Главная Случайная страница


Полезное:

Как сделать разговор полезным и приятным Как сделать объемную звезду своими руками Как сделать то, что делать не хочется? Как сделать погремушку Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами Как сделать идею коммерческой Как сделать хорошую растяжку ног? Как сделать наш разум здоровым? Как сделать, чтобы люди обманывали меньше Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили? Как сделать лучше себе и другим людям Как сделать свидание интересным?


Категории:

АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника






Машинами





Системы управления мехатронными горными

 

Актуальным для угольной промышленности Украины является создание и внедрение горных машин нового поколения, существенно превосходящих серийные по техническим характеристикам, производительности, удельному энергопотреблению, ресурсу. Решая эту проблему, в настоящее время разработано горно-шахтное оборудование нового поколения для высокопроизводительных угольных шахт, отвечающее современным требованиям [1, 2, 3]: очистные комбайныУКД300,КДК400,КДК500 и КДК700, скребковые конвейеры типажного ряда КСД, насосные станции СНД100, СНД200/32 и СНД300/40, проходческие комбайны КПД, КПУ, КПЛ, КПА, КПР, поддирочно-погрузочную машину МПР, бункер-конвейер БК250.

Высокий уровень технических параметров, значительное расширение функциональных возможностей машин нового поколения, требования к повышению безопасности их эксплуатации объективно привели к значительному повышению в их составе удельного веса информационных компонент и устройств силовой электроники. Вместе с этим оснащение горных машин многофункциональными системами автоматизированного управления нового поколения с высоким уровнем диагностики, с целью повышения надежности эксплуатации машин, снижения трудоемкости обслуживания и повышения безопасности работы стало важной практической задачей.

Новый уровень требований привел к превращению горных машин из электромеханических систем в мехатронные, характеризующиеся тем, что машины органически содержат «интеллектуальную» составляющую. Последнее обстоятельство играет весьма существенную роль при формировании функционального состава требований систем автоматизации.

Задача разработки системы управления заключается в синтезе функциональной структуры и на ее базе - аппаратной и программной структуры с учетом наличия «интеллекта» в составе мехатронных модулей. Комплекс технических средств управления, как сложная система, должен проектироваться, используя системный подход, сущность которого состоит в комплексном едином рассмотрении всех частей системы и объекта управления (мехатронного модуля). На рисунке 1 представлена структурная схема мехатронного модуля - комбайна (М), включающего систему управления (С). Модемы (Мод 1) и (Мод 2) обеспечивают обмен информацией между информационной компонентой мехатронного модуля (ИМ) и внешней системой управления (ИС), а также гальваническую развязку.

Предлагаемая последовательность решения задачи:

- выполняется декомпозиция множества полного состава функциональных требований на подмножества по функциональной ориентации (управления, контроля, блокировок и т.п.) и отнесение функциональных требований к системе управления или к мехатронному модулю;

 

ИМ
ИС
М
С
 
 
 
 
 
n
Мод 2
Мод 1
 
 
 
 
n

 


 

Рисунок 1 - Структурная схема мехатронного модуля:

1, 2, 3… n – периферийные устройства

 

- формируется набор функциональных операторов, необходимых для синтеза структуры системы;

- формируются функциональные модули системы, реализующие конечный набор функций определенного уровня;

- формируются конструктивные модули системы.

Полный состав функциональных требований, определяемых "Правилами безопасности", нормативно-технической документацией, требованиями со стороны эксплуатации, предложениями разработчиков, представляет собой множество Т, которое необходимо распределить между мехатронным модулем и системой управления:

Т = {ТМ, ТС}.

Процедура декомпозиции множества требований на подмножества ТМ и ТС является наиболее ответственным и трудоемким этапом в процессе проектирования, т.к. она определяет структуру системы управления, а, следовательно, ее надежностные, стоимостные, эксплуатационные, технологические и другие важные свойства. Наиболее оправданной представляется структура, при которой информационная компонента мехатронного модуля (Им) выполняет полный состав функциональных требований и через собственный интерфейс связана с периферийными устройствами, входящими в состав системы управления (Ис). Однако реализовать на практике такой подход зачастую невозможно из-за ограничений по габаритам встраиваемых в мехатронные объекты элементов систем управления, недостаточной искробезопасной мощности существующих источников питания при сравнительно большой мощности, потребляемой известными микроконтроллерами, ограниченной скорости передачи информации по существующим линиям связи и т.п. В связи с тем, что в настоящее время формальные способы такой декомпозиции находятся в стадии разработки, эта задача решается эвристическим методом с присущими ему достоинствами и недостатками.

