|
Санченко Алексей Петрович |
Автореферат к магистерской работе
Автоматизация производственных процессов особенно актуальна для горной промышленности, которая испытывает постоянное усложнение условий добычи полезного ископаемого, связанное с переходом к разработке пластов меньшей мощности и на более глубоких горизонтах. Подземная добыча угля характеризуется широким использованием комбайновых и струговых комплексов и агрегатов с передвижными гидрофицированными крепями, позволяющими исключить применение ручного труда, как на основных, так и на вспомогательных операциях. В настоящее время на угольных шахтах в качестве очистных машин для выемки угля в основном применяются узкозахватные комбайны и струги. Так, для полого наклонных пластов применяются комбайны: К103М, 1К101У, РКУ10, РКУ13, 1ГШ68, 2ГШ68Б, ГШ200Б, ГШ200В, К80, ГШ500, КШЭ; для крутых и круто наклонных пластов - "ТЕМП-1", "ПОИСК-2Р". Струги выпускаются следующих типов: 1СОП, СО75М, СН75М, УСТ4, 1СНТ. [1] Большинство современных комбайнов оснащаются асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором типа ЭДК, ЭДКО, ЭКВ, управляемыми с помощью магнитного пускателя или станции управления. Двигатели комбайнов выпускаются мощностью от 75 до 160 кВт, для стругов от 20 до 110 кВт. Комбайны оснащаются как встроенной гидравлической системой подачи, так и вынесенной на штрек подающей частью. Это, как правило, у комбайнов, предназначенных для работы на тонких пластах (К103М, КА80) и крутого падения. В гидравлических подающих механизмах скорость подачи регулируется изменением производительности гидронасоса подающей части, приводимого в движение главным насосом. В ВСП скорость подачи регулируется изменением подмагничивания электромагнитной муфты скольжения, передающей момент на ведущую звездочку подачи. Очевидно, что важной задачей для максимальной эффективности процесса добычи полезного ископаемого является автоматизация управления скоростью подачи комбайна. Аппаратура КД-А выполняет не только управление скоростью подачи, также, множество других функций. В данной работе поставлена задача разработать новый блок управления скоростью вынесенной системы подачи очистного комбайна, с целью повышения автоматизации выемки полезного ископаемого с использованием микроконтроллера.
Технологический процесс добычи угля в очистном забое является основным процессом в технологии подземной добычи угля на шахте. От его ритмичной работы во многом зависит степень использования оборудования всех последующих технологических процессов, экономические показатели предприятия. Очистные забои характеризуются значительным разнообразием горно-геологических условий залегания пластов, запыленностью, обводненностью, загазованностью и стесненностью условий работы. Это требует интенсивной физической и умственной работы человека в условиях, вредных для здоровья и опасных для жизни. Характерным для технологического процесса является его многооперационность с большими затратами ручного труда. Применительно к очистному забою как объекту автоматизации можно говорить о двух уровнях механизации [2]: Первый - механизированы операции по выемке, навалке и транспортировании горной массы с сохранением ряда немеханизированных операций по креплению кровли, передвижки конвейера и т.д. Второй - комплексная автоматизация всех основных и наиболее трудоемких вспомогательных операций, осуществляемая при помощи комплексов забойных машин и механизмов (выемочная машина, конвейер, крепь), взаимно увязанных по своим параметрам. В настоящее время на угольных шахтах в качестве очистных машин для выемки угля в основном применяются узкозахватные комбайны и струги. Большинство современных комбайнов оснащаются асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором типа ЭДК, ЭДКО, ЭКВ, - управляемая с помощью магнитного пускателя или станции управления. Двигатели комбайнов выпускаются мощностью от 75 до 160 кВт, для стругов от 20 до 110 кВт. Комбайны оснащаются как встроенной гидравлической системой подачи так и вынесенной на штрек подающей частью. В машинах с вынесенным приводом подачи для разрушения угольного массива служит исполнительный орган с отдельным двигателем, устанавливаемым непосредственно на исполнительной части машины, находящейся в лаве. Такие машины очень перспективны, особенно если принять во внимание существующую тенденцию к созданию угледобывающих комплексов, которые предусматривают работу без непосредственного присутствия людей в очистном забое.
