Ковалева Юлия Петровна

Факультет: Энергомеханики и автоматизации

Специальность: Автоматизированное управление технологическими процессами

Тема выпускной работы: Обоснование параметров и разработка технических решений в области автоматического телеконтроля рабочих параметров и сбора технологической информации электродвигателя угольного комбайна

Руководитель: доцент кафедры ГЭА Новиков Евгений Николаевич

Email: Kovaleva_Juliya@mail.ru

Автореферат магистерской работы по теме:

"Обоснование параметров и разработка технических решений в области автоматического телеконтроля рабочих параметров и сбора технологической информации электродвигателя угольного комбайна"

Введение

     Основным технологическим процессом шахты является получение полезного ископаемого с установленными показателями качества.

     Электродвигатели ряда высоконагруженных горных машин и механизмов, в первую очередь таких, как очистные комбайны угольных шахт, зачастую выходят из строя по многим причинам, определить которые весьма сложно. Одной из наиболее распространенных причин выхода из строя, являются перегрузки электродвигателей, обусловленные как объективными факторами работы, связанными с особенностями горно-геологических условий и неравномерностью залегания рабочих пластов, так и субъективными факторами влияния человека на процесс работы машин. Выявить и проконтролировать указанные причины возможно при помощи системы телеконтроля рабочих параметров электродвигателя, его защиты от перегрузки и передачи данных о состоянии диспетчеру на компьютер.

      Насущной задачей является переход современных шахтных высокопроизводительных машин и механизмов к управлению в автоматизированных режимах с целью обеспечения оптимальных условий работы.

Цели и задачи

     Целью и задачами работы является разработка технических решений в области автоматического телеконтроля рабочих параметров асинхронных электродвигателей горных машин, в данном случае очистного комбайна.

Научная новизна

     Планируемой научной новизной является разработка системы телеконтроля как программно-аппаратного комплекса, который состоит из устройства защиты двигателя и сбора данных, расположенного непосредственно в коммутационном аппарате, питающем контролируемую нагрузку, а также устройства сопряжения с персональным компьютером, расположенном у диспетчера и программного обеспечения (разработка програмного обеспечения в рамки данной работы не входит).

     Практической ценностью будет предполагаемое внедрение разработок в технические образцы очистной техники.

Требования и назначение системы автоматического телеконтроля

     К разрабатываемой системе автоматического телеконтроля можно выдвинуть специфические требования, связанные с условиями работы в подземных условиях:

     - повреждение цепей или элементов системы автоматического регулирования горной машины не должно приводить к развитию аварий, потерям возможности снятия напряжения питания или остановке машины, к увеличению скорости подачи комбайна или нагрузки электродвигателя.

     - точность стабилизации САР по регулируемому параметру должна лежать в пределах ± 10% заданного значения, при колебаниях температуры от +5 до +70 ОС.

     Система автоматического телеконтроля рабочих параметров электродвигателя угольного комбайна должна обеспечить:

     - устойчивую работу при изменении крепости разрушаемого массива в 4 раза.

     - температурную автоматическую компенсацию уставки регулятора в функции температуры нагрева электродвигателя.

     - достаточное быстродействие, чтобы предотвратить опрокидывание электродвигателей резания и подачи при резком набросе нагрузки (появления твердых включений, заштыбовка режущего органа и т.п.).

     - наработку на отказ не менее 10.000 ч.

     - модульную систему исполнения.

Обзор существующих решений

     Система автоматического управления комбайнами САУК-М предназначена для очистных узкозахватных комбайнов с двумя приводными электродвигателями и гидравлическим механизмом подачи. Аппаратура САУК-М позволяет обеспечить распределенный во времени запуск электродвигателей комбайна; задание скорости и направления подачи машины с контролем нагрузки каждого из электродвигателей привода комбайна; снижение скорости подачи комбайна при перегрузке одного из электродвигателей до значения, обеспечивающего нагрузку на уровне заданной уставки; снижение скорости подачи машины до нуля при запуске комбайна и при длительных технологических нагрузках; отключение электродвигателей комбайна при “опрокидывании” любого из них; контроль температуры масла в механизме подачи.

     Аппаратура САУК-М применяется на добычных комбайнах работающих на пластах пологого и наклонного падения в лавах угольных шахт, опасных по газу и пыли и внезапным выбросам угля и газа.

     В комплект аппаратуры САУК-М входят электроблок комбайна, пульт дистанционного управления, датчик скорости подачи, две коробки зажимов, ка-бельные перемычки, запасной инструмент и принадлежности.

     В электроблоке комбайна расположены элементы автоматики: два контактора и реле времени для раздельного пуска электродвигателей, блок регулятора нагрузки УРАН с тремя датчиками тока, два аппарата КОРД 1-II, блок индикации, источник питания ИП36-1.