Учитывая сказанное, изложим суть подхода. Все элементы множества требований ТМ разделим на подмножества по функциональной ориентации. Полный функциональный вектор мехатронного модуля:

ТМ = {tум, tкм, tб м, tсм, tи м,...},

где tум, tкм, tб м, tсм, tи м …- подмножества функций соответственно: управления, контроля, блокировки, сигнализации, информации и др.

Каждое подмножество состоит из единичных функциональных операторов t:

tум = { tу1м, ... tуzм}

tкм = {tк1м,... tкyм}

tим = {tи1м,... tиuм}

Полный функциональный вектор для системы управления:

Тс = {tус, tкс, tб с, tсс, tи с,...}

и подмножества функциональных операторов:

tус = { tу1с, ... tуzс}

tкс = {tк1с,... tкyс}

tис = {tи1с,... tиuс}

В таблице представлена таблица соответствия (смежности) множеств функциональных требований объекта управления и системы управления. Функциональные операторы, составляющие множество требований, характеризуются наличием или отсутствием необходимости реализации в объекте или системе управления. Если i-е требование подлежит реализации, то оператор t=1, в противном случае t=0. Множество единичных операторов представляет собой функциональный вектор.

На основании таблицы 1 запишем матрицу генерального функционального вектора для совокупности: мехатронный модуль - система управления (М+С):

tу1м... tуzм tу1с... tуz`с

tк1м... tкум tк1с... tку`с

Т = tб1м... tбхм tб1с... tбх`с R | М +С | (1)

tс1м... tclм tс1с... tcl`с

tи1м... tиuм tи1с... tиu`с

Используя матрицу (1), запишем выражения полного вектора функциональных требований ТМ для мехатронного объекта (М) и для ТС системы управления (С).

Таблица - Таблица смежности

Множество функциональных операторов Реализация функциональных операторов
Мехатронный объект (М) Система управления (С)
По управлению: tу1м... tуzм tу1с... tуz`с    
По контролю: tк1м... tкум tк1с... tку`с    
По блокировкам: tб1м... tбхм tб1с... tбх`с    
По сигнализации: tс1м... tclм tс1с... tcl`с    
По информации: tи1м... tиuм tи1с... tиu`с    
и т.д. по всем функциональным требованиям.

 

tу1м... tуzм

tк1м... tкум

ТМ = tб1м... tбхм R | М | (2)

tс1м... tclм

tи1м... tиuм

tу1с... tуzс

tк1с... tкус

ТС = tб1с... tбхс R | С | (3)

tс1с... tclс

tи1с... tиuс

 

Выражения (2) и (3) представляют собой функциональные модули (ФМ) для интеллектуальной компоненты М и С, т.е. это множества функциональных требований, подлежащих реализации в составе мехатронного объекта (ТМ) и системы управления (ТС).

Следующий этап проектирования состоит в определении состава конструктивных модулей (КМ) системы, каждый из которых реализует конечный набор функций определенного уровня и представляет собой функционально законченный элемент системы с отдельной конструктивной оболочкой. Основой для построения КМ являются один или несколько функциональных векторов, входящих в состав ФМ.

Формирование КМ осуществляется на основе агрегативно-декомпозиционного подхода, причем на начальных стадиях проектирования важно определить стратегию разработки конструктивов субблоков и оболочек, элементную базу, виды взрывозащиты и т.п.

При декомпозиции ФМ необходимо учитывать и пространственное размещение модулей относительно объекта автоматизации. Это условие представляется весьма важным, например, для конвейеров и конвейерных линий, имеющих значительную пространственную распределенность.

Важным вопросом, возникающим при разработке КМ, является выбор элементной базы. В настоящее время, как известно, может быть применена микропроцессорная элементная база и жесткая логика. Контроллер имеет неизменную структуру и аппаратную реализацию при переменном программном обеспечении. В то же время при решении этих задач на жесткой логике переменной будет аппаратная часть. С учетом этого, на стадии разработки алгоритмов реализации ФМ с учетом затратных критериев, требуемого быстродействия, искробезопасного исполнения и т.п., необходимо выбрать элементную базу. Необходимо разработать критерий выбора соотношения между программными и аппаратными средствами, реализующими функциональные векторы. Один из вариантов определения оптимального соотношения - через затраты для одного и другого способа реализации.

