Программно-аппаратный комплекс управления и защиты шахтных подъемных машин

Авторы: Бочаров М. К., Дубинский А. А., Кац А. Б.
Источник: Украинский научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт взрывозащищенного и рудничного электрооборудования с опытно-экспериментальным производством [Электронный ресурс].

Бочаров М. К., Дубинский А. А., Кац А. Б. Применение современных средств микропроцессорной техники с программно-аппаратными компонентами, выполняющими функции управления различными типами главного привода шахтных подъемных машин,в управлении и защите шахтных подъемных машин.

Постановка проблемы 

При проектировании новых и модернизации существующих поверхностных шахтных подъемных машин (ШПМ) актуальной задачей является применение современных программируемых средств управления и визуализации на основе микропроцессорных контроллеров и промышленных персональных компьютеров, соединенных в единую информационно-управляющую систему.

Цель исследования

Внедрение программируемой микропроцессорной техники предоставляет новые возможности для управления ШПМ, реализации защитных функций, функций контроля оборудования и диагностики неисправностей, а также для визуализации текущего состояния параметров технологического процесса. Благодаря этому повышаются безопасность, надежность, производительность и точность отработки управляющих воздействий. Подобные системы обладают следующими преимуществами: 

• возможность оперативного перепрограммирования и гибкой настройки устройств управления; 
• осуществление сложных вычислений в реальном времени; 
• точность отображения параметров объекта (скорости, положения) за счет повышения разрешающей способности первичных датчиков; 
• безопасность, достоверность и простота выполнения процедур тестирования защит с возможностью хранения в памяти протоколов проверки; 
• возможность организации развитой самодиагностики узлов системы, в частности, сравнения значений скорости перемещения сосудов, измеренной разными устройствами; 
• наличие системы встроенной диагностики аппаратной части программируемого устройства (обнаружение неисправных либо отсутствующих модулей, тестирование памяти, контроль параметров системы питания); 
• вывод информации на видеотерминал станции оператора в виде гистограмм, графиков, цифровых значений и текстовых сообщений; 
• упрощение информационных связей с полупроводниковыми преобразователями главного привода ШПМ, что позволяет оперативно изменять управляющие сигналы задания скорости, темпа разгона, вращающего момента электропривода, используемые при организации ее движения по заданной диаграмме; 
• вывод параметров электропривода и сообщений о его работе на экран видеотерминала станции оператора, архивирование и, при необходимости, передача этой информации в шахтную информационную сеть. 

Результаты исследований

Структура такого программно-аппаратного комплекса (рисунок 1) включает следующие устройства. 

Рисунок 1 – Структура системы управления главным приводом и технологической автоматикой подъемной установки

1. Устройство контроля скорости и положения подъемных сосудов. Основными функциями устройства являются определение положения и скорости движения подъемных сосудов в стволе, формирование требуемой тахограммы движения, защита от превышения допустимой скорости, а также контроль целостности кинематической цепи и датчиков положения и скорости. Кроме программного самоконтроля работы, устройство осуществляет перекрестную проверку вычисленных сигналов скорости и положения сосудов с непосредственно измеряемыми сигналами, поступающими от независимых датчиков – абсолютного датчика положения и импульсных датчиков скорости. Защита от превышения максимальной скорости и переподъема сосудов дополнительно осуществляется аппаратными средствами независимо от основного контроллера. Для устранения погрешности вычисления положения, связанной с вытяжкой канатов и износом фрикционных накладок на барабанах ШПМ, устройство выполняет автоматическую синхронизацию в нижнем положении сосуда по путевому выключателю. Одним из наиболее подходящих для выполнения описанных функций с высокой точностью, быстродействием и надежностью является микропроцессорный контроллер AC800M [1] производства фирмы ABB Automation, широко применяемый для управления электроприводами ШПМ и специально ориентированный для контроля подъемных установок всех типов. 
2. Устройство управления подъемом. Устройство предназначено для обработки управляющих воздействий, поступающих с пульта управления машиниста подъема, управления главным приводом, вспомогательными приводами, системами рабочего и предохранительного торможения. Независимо от типа главного привода устройство может базироваться на контроллере AC800M или на аналогичных контроллерах других производителей. 
3. Главный привод. В настоящее время для одно- и двухбарабанных, а также для многоканатных ШПМ могут применяться следующие виды электроприводов: 
• электропривод с асинхронным двигателем с фазным ротором и реостатным регулированием при напряжении 0,66 или 6 кВ мощностью до 1250 кВт. Неэкономичный, морально устаревший электропривод;
• электропривод по схеме «тиристорный преобразователь-двигатель» (ТП-Д) с преобразователями постоянного тока, выпускаемыми как украинскими производителями, например ОАО «Преобразователь» (Запорожье), так и иностранными фирмами ABB, Siemens и другими мощностью до 5 мВт. По технико-экономическим показателям уступает электроприводам переменного тока с силовыми полупроводниковыми преобразователями;
• низковольтный частотно-управляемый электропривод с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором и преобразователями частоты на номинальное напряжение 0,66 кВ мощностью до 1250 кВт. Современный электропривод с хорошими экономическими показателями; преобразователи частоты с требуемыми техническими характеристиками серийно выпускаются только ведущими мировыми производителями, например фирмами ABB и Siemens. Отечественные разработки в этой области находятся в настоящее время на стадии опытных образцов;
• высоковольтный частотно-управляемый электропривод на основе синхронных или асинхронных двигателей и преобразователей частоты с выходным напряжением 2,4...12 кВ мощностью до 27 МВт. Наиболее экономичный электропривод для ШПМ с мощностью двигателей от 2,5 МВт. Преобразователи частоты с непосредственной связью, обеспечивающие свободный обмен энергии с питающей сетью, выпускаются фирмами ABB (Финляндия) и Siemens (Германия). Разработки преобразователей на основе инверторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией находятся на стадии опытных образцов. 

