（电力电子与电力传动专业论文）采煤机监控系统的研究与设计.pdf

s u b j e c t ：t h es t u d ya n dd e s i g , , o fs u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mu s e d o u s h e a r e r s p e c i a l t y ：p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e r d r i v e s n a m e ：z l a a n g y i( s i g 姗t i i 旧丝丝! ： i n s t r n c t o r ：s u nl o n g j i e ( s i g n a t u a b s t r a c t s h e a r e ri sam a j o rm i n ee q u i p m e n t , a n di tw i l lh a v ead i r e c ti m p a c to nt h el l o r m a l o p e r a t i o no ft l a ee n t i r em i n es a f e t ye c o n o m i ce f f i c i e n c y s o , 印e e dc o n t r o lo f t h es l a e a r e f , a n d c e n t r a l i z e de o n 缸o le v e l lr e m o t ec o n t r o lo ft h el o c a lh o s ti sv e r yn e c e s s a r y a c c o r d i n gt ot h e o p e r a t i o n a lf e a t u r e so f e l e c t r i c a li f a c t i o ns h e a l 盯a n ds h o r t c o m i n g si nt h eo p e r a t i o n , s u c ha si t h a sn o tw i d em g eo fl l a c t i o nm o t o rs p e e d , c o n t r o lp r e c i s i o nn o tw e l l ，删d e v i c ef a i l u r e e t c t h eu s i n go f d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) t e c h n o l o g yt oa d d r e s st h e s ed e f i c i e n c i e si sp u t f o r w a r d a ni n - d e p t hs t u d yo f d t ct e c h n o l o g ya l s ot h e 哪b e ds e n s o r l e s st e c h n o l o g yh a sb e e n d o n e t h e nd e s i g n e das p e e ds e n s o r l e s si ) t c 掣毗锄o fi n d u c t i o nm o t o r , a n dc m s t 叫忒e dt h e d i r e c tt o r q u ee o n l r o lt h r o u g hm a t l a bs i m u l a t i o ns y s t e m s i m u l a t i o nr e s u l t so f d i r e c tt o r q u e c o n t r o lt e e l m i q u ec 缸b eu s e di nt h ep r o c e s so f s o l v i n gt h el a c ko f m l c t i o ns h e a r e r 1 1 l i sp a p e ru s i n ga c s $ 0 0l l l u l s d l l c e tc o m b i n ew i t hm i t s u b i s h ip l cd e s i g n e dl o c a l c e n t r a l i z e dc o n t r o ls y s t e mo fas h e a r e r r e a l i z e ds h e a 撒t l a e t i o nm o t o l t f o rt h ed i r e c tt o r q u e c o n t r o l ，c u t t i n gm o t o ra n dt h ep u m pm o t o rc o n t r o ll o g k 1 kd e s i g np r o g r e s so f t l a ec o n t r o l s y s t