屏技术和组态技术，把采煤机液压牵引监控系统分为设备层和监控层。其监控系统结构模式如图7所示。3.1.2监控系统总体功能设计采煤机变转速闭式液压牵引监控系统结合了目前工控界比较流行的三大技术(即触摸屏技术、组态技术和PLC技术)而开发设计的，其目的是对采煤机在井下运行情况进行全面的监控，保证生产安全，提高生产效率。本文设计的采煤机液压牵引监控系统，可实现以下四项功能。1)采集采煤机运行参数通过下位机PLC，对液压牵引系统运行的主要参数进行采集和传送，实现与上位机之间的信息交换，产生运行参数的实时数据库和历史数据库，以便对生产过程进行实时监控。2)对采集数据进行处理系统对于现场PLC采集到的各运行参数，设计了必要的分析、存储和打印功能，对生产运行数据进行加工处理，可产生相应的文件和报表，方便管理人员或工程技术人员进行数据的查询和打印。同时可实现网络发布功能，实现数据资源的网络共享。3)实时监控采煤机运行状态采煤机变转速闭式液压牵引监控系统提供直观的采煤机运行实时监测功能，接收运行参数的实时数据，采煤机运行主要动作的动态直观显示，参数的实时趋势动态显示以及事件报警功能。同时可以输出电压对变频器和电液比例方向阀进行实时控制。4)监控系统组态扩展采煤机变转速闭式液压牵引监控系统是利用组态技术 发设计的应用型系统，通过组态软件自身特有的延续性和可扩展性，可以方便快捷地完成系统地更新和升级。系统的实用性及可扩展性得到了提高，方便系统维护。3.2监控系统方框图设计3.2.1系统监控参数的确定分析图3所示采煤机变转速闭式液压牵引系统原理可知，采煤机运行时有些参数对系统可靠运行起着至关重要作用，如驱动电机运行时由于复杂的实际工况，可能由于温度过高而烧毁电机轴承，因此必须对其进行温度检测保护。电机驱动菜运转后，菜的进出口压力若不稳定将对系统产生一定的冲击，对液压元件性能也会产生较大影响;因此须对粟进出口压力进行测量。同时，马达转速是反应系统运行情况及采煤机采煤效率的重要参数，因此及时准确地获得马达转速对掌握系统运行情况十分重要。同时，为了满足采煤机调速的需要，需要对牵引马达的转速进行控制。因此，该液压系统需要监控的参数主要有:马达进出口压力、主电机轴的温度以及牵引马达的转速等。3.2.2监控系统方框图设计本课题设计的采煤机变转速闭式液压牵引监控系统由设备层和监控层组成，系统结构框图如图8所示。其中，设备层是整个系统的最底层，主要由下位机PLC作为核心部件，一方面通过其扩展的A/D模块完成对主电机轴温度、牵引马达进出口压力、马达转速等参数进行测量;另一方面，通过其扩展的D/A模块完成对电液比例方向阀和变频器的双重控制，来达到复合调节马达转速的目的。监控层也称为管理层，主要由触摸屏开发的现场监控系统和由世纪星组态软件 发的远程监控系统。它是对下位机控制过程的集中管理系统，利用它完成对现场数据的监视，现场操作人员可以利用触摸屏监控系统观测采煤机运转是否正常，同时，工程技术人员或管理人员可通过世纪星监控系统来对现场进行直观的监控。3.3监控系统硬件设计釆煤机变转速闭式液压牵引监控系统主要是由上位机工控机和下位机PLC构成。其中工控机作为世纪星组态软件的运行平台，同时安装了:PLC编程软件及触摸屏编程软件，用于PLC和触摸屏的软件设计。下位机PLC完成按钮、报警等开关量的控制，同时也负责模拟量输入采集和模拟量输出控制。3.3.1 PLC系统选型及系统硬件连接图设计1.监控系统的I/O点及地址分配根据采煤机变转速闭式液压牵引系统原理图统计监控系统输入输出信号的名称及地址编号如表1所示。监控系统共有开关量输入点15个，开关量输出点12个;模拟量输入点3个、模拟量输出点2个。2.PLC系统选型在进行PLC系统选型时，应把握两个主要依据:一是工艺流程的特点;二是控制系统的应用要求。所选用的PLC应该是成熟可靠易于扩展的，与其配套的相关设备也应该是通用标准的。在详细分析采煤机液压牵引系统的原理及控制要求的基础上，根据估算的输入输出点数、PLC存储器容量、PLC控制功能并结合经济性的考虑，论文中选择主机单元为三菱FXifr60MR台、模拟量输入扩展模块FX2N-4AD 一台、模拟量输出扩展模块FX2N-2DA 台构成PLC系统。