Целью проектирования является повышение эффективности регулирования скорости подачи очистного комбайна в процессе выемки угля из очистного забоя путем обоснования алгоритма и структуры аппаратуры автоматизации и разработки на этой основе блока регулирования скорости подачи. На основании рассмотренного материала и общих требований к подобным устройствам, сформулируем основные требования к системе автоматизации:
Аппарат управления, в состав которого входит САУ ВСП, должен соответствовать "Правилам безопасности в угольных и сланцевых шахтах", "Нормативам по безопасности забойных машин, комплексов и агрегатов, 1990, Утв. Министерством угольной промышленности Украины" (в частности, должен быть оснащен всем комплексом защит от аварийных режимов работы). Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд локальных задач:
Существенным недостатком автоматизированной вынесенной системы подачи (ВСП) очистных комбайнов является неполная автоматизация ее электроприводов. Один из двух приводов подачи (вспомогательный) оснащен системой ручного управления. В ряде работ, например [3], обоснованы способы автоматического управления ВСП основным и вспомогательным приводами. Доказано, что реализация рационального способа автоматического управления вспомогательным приводом позволяет снизить уровень динамических нагрузок узлов комбайна и системы подачи, повысить устойчивый момент электроприводов и минутную производительность очистного комбайна. Однако, практическая реализация такого управления требует значительного увеличения аппаратной части системы, что может привести к снижению надежности аппаратуры, увеличить ее габариты. С увеличением длин лав и ростом производительности очистных забоев для повышения эффективности существующих систем автоматизации очистных комбайнов возникла необходимость в автоматизации двух приводов вынесенной системы подачи. Это позволит более эффективно использовать второй (подтягивающий) привод системы подачи и может существенно повысить надежность и показатели качества системы в целом. Из вышесказанного вполне определенно вытекает необходимость создания, либо значительного усовершенствования существующей аппаратуры управления вынесенной системой подачи, которая должна быть ориентирована на возможность полной автоматизации очистного забоя.
Существует три варианта автоматического регулирования нагрузки горных машин [2]:
Автоматическое регулирование машины по первому варианту основано на линейной зависимости подводимой мощности Р от скорости подачи Vп: P = Pxx + B * Vп где Рхх - мощность холостого хода машины при отсутствии резания; В - коэффициент сопротивления угля резанию. При изменении коэффициента В подводимую мощность двигателя можно сохранить неизменной путем соответствующего изменения скорости подачи Vп. Это наиболее простой способ регулирования, который осуществляется с помощью специального авторегулятора, встраиваемого в машину. По второму варианту осуществляется изменение скорости перемещения исполнительного органа (скорости резания) вдоль забоя. При этом необходимо, чтобы при изменении сил сопротивления перемещению струга F скорость его движения Vр изменялась обратно пропорционально этим силам, т.е. необходимо, чтобы F*Vр = const. Такое изменение скорости возможно только при использовании регулируемого привода. Наиболее эффективным считается регулирование по третьему варианту, так как при этом можно обеспечить максимальную производительность машины при минимальных удельных энергозатратах. Для работы машины в таком режиме автоматическое регулирование ее нагрузки должно производиться путем одновременного изменения скорости резания и подачи. В этом случае отношение скоростей Vр/Vп может быть постоянным (параметрическая стабилизация) или регулируемым в процессе работы (экстремальное регулирование). При параметрическом регулировании необходимо иметь регулируемый привод, осуществляющий плавное или ступенчатое изменение скоростей. При экстремальном регулировании необходимо иметь специальное вычислительное устройство, анализирующее конкретные горнотехнические условия и на основе удельных энергозатрат, выбирать оптимальное соотношение скоростей. Очистные комбайны работают в выработках с ограниченным пространством. В большинстве случаев габариты этих машин всецело определяются размерами горной выработки и в первую очередь мощностью угольного пласта. Поэтому электродвигатели, являющиеся составной частью горной машины, также должны иметь минимальные размеры и массу. [1] В различных проектных разработках ВСП в качестве приводов подачи предлагались следующие регулируемые приводы:
Достоинствами вынесенных гидроприводов является простота в управлении, высокая стабильность заданной скорости подачи, недостатки - низкая надежность гидропривода, сложность изготовления, необходимость тщательного обслуживания в процессе эксплуатации. Электроприводы с частотными преобразователями и тиристорными выпрямителями дороги и сложны в изготовлении, имеют относительно большие габариты. Для раздельного регулирования электроприводами необходимо два частотных преобразователя или тиристорных выпрямителя. Они создают в питающей сети помехи в виде высших гармонических составляющих напряжения, что отрицательно сказывается на работе других составляющих объектов в этой сети. Кроме этого, для них в настоящее время не созданы устройства защиты от утечек тока на землю, наличие которых в условиях шахты строго обязательно. В настоящее время в серийных образцах ВСП применяются приводы на основе электромагнитных муфт скольжения (ЭМС) [4] производства Горловского машиностроительного завода. ЭМС устанавливается между выходным валом асинхронного электродвигателя и приводной звездочкой и состоит из ведущей и ведомой части (индуктора и якоря) (рис. 2.1).