e mi s 锄| a l 弦矧i nd e t a i l , m o r e o v e r , t h ep l c s o t t w m - ei sc o m p i l e d s h e a r e rp a s s e dt h et e s t a c h i e v e dt h ed e s i r e do p e r a t i o no f t l a ec o n t r o lf u n c t i o na n de o i i t r 0 1 c e n t r a l i z e dc o n l a o lo f t l a el o c a ls h e a r e ra l s oa c h i e v e d0 1 1t h eb a s i so f r e a l - t i m em o n i t o r i n ga n d l e l n o t em o n i t o r i n go f t h ep c ，s h e a r e rm a d eu pf o rr c n l o t em o n i t o r i n go f i n t e r n a lg a p s i nt h i s p a p e r , 啦t h eo n b o a r di p cr e a l - t i m ea c 嚣t od a t af r o mt h et r a n s d u c , e l a n dp l c ，d i s p l a y t h r o u g ht h es c r e e n , t h e nt h r o u g haw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nl i n kt ou p l o a dd a t af r o mt h e i n d u s t r i a lc o m p u t e re o n t r o ! c , e , a t e r 协也eg r o u n d s i m i l a r 埝t h em o n i t o r i n ge o n l r o lc e n t e ri n t h ew o r k st om a k er e 蛆- t i m ed a t an x e 嘲s l a o w e ds h e a r e r , a n dn l d l 【er e a l - t i m es t a t e m e n t 髯 h i s t o r i c a lc u r v e ，d a t a b a s es e a r c hf u n c t i o n , a f t e rs h e a r e r sf a i l u r et op r o v i d eac o n v e n i e n t a n a l y s i s ，c o - o r d i n a t i o na n dm a n a g e m e n t r e m o t ed i a g n o s i sc e n t e ra c c e s st ow e l l sc e n t e r t h r o u g hh t e m e t , r e a l i z er e m o t ed i a g n o s t i c sa n dd a t as t o r a g e f i n a l l y , t h es h e a r e rl o c a la n dr e m o t em o n i t o r i n go fs o f t w a r ea n dh a r d v c a r es y s t e m sf o r t h e j o m td e b u g g i n g , t e s t i n gr e s u l t sa r eg i v e n k e yw o r d s ：s h e a r e r d h - e c tt o r q u ec o n t r o ls i m u l a t i o n r e m o t ec o n t r o l t h e s i s w l a n ：a p p l i e dr e s e a r c h 压妻拜技史学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：别巳翌 日期：研7 伊形 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，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西安科技大学。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电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：别匕鲮 f 一 指导教师签名：占口1 - e , - o 尘 刃年7 1 拶日 l 绪论 1 绪论 1 1 课题的提出及意义 采煤机是煤矿井下的重要设备之一，运行在矿井最深处的综采面上，是采煤系统的 机头部分，它的运行状况正常与否直接影响着整个煤矿的安全、经济效益。