Объектом исследования является магистральная конвейерная линия, состоящая из двух и более конвейеров (рис.1).

Рисунок 1- Магистральная конвейерная линия

Конвейеры 1 являются магистральными, конвейеры 2 участковыми. Магистральные конвейеры относятся ко второй группе [1]. Это конвейеры большой производительности, мощность привода которых может быть от 500 до 1000 кВт, ширина ленты составляет 1000 и 1200 мм. Конструктивно от участковых конвейеров отличаются тем, что натяжное устройство ленты у них расположено в конце конвейера. В приводах конвейеров применяются асинхронные двигатели как с короткозамкнутым так и с фазным ротором. Конвейеры предназначены для эксплуатации в выработках угольных и сланцевых шахт с углом установки от –3 до +18 °, т.е. могут устанавливаться в горизонтальных и уклонных выработках. Именно на этих конвейерах зарегистрировано большое количество пожаров.

Рассмотрим оборудование установленное на магистральном ленточном конвейере 1Л120 (рис.2).

В термоэлектрическом приемнике излучения повышение температуры Тп линии (рис.3.) вызванное поглощением лучистого потока Ф измеряется с помощью миниатюрного ТЧЭ, горячий спай которого находится в хорошем тепловом контакте с мишенью-поглотителем. Наличие избыточной температуры спая по сравнению с температурой То холодных концов ТЧЭ приводит к возникновению на выводах термоЭДС:

Е = е_тU,

где е_т – удельная термоЭДС термоэлектродов.

Рисунок 3 - Конструкция ТЭП

При подключении ТЭП имеющего сопротивление Rт, к измерительной цепи с сопротивлением Rн в цепи протекает ток:

I = E/(Rт + Rн), (1)

по значению которого можно судить о падающем на мишень лучистом потоке Ф [1].

Так как ЭДС генерируемого ТЧЭ прямопропорциональна избыточной температуре υ характеризующей процесс нарастания ЭДС или тока ТЭП:

, (2)

где П – тепловые потери (проводимость) мишени при единичной разности температур;
а₁ – интегральный коэффициент поглощения фронтальной поверхности мишени для рабочего интервала длин волн;
Ф_ст - стационарный лучистый поток.

Установившиеся значения ЭДС и тока определяются из выражений:

Е_п.у. =bn_т e_тυ _п.у, (3)
I_п.у. =bn_тe_тυ _п.у/(R_т+R_н), (4)

С учетом (4) и (3) вольт-ваттная и токовая чувствительности приемника имеют вид:

, (5)
S_і = S_U/(R+R_н), (6)

где b – безразмерный коэффициент, меньший единицы и учитывающий оптическую прозрачность материала входного окна ТЭП и поглощающую способность рабочей поверхности мишени [4].

R_т и R_н – соответственно сопротивления термобатареи и нагрузки.

Основное преимущество ТЭП состоит в том, что он не требует дополнительного источника питания и может работать без модуляции лучистого потока. Работа приемника без модуляции позволяет использовать весь поступающий лучистый поток. Кроме того, при работе на немодулированном потоке постоянная времени приемника выбирается не по частоте модуляции, а по заданному времени установления показаний пирометра, составляющему (3-6)τ. Получение такой достаточно большой постоянной времени обычно 1-2 с, позволяет использовать приемники с меньшими теплопотерями, а, следовательно, и с большей чувствительностью; также к достоинствам относят невысокое внутреннее сопротивление, не превышающее нескольких десятков кОм.

В качестве термоэлектродов ТЧЭ разрабатываемого устройства использованы пленки составов Bi_0,9Sb_0,1 и Sb. Термобатарея содержит 50 ТЧЭ, горячие спаи которых размещены по периметру круглой мишени диаметром 1,13 мм. Так как обычные органические тонкопленочные подложки имеют стойкость к реагентам, участвующим в фотолитографическом процессе, то для данного ТЭП использована более стабильная пленка Si₃N₄-SiO₂ толщиной около одного микрометра, сформированная на пластинке из монокристаллического кремния. На участке, приходящемся под мишень и горячие спаи в этой пластине вытравлено отверстия, уменьшающие теплопотери мишени. Контакт пленочных термоэлектродов с выводами осуществляется через комбинацию пленок нихром-аллюминий, которые наносятся перед формированием термобатареи. Поглощающим покрытием служит металлическая чернь, которую через электроизоляционную прослойку лака наносят на горячие спаи. Термобатарея смонтирована на цоколе стандартного транзисторного корпуса типа ТО-5, входное окно ТЭП закрыто пластиной из KBr.

