Постановка задачи
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.
Система телеконтроля рабочих параметров будет представлять собой программно-аппаратный комплекс (написание программного комплекса в задачи контрольной работы не входит), который состоит из устройства защиты двигателя и сбора данных, контролируемую нагрузку, а также устройства сопряжения с персональным компьютером, расположенном у диспетчера и программного обеспечения.
При помощи устройства защиты и сбора данных представляется возможным выбрать наиболее подходящую для данных условий работы защитную характеристику и осуществлять автоматический контроль и сбор информации о токовой нагрузке электродвигателя, что позволяет обеспечить его оптимальный режим работы, определить качество работы обслуживающего персонала и иметь достаточную информацию для определения причин отказов в работе. Устройство сопряжения обеспечивает совместную работу персонального компьютера и искробезопасной линии связи. Связь между устройствами осуществляется по выделенной паре линии связи.
Обобщив выше сказанное, выдвинем требования к функциям, которые должна обеспечивать система телеконтроля:
- непрерывный контроль тока электродвигателя нагрузки;
- обработку входных сигналов и передачу пакетов данных на компьютер диспетчеру;
- визуальное отображение тока нагрузки в режиме реального времени в диапазоне токов от 0 до 1800 А;
- регистрацию и хранение данных;
- звуковую и визуальную сигнализацию о перегрузках электродвигателя и срабатывании токовой защиты у диспетчера;
- просмотр данных за весь период хранения;
- управление режимами просмотра;
- вывод информации на печатающее устройство;
- 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 электродвигателя 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.
Разработка структуры информационной системы
Структурная схема информационной системы представлена на рисунке 1.
Рисунок 1. Структурная схема информационной системы
Сбор информации осуществляется датчиком тока, который измеряет силу тока электродвигателя угольного комбайна. Сигнал, пропорциональный величине тока, поступает на вход микроконтроллера (МК), который обрабатывает его, вычисляет токовременную характеристику нагрузки электродвигателя по заданному алгоритму, преобразует в пачки импульсов и передает их по выделенной паре линии связи на вход ЭВМ. Одновременно с этим МК контролирует токовременную характеристику и величину протекающего тока и при недопустимом их отклонении выдает сигнал на срабатывание исполнительного реле (управляющее воздействие), которое отключает коммутационный аппарат, блокирует его включение на время до 2-х минут и выдает сигнализацию о срабатывании защиты от перегрузки на коммутационном аппарате.
Поступившие на вход ЭВМ сигналы после обработки соответствующим программным обеспечением визуально отображаются в реальном времени на мониторе и записываются на жесткий диск.
Пользователь (горный диспетчер) благодаря информации о силе тока электродвигателя может судить о нагрузке на комбайн и, таким образом, постоянно контролировать деятельность комбайна. В случае необходимости диспетчер также может отключать коммутационный аппарат. Таким образом, система сбора и хранения оперативной информации о токе, потребляемом двигателем комбайна, помогает выработать правильную стратегию рубки и скола угля, обеспечивающую оптимальное соотношение добытого угля к времени наработки на отказ двигателя комбайна, а также контролю качества работы комбайнера.
Осуществляя автоматический контроль и сбор информации о токовой нагрузке электродвигателя, представляется возможным выбрать наиболее подходящую для данных условий работы защитную характеристику и позволяет обеспечить оптимальный режим работы электродвигателя, определить качество работы обслуживающего персонала и иметь достаточную информацию для определения причин отказов в работе.
Таким образом, горный диспетчер имеет возможность одновременно контролировать несколько объектов (комбайнов) и воздействовать на них.
Разработка информационного обеспечения
Входной информацией для системы телеконтроля является величина тока электродвигателя. При протекании тока через датчики тока типа ДТ сигнал, пропорциональный величине протекающего тока, поступает на вход микроконтроллера (МК), который, как уже сказано выше, обрабатывает его, вычисляет токовременную характеристику нагрузки электродвигателя по заданному алгоритму, преобразует в пачки импульсов и передает их по выделенной паре линии связи на вход блока согласования с ЭВМ. Одновременно с этим МК контролирует токовременную характеристику и величину протекающего тока и при недопустимом их отклонении выдает сигнал на срабатывание исполнительного реле К, которое своим контактом отключает коммутационный аппарат, блокирует его включение на время до 2-х минут и выдает сигнализацию о срабатывании защиты от перегрузки на коммутационном аппарате.
