主提升机司机仿真训练平台系统的开发与应用.docx

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主提升机司机仿真训练平台系统的开发与应用

主提升机司机仿真训练平台系统的开发与应用

研究报告

平煤集团安培中心

河南理工大学

2012年11月22日

一、项目背景3

1.1现阶段煤矿安全培训的必要性3

1.2新形势下安全培训面临的问题3

1.3三维动画带给客户的价值4

1.4虚拟现实技术的发展与应用4

1.5矿井提升虚拟实操台的功能及意义5

二、项目研究内容5

2.1项目研究主要技术内容5

2.2项目研究主要技术指标6

三、系统开发过程6

3.1开发工具简介6

3.2现场资料的收集和整理6

3.3基础模型的建立7

3.4基础提升场景的搭建8

3.5应用程序的开发9

3.6虚拟实操台的设计和加工9

3.7操作台电控部分的开发10

3.8各种按钮、电路和单片机的组装调试14

四、系统功能简介14

4.1井上下操车及信号系统14

4.2具体相关技术参数15

一、项目背景

1.1现阶段煤矿安全培训的必要性

近年来，经济的快速发展，拉动了煤炭的需求，给煤矿安全生产、事故预防，安全教育带来了一大课题，特别是大批地方煤矿、乡镇小煤矿，条件差，系统不完善，职工队伍素质差，对生产环境特殊性、危险性认识不足，安全意识差，给安全单位带来了重大隐患。

因此，加强中小煤矿职工的安全技术培训，使他们认识环境中的潜在危险，提高职工的安全意识和自保能力，增加预防事故的自觉性就十分重要。

1.2新形势下安全培训面临的问题

（1）部分企业业主的短期行为，只看眼前利益，忽视安全技术培训对提高员工劳动素质的作用。

员工文化素质较低，专业水平、安全生产意识距新形势下煤炭企业依靠科学进步的要求相差甚远。

（2）对安全培训的思想认识不足。

认为安全培训无效益，甚至是负效益，一培训就需要资金，造成岗位空缺。

因此煤矿普遍存在偏重利润，忽视企业综合实力的提高，特别是员工素质的提高，对培训甚至是不转不管，这种急功近利思想是某些企业领导不重视培训的“怪病”所致。

（3）新形势下企业用工制度的转变，导致员工流动性大，企业在员工培训方面的费用，增加了生产成本，使企业或业主对培训表现出热情不高。

为了确保安全生产，根据煤炭法规规定，煤炭职工每隔一段时间就要进行数天到数十天的安全技术培训，培训内容为煤矿安全法规，煤矿安全技术等，尤其是新工人在上岗前必须进行岗前培训。

培训方法一般为由教师系统讲授煤矿安全技术知识，采用的手段主要为录像、实验、幻灯等现代化实验方法。

这些方法在使职工了解、掌握煤矿安全技术基础知识起了很大的作用，但是录像与幻灯只能使学员有一个很抽象的印象，而且由于煤矿事故，如顶板事故、瓦斯、煤尘爆炸、火灾等不可能用实验来实现，而只能看一些录像。

学员无法获得在事故现场经历事故的感觉，而且没有交互能力，学员只能被动的接受，因此它们的实际效果则不是很理想。

1.3三维动画带给客户的价值

（1）真实、生动的震撼视觉效果三维技术能够逼真地模拟现实环境或创造常规拍摄所无法实现的场景和事件。

从微观世界到宏观世界从真实空间到想象空间三维动画都可以出色地表现。

（2）效益与效果倍增——节约成本并极大提高效率三维技术可以展现项目、产品、设计成果、场景真实的形态或功能投入较少时间和费用就可以看到成果使我们可以优化流程、完善设计、提前展现等进而节约成本提高效率。