Внутренний объем ТЭП заполнен аргоном. При этом чувствительность ТЭП составляет 30 – 60 В/Вт, постоянная времени 15 – 40 мс; пороговый поток при отношении сигнал/шум равном единице – (3–5)·10^-10 Вт·Гц ^–0,5-10; сопротивление приемника 20 кОм.

Основными задачами, которые были решены при построении оптической системы (ОС), являются:

• ограничение потока излучения, исходящего от объекта контроля (приводного барабана), возможно меньшим телесным углом, т. е. выделение заданной контролируемой площадки нагретого тела;
• передача лучистого теплового потока и его преобразование с минимальными потерями;
• обеспечение максимальной плотности потока, попадающего на ТПИ.

При расчете ОС пирометра необходимо определить такие параметры, при которых с помощью ТПИ заданных размеров (радиус r_п) обеспечивается контроль температуры поверхности строго определенной площадки с радиусом r_ок бесконечного объекта контроля (ОК), расположенного на известном расстоянии х_ок от ОС. В процессе расчета, задавшись радиусом r_з, определяем координату центра мишени ТПИ х_п, а также радиус светового окна зеркала h_з, при которых ТПИ воспринимает тепловые лучи, исходящие только от заданной площадки объекта контроля, причем на ТПИ должна попадать возможно большая часть теплового потока, излучаемого контролируемой площадкой.

Падающий на световое окно зеркала из полусферического пространства лучисты тепловой поток и совокупность отраженных от зеркала любой формы лучей можно рассматривать как диффузное излучение. Поэтому ТПИ может быть установлен в любом месте полусферического пространства, окружающего световое окно зеркала, и на него всегда попадает некоторая часть отраженных зеркалом лучей. Лучистый тепловой поток, воспринимаемый ТПИ от приводного барабана, определяется путем расчета теплообмена излучением [4,5] между световым окном зеркала и ТПИ:

Q_ОК-п = Fп-зτлоσЄок(Tок⁴ – Tп⁴), (2)

где Fп-з = Н_п-з·S_п – площадь взаимной поверхности между ТПИ и зеркалом или его эквивалентной заменой;

σ_ло – коэффициент пропускания теплового излучения оптической системой первичного пирометрического преобразователя (с учетом неидеального отражения зеркала).

Для получения приемником максимального теплового потока его целесообразно устанавливать на оптической оси в плоскости светового окна зеркала или как можно ближе к этой плоскости, стремясь одновременно к увеличению указанного окна. Только в этом случае значение углового коэффициента облученности между ТПИ и зеркалом φ_п-з стремится к единице, а площадь взаимной поверхности Фпз – максимальному значению – площади ТПИ Sп. Расчет значения Fп-з может быть выполнен по известной формуле [5] для случая теплообмена излучением между двумя параллельными кругами с центрами на общей нормали к их поверхностям:

, (3)

где d₁, d₂ – диаметры первого и второго кругов,
L12 – расстояние между кругами.

Для расчета геометрических параметров ОС воспользуемся уравнениями каустики окружности и отраженного луча[7]. На рисунке 4 дуга окружности М'СМ' с радиусом r_з – след сферической поверхности зеркала, ось ОХ совпадает с оптической осью, начало координат О совмещено с центром кривизны сферы, отрезком АА’ представлен ТПИ с радиусом r_п равным |y_А|, а линия QQ' - след плоскости ОК, перпендикулярной к оптической оси. Точками Е и Е' обозначены границы заданной площадки приводного барабана, представляющей собой круг радиуса r_ок = |у_ок|, который должен “видеть” ТПИ. Координаты центра этого круга, расположенного на оптической оси, также как r_п и r_ок, заданы.