因此要求采 煤机不但要有很好的调速性能，使其高效运行，还要具有很高的可靠性和较长的使用寿 命高调速性就是要使用先进的控制手段和控制方法；可靠性的提高除不断改进产品本 身的制造质量外，更主要的就是对采煤机的运行状态进行实时监控、实时显示并及时对 故障进行诊断和预报，及时掌握采煤机的运行状态，随时发现采煤机的故障点以便对采 煤机进行快速维护，根据运行情况对采煤机进行实时调节，使采煤机经常处于最佳运行 状态。这样就可大大提高采煤机的采煤效率、可靠性和开机率，并降低操作人员的劳动 强度。采煤机本地集中控制和远程监控系统的研究是近年来人们一直关注的课题。目前 在国外已有比较完善的计算机监控系统应用于采煤机，但引进国外的采煤机监控系统又 有一个致命的弱点，就是人机界面为英文模式，这给操作者带来诸多不便。在国内，采 煤机监控系统的使用，正处于研究阶段，本文正是对机载计算机集中实时监控系统和采 煤机远程监控系统进行了探讨。 对于采煤机本地集中控制方面进行了改进和创新。现在大部分采煤机都已实现了 p l c 的逻辑控制，p l c 的应用提高了设备的抗干扰能力和控制灵敏度，有些也利用了变 频器对采煤机进行变频调速控制，但对于采煤机的变频调速的理论研究和应用还处于初 级阶段，不够深入，使用的控制理论不够先进，因此造成调速的精度不高，调速范围小， 对于采煤机在大坡度采煤和行进时不能达到要求。本控制系统利用当前先进的直接转矩 控制理论，采用一台三菱p i _ c 和两台“一拖一”a c s $ 0 0 变频器实现采煤机的调速控制， 弥补了以往采煤机控制精度不高、调速范围小的缺点和牵引电机的负荷平餐问题。 此外，我国矿井工人技术相对薄弱，对现代化设备和技术一般掌握不够全面，当设 备出现故障时的不操作、误操作都将会对设备或自身造成损失和伤害，至此，在采煤机 的生产厂家建立对采煤机的远程监控的诊断服务器成为解决这一难题的有效手段，通过 建立远程诊断服务器使厂家的技术人员对采煤机进行远程的登录监视，实现对采煤机的 远程监视与控制，或者远程发现现场设备的故障点，通过电话等通信手段直接与现场工 人联系，进行指导操作。这样大大节省了故障排除的时间，提高了矿井的生产效率和安 全保证。对于大一些的故障点，厂区技术人员可以通过故障画面、实时信息、历史信息 等对故障进行会商诊断，作出解决决策，及时派人到现场处理也能快速地对故障进行捧 除。同时，维修人员可以在任何地点通过i n t e m e t 登录远程服务器，进行远程诊断及了 西安科技大学硕士学位论文 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i _ 昌i _ 掌i _ _ _ _ _ _ _ - 一 解设备故障、及时排除故障；这样采煤机生产厂家也便于收集采煤机出现的故障原因， 根据故障分析及时改良设备。因此对采煤机进行监控无论是对煤矿的高效、安全开采还 是对采煤机的生产改良都具有重大的意义。 1 2 国内外研究现状 当前采煤机调速控制所有的控制理论和控制手段也大都比较传统，多使用恒压频比 和矢量控制等变频调速措施，这些控制方法都存在着不同程度的缺陷，恒压频比在恒转 矩调速时，低速段电动机的过载倍数大为降低，甚至不能带动负载1 2 j ；矢量控制方法又 比较复杂，要经过多次坐标变换，而且控制精度受转子参数变化的影响很大。此外，采 煤机的调速控制也多使用速度反馈的变频调速控制。从表面上看，速度反馈能增加控制 精度，实际则不然，有速度反馈就要增加速度传感器和反馈回路，元器件的增加势必增 加故障点，井下恶劣的环境、强烈的电磁干扰，都会给速度反馈回路带来预测不到的困 难。对于采煤机的监控功能来说。当前煤矿井下工作面普遍使用电牵引采煤机自身携带 的p l c 显示器来监视采煤机运行时的电流、电压、速度、温度和故障显示等内部参数，4 开车人员进行现场的监视并对故障点进行及时操作，而且采煤机监控系统的上位机监控 画面不直观，更没有实时报表、历史曲线、数据库查询等功能，为以后对采煤机的故障 分析和统筹管理带来很大的不便，这在一定程度上也阻碍了生产调度人员协调全矿生产 情况和处理事故等能力的有效发挥。在国内，采煤机参数实时地向地面传输如今在同行 业里仍不够成熟，技术上还存在缺口。严格意义上说，目前还没有一种国产采煤机能够 实现远程通讯或远程监控和集中控制相结合的功能。 一 在国外，一些矿区对矿井的集中化控制程度比国内要高一些，能实现对矿井前端设 备的远程监视，使管理者能够远程监控与指挥。一些采煤机实现了数据远程传输、集中 监控和分集中控制，但他们的采煤机都是通过供电电缆的控制芯线或先导芯线与顺槽集 中控制站连接，顺槽集中控制站与采煤机、液压支架控制系统、工作面输送机、转载机 相连。通过中继站可与距离大于5 k m 的地面数据转换器连接，后者把信号传给矿井地面 站。