新型立井箕斗定重装载系统的设计开发

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摘 要

针对国内部分箕斗提升系统不能实现定重装载的问题，本课题采用液压式的称重方法和PLC控制技术，研制了一套矿用立井箕斗定重装载系统。文中对定重装载液压系统进行了动态性能研究，分析了管路参数对液压系统动态特性和称重精度的影响，阐述了PLC及模拟量输入模块的选型与I/O点数的分配，建立了PLC控制的硬件接线图及相应的软件控制流程，最后，对定重装载系统进行了实验研究，研究结果表明该系统能有效提高箕斗提升的自动化程度和生产安全性。本课题的主要研究内容如下：

(1)以煤矿为例，分析现场条件，根据实际工况，对定重装载系统进行了设计，得出了液压系统原理图、PLC的接线图、控制流程图和MCGS软件监测界面。

(2)基于PLC的控制系统采用“一用一备”冗余设计方法，具有可靠性高、操作简单等特点，基于MCGS组态软件的上位机具有工作状态监测、故障诊断和报表打印等功能。

(3)本课题以煤矿所使用的定重装载系统为实验模型，进行了实验室实验研究和现场实验研究，实验内容包括液压系统的启动及运行、受冲击、实验室模拟装载过程和生产现场装载等，并从试验的角度得到了一些实测数据。通过分析，这些数据基本与理论分析结果相一致，表明该立井箕斗定重装载系统可应用于矿山生产现场。 关键词：箕斗；定重装载；管路； PLC

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ABSTRACT

For the problem of partly old main shaft’s skip hoist systems cannot achieve weight-fixed loading, this paper adopted hydraulic-weighing method and programmable logic controller, designed the main shaft's skip weight-fixed loading system. The paper researched the dynamic characteristic of hydraulic system, analyzed the impact of weighing accuracy and dynamic characteristics of the hydraulic system on the pipeline parameters, expounded the selection on the PLC and analog input module, and the distribution on I/O points, established the diagram of the PLC and controlled flow chart. And last, the main shaft's skip weight-fixed loading system is studied experimentally. The results showed the main shaft’s skip weight-fixed loading system can increase the degree of automation loading and safety production. The main contents of the research are as follows:

(1)The design of weight-fixed loading system focus on mine, in accordance with the site and actual conditions, the paper obtained the principle chart of weight-fixed loading hydraulic system, drew the diagram of the PLC, control flow chart and MCGS-based monitoring interface.

(2)The PLC-based control system used the method of \reliability, operated easily and other features, the MCGS-based monitor computer system has the functions of working condition monitoring, fault diagnosis, statements printing and so on.

(3)Based on the weight-fixed loading of mine, the laboratory and field experiments were carried out, including the start-up and operation of hydraulic system, the impact of loading process simulation of laboratory and production site loading, as well as produce the measured data from the pilot's perspective. The experimental results validated the above theoretical analysis, proved the feasibility of monitoring and control system, and the accuracy of theory and simulation analysis. Key word: Skip; Weight-fixed Loading; PLC

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目 录

1引 言 ....................................................................... 1

1.1本设计研究的背景及意义 ................................................. 1 1.2本课题相关技术的发展状况 ............................................... 1 1.3本课题的研究内容 ....................................................... 2 2定重装载液压系统数学模型的研究 ............................................... 3

2.1管路液压传动系统概述 ................................................... 3 2.2管路分布参数数学模型 ................................................... 3 2.3管路集中参数模型数学模型 ............................................... 5 3重装载系统的整体设计 ......................................................... 9

3.1定重装载系统的基本原理 ................................................. 9 3.2定重装载液压系统的设计 ................................................ 10 3.3液压称重系统的设计 .................................................... 11 4定重装载控制系统的硬件设计 .................................................. 14

4.1主井箕斗定重装载PLC控制系统的工作原理: ............................... 14 4.2系统硬件组成 .......................................................... 14 4.3 PLC的选型及I/O点数分配 .............................................. 15 5定重装载控制系统系统软件设计 ................................................ 18

5.1 PLC控制软件设计 ...................................................... 18 5.2上位机监控功能的设计 .................................................. 18

5.2.1井下与井上的通讯 ................................................. 18 5.2.2井上监控界面设计 ................................................. 19 5.2.3监控系统的功能 ................................................... 20

6定重装载系统实验 ............................................................ 21

6.1实验目的 .............................................................. 21 6.2实验设备 .............................................................. 21 6.3实验内容 .............................................................. 21 结 论 ....................................................................... 26 参考文献 ..................................................................... 27 致 谢 ....................................................................... 29

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1引 言

1.1本设计研究的背景及意义

在定重装载液压系统工作工程中，由于某一元件的工作状态变更，将不可避免地在管路内产生流量和压力的冲击或脉动，这对系统的稳定性和可靠性以及系统中其他元件的正常工作有着很大的影响。另外，在箕斗装载过程中管路作为称重油液的容腔，其在受内压时的弹性变形等因素也必然会对称重的精度造成较大的影响。因此，管路作为称重液压系统不可缺少的系统元件，其动态特性是很重要的。