（3）清晰的说明力建造一个虚拟的环境对现实世界中的复杂系统进行简化和直观剖析往往是解决问题的最快捷方式。

三维技术能够帮助我们在体验中传达难于解释的信息，再加上互动功能，赋予图像以生命力，使图像和影像能够和人产生“对话”和交流。

一个简单的交互和查看，常常就能使抽象和复杂的概念得到深层的理解。

因此，三维动画在煤矿方面的广泛应用，能够逼真再现井下巷道内的各种生产生活场景，同时能够重现各种事故发生的画面和造成的破坏，给受训工人带来强烈的震撼。

1.4虚拟现实技术的发展与应用

虚拟现实技术（VirtualRrality，VR），又称灵境技术。

近年来VR技术在研究领域十分活跃，它汇集了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术、高度并行的实时计算技术和人的行为学研究等多项关键技术。

虚拟现实是多媒体技术发展的更高境界，是这些技术高层次的集成和渗透。

它给用户以更逼真的体验，它为人们探索宏观世界和微观世界中由于种种原因不便于直接观察的事物的运动变化规律，提供了极大的便利。

计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度空间，或是把其它现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。

这种技术的应用，改进了人们利用计算机进行工程数据处理的方式，尤其是需要对大量抽象数据进行处理时。

目前，新兴的虚拟现实技术已渗透到科学、技术、工程、医学、文化、娱乐的各个领域，引起许多行业的变革。

1.5矿井提升虚拟实操台的功能及意义

矿井主提升三维虚拟实训系统开发的三维虚拟实训平台，颠覆传统缺乏实际操作的黑板口授、多媒体点播的培训手段，创新的将矿井提升的实操训练，搬到地面，通过对机械设备操作部分1:

1比例操作仪的操作练习，系统虚拟再现生产环境、机械设备工作状态、设备分解、检修维护等。

这种虚拟实操的培训模式，是虚拟仿真技术更高层次的应用，是对多媒体技术应用的全新诠释，其必将成为未来煤矿从业人员培训的主流模式。

二、项目研究内容

2.1项目研究主要技术内容

（1）提升设备、提升机、井筒、井筒装备、关键巷道等三维建模，逼真再现矿井提升系统；

（2）矿井主提升司机标准操作流程及规范三维动画制作；

（3）矿井提升系统交互式虚拟操作系统软件开发；

（4）矿井主提升虚拟操作台电路、控制系统研究；

（5）矿井主提升虚拟操作台研制；

（6）矿井主提升虚拟实训操作软硬件集成系统开发；

（7）矿井主提升理论知识考核系统开发；

（8）矿井主提升虚拟实训操作系统集成开发。

2.2项目研究主要技术指标

（1）该实训平台具体高仿真性和良好的交互性等特点；

（2）实训平台具备良好的稳定性和可操作性；

（3）在平煤集团安培中心进行应用，提交应用报告；

（4）提交项目研究报告。

三、系统开发过程

3.1开发工具简介

①3dsmax②OpenSceneGraph

◆3dmax（简称max）软件，由国际著名的Autodesk公司的子公司Discreet公司制作开发的，它是集造型、渲染和制作动画于一身的三维制作软件,可以制作出真实的立体场景和动画。

广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。

◆OpenSceneGraph（简称OSG）使用OpenGL技术开发，是一套基于C++平台的应用程序接口（API），它让程序员能够更加快速、便捷地创建高性能、跨平台的交互式图形程序。

它作为中间件（middleware）为应用软件提供了各种高级渲染特性，IO，以及空间结构组织函数；而更低层次的OpenGL硬件抽象层（HAL）实现了底层硬件显示的驱动。

3.2现场资料的收集和整理

收集整理矿井提升系统三维模型的相关资料，诸如模型的图片，尺寸规格、颜色值以及空间位置，提升机操作台的各个手柄和按钮的位置及功能等，同时需要深刻理解矿井提升系统在提升过程中各个部件的配合联动关系，只有这样才能在程序中开发出完全符合现实中操作规程的命令。

3.3基础模型的建立

根据现场收集的图片和视频资料，运用三维软件3dsmax来进行建模。

认真分析模型的细节，对比不同建模方法的优缺点来选择最快最方便的建模方法。

模型建立完成之后，为了达到和井下设备完全相同的效果，需要对模型进行uv的拆分和烘焙贴图的制作。

因此，为了更快速高效的拆分uv，就对模型的布线提出了更高的要求。

模型和uv互相关联，二者都需要熟练的技术和高超的技巧才能得到又快又好的效果。

uv拆分完成之后，在场景中添加一盏天光，进行贴图的烘焙。

将灯光信息保留到贴图中，同时在图像处理软件photoshop中进一步对贴图进行处理，来得到具有各种纹理，同时有具备了灯光照射的光影信息的贴图，为程序的调用做好铺垫。

