ВВЕДЕНИЕ
Отгрузка углей потребителям есть конечный этап работы шахты в целом.
Погрузка углей производится через углепогрузочный пункт, на который уголь поступает из накопительных бункеров или из угольных складов поверхности шахты.
Основным видом внешнего транспорта угля от шахт является железнодорожный транспорт.
В связи с ростом производственной мощности шахт, увеличением объема угольных перевозок и стандартизацией кондиций по качеству отгружаемых углей, значительно повысились требования к технологии погрузки углей на шахтах и применяемому при этом оборудованию. Эти требования предусматривают высокопроизводительную, полностью механизированную и максимально автоматизированную погрузку в большегрузные железнодорожные составы, сохранение качества сортовых углей в процессе погрузки. Сохранение качества отгружаемых углей обусловлено последующим их использованием на предприятиях-потребителях.
Кроме качественного контроля, отгружаемый уголь подвергается количественному контролю, который имеет коммерческий характер при расчете потребителей с горным предприятием.
Однако, в настоящее время, работа поверхностных комплексов большинства шахт Донбасса не отвечает указанным выше требованиям. К таким шахтам относится шахта им. Челюскинцев производственного объединения "Донецкуголь", на поверхностном комплексе которой практически отсутствует автоматизация, а доля ручного труда на отдельных его участках превышает 80%, что снижает эффективность работы углепогрузочного пункта в целом.
Как показало изучение литературы по данной тематике, существует лишь небольшое количество разработок в данной сфере. Данная проблема очень актуальна в настоящее время.
Разработка комплексной системы автоматизации технологического комплекса шахты, включающая подсистему управления раздаточным конвейером углепогрузочных бункеров, подсистему управления загрузкой железнодорожных вагонов и подсистему управления доставкой породы на отвал, является целью данной магистерской работы.
1. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ
Технологический комплекс поверхности шахты включает здания и сооружения, содержащие оборудование и механизмы приема, переработки, отгрузки угля потребителю и транспортирования породы на отвал.
Автоматизация технологического комплекса поверхности подразделяется на автоматизацию по угольному и породному комплексу. Автоматизация по угольному комплексу включает: поточно-транспортные системы от приемного до погрузочных бункеров и переработки угля; погрузки угля из погрузочных бункеров в железнодорожные вагоны, взвешивания их и отправки потребителю.
Технологическая схема доставки концентрата к погрузочным бункерам представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Технологическая схема доставки концентрата к погрузочным бункерам
Рядовой уголь выдается на поверхность угольным скипом (1) в приемный бункер (2), расположенный в надшахтном здании скипового ствола. Из бункера питателем (3) и ленточным конвейером №1 (4) уголь подается через распределительную воронку РВ №1 (5) в дробильно-сортировочное отделение (6). Откуда через распределительную воронку РВ №2 (7) попадает в классификационный узел. Через распределительную воронку РВ №3 (9) идет распределение на уголь и породу. Крупная фракция, пройдя сито предварительного отбора (10) и грохот (11), подается на ленточный конвейер №2 (12), а мелкая фракция отводится в общую ветвь мелкого класса. Распределительная воронка №4 (13) может направлять уголь либо на раздаточный конвейер №4 (15) через промежуточный ленточный конвейер №3 (14), либо на конвейерные линии других бункеров-накопителей. Раздаточный конвейер №4 производит распределение концентрата класса 13-100 мм по соответствующим погрузочным бункерам (16) общей вместимостью 300 т. Загрузка бункеров производится раздаточным конвейером №4 с плужковыми сбрасывателями. Конвейер устанавливается в надбункерном помещении и перемещается вдоль всей линии ячеек бункеров. Конвейер имеет две разгрузочные головки - переднюю и заднюю и снабжен реверсивным приводом ленты, что позволяет вести загрузку ячеек как через переднюю, так и через заднюю головку. Выгрузка из бункеров в железнодорожные вагоны (17) осуществляется с помощью желобов с секторными затворами.