在实际使用过程中，由于泵与液压缸之间有较长的距离，经研究决定使用高压橡胶管作为油液传输管路。高压橡胶管由于其自身存在较大的弹性，在同样的长度下，对系统的影响要比钢管大许多。虽然高压橡胶管自身的弹性有吸收压力脉动的作用，但大量的实践经验表明，高压橡胶管长度较长时势必对系统的性能造成影响。。另外，实践证明由于长输油管路的存在，必然造成液压系统作业机构的响应滞后。因此，管路对系统产生的影响不能忽略。

综上所述，有必要研究长输油管路给定重装载系统带来的各种影响，分析长输油管路与液压系统其他部分之间的作用机理，以及分析不同材料、不同长度和内径的管路对系统动态特性和称重精度的影响，从而进一步针对长输油管路带来的各种不利因素采取行之有效的措施，提供一套考虑管路影响的定重装载液压系统设计理论与方法。 1.2本课题相关技术的发展状况

流体管路的动态问题，通常是指流体管路内的非恒定流动（例如流体冲击和周期振荡）及其引起的管路的机械振动。流体管路为分布参数元件，管路内的非恒定流动时产生的流体谐振而影响系统其他元件的正常工作，当谐振频率与管路结构的固有频率接近时，将产生流固耦合振动，甚至发生管路破裂造成重大事故。另外，管路的动态特性对整个液压系统的动态特性有重要影响，对液压系统进行精确仿真计算时必须考虑管路本身的动态特性。任何使用流体作为介质进行动力或者信号传递的系统都是由一组元件以及用于连接这些元件的管路所组成，这些管路内都充满了流体。在流体控制系统的分析中，通常都认为系统的动态特性完全取决于元件，而连接元件的管路都被认为时纯刚性、无质量、无能量损失的元件。在恒定流条件下，甚至在很多非恒定流条件下，流体传输管路的动态特性与元件的动态特性相比，都是不重要或者时可以忽略不计的。然而，流体传输管路本身有容性、阻性和感性等属性，在某些情况下，为了准确预测系统的动态特性，必须考虑管路的这些动态特性。

目前，我国建于20世纪80年代前的煤矿所使用的立井箕斗装载系统，绝大多数都属于计量斗仓式装载。装煤过程中，依靠箕斗下压开启滑动架使老虎闸进入箕斗，煤直接由煤仓经溜煤槽、老虎闸进入箕斗，箕斗装到限定的高度以后提升机上提，上提时依靠重锤的重力

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拉回滑动架使得溜煤嘴回转，从而截止煤流。由于这种系统不能对所装的煤进行定重装载，因而属于定容装载。 1.3本课题的研究内容

本课题的主要研究内容如下：

(1)以煤矿为研究对象，分析现场条件，根据实际工况，对定重装载系统进行设计。采用液压式的称重方法，选用可编程控制器（PLC）对定重装载系统进行主控制，并对控制软、硬件及上位机监控功能等进行设计。

(3)管路与定重装载液压系统的关系是本课题的研究重点。本课题将研究带有长距离输油管路液压系统的动态特性，分析管路的材料（钢管与高压橡胶管）、长度和内径等参数变化对液压系统性能的影响，并总结管路参数对系统性能影响的规律。

(4)以煤矿立井箕斗定重装载系统为实验模型，对其液压系统的启动和运行、称重液压缸受冲击以及称重过程等工况进行实验研究。本课题就是为了稳定箕斗装载量、保证安全提升，提高箕斗装载的自动化程度，适应矿山安全生产的实际需要而进行的创新性研究。

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2定重装载液压系统数学模型的研究

2.1管路液压传动系统概述

管路液压是传动和控制工程中用以传输流体介质、传递流体动力和流体信息的不可或缺的元件，其动态性能直接关系到系统的精确性、稳定性。液压管路本质上属于一个多自由度的分布参数系统，描述其特性的准确模型是目前普遍认可的与频率相关的耗散摩擦模型，但由于该模型中含有复杂的贝塞尔函数和双曲函数，给模型的解析和应用带来极大的不便，因此在分析液压系统动态特性时，一般都忽略管路效应或采用较粗糙的近似方法。

常用的描述流体管路动态特性的方法主要有二种：分布参数模型和集中参数模型。 (1)分布参数模型就是将系统中较长的液压管路看成是有液容、液感和液阻组成的网络，这种管路模型被认为是流体管路的精确模型，是处理管路的常用方法。

(2)集中参数模型认为管路的特性包含粘性剪切引起的液阻、流体可压缩性或柔性引起的液容和流体加速时惯性作用引起的液感，管路的动态模型可看作是这些理想元件（液阻、液容和液感）的一种纯集中参数的组合。 2.2管路分布参数数学模型

液压管路模型示意如图2-1所示。

图2.1液压管路模型示意图

图2.1中，P1 、P2 、Q1 、Q2分别为管路入口、出口的压力和流量。

通过与电传输线进行类比，可以得到流体管路四端口网络模型的一般表现形式如式（2-1）和（2-2）所示：

（2-1）

（2-2）

式中：Γ——管路的传播算子；Z——管路的特征阻抗。 对于流体，若按分布参数模型考虑，则有：

（2-3）

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（2-4）

（2-5）

式中：DvL/(ar2)——无因次耗散数； Z0=ρa/πr2——阻抗常数； L——管长，m；

v——运动粘度系数，m2/s； a——音速，m/s； ρ——流体密度，kg/m3； r——管内半径，m；

s*=s(r2 /v)——无量纲频率；

J0、J1——零阶和一阶第一类Bessel函数。

根据式（2-1）和（2-2）可知，其中含有复杂的Bessel函数比N(s*)以及双曲函数coshΓ、sinhГ，使得流体管路分布参数模型求解困难。因此，人们一直试图在满足一定精度要求的前提下，采用各种近似方法对以上各式进行简化计算。

