基于煤礦教學仿真設備與數字孿生系統(tǒng)開發(fā)需求，結合多源技術資料，提出以下系統(tǒng)性實施方案：

一、煤礦教學仿真設備與數字孿生架構設計（關鍵技術）

金屬采煤機動態(tài)模型設計與參數分析

根據您的要求，我將等比例模型的整體驅動電機參數、機械動態(tài)設計和尺寸動力結構三個方面進行分析，綜合參考多個相關文獻資料。

1. 1.驅動電機參數設計

基于采煤機實際型號參數和比例縮放原則，等比例仿真模型的驅動電機參數可參考以下設計：

功率參數：根據MG132/320-W型采煤機裝機功率2132kW(主電機)+55kW(輔助)的實際參數 ，等比例模型對應功率約為142kW+3.7kW。考慮到永磁電機的高效特性，可采用半直驅永磁電機系統(tǒng)，其效率比傳統(tǒng)異步電機系統(tǒng)提升16.3%以上 。

電壓等級：按比例縮小后模型可采用24V電壓系統(tǒng)，符合安全規(guī)范。

動態(tài)響應：參考電機半直驅系統(tǒng)的研究，模型電機應具備快速響應特性，能在0.1s內完成轉速和轉矩調節(jié) ，以適應截割負載變化。

過載保護：過熱保護功能 ，模型應保留相應保護機制，但參數按比例調整。

1.2 機械動態(tài)設計

采煤機模型的機械動態(tài)設計需特別關注以下方面：

連接結構動力學：液壓拉桿是連接關鍵部件，模型應保持相同布置，但需進行瞬態(tài)動力學分析，驗證在比例縮小的動載荷下的可靠性。

動態(tài)載荷模擬：根據EDEM離散元仿真獲得的滾筒三向載荷數據 ，模型載荷應按比例縮小，并考慮：

振動特性：參考煤巖界面分析技術，模型應集成振動加速度傳感器，監(jiān)測截割過程中的振動信號，用于分析負載特性。

傳動系統(tǒng)：采用兩級雙浮動行星傳動結構 ，保持原型機的緊湊性特點，同時確保傳動效率。

1.3. 尺寸與動力結構設計

動力布局：采用多電機橫向布置 ，各部件獨立傳動，避免縱向動力傳遞帶來的結構復雜性問題。

結構強度：模型材料應保持相同或等效比例強度特性。

動態(tài)仿真驗證：建議采用與原型機相同的仿真方法：

實施建議

傳感器集成：模型應集成多種傳感器，監(jiān)測振動、溫度、電流等參數。

動態(tài)特性匹配：特別注意比例模型與原型機的動態(tài)相似性，包括：

1.4.材料選擇：在滿足強度要求的前提下，可考慮輕量化材料，便于實驗室操作。

2.金屬液壓支架仿真模型，整體驅動電機參數、機械動態(tài)設計、尺寸動力結構、

金屬液壓支架動態(tài)模型技術參數與設計

比例液壓支架動態(tài)模型的關鍵設計參數與方案，

2.1. 驅動電機系統(tǒng)

2.2 機械動態(tài)設計

液壓系統(tǒng)動態(tài)特性

主體結構件采用Q235金屬板（屈服強度503MPa），等效Q690鋼的1/3重量強度比

動態(tài)壓力補償系統(tǒng)：通過微型蓄能器（容積50mL）在移架階段釋放瞬時流量，提升初撐力15%

2.4. 測試驗證要求

需滿足實驗室正常實驗測試持續(xù)疲勞測試的峰值，比例等效測試 ：

耐久測試：1000次升降循環(huán)

3、金屬刮板機動態(tài)仿真模型：整體驅動電機參數、機械動態(tài)設計、尺寸動力結構、

金屬刮板輸送機動態(tài)仿真模型技術方案

比例金屬刮板輸送機動態(tài)仿真模型的關鍵設計參數與方案：

3.1. 驅動電機系統(tǒng)