Рисунок 4 – Ход лучей в ОС при расчете координаты расположения ТПИ

При перемещении ТПИ вдоль оптической оси, например ближе к зеркалу (при увеличении х_А) каустика для пучка лучей, исходящих из точки А и отраженных окружностью, удлиняется, т. е. ее верхняя ветвь КВР поднимается относительно оси симметрии и занимает положение К₂В₁Р₂, а нижняя К'P' опускается, т. е. занимает положение К₂'P₂'.

При удалении ТПИ от зеркала смещение ветвей каустики происходит в обратном направлении – линия К₁Р₁К₁'. Ось симметрии каустики В₀'OA при этом незначительно изменяет свой наклон -Ψ. Из свойств каустика следует, что все отраженные лучи касаются одной ее ветви и до пересечения с другой ветвью находятся между ними. Поэтому, чтобы ТПИ видел на приводном барабане площадку не больше заданного размера (2r_ок), находится такое положение ТПИ, при котором верхняя ветвь каустики пересекает линию QQ' не выше точки Е. Необходимо потребовать, чтобы верхняя ветвь каустики (при -Ψ t  π-Ψ) проходила через точку Е. Для этого подставим в уравнение каустики окружности известные координаты получена следующая система уравнений:

(4)

где неизвестными величинами являются угловой параметр t и . Здесь, как и в случае поверочного расчета ОС, координаты х и у имеют соответствующие точкам индексы, а те же буквы с черточкой над ними означают, что эти координаты отнесены к радиусу r_з. По этому значение r_з должно быть задано. Систему (4) преобразуем к виду:

(5)

Здесь

Система (5) равносильна двум системам

где

Учитывая свойства каустики и физический смысл задачи, при решении систем (6) и (7) будем находить только такие значения ζ_л, которые принадлежат окрестности числа [-2], а t принадлежит [-ψ, π/3]. Решение указанных систем выполняется численным методом. Если система (6) решений не имеет, то переходим к решению системы (7) этим же методом. Если исходные данные удовлетворяют условиям, приведенным ниже, то одна из них (и только одна) обязательно имеет решение. Из рассмотрения крайних возможных вариантов расположения ТПИ на оптической оси можно вывести необходимые условия:

при которых система (4) имеет решение. По полученному значению ψ_л(t_Е) находим .

Угол раскрытия сферического рефлектора 2φ, при котором диаметр контролируемой площадки ОК не превышает заданный, определяется угловой координатой точки М, из которой исходит отраженный луч, проходящий через точку Е, обозначающую верхнюю границу видимой площадки. Так как все лучи, вышедшие из любой точки ТПИ и отраженные зеркалом с углом раскрытия 2φ, пересекают линию QQ' внутри отрезка EE'. Следовательно, ТПИ при определенных значениях r_з, х_А, у_А, 2φ будет «видеть» только заданную площадку поверхности ОК. Для нахождения φ воспользуемся уравнением отраженного луча. Подставив в него вместо текущих координат точки на отраженном луче известные величины . Корень полученного уравнения |φ| определяем с нужной степенью точности методом последовательных приближений.

Так, в результате расчета определены положение ТИП на оптической оси х_п и максимальный угол раскрытия зеркала 2φ, при которых ТПИ с радиусом r_п в сферическом рефлекторе с радиусом кривизны r_з точно «видит» заданный участок ОК, характеризуемый координатами х_ок и у_ок. По величине φ определяем радиус светового окна зеркала h_з = r_з sinφ, по (2) и (3) – лучистый тепловой поток, воспринимаемый ТПИ от ОК. В (3) d₁ = 2r_п; d₂ = 2h_з; L12 = r_зcosφ - x_п.

Таким образом, были получены необходимые размеры при х_ок-=1500 мм и введении диафрагмы у_д-= 20 мм – у_ок = 30 мм, х_п- = 46 мм, h_з = 20 мм, rз = 73,45 мм, а площадь взаимной поверхности Fп-з = 0,28 мм².