通过上述系统，理论上可以在顺槽集中控制站实现工作面设备和顺槽设备的远程通 讯和集中控制，但由于矿井地质条件变化莫测，加之管理等方面的原因，实际上目前还 不能完全实现远程通讯和集中监控，也有的只是在特定的一段时期试用一下。不但如此， 在对采煤机各参数的数据采集上仍然使用传统的电缆或光缆进行通信，增设控制芯线进 行控制，在井下恶劣的环境中，控制电缆受到的干扰非常大，容易造成控制失效在采 煤机不停的前后运动采煤过程中，线缆又会随着采煤机的运动而不断的弯折，造成线缆 的损坏，这样不仅增加了故障点，而且经常更换线缆也会造成增加成本和不能正常生产。 所以，当前无论国内还是国外对采煤机的监控手段都存在不同程度的缺陷，也都急需进 行解决和改善。 2 1 绪论 1 3 本课题研究内容与目标 1 3 1 本课题完成的主要内容 在开展此课题之前，作者参与设计并完成了煤机公司的采煤机监控系统项目，对采 煤机的工作流程和控制方式有了较深刻的理解，并积累了一定的工程实际经验。作者奄 本课题中主要完成了以下工作内容： ( 1 ) 借鉴典型的监控系统架构并结合采煤机监控系统的特殊要求，提出“三层- - z 级” 监控系统架构模式，并依据此架构模式给出了采煤机监控系统的设计方法和通信链路的 设计思路。 ( 2 ) 根据采煤机牵引电机的控制要求及存在的缺陷，完成无速度传感器直接转矩控制 的研究，设计出了采煤机牵引电机调速控制系统及其仿真结构模型，对控制系统及其单 元进行了s i m i l i n k 仿真，并对仿真结果进行了分析。 ( 3 ) 设计确定了本地控制系统的总体方案，绘制了控制接线图，给出了采煤机控制理 论的应用方案和抗干扰措施。 “) 完成了p l c 流程控制与软件的设计，并保证系统在任何运行情况下都能正确的 实现控制任务和调速。 ( 5 ) 完成了井上监控中心服务器和机载工控机实时监控软件的设计，建立友好的人机 交互界面和强大的数据库，完成系统的监视、控制、集中管理和通信功能 最后完成了系统软硬件的联合调试。 1 3 2 本课题的完成目标 基于以上内容，本课题的主要目的是开发一套适用于采煤机的一整套监控系统，并 针对系统做专门资源配备优化和软件设计以及人机界面的设计开发 系统将具备以下这些特点： ” 第一，独创性。整个系统都是按照采煤机的特殊要求进行独立设计开发，无线的数 据通信和传输确保了井下监控系统的独创性。 第二，先进性。整个系统的设计开发都是当前先进的技术平台上实现的，无论硬件 配备、软件开发和理论研究都确保了整体和部分环节的先进性。 第三，通用性。达到系统设计思路不仅只是应用于采煤机，而是能应用于工业现场 的其它设备的监控和数据传输，使其具有广阔的市场价值和前景。 第四，人机界面友好。全中文的图形操作界面，操作人员操作方便，易于掌握。程 序运行时数据的动态刷新、记录、报警等等。丽通讯部分负责现场p l c 、变频器的数据 交换和网络数据服务。 3 西安科技大学硕士学位论文 i i i _ i l li 2 采煤机监控系统的设计原理 当前计算机监控系统普遍使用的结构模式一般分为三层：第一层为设备层，第二层 直接过程控制层，第三层为控制管理层( 或信息层) 踟。各层之阃由通讯网络相连接，同 层各站或单元由本级的通讯网络联系，由于在这种模式下采用了分布式监控预警系统，； 使各种不稳定因素分散到几个控制点上，其中某几个点或主机故障不会影响其它点的监 铡，因此，计算机集中监控系统具有集中管理、分散控制、危险分散和可靠性高等优点 【l l 。 本课题借鉴上述模式又根据采煤机自身特点和位置因素，把采煤机监控系统称为多 层分布式控制系统，提出“三层一三级”的监控架构模式。这也是在集散式控制系统和 网络技术的基础上相结合提出来的，在技术上，既可从本地局域网上访问所需要的数据， 也可以通过远程网络或国际互连访阔所需要的数据，甚至在特别授权的情况下可以对危 险源监测进行远程控制和监测操作。与在现场监控一样，在安全可靠性上，本地和远程 的操作人员、安全管理人员和有关专家可及时了解危险源的安全情况，实现数据共享， 更有利于安全管理和事故预防。 2 1 采煤机监控系统的组成 本课题设计的采煤机本地集中监控系统由以上三个层别组成。 第一层，称为设备层，也称为现场采集系统，是控制系统最底层，主要包括要控制 的设备对象，如电机等，这里还包括各种数据检测设备，如电流互感器、温度传感器等。 第二层，称为控制层，包括p l c 、变频器等智能控制设备，功能是负责现场数据的 采集、处理，然后根据处理结果对工业现场实施控制，同时操作人员也可根据现场情况， 干预控制系统的控制过程，传统的自动控制系统往往是由这样的多个小系统组成，每个 系统相互独立，各自有着自己的控制装置，分别由各自的管理人员进行管理，相互协调。 第三层，称为本地控制管理层，是对下位机控制过程的集中管理系统，可以说监控 系统是通讯技术、计算机技术、自动化技术发展的产物，其功能是负责对工业控制现场 数据远程采集、监视，操作人员可以观测工业现场运转是否正常，同时可以向工业现场 的控制系统发送指令，设置系统、修改参数，确保现场控制系统正常运转 集中控制结构框图如图2 1 ： 4 2 采煤机监控系统的设计原理 图2 1 采煤机集中监控系统三层网络结构图 如果从整个采煤机的监控系统来说，可以把采煤机的集中控制系统作为一个整体设 备，那么就又可以将采煤机监控系统分为三级： 第一级，称作操作监控级，即对采煤机整机本地控制和监视，同时负责将数据转发 到上一级。