采煤机PLC牵引监控系统.docx
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采煤机PLC牵引监控系统
采煤机PLC牵引监控系统
摘要
煤炭是我国的传统能源，是我国经济健康发展的重要保障，而采煤机是开采煤炭的主要设备之一，其性能的好坏决定着煤炭开采的效率。
现代采煤机的牵引方式主要是电牵引或液压牵引，其中电牵引不利于采煤机空间的紧凑布置，监控系统的价格也比较昂贵，维修费用较高。
液压牵引也有其缺点，比如液压元件要求精度高，故障频率高。
本课题就是为了解决这些缺点，对采煤机的牵引监控系统进行优化，克服传统液压牵引的诸多不足，例如响应时间慢、自动化程度低和回路复杂等。
牵引系统主要以PLC为工具来进行控制，因为PLC具有可靠性高、应用灵活、使用方便、易于安装、体积小和方便调试等特点。
在设计方面，包括PLC的硬件和软件设计两个方面。
硬件方面主要包括对传感器、泵、液压阀、A/D转换模块和D/A转换模块等的选型以及I/O口的分配，连接硬件配线图。
软件方面主要是用GXDeveloper编写采集以及控制程序，实现自动控制。
关键词：
采煤机，PLC，硬件，软件
SHEARERPLCTRACTIONMONITORINGSYSTEM
ABSTRACT
Coalisatraditionalenergyinourcountry，whichisanimportantsafeguardinforhealthyeconomydeveloping，andshearerisoneoftheimportantequipmentinexploitationofcoal，itsperformancequalitydeterminestheefficiencyofcoalexploitation。
Themaintractionofmodernsheareriselectricaltractionandhydraulictraction，theelectricaltractionisnotconducivetospacecompactlayoutandmoreexpensive。
Hydraulictractionalsohasitsdrawbacks，suchashighaccuracyrequirementandhighfailurefrequency。
Thetopicisinordertosolvetheseshortcomings，optimizingtractionmonitoringsystemistoovercomethedisadvantagesofconventionalhydraulictraction，suchasslowresponsetime，lowdegreeofautomation，andcomplexcircuits。
ThetoolofthetractionsystemisPLC，becausePLChasmanycharacteristics，suchashighreliability，flexible，usingandinstallingeasily，debuggingconvenientandsoon。
Intermsofdesign，includinghardwareandsoftwaredesign。
Hardwaredesignmainlyincludesthesensors，pump，hydraulicvalve，A/DconversionmoduleandD/AconversionmoduleaswellasthedistributionoftheI/Oport，connectingthehardwarewire。
SoftwaredesignmainlyincludeswritingacquisitionandcontrolprogramwithGXDeveloper，whichisachieveautomaticcontrol。
KEYWARDS：
shearer，PLC，hardware，software
目录
摘要（中文）I
摘要（外文）II
1绪论1
1.1采煤机简介1
1.1.1概述1
1.1.2采煤机的发展2
1.2PLC简介2
1.2.1概述2
1.2.2PLC的结构和工作原理3
1.2.3PLC的特点及应用5
1.3国内外研究状况6
1.4牵引监控系统原理6
1.5监控系统框图7
2牵引监控系统的组成8
2.1泵、电机与马达的选择8
2.2阀的选择9
2.2.1电液比例方向阀9