由式（3.3）和（3.4）可知，传播算子Γ和特性阻抗CZ是由()Ns表示的函数，Hullender等人定义了一个Bessel函数比的函数()Bs，并通过Bessel函数的零值点将其展开成无限乘积的形式。

（2-6）

（2-7）

式中：ia0+、ia1+——零阶和一阶Bessel函数的零值点。

作为一种近似处理，取式（3.7）的前m项作为函数B(s*)的近似。香川等人用逐次逼近的方法导出了N(s*)的近似表达式，并进行拉氏变换得：

（2-8）

在式（2-8）中，mi和ni取前10项时可以非常精确地逼近原函数。将式（2-8）代入式（2-3）和（2-4），则可以得到传播算子Γ和特性阻抗CZ的近似式，这些近似式适用于低频到高频相当宽的频率范围。mi和ni的取值如表2-1所示。

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表2-1 mi和ni的取值表

i 1 mi 1.0 744 2 725 3 064 4 861 5 788

2.3管路集中参数模型数学模型

传统的管路分段集中参数模型是把管路划分成若干组液感、液容和液阻的串联组合。其中质量块m相当于一段管路中液体的液感，反映的是流体的惯性；v相当于一段管路内流体的平均流速；弹簧刚度k的倒数相当于管路中液体的液容C，反映流体的压缩性对系统的影响；静摩擦阻力RS相当于管壁对管内流动液体的粘度阻力，反映流体流动性中粘度的影响。其等效的机械振动模型如图2-2所示：

6.78.60 3.92626 157010 590 2.20424 536.9 642 101.16 1.16033 187.8 541 59.153 348372.87 612 34.42.5 1182ni 26.3i 6 761 20.01.1 4008mi 11.6.13 1360ni 4618

图2-2管路等效机械振动模型图

在压力波的传播过程中，具有不同速度的两个相邻分段流体相互作用，进行动量交换，并产生能量损失。传统的分段集中参数模型并没有考虑这部分能量损失，哈尔滨工业大学李洪人等人为了考虑相邻两个分段流体相互作用引起的能量损失，在传统分段集中参数模型中引入动摩擦液阻，从而建立新的分段集中参数模型，新模型的等效机械振动模型如图3.3所示。

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图2-2中的Rd表示与两个相邻分段流体相互作用有关的动摩擦液阻，表征液体中微团之间互相作用而产生的能量损失，它是由管内流体脉动引起的。新模型中的液容C、液感L、静摩擦液阻RS与传统分段集中参数模型中的相同。由于流体管路的动态方程与电路中的动态方程又惊人的相似之处，把压力与流量等效为电路中的电压与电流，用液阻R来描述液体在管路中流动时受到的阻力，用液感L来描述液体流动时的惯性，用液容C来描述液体的压缩与管路的变形。流体管路系统可以用一等效电路来替换，流体的压力P、流量Q、液阻R、液感L和液容C完全可以与电路中的电压U、电流I、电阻R、电感L和电容C相互更换，则管路两端压力与流量的关系可近似用图2-3所示的电路图来表示。

图2-3管路的等效电路图

液容产生的压差：

液感产生的压差：

（2-9）

液阻产生的压差：

（2-10）

（2-11）

钢管管路参数的确定 (1)液感L的确定

（2-12）

式中：ρ——管内流体的密度，kg/m3； l——管路长度，m； r——管内半径，m。 (2)液容C的确定

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（2-13）

式中：E——液压油弹性模量，N/m2。 (3)液阻的确定

管路液阻R包括稳态摩擦阻力Rs和动态摩擦阻力Rd，其表达式可通过方程R=Rs+Rd表示。其R表示。其中稳态摩擦阻力Rs与流态有关，表征流量稳定时管壁对流动液体的粘性阻尼作用。

①稳态摩擦阻力的确定

管路流体流动的实际过程是复杂的，层流与紊流时稳态摩擦阻力对系统的影响不同，可以根据雷诺数来判断何时为层流何时为紊流，从而建立通用模型来表征实际系统。对于圆管流动，一般规定雷诺数Re为2320来判别，大于为紊流，小于为层流。圆管流动时：