这一级对第一线工人来说起到对设备的监视和控制作用。 第二级，称为综合信息管理级，是与操作监控机进行数据的交换和存储，并建立数 据库和知识库，能够从工厂级对前端设备进行监控和统一管理，并能对数据进行分析处 理，生成报表、趋势曲线等，从而对生产决策提供参考作用 第三级，为远程诊断管理级。这一级通过网络通信技术能够实现远程的数据采集和 监控，根据数据对前端的设备进行诊断，形成决策指导；甚至可通过视频、语音等方式 与前端生产工人进行直接对话，进行现场指导而专家却不用到达现场。 监控系统的开发和投入使用，对于工业现场控制是十分有意义的，一方面可以减少 控制系统的管理人员、节省控制系统的维护费用，提高企业的经济效益，另一方面，对 于危险的工业现场如电力设备、化工设备，工程人员可远距离对工业现场进行操纵，避 免近距离接触有危险的工业现场给工作人员带来的危害 把整个监控系统放在一张图上，可以给出如图2 2 所示的监控系统网络结构总图。 由图可知，采煤机监控系统就如一个金字塔，由低层的分散到高层的集中，实现的功能 也逐渐多样、深入。 5 西安科技大孛硕士学位论文 j i i i i i i i 一 图2 2 采煤机监控系统网络结构总图 2 2 监控系统的开发思路 因本监控系统由“三层一三级”结构组成，在系统开发时，可以把各部分进行独立 设计，分别进行调试，待各个系统分别调试成功后，再进行通信系统的设计。通讯系统 设计成功后，最后进行联机调试，确保调试周期最短，工程造价最低。 2 2 1 下位机的设计方法 下位机( 设备层和直接控制层) 是控制系统的核心，主要负责现场数据的采集、参数 运算，然后根据运算结果发出控制指令，控制外部设备工作，这些外部设备可能是电动 机，也可能是控制阀。在实际系统中，下位机可以是一个独立的微机系统，如可编程控 制器、单片机系统，也可以是智能化控制模块。 在控制系统的设计中，根据系统功能复杂程度选择下位机的类型，如果控制系统功 能复杂，需要现场编程、调试，则选择独立的微机系统，如果控制系统功能简单，不需 要现场编程、调试，则可选用一些专用的智能模块。本文选用了变频器和可编程控制器 作为主要控制设备 根据功能要求确定了下位机控制系统的类型，然后可进行下位机的设计。对于可编 程的独立微机系统的设计时，需根据厂商提供的产品技术资料进行设计和安装电路；根 据用户的控制需求、控制逻辑和厂商微机产品的指令系统设计用户的应用程序；将设计 好的控制系统在实验室调试成功后再安装到工业设备上试运行，根据现场的工艺要求适 6 2 采蝶机监控系统的设计原理 - - _ _ _ _ _ _ i _ i i _ _ 一1 i ii 当调试程序，直到满足用户的工程需要。对于各种智能化的控制模块，在选购时，都是 按照工业过程的实际要求进行选购，在工业现场按厂商提供的接线图正确接线，实现控 制系统的开发。 2 2 2 控制管理层的设计方法 在采煤机本地集中监控系统中，本课题选用嵌入式工业控制计算t 9 0 p c ) c g 为本地上 位机。所谓工业控制计算机是经过特别设计的、满足工业现场特别需要的计算机。它在 系统的稳定性上做了特别的设计，对于电源，采用了特殊的模块化设计，可将用户维护 系统的停机时间减少到最小；采用风冷结构，确保系统长时间运行；采用特殊的电路设 计，使得系统的抗干扰性强，增强了对工业现场的抗干扰性在系统的可扩展性上也做 了特别的设计，以满足不同用户的不同需要。在工业控制计算机上可运行w i n d o w s 操 作系统，在w m d o w s 操作系统下可以运行各种系统软件，如s i l a lc 、v i s u a lb a s i c ，组 态软件等，以这些系统软件为开发平台，开发集中监控系统的监控界面，设计与集中监 控系统的其它设备的通讯。它一方面为现场操作人员提供实时可靠的图象、曲线等，以 反映现场设备的运行情况并方便其进行相应的控制操作；另一方面，也可为上一信息管 理级提供数据传输。 2 2 3 服务器管理层的设计方法 在采煤机远程监控系统中，服务器管理层即包括信息综合管理级和远程诊断管理 级，两级都需要服务器来完成监控管理工作。本课题选用了高品质、高配置的服务器来 实现。在系统的稳定性上也做了特别的设计。服务器计算机上也可运行w i n d o w s 操作 系统和各种软件，在w m d o w s 操作系统下可以运行数据库管理系统如a c c e s s ，s q l s e r v e r 等。数据库管理系统有着很强的数据管理功能，能够将计算机集中控制系统采集的各种 数据形成后台数据库，对数据库中的数据记录进行数据处理。因为服务器上要同时处理 大量数据，并要求实时快速显示、数据库长时间保存等，所以对服务器的c p u 、主频。 存储空间等方面也都作了针对性的设计 2 2 4 通讯链路的设计思路 数据通讯是监控系统的关键技术。