Поступившие на вход блока согласования с ЭВМ сигналы преобразуются и поступают на вход СОМ-порта компьютера, где после обработки соответствующим программным обеспечением они визуально отображаются в реальном времени на мониторе и записываются на жесткий диск.
Установив программное обеспечение TeleControl (см. раздел «Программное обеспечение») и выбрав программу Data можно получить выходную информацию системы: график тока электродвигателя (отображается уровень действующего значения тока, потребляемого двигателем), график состояния перегрузки системы (сведения о превышении током двигателя номинального значения, т. е. о входе двигателя в перегруженное состояние, при котором происходит повышенное потребление тока и нагрев обмоток двигателя) и график срабатывания защиты (показывает состояние защиты от перегрузки.), а также индикацию о следующих информативных сведениях:
- номере текущего контролируемого объекта;
- уровене тока, потребляемого двигателем текущего объекта;
- превышении током двигателя номинального значения;
- ошибке в системе;
- срабатывании защиты от перегрузки с отключением от цепи питания двигателя соответствующего контролируемого объекта.
Разработка технического обеспечения
Максимальная длина линии связи 5000 м., активное сопротивление 200 Ом/км, емкость 0,15 мкФ.
Выходное напряжение источника сигнала (датчика тока): 0..+35 В (выпрямленного действующего).
Выходное сопротивление источника сигнала (датчика тока): максимум 5 кОм.
Технические характеристики применяемых датчиков тока: датчик тока типа РКУ-П 05.100. Номинальное напряжение электрической сети, в которой могут быть установлены датчики тока типа РКУ-П 05.100 составляет 1140В.
Выходной делитель датчика тока должен быть рассчитан таким образом, чтобы выполнялись вышеуказанные требования.
Для использования в системе автоматического управления был выбран микроконтроллер типа PIC16F76. Напряжение питания микроконтроллера равно 5В. Аналогово-цифровой преобразователь и кварцевый генератор рассчитанный на частоту 1 мГц обвязывают микроконтроллер. Сам микроконтроллер выполнен в 28-ногом DIP – корпусе. Расстояние между рядами ножек 15 мм., а между самими ножками 2.54мм. ножка 1 – есть ножка питания. Ножка 19 соединяется с общим проводом. Все остальные ножки есть рабочими. На них находятся линии портов Р0 – Р26 Ножка 1 одновременно является ножкой сброса. Единичный уровень на этом входе в течении нескольких десятков периодов тактового генератора приводит к сбросу в начальное состояние регистров микроконтроллера и к началу исполнения программы с нулевого адреса. Сброс обязателен при подаче напряжения питания на микроконтроллер.
Сам микроконтроллер обвязан элементами обеспечивающими его устойчивую и стабильную работу. Со стороны входных сигналов с блока канала скорости стоят преобразователи “напряжение - частота”, диод - транзисторные оптопары, элементы предназначены для согласования сигналов и гальванической развязки.
Рекомендации по эксплуатации
Система надежно работает при напряжении сети от 90 до 110 % от номинального;
- электрическая схема обеспечивает искробезопасность цепей передачи технологической информации;
- номинальные значения климатических факторов – температура окружающей среды – от минус 10 до плюс 35 градусов Цельсия;
- верхнее значение относительной влажности воздуха (92+-2)% и температуре (35+-2)градуса Цельсия;
- вид обслуживания – периодические осмотры;
- время безотказной работы системы при соблюдении всех правил эксплуатации не менее 7000 часов.
ВЫВОДЫ
В результате выполнения работы была создана система для заказчиков шахты, предназначенная для контроля рабочих параметров и защиты от перегрузок электродвигателей, передачи данных по искробезопасным цепям выделенной линии связи диспетчеру на компьютер, регистрации и хранения данных с последующим просмотром и анализом.
Для созданной системы разработаны: структурная схема, информационное, математическое, программное, техническое обеспечения, а также рекомендации по эксплуатации информационной системы.
Разработанная система автоматического телеконтроля и сбора технологической информации выполняет выдвинутые к ней требования и может быть внедрена в производство.