Рассмотрим представленную на рисунке 2 технологическую схему загрузки бункеров и расстановки средств контроля, необходимых для управления таким объектом.
Рисунок 2 - Технологическая схема загрузки бункеров и расстановки средств контроля
Схема подачи угля в погрузочные бункера следующая. В качестве источников информации принимаются серийно выпускаемые концевые выключатели, установленные на переключающие заслонки 2 и на приводах плужковых сбрасывателей 8, а также блок-контакты магнитных пускателей промежуточного и раздаточного ленточных конвейеров. В качестве уровнемеров, контролирующих наполнение бункеров, принимаются серийные реле типа ИКУ-2. Раздаточная воронка 1 и разгрузочные воронки 10, 11, 12 имеют стандартную конструкцию.
Технологическая схема погрузки угля в железнодорожные вагоны приведена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Технологическая схема погрузки угля в железнодорожные вагоны
Процесс погрузки угля в железнодорожные вагоны выполняется следующим образом.
Локомотив подает состав порожних вагонов 1 на загрузочный путь 2 в зону действия маневрового устройства 3 так,
чтобы головной вагон был установлен в точке начала загрузки - на весоизмерительной платформе, содержащей вагонные весы BG
и путевые выключатели SQ1 и SQ2, с помощью которых вагон строго фиксируется в зоне погрузки.c
Выгрузка угля из бункеров Б1, Б2, Б3 в железнодорожный вагон осуществляется с помощью качающихся питателей ПК1, ПК2, ПК3 и передвижного конвейера 4 через разгрузочную воронку 5, находящуюся в положении I. Фиксация передвижного конвейера в начале и в конце погрузки вагона производится посредством путевых выключателей SQ3 и SQ4, установленных под полотном 6 и срабатывающих при наезде реборды колеса 7 тележки 8 конвейера 4. Разгрузочная воронка 5 оборудована подъемной лебедкой 9, предназначенной для опускания и подъема катка-уплотнителя 10, а также уровнемером 11, контролирующим степень заполнения вагона.
Доставка породы на терриконы осуществляется по технологической схеме, приведенной на рисунке 4.
Рисунок 4 - Технологическая схема доставки породы на отвал
Порода, выданная из шахты, а также полученная в результате сортировки угля на поверхности, поступает в загрузочный породный бункер 1, откуда через затвор 2, оборудованный приводом 3 и пусковой аппаратурой 4, загружается в транспортный сосуд - вагонетку 5. После загрузки вагонетка направляется на отвал 6 для разгрузки. Перемещение вагонетки по отвалу осуществляется при помощи маневровой лебедки 7, управляемой оператором дистанционно посредством кнопочного поста 8, схемы управления 9 и магнитной станции 10. В состав схемы управления входит командоаппарат и реле разгона для задания нужной циклограммы движения транспортного сосуда. Дистанционно управляется и затвор бункера, обеспечивающий загрузку вагонетки. Для установки привода затвора в двух положениях ("открыто" - "закрыто") в схеме используются концевые выключатели Д1 и Д2, а для направления тягового каната 11 при его намотке на барабан маневровой лебедки применен обводной ролик 12, установленный на разгрузочной стреле 13 террикона. Управление работой затвора и маневровой лебедки сейчас ведется на основе визуального контроля местонахождения вагонетки, уровня его загрузки и наличия породы в бункере. В месте с тем визуальный контроль в большинстве случаев затруднен в силу ряда объективных и субъективных факторов.
Проектируемое устройство должно отвечать следующим техническим требованиям:
- входные и выходные цепи должны иметь гальваническую развязку, соответственно с цепями датчиков и исполнительными
механизмами;
- принцип построения - блочный с использованием межплатных соединителей в виде разъемов и плоских кабелей;
- каждый блок выполняется в виде печатного модуля как составной части устройства;
- устройство, как функционально законченное и конструктивно оформленное изделие, должно быть легко встраиваемым
либо в общий блок управления системы "Оператор", либо помещенным в отдельную оболочку при использовании его как
средства локальной автоматизации подобных объектов (с перспективой использования как составной части общей системы
управления технологическим поверхностным комплексом);
- в качестве источника питания схемы устройства возможно использование либо канала питания блока логики
системы "Оператор", либо обособленного источника, специально подобранного для разрабатываемого устройства;
- в качестве источников информации должны быть использованы серийно выпускаемые средства контроля и управления.