Изменение температуры окружающего воздуха и соответственно и корпуса первичного пирометрического преобразователя, а также наличие пыли нарушает однозначную зависимость между температурами приводного барабана и ТПИ, что приводит к появлению дополнительной (температурной) погрешности измерения. Воспользуемся уравнением:

Κ = Т_п – Т₀ = А_п (Т_ок⁴ – Т₀⁴ ). (7)

Рассматриваемая температурная погрешность является следствием изменения разности Т_ок⁴ – Т₀⁴ и значения коэффициента А_п, т. е. соответственно параллельного смещения (ПС) и изменения наклона (ИН) статической характеристики пирометра, описываемой уравнением (7).

Компенсация ПС статической характеристики достигается суммированием выходного сигнала пирометра с напряжением, снимаемым с измерительной диагонали неуравновешенного моста, содержащего термозависимый резистор. Электрическая схема компенсации совместно с каскадом усиления приведена на рисунке 2.

Рисунок 5 - Электрическая схема измерительной части пирометра

Напряжение U_аб на клеммах аб измерительной диагонали определяется по формуле :

U_аб = U_и(R_н + R_тб) (R_мт мтR₅ -R₄R₆ )/D_и, (8)

где

D_и = R_и (R_н+R_тб) (R_мт+R₆+R₄+R₅) + R_и (R_мт+R₆)(R₄+ R₅ ) +
(R_н+R_тб)(R_мт+R₄) (R₆+R₅)+R_мт(R₆R₄ +R₄R₅ +R₅R₆) + R₄R₅ R₆;

где R_мт =R_м0L_т - сопротивление термозависимого резистора;
R₄, R₅, R₆ – сопротивление термонезависимых резисторов неуравновешенного моста; U_и, R_и – напряжение и внутреннее сопротивление источника питания мостовой схемы.

Считаем, что мостовая схема находится в равновесии при температуре окружающей среды θ₀ =θ₀₂ = 20°, тогда R₅ = R₄R₆ /R_мт2 . Кроме того, предполагаем, что R₄ = R₅ и, следовательно, R₆ 6 = R_мт2. Подставляя эти выражения в (8) получаем:

(9)

При наличии компенсации ПС в диапазоне температурθ₀ от θ ₀₂ доς₀₃ должно выполняться равенство:

Е_q2+U_аб2= E_q3 + U_аб3 .

Учитывая, что U_аб2 = 0 и пренебрегая величинами второго порядка малости, из (9) найдем:

Для вычисления 1/R_м0 заданы значениями R₄, R_н, R_тб, R_и, а также точка q на шкале пирометра, в которой необходимо обеспечивать компенсацию ЛС. Определив 1/R_м0 найдем напряжение U_аб.

Усилительный каскад собран на микросхеме LM108, которая представляет собой прецизионный операционный усилитель (ОУ) с полевыми транзисторами на входе. И транзисторы имеют сверхвысокий коэффициент усиления по току (25000). Операционный усилитель LM108 работает в широком диапазоне температур окружающей среды и напряжения питания. Малая величина коэффициента влияния напряжения позволяет питать схему на этих ОУ от практически нестабилизированного источника питания [8].

Совместно с датчиками технологического процесса и пусковым оборудованием система должна обеспечивать следующие функции:

1. Централизованное автоматизированное управление конвейерной линией, а также отдельными конвейерами;
2. Местное автоматизированное управление конвейером, осуществляемое с блока управления конвейером;
3. Пуск конвейерной линии по командам диспетчера с пульта управления в последовательности исключающей завал мест перегрузов, путем включения каждого последующего конвейера только после установления рабочей скорости принимающего, с подачей предупредительного сигнала;
4. Оперативный останов конвейерной линии, отдельного конвейера с автоматическим отключением всех конвейеров, подающих груз на остановившийся;
5. Аварийный останов конвейера при:
   • снижении скорости приводного барабана более чем на 25 % от номинальной;
   • затянувшемся пуске;
   • схода ленты;
   • превышении температуры приводного барабана более 75°С;
   • срабатывании электрических защит электропривода;
6. Экстренный останов конвейера с наложением тормозов одновременно с подачей на отключение его привода при:
   • превышении скорости барабана на 10 % от номинальной;
   • подачей человеком команды на экстренное отключение конвейера;
   • срабатывании датчиков заштыбовки;
7. Сигнализация и индикация;
8. Управление конвейером с многодвигательным приводом;
9. Управление натяжной станцией ленточного конвейера.