Для приводов с полупроводниковыми преобразователями встроенный в преобразователь контроллер может легко интегрироваться в систему с устройством управления приводом и регистратором параметров, для привода с реостатным регулированием целесообразно применять отдельный контроллер управления. 

4. Регистратор параметров.Это устройство выполняет функции хранения и отображения информации о работе всех элементов ШПМ, позволяет осуществить диагностику, контрольные тесты, быстрый поиск неисправностей [2]. 

Регистратор выполнен на базе промышленного компьютера под управлением операционной системы Windows с необходимыми устройствами расширения и стандартной клавиатурой. Сохраняемая и отображаемая информация содержит следующие разделы: 

• контроль движения подъемных сосудов;
• состояние технологических механизмов (положение и функционирование скипов, конвейеров загрузки, шиберов бункера); 
• главный привод; 
• вспомогательные приводы и цепи питания; 
• тормозная система; 
• сети коммуникации и связи, цепи датчиков; 
• технологические показатели (количество циклов, производительность, простои); 
• электронный журнал отказов; 
• электронный журнал срабатываний предохранительного торможения. 
5. Пульт машиниста подъема. Пульт включает следующие органы управления и устройства индикации:
• дисплей общей информации; 
• аналоговый и цифровой указатели положения подъемных сосудов; 
• стрелочный указатель скорости; стрелочный указатель нагрузки (тока) главного привода; 
• стрелочный указатель давления в тормозной системе; 
• светодиодные индикаторы состояния главного и вспомогательных приводов; 
• акустические излучатели; 
• переключатели режимов работы; 
• кнопки «Пуск», «Аварийный останов», «Сброс аварийного останова (зарядка)», «Сигнал пуска», тестовые кнопки.

В целом система управления организована в виде локальной сети с использованием быстродействующих каналов для обмена информацией между устройствами автоматики, главным приводом, пультом управления, системами стволовой сигнализации и связи и системой диспетчеризации (см. рисунок 1). Основу структуры представляет локальная промышленная сеть на базе протоколов Profibus или Modbus. Для связи с видеотерминалом пульта управления и системой диспетчеризации может использоваться сеть Ethernet. Датчики подъемной установки подключены к входам модулей ввода-вывода контроллеров, входящих в состав программно-аппаратного комплекса. Через систему стволовой сигнализации поступает информация от датчиков в стволе, системы загрузки-разгрузки и пультов местного управления и средств связи, находящихся в шахте. 

Выводы 

Применение современных средств микропроцессорной техники позволяет реализовать унифицированную систему с программно-аппаратными компонентами, выполняющую функции управления различными типами главного привода шахтных подъемных машин, режимами аварийного торможения, измерения, контроля, отображения и хранения информации о положении и скорости подъемных сосудов. Такая система легко интегрируется в единую АСУТП угольного предприятия.

Список использованной литературы

1. ABB Control IT for AC 800M/C, Control Software and Tools, Copyright. 1999 ABB 3BSE 029 301 .
2. Дубинский А.А., Кац А.Б., Рутберг Л.Н., Марейченко И.В. Интерактивная система отображения информации о состоянии подземных подъемных машин // Взрывозащищенное электрооборудование: Сб.науч.тр. УкрНИИВЭ. – Донецк: ООО Юго-Восток, Лтд, 2006. – С. 330–335.