Необходимо определить предельный объем информации, который можно обработать на известных контроллерах. При обработке информации различными способами затраты будут различными. Сравнение вариантов необходимо производить на стадии, предшествующей разработке рабочей документации, например, на стадии разработки алгоритма.

В этом вопросе необходимо тщательно проработать задание исходных данных. Традиционно функциональные требования задаются в виде функциональных операторов, которые не дают возможности оценить ни аппаратные, ни программные затраты для их реализации. Один из вариантов - усредненные показатели, полученные через статистические исследования.

Важной задачей, стоящей перед разработчиком, является обеспечение необходимой надежности. Это достигается за счет выбора оптимальных режимов загрузки элементов, обеспечения гальванической развязки, резервирования отдельных элементов и узлов, а также применения специальных алгоритмов и программных решений. При этом отказ какой-либо подсистемы или совокупности подсистем не всегда приводит к отказу всей системы, а иногда только снижает эффективность ее функционирования. Данное свойство большой системы обусловлено структурной и информационной избыточностью (резервирование элементов и избыток обрабатываемых кодов).

В связи с этим при определении функциональной ориентации КМ необходимо выявить функции, подлежащие резервированию. Резервировать целесообразно функции, определяющие безопасность и живучесть, т.е. функции безопасности и жизненно важные по управлению должны быть сохранены при работе объекта автоматизации, а, например, сервисные функции на некоторое время могут быть потеряны.

Данный подход в значительной степени использовался при создании систем, описанных ниже.

Один из первых очистных комбайнов нового технического уровня - комбайн УКД300, в состав которого входит преобразователь ПЧЭШ-60, включающий информационную компоненту ИМ, и комплекс средств управления КУОК, представляющий собой компоненту ИС.

Комплекс КУОК состоит из аппаратов, устройств и других элементов, расположенных непосредственно на комбайне и на штреке. Комбайновая часть состоит из силового отсека, отсека управления, пультов управления, датчиков; штрековая - из пульта управления комбайном, блока отображения и источника питания. КУОК предусматривает два режима управления: «проводного» и телемеханического. «Проводное» управление по кабелю обеспечивает все защиты и блокировки, необходимые для работы на невыбросоопасных пластах. Телемеханическое управление, помимо возможности управления комбайном со штрека, что обеспечивает работу на выбросоопасных пластах, предоставляет большой объем диагностической информации о состоянии комбайна.

Преобразователь ПЧЭШ-60 предназначен для управления двигателями резания и подачи с выполнением всех необходимых защит и блокировок, а также для регулирования по заданному алгоритму частоты вращения встроенных двигателей подачи. ПЧЭШ-60 выполнен на базе частотного преобразователя с водяным охлаждением типа ПЧЭ-120М. Достоинством преобразователя ПЧЭ-120М является то, что для его питания впервые применено напряжение 1140В без понижающего трансформатора, при этом диапазон изменения выходной частоты - от 2,5 до 150 Гц. Схемно-технические и конструктивные решения, заложенные в преобразователе, позволили значительно уменьшить габариты отечественных очистных комбайнов в сравнении с иностранными аналогами.

Преобразователь того же типа и его информационная компонента конструктивно интегрированы в корпус комбайна КДК500 и используются в приводе подачи. Составной частью системы управления очистными комбайнами КДК400, КДК500, КДК700 является аппаратура КС500Ч-02 (ИС), которая обеспечивает необходимые защиты и блокировки, индикацию основных параметров и причин его отключения. КС500Ч-02 включает в себя штрековую часть, состоящую из пульта управления и источника питания, а также комбайновую часть, состоящую из пультов (центрального, левого, правого и радиоуправления), блока управления, датчиков. Питание комбайновой части системы управления осуществляется напряжением 220 В от специально разработанного источника ИПШ.2.

При работе на выбросоопасных пластах штрековая часть комплекса КС500Ч-02 позволяет осуществлять управление комбайном со штрека с акустическим контролем его работы, контролем местоположения и индикацией всех параметров комбайна (нагрузки двигателей, состояния датчиков и др.). При этом комбайн связан со штреком телемеханическим каналом для передачи данных по кабелю КГШР5х2х2,5. При работе на невыбросоопасных пластах штрековая часть комплекса КС500Ч-02 используется для отображения диагностической информации и позволяет осуществлять связь машиниста комбайна со штреком.