     Из всего комплекта аппаратуры САУК-М нас интересует аппарат КОРД 1-II - контроля работы электродвигателей горных машин. Наша разрабатываемая аппаратура автоматизации будет предназначена выполнять функции КОРД 1-II.

     Для автоматического отключения пускателя комбайна при “опрокидыва-нии” и не завершившемся пуске электродвигателей привода комбайна в системе САУК-М применены два аппарата КОРД 1-II.

     Защита двигателей М1-М4 от перегрева осуществляется тепловым реле ДТР, встроенным в двигатель, а от “опрокидывания” или несостоявшегося запуска - аппаратами типа КОРД 1-II.

     Аппарат КОРД 1-II выполнен отдельным блоком, залитым эпоксидным компаундом. В корпусе аппарата КОРД 1-II под съемной пластмассовой крышкой находятся переключатель уставки тока срабатывания при опрокидывании, выводы контактов исполнительного реле. Питание измерительных и исполнительных цепей аппарата осуществляется от встроенных трансформаторов тока за счет индуктивной связи с силовыми цепями питания электродвигателя.

     Функциональная схема аппарата показана на рисунке 1.

     Рисунок 1. Функциональная схема аппарата КОРД 1-II.

     Ток электродвигателя, измеряемый датчиком тока Е1, преобразуется в на-пряжение, пропорциональное току, которое включает ключевую схему К1 и по-ступает на переключатель уставки тока срабатывания S1, а затем на пороговый элемент ПЭ1, появится напряжение на времязадающем элементе ВЭ1, которое стабилизируется стабилизирующим элементом СЭ1. Если такое повышенное значение тока длиться более времени заданного времязадающим элементом ВЭ1, последний включит исполнительный элемент ИЭ1, который своим размыкаю-щим контактом, включенным последовательно с кнопкой “Стоп” комбайна, от-ключит цепь управления магнитного пускателя защищаемого электродвигателя.

     При нормальном пуске электродвигателя длительность пускового тока недостаточна для срабатывания аппарата КОРД 1-II, и исполнительное реле отключено.

     При нормальной работе комбайна электродвигатель развивает вращающий момент меньше максимального, и исполнительное реле аппарата КОРД 1-II отключено.

     При опрокидывании или затянувшемся (более 2с) пуске электродвигателя исполнительное реле аппарата КОРД 1-II включается и своим размыкающим контактом отключает цепь управления магнитного пускателя. электродвигатель обесточится, исполнительное реле аппарата КОРД 1-II вернется в исходное состояние, и он вновь окажется подготовленным к работе.

     Ключевая схема К1 предназначена для контроля целостности фазы питания электродвигателя и наличия тока в ней. Ключевая схема К1 отключена при отсутствии тока в контролируемой фазе.

     Уставку тока срабатывания аппарата КОРД 1-II выбирают в соответствии с типом электродвигателя и напряжением его питания.

Функции разрабатываемой системы

     Разрабатываемая же мною система автоматического телеконтроля и сбора технологической информации рабочих параметров электродвигателя угольного комбайна выполняет все функции аппарата КОРД 1-II, и кроме этого:

     - выполняет передачу результатов контроля на поверхность;

     - отображает ток двигателя в режиме реального времени;

     - осуществляет звуковую и визуальную сигнализацию о превышении током допустимых значений;

     - учет времени, в котором комбайн работал в рабочем режиме;

     - современная элементная база разрабатываемой системы.

     Основное преимущество системы перед подобными существующими разработками в том, что она может быть синтезирована на любом электрический приводе, обслуживающим какие-либо технологические процессы на шахте.

     Система автоматического телеконтроля и сбора технологической информации рабочих параметров предназначена для контроля рабочих параметров и защиты от перегрузок электродвигателей, работающих в распределительных сетях переменного тока напряжением до 1200 В в угольных шахтах, передачи данных по искробезопасным цепям выделенной пары линии связи диспетчеру на компьютер, регистрации и хранения данных с последующим просмотром и анализом. Эта система может применяться во взрывоопасных зонах согласно ГОСТ 12.1.01-76 и другим нормативно-техническим документам, определяющим при-меняемость электрооборудования во взрывоопасных условиях.

     Система автоматического телеконтроля и сбора технологической информации рабочих параметров электродвигателя угольного комбайна представляет собой программно - аппаратный комплекс, состоящий из двух основных частей:

     - подземная часть включает источник сигнала (датчик) ДТ с блоком согласующего делителя, а также блок защиты АЦП, блок микропроцессора и блок защиты линии связи, выполненные в виде отдельного модуля;

     - поверхностная часть включает в себя ПК с установленным на нем спе-циализированным програмным обеспечением (разработка специализированного программного обеспечения в задачи данной работы не входит), блок сопря-жения с ПК с гальванической развязкой, блок генератора стабильного тока в ли-нии связи и блок защиты линии связи с гальванической развязкой.

