矿井采煤装备智能控制与运行信息管理系统研究与设计.pdf

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工程硕士专业学位论文 矿井采煤装备智能控制与运行信息管理 系统研究与设计 Research and Design of Mine Mining Equipment Intelligent Control and Operation Ination Management System 作 者吕 帅 导 师李 明 教授 中国矿业大学 二 0 一九年五月 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定,同意本人所撰写的学 位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一, 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位论文的 部分使用权,即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电子版,可以使 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文;②为教学和科研目的,学校档案 馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、 图书馆等场所或在校园网上供校 内师生阅读、浏览。另外,根据有关法规,同意中国国家图书馆保存研究生学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书) 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 中图分类号 学校代码 10290 UDC 密 级 公开 中国矿业大学 工程硕士专业学位论文 矿井采煤装备智能控制与运行信息管理 系统研究与设计 Research and Design of Mine Mining Equipment Intelligent Control and Operation Ination Management System 作 者 吕 帅 导 师 李 明 申请学位 工学硕士 培养单位 信控学院 学科专业 控制工程 研究方向 系统集成 答辩委员会主席 孙伟 评 阅 人 盲审 二○一九年五月 万方数据 论文审阅认定书 论文审阅认定书 研究生 在规定的学习年限内,按照研究生培养方案的要 求,完成了研究生课程的学习,成绩合格;在我的指导下完成本学位论文, 经审阅,论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同,论文撰写格式符 合学校的相关规定,同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。 导师签字 年 月 日 万方数据 致谢致谢 毕业论文暂告收尾,这也意味着我三年的研究生学习生活即将结束,在这三年的时 间里,我在学习上和思想上都受益匪浅,这除了自身的努力之外,和各位老师、同学及 朋友的关心、支持是分不开的。 首先,要感谢我的导师李明教授,李老师活跃的学术思想和将科学研究与工程实践 相结合的工作方法使我深受启发。从论文的选题、框架的设计到最终的论文定稿,李老 师都给予了悉心指导,李老师的辛勤栽培和孜孜教诲是论文得以完成的重要保障。 其次,我要衷心的感谢雷汝海副教授,三年的学习和工作过程中,与雷老师接触颇 多。雷老师的行事风格、教学态度、专业知识对我影响颇深,特别是在科研项目的进行 中和论文的撰写过程中,雷老师给予了很大的帮助和指导。同时还要感谢徐州兆恒公司 项目组的王军副教授、魏免等人在项目进展中的互助合作,正是他们的帮助和支持,我 才能克服一个个困难和疑惑,直至本文的顺利完成。 感谢我的父母和妻子,他们给予了我最无私的爱,为我的学业和事业付出很多,无 以为报,唯有希望他们永远健康快乐 最后,对本文借鉴引用著作的作者,以及在百忙中抽出时间审阅论文和参加答辩的 各位老师表示最真挚的感谢。 万方数据 I 摘 要 摘 要 当前采煤工作面的主要采煤装备已实现机械化和自动化,但由于设备布置分散、监控 点众多、环境恶劣,对于多机的互联互通控制并没有很好的解决方案,实现采煤装备控制 的网络化、智能化是煤矿高效、安全生产的重要保障。因此,搭建一套采煤装备集中智能 控制与运行信息管理平台是非常必要的。 本文基于实际项目背景,在调研了相应采煤工作面采煤机、刮板输送机、转载机、破 碎机和转运皮带已有控制策略或控制系统基础上,提出了采用西门子 S7-1200 系列PLC 和 RS485 现场总线技术来构建一套采煤装备远程集中智能监控系统,并采用 WINCC 组态软 件和 C语言来开发远程监控和信息管理平台。论文首先论证了基于 PLC 构建整套远程集 中智能监控系统的合理性,并在分析采煤装备常见故障的基础上,提出了基于 SOM 神经 网络的故障诊断方法。以采煤机为研究对象,提取故障特征信息,最终利用 MATLAB 设 计出了适于采煤机故障诊断的SOM 神经网络模型, 仿真结果验证了基于SOM 神经网络进 行采煤故障诊断的合理性和正确性。 对整套采煤装备远程集中智能控制与运行信息管理平台的总体设计方案进行了阐述, 并对基于PLC 的智能控制柜和就地操作箱的硬件选型和软件流程设计方法进行了论述。 考 虑到系统搭建过程中以太网和RS485 技术的重要性,对系统的通讯与连接过程可能涉及的 网络配置难点进行了必要的论述。最后,利用西门子的 WINCC 组态软件,设计开发了本 系统的智能信息管理平台,包括实现采煤装备的远程启、停控制,运行状态信息的存储、 显示、查询等功能;并采用Visual Studio 2017 编程平台和C语言,开发设计了WEB 浏览 器形式的设备运行信息管理平台,设计功能包括对运行数据的分析、采集系统管理等。 关键词关键词智能控制;故障诊断;PLC;SOM 神经网络;WINCC;WEB 浏览器 万方数据 II Abstract At present, the main mining equipment of coal mining face has been mechanized and automated. However, due to the scattered layout of equipment, numerous monitoring points and bad environment, there is no good solution for the interconnection control of multi-machine. The realization of networking and intellectualization of mining equipment control is an important guarantee for high efficiency and safe production of coal mine. Based on the background of actual project and on the basis of investigating the existing control strategies or control systems of shearers, scraper conveyors, transporters, crushers and transporting belts in the corresponding coal mining face, this paper proposes to construct a remote centralized intelligent monitoring system of coal mining equipment based on Siemens S7-1200 series PLC and RS485 field bus technology. And to develop remote monitoring and ination management plat based on WINCC configuration software and C language. Firstly, the paper demonstrates the rationality of building a whole set of remote centralized intelligent monitoring system based on PLC. On the basis of analyzing common faults of coal mining equipment, a fault diagnosis based on SOM neural network was proposed. Finally, the SOM neural network model suitable for fault diagnosis of shearer is designed based on MATLAB and the fault feature ination of Shearer. The simulation results verify the rationality and correctness of fault diagnosis of coal mining based on SOM neural network. The overall design scheme of the whole set of remote centralized intelligent control and operation ination management plat for coal mining equipment is described. The hardware selection and software flow design of intelligent control cabinet and local operation box based on PLC are discussed. Considering the importance of Ethernet and RS485 technology in the process of system building, the network configuration difficulties that may be involved in the process of communication and connection of the system are discussed necessarily. Finally, the intelligent ination management plat of the system is designed and developed based on Siemens WINCC configuration software, including to remote start-up and stop control of mining equipment, storage, display and query of running status ination. The equipment operation ination management plat in the of WEB browser is developed and designed base on Visual Studio 2017 programming plat and C language, and the design functions includes analysis of operation data, management of acquisition system, etc. Key words intelligent control; fault diagnosis; PLC; SOM neural network; WINCC; WEB browser. 