Учитывая ряд недостатков, выявленных при эксплуатации комплекса КС500Ч и преобразователя ПЧЭ-120М, в настоящее время ГП «Донгипроуглемаш» приступил к созданию комплекса КМ-ПЧ. Данный комплекс, структурная схема которого представлена на рисунке 2, помимо полного управления механизмами очистного забоя, позволит значительно расширить возможности по управлению комбайном, обеспечить регистрацию и хранение всех контролируемых параметров, вплоть до величины питающего напряжения, осуществить сбор информации о состоянии лавного конвейера, насосной станции и ее передачу диспетчеру на поверхность шахты. Используемые в комплексе схемотехнические решения позволят значительно повысить надежность, «живучесть» аппаратной части. Преимуществами создаваемого преобразователя типа МСД, входящего в комплекс КМ-ПЧ, являются: увеличение емкости звена постоянного тока; расширение видов защит и диагностики узлов преобразователя; регистрация произошедших аварий; улучшенная система охлаждения. Разработанное программное обеспечение позволит значительно повысить величину выходного напряжения, что улучшит моментные характеристики двигателей подачи.

МГ  
МИ    
1140В
220В
Двигатели подачи
Двигатели резания
МП
МК
МСФ
МСД
КУК
Диспетчер Конвейер Насосн.устан. Перегружатель Сигнализация Лебедка
Проводное управление
Модуль управления штрековый
Штрековая часть
Модуль управления комбайновый
Пульт правый
Пульт левый
ПРУ
Комбайновая часть

 

 


 

 

 

Рисунок 2 - Структурная схема комплекса КМ-ПЧ системы управления комбайном КДК500: МП – модуль питания; МК – модуль коммутационный; МФС – модуль сетевого фильтра; МСД – модуль силовой; КУК – комплекс управления крепями; МИ – модуль индикации; МГ – модуль гидроуправления; ПРУ – пульт радиоуправления

 

Для снижения зольности горной массы, увеличения коэффициента машинного времени очистной техники, а также работы добычного участка в энергосберегающем режиме разработан бункер-конвейер типа БК250, управление которым осуществляет аппаратура, состоящая из устройства управления, клеммных коробок, концевых датчиков, поста управления, датчиков скорости и заштыбовки. Структурная схема системы управления бункер-конвейера приведена на рис. 3.

 

Рисунок 3 - Структурная схема системы управления бункер-конвейера

 

Устройство управления по сигналу, поступившему от поста управления, осуществляет работу бункер-конвейера в режиме погрузки или разгрузки. Движение тягового органа осуществляется посредством управления четырьмя гидрораспределителями, подающими рабочую жидкость в гидроцилиндры, которые приводят в движение храповый механизм, вал которого приводит во вращательное движение звезду привода. Управление гидрораспределителями производится по срабатыванию датчиков концевого положения штоков цилиндров. Полная загрузка конвейера контролируется датчиком, срабатывание которого приводит к отключению не только самого бункер-конвейера, но и оборудования очистного забоя. В режиме «разгрузка» контролируется движение конвейера участковой линии. Весь объем собранной информации представляется на текстовом мониторе устройства управления и транслируется по каналу телемеханики на поверхность шахты.

Для повышения производительности очистных забоев созданы новые высокопроизводительные станции СНД200/32 и СНД300/40, которые отличаются тем, что:

- система управления позволяет осуществлять как независимую работу насосных агрегатов (каждый агрегат работает на своего потребителя), так и параллельную работу на общего потребителя (при обслуживании высокопроизводительных механизированных комплексов или в составе центральных насосных станций);

- привод высоконапорного, подпиточного и смазочного насосов осуществляется от общего электродвигателя.

Для станций СНД200/32-05 и СНД300/40-05 создана и серийно выпускается аппаратура управления, контроля и диагностики АУСН, которая обеспечивает: выбор режимов управления и работы станции, защиту от перегрева электродвигателей и масла в картерах агрегатов, блокировку станции – при снижении давления подпитки и давления масла в маслосистеме, при повышении давления на сливе, а также при снижении уровня эмульсии и обрыве линии дистанционного управления; информация о работе станции и состоянии контролируемых параметров отображается на текстовом мониторе и передается по каналу телемеханики на поверхность.

Для повышения безопасности, комфортности и производительности труда шахтеров в забое создана аппаратура освещения АО-4, устанавливаемая на механизированных крепях. При ее разработке основное внимание было уделено малогабаритности составных частей, увеличению длины освещаемой лавы и соответствию уровней освещенности действующим нормативам. Для уменьшения габаритов светильников в качестве источника света применена люминесцентная лампа с электронной системой поджига. В качестве питающего напряжения использовано 220 В, что, помимо значительного увеличения длины освещаемой лавы (550 м), дало уменьшение сечения питающего кабеля.