3.2. 機械動態(tài)設計

鏈傳動系統(tǒng)動力學

采用邊雙鏈結構（Φ18×64原型→Φ4.2×15.4模型）

鏈條張力波動控制在±15%以內（原型±25%）中部槽動態(tài)特性

采用Q235金屬板替代鋼制槽幫，重量減輕33%

接觸分析顯示最大應力點位于鏈道接觸區(qū)（需強化處理）

3.3. 動態(tài)仿真關鍵技術

多軟件協(xié)同仿真

煤流載荷采用EDEM離散元模擬（顆?？s放等比例）

機電耦合模型

建立狀態(tài)空間方程描述電機-減速器-鏈輪耦合行為

故障工況模擬

3.4. 創(chuàng)新設計亮點

半直驅系統(tǒng)：齒輪箱傳動比優(yōu)化為1:5.6，兼顧緊湊性與過載能力

數字孿生接口：支持實時傳輸振動、溫度、電流等12類參數耐磨復合五維模型構建采用物理實體-虛擬模型-孿生數據-服務系統(tǒng)-連接交互的架構體系，通過工業(yè)互聯(lián)網實現(xiàn)毫米級精度映射。

二．綜采面控制系統(tǒng)：煤礦井下設備采煤機、液壓支架、刮板機 控制系統(tǒng)：西門子PLC1200硬件變壓器內存卡、編程控制兼容系統(tǒng)、軟件互動通訊協(xié)議煤礦井下設備控制系統(tǒng)技術方案（西門子S7-1200 PLC）

根據您提供的需求，結合煤礦井下采煤機、液壓支架和刮板機的控制要求，以及西門子S7-1200 PLC系統(tǒng)的技術特點，我為您整合以下技術方案：

（1）、硬件配置方案

1. PLC核心單元

推薦型號：CPU 1214C DC/DC/DC（6ES7214-1AG40-0XB0）

特點：集成14點數字量輸入/10點輸出，支持PROFINET通信

擴展能力：最多可擴展8個I/O模塊和3個通信模塊。

2. 內存卡配置

使用4GB工業(yè)級SD卡

功能：程序傳輸、固件升級、內部載入內存擴展

兼容性：支持TIA Portal V17及以上版本

3. 電源系統(tǒng)

輸入電壓：24VDC（符合煤礦防爆要求）

電源模塊：PM 1207（6EP1332-1SH71）

備用電池：BB 1297電池板（保持時間≥200小時）

（2）、編程控制兼容系統(tǒng)

1. 軟件開發(fā)環(huán)境

TIA Portal V17 SP1（含STEP 7 Basic/Professional）

支持功能：多設備協(xié)同編程（采煤機+液壓支架+刮板機）、硬件組態(tài)控制功能（通過WRREC指令修改硬件配置）、工藝指令（包括PID控制、運動控制等）

2. 程序架構設計

采用模塊化編程結構：OB塊：主程序循環(huán)執(zhí)行、FB/FC塊：設備專用功能封裝、DB塊：數據共享區(qū)、支持在線修改和遠程下載

（3）、通信協(xié)議集成方案

1. 設備間通信：采煤機-液壓支架-刮板機采用PROFINET IO通信：

1個IO控制器（主PLC）最多支持16個IO設備

通信周期可配置為1-8ms

無線通信備選方案：DTD418M無線終端（替代有線PROFINET）

2. 上位機通信

支持協(xié)議：OPC UA（基于TSN時間敏感網絡）Modbus TCP、S7通信（用于西門子HMI集成）

數據交互方式：過程映像區(qū)自動映射、數據塊直接訪問

3. 第三方設備集成

通過EtherCAT轉CANopen網關接入國產伺服系統(tǒng)

配置步驟：導入ESI文件到TIA Portal、設置PDO/SDO映射參數

（4）、安全與可靠性設計

1. 硬件保護機制

看門狗定時器（默認150ms）、電源故障自動保存保持性數據、SD卡寫保護開關

2. 軟件容錯設計

OB塊錯誤處理（如OB80、OB82等）、數據校驗機制（CRC16校驗）、組態(tài)控制數據記錄備份（記錄196）

3. 防爆適應性、符合GB3836.1-2021爆炸性環(huán)境要求、本安型I/O模塊選配（如SM 1226 IS）

（5）、實施建議

1. 調試流程：先通過PLCSIM Advanced進行虛擬調試

分階段實施：單機調試（各設備獨立）、聯(lián)動調試（PROFINET網絡）、系統(tǒng)聯(lián)調（加入HMI和SCADA）

2. 文檔管理：使用TIA Portal的版本控制功能、保存硬件配置數據記錄（含插槽狀態(tài)信息）、維護通信拓撲圖（含IP地址分配表）

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