2.2.2电液比例溢流阀10
2.2.3液控换向阀11
2.3传感器的选择11
2.3.1压力传感器11
2.3.2温度传感器12
2.3.3旋转编码器14
2.3.4变频器16
3监控系统的硬件设计17
3.1系统监控对象确定与PLC的选型17
3.2PLC的选型及I/O口的分配17
3.2.1I/O口的分配18
3.2.2PLC主机18
3.2.3A/D转换模块19
3.2.4D/A转换模块21
3.2.5牵引系统硬件连接图23
4牵引监控系统软件设计24
4.1编程软件GXDeveloper24
4.1.1GXDeveloper的功能24
4.1.2GXDeveloper的特点25
4.2监控系统程序设计25
4.2.1数据采集程序设计25
4.2.2数据控制程序设计27
附录29
总结31
参考文献32
致谢33
1绪论
1.1采煤机简介
1.1.1概述
用于实现采煤工作面落煤和装煤工序的机械称为采煤机械。
采煤机械是机械化采煤业的主要机械设备。
世界各国生产的采煤机械的类型有：
滚筒采煤机、刨煤机、连续采煤机、螺旋采煤机等各种类型。
滚筒采煤机能适应较复杂的顶、地板地质条件，调高范围大，得到了广泛的应用。
刨煤机对煤层地质条件要求较严，特别是在煤质松软，顶、地板条件较好的薄煤层优先采用。
连续采煤机是房柱式采煤法的主要设备，适用于截高0.8～6.0米的煤层。
采煤机有不同的分类方法，按工作机构位置不同分为端头式和侧面式；按工作机构形式不同分为滚筒式、钻削式和截链式；按牵引部位置不同分为内牵引和外牵引；按牵引方式不同分为钢丝绳牵引、链牵引和无链牵引；按牵引部传动方式不同分为机械牵引、液压牵引和电牵引。
设计和选用采煤机械主要是根据采煤工作面地质条件和回采工艺的需求提出的，基本要求是高产、高效、经济、安全、可靠。
具体为：
（1）生产率应满足采煤工作面产量的要求；
（2）充分利用煤壁的压张效应，使能耗低、块煤率高、煤层少；具有碎落和装煤、自开切口、自动调高的功能；
（3）能实现无极调速和自动调速，以适应煤质硬度的变化，充分发挥采煤机的功能；
（4）所有电器设备应具有防爆性能，具有过载、漏电、过压、超温等多项保护功能；
（5）应有可靠地防滑和制动装置、喷雾降尘装置、拖缆装置等，防止机器下滑，改善工作环境；
（6）对现代采煤机还应采用模块化设计和积木式组合，实现无线电遥控，带记忆、工况显示、故障诊断、瓦斯预警等功能；
（7）具有足够的强度和高可靠性，以满足矿井集约化生产和高产高效的要求；
（8）操作方便，便于井下运输、拆装与维修。
1.1.2采煤机的发展
1、国外采煤机械发展简介
采煤机械始于20世纪四五十年代，当时英国、前苏联和德国相继研制了静力刨煤机和链式工作机构及第一代固定滚筒式采煤机，由于滚筒不能调高，能耗大，效率低，工作面刮板输送机不能自移，限制了采煤机的使用范围，所以生产率低。
20世纪60年代前期是综采技术的发展时期，研制出了单摇臂可调高滚筒采煤机，即第二代采煤机。
这种采煤机解决了滚筒调高问题，从而适应了煤层厚度的变化，扩大了采煤机的使用范围。
1964年研制的第三代采煤机—双摇臂滚筒采煤机，解决了工作面自开切口问题。
随着液压支架和可弯曲刮板输送机技术的发展，把综采技术推向一个新水平，实现了高效、高产、安全和经济。
20世纪70年代及其以后，研制的第四代采煤机—无链牵引采煤机、电牵引采煤机，使综采设备开始向大功率、高效率、高电压、性能完善等方面发展。
2、国内采煤机械发展概况
中国是世界上最早利用煤炭资源的国家之一，早在六七千年前就已开发利用煤炭作为燃料，用来冶铁、炼铜等。
当时主要是靠人工挖掘巷道出煤，工人劳动强度大，安全性差。
我国采煤机械经过近几十年的引进、消化、吸收、创新和自主研发，已有长足进步。
1964年研制出我国第一台MLQ-64型钢丝绳牵引的单滚筒采煤机，以后又研制出MBJ-64型刨煤机、MLQ1-80型单滚筒采煤机、MG200-W型无链牵引采煤机等多种机型。
我国与国外采煤机技术的主要差距表现在可靠性和机电一体化方面等。
如Eickhoff公司在截高5.5～6m时采煤机的大修周期为5Mt，设计寿命为30～40Mt；而国产采煤机在同样的条件下，大修周期为5Mt，设计寿命为25Mt。
1.2PLC简介
1.2.1概述
自从1969年美国DEC公司研制出世界上第一台可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController：
PLC）以来，经过三十多年的发展，其功能和性能已经有了很大的提高。