（2-14）

式中：μ——流体的运动粘度，m2/s； d——圆管内径，m； v——流体流速，m/s。

稳态摩擦阻力表示流动液体的粘性作用，在层流状态下：

（2-15）

（2-16）

式中：

Pl——管路静态摩擦阻力产生的压力损失，N； d——管路内径，m；

ρ——管内流体的密度，kg/m； u——流体运动粘度，m2/s；V q——管内流体流量，m3/s。

紊流状态下，稳态摩擦阻力表达式为：

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（2-17）

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（2-18）

②动态摩擦液阻的确定

传统研究认为动态摩擦与稳态摩擦都是由于流体粘性作用引起的，因此动态摩擦液阻与稳态摩擦液阻有关。哈工大李洪人、陈照弟等人提出了一种管路分段集中参数键图模型，该模型把稳态摩擦液阻作为动摩擦液阻的一个独立变量，应用量纲分析π定理，经与研究管路动态的特征线法和分布参数键图模型大量仿真结果的对比分析，确定了层流状态下分段集中参数模型中的动态摩擦液阻。动态液阻的表达式为：

式中：r——管路半径，m； l——管路长度，m； Rs——稳态摩擦阻力，N。

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（2-19）

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3重装载系统的整体设计

本课题采用液压式的称重方法，由称重液压系统对箕斗中煤的质量进行定量称重，利用PLC作为系统的控制核心，研制了一套立井箕斗定重装载系统。该系统是在不破坏原有提升系统的前提下，在井底托罐梁的间隔增设两对称重液压缸（每对称重液压缸由两支液压缸组成），分别用来测量1号和2号箕斗煤的质量。在左右溜煤槽分别增设一个闸门液压缸，用来截止箕斗中煤达到设定质量后继续流入，系统整体结构如图3-1所示：

图3-1 系统整体结构示意图

以煤矿为例，分析现场条件，根据实际工况，采用液压式的称重方法，由定重装载液压系统对箕斗中煤的重量进行定量称重，利用PLC作为系统的控制核心，对定重装载系统进行设计。

3.1定重装载系统的基本原理

定重装载的基本原理如图3-2所示。压力油液被密封在液压缸2中，当被测箕斗安放在液压缸活塞承载面1上时，密封油液3中的压力将随着箕斗中煤质量的增加而增大。因此，通过压力传感器4测量油液压力的大小，便可换算出箕斗中煤重量的大小。

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图3-2 称重基本原理

其中：1.活塞 2.液压缸 3.密封油液 4.称重压力变送器 油压p与斗箱质量m之间的关系式：

4mg?103 （3-1） P?2?d

3.2定重装载液压系统的设计

定重装载液压系统在不破坏原有提升系统的前提下，在井底托罐梁的间隔增设两对称重液压缸，分别用来测量1号和2号箕斗中煤的质量，在左右溜煤槽分别增设一个闸门液压缸，分别用来截止1号和2号箕斗中的过多煤流入。箕斗在装煤时，压力传感器实时测量箕斗中煤的重量，当压力传感器测量到箕斗中煤的质量达到预定值，控制系统会自动关闭闸门以截止煤流入，并打铃提示司机提升箕斗。定重装载液压系统原理如图3-3所示。

图3-3定重装载液压系统的原理图

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定重装载液压系统的工作流程如下:1号箕斗下落在托罐梁上时压迫滑动架使溜嘴进入箕斗，同时安装在井下的下降限位开关接通使三位四通阀电磁铁1DT通电，芯克服弹簧力右移使压力油液经电磁阀进入称重液压缸下腔，活塞上升顶起箕斗。当重液压缸活塞上升的高度使举升限位开关接通时，电磁铁1DT断电使阀芯位于中位此时压力油液被密封在液压缸中，压力传感器便可以根据密封油液的压力变化测量箕中煤的质量。

当压力传感器的测量到的压力值达到系统设定值的时候，电磁铁5DT电使闸门液压缸立即上升截至煤流入箕斗，同时电磁铁2DT通电使称重液压缸下降到初始位置并发出提升信号。待箕斗提走以后，电磁铁6DT通电使闸门液压缸回到始位置从而完成定重装载的全过程。定重装载一个工作流程完成以后，电磁铁9通电电磁溢流阀卸荷掉液压泵输出的压力油液。2号箕斗的装载工作流程与1号箕斗相同。 3.3液压称重系统的设计

在不破坏原有提升系统的前提下，在井底托罐梁的间隔增设一对称重液压缸，在溜煤槽增设一个装载控制闸门，称重液压缸和装载控制闸门均由液压站进行控制。称重压力变送器的信号由自动控制系统进行处理，并送至绞车房进行实时监控。液压称重系统的原理如图3-4所示。

液压系统的工作过程如下：箕斗下落在托罐梁上时压迫滑动架使溜煤嘴进入箕斗，同时电磁阀2左端通电，阀芯克服弹簧力右移使压力油液经电磁阀进入称重液压缸下腔，活塞上升顶起箕斗开始称重。当称重重量达到系统设定值时，闸门则会及时启动切断煤流，绞车房接到系统发出的提升信号后启动绞车，箕斗上提时依靠重锤的重力使得溜煤嘴回转。箕斗提走以后，称重及闸门液压缸全部复位等待下次称重，从而完成定重装载的全过程。

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图3-4 液压称重系统的原理图

其中：1.称重液压缸 2.电磁换向阀 3.单向阀4.压力表 5.液压泵 6.过滤器 7.油箱8.电磁溢流阀 9.闸门液压缸 10.称重传感器

已知箕斗质量为4 000 kg,装煤质量为8 000 kg,根据已知参数对液压系统进行设计: (1)称重液压缸直径为150 mm,行程为80 mm,举升时间为5 s,举升力为: (4 000+8 000)ηgn=176kN,