在一个集中监控系统中常常会有几十个、几百个 甚至更多的测量和控制对象嗍，这些控制对象常常位于不同的地理位置，各自独立地并 行工作着，要使它们协调一致的工作，不同的控制对象之间需要交换信息，如果把他们 按照统一的协议连接起来，使他们之间能够进行数据交换，就构成了集散式控制网络系 统。 不同系统之间的通信主要采用并行通信和串行通信两种方式并行数据通信是指数 7 西安科技大学硕士学位论文 i i i_ _ _ l - - l - _ _ - _ _ _ _ - l _ i - _ _ 据的各位同时传送，可以用字并行传送，也可以用字节并行传送，并行传送的速度高， 但传送的距离短，通常小于1 0 m 串行通信是将数据按位顺序传送，不同的控制系统或 计算机系统之间的通信只要很少的几条信号线进行连接即可完成数据交换，显然，串行 通信传送速度低，但传送距离长，通常可达几十至几千米，甚至更远。 根据计算机集中监控系统的上位机、下位机控制系统分散在不同的地理位置的特 点，上位机和下位机的通信采用串行通信。目前常用的串行通信标准接口有r s 2 3 2 和 r s 4 4 9 ，r s 4 2 2 ，r s 4 2 3 和r s 4 8 5 ，r s 4 8 5 是r s 4 4 9 的子集。在标准的串行通信接口中 广泛使用r s 2 3 2 。r s 2 3 2 的电气接口是单端的、双极性电源供电电路。然而r s 2 3 2 有一 系列的不足，主要有：数据传输速率局限于2 0 k b p s ( 波特率，单位时间内传输数据的位 数) ；传输距离局限于1 5 m ；该标准没有规定连接器，因而产生了2 5 插针等设计方案， 这些方案有时互不兼容；每个信号只有一根导线，两个传输方向只有一个信号地线；接 口使用不平衡的发送器和接收器，可能在各信号成分之间产生干扰。为了解决这些问题， e a i 制定了新的标准r s 4 4 9 ，目的是为了达到支持较高的数据传输速率、支持较远的传 输距离、制定连接器的技术规范、通过提供平衡电路改进接口电器特征j 。 “ 根据两类标准的串行通信标准接口r s 2 3 2 和r s 4 4 9 的特点和集中监控系统的特点， 采煤机本地集中监控系统选用r s 4 4 9 的子集r s 4 8 5 作为串行通信的接口，组成本地总 线网络系统，使得上位机和下位机进行通信在一般的控制系统中，提供的串行通信的 标准接口都是r s 2 3 2 因此需要设计一个电路，将r s 2 3 2 转换成r s 4 8 5 ，以利于使用 r s 4 8 5 串行通信标准接口，建立r s 4 8 5 总线的通信网络。 从本地监控计算机到远程监控端的通信连接，一般的工业控制领域都选择了r s 4 8 5 串行通信标准接口及总线。随着网络技术的发展，基于t c p i p 协议的工业以太网也逐 渐进入了工业控制领域，因此通信网络的选择也更加多样化。结合采煤机监控系统的特 殊性，在上位机之间的通信连接上本文选择了无线通信加以太网通信相结合的方式。井 下综采工作面部分采用无线局域网的形式，它遵从的是8 0 2 1 l b 标准，采用属安全频段 的2 ，4 g 的无线发射频率，支持t c p ，i p 、u d p ，l p 等网络标准协议。而井下到井上监控中 心部分和井上监控中到远程诊断服务器分别选用光缆宽带和国际互联网宽带通信方式， 充分利用了网络资源，提高了数据传输速度和稳定性 2 3 本章小结 本章在借鉴当前典型的计算机监控系统的三层结构模型的基础上，根据采煤机监控 系统的自身功能要求和位置因素，提出了“三层一三级”监控架构模式，并依据此模式 给出了下位机、控制管理层和服务器管理层的设计方法，同时也给出了通信链路的设计 思路。本章是也本课题研究的总括，对全文起到了提纲携领的作用。 s 3 采煤机牵引电机控制系统设计及验证 3 采煤机牵引电机控制系统设计及验证 3 1 采煤机的结构及控制要求 采煤机主要有两个用于采煤的左右行星头、摇臂、机身和行走部组成。左右行星头 由两台截割电机驱动旋转截割煤壁，由泵电机驱动摇臂的上升下降；整机的行走由两台 牵引电机共同协助完成采煤机的左右行走；行走部是和遛子间的连接部，通过牵引电机 的传动在遛子上左右行走；杌身主要由高压开关箱、变压器箱、变频器箱组成，高压开 关箱高压电缆的引进和高压分配，变压嚣箱用于高压到低压的变压，变频器箱中安装变 频器和p t 等控制设备，用于整机的牵引变频调速控锚、开关逻辑控制及保护。 因此，对采煤机的控制不但要对采煤机各电机的启动、关停等进行简单的逻辑控制， 还要对采煤机的双牵引电机进行准确而高效的变频调速控制，使其在采煤过程中有较大 的调速范围、较高的控制精度、大的采角度等，能够通过对牵引速度的自动调整，使其 自动地适应工作面煤层条件，使电动机经常处于额定负载工作。又因为井下恶劣的环境、 强烈的电磁干扰，常常会给速度测量装置和反馈回路带来预测不到的困难，因此在调速 控制中使用有速度传感器反馈的变频调速控制，从表面上看，速度反馈能增加控制精度， 实际则不然，有速度反馈就要增加速度传感器和反馈回路，元器件的增加势必增加故障 点。为了能很好的解决这些问题，无速度传感器技术在采煤机牵引电机上的使用也成为 必要。 