3.4基础提升场景的搭建

矿井提升系统，是一个复杂的联动系统，系统内的多个部件之间互相配合，保证提升机的安全正确运行。

本虚拟实训操作台对提升机的操作演示与实际情况完全相符，因此，必须搭建一个和现实情况完全相符的虚拟矿井提升系统，这就需要对矿井的提升设备和各个设备之间的配合有一个清晰的了解，推车机，阻车器，摇台的工作原理，安全门及支架的打开与闭合，都需要在这个基础场景中有所体现。

3.5应用程序的开发

本系统以3dsmax8为场景模型的建模工具，在VisualStudioC++2005开发平台上，利用OpenSceneGraph来渲染驱动三维图形，进而构建出虚拟矿井生产系统。

3Dsmax中以.max格式来保存矿井模型，需要利用OSGExp转换工具将其转换为.osg格式以方便系统调用，同时将模型的相关信息如贴图、纹理材质等存储在相应的模块数据库中。

在OSG中模型是以节点的形式存储在树状图里，系统可以利用OSG的组织管理功能使模型在系统窗口中渲染出来，此外OSG中有大量封装的类，对于这些类系统采用面向对象的设计思想对其进行自定义，从而实现系统所设计的交互功能。

最后系统应用进行模型读取、三维场景节点组织，通过渲染在系统窗口中显示出来。

系统利用ODBC数据库连接技术将场景模型存储在MicrosoftSQLServer数据库中以备调用。

3.6虚拟实操台的设计和加工

本虚拟实操的操作台基于真实的提升机司机操作台，按照1：

1的比例设计制作，能基本实现真实提升机操作台可以实现的功能。

3.7操作台电控部分的开发

（1）电控设备使用环境

1.1环境温度不高于40Co、不低于-20Co；

1.2相对湿度不超过85%（+25Co）；

1.3没有导电尘埃及对金属和绝缘有破坏作用的气体；

1.4没有剧烈的震动和颠簸；

1.5不必防爆的地方；

1.6采取措施后能满足上述条件的场所。

（2）电控系统的主要组成部分与作用

2.1PLC简介

可编程控制器（ProgrammableController）缩小为PC，为了与个人计算机的PC（ProgrammableController）相区别，有时在PC中人为地增加了L（Logical）而写成PLC。

