（机械电子工程专业论文）采煤机变转速闭式液压牵引监控系统设计.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g d e s i g no f v a r i a b l es p e e dc l o s e dh y d r a u l i ct r a c t i o n m o n i t o r i n gs y s t e mf o rs h e a r e r c a n d i d a t e ：z h a n g c h u a n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rp e n g t i a n h a o d e p a r t m e n to f m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g a n t t u iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y n o 16 8 ，s h u n g e n gr o a d ，h u a i n a n ，2 3 2 0 01 ，p r c h i n a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得蔓 筮理王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名： 纽2 ：! 1日期：丝年么月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀墨王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞邀壅王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位豁文作者签名：渺1 签字日期：加胗年乡月j 日 导师签名： 签字日期：如肛年么月多日 摘要 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。采煤机监控系统作为采煤机自动化水平的重要标志， 其开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、p l c 、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p l c 系统构成现场层，世纪星监控系统构 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，开发 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p l c 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 可以满足采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。 图 5 7 】表 6 参 5 6 】 关键词：采煤机；监控系统；世纪星组态软件；p l c ；触摸屏 分类号：th 1 3 7t d 4 2 1 6 + 3 ； a b s t r a c t a b s t r a c t a ut h ec o u n t r i e si nt h ew o r l di no r d e rt om a k ef u l lu s eo fc o a lr e s o u r c e s ，a r e c o n s t a n t l yu p g r a d i n gs h e a r e r ，s h e a r e r st e c h n i c a lp e r f o r m a n c eh a v eb e i n gi m p r o v e d m o n i t o r i n gs y s t e ma ss h e a r e ra u t o m a t i o nl e v e li m p o r t a n ts y m b o l ，i t sd e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o nh a sb e e nh i g h l yv a l u e db yt h e s h e a r e r sm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s ， u n i v e r s i t i e sa n dr e s e a r c hi n s t i t u t e s t h ev a r i a b l es p e e dc l o s e dh y d r a u l i ct r a c t i o ns y s t e mw h i c hp u tf o r w a r db ya u t h o r s r e s e a r c hg r o u pi st h er e s u l t so ft e c h n o l o g i c a lt r a n s f o r m a t i o nf o rt h et r a d i t i o n a ls h e a r e r h y d r a u l i ct r a c t i o ns y s t e m ，i th a ss i m p l es t r u c t u r e ，g o o de n e r g y s a v i n ge f f e c t ，e x c e l l e n t c o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c sa n ds oo n i no r d e rt oi m p r o v et h ea u t o m a t i o nl e v e lo fs y s t e m ， t h i sp a p e rs p e c i f i ct ot h i ss y s t e md e s i g n e das e to fm o n i t o r i n gs y s t e m ，u s i n gt h et o u c h s c r e e n ，p l c ，a n dt h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h el a y e r e dd e s i g ni d e a , i n a c c o r d a n c ew i t ht h el o w e rp o s i t i o nm a c h i n es t r u c t u r e ，t h em o n i t o r i n gs y s t e mi sd i v i d e d i n t ot h ef i e l dl a y e ra n dm a n a g e m e n tl a y e r ，t h et o u c hs c r e e na n dp l cs y s t e mc o n s t i t u t e t h ef i e l dl a y e r ，c e n t u r ys t a rm o n i t o r i n gs y s t e mc o n s t i t u t et h em a n a g e m e n tl a y e r t h i s p a p e ra n a l y z e dt h es t r u c t u r ep r i n c i p l eo fv a r i a b l es p e e dc l o s e dh y d r a u l i ct r a c t i o nf o r s h e a r e r ，c o l l e c tr e l a t e dm o n i t o r i n gp a r a m e t e r s ，d e s i g n e dt h eh a r d w a r es y s t e m ，a n d s e l e c t e dt h eh a r d w a r em o d u l e ，d e v e l o p e dt o u c hs c r e e nm o n i t o r i n gs y s t e ma n dt h e c e n t u r ys t a rm o n i t o r i n gs y s t e m d e s c r i b e dt h eg e n e r a ls t e p so fd e s i g n i n gm o n i t o r i n g s y s t e m ，a n de x p l a i n e dt h ek e yo fs y s t e mi nd e t a i l ，w i l t e dp l cp r o g r a mb yu s i n gt h e l a d d e rd i a g r a ml a n g u a g e ，a n de x p l a i n e dt h em a i np r o g r a mi nd e t a i l 。 