综合考虑采煤机的控制要求和存在的不足，必须改进传统的控制思想和控制技术， 使用更先进的控制技术来保证采煤机在井下复杂而多变的工作环境中能高效、安全的运 行。因此，就要求从采煤机监控系统的最底层控制入手，对电机的先进控制进行理论技 术研究及验证。采煤机牵引电机为大功率的鼠笼式异步电机，因此本课题使用先进的无 速度传感器反馈的直接转矩控制方式，设计了采煤机牵引电机的控制系统，并进行了仿 真，从仿真结果来证明这种控制方式用在采煤机上的可行性与实用性，所设计的控制系 统能够实现对采煤机的变频调速和转矩控制，完成采煤机牵引电机的各项控制要求。 3 2 直接转矩控制的理论基础和控制原理 直接转矩控制技术采用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制交流 电机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节产生p w m 信号，直接对逆 变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能【1 叫1 3 1 。直接转矩控制技术省掉 了复杂的矢量变化与电动机数学模型的简化处理，它的控制思想新颖。控制结构简单， 控制手段直接，转矩响应迅速，是一种具有高静动态性能的交流调速方法【1 刀。 9 西安科技大学硕士学位论文 1 i 宣i | 皇_ 一 3 2 1 直接转矩控制的基本方程及数学模型 ( 1 ) 3 1 2 变换方程 从磁势相等的角度建立变换方程 矗奶= 矾寻珏导谤 孵彤( 知孚妫 ( 3 1 i o 赐稚聊+ i b + i e ) 式中而是为了凑成方阵而添加的零序分量，在三相对称时，岛= 0 ；孵，彤是三相 和二相折算后的等效匝数。 从两套绕组消耗功率不变的角度出发推出：置。击，景。譬3 - 2 变换式为； 5 m 历 计丁 若三相对称，即“+ 珏十耙= 0 则： ： = 再。 l l 厮压 ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) ( 2 ) 旋转变换方程 当电机稳态运行时，定子三相电流为三相对称正弦波，o 拓，露三相电流合成的 电流矢量五，以正弦波频率等速旋转，其幅值不变，电流矢量的端点运动轨迹为一个圆。 这个电流矢量某一时刻在口，芦轴上的投影就是，珈在d ，q 轴上的投影就是妇，“如 图3 1 ) 。由此可以看出，二相交流电流，妇和两相直流电流都可以合成同样的以为 同步角速度旋转的电流矢量，因此，妒坐标系与d q 坐标系之间存在如下的变换关系： 蹦c 如o s 口e = 蚴 。 其中：0 是d 轴和q 轴之间的夹角，是时间t 的函数。 2堑2上压 。一2压一2，一压 。 o j 压 3 采蠊机牵引电机控制系统设计及验证 q l a 圈3 1 旋转变换 以下分析都是建立在两相静止小b 坐标基础上异步电动机数学模型。 ( 3 ) 磁链方程 ， 定子磁链： 死蝴i ：+ 厶乏吐云+ 厶云 ( 3 。5 ) 转子磁链： 藏卅。瑚j = + 厶云喝云+ 厶j ： ( 3 6 ) 励磁磁链： ： 死= l m ( j = + 乏) ( 3 7 ) 厶= 三一厶；厶= l 一三辨。 其中厶，和厶。，分别为定转子绕组的漏电感；l m 定转子绕组之间的互感；l 为定子 绕组全电感；l ，为转子绕组全电感。把上述各电流矢量和磁链矢量的位置关系画在静止 坐标系中，如图3 2 所示。 图3 2 磁链矢量图 ( 4 ) 电压电流状态方程 由电机学可知，在静止坐标下，两相异步电动机定转子绕组电压平衡方程式为： 玩砥乏+ 等 1 1 ( 3 8 ) 西安科技大学硕士学位论文 o = 弛誓+ 廊霰 ( 3 9 ) 写成母p 分量的形式： u 矿r , i , a + p y a = - i u 旷：r 却+ p f j o = 孟一，一p 蜘+ ，1 o 盘r 毒哆+ p 申哺一啼 j 而磁链可以用电流和电感表示，即： ￥。fl i l 毒。、 v t 8 = l i 矿l * i 哆j 朔f 印矿厶k 唧= 铲工辨锄j 通过以上式子整理可得到电压电流关系矩阵方程： 却跗 甜坩 0 o ( 墨+ p ) o k p q l 0 ( 墨+ 上，p ) 啡 l p l 。p o ( 母+ p ) - w , o 厶p q 三， 幔r + l r 西 根据式( 3 1 3 ) ，可得异步电动机电压电流矢量的关系： 刚即( p 烈- j 复国嚣帅一赢k 枷 羽 慷j 【 ，) l 墨+ p 一- ，啡) ( k + ) 乏l l m i 孵 i 坼 t t e ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) 0 1 钔 ( 3 1 5 ) ( 5 ) 转矩方程7 转子的运动方程为 珏乃= 丢警 ( 3 1 6 ) 一般笼统地说，电磁转矩是转子电流与气隙磁通相互作用而产生的，但气隙磁通也 是由定转子电流产生的磁场合成的。所以准确的说法是，异步电动机的电磁转矩是由定 子电流产生的穿过气隙和转子绕组匝链的磁通与转子感应电流相互作用而产生的，在实 际运算中，矢量乘积表示的转矩公式可表示为 矿 舻联钿彬妒争y ，s i n o ( 3 1 7 ) 厶- 3 2 2 转子磁链观测器 ( 1 ) 电压观测器模型：通过检测异步电机的定子电压和定子电流计算出转子磁链。 