万方数据 III 目 录 目 录 摘摘 要要 .........................................................................................................................................I 目目 录录 ..................................................................................................................................... III 图清单图清单 .................................................................................................................................... VII 表清单表清单 ...................................................................................................................................... IX 1 绪论绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 课题背景及意义 ................................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................................. 1 1.3 论文研究内容 ..................................................................................................................... 4 2 采煤装备控制策略和常见故障采煤装备控制策略和常见故障 ............................................................................................. 5 2.1 采煤装备概况 ..................................................................................................................... 5 2.2 采煤装备控制策略 ............................................................................................................. 5 2.3 采煤装备常见故障及原因 ............................................................................................... 11 2.4 本章小结 ........................................................................................................................... 14 3 基于基于 SOM 神经网络的故障诊断神经网络的故障诊断 ........................................................................................ 15 3.1 SOM 神经网络 .................................................................................................................. 15 3.2 采煤机故障监测参数确定 ............................................................................................... 17 3.3 基于 SOM 神经网络的采煤机故障诊断 ........................................................................ 19 3.4 本章小结 ........................................................................................................................... 25 4 智能控制系统的设计智能控制系统的设计 .......................................................................................................... 26 4.1 系统总体构架 ................................................................................................................... 26 4.2 PLC 控制系统的设计 ........................................................................................................ 29 4.3 各类传感器的选型 ........................................................................................................... 36 4.4 系统通讯与连接 ............................................................................................................... 37 4.5 本章小结 ............................................................................................................................ 42 5 智能信息管理平台设计智能信息管理平台设计 ....................................................................................................... 43 5.1 WINCC 组态画面设计 ...................................................................................................... 43 5.2 WEB 浏览器设计 .............................................................................................................. 47 5.3 本章小结 ............................................................................................................................ 51 万方数据 IV 6 总结与展望总结与展望 .......................................................................................................................... 52 6.1 总结 .................................................................................................................................... 52 6.2 展望 .................................................................................................................................... 52 参考文献参考文献 .................................................................................................................................. 53 作者简历作者简历 .................................................................................................................................. 55 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 .............................................................................................................. 56 学位论文数据集学位论文数据集 ...................................................................................................................... 