1987年，国际电工委员会（IEC）颁布的可编程控制器标准第三稿中，对可编程控制器定义如下：
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境应用而设计。
它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等指令，并通过数字式、模拟式的输入/输出，控制各种机械或生产过程。
PLC最初用于逻辑控制和顺序控制，当其面对运动控制和过程控制时，PLC必须扩展自己的功能，才能满足生产需求。
经过不断的实践，PLC厂家相继推出了位置控制模块、伺服定位模块、运动控制模块、A/D转换模块、D/A转换模块，以及高速计数模块等，用于速度、加速度以及位置控制等。
大量的中小型企业属于混合型制造工业厂家，这类制造业中既有运动控制又有过程控制。
为了适应这些企业的需要，各厂家都在自己的PLC产品中推出温度传感器模块、PID控制模块、闭环控制模块以及模糊控制模块等，用于温度、压力、流量及液位等过程控制。
因PLC本身的模块化结构，以及远程I/O模块功能的不断完善，使得PLC易于实现多级控制，通过不同级别的网络将PLC与PLC、PLC与远程I/O模块、PLC与人机界面，以及PLC与PLC连接起来，形成管控一体化的网络结构。
1.2.2PLC的结构和工作原理
与普通计算机类似，PLC系统包括硬件和软件两个部分。
不同之处在于，PLC的I/O接口是专门为工业环境的控制系统而设计的；PLC使用自己专门的软件编程语言编写控制程序。
在工作方式上，PLC采用逐行扫描的执行方式和串行循环扫描的工作机制。
1、PLC的硬件组成
PLC实质上是以一种微处理器为核心的专门用于工业控制的计算机，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业现场进行信息交换的接口，以及直接适应控制要求的编程语言。
从硬件结构上来看，PLC主要由中央处理单元（CPU）、存储单元、输入/输出单元、电源及编程器等部分构成，如图1-1所示。
图1-1PLC硬件结构
2、PLC的软件及编程语言
PLC软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。
系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言、诊断机器故障等。
系统程序由PLC厂家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干预。
用户程序是用户为达到某种控制要求，采用PLC的编程语言编制的程序。
PLC的标准语言有5种，它们分别为梯形图编程语言、指令表编程语言、顺序功能图编程语言、功能模块图编程语言和结构化语句编程语言。
其中梯形图编程语言是一种常用的程序设计语言，如图1-2所示。
图1-2梯形图语言示例
3、PLC的工作原理
PLC采用CPU的工业控制器，与普通计算机有相似之处，属于串行工作方式，但如果采用普通计算机所使用的等待命令工作方式或查询方式，都满足不了原并行逻辑控制电路的要求，为此，PLC采用了与普通计算机工作方式差别较大的循环扫描工作方式。
用扫描工作方式执行用户程序时，扫描是从程序的第一条指令开始的，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后逐条执行。
在程序执行完后，再从第一条指令循环扫描重复进行，周而复始。
PLC的扫描过程除了执行用户程序外，在每次扫描工作过程中还要完成内部处理、通信服务工作。
如图1-3所示，整个扫描工作过程主要包括内部处理、通信服务、输入采样、程序执行和输出刷新5个阶段。
图1-3PLC的CPU工作流程
当PLC方式开关置于RUN（运行）时，执行所有阶段；当方式开关置于STOP时，不执行后3个阶段，此时可进行通信处理，如对PLC联机或离线编程。
1.2.3PLC的特点及应用
PLC作为一种新型的工业控制装置之所以得到广泛的应用和发展有其自身的特点：
1、可靠性高，抗干扰能力强；
由于采用现代大规模集成电路技术、严格的生产制造工艺，内部电路采取了先进的抗干扰技术，故具有很高的可靠性。
2、硬件配到齐全，功能完善，适应性强；
由于PLC特殊功能模块的大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制等各种工业控制中，再加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3、编程语言易学易用；