PLC是一种工业控制计算机，它不但代替了继电器控制盘，而且还可以进行逻辑控制、过程控制、数据采集等综合控制系统。

本系统为单PLC控制，由1个基本单元FX2N-80MR和3个扩展单元以及1个特殊模块完成。

FX2N用于开关量信号的输入和输出，输入/输出点数为：

56/56。

安装注意事项：

（1）不宜安装在含有灰尘、油烟、导电性粉尘、腐蚀性及可燃性气体的场所；

（2）不宜直接安装在有振动、冲击的场所；

（3）不宜直接安装在高温、结露、雨淋的场所；

（4）尽量与高压线，高压机器，动力机器间隔离开一定距离；

（5）PLC输入、输出线不要与其他动力线布线与统一穿线管内或捆扎在一起。

2.2主回路

（1）定子回路

6KV高压电源经高压开关柜接入电动机定子绕组，具有短路、过负荷和欠电压保护等功能。

（2）转子回路

电动机转子绕组外接八级电阻。

在提升机运行过程中，按电流、时间原则分段切除转子外接电阻来改变动机的起动和制动特性，以满足速度图的要求。

2.3安全回路

在提升机电控系统中，设有必要的连锁和保护线路安全保护有以下几部分组成：

（1）主令控制器手柄零位联锁

当主令手柄处于中间零位时，零位信号SPC5闭合允许安全回路接通。

当安全回路断电后，主令手柄必须回到零位，安全回路才允许重新接通。

（2）工作闸制动手柄连锁限位开关DZK-1

当工作闸手柄在全抱闸位置时，限位DZK-1的常开触点闭合，允许安全主回路接通。

（3）测速断线保护

当主测速机损坏或断线时，电控系统判断后实现安全保护功能。

（4）高压掉电保护

当高压开关柜合闸时ZGN触点闭合。

当由于短路、过负荷、欠压、失压、司机脚踏紧急停车等原因而掉电时，断开安全回路。

（5）制动油压高信号PC25。

（6）液压站制动油压超过要求时，电接点压力表上触点闭合，信号PC25闭合断开安全回路。

（7）错向保护

当提升机运行方向与预选方向不同时，PLC判断后安全回路断开。

（8）等速超速

当提升机运行速度超过最大速度的15%时，PLC、判断后安全回路断开。

（9）PLC输出安全制动继电器PCA。

当PLC判断系统发生重故障时（PLC内安全回路断开），PCA继电器失电，安全回路断开。

（10）减速过速保护

减速后，若提升机运行超速，GSJ1（328，302）动作安全回路断开。

（11）过卷开关

过卷开关ZGK1，FGK1和ZGK2，FGK2分别装在深指器和井架上。

当提升容器超出正常停车位0.5米时，相应的过卷开关动作，安全回路断开。

（12）过卷复位开关

当提升容器过卷后，若需继续开车，应根据容器的过卷方向选择过卷复位开关FW位置，安全回路方能重新接通，提升机只能想过卷的反方向开车。

待过卷故障解除后，将过卷复位开关重新搬向工作位置。

（13）断轴保护

当深指器出现断轴时，PLC检测后进行安全保护。

（14）闸瓦磨损到一定程度时，（PC7）断电，断开安全回路。

（15）松绳保护

当提升机发生松绳现象时，松绳开关动作，松绳信号PC20接通，断开安全回路，提升机实现安全制动。

2.4测速回路

由提升机电动机通过皮带拖动的他励直流测速发电机CSF的输出电压与主电机的转速成正比。

当提升机以额定转速运行时，调节串与测速机励磁绕组中的可调电阻Rt1，使CSF输出电压为220VDC。

当提升机正常运行时，PLC通过测速回路测得的速度信号实现电控系统的监控功能。

2.5控制回路

控制回路的作用是根据提升机起动、等速运行、减速、停车、验绳、换向以及安全保护的设计要求，相应改变电控系统的工作状态，实现必要的电气连锁和保护功能。

2.6辅助回路

辅助回路提供润滑油泵电源、液压油泵电源、PLC电源、自整角机电源、磁开关电源等。

2.7位置检测回路

位置检测采用光电编码器作为检测元件，通过PLC的高速计数功能对脉冲A+，B+进行计数，可以精确的反映出容器在井筒的实际位置。

在操作台上数字深度指示精度〈|1|CM。

（3）系统的保护及联锁

（1）安全制动时，G5阀断电，提升机实现一级和二级制动；同时切除电动机电源，转子回路接入全部电阻。

工作闸继电器GZJ及制动油泵等控制回路断电并制动油压降为零。

（2）提升机主电机高压真空换向接触器ZC和FC具有机械和电气联锁。

电气联锁是通过在ZC线圈回路中串接了FC常闭触点或FC线圈回路中串接ZC常闭触点来实现的，保证了当一个方向接触器通电时，另一个方向接触器不能得电。

同样，机械连锁装置也保证了两个换向接触器不能同时得电。

注意：

任何情况下只有当系统接收到开车信号后才允许司机开车。

（3）当提升过程中发生润滑油压力过高、过低；润滑站滤油器堵塞或油温高；液压站滤器堵塞或油温高等轻故障时，故障指示灯亮，电控系统允许本次提升完毕。

