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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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