Для повышения освещенности рабочей области были проведены исследования по определению оптимальной формы отражателя и местоположения лампы в корпусе светильника (уровни освещенности очистного забоя приведены на рисунке 4).

Для проходческих комбайнов нового поколения КПД, КПУ, КПЛ, КПА, поддиро-погрузочной машины МПР были разработаны аппаратура диагностики УДПМ и аппаратура управления УПК, размещенные в станции управления горной машиной.

 

Рисунок 4 - Уровни освещенности очистного забоя

 

Новая станция управления проходческими комбайнами представляет информацию о состоянии защит и блокировок комбайна и оснащена аппаратурой УДПМ, осуществляющей управление, контроль и защиту электроприводов комбайна. Аппаратура УДПМ включает в себя блок управления и ряд датчиков. Блок управления встраивается в станцию управления комбайна и имеет связь с аппаратурой управления УПК, разработанной на микропроцессорной технике, что позволяет адаптировать аппаратуру под циклограммы работ гидросистем различных проходческих машин. Аппаратура УПК обеспечивает местное и дистанционное управление, включая радиоуправление, в ней предусмотрен режим работы с двумя дистанционными пультами управления – комбайном и конвейером. Информация о работе комбайна отображается на информационном табло. На рисунке 5 представлена структурная схема системы управления проходческим комбайном.

Для организации ремонтно-профилактических и ремонтно-восстановительных работ на современном техническом уровне с учетом фактического и прогнозного (остаточного) ресурса горной машины разработан блок регистрации произошедших событий БРП, фиксирующий основные параметры режимов работы машины, хронологию событий, их хранение и т.п.

Блок регистрации получает информацию о состоянии горной машины по интерфейсу связи RS-485 от аппаратуры УДПМ и в реальном масштабе времени записывает ее на главный съемный модуль памяти, с указанием текущего времени и даты. Блок регистрирует состояние электродвигателей комбайна и срабатывание их температурных защит, уровня и температуры рабочей жидкости в гидросистеме, предельного давления воды в системе орошения, срабатываний блоков максимальной токовой защиты и др. Общее количество регистрируемых событий – до 128 шт., дискретность фиксации событий – до 60 с, время накопления данных - 5 лет. Собранная информация обрабатывается на поверхности шахты с последующим детальным анализом и выдачей необходимых форм, в том числе с оценкой как отработанного, так и остаточного ресурса машины.

 

 

Рисунок 5 - Структурная схема системы управления проходческим комбайном

Таким образом, значительное увеличение энерговооруженности, обеспечение высоких значений фактических вращающих моментов двигателей за счет использования питающего напряжения 1140 В, внедрение частотно-регулируемого привода подачи очистных комбайнов и двухскоростных двигателей для привода лавных конвейеров, а также внедрение многофункциональных систем управления нового поколения на микропроцессорной технике с высоким уровнем диагностики позволили существенно повысить производительность (в 2,5 - 3 раза по сравнению с серийно выпускаемыми машинами) и улучшить другие эксплуатационные показатели оборудования.

Для оснащения горных машин нового поколения созданы системы автоматизированного управления: устройства КСД27.50, УКВ-650, аппаратуры АУДК, УКСД, УПК, АУК3, УДПМ, АУСН, АО, частотный преобразователь ПЧЭШ-60. Комплектующие изделия (электрооборудование, коммутационная аппаратура, комплекс управления КС500Ч, частотный преобразователь ПЧЭ-120М) разработаны совместно с институтами УкрНИИВЭ, ОАО «Автоматгормаш им. В. А. Антипова», ОАО «Элмис».

Указанные системы управления освоены в серийном производстве заводами Украины. В настоящее время успешно эксплуатируются на шахтах Украины 36 комбайнов КПД, 25 станций КСД27.50, 6 комплектов станций УКВ-650, штрековый преобразователь частоты ПЧЭШ-60. Системы управления горно-шахтным оборудованием нового поколения также находят применение на горных предприятиях России: с 2005 г. на шахтах ОАО «Воркутауголь» и ООО «Южуголь» эксплуатируются проходческие комбайны КПД и КПЛ, на ш/у «Садкинское» в 2007 г. запущен в эксплуатацию второй очистной комбайн КДК500.

 

 

Date: 2015-08-15; view: 804; Нарушение авторских прав; Помощь в написании работы --> СЮДА...



mydocx.ru - 2015-2024 year. (0.005 sec.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав - Пожаловаться на публикацию