Структурная схема системы управления приведена на рисунке

Рисунок 6 – Структурная схема системы управления конвейерной линией

Сбор информации о температуре приводных барабанов конвейеров линии осуществляется с помощью ТЧЭ конвейера № 1 – ТЧЭ конвейера № n. Далее сигнал усиливается с помощью усилительных каскадов, собранных на прецизионных операционных усилителях (LM 108) и поступает в БМК имеющий в своём составе: микроконтроллер со встроенным АЦП (Атmega64),узел согласования сигналов поступающих от датчиков, быстродействующий диспетчер контроллера для сетей на базе интерфейсов RS232 и RS485 реализованный с помощью микросхем MAX202, MAX487 и элементов ИЛИ (74НС32). Модификатор адреса (номер конвейера)выполнен в виде програмно-доступного регистра, входы которого подтянуты резисторами к питанию и к этим же входам подключены перемычки.1.1ПВВ-1.N ПВВ –пускатели приводов (конвейера,натяжной станции и др.)

Информация о работе конвейеров обрабатывается с помощью БМК1-БМКN, а затем в случае отклонения параметров работы конвейера от установившихся ПБ значений МК дает команду на отключение ЭД и подачу команды на устройства сигнализации (УС) с помощью ИБ цепей управления блока БМК.

В это же время информация о неисправности поступает в центральный контроллерный пункт (ЦКП), где диспетчер определяет дальнейшие действия по поводу аварии. Визуализация работы конвейера в месте установки БМК возможна с помощью 16-разрядного ЖКИ.

Для того, чтобы объединить работу исполнительных механизмов необходимо иметь командно-информационную сеть – CI-LAN (command informational LAN) [10]. Эти сети характеризуются тем, что имеют в своем составе один персональный компьютер и некоторое количество специализированных контроллеров-станций. Сеть работает по принципу опроса. Компьютер (установленный у диспетчера) является инициатором всех обменов в сети, т. е. ведущим узлом. Он передает всем станциям фрейм-команды, содержащий в том числе и адрес одной их станций. Все станции пассивны, т.е. работают в режиме «ведомого». Они не имеют права инициализировать обмен в сети (за исключением аварийных ситуаций). Они принимают и инициализируют фрейм-команды, но только одна из них, адрес которой совпал с адресом фрейма, выполняет предписанные командным фреймом действия и либо сообщает компьютеру о выполнении команды, либо передает ему полученные данные. Таким образом полный цикл обмена состоит из команды и ответной информации. Типовая структура системы автоматизации магистральной конвейерной линии приведена на рисунке 7.

Рисунок 7- Структура системы связи

Единственный в системе автоматизации персональный компьютер выполняет роль единственного в системе генератора заданий и получателя информации. Только он имеет право инициировать обмены информацией по сети. Кроме того он получает всю предварительно обработанную информацию от N периферийных станций управления S1, S2,…SN (Station 1…N), которые не имеют права самостоятельно доступа к сети. Они только имеют право отвечать на поступившую команду. Исключением может быть случай аварийной ситуации на станции или в обслуживаемой подсистеме объекта регулирования. Станции управления между собой соединяются с помощью кабелей с разъемами (обычно типа DB9) через параллельно соединенные пары разъемов Х1, Х2,…ХN на каждой из станций S1, S2,…SN. Каждая из станций в сети имеет индивидуальный номер, устанавливаемый на модификаторах. Соединение персонального компьютера производится через узел диспетчера персонального компьютера DPC в зависимости от используемого количества станций управления конвейерами N, необходимости преобразования интерфейсов и оптической развязки. В каждой станции имеется узел, согласующий интерфейс микроконтроллера станции (UART) с сетевой средой. Он обычно называется диспетчером станции DS.