i no r d e rt ov e r i f yt h er e l i a b i l i t yo ft h em o n i t o r i n gs y s t e m ，t h i sp a p e ru t i l i z e dt h e h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o ne x p e r i m e n tp l a t f o r mf o rt h es y s t e mo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e c o m b i n e d 、i t hs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，m a i n l yc o m p l e t et h es h e a r e rs p e e dr e g u l a t i o n e x p e r i m e n t ，s i m u l a t i o ne x p e i l m e n ta n ds h e a r e rc o n s t a n tp o w e rc o n t r o l s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s f r o mt h es y s t e mr u n n i n gs i t u a t i o n ，t h i ss y s t e ma c h i e v et h eg o a lo f m o n i t o r i n gf o rt h ev a r i a b l es p e e dc l o s e dh y d r a u l i ct r a c t i o ns y s t e m ，t ot h es a m et y p eo f t h eh y d r a u l i cs y s t e mo re n g i n e e r i n g m a c h i n e r ym o n i t o rh a sac e r t a i nr e f e r e n t i a l s i g n i f i c a n c e f i g u r e 5 7 t a b l e 【6 r e f e r e n c e 5 6 一i 一 安徽理工大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：s h e a r e r ，m o n i t o r i n gs y s t e m ，c e n t u r y s t a rc o n f i g u r a t i o ns o , w a r e ，p l c ，t o u c h s c r e e n c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t h l 3 7t d 4 2 1 6 + 3 ： 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i 引言1 1 绪论3 1 1 采煤机发展历程3 1 2 采煤机结构及工作原理4 1 3 课题研究概况5 1 3 1 课题来源5 1 3 2 课题研究背景5 1 3 3 课题研究内容及意义6 1 4 本章小结7 2 课题研究对象及相关工具简介9 2 1 课题研究对象简介9 2 2 组态软件简介1 0 2 2 1 组态软件的功能1 0 2 2 2 组态软件的特点1 0 2 2 3 几种典型组态软件介绍1 1 2 3p l c 简介1 2 2 3 1 p l c 发展过程1 2 2 。3 2p l c 的特点及应用1 2 2 4 触摸屏简介1 3 2 4 1 触摸屏的类型及原理1 3 2 4 2 触摸屏的特点1 4 2 5 变频器控制方式简介15 2 6 本章小结1 6 3 监控系统构成1 7 3 1 监控系统设计方案1 7 3 1 1 监控系统结构模式设计17 3 1 2 监控系统总体功能设计1 8 3 2 监控系统方框图设计1 8 3 2 1 系统监控参数的确定1 8 安徽理工大学硕士学位论文 3 2 2 监控系统方框图设计1 9 3 3 监控系统硬件设计2 0 3 3 1 p l c 系统选型及系统硬件连接图设计2 0 3 3 2 压力传感器选择2 4 3 3 3马达转速测量电路设计2 5 3 3 4 温度测量电路设计2 6 3 3 5 触摸屏的选择2 8 3 4 监控系统软件开发平台2 9 3 4 1 三菱p l c 编程软件2 9 3 4 2 触摸屏编程软件3 0 3 4 3 世纪星组态软件31 3 5 本章小结31 4 监控系统软件设计与开发3 3 4 1 监控系统软件设计目标3 3 4 2 世纪星监控系统设计3 3 4 2 1使用世纪星组态软件开发工程的一般步骤3 3 4 2 2 建立监控系统工程3 4 4 2 3 世纪星与p l c 通讯设置3 7 4 2 4 建立监控系统画面3 8 4 2 5 组态数据库设计4 2 4 2 6 监控系统动画连接4 4 4 2 7 监控系统安全管理4 5 4 2 8 监控系统w e b 发布4 6 4 3 触摸屏监控系统设计4 8 4 3 1 使用触摸屏的一般步骤4 8 4 3 2 触摸屏绘图前的通用设置4 9 4 - 3 3 创建屏幕并设置对象4 9 4 3 4 连接通讯并执行监视51 4 4 p l c 程序设计5 2 4 4 1 数据采集程序设计5 2 4 4 2 数据控制程序设计5 4 4 5 本章小结5 5 目录 5 监控系统软硬件联合模拟实验5 7 5 1 实验平台简介5 7 5 2 监控系统模拟实验5 9 5 2 1 监控系统实验准备5 9 5 2 2 监控系统实验步骤6 2 5 2 3 监控系统模拟实验6 2 5 3 本章小结6 7 6 总结与展望6 9 6 1 全文总结6 9 6 2 展望7 0 参考文献7 1 附录a 监控系统运行主界面7 4 致谢7 5 作者简介7 6 读研期间主要科研成果7 6 安徽理工大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t i i n t r o d u c t i o n 1 1p r e f a c e 3 1 1 d e v e l o p m e n tp r o c e s so fs h e a r e r 3 1 2s t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo f s h e a r e r 4 1 3r e a s e a r c hs i t u a t i o no f t h ep a p e r 5 1 3 1r e s o u r c eo f t h ep a p e r 5 1 3 2 b