2. ФУНКЦИИ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ
Устройство управления раздаточным конвейером углепогрузочных бункеров выполняет следующие функции:
1) функции управления:
- загрузить i-й бункер (i =1…3);
- переключить плужковый сбрасыватель;
- переключить раздаточный конвейер;
- включить, отключить промежуточный конвейер;
- переключить распределительную воронку РВ №4.
2) информационные функции:
- наличие свободного объема в i-том бункере (i=1…3);
- идет загрузка i-го бункера (i=1…3).
Устройство управления загрузкой железнодорожных вагонов должно выполнять следующие функции:
1) функции управления:
- включить, отключить погрузочный конвейер;
- поднять, опустить каток-уплотнитель;
- переключить погрузочное устройство;
- включить, отключить маневровое устройство.
2) информационные функции:
- степень загрузки вагона по массе;
- степень загрузки вагона по объему;
- наличие вагона под погрузкой;
- наличие порожнего вагона.
Анализ организации процесса отвалообразования показывает, что разрабатываемый блок
автоматизированного управления доставкой породы на отвал должен выполнять следующие функции:
1)функции управления:
- включить, отключить бункерный затвор (воздействие на магнитный пускатель электродвигателя затвора);
- включить отключить маневровую лебедку (воздействие на магнитную станцию управления);
2) информационные функции:
- наличие, отсутствие уровня породы в бункере;
- постановка вагонетки под погрузку, разгрузку - формирование информационных команд, поступающих на информационное
табло оператора.
3. ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ
На основании предыдущих исследований, сформулированных задач управления, технических требований и принципа построения проектируемого устройства в данном разделе будут разработаны его структурная и функциональная схемы.
3.1. Разработка структурной схемы устройства автоматизации
Структурная схема разрабатываемого устройства приведена на рисунке 5.
Рисунок 5 - Структурная схема устройства автоматизированного управления
Схема проектируемого блока состоит из следующих структурных единиц:
- блок первичных преобразователей (БПП), представляющий собой датчики, контролирующие
параметры объектов управления;
- блоки обработки сигналов (ОС), принимающие от БПП дискретные (ДС) и аналоговый сигнал (АС). Из дискретных сигналов
формируются логические уровни "Лог. 1" и "Лог.0" стандартных амплитуд;
- логическое устройство (ЛУ), обрабатывающее полученные сигналы по определенному алгоритму для получения управляющих
и информационных команд;
- согласующее устройство (СУ), преобразующее команды, полученные в ЛУ, к виду, удобному для управления объектами
и сигнализации об их предельных значениях;
- блок сигнализации (БС), предназначенный для представления полученных команд в виде индикации информационных сигналов
о состоянии объектов и их параметров;
- нормирующий усилитель;
- блок индикации, индицирующий оператору о массе загруженного вагона.
3.2. Разработка функциональной схемы устройства автоматизации
Функциональная схема разрабатываемого устройства приведена на рисунке 6.
Рисунок 6 - Структурная схема устройства автоматизированного управления
На рисунке 6 приведена функциональная схема разрабатываемого устройства, поясняющая принципы и средства формирования сигналов и команд.
Аналоговый сигнал, передающий информацию о массе загруженного вагона, поступает на преобразователь ВМ, который формирует из аналогового сигнала линейное напряжение, которое после усиления в блоке А поступает на стрелочный указатель для документального учета количества отгружаемого угля.