其中η为安全系数,取η=1.5,gn=9.8 m/s2;

(2)闸门液压缸直径为50 mm,行程为500 mm,举升时间为2 s,举升力为20 kN。 根据以上设计,以大流量的称重液压缸计算系统各参数: 每对称重液压缸活塞的总面积：S=2πD24=35 325 mm2； 所需液压泵的排量：q=Slnt=23.6 mL/r；

称重液压缸工作压力：p=FS=176 40035 325=4·99 MPa； 式中D———称重液压缸直径,mm； l———称重液压缸行程，mm； n———电动机转速，r/min； t———称重液压缸举升时间，s； F———称重液压缸举升力，kN。

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选取25齿轮泵,额定压力为10 MPa。

该液压泵流量：Qt=251 000n=251 000×1 450=36 L/min 电动机功率：Nt=peQt60=10×3660=6 kW 式中 pe———液压泵额定压力,MPa。 所以电动机选取7.5 kW,转速为1 440 r/min。 根据以上参数计算称重液压缸举升速度、时间及举升力: 举升速度v=tS； 举升时间t=lv； 举升力F=pS。

闸门液压缸计算方法与称重液压缸相同，计算结果见表3-1:

表3-1 称重和闸门液压缸各参数的计算值 举升时间/s 举升速度/mm·s-1 举升力/kN 称重液压缸 4.7 17.0 353 闸门液压缸 1.6 305.5 20 13

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4定重装载控制系统的硬件设计

定重装载控制系统主要由井下防爆控制柜、井上数据采集控制箱和计算机监测软组成。井下防爆控制箱和井上数据采集控制箱间采用RS485现场总线进行数据交换，井下防爆控制柜根据所采集到的箕斗工作状态号、称重的重量状态信号来自动控制液压泵站电磁阀动作，使称重液压缸升、降箕斗开、关溜煤嘴闸门，同时通过RS485通讯方式将采集到的箕斗装煤重量信号自动发送井上数据采集控制箱，并自动发出提升信号通知提升机司机。 4.1主井箕斗定重装载PLC控制系统的工作原理:

主井井底煤仓下安装2台给煤机，一左一右，2台给煤机分别给左右2个溜煤斗里装煤，安装在左右2个溜煤斗下面的箕斗定重称重装置进行定重计量，当达到设定值时，系统控制器发出溜煤斗装满信号，自动关闭给煤机，并且检测提升箕斗到位信号是否到位。若提升箕斗没有到位，等待提升箕斗到位；若提升箕斗到位，系统控制器发出打开气缸控制溜煤斗闸门向提升箕斗装煤指令，延时一段时间后,关闭气缸控制溜煤斗闸门，并且发出计量重新开始信号，向给煤机发出给煤信号,并向提升机发出允许提升信号。2台给煤机及2个提升箕斗交替重复以上控制过程，从而实现主井箕斗定重装载PLC控制系统的闭锁运行。 4.2系统硬件组成

主井箕斗定重装载PLC控制系统由监控器、控制器、箕斗定重称重装置和执行机构4个部分构成，如图4-1所示：

4-1 定重装载硬件结构图

监控器(绞车房)由FX2N-48MR、FX2N-485,-BD、显示面板、专用继电器组和供电电源5个部分组成，主要用来显示井底装载设备的运行状态、信号状态、定量斗装煤重量以及参数设置，并且完成数据的远程传输任务。FX2N-48MR是监控器的核心部分，完成监控器的主要功能。显示面板与专用继电器组完成PLC输出信号的转换，从而实现人机对话功能。FX2N-485-BD负责完成数据的远程传输。供电电源为显示面板提供DC +5 V电源。控制器由

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控制箱、显示操作台和隔爆兼本安电源组成，其中控制箱由FX2N-48MR、FXON-16EYT、FX2N-2AD、FX2N-485-BD和专用继电器组组成。

箕斗定重称重装置输出的4-20 mA电流信号通过控制器的FX2N-2AD转换为重量信号、输出显示井底装载设备的运行信号、状态信号、箕斗装煤重量以及设备控制的输入信号，并完成数据的远程传输。显示操作台主要用来显示井底装载设备的运行状态、信号状态、定量斗装煤重量以及设备、信号控制按钮。该控制器可设置3种工作状态自动、停止、手动。

自动工作状态为系统全自动闭锁控制运行，不需要人工干预运行过程；停止状态为系统停止运行；手动状态为系统手动控制运行，需要人工操作各个设备按钮，控制相应设备的运行。生产期间最好不要使用手动工作状态，检修期间使用手动工作状态，用来检查各个设备的状况。隔爆兼本安电源为显示面板、专用继电器组提供DC 5 V与24 V电源。 4.3 PLC的选型及I/O点数分配

应用PLC控制定重装载系统实现各种预定动作，可以简化控制线路，节省成本根据定重装载的动作要求以及液压控制原理，其电气执行元件(各电磁阀)均采用直24V以便安全可靠[18]。