Диспетчер РС (DPC) – узел согласующий порт RS-232C персонального компьютера с сетевой средой. CI-LAN строится на базе интерфейса RS-485, таким образом DPC оптически изолирует порт RS-232 персонального компьютера и преобразует его в интерфейс RS-485.

На рисунке представлена схема DPC для сети на базе интерфейса RS-485. Выходная часть DPC изображена справа и подключается к РС с помощью разъема Х2. Особенностью входной частью DPC является то, что интерфейс RS-232C персонального компьютера имеет только две выходные линии RTS и DTR, которые уже используются для питания входной части, при этом их уровни соответственно равны RTS = H (High) и DTR = L (Low).

Передатчик РС закрывается на достаточно короткие промежутки времени, таким образом отключение выхода передатчика осуществляется при переводе сигнала DTR в состояние H. При этом положительное напряжение с линии DTR через резистор R10 включает светодиод нижней оптопары D3, а коллектор транзистора этой оптопары переводит вход управления драйвера DE в состояние L, что, соответственно, переводит выходы передатчика в высокоимпедансное состояние.

В данной работе были изложены основные принципы построения устройства контроля температуры приводных барабанов ленточных магистральных конвейеров, а также принципы создания сети по которой диспетчер в любой момент мог бы контролировать не только температуру приводного барабана, а также информацию от остальных датчиков технологического процесса поступающую на блоки микроконтроллеров. Наряду со сбором информации блок микроконтроллеров имеет возможность выдавать сигналы на управление пускателями, а также другими исполнительными механизмами. Тем самым осуществляя полную автоматизацию конвейерной линии.

Таким образом, были решены вопросы не только безопасности работы магистральных ленточных конвейеров, но и управление магистральной конвейерной линией с пульта диспетчера, что позволит не только повысить безопасность его эксплуатации, но и увеличит производительность, коэффициент готовности и снизит непроизводительные затраты времени.

Результаты моих исследований прошли аппробацию на научную новизну и актуальность на следующих конференциях: III и IVмеждународных научно-технических конференциях аспирантов и студентов «Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых», ІІ международной научно-технической студенческой конференции «Механика жидкости и газа», Международной научно-технической конференции «Горная энергомеханика и автоматика», а также V юбилейной Международной молодежной научной конференции Ухтинского государственного технического университета "Севергеоэкотех", по результатам которой награжден дипломом II степени.

1. Справочник по автоматизации шахтного конвейерного транспорта/ Стадник М.И. и др. – К.: Техника, 1992.
2. Толпежников Л.И. Автоматическое управление процессами шахт и рудников. – М.: Недра, 1985.
3. Взрывопожаробезопасность горного оборудования/ С.П. Ткачук, В.П. Колосяк. – К.: Техника, 2000.
4. Гордов А.Н. Основы пирометрии. – М.: Металлургия, 1971.
5. Исаченко В.П., Осипова В.А. Теплопередача. – М.: Энергоатомиздат, 1981.
6. Кутеладзе С.С. Справочник по теплопередаче. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959.
7. Корн Т., Корн Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров. – М.: Наука, 1968.
8. Операционные усилители и компараторы. Справочник. Т.12. – М.: Дадека, XXI, 2002.
9. Голубцов М.С. Микроконтроллера AVR: от простого к сложному. – М.: Cолон-пресс, 2003.
10. Николайчук О.И. Системы малой автоматизации. – М.: Салон-пресс, 2003.
11. ДСТУ 3008-95. Документація. Звіти у сфері науки і техніки: Структура і правила оформлення. – К.: Держстандарт України,1996. – 32 с.
12. Методические указания по оформлению текстовых документов/сост.: Сафьянц С.М., Иванов А.И. и др. – Донецк: ДонГТУ, 1998. – 144с.
13. ГОСТ 7.1-84. Библиографичекое описание документа. Общие требования и правила составления.
14. ГОСТ 2.702-78. Правила выполнения электрических схем.