Рисунок 5.1 - Схема электропривода на основе ЭМС Двигатель ДВ вращает ведущую часть ЭМС - индуктор. При отсутствии тока в обмотке возбуждения ОВ индуктор не взаимодействует с ведомой частью ЭМС - якорем и вращение на приводную звездочку не передается. При наличии тока в обмотке возбуждения, в зазоре между зубцами индуктора и поверхностью якоря проходит магнитный поток. Движение зубцов индуктора возбуждает в якоре вихревые токи (токи Фуко) и происходит электромагнитное взаимодействие между ведущей и ведомой частью ЭМС. [5] На приводную звездочку передается вращающий момент, величина которого зависит от величины тока в обмотке возбуждения. В реальном приводе между двигателем ЭМС и приводной звездочкой устанавливаются промежуточные редукторы. Механическая характеристика привода с ЭМС имеет жесткий и мягкий участки (рис. 2.2). На жестком участке скорость вращения выходного вала ЭМС мало зависит от внешнего момента сопротивления, на мягком - с увеличением момента сопротивления скорость выходного вала существенно уменьшается. По мере увеличения тока возбуждения ЭМС ее пусковой момент М возрастает. Поэтому различным величинам тока возбуждения ЭМС соответствуют различные механические характеристики привода. При неизменном внешнем моменте сопротивления величину скорости вращения выходного вала можно регулировать, изменяя ток возбуждения ЭМС.
Рисунок 5.2 - Механические характеристики ЭМС
Управляя током возбуждения ЭМС можно регулировать момент и угловую скорость выходного вала привода подачи и, следовательно, скорость и усилие подачи комбайна. Таким образом, ЭМС является сравнительно легко управляемым силовым элементом привода. [5] Она имеет небольшие габариты и вес, не имеет скользящих контактов создающих искрение, что облегчает ее искробезопасное исполнение. Приводы с ЭМС обеспечивают возможность плавного регулирования тягового момента и глубокого регулирования скорости подачи комбайна. Однако, вследствие наличия "мягких" участков механических характеристик ЭМС, для обеспечения стабилизации скорости вращения якоря на заданном уровне принципиально необходимо наличие автоматической системы управления (стабилизации). При ручном управлении скорость вращения подвержена большим колебаниям. На данный момент на основе ЭМС разработана ВПС на основе электромагнитного тормоза скольжения (ЭМТ), которая сохраняет все достоинства ЭМС, принцип регулирования, но за счет уменьшения суммарной длины воздушных зазоров, при неизменных габаритах позволяет передавать больший тяговый момент по сравнению с ЭМС.
Ранее в качестве базового технического решения системы автоматического управления была принята аппаратура КД-А. Но, учитывая развитие горной электротехники и автоматики, а также необходимости автоматизации обоих приводов комбайна, принимаем решение о замене регулятора скорости на другой с иным законом регулирования. Поэтому необходимо будет изменить алгоритм функционирования системы управления. Также в систему будут добавлены новые датчики, но основные элементы существующей системы (органы управления, взрывозащитная оболочка, элементы индикации) замены не требуют. Исходя из этого, наиболее приемлемым направлением усовершенствования системы автоматизации является совершенствование системы путем ввода в аппаратуру нового блока, обеспечивающего выполнение требуемых функций. Но также остается в рассмотрении разработка аппаратуры автоматизации на новой элементной базе, для обеспечения большей надежности, точности и лучшего управления. Поскольку при этом изменяется (усложняется) алгоритм функционирования системы управления, целесообразно выполнить разрабатываемый блок аппаратуры на основе микроконтроллера, что позволит задавать алгоритм функционирования системы автоматического управления программным путем. Это значительно облегчает создание системы, и позволяет создавать более эффективные алгоритмы управления. Также введение микроконтроллера позволит нам эффективнее обработать полученную информацию с датчиков с возможностью ее вывода на индикационные элементы, а также передачи (при надобности) на ЭВМ. Кроме того, использование микроконтроллера при построении системы автоматического управления позволит уменьшить габариты блока, увеличить его надежность [6]. Легкость перепрограммирования современных микроконтроллеров позволяет в дальнейшем усовершенствовать алгоритм управления без больших затрат времени и без изменения структуры системы.