Функциональный блок BU формирует из замыкающих и размыкающих контактов логические сигналы стандартных уровней. Двухуровневые сигналы с блока BU поступают на блок логики L, в котором при помощи цифровых микросхем DD формируются управляющие и информационные команды, передающиеся затем на согласующее устройство, состоящее из трех функциональных блоков: ждущих мультивибраторов Gi, усилителей мощности А и выходных релейных элементов VS - триодных симметричных тиристоров. Блок DL необходим для создания на его выходах сигналов расчетных длительностей. Усилитель мощности А представляет собой мощный ключ-инвертор, обеспечивающий усиление входного сигнала и гальваническую развязку входных и выходных цепей. Сигналы, снимаемые с выходов усилителя А, подаются на блок выходных релейных элементов VS для управления триодными симметричными тиристорами, входящими в цепи управления объектами. Часть сигналов, снимаемых с выходов блока DL, минуя усилитель А, поступает непосредственно на блок сигнализации HL, выполненный на светодиодах, индицирующих необходимую информацию для оператора.
4. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННОГО УСТРОЙСТВА
Приведенная структура технически может быть реализована двумя современными способами: на основе цифровой интегральной схемотехники и на основе микропроцессорной техники. Второй вариант является предпочтительным, так как позволяет программно реализовать предлагаемый алгоритм функционирования автоматической системы управления, просто и надежно решить вопросы изменения уставок управления и реализацию таких сервисных программ, как: защиту от ненормальных режимов работы технологического оборудования, диагностику этих режимов, проверку исправности цепей управления, учет машинного времени работы оборудования, интегральный учет объемов перемещаемых породных масс и расход электроэнергии по всей технологической цепи. Кроме того, применение микропроцессорной техники создает благоприятные условия для сравнительно простой стыковки полученных выходных сигналов с другими подсистемами АСУ ТП поверхностного комплекса, выполненными на основе современных средств телемеханики и вычислительной техники.
Для реализации разработанного устройства планируется применение контроллера ATMEGA 103L фирмы ATMEL. Это однокристальный микроконтроллер AVR, который позволит создать оптимальную по скорости и потребляемой мощности систему автоматизированного управления.
ВЫВОДЫ
При проектировании устройства в качестве источников информации и исполнительных устройств были использованы стандартные средства с последующим преобразованием сигналов по форме и уровню.
Вид и уровень управления объектом - автоматизированный при постоянном присутствии оперативного персонала.
С точки зрения предъявляемых технических требований данный блок полностью себя оправдывает, т. к. характеризуется простотой технической реализации.
Таким образом, был сделан шаг в сторону разработки новой аппаратуры автоматизации работы технологического комплекса поверхности с высокими показателями надежности, с малыми габаритными размерами и с уменьшенным энергопотреблением, что, несомненно, может привести к повышению эффективности работы ТКП.
Результаты моих исследований прошли аппробацию на научную новизну и актуальность на III-ей и IV-ой международных научно-технических конференциях аспирантов и студентов "Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых", а также на V-й юбилейной Международной молодежной научной конференции Ухтинского государственного технического университета "Севергеоэкотех".
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. Толпежников Л.И. Автоматическое управление процессами шахт и рудников: Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1985. - 352с.
2. Батицкий В.А., Куроедов В.И., Рыжков А.А. Автоматизация производственных процессов и АСУ ТП в горной промышленности: Учебник для техникумов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1991. - 303с.
3. Гаврилов П.Д., Гимельшейн Л.Я., Медведев А.Е. Автоматизация производственных процессов. - М.: Недра, 1985. - 215с.
4. Технические средства автоматизации в горной промышленности: Учебное пособие / В.И. Груба, Э.К. Никулин, А.С. Оголобченко. - К.: ИСМО, 1998. - 373с.
5. АСУТП угольной шахты / Мелькумов Л.Г., Бацков М.И. - К.: Техніка, 1978. - 216с.
6. Демченко Н.П. Технические средства передачи информации в системах управления угольных шахт. - М.: Недра, 1984. - 245с.
7. Каган Б.М., Сташин В.В. Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 304с.
8. Голубцов М.С. Микроконтроллера AVR: от простого к сложному. – М.: Cолон-пресс, 2003.