57 万方数据 V Contents Abstract .................................................................................................................................... II Contents .................................................................................................................................... V List of Figures ....................................................................................................................... VII List of Tables ........................................................................................................................... IX 1 Introduction ........................................................................................................................... 1 1.1 Background and Significance of Subject ............................................................................. 1 1.2 Research Status at Home and Abroad .................................................................................. 1 1.3 Research Contents of the Paper ............................................................................................ 4 2 Control Strategy and Common Faults of Mining Equipment ........................................... 5 2.1 Overview of Mining Equipment........................................................................................... 5 2.2 Control Strategy of Mining Equipment ................................................................................ 5 2.3 Common Faults and Reasons of Mining Equipment.......................................................... 11 2.4 Chapter Conclusion ............................................................................................................ 14 3 Fault Diagnosis Based on SOM Neural Network ............................................................. 15 3.1 SOM Neural Network ........................................................................................................ 15 3.2 Determination of Monitoring Parameters for Shearer Failure ........................................... 17 3.3 Fault Diagnosis of Shearer Based on SOM Neural Network ............................................. 19 3.4 Chapter Conclusion ............................................................................................................ 25 4 Design of Intelligent Control System ................................................................................. 26 4.1 System Overall Architecture .............................................................................................. 26 4.2 Design of PLC Control System .......................................................................................... 29 4.3 Selection of Various Sensors .............................................................................................. 36 4.4 System Communication and Connection ........................................................................... 37 4.5 Chapter Conclusion ............................................................................................................ 42 5 Design of Intelligent Ination Management Plat ............................................... 43 5.1 Design of WINCC Configuration Screen ........................................................................... 43 5.2 Design of WEB Browser .................................................................................................... 47 5.3 Chapter Conclusion ............................................................................................................ 51 万方数据 VI 6 Conclusions and Prospect ................................................................................................... 52 6.1 Conclusion .......................................................................................................................... 52 6.2 Prospect .............................................................................................................................. 52 References ............................................................................................................................... 53 Author′s Resume .................................................................................................................... 55 Declaration of Thesis Originality .......................................................................................... 56 Declaration of Thesis Originality .......................................................................................... 57 万方数据 XII 图清单图清单 图序号 图名称 页码 图 2-1 采煤机核心 PLC 控制器 6 Figure 2-1 Core PLC Controller of Shearer 6 图 2-2 KTC101 型主控制器 7 Figure 2-2 KTC101 Main Controller 7 图 2-3 基于 KTC101 型搭建的部分采煤设备控制系统 8 Figure 2-3 Control System of Partial Coal Mining Equipment Based on KTC101 8 图 2-4 KHP144-K 型矿用带式输送机保护电控装置 9 Figure 2-4 KHP144-K Electric Control Device for Protection of Mine Belt Conveyor 9 图 3-1 SOM 神经网络结构模型 16 Figure 3-1 SOM Neural
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