a c k g r o u n do f t h ep a p e r 5 1 3 3c o n t e n t sa n ds i g n i f i c e n c eo f t h ep a p e r 6 1 4b r i e fs u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 7 2b r i e f i n t r o d u c t i o no f t h eo b j e c to f s t u d ya n dr e l a t e dt o o l s 9 2 1b r i e f i n t r o d u c t i o no f t h eo b j e c to fs t u d y 9 2 2b r i e fi n t r o d u c t i o no fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 10 2 2 1f u n c t i o no fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 10 2 2 2f e a t u r eo f c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 1 0 2 2 3b r i e fi n t r o d u c t i o no fs e v e r a lt y p i c a lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 11 2 3b r i e f i n t r o d u c t i o no f p l c 1 2 2 3 1 d e v e l o p m e n tp r o c e s so f p l c 1 2 2 3 2f e a t u r ea n da p p l i c a t i o no f p l c 1 2 2 4b r i e f i n t r o d u c t i o no f t o u c hs c r e e n 1 3 2 4 1 t y p ea n ds t r u c t u r eo f t o u c hs c r e e n 1 3 2 4 2 f e a t u r eo f t o u c hs c r e e n 1 4 2 5b r i e fi n t r o d u c t i o no fw a y st oc o n t r o li n v e r t e r 15 2 6 b r i e f s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 1 6 3 c o m p o s i t i o no f m o n i t o r i n gs y s t e m 1 7 3 1 d e s i g no f m o n i t o r i n gs y s t e mp r o g r a m 1 7 3 1 1 d e s i g no f m o n i t o r i n gs y s t e ms t r u c t u r em o d e l 1 7 3 1 2 d e s i g no f m o n i t o r i n gs y s t e mo v e r m lf u n c t i o n 1 8 3 2 d e s i g no f m o n i t o r i n gs y s t e mb l o c kd i a g r a m 18 3 2 1d e t e r m i n a t i o no fs y s t e mm o n i t o r i n gp a r a m e t e r s 1 8 3 2 2 d e s i g no f m o n i t o r i n gs y s t e mb l o c kd i a g r a m 1 9 目录 3 3h a r d w a r ed e s i g no f m o n i t o r i n gs y s t e m 2 0 3 3 1s e l e c t i o no fp l cs y s t e ma n dd e s i g no fh a r d w a r ec o n n e c t i o nd i a g r a m2 0 3 3 2s e l e c t i o no f p r e s s u r es e n s o r 2 4 3 3 3 d e s i g no f m o t o rs p e e dm e a s u r i n gc i r c u i t 2 5 3 3 4 d e s i g no f t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tc i r c u i t 2 6 3 3 5s e l e c t i o no f t o u c hs c r e e n 2 8 ：；4 m o n i t o r i n gs y s t e ms o f t w a r ep l a t f o r m 2 9 3 4 1m i t s u b i s h ip l c p r o g r a m m i n gs o f t w a r e 2 9 3 4 2t o u c hs c r e e np r o g r a m m i n gs o f t w a r e 3 0 3 4 3t h ec e n t u r ys t a rc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 31 3 5b r i e f s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 31 4 d e s i g na n dd e v e l o p m e n to f m o n i t o r i n gs y s t e ms o f t w a r e 3 3 4 1 d e s i g nt a r g e to fm o n i t o r i n gs y s t e ms o f t w a r e 3 3 4 2 d e s i g no f c e n t u r y s t a rm o n i t o r i n gs y s t e m 3 3 4 2 1g e n e r a ls t e p so fu s i n gc e n t u r y s t a rc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 3 3 4 2 2e s t a b l i s h m e n to f m o n i t o r i n gs y s t e me n g i n e e r i n g 3 4 4 2 3c o m m u n i c a t i o ns e t t i n g so f c e n t u r y s t a rw i t hp l c 3 7 4 2 4e s t a b l i s h m e n to f m o n i t o r i n gs y s t e mp i c t u r e 3 8 4 2 5 d e s i g no f c o n f i g u r a t i o nd a t a b a s ed e s i g n 4 2 4 2 6 d y n a m i cc o n n e c t i o no f m o n i t o r i n gs y s t e m 4 4 4 2 7 s e c u r i t ym a n a g e m e n to f m o n i t o r i n gs y s t e m 4 5 4 2 8w e b p u b l i s h e do fm o n i t o r i n gs y s t e m 4 6 4 3 d e s i g no f