当故障解除后才允许进行下次提升。

（4）全矿停电时，由PLC保证提升机能实现二级制动并做好提升机的后备保护。

（4）PLC控制的优点

（1）PLC系统具有较强的控制功能，可靠性高，具有较强的抗干扰能力，动作快速性好且编程简单。

（2）PLC系统除能完成继电器系统具有的功能外，还实现了一些软件功能。

如通过光电编码器来判断提升容器所处的位置。

确定软件减速点，停车点，判断运行错向、测速短线等功能。

3.8各种按钮、电路和单片机的组装调试

提升机操作台是一个极其复杂的电路控制系统，种类繁多的按钮对应着相应的功能，内部的电路连接也很复杂，各种按钮和元器件的购置，也比较繁琐。

因此，对提升机的虚拟实操台的组装和调试耗费了大量的人力物力。

四、系统功能简介

4.1井上下操车及信号系统

操车系统概述

井口操车系统分立井操车系统和斜井操车系统两种，本节主要介绍立井操车系统。

立井操车系统应用于立井的井口或井下各水平的车场，可方便的执行推车、卸车、限位、调运矿车等功能，并可较好的实现推爪进罐，操车工艺先进，工作效率极高。

立井操车系统由推车机、阻车器、摇台、安全门、集中控制液压站、操车电控系统六大部件组成，操车系统的各组成设备均为电液动力，采用双机双泵集中控制液压站提供动力，并通过操车电控系统实现集中控制，并可与副井提升信号系统实现电气闭锁，极大地提高了井口操车系统的自动化水平。

4.2具体相关技术参数

1、副井井口、井底推车机

●推车机为改进的组链式，与操车设备联合集中控制，采用液压动力。

选用意大利原装进口IAM－1000径向柱塞式液压马达，工作压力16MPa。

●轨距900mm，按26t最重件设置的下支撑梁，最大可以推动26t重物，并与23t支架搬运平板车相配套。

可推车、调车、进罐推车等。

2、副井井口、井底阻车器

●轨距900mm，液动操作，采用弹性连杆，吸收阻车变形，在油缸无压力时仍能保证有效的阻车功能。

。

●与操车设备联合集中控制，可自动打开或关闭，与推车机和提升信号实现闭锁。

●外观平整，除阻爪外无突出地面的部件，利于人员通过。

3、副井井口、井底分车道岔

●液动操作，与操车设备联合集中控制。

●轨距900mm，配套扳道器装置等所有必须附件。

4、副井井口、井底摇台

摇台是竖井罐笼提升系统在井口置换罐笼内矿车及人员上下罐时，车场运输轨道与罐笼内轨道衔接的一种承接设备。

摇台的分类及选型按照下列要求进行：

●CY系列摇台按动力的不同，分为CYY系列电液动力摇台、CYQ系列气动摇台、CYS系列手动摇台。

●按照轨道规矩的不同有600mm、762mm、900mm三种规格。

●按照调节高度的不同分150mm、200mm、300mm、400mm、500mm、700mm六种规格。

●轨距900mm，液动操作。

与操车设备联合集中控制，油缸无压力仍能支撑摇臂不落下，保证安全可靠。

5、副井井口、井底安全门及支架

副井作为煤矿提人、提矸和下料的咽喉环节,安全门的使用性能备受关注。

一些矿井曾广泛使用手动安全门,因不符合《煤矿安全规程》所规定的“不能人为拉开安全门”的要求,都已被明令禁止采用。

链式平拉安全门的开启采用液压动力，为强迫运动式，安全门运行过程中无反弹，具有较高的可靠性。

结构特征：

销齿操车配套安全门采用链式传动机构由液压马达驱动正反运转，实现安全门的打开和关闭。

全封闭式的传动机构,整体整洁、简单,有很强的防外部冲击、防水的能力。

进车门与出车门的传动机构由长传动轴连接，用一个液压马达驱动，保证了进车门与出车门同步开启，并且通过液压阀容易调整和控制开启速度，运行平稳。

为满足下长料、大件，我们又把出车安全门进步改造，把出车安全门滑道设计成分体式，利用销轴连接成一体，便于拆装。

●液动操作，与操车设备联合集中控制。

●采用左右移动方式，自动操作，并与提升信号及罐笼位置、前阻车器实现闭锁，不能人为随意打开。

●采用高强度铝合金门体，整体结构具有下长料功能。

●在人员或小质量物体的碰撞下，不会产生影响使用的变形。

●在重车、大质量物体的撞击下，靠安全门材料的塑性变形来吸收碰撞能量，发生变形后不影响罐笼正常运行，保证物体不落入井筒。

开关门时间小于3s，能有效地防止8t电机车全速冲击。

6、副井井口、井底液压站系统

●数量：

井口液压站1套，井底液压站1套。

●均采用一箱双机集中液压站，双回路供油系统，变压力，变流量，冲击小，易控制。

系统按高压设计，但工作在中低压区，具有伺服控制功能，使推车机可以变速运行。

●每套液压站均配套双泵双电机（一用一备），电机为防爆电机，配套防爆电控系统，副井井口供电电压为380V、50Hz，井底供电电压为1140V/660V两种、50Hz。

