综采机组半实物虚拟仿真关键技术研究.pdf

万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 硕士学术学位、硕士非工程类专业学位 学位论文答辩信息表 论文题目 综采机组半实物虚拟仿真关键技术研究 课题来源* 山西省工业研发计划 论文答辩日期 2020 年 6 月 11 日 答辩秘书 谢嘉成 学位论文答辩委员会成员 姓名 职称 博导/硕导 工作单位 答辩委员 会主席 李秀红 教授 博导 太原理工大学 答辩委员 1 庞新宇 副教授 硕导 太原理工大学 答辩委员 2 崔红伟 副教授 硕导 太原理工大学 *课题来源可填国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、国家 社科基金项目、教育部人文社科项目、国家其他部委项目、省科技厅项 目、省教育厅项目、企事业单位委托项目、其他 万方数据 万方数据 摘 要 I 摘 要 目前， 国内综采仿真操作台的设计仅仅局限于教学领域， 还不能实现将 有效的数学模型应用于虚拟现实进行仿真研究。国内企业在产品的自主开 发创新上能力较弱， 并且开发的状态实时监测系统存在数据误差大， 系统运 行不稳定等问题无法满足更新换代的需求。由于三机综采的工作环境恶劣， 阻碍了对井下综采系统的智能化开发与设计， 因此， 急需开发出新的研究手 段解决当前的这些问题。 系统以西门子 S7-200CPU226 及其以太网模块、Xsens 公司的 MTi-300 惯导系统、STM32F103 单片机等作为硬件支持，集成以上位机组态王与 Unity3D 软件为主要平台的综采半实物仿真系统， 最终实现了控制面板实操 控制 Unity3D 虚拟仿真模型以及仿真模型实时对外界综采装备运行状态的 监控，致力于实现虚实结合的井下三机综采仿真虚拟系统。 首先， 通过分析井下综采工况工艺过程， 推导出一种在工程上能够正确 使用的液压支架自主跟机数学模型，利用该数学模型，在 Unity3D 实验平 台上完成了高效的综采仿真过程；然后，通过设计集中控制台，完成了集中 控制台对 Unity3D 中虚拟液压支架的控制，包括收护帮板-降柱-移架-升柱- 伸护帮板等动作，实现人工手动对虚拟液压支架的控制；最后，对 STM32f103 单片机编程，利用 Xsens 公司开发的 MTi-300 捷联惯导系统实 现对外界液压支架状态的实时监测，并对整个系统的性能进行了实验测试， 证明了该系统工作的可靠性与稳定性。主要结论包括 （1）基于井下三机综采工况工艺过程，设计出高效的三机协同数学模 型，为综采三机协同运行高效采煤提供了参考； （2） 本系统采用Unity3D虚拟仿真软件， 实现井上对综采方案的研究， 节省了井下对综采过程研究的成本； （3）系统通过设计集中控制台，利用抗干扰能力强的西门子 S7- 200CPU226 主机及其以太网通讯功能模块，实现集中控制台对 Unity3D 中 虚拟模型的控制。 （4）采用功能比较稳定的 STM32F1 系列单片机作为微处理器，极大 的提高了监测系统工作的稳定性，使其能够在复杂的环境中稳定的传输准 确的数据。 最终建立的综采监测系统， 可以使操作人员直观的观察到液压支 架作业时的工作状态，并可实现及时为综采过程中液压支架状态进行调整。 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 II 关键词关键词Unity3D；STM32 单片机；西门子 PLC；Modbus 协议；虚拟仿真 万方数据 ABSTRACT III ABSTRACT At present，the design of most domestic comprehensive mining simulation consoles is limited to the field of teaching. It is not yet possible to apply effective mathematical models to virtual reality for simulation research. Domestic enterprises are weak in independent product development and innovation. In addition， the real-time status monitoring system has large data errors， unstable operation and other problems that cannot meet the needs of upgrading . Due to the harsh working environment of the three fully mechanized mining machines， which hinders the intelligent development and design of the underground fully mechanized mining system， new research s are urgently needed to solve these current problems. The comprehensive mining semi-physical simulation system uses Siemens S7-200CPU226 and its Ethernet module， Xsens MTi-300 inertial navigation system， STM32F103 single-chip microcomputer， etc. as hardware support， and integrates the host computer configuration king and Unity3D as its main software plat. Finally， the control panel can control the Unity3D virtual simulation model. And the simulation model realizes the real- time monitoring of the running status of the outside comprehensive mining equipment. Committed to realizing the combination of virtual and real underground three-machine fully mechanized simulation virtual system. First of all， by analyzing the technological process of underground comprehensive mining conditions， it is designed to be a mathematical model of hydraulic support that can be used correctly in engineering. Using this mathematical model， an efficient fully mechanized mining simulation process was completed on the Unity3D experimental plat. Then， through the design of the centralized console， the control of the virtual hydraulic support in Unity3D is completed by the centralized console， including receiving the help board， lowering the column， moving the frame， raising the column， extending the help board， etc. It is realized that people control the virtual hydraulic support by manipulating the control panel. Finally ， the STM32f103 single-chip microcomputer is programmed， and the MTi-300 strapdown inertial navigation system developed by Xsens is used to realize the real-time monitoring of the status of the external hydraulic support. The perance of the whole system is tested 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 IV experimentally， which proves the reliability and stability of the system. The main conclusions include 1 Based on the underground three-machine fully mechanized mining process technology process ， an efficient three-machine collaborative mathematical model is designed ， which provides a reference for the comprehensive operation of three-machine comprehensive operation and efficient coal mining; 2 This system adopts Unity3D virtual simulation software to realize the study of comprehensive mining plan on the shaft. It saves the cost of studying the fully mechanized mining process underground; 3 By designing a centralized console， the system uses the Siemens S7- 200CPU226 host with strong anti-interference ability and its Ethernet communication function module to realize the centralized console to control the virtual model in Unity3D. 4 This system uses the STM32F1 series single-chip microcomputer with relatively stable functions as a microprocessor， which greatly improves the stability of the monitoring system. So that it can stably transmit accurate