(1)确定PLC所需的I/O点数

定重装载系统需要有自动和手动两种操作方式，当系统在正常状态下工作时，按自动状态按钮，此时需要2个限位开关发出的信号，分别用来控制两对称重液压缸的缩距离。当系统出现异常不能正常工作时，按下手动状态按钮，此时由手动操作定重载系统的工作，共需8个按钮操作各个液压缸的伸缩。

(2)模拟量输入模块的选择

模拟量输入模块用来接收由压力传感器发生的电信号，并进行A/D转换。本课题用西门子公司的EM231模拟量输入模块，它具有4个模拟量输入点，电压输入范围0-5V或0-10V、电流输入范围为4-20mA、数据字格式为0-32760、分辨率为12位A转换器，供电电压DC24V或者AC220V。

(3)PLC型号的选择

在PLC选型时，主要是根据所需功能和容量进行选择，并考虑维护的方便性，件的通用性，是否易于扩展、有无特殊功能要求等。

(4)I/O点数的分配

根据以上分析，要选择输入点的个数大于16、输出点的个数大于18，对PLC的描速度及其它方面无特殊要求。为确保定重装载系统高可靠性运行，控制系统采用西子公司S7-200系列PLC的CPU226为控制核心。它共有24个输入、16个输出点，机存储器为4KB，计数器256

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个，定时器256个。其结构紧凑、处理数据能力强、功9指令丰富并且具有PROFIBUS-DP和MPI通信接口，易于构成现场总线和实现多级网控制

[19-21]

。另外，还需要一个至少有2个点数

的扩展模块。选用CPU226和其扩展模主要是考虑节省制作成本。

该称重控制系统有7个开关量的输入，18个开关量输出，两个模拟量输入，两个拟量输出，综合需求和可靠性分析，选用SIMENS公司S7-200系列PLC，中央处理选用CPU226—AC/DC/RLY，其数字量I/O为24/16，电源供电85-264VAC（47-63Hz内置高速计数器6个，“1”的信号为15-35V，“0”的信号为0-5V。模拟量模块采EM231(8路输入)。量程采用0-5V，转换均设定为单级性，对应数字量为0-32760。具有强大指令、运算能力和多方式中断能力，完全满足控制各种需求。

表4-1定重装载控制系统I/O点数的分配

地址号 外接器件 名称 地址号 I0.0 “自动/手动” I0.1 “接通备用” 按钮 I0.2 I0.4 I0.6 I0.7 I1.1 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3

(5)压力传感器的主要技术参数 工作电源：9～40VDC 输出信号：0～5VDC 量程：0~16MPa

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外接器件 名称 按钮自动/手动切换 备用系统接通 Q0.5 3DT 2号箕斗备举升 Q0.6 4DT 2号箕斗下降 “初始化” 按钮状态接通 1DT 1DT 2DT 2DT 1号箕斗降到位 1号箕斗降到位 总电源状态 输出电源状态 1号箕斗举升 1号箕斗备举升 1号箕斗下降 1号箕斗备下降 Q0.7 4DT 2号箕斗备下降 1号闸门上升 1号闸门备上升 1号闸门下降 1号闸门备下降 2号闸门上升 2号闸门备上升 2号闸门下降 2号闸门备下降 Q1.0 6DT Q1.1 6DT Q1.2 Q1.3 Q1.4 Q1.5 Q1.6 Q1.7 5DT 5DT 7DT 7DT 8DT 8DT 山东大学自学考试毕业设计（本科）

根据该定重装载系统工作的特殊环境，为了保证系统工作的稳定性，设立了两套立的控制系统，当PLC控制系统出现故障时，通过自动/手动按钮切换成手动状态，手动按钮控制各电磁阀完成装载任务。考虑到该系统在井下工作，安装限位开关极不便，所以除箕斗下降到位需有磁性开关控制外，其余均由时间继电器来控制。另外，重装载系统的控制采用“一用一备”的冗余设计方法进行设计，提高了控制的可靠性定重装载控制系统的I/O分配如表2.1所示。

依据现场实际生产条件，为了保证定重装载系统按流程完成箕斗的定重装载，建了PLC与元器件的逻辑接线图，如图4-2所示。

图4-2 PLC与元器件的逻辑接线图

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5定重装载控制系统系统软件设计

5.1 PLC控制软件设计

采用STEP7软件进行编程，该软件功能强大，可实现测试、在线编程、运行诊断等多种功能，并且具有友好的用户界面，支持梯形图（LAD）、功能块图（FBD）、语句表（STL）等多种编程语言。本文选用梯形图进行编程，编程时将该定重装载系统分为自动和手动两种执行方式。另外，为了保证系统的安全运行，在编程时设置了一些必要的联锁，自动状态下控制流程如图5-1所示。

图5-1 自动系统软件流程图

5.2上位机监控功能的设计

5.2.1井下与井上的通讯

采用西门子S7-200可编程控制器及EM231数据采集通讯模块，对定重装载系统进行主控制和称重数据采集。井下与井上通讯原理如图5-2所示。

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图5-2井下与井上通讯原理图

井下防爆控制箱和井上数据采集控制箱之间采用RS485通讯方式进行数据交换，井下防爆控制柜根据所采集到的箕斗工作状态信号、称重的重量状态信号来自动控制液压泵站电磁阀动作，使称重液压缸升降箕斗和溜煤嘴闸门的打开和关闭，同时通过RS485通讯方式将采集到的箕斗装煤重量信号自动发送到井上数据采集控制箱，并自动发出信号通知提升机司机。