В настоящее время существует множество программных пакетов для моделирования реальных процессов, что позволяет аналитически оценить и пронаблюдать требуемый технологический процесс. Моделирование позволяет, что также немаловажно, избавиться от ненужных затрат на создание исследовательских стендов, но получить достаточно достоверный результат. [7] Для исследования процессов и режимов работы очистного комбайна была разработана математическая модель (рис 7.1). Она содержит модели основного (тянущего) 1 и вспомогательного (подтягивающего) 2 электроприводов подачи с соответствующими электромагнитными тормозами скольжения ЭМТ 9,8. Приводы 1 и 2 связаны между собой и комбайном 3 тяговой цепью с рабочим участком C13 и холостыми участком - C12 [3]. Частота вращения тянущего привода измеряется датчиком скорости ДС1, подтягивающего - ДС2. Модель также содержит электродвигатели основного 7 и подтягивающего 6 электроприводов с планетарными редукторами 5 и 4 соответственно. Сигнал обратной связи по скорости поступает с датчиков скорости (ДС1 и ДС2) в систему автоматического управления САУ, в которой формируются сигналы для управления ключевыми элементами КЭ1 и КЭ2, посредством которых напряжения питания поступает на обмотки возбуждения ЭМТ.
Рисунок 7.1 - Функциональная схема замещения ВСП очистного комбайна Модель тянущего и подтягивающего приводов подачи ЭМС описывается следующими системами уравнения:
где Данная математическая модель создавалась с целью определения параметров динамических звеньев, определением необходимых параметров регулирования токовых отсечек, нагрузки и скорости; будет использоваться для определения способов обеспечения заданного усилия в тяговых органах. Система дифференциальных уравнений, описывающих математическую модель приводов подачи ЭМТ и аппарата управления были решены совместно при помощи метода Рунге-Кутта, средствами MathCAD. Частный случай решения системы дифференциальных уравнений (1) представлен на рисунке 7.2.
Рисунок 7.2 - Графики решений системы дифференциальных уравнений
Полученные в ходе данных исследований параметры в последствии будут учитываться при проектировании автоматизированной двухприводной вынесенной системы подачи очистного комбайна.
В ходе работы был произведен анализ технологического процесса выемки угля из очистного забоя как объекта автоматизации, сформулирована цель магистерской работы и выработаны требования к системе автоматизации процесса. Сделан критический обзор известных технических решений по автоматизации технологического процесса выемки угля, обосновано дальнейшее направление автоматизации исследуемого процесса и сформулированы функции разрабатываемого устройства автоматизации. Произведено обоснование, создана математическая модель и произведена оценка эффективности принятых технических решений. В дальнейшем в магистерской работе будет произведена алгоритмизация системы автоматизации, разработка схемотехнического решения устройства автоматизации, а именно анализ структурной схемы системы автоматизации технологического процесса, разработка структурной и функциональной схем аппаратуры автоматизации, также по ним будет разработана и принципиальная электрическая схема. В планах стоит разработка программного обеспечения для аппаратуры, разработка компоновочных решений аппаратуры автоматизации.
|
- момент на валу приводной звездочки со стороны привода;
M - максимальный пропускной момент муфты; V0 - номинальная линейная скорость приводной звездочки,
соответствующая максимальной скорости движения комбайна; iов1(ов2) - ток в обмотке возбуждения ЭМТ;
a, b - коэффициенты, учитывающие конструктивные параметры ЭМТ; Rпз - радиус приводной звездочки.
M/Rпз = F - максимальное усилие, передаваемое ЭМТ; M1(2)/Rпз = F1(2) -
текущее усилие, передаваемое электроприводом.