data in a complex environment; The fully-integrated mining monitoring system finally established can enable the operator to intuitively observe the working state of the hydraulic support during operation， and can realize timely adjustment of the state of the hydraulic support during the comprehensive mining process. Key Word Unity3D;STM32 microcontroller; Siemens PLC; Modbus protocol; Virtual realit 万方数据 目 录 V 目 录 摘 要 ............................................................................................................................. I ABSTRACT ..................................................................................................................... III 第一章 绪论 .................................................................................................................... 1 1.1 课题来源 ............................................................................................................... 1 1.2 引言 ....................................................................................................................... 1 1.3 研究背景、目的与意义 ....................................................................................... 2 1.3.1 研究背景 ........................................................................................................ 2 1.3.2 研究目的 ........................................................................................................ 4 1.3.3 研究意义 ........................................................................................................ 5 1.4 国内外研究动态 ................................................................................................... 5 1.4.1 半实物仿真与虚拟现实技术 ........................................................................ 5 1.4.2 综采过程液压支架实时跟机策略 ................................................................ 6 1.4.3 液压支架状态实时监测 ................................................................................ 7 1.4.4 目前存在的问题与不足 ................................................................................ 8 1.5 研究的主要内容与技术路线 ............................................................................... 8 1.6 小结 ....................................................................................................................... 9 第二章 综采三机半实物仿真系统的总体设计框架 .................................................. 11 2.1 引言 ..................................................................................................................... 11 2.2 系统的设计目标 ................................................................................................. 11 2.3 系统的结构设计 ................................................................................................. 11 2.3.1 系统体系结构 .............................................................................................. 11 2.3.2 系统结构设计 .............................................................................................. 12 2.4 系统硬件设计 ..................................................................................................... 14 2.5 系统软件设计 ..................................................................................................... 15 2.6 系统功能设计 ..................................................................................................... 15 2.7 小结 ..................................................................................................................... 15 第三章 系统虚拟仿真的理论数学模型设计 .............................................................. 17 3.1 引言 ..................................................................................................................... 17 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 VI 3.2 综采手动运行跟机策略 ..................................................................................... 17 3.3 综采自动运行跟机策略 ..................................................................................... 18 3.4 基于采煤机牵引速度的液压支架自主跟机协同控制策略 ............................. 18 3.4.1 综采工作面“三机”运动的数学模型 .......................................................... 18 3.4.2 液压支架自主跟机原理 .............................................................................. 18 3.4.3 液压支架移架频率的确定𝑓𝑡 ..................................................................... 19 3.4.4 基于液压支架的实时动态因子𝑘𝑖与其余参数的确定 .............................. 20 3.5 小结 ..................................................................................................................... 23 第四章 系统硬件控制虚拟三机的实现方法 ............................................................... 25 4.1 引言 ..................................................................................................................... 25 4.2 集中控制台的设计 ............................................................................................. 25 4.3 Unity3D 中综采机组 Agent 仿真构建 .............................................................. 28 4.4 S7-200 西门子 PLC 与上位机组态王软件的实时通信 ................................... 29 4.4.1 组态王与西门子 S7-200 系列 PLC 功能概述 ........................................... 29 4.4.2 组态王与 S7-200 的 PPI 通信方式 ............................................................ 31 4.4.3 组态王与西门子 S7-200 西门子 PLC 以太网模块实时通信 ................... 32 4.5 多软件实时耦合实现控制面板对 3D 平台三机的控制 .................................. 34 4.5.1 组态王与 SQLSEVER 数据库实时数据交互 ........................................... 34 4.5.2 Unity3D 与 SQLSEVER 数据库实时的数据通信 .................................... 37 4.6 综采机组半实物仿真技术 ................................................................................. 38 4.6.1 Unity3D 中实现液压支架综采半实物仿真控制的总体设计 ................... 38 4.6.2 西门子 PLC 指令控制盘与 SQLSever 数据库实时耦合 .......................... 40 4.7 小结 ..................................................................................................................... 44 第五章 系统与监测传感器实现实时数据交互 ........................................................... 45 5.1 引言 ..................................................................................................................... 45 5.2 监测系统整体框架设计 ..................................................................................... 45 5.3 系统整体协同框架与关键技术原理 ................................................................. 46 5.3.1 整体协同框架 .............................................................................................. 46 5.4.2 系统技术原理 .............................................................................................. 47 5.4 捷联惯导装置与 STM32 单片机数据传输 ...................................................... 49 5.4.1 实现 MTi-300 数据的识别与存储 ............................................................. 49 万方数据 目 录 VII 5.4.2 STM32 单片机与 MTi-300 通信 ................................................................. 50 5.5 单片机与上位机组态王 Modbus 协议通信 ...................................................... 50 5.5.1 硬件和软件功能设计 .................................................................................. 50 5.5.2 实现单片机与上位机之间的实时耦合 ...................................................... 51 5.5.3 数据转换与处理 .......................................................................................... 53 5.6 小结 ..................................................................................................................... 53 第六章 系统实验设计 .................................................................................................. 55 6.1 引言 ..................................................................................................................... 55 6.2 综采三机协同控制实验 ..................................................................................... 55 6.2.1 真实三机实验环境 ...................................................................................... 55 6.2.2 获取真实实验数据 ...................................................................................... 56 6.2.3 移架频率实验设计 ...................................................................................... 58 6.2.4 供液实验 ...................................................................................................... 60 6.2.5 实验结论 ...................................................................................................... 61 6.3 监测传感器数据信号实时传输实验 ................................................................. 62 6.3.1 监测数据实时交互系统 .............................................................................. 62 6.3.2 监测系统可靠性测试实验 .......................................................................... 63 6.4 小结 ..................................................................................................................... 65 第七章 结论与展望 ...................................................................................................... 67 7.1 工作总结 ............................................................................................................. 67 7.2 主要结论 ............................................................................................................. 67 7.3 工作展望 ............................................................................................................. 68 参考文献 .......................................................................................................................... 69 攻读硕士学位之前发表的学术成果 .............................................................................. 73 致 谢 .......................................................................................................................... 75 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 VIII 万方数据 绪论 1 第一章 绪论 1.1 课题来源 本课题来源于中国博士后科学基金资助项目基于数字孪生的综采工作面生产 系统虚拟重构方法 （2019M651081） ； 山西省应用基础研究计划面上青年基金项目复 杂煤层环境下综采机组虚拟协同运行方法研究（201901D211022） ；山西省工业研发计划 （高新技术领域）基于虚拟现实的煤矿综采装备“人机环”半实物协同仿真系 统（201903D121141） 。 1.2 引言 随着我国近期国民经济急速发展，为响应国家提倡的绿色经济，煤炭工业也正在进 行改革。目前在我国，煤炭将会在以后的很长一段时间作为主要的能源来支撑国家经济 的发展，所以，对于煤炭的高效开发成为我国学者研究的重点领域，战略地位仍然十分 重要。因此，对于煤矿的井下开采技术显得极为重要。 煤炭作为我国化石能源消费结构的领军者，为我国实现绿色经济，绿色发展贡献了 不可或缺的力量。相对于石油、天然气等其他不可再生原料来说，煤炭在我国的可开采 储量十分充裕。并且，由于我国在煤炭开采行业具有悠久的历史，因此我国的煤炭开采 具有可靠性、稳定性、安全性的特点。中国的经济发展离不开能源，而煤炭仍然将是中 国未来发展的重要支柱能源。 煤炭的消费比例依然很高， 有数据预测称在未来 10 年内， 其所占的能源消费比例将会保持在 50。 可见煤炭作为我国今后相当长一段时间内的主 要能源消耗，其绿色、安全、高效的进行开采是保证我国能源供应安全，可靠和经济长 期、中高速、稳定增长的重要条件，因此导致煤炭工业的发展与研究备受国内外学者的 关注[1,2]。 我国拥有相对其他国家多的煤炭储量，况