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。
4、系统操作简单、维护方便、容易改造；
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易、检查调试也很方便。
5、体积小、重量轻、能耗低等；
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。
其体积和质量通常只有接触器大小，是实现机电一体化的理想控制设备。
1.3国内外研究状况
国内外采煤机牵引系统普遍采用变频电牵引或液压牵引。
变频电牵引系统是由两台变频器采用“一拖一”的牵引方式，这种牵引方式的机械传动系统较为复杂，不利于采煤机工作空间的紧凑布置；而现有液压牵引方式，系统回路复杂、效率低，能量损失较大，故障率较高、未能实现电控及自动控制。
国内也有曾对传统的液压系统中复杂的变量泵机构进行改造简化，但效果并不理想。
国外在电牵引采煤机监控方面已经比较完善，但是引进国外的监控在国内使用又有不足之处，例如英文版的操作会给操作人员带来一定的不方便。
而且该控制系统的价格一般比较昂贵，维修费用也比较高。
我国的对液压牵引采煤机的起步较晚，由于液压元件要求精度比较高而且维修起来也比较困难，加之采煤机在井下运行，环境比较恶劣，所以出现故障频率较高。
本课题就是为了克服此类缺点，对采煤机的牵引系统进行优化，克服传统液压牵引的诸多不足，例如响应时间较慢、自动化程度和控制精度低、回路复杂等。
1.4牵引监控系统原理
液压牵引监控系统原理如图1-4所示。
主回路系统中驱动电机3带动双向定量泵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13，构成一个闭合回路。
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:
当牵引阻力较小时，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。
1.变频器；2.检测控制单元；3.驱动电机；4.双向定量泵；5a、5b、5c、5d、5e.单向阀；6.补油电机；7.滤油器；8.油箱；9.补油泵10.溢流阀；11.电磁阀；12.液压制动器；13.牵引马达；14.电液比例方向阀；15.液控换向阀；16.低压溢流阀；17.高压安全阀
图1-4液压牵引系统原理图
在牵引的过程中，补油电机6带动补油泵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。
在牵引工作过程中，当出现过载致使主回路高压侧油液达到安全阀17的设定值时，安全阀17打开，高压油液经单向阀5c或单向阀5d以及安全阀17回油箱9，对系统进行安全保护。
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，通过弹簧压紧内外摩擦片，进行牵引制动。
1.5监控系统框图
采煤机液压牵引监控系统的框图如图1-5所示。
图1-5牵引系统控制框图
该系统的控制器件是PLC，通过D/A转换模块将信号传给变频器，通过电流对主电机的转速进行调节改变定量泵的流量从而调节牵引马达的速度；通过相应的传感器对主电机的温度、定量泵的进出口压力和牵引马达的转速等进行测量，数据传给A/D转换模块，再通过PLC控制电液比例方向阀与变频器对牵引马达进行速度调节。
2牵引监控系统的组成
本课题的监控系统控制核心是PLC，回路部分包括的器件有泵、马达、变频器、电机、阀、传感器和旋转编码器等。
2.1泵、电机与马达的选择
牵引系统的泵为双向定量泵，选用丰兴HPP-VC2V-F14A5-A，如图2-1所示。
图2-1双向定量泵
电机选用的是变频调速三相异步电机，型号为YVP250M—4，编号为002，极数为4，额定扭矩为350N·m，恒转矩调速为5～50Hz，恒功率调速为5～100Hz。
液压系统的马达为摆线马达，型号为BM—E315，技术参数如下表2-1所示：
表2-1马达参数
名称
参数
名称
参数
额定转速
320r/min
额定压差
16MPa
额定转矩
675N·m
排量
312mL/r
额定功率
22KW
质量
31Kg
额定流量
100L/min
总效率
70%
2.2阀的选择
在系统的回路中，用到了电液比例方向阀、电液比例溢流阀和液控换向阀等。
2.2.1电液比例方向阀