t o u c hs c r e e nm o n i t o r i n gs y s t e m 4 8 4 3 1g e n e r a ls t e p so f u s i n gt o u c hs c r e e n 4 8 4 3 2t o u c h - s c r e e nu n i v e r s a ls e tb e f o r ed r a w i n g 4 9 4 3 3c r e a t es c r e e na n ds e to b j e c t 4 9 4 3 4 c o n n e c tc o m m u n i c a t i o na n de x e c u t em o n i t o r i n g 51 4 4 p r o g r a md e s i g no f p l c 5 2 4 4 1 d e s i g no f d a t aa c q u i s i t i o np r o g r a m 5 2 4 4 2 d e s i g nd a t ac o n t r o lp r o g r a m 5 4 4 5b r i e fs u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 5 5 5h a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o s i m u l a t i o ne x p e r i m e n to fm o n i t o r i n g s y s t e m 57 安徽理：i j 大学硕+ 学位论文 5 1b r i e f i n t r o d u c t i o no f e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m 5 7 5 2s i m u l a t i o ne x p e r i m e n to fm o n i t o r i n gs y s t e m 5 9 5 2 1 e x p e r i m e n t a lp r e p a r a t i o no f m o n i t o r i n gs y s t e m 5 9 5 2 2 e x p e r i m e n t a lp r o c e d u r eo f m o n i t o r i n gs y s t e m 6 2 5 2 3s i m u l a t i o ne x p e r i m e n to f m o n i t o r i n gs y s t e m 6 2 5 3b r i e fs u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 6 7 6c o n c l u s i o na n d p r o s p e c t 6 9 6 1 p a p e rc o n c l u s i o n 6 9 6 2 p r o s p e c t 7 0 r e f e r e n c e 7 1 a p p e n d i xam a i ni n t e r f a c eo f m o n i t o r i n gs y s t e m 7 4 a c k n o w l e d g e m e n t s 7 5 r e s u m eo f a u t h o r 7 6 r e s e a r c ha c h i e v e m e n ta tt h em a s t e r sd e g r e ep e r i o d 7 6 引言 引言 采煤机变转速闭式液压牵引系统是对传统采煤机液压牵引系统的技术改造的 结果，较之于原牵引系统具有结构简单、节能效果好、控制特性优等优点。尽管 国内外相关科研人员对采煤机监控系统都进行了广泛研究，成效显著，尤其在电 牵引采煤机监控方面发展更为成熟。但由于此系统属于首次提出，为进一步提高 系统自动化水平，也为了提高其实用价值，本文旨在针对此系统利用组态软件、 触摸屏和p l c 等相关技术联合设计一套采煤机变转速闭式液压牵引监控系统，并 利用学院液压传动综合实验台验证系统运行情况。 本课题在设计过程中以突出实效为原则，以安全可靠、方便扩展为目标，按 先下位机后上位机的顺序从易到难逐一设计。本监控系统对煤矿企业的安全、高 效生产可起到一定的指导作用，带来较大的经济和使用效益，同时对于相关领域 监控系统的开发也将具有一定的借鉴和指导意义。 原书空白页 不缺内容 第1 章绪论 11 采煤机发展历程 l 绪论 世界各国的能源消耗量自二十世纪以来大幅增长。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”i 。据中国经济报告报道，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，2 0 0 9 年能源消费结构图如图 1 所示。 嫠侉7 0 6 。臻 “8 猃臻藕i u 黻弋“_ 安徽理 大学硕士学佩论文 发出交流电牵引采煤机。 我国于1 9 5 2 年购进并使用原苏联生产的世界上第一台采煤机。随后，国内采 煤机经历了j 哒迸与仿制、消化与研制、逐步成熟与发展的三大阶段【7 ”。目前，巾 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8 0 01 2 0 0 k w 。典型 的采煤机生产企业如上海分院、西安煤机厂、太原矿l u 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。2 0 0 1 年大倾角电牵引 采煤机和2 0 0 2 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f 9 】。 12 采煤机结构及工作原理 采煤机主要用来实现落煤和装煤，目前应用晟广的足滚筒式采煤机。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。 1 ，弧形挡煤扳2 壤筒3 - 臂靴4 截割部减速箱5 一调斜油缸6 一牵引部7 调高油缸8 牵引链 9 一底托架1 0 - 电气控制箱i1 - 电动机1 2 - 捅臂1 3 托缆装置 图2 双滚筒采煤机结构图 f i 9 2 t h e s t r a c t u r eo f t h ed o u b l er o l l e rs h e a r e r 取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1 l 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，当需要牵引运动叫，电动 机带动链轮转动，通过链轮与牵引链的啮合使采煤机治运输机j f 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1 2 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铲煤板上。调 第1 章绪论 高液压缸7 用来调节摇臂的升降，从而调节采煤机的采高。调斜液压缸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1 3 中。电气控制箱1 0 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 0 , 1 1 , 1 2 。 1 3 课题研究概况 1 3 1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金资助项目“变转速泵控马达调速系统应用基 础研究”( 基金号：5 0 8 7 5 0 0 1 ) 和安徽省教育厅产学研重点项目“采煤机变转速液 压牵引系统研究”( 基金号：k j 2 0 1 1 a 1 0 0 ) 。 1 3 2 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