     Система автоматического телеконтроля и сбора технологической информации рабочих параметров электродвигателя угольного комбайна должна будет обеспечивать:

     - непрерывный контроль тока нагрузки электродвигателя;

     - обработку входных сигналов и передачу пакетов данных на компьютер диспетчеру;

     - визуальное отображение тока нагрузки в режиме реального времени в диапазоне от 0 до 600 А;

     - регистрацию и хранение данных;

     - звуковую и световую сигнализацию о перегрузках электродвигателя и срабатывании токовой защиты у диспетчера;

     - просмотр данных за весь период хранения;

     - защиту от перегрузки, “опрокидывания” и незавершившегося пуска электродвигателя в коммутационном аппарате управления, имеющую несколько защитных характеристик. Вид защитной характеристики устанавливается в зависимости от конкретных условий работы электро-двигателя и его параметров;

     - световую сигнализацию о срабатывании защиты от перегрузки и о состоянии линии связи;

     - временное блокирование аппарата управления, препятствующее включению электродвигателя после срабатывания защиты от перегрузки.

     Подземная часть разрабатываемой системы автоматического телеконтроля предназначена для снятия сигнала с датчика тока электродвигателя резания очистного комбайна, его обработки и передачи данных в виде пакетов по выделенной линии связи на поверхностную часть. Также система обеспечивает защиту электродвигателя от перегрузки путем выдачи сигнала на отключение питающего коммутационного аппарата и сигнализации о срабатывании.

     Структурная схема разрабатываемого устройства приведена на рисунке 2.

     Рисунок 2. Структурная схема разрабатываемого устройства.

Моделирование разрабатываемого устройства

     Промоделируем состояние электродвигателя, соответствующее снятию тока двигателя, состояния перегрузки системы и срабатыванию защиты.

     Анимированное изображене графика тока, состояния перегрузки системы, график срабатывания защиты представлено на рисунке 3.

     На рисунке отображаются 3 графика:

     - график тока. На данном графике отображается уровень действующего значения тока, потребляемого двигателем. График строится по данным о среднем токе двигателя, снимаетым несколько раз в секунду с блока БЗПИ, что позволяет достаточно точно отобразить состояние двигателя подачи и, в то же время, экогомично расхожовать ресурвы компьютера, не приводя его в состояние зависания и чрезмерной загрузки;

     - график сосотяния перегрузки системы. Этот график отображает сведения о превышении током двигателя номинального значения, т. е. о входе двигателя в перегруженное состояние, при котором происходит повфшенное потребление тока и нагрев обмоток двигателя. Имеется два состояния: высокий уровень и низкий уровень, показывающие, соответственно, нормальный и перегруженный режим работы двигателя;

     - график срабатывания защиты. Показывает сосотяние защиты от перегрузки. Также имеет два уровня: высокий и низкий. низкий уровень показывает рабочий режим двигателя, а высокий - срабатывание защиты и, как следствие, отключение питания электродвигателя.

     Рисунок 3. Анимированное изображене графика тока, состояния перегрузки системы, график срабатывания защиты. Количество кадров - 12. Сделано в mp_gif_animator. Весит 68 кбайт.

Выводы

     В перечень нерешенных проблем и вопросов входят:

     -не до конца разработана модель в пакете Matlab,

     не рассчитана стоимость разработки и внедрения такого устройства, и эко-номическая выгода от его эксплуатации,

     -не рассчитаны массогабаритные показатели.

     Планируемым результатом по данной теме является полная разработка мате-матической модели этого устройства, с проверкой ее адекватности в пакете Matlab. Разработка технических решений касаемых внедрения комплектующих в это устройство (IGBT – транзисторы, микроконтроллер и прочее “железо.

Перечень ссылок:

     1. Электропривод и системы управления: Тр. МЭИ / Под ред. С.К. Козырева. М.: Издательство МЭИ, 2000. № 676. 116 с.

     2. Макаренко Н.П. Сетевые преобразователи электроэнергии комплексов тех-нических средств промышленных предприятий //Вісник УБЕНТЗ.-1999.-№1.-С.13-17.

     3. Хасаев О.И. Транзисторные преобразователи напряжения и частоты.-М.: Наука, 1966.-176 с.

     4. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями / С.Г. Герман-Галкин, В.Д. Лебедев, Б.А. Марков, Н.И. Чичерин.-Л.: Энергоатом-издат. Ленингр. отд-ние, 1986.-248 с.

     5. Грузов Л.Н. Методы математического исследования электрических машин. -М.: Госэнергоиздат, 1963.- 342 с.