●全套防爆自动控制系统。

●推车机、摇台、单式阻车器、复式阻车器、安全门、分车道岔的扳道器以及滑块阻车器装置等均联控，能实现各台单独动作及联合动作（完成一套操车动作）。

7、操车电控及提升信号系统

操车电控系统采用进口PLC控制，可监测操车设备各组成部件的工作状态，并集中控制各操车设备安全有序运行，并可与提升信号系统实现闭锁。

操车电控系统由本安型电控操作台、矿用隔爆兼本安型电源箱、矿用本安型位置传感器、声光报警器等几部分组成，各组成部件及系统具备煤安标志。

提升工作流程：

●操车工作流程:

罐笼到位→收到停车信号（来自提升机司机的）→安全门打开→摇台落下→阻车器打开→推车机推车→摇台阻车器抬起→安全门关闭→开车继电器动作（可以发开车信号）→推车机返回

提人过程：

罐笼到位→收到停车信号（来自提升机司机的）→安全门打开→摇台落下打开罐帘；

选择提人模式。

人员入罐

关闭罐帘；摇台升起；安全门关闭；开车继电器动作，发出开车信号到井口到司机操作台，；声光指示灯开启；

提升机开始启动，经过加速，匀速、减速，停；具体速度和加速度按照规定。

罐笼到位→收到停车信号（来自提升机司机的）→安全门打开→摇台落下打开罐帘；

人员出罐。

完成人员从井下到地面。

人员从井口到井底过程，反之即可。

提物：

（从井口到井底）

罐笼到位→收到停车信号（来自提升机司机的）→安全门打开→摇台落下打开罐帘；

选择提物模式，

打开阻车器；启动推车机；将矿车推入罐笼；手动使用罐笼内阻车器将矿车固定好；放下罐笼；摇台、阻车器抬起（防止其他矿车跑失控）→安全门关闭→开车继电器动作（可以发开车信号）→推车机返回；声光指示灯开启；

提升机下放：

启动；加速；匀速；减速；停止

罐笼到位→收到停车信号（来自提升机司机的）→安全门打开→摇台落下打开罐帘；打开罐笼内阻车器；启动推车机或人力配合，将矿车推出罐笼；

基本过程有以下几类：

人从井口到井底，之后，再提人从井底到井口；

人从井口到井底，之后，再提矿车从井底到井口；

矿车从井口到井底，之后，再提人从井底到井口；

矿车从井口到井底，之后，再提矿车到从井底到井口；

检修从井口到井底，之后，再从井底到井口；

提火工从井口到井底，之后，再从井底到井口；

更复杂的，提液压支架大型装备，需要更换罐笼，本开发方案不涉及到。

上述过程的实现都是通过信号工的操作台来实现的。

操作台针对上述步骤都有相应的按钮。

其中信号约定是：

开车遵循：

1停、2快上、3快下、4慢上、5慢下的信号规定（上提和下放均以宽罐为准）。

●电气闭锁:

罐笼不到位，安全门、摇台、阻车器都不能动作。

罐笼到位，安全门未关闭，摇台、阻车器未抬起开车继电器不能动作（发不出开车信号）。

罐笼在位，安全门已关闭，摇台、阻车器下放，推车机不能向前推车。

双罐笼提升时，两股道的操车设备之间相互闭锁。

为检修方便，按下检修按键，解除闭锁，这时蜂鸣器报警，提醒现在状态为检修状态，但是，摇台、阻车器不抬起，推车机不能向前推车。

●操作：

自动：

只要按下联动键，以上动作过程可以自动实现。

手动：

处在该状态，安全门、摇台、阻车器、推车机都可以在闭锁允许情况下单独动作。