整个PLC系统的组成如图9所示。1) 主机单元PLC主机单元选用的是三菱FXm-60MR，如图10所示。它是具有36点输入、24点输出，高达60点控制，输出类型为继电器型。由于三菱FXm-60MR-001具有对于输入/输出、通讯/链接以及逻辑控制功能的可扩展性，因此它具有较为广泛的应用范围。FXin-60MR存储器为EEPROM，容量为2K，不需要电池，免维护;CPU具有较高的运算处理速度，可达0.55?OJiS/基本指令;它把优良的特点都融合进一个很小的控制器中，适用于最小的封装，并且能通过串行通信传输数据;同时还集合定位和脉冲功能、内置24V直流电源、在线程序编辑功能等诸多功能于一体。同时，三菱FX1N-60MR还具有以下主要特点:结构灵活;传输质量高、速度快、带宽稳定;范围广;成本低;适用面广等。2)模拟量输入模块系统中选用FX2N-4AD特殊功能模块来采集马达进出口压力、温度等模拟量信号。FX2W-4AD特殊功能模块如图11所示。FX2N-4AD是由三菱公司推出的，具有四个通道CH1?CH4，每个通道都可进行模数转换，转换速度为6?15ms。分辩率为12位，采集信号根据信号类型的不同而定，当为电压输入时为-10V+10V，分辩率5mV;电流输入时为420mA或-2020mA，分辩率20uA，总体精度1%。FX2N-4AD内部有32个用于与主机交换数据的16位缓冲寄存器(BMF)。三菱FX2N-4AD模块的配线方式如图12所示，FX2N-4AD通过扩展电缆与PLC主机相连，FX2N-4AD模块的通道接线方式根据外部的输入信号类型的不同而不同。具体应用时应注意以下几点52:(1)当外部输入为电压信号时，须将输入信号的+、-极分别和该模块V+和VI-相连;(2)当外部输入为电流信号时，则须将V+和1+相连;(3)当干扰信号较多时，须将系统机壳的FG端和FX2N-4AD的接地端相连。3)模拟量输出模块系统中选用FX2W-2DA特殊功能模块来输出模拟信号来达到控制变频器和电液比例方向阀，从而改变牵引马达转速的目的。FX2N-2DA特殊功能模块如图13所示。FX2N-2DA是三菱电机公司推出的一款模拟量输出模块，可用来将12位的数字值转换成2点模拟量输出(电压输出或电流输出)，并将他们输入到PLC中。它是三菱电机公司推出的一款模拟量输出模块，有CH1?CH2两个通道，每个通道都可进行DA转换，两个模拟输出通道可输出信号为0到10V DC，0到5V DC，或4到20mA。也可进行电压电流混合输出。分辨率为2.5mV (0到10VDC)和4uA (4 到 20rnA) 52。三菱FX2N-2DA模块的配线方式如图14所示，FX2N-2DA通过扩展电缆与PLC主机相连，模块通道的外部连接则随外部输入信号类型的不同而不同。具体应用时应注意当电压输出存在波动或有大量噪声时，应进行降噪处理。3.系统硬件连接图设计在确定了监控系统核心部件PLC及其扩展模块后，结合监控系统的总体功能要求，设计系统的总体硬件连接如图15所示。PLC控制系统主要由输入部分和输出部分构成;按信号类型可分为模拟信号和数字量JT?关信号。其中输入部分又可以分为数字量输入和模拟量输入，这里主电机轴温度、马达进出口压力都由PLC的模拟量输入模块进行采集，并通过模拟量输出模块去控制变频器和电液比例方向阀。高速计数端口 X0用于PLC采集马达转速信号，X4和X5用于控制主电机的启动、停止及正反转，X12用于控制补油电机的启动与停止。另外，为了使系统具有更强的扩展功能，大部分变频器都具有设置多段转速的功能。为使该监控系统能应用于其他不需要连续改变转速场合时，文中设计时利用变频器的三点开关量输入信号，用于控制变频器的8段转速，这些转速则由变频器的参数进行设置，属于变频器内部控制方式。PLC输出部分主要有数字量输出和模拟量输出，数字量输出主要包括一些电机控制信号和变频器调速方式选择，系统压力、转速信号超限报警，以及变频器故障指示等;模拟量输出模块用于进行速度调节，一方面通过控制电液比例方向阀的开度大小来实现阀控调速，另一方面通过控制变频器电压来实现变频调速，同时也可以实现液压牵引系统阀控和变频调控联合的复合调速。