5.2.2井上监控界面设计

MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于Windows平台的，用于快 速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于Microsoft Windows95/98/Me/NT/2000等操作系统。MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、 动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能[22][23]。

本课题利用MCGS组态软件构造了定重装载上位机监控界面，并配备了运行状态监测、报表打印等功能，所设计的上位机监测界面如图5-3所示。

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图5-3上位机监测界面

5.2.3监控系统的功能

当箕斗下降到位后，主画面窗口溜煤槽下的箕斗画面就会显示出来，同时指示灯的“到位”灯点亮，之后指示灯“装载中”点亮。当称重完毕后、箕斗装满时，“已装满”灯点亮，且输入框中显示当前箕斗的重量。同时，还可以对窗口按钮控件的操作完成前一日产量、当日产量、前一月产量、当月产量、全部产量、年产量、日产量查询和月产量查询的数据显示。上位机监控系统具有的功能有：

(1)井上数据采集控制箱通过RS485现场总线传输箕斗工作位置信号、工作状态信号，同时采集井下数据采集控制箱装载重量数据，并具有报表打印等功能。

(2)使称重液压缸及闸门液压缸运行。可根据“手动/自动”运行按钮、“手动”调试按钮选择系统的运行方式，并且可在触摸屏界面上显示系统的运行状态。

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6定重装载系统实验

6.1实验目的

在前几章节中，本课题对定重装载监测与控制系统进行了设计，并对定重装载液压系统作了详细的理论推导、仿真研究以及动态特性分析，得出了管路的材料、长度和内径等参数对整个定重装载液压系统动态性能影响的一些理论分析结果。但是，定重装载液压系统的动态特性分析、监控系统的设计在实际使用过程中可能与理论分析存在一定的差异，因此，对定重装载系统进行部分实验研究是非常必要的。

本课题采用虚拟仪器LabVIEW对定重装载系统的启动、运行以及各种受力状况进行实验数据采集，采用MCGS组态软件对定重装载现场称重数据进行实时采集，并绘制称重实时曲线。利用测试得到的数据来分析本定重装载系统设计的合理性，通过这些手段得到定重装载系统的稳态和动态特性，并为该系统在现场的安装、调试积累经验，同时为以后设计类似系统提供可靠的理论依据。 6.2实验设备

(1)液压试验台

电动机为YB132S-4型三相异步防爆电动机，功率为5.5kW，电压380V，电动机转速为1440r/min，防爆型式ExdⅠ；液压泵型号为ACB-F 25C-FL(C)，额定压力10MPa，公称排量25.36ml/r；称重液压缸公称压力16MPa，直径为150mm，行程80mm；闸门液压缸公称压力16MPa，直径为50mm，行程500mm；电磁换向阀型号为GDFW-03-3C2-DC24-90，公称压力31.5MPa，公称流量100L/min，电源电压DC24V。

(2)研华IPC—610—H工控机。

(3)西门子S7-200可编程控制器（PLC）及继电器。

PLC型号为西门子S7-200的CPU226，此外还包括一个8个点的扩展模块以及一个模拟量输入输出模块EM231。中间继电器采用OMRON的产品。

(4)ZQ-502-CE型防爆压力变送器。

量程为0～16MPa，供电电压为DC24V（9～40VDC），输出电压为0～5V，精度为0.5%FS，安装接口M20×1.5螺纹，防爆标志ExdⅡCT6。

(5)RIGOL DS-5062C数字示波器。 (6)NI-PCI-6014数据采集卡。 (7)WYJ-201晶体管稳压电源。 6.3实验内容

1称重液压缸举升过程实验

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实验方法：操作液压泵站，使液压缸活塞从液压缸底部由静止开始举升，直至液压缸活塞举升至液压缸满行程，使用虚拟仪器LabVIEW测量此过程中密封在液压缸下腔的液压油压力数据，测得压力曲线如图6-1所示，横坐标时间的单位为毫秒（ms）。

图6-1液压油压力曲线图

操作液压泵站，使液压缸活塞完全伸出，用手举起质量为5kg的一球体铁块，高度为1.5m，使该铁块在初始速度为零的状况下自由下落到液压缸活塞正上方，同时使用LabVIEW测试软件测量连接液压缸下腔管路的密封液压油压力数据。连续测量三次，测得压力曲线如图6-2、6-3和6-4所示。

图6-2第一次测试结果

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图6-3第二次测试结果

图6-4第三次测试结果

(1)实验一（实验室实验）

实验方法：操作液压泵站使称重液压缸活塞完全伸出，然后将一液压千斤顶树立在称重液压缸活塞正上方，并将称重液压缸和千斤顶固定在一铁框之内（目的是千斤顶在加载力的过程中一端得到固定，另一端的活塞杆能够升出从而给称重液压缸加载）。使千斤顶匀速给称重液压油缸加载力，加载的力为0~1000kg，持续加载力的时间大约为5s，同时使用虚拟仪器LabVIEW测量连接在液压缸下腔管路内的密封液压油压力数据，测得压力曲线如图6-5所示。