在电液比例方向阀控制阀中，与输入电信号成比例的输出量是阀芯的位移或输出流量，并且该输出量随着输入信号的正负变化而改变运动方向。
因此，电液比例方向阀本质上是一个方向流量控制阀。
比例方向阀的规格主要指额定压力和额定流量。
确定比例方向阀额定压力时，要注意比例方向阀每个油口的压力区别，设计时要保证每个油口的额定压力比每个油口所在系统中实际压力高。
额定流量的确定要同时考虑比例方向阀的输入信号范围和阀压降的大小两个因数。
实际选用时，通常确定的阀压降的合理范围，再按控制特性曲线选定额定流量合适的比例方向阀。
在本系统中，电液比例方向阀选用BOSCH公司中的产品，比例方向阀型号为4WRE10E25-2X/G24K31/A1V，如图2-2所示，参数如表2-2所示。
图2-2电液比例方向阀
表2-2电液比例方向阀的参数
名称
参数
阀的重量（Kg）
6.3
压力极限（MPa）
31.5
最大流量Δp=1MPa（P-T）（L/min）
25
响应时间（ms）
≤30
滞环
≤0.1%
通径（mm）
10
重复精度（%）
<0.05
供电电压（VDC）
24
电压控制信号（V）
±10
工作环境温度（°C）
-20～+70
2.2.2电液比例溢流阀
本系统中的电液比例溢流阀也选用BOSCH公司的产品，比例溢流阀的型号为DBEE10-51/350YG24NK31M，其参数如表2-3所示。
表2-3比例溢流阀参数
名称
参数
阀的重量（Kg）
3.4
工作压力（MPa）
8～31.5
最大流量（L/min）
200
响应时间（ms）
<150
滞环
≤5%
通径（mm）
10
重复精度（%）
<±2
供电电压（VDC）
24
电压控制信号（V）
±10
工作环境温度（°C）
-20～+80
2.2.3液控换向阀
换向阀利用阀芯与阀体之间的相对位置使阀体相连的各通道之间实现接通或断开来改变流体流动方向的阀，使执行元件启动、停止、变换运动方向。
本系统中的液控换向阀使用力士乐公司的型号为WH32的换向阀。
2.3传感器的选择
本系统中传感器包括压力传感器和温度传感器。
2.3.1压力传感器
本系统采用的压力传感器为KELLER压阻式压力传感器，型号为PR21R。
如图2-3所示
图2-3压力传感器
KELLEROEM压力变送器装有高精度与稳定性KELLER压阻式压力传感器，可用于冷冻设备，液压控制，空气压缩机，喷墨式印刷机，真空泵等。
21R系列采用6系列的不锈钢膜盒，它是全焊接结构的变送器，21SR是不锈钢接头的速焊结构变送器，21MR是黄铜接头的速焊结构变送器，均采用高稳定性测量元件，具备微小迟滞、良好线性度、高输出、长寿命等特点。
可靠性取决于弹性良好的硅芯片的固有特性，并且结构上保证不论压力介质还是参考介质（表压模式）均不会与任何敏感元件接触。
每个产品都要经过测试并进行温度补偿。
通过选择半导体掺杂级别，使应变电阻的温度变化值ΔR为常数，可减小量程误差。
通过在桥臂上添加电阻的自动测试方法，得到零点温度补偿。
此传感器冲击和振动性能是优良的，因为硅芯片悬挂在灌油的腔体中，用机械方法使硅芯片隔离壳体。
这样也消除了安装力矩的影响。
其具体参数如表2-4所示：
表2-4压力传感器参数
名称
参数
使用温度
-20～+80°C
压力连接
G1/4″外螺纹，氟橡胶O型垫圈密封
压力介质
与316L不锈钢（21R/21SR）或黄铜（21MR）兼容
重量
75g
电磁兼容性
完全符合EN50081-2和EN50082-2要求
外壳防护
IP65
绝缘
>100MΩ/500VDC
零点输出
50mV
抗振性
5～2000Hz,最大振幅±3mm
抗冲击性
20g（11ms）
2.3.2温度传感器
1、传感器介绍
此系统的温度传感器选用Pt100型电阻式温度传感器，如图2-4所示。
图2-4Pt100温度传感器
电阻式温度传感器是一种物质材料作为电阻，它会随温度的上升而改变电阻值，如果它随温度的上升而电阻值也跟着上升就称为正电阻系数，如果随温度的上升而电阻值下降就称为负电阻系数。
大部分电阻式温度传感器是以金属做成的，本系统中选用的温度传感器就是以铂（Pt）做成的，它稳定，耐酸碱，不会变质并且有很好的线性关系，在工业广泛采用。
Pt100的主要参数如表2-5所示。
表2-5Pt100主要技术参数
名称
参数
测量范围
-200°C～850°C
允许偏差值
±（0.15+0.002|t|）
通过电流
≤5m
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