3 采爆机牵引电机控制系统设计及验证 定子回路平衡方程式： 玩砥云印死却j ：+ 却云+ 恐i ：( 3 1 8 ) 转子磁链表达式： 元= 厶乏+ 三，云 ( 3 1 9 ) 从上两式中消去厶，得： ： 霰5 i g r 肛, - r j , - l ，l , 警妙 ( 3 2 0 ) _ 舯纠去 妒，在静止坐标系d 、p 中分量分别为： ￥m 2 l i l ( h i 。一r | i 。臆一l ，l t i o 仰2 争【弘妒- r , i s a 弦一l t 钿】 ( 3 2 1 ) 电压模型易于实现，结构简单。但该模型只能工作在额定转速l o 以上，因为在额 定转速l o 以下，定子电阻由于流过较大电流，阻值随温度变化较大，引起观测误差较 大【1 9 1 1 2 0 。 ( 2 ) 电流观测器模型；通过检测异步电机的定子电流和转子速度计算出转子磁链。 异步电机在弘b 坐标中的转子电压方程为： 忙跌l 毒一l ，i 啬舡0 矿l 0 矗p r k 忙钛l 0 矿l i 静m r q 0 一l 0 毋酗唯o 。2 2 ) 由转子磁链方程： v n i = l o h 七l j 。 ￥仲5 上舻工，和 ( 3 2 3 ) 解出k 和妇，代入式( 3 2 3 ) ，消去k 和如。并化简，即可得到定子电流和转子角速 度表示的转子磁链： 肾南以乙一q 和巾， 奶旷i 南仁一o + q 乃， ( 3 2 4 ) 也可改写为如下形式： 旦卜1 - d t b ，j 一 一1 z c o , 1 + 益卜1 j 乃h j 1，旷oo， 也一| o 西安科技大学硕士学位论文 其中驴三r ，母，为转子时间常数。 该模型的优点是在整个速度范围内均可对转子磁链进行观测，但观测精度与转子电 阻参数的测量精度有关，且转子电阻温度变化和频率变化的范围较大1 1 2 5 】f 2 7 】 3 2 3 逆变器的电压状态 用于异步电动机转矩控制的逆变器如图3 3 所示，由三组、六个开关 ( s a , s a , s b , s b ，s c ，s c ) 组成。在图中相电压分别为u a ，舶，为了分析方便，把直流电源 e 一分为二，两部分各为f _ , 2 ，其中点d 为零电位。我们知道，图中所示的逆变器都是 自由关断器件( 如g t i li g b t , g t o 等) 构成的。当s a = l 时，表示逆变器a 桥臂上边的 开关闭合，下边的开关断开。当& = 0 时则相反，表示下边的开关闭合，上边的开关断 开。之所以能用& 的两种转态表示a 桥臂自关断器件的工作情况，是因为在同一桥臂 上的两个自关断器件不可能同时闭合或断开，即它们工作状态是互补的。同样，& ，& 的两个状态分别代表b ，c 桥臂上自关断器件的工作情况。因此三个开关变量& ，& ， 共有八种组合，如表3 1 所示。 、 s 、 岛 、 m = - a 工 6 一 一 c 一 、 如 、 拈 、 如 图3 3 电压型逆变器 表3 1 逆变器的开关状态 状态 l23456 7 8 开 olloooll 关 s b o olllo o 1 组 & o000llll 3 3 直接转矩控制中的无速度传感器技术 在高性能的异步电动机直接转矩控制系统中，转速的闭环控制环节一般是必不可少 的。通常，采用光电码盘等速度传感器来进行转速检测，并反馈转速信号。但是，由于 速度传感器的安装给系统带来了一些缺陷，主要有： ( 1 ) 高精度速度传感器价格昂贵，对于中小型容量设备将显著增加硬件投资。 ( 2 ) 速度传感器不适用于温差较大以及较恶劣的工作环境。( 3 ) 安装维护困难。( 4 ) 在选用 l 3 采_ 壤机牵引电机控制系统设计及验证 变频控制时必须顾及速度传感器的参数，与其匹配，互换性差。如此种种，使得人们转 而研究无需速度传感器的电机转速辨识方法。然而目前无速度传感器的研究，主要还是 用于矢量控制系统中，而应用在直接转矩控制系统的就相对较少了，尤其在实用化的研 究上更少。早期时主要用直接计算、参数辨识、状态估计、间接测量等手段，从定子侧 比较容易获取的物理量：如定子电压，定子电流中计算出与速度有关的量，从而得到转 予速度，并将其运用在速度反馈控制系统中。 ， 今后无速度传感器控制的研究发展的方向应为：提高转速估计精度的同时改进系统 的控制性能，增强系统的抗干扰，抗参数变化能力的鲁棒性，降低系统的复杂性，使得 系统结构简单可靠i 丑j 。 从复杂性和可靠性等方面考虑，而且采煤机在工作过程中，由于煤层硬度的不均匀 性和地质条件的复杂性，常常使采煤机负载波很大，而通过对牵引速度的自动调整，要 求采煤机能自动地适应工作面煤层条件，使电动机经常处于额定负载工作。于是以有速 度传感器直接转矩控制的理论作为基础，本文选择模型参考自适应法( m r a s ) 作以深入 的研究，建立了速度推算控制器的数学模型。 3 3 1 模型参考自适应参数辨识理论基础 将模型参考自适应理论应用于电机的转速估计是目前比较热门的研究方向，