3.3.2压力传感器选择马达进出口压力的采集选用矿用本安型压力传感器，其型号:BWS-GYD60-Y2，如图 16 所示。该型传感器使用BWS-CYB-10S离子束溅射薄膜压力传感器为敏感元件，和电子线圈做成一体化结构，输出为4?20mA电流信号，适合矿用系统配套。此种压力传感器在煤矿检测系统釆集信号压力时广泛应用。该型传感器为全不锈钢圆柱型结构，具有体积小、精度高、安装使用方便等特点，是替代进口压力传感器的理想选择。其技术性能参数如表2所示。它具有较好的抗干扰特性、适用于一些恶劣环境，可承受500W AC工频耐压测试;体积小、重量轻直接过程安装;为全不诱钢结构，具有抗振动、抗冲击、耐腐烛特性;压力范围较宽，可适用高、低压区的测量;精度高:可达0.25%FS，稳定性好:每年优于0.2%FS;温度漂移小，受温度的影响小。3.3.3马达转速测量电路设计1.速度传感器的选择编码器是目前工控项目中用于速度测量比较广泛的一类传感器。根据实验室现有条件，本课题设计中选用上海精浦机电有限公司生产的GI60 R1024 E210 LB增量型编码器如图17所示。该型传感器为高轴承载荷及防护等级，信号传输距离可达200米;5V差分驱动信号输出;无螺丝一次机伍密封，IP65高防护等级;实用性强，广泛用于各种机械及工业控制。其主要特性参数如表3所示。2.编码器信号处理电路设计由于GI60增量型编码器为5V差分信号输出，PLC不能直接接收编码器的输出信号，与该编码器在电气接口上存在不兼容，因此需将编码器的输出进行放大并转换为可供PLC计数的方波信号。这里，选用NPN外延型三极管9013并配以外部电阻设计了简单的信号转换电路，从而保证编码器输出信号能被PLC正确采集，其马达转速测量电路如图18所示。3.3.4温度测量电路设计1.温度传感器的选择主电机轴的温度测量选用具有正温度系数的热敏电阻传感器PtlOO。PT100的电阻和温度之间存在一定的函数关系，是一种应用较为广泛的测温元件，它在-50度650度范围内具有较高的精度、良好的稳定性和较强的抗千扰能力等。其温度测量基本思想如图19所示，即通过PT100获得电阻信号，经温度变送器转换为标准420mA电流信号，经PLC特殊功能模块FX2N-4AD进行模数转换后，以数字量的形式送给PLC进行处理。可见PtlOO在0?100摄氏度范围内时具有非常好的线性度，其阻值表达式可近似为:RPtl00=100x (1+At)，当温度变化1摄氏度，RPtl00阻值近似变化0.39欧。根据电路中实测的AD值经过PLC和世纪星的数据处理后可计算出温度值。2.温度测量电路设计PLC特殊功能模块FX2N-4AD输入为标准的电流信号或电压信号，而温度传感器输出为电阻信号，要使两者匹配，必须将电阻信号经热电阻温度变送器转换为标准电流或电压信号。本文选取国产GDT-180热电阻温度变送器，如图20所示。GDT-180为二线制热电阻温度变送器，可将PtlOO或Cu50热电阻输入变换成标准的直流电流信号(4?20mA)输出。其输出电流与被测温度成线性关系，精度20%。GDT-180热电阻温度变送器接线电缆选用横截面积0.5?2.5_2的单股电缆， 用3_的螺钉紧固。温度测量电路设计如图21所示。3.3.5触摸屏的选择触摸屏种类繁多，根据触摸屏?的性能指标及各自的适用范围，本文在设计中选用三菱公司生产的A%OGOT作为与采煤机相连的触摸屏设备，实验中结合实验室的现有条件选用的是F930GOT进行实验研究，它们各自主要性能见表4所示，其实物如图22所示。采用触摸屏与采用计算机相比，其最大的区别表现在两个方面:一是无需编写专门用于PLC和触摸屏之间的通讯程序;二是触摸屏人机界面的开发采用的是组态方式，不需要编写程序，简单方便I53】。触摸屏与电脑及PLC的硬件连接如图23所示。3.4监控系统软件开发平台无论多么复杂的硬件系统，其功能的实现都离不开软件系统的支持。本课题设计中运用到的几个软件主要