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图6-5液压油压力变化曲线

在这个实验中，数据采集卡采集数据设置为每秒执行4000次，LabVIEW软件每次采样256个点，则每次开销256/4000=0.064s。将256个点做算数平均处理，得到1个值，那么，在图6-5中，横坐标的时间就为0-12.8s。

(2)实验二（现场实验）

本课题所设计的立井箕斗定重装载系统，已经在铜川矿务局王石凹煤矿安装并使用，本课题以该矿实际生产为实验对象，进行现场生产过程的数据采集。实验方法：当箕斗下落到托罐梁上以后，煤仓中的煤经溜煤槽流入箕斗，同时称重液压缸活塞开始举升顶起箕斗使其脱离托罐梁，称重液压缸举升完毕以后，安装在液压泵站的“O”型三位四通电磁换向阀换至中位，油液被密封在液压缸无杆腔及长输油管路中，此时安装在管路入口的压力变送器实时的测量箕斗中煤的装载质量。压力变送器发出的电信号经PLC的A/D模块转换为数字量，采用MCGS组态软件实时读取PLC中的数据。当箕斗中的煤质量达到系统设定值以后，闸门液压缸立即举升闸门，闸门截止煤在箕斗装载质量达到设定值的情况下继续流入，延时5s称重液压缸活塞下降，待箕斗提走后，闸门液压缸活塞下降打开闸门。采集到箕斗中煤质量的变化曲线如图6-6所示。

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图6-6箕斗中煤质量的变化曲线

6.4实验结果分析

通过称重液压缸举升过程的实验可以得出：称重液压缸举升时间大约为4.7s（4700ms），启动瞬间压力突然上升约0.71MPa左右，启动过程时间大约持续0.15s（150ms），而后压力下降变平缓。启动以后，液压系统压力维持在0.58MPa左右，这主要是由于液压缸伸出时管路的摩擦力以及液压缸本身的库仑摩擦力引起的。从图6-2可以看到，在系统启动以后压力曲线波动明显，这是由于两支称重液压缸举升过程中摩擦系数不同，造成液压缸运行不同步，从而产生压力波动的情况。

对称重液压缸活塞冲击的曲线分析可知，5kg的铁块冲击液压缸实验，铁块冲击液压缸活塞时冲击时力急剧上升，测量得出的冲击力峰值分别为0.013MPa、0.02MPa和0.018MPa，三次的平均峰值为0.017MPa，液压缸进油腔活塞面积为0.0176625 m2，则可计算出5kg的铁块冲击液压缸活塞时，最大冲击力为300N，压力峰值由波动到平稳大约需要100ms左右。

通过称重过程实验二可以得出：定重装载所采集到的曲线随装载煤的质量增加而平稳上升，曲线上升情况良好，没用出现剧烈的波动等情况，上升过程经核实与装载过程煤流的情况相一致，装载质量在预期的误差范围之内。煤的质量达到9000kg、闸门关闭不再溜煤以后，质量一直维持到9000kg左右。在图6-6中，压力曲线突然下降到0是由于称重液压缸活塞此时已开始下降，液压油直接流回油箱而致使管路内压力降低，压力变送器测量到的值接近0。从现场采集到的数据来分析，本课题所设计使用的定重装载系统符合矿山生产需要，并且满足定重装载要求，能达到理想的称重效果。

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结 论

本课题针对矿用立井箕斗定重装载系统的研制展开了设计与分析。针对矿山生产的实际情况，本课题对定重装载监测与控制系统进行了设计；通过对定重装载液压系统进行的大量理论和实验研究，作者对管路与液压系统之间的相互作用有了比较深刻的认识和理解；从实验室试验和现场使用的情况来看，本课题的研究基本达到了目标。通过对立井箕斗定重装载系统的研究，得到了以下成果和结论：

(1)不论是采用钢管或者高压胶管，管路的材料、内径等参数变化对系统动态特性的影响并不大。液压系统采用钢管或者高压胶管作为管路对系统的影响不明显，改变管路的长度、内径对定重装载系统动态性能的影响可忽略。

(2)对于定重装载液压系统来说，应该选择高压胶管作为液压系统的管路，有利于提高定重装载系统的称重精度。

(3)通过对定重装载监测与控制系统的设计和使用情况来看，基于MCGS组态软件的上位机可以准确的监测定重装载系统的工作状态，并且操作简单、易学；基于PLC的定重装载控制系统运行平稳、正常，具有高可靠性的特点，完全满足矿山的使用要求。

(4)通过对定重装载系统进行的实验室试验，表明该系统具有良好的动态特性。

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致谢

在本设计撰写审核过程中，得到了导师的精心指导。老师对论文的方向作出了正确的引导，才使得本论文得以顺利的完成。在此，谨向尊敬的导师表示衷心的感谢和崇高的敬意。感谢在我论文和研究中引用到的其他学术论著及研究成果的学术前辈，正是他们在相关领域里杰出而又卓有成效地研究，才使本研究得以顺利完成。我还要特别感谢家人多年来对我的支持，是他们无私的奉献和鼓励才使我顺利的完成学业。

最后，感谢各位评委、专家和教授在百忙之中对本论文进行评审和指正。

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