Апаратний комплекс діагностування технічного стану безредукторної шахтної підйомної установки з синхронним електроприводом

Автори: Хоменко В.М., асп., Борисенко В.П., к.т.н., проф., Мельник А.А., асп.
Донецкий национальный технический университет

Джерело: Григорьєв С.В. НВФ «Мікропроцесори, діагностика, електропривод»

        Вступ.

        Кожна електромеханічна система (ЕМС) володіє унікальним набором діагностичних характеристик: число діагностичних величин, критерії переходу системи з одного технічного стану в інший. Зі збільшенням складності системи гостріше стає питання доцільного вибору показників, які приймаються в увагу при постановці діагнозу. На практиці це визначає склад апаратної частини діагностичного комплексу. Наведені в даній статі результати стосуються шахтної підйомної установки (ШПУ), яка є складною електромеханічною системою і включає в себе: електромеханічний перетворювач - синхронний двигун; джерела живлення - перетворювач частоти для живлення статорної обмотки та збуджувач; підйомну машину, елементами якої є: барабан, вантажний скіп та противага, головні канати та канати врівноваження.

        Вивчення роботи та показників надійності шахтних підйомних установок [1-3, ін.], дало можливість встановити характер виявлення основних несправностей, які можуть мати місце [4].

        Ця робота виконується у відповідності до державних тем Д-17-06, Н-11-04 “Розробка теорії та методів раннього діагностування технічного стану електромеханічних систем” та Н-3-10 "Розробка активних методів гасіння коливань у важконавантажених електромеханічних системах промислових установок".

        Аналіз попередніх досліджень. Окремим задачам діагностування елементів електромеханічних систем присвячено багато вітчизняних робіт [5-8] і робіт авторів ближнього та дальнього зарубіжжя [9-12]. Однак, отримання достовірної оцінки технічного стану електромеханічної системи в цілому вимагає прийняття до уваги взаємовпливу між складовими елементами системи [3]. Так, частотний підхід [10] потребує даних про власні частоти коливань механізму, які для випадку безредукторної ШПУ із приводним двигуном, що має велику кількість пар полюсів, можуть бути близькими до гармонічних складових електромагнітного моменту приводного двигуна в низькочастотній області. Для діагностування ШПУ важливо приймати до уваги поточне положення скіпа в шахті, його завантаження, миттєву швидкість обертання барабану. Актуальність статті полягає в тому, що лише прийняття до уваги всіх цих факторів дозволить розробити діагностичний комплекс, здатний своєчасно та з високою вірогідністю виконати оцінку технічного стану системи в цілому та вказати на погіршення стану окремих її вузлів.

        Мета роботи.Розробка та створення діагностичного комплексу, вибір величин на базі яких проводиться оцінка технічного стану електромеханічної системи та засобів їх вимірювання.

        Матеріал і результати дослідження. На поведінку ЕМС ШПУ в перехідних режимах суттєво впливають пружні властивості передавальних елементів механічної системи – канатів, приводного валу, опор.

        Діагностування розвитку коливань, що пов'язані з пружними властивостями механічних ланок системи, виконується на базі розробленої швидкодіючої універсальної моделі багатомасової ЕМС в формі простору станів:

,

        де x= [x1....xn] є вектором змінних стану, тобто «внутрішніх» величин системи; вектор «входів» u=[M1 Fm1 Fm2] включає в себе рушійний момент приводного двигуна М1, та механічні навантаження Fm1, Fm2; вектор виходів y=[w1 M12 w2... Fn-1,n Vn] складається з величин кутових та лінійних швидкостей, пружних моментів та сил, що діють в ланках електромеханічної системи.

        Рисунок 1 – Кінематична схема механічної частини ШПУ

        Для цього випадку, із врахуванням запропонованого порядку слідування змінних в (1), рівняння стану, що описують систему, можуть мати вигляд (2), нижче. Щоб відобразити принцип формування та показати загальний вигляд моделі, ми наводимо лише матрицю А, інші (матриці B, C, D) можуть бути отримані за методикою, описаною детально в [3]. Для формування матриць складено спеціальний алгоритм, що виконує їх заповнення відповідно до заданої кінематичної схеми механізму.

,

        Вважаючи на той факт, що коливні процеси, які мають місце в канаті, мