支柱密封性能检测系统及质量判断模型研究.pdf

1 分类号分类号TD355TD355密密级级 公公开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1042410424 工工 程程 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 支柱密封性能检测系统及质量判断模型研支柱密封性能检测系统及质量判断模型研支柱密封性能检测系统及质量判断模型研 支柱密封性能检测系统及质量判断模型研 究究究 究 姜姜 益益 经经 申请学位级别申请学位级别工程硕士工程硕士领域领域名名称称矿业工程矿业工程 指导教师姓名指导教师姓名曹曹 庆庆 贵贵职职称称教教授授 副副指导教师姓名指导教师姓名马马 同同 福福职职称称高级工程师高级工程师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零零六年五月二零零六年五月 2 论文题目论文题目论文题目 论文题目 支柱密封性能检测系统及质量判断模型研究支柱密封性能检测系统及质量判断模型研究支柱密封性能检测系统及质量判断模型研究 支柱密封性能检测系统及质量判断模型研究 作者姓名作者姓名作者姓名 作者姓名 姜姜 益益 经经入学时间入学时间入学时间 入学时间 20042004 年年 4 4 月月 专业名称专业名称专业名称 专业名称 矿业工程矿业工程研究方向研究方向研究方向 研究方向 矿业装备与控制工程矿业装备与控制工程 指导教师指导教师指导教师 指导教师 曹曹 庆庆 贵贵职职职 职 称称称 称 教教授授 副指导教师副指导教师副指导教师 副指导教师 马同福马同福职职职 职 称称称 称 高级工程师高级工程师 论文提交日期论文提交日期论文提交日期 论文提交日期 200620062006 2006 年年 5 5 5 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期论文答辩日期 论文答辩日期 200620062006 2006 年年 111111 11 月月 181818 18 日日 授予学位日期授予学位日期授予学位日期 授予学位日期 3 STUDY OF SEALING PERANCE TEST SYSTEM PILLAPILLAPILLA PILLA MODELMODELMODEL MODEL ANDANDAND AND THETHETHE THE QUALITYQUALITYQUALITY QUALITY OFOFOF OF JUDGEMENTJUDGEMENTJUDGEMENT JUDGEMENT A A A A DissertationDissertationDissertation Dissertation tedtedted ted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements ofofof of thethethe the degreedegreedegree degree ofofof of MASTERMASTERMASTER MASTER OFOFOF OF ENGINEERINGENGINEERINGENGINEERING ENGINEERING fromfromfrom from ShandongShandongShandong Shandong UniversityUniversityUniversity University ofofof of ScienceScienceScience Science andandand and TechnologyTechnologyTechnology Technology b b b b y y y y JiangJiangJiang Jiang YijingYijingYijing Yijing SupervisorSupervisorSupervisor Supervisor ProfessorProfessorProfessor Professor CaoQingguiCaoQingguiCaoQinggui CaoQinggui CollegeCollegeCollege College ofofof of NaturalNaturalNatural Natural ResourcesResourcesResources Resources andandand and EnvironmentalEnvironmentalEnvironmental Environmental EngineeringEngineeringEngineering Engineering MayMayMay May 200620062006 2006 4 声声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇工程硕士学位论文， 除了所列参考文献和本人呈交给山东科技大学的这篇工程硕士学位论文， 除了所列参考文献和世世 所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈呈 交于其它任何学术机关作鉴定。交于其它任何学术机关作鉴定。 工程硕士生签名工程硕士生签名 日日期期 AFFIRMATIONAFFIRMATIONAFFIRMATION AFFIRMATION I I I I declaredeclaredeclare declare thatthatthat that thisthisthis this dissertation,dissertation,dissertation, dissertation, tedtedted ted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements forforfor for thethethe the awardawardaward award ofofof of MasterMasterMaster Master ofofof of EngineeringEngineeringEngineering Engineering ininin in ShandongShandongShandong Shandong UniversityUniversityUniversity University ofofof of ScienceScienceScience Science andandand and Technology,Technology,Technology, Technology, is is is is whollywhollywholly wholly mymymy my ownownown own workworkwork work unlessunlessunless unless referencedreferencedreferenced referenced ofofof of acknowledge.acknowledge.acknowledge. acknowledge. TheTheThe The documentdocumentdocument document hashashas has notnotnot not beenbeenbeen been tedtedted ted forforfor for qualificationqualificationqualification qualification atatat at anyanyany any otherotherother other academicacademicacademic academic institute.institute.institute. institute. SignatureSignatureSignature Signature DateDateDate Date 山东科技大学工程硕士学位论文摘要 5 摘摘要要 单体液压支柱是煤矿使用的支护设备，目前，全国煤炭行业已普遍推广使用，如何 使用好单体液压支柱，对保障安全、提高经济效益具备具有重要意义。单体液压支柱性 能的优劣直接关系到顶版的支护安全，而影响支柱质量的因素主要是密封性能。为保证 单体液压支柱工作面的支护质量，首要问题是下井的支柱密封，性能要达到规定的支柱 密封标准，所以在支柱下井前必须进行密封保压试验。在单体液压支柱检修中使用计算 机检测支柱的密封质量是支柱检修工作现代化、科学化的一个重要标志。用计算机控制 自动检测支柱支撑力，打印输出支柱的支撑力和降压百分数，定量的说明支柱的密封质 量，消除了人为因素的影响，有利于支柱维修质量的提高，并提高了维修效率。但只有 选择优良的检测设备，按正确的检测方法和合理的检验标准，才能保证单体液压支柱的 检修质量，以提高使用的可靠性，为煤炭事业的发展、保障工作面安全生产发挥良好作 用。 由于控制系统的快速发展，而测量系统的进展却很小，使之难于满足先进的控制系 统要求。随着微电子技术的飞速发展，为研制通用型高精度智能变送器打下了扎实的物 质基础。同时世界上一些主要的仪表制造厂相继研制成功了带微处理机构的各种智能变 送器，开创了“智能式”变送器的新阶段。新型智能变送器具有很多优点，因此它最适 用于测量范围变化较大、环境条件较差而要求测量精度高和采用数字通信的大型控制系 统及特殊应用场合。 在充分了解煤矿单体液压支柱保压的前提下， 结合现场应用的现状， 设计无线数据通信协议，研制相应的硬件装置，完成了软件的设计与调试，进行系统联 网实验。具体内容如下 1.针对实际应用中传感器输出的不同幅值的弱信号， 设计一自适应增益 mvDC 信号高 精度放大电路； 2.选择合适的模拟数字转换器芯片，进行接口设计，送入微处理器进行数据采集 处理并满足精度要求； 3.扩展无线数据总线接口，设计通信协议，实现信号的数字化传输； 4.键盘及显示电路设计； 5.复位、看门狗、存储器电路设计； 山东科技大学工程硕士学位论文摘要 6 6.软件的设计与实现； 7.抗干扰措施。 关键词关键词支柱密封，检测，无线数据通信，智能变送器，数字化传输 山东科技大学工程硕士学位论文摘要 7 ABSTRACTABSTRACT Hydraulic prop is used by the mine support equipment，Currently, the coal industry has generally promote the use, how the use of hydraulic prop for security,have great significance to enhance economic efficiency。Hydraulic prop version of the ceiling directly related to the perance of the security support, which is the main pillar of the quality factor is the sealing perance。Face To ensure hydraulic prop supporting quality, the mostimportantpillaroftheworkinquestionissealedToachievethe required perance standards sealed pillars, pillars of the work in the trial to be sealed packing。In the use of computer testing overhaul hydraulic prop seal is a pillar overhaul of the pillars of modernization.An important scientific signs。Automatic Detection pillars to support the use of computer control,andreliefsupportforthepillarsofprintoutput percentagequantitative quality of the pillars of the sealed to eliminate the humanfactor,itishelpfultoimprovethequalityofmaintenance pillars.and improve the efficiency of maintenance。However, the only choice isagoodtestingequipment,accordingtothecorrectdetectionand reasonable test,hydraulic prop overhaul to ensure quality, to improve the reliability of coal for the development of the cause,Face to play key role in production safety。 Duetotherapiddevelopmentofcontrolsystems,andtheprogress measurementsystemisverysmall,makingitdifficulttomeetthe requirements of an advanced control system。With the rapid development of microelectronics technology for the development of universal high-precision smart transmitter laid a solid material foundation。Meanwhile some of the worldsmajorgaugesfactoryhavesucceededinthedevelopmentofthe intelligent transmitter with a microprocessor.created a “smart“ transmitter to a new stage。New Intelligent Transmitter has many merits, it is most 山东科技大学工程硕士学位论文摘要 8 appropriateeasuringchangesinthescopeofalarger,poor environmental conditions and requirements of high accuracy and the use of digitalcommunicationandcontrolsystemforlarge-scaleapplicationof special occasions 。 Fully understood mine hydraulic prop Pressure on the premise that combining with the current scene.wireless data communication protocol design, develop appropriate hardware device, a complete software design and debugging.for system interface experiments.Specific details are as follows 1、In view of the practical application of different sensor output amplitude oftheweaksignal.AdaptiveGainmvDCdesignahigh-precisionsignal amplification circuit; 2 、 Choose a suitable analogue - to-digital converter chip for interface design.sent to the microprocessor and to meet the accuracy requirements for data acquisition and processing; 3、Expansion of wireless data bus interface design communication protocol, the digital signal transmission; 4、Keyboard and display circuit design; 5、Reduction, watchdogs, the memory circuit design 6、Software Design and Implementation; 7、For the interference KeywordsKeywords Pillar Seal，Detection， Wireless Data Communication，Intelligent Transmitter，Digital transmission 山东科技大学硕士学位论文目录 I 目目录录 1 1、、概述概述1 1 1.1 单体液压支柱作用及检修规程介绍1 1.2 现场仪表现状及发展趋势2 1.3 现场通信信号的发展概况与趋势6 1.4 研究本课题的目的与意义8 1.5 本论文的主要工作9 2 2、硬件电路设计、硬件电路设计1 10 0 2.1 单片机选择12 2.2 压力传感器选择12 2.3 输入信号增益自调节电路设计13 2.4 模数转换器选择及接口设计15 2.5 复位及运行监视电路设计18 2.6 RS-485 总线接口电路设计20 2.7 显示器接口电路设计22 2.8 无线数据通信接口电路及电源设计23 2.9 本章小结24 3 3、应用软件设计、应用软件设计2 25 5 3.1 监控程序模块25 3.2 输入信号增益自调节模块26 3.3 数据采集和处理模块27 3.4 通讯模块设计29 3.5 RS-485 串行通信协议设计31 3.6 采样定时模块36 3.7 软件抗干扰的设计36 3.8 建模37 3.9 本章小结40 4 4、联机仿真调试、联机仿真调试4 42 2 4.1 硬件调试42 4.2 软件调试44 4.3 通信功能调试44 4.4 本章小结47 5 5、结论、结论4 48 8 6 6、致谢、致谢4 49 9 7 7、参考文献、参考文献5 50 0 山东科技大学硕士学位论文目录 II ContentsContentsContents Contents 1 1 1 1 OutlinedOutlinedOutlined Outlined 1 1 1 1 1.1Hydraulic and maintenance of order on the role of1 1.2Status and trends Field Instruments2 1.3Developments and trends signal the scene 6 1.4Research on the purpose and significance of this issue8 1.5The main thesis of this work 9 2 2 2 2 HardwareHardwareHardware Hardware DesignDesignDesign Design 101010 10 2.1SCM choice 12 2.2Pressure sensor choice12 2.3Gain from the signal conditioning circuit design 13 2.4Analog-to-digital converters and interface design choice 15 2.5Reduction circuit design and operation of surveillance 18 2.6RS_485 Bus Interface Circuit Design20 2.7Display Interface Circuit Design22 2.8Wireless Data Communication Interface Circuit and power Design 23 2.9Summary of this chapter 24 3 3 3 3 ApplicationApplicationApplication Application SoftwareSoftwareSoftware Software 252525 25 3.1 Control Module 25 3.2 Gain from the signal conditioning modules 26 3.3 Data acquisition and processing module 27 3.4 Communication Module Design29 3.5 RS-485 serial communication protocol design 31 3.6 Sampling Timing Module 36 3.7Anti-jamming design software 36 3.8 Modeling37 3.9 Summary of this chapter40 4 4 4 4 OnlineOnlineOnline Online simulationsimulationsimulation simulation debuggingdebuggingdebugging debugging 424242 42 4.1 Hardware Debugging42 4.2 Hardware Debugging42 4.3 Software Debugging44 4.4 Debugging Communication Function 44 4.5 Summary of this chapter 47 5 5 5 5 ConclusionConclusionConclusion Conclusion 484848 48 6 6 6 6 ThanksThanksThanks Thanks 494949 49 7 7 7 7 ReferencesReferencesReferences References 505050 50 山东科技大学工程硕士学位论文概述 1 1 1 1 1 、概、概、概 、概 述述述 述 1.11.11.1 1.1 单体液压支柱作用及检修规程介绍单体液压支柱作用及检修规程介绍单体液压支柱作用及检修规程介绍 单体液压支柱作用及检修规程介绍 单体液压支柱是煤矿使用的支护设备，目前，全国煤炭行业已普遍推广使用，如何 使用好单体液压支柱，对保障安全、提高经济效益具备具有重要意义。单体液压支柱性 能的优劣直接关系到顶版的支护安全，而影响支柱质量的因素主要是密封性能。为保证 单体液压支柱工作面的支护质量， 首要问题是下井的支柱密封性能要达到规定的支柱密 封标准，所以在支柱下井前必须进行密封保压试验。根据中华人民共和国煤炭行业标 准MT112-93“矿用单体液压支柱”的规定，支柱密封性能试验方法及工具是带油压侧 力计的刚性架。高压、低压密封要求的指标如下一是稳压 2min 不得有压降；二是密 封 4h 不得有渗漏。由于单体液压支柱的使用量逐年增加，检修量、试验的工作量也大 大增加，因此，需要用科学的检修手段和定量的检测标准来适应现场的要求。近年来大 多数煤矿普遍使用了 DK-2A,DK-2B,KJDT2-1 型等单体支柱检测仪,为煤矿提高检测单体 支柱工作效率起到了积极的作用。 由于这些仪器前端检测主要元件普遍采用钢铉式传感 器，但钢铉式传感器受温度变化的影响较大，尽管可以通过调整初频的办法加以解决， 但给检修工作带来了诸多不便。鉴此，为满足上述要求，我们选择电阻应变片式传感器 做前端检测元件， 设计开发了单体液压支柱密封检测系统。 它可以使检测效果大大增强 ， 能够快速、准确、定量地检测单体液压支柱密封质量，它由计算机控制，可自动定时检 测,检测压力范围 0～25Mpa;四位 LED 数码管显示,并具有无线发送检测数据功能和故障 指示功能。 在单体液压支柱检修中使用计算机检测支柱的密封质量是支柱检修工作现代化、 科 学化的一个重要标志。用计算机控制自动检测支柱支撑力，打印输出支柱的支撑力和降 压百分数，定量的说明支柱的密封质量，消除了人为因素的影响，有利于支柱维修质量 的提高，并提高了维修效率。但只有选择优良的检测设备，按正确的检测方法和合理的 检验标准，才能保证单体液压支柱的检修质量，以提高使用的可靠性，为煤炭事业的发 展、保障工作面安全生产发挥良好作用。 山东科技大学工程硕士学位论文概述 2 1.21.21.2 1.2 现场仪表现状及发展趋势现场仪表现状及发展趋势现场仪表现状及发展趋势 现场仪表现状及发展趋势 过程控制系统有以下几种发展趋势 1）控制中心向现场转移。传统过程控制系统中的回路级或装置级的控制功能 将下放到现场，使系统成为真正的、彻底分散的系统。 2）开放系统的实现。开放系统要求互连性和互操作性，即不同厂家生产的仪 表、 装置应能在一个系统中协同工作。 计算机网络技术与软件技术的高速发展给开放系 统带来了曙光。DI 公司Control System International Inc推出一种 UCOS用户可配 置开放系统DCS， 它采用冗余的以太网或光纤局域网将控制台、 各工作站计算机及各现 场控制单元FCU连接起来，它采用可来自多方厂商的商用软硬件和商用网络，操作系 统采用 Windows NT，非专利的现场控制单元可提供多任务和网络直接访问能力，与其 连接的 I／O 子系统亦可来自多方厂商。毫无疑问，这种系统将成为真正的开放系统。 3）智能控制技术将得到进一步应用。专家系统、模糊控制、人工神经网络等 智能控制技术， 已在直接数字控制及优化控制中得到了初步应用。 目前， 在控制领域中 ， 智能控制理论与技术是一个研究热点，这种研究“热”无疑将会使智能控制技术的应用 水平得到较快的提高。 4）多媒体技术的应用。多媒体技术无疑可以引入过程控制领域。操作员、工 程师将可以坐在控制室里，从 DCS 的计算机屏幕上看到现场的真实画面，听到来自现场 的声音，以此来监视设备的关键部位。由于智能仪表和现场总线技术的发展，过程控制 的主流系统 DCS 的结构将发生转折性变化，控制功能向现场转移和分散，专利系统将向 用户可配置集成的开放系统过渡。 这种控制系统的发展又使智能系统成为当今控制系 统发展的热点。 由于控制系统的快速发展， 而测量系统的进展却很小， 使之难于满足先进的控制系 统要求。 随着微电子技术的飞速发展， 尤其是近年来由于低功耗、 多功能单片微处理器 、 高精度∑--△、A／D 与 D／A 变换器件的面世，为研制通用型高精度智能变送器打下了 扎实的物质基础。对于诸如温度、湿度、流量、位移等物理量的测量与控制，如何提高 系统的可靠性与精度，减少外部连接线，对于量程浮动、输出信号可远传和随量程线性 转移，以及一机多用即以同一检测模板用于不同物理量的检测场合，并满足多种线 性与非线性输入信号的精度要求等课题，已越来越为广大科技人员所关注。同时世界上 一些主要的仪表制造厂相继研制成功了带微处理机构的各种智能变送器，开创了“智能 山东科技大学工程硕士学位论文概述 3 式”变送器的新阶段。 1.1.1. 1. 2.12.12.1 2.1 智能变送器的现状智能变送器的现状智能变送器的现状 智能变送器的现状 变送器是工业过程重要的基础自动化设备之一。 主要完成物理信号的测量和变换处 理。 随着高参数、 大容量设备的增加和过程工艺的复杂化。 对自动化的依赖性越来越大 ， 变送器用量不断增多，要求不断提高。目前普通使用的变送器是以 70 年代统一的 420mADC 模拟信号标准传送信号的二线制变送器国内还有少量四线制 010mA DC 信号 变送器。它们在传送信号时，模拟信号不能简单迭加，信道为一对一，即一或二对 导线上只能传输一个变送器输出信号，且只能单向传输。智能变送器即在变送器本体内 直接使用微处理器芯片，对被测物理量进行数字化处理，并增加数字通信接口，可直接 与计算机进行数字通信。使用数字通信的信道复用技术和低功耗电路，使多个变送器可 共用一条通信总线并进行双向通信，大大减少了现场信号引线。微处理器直接对被测信 号进行数字化处理，使变送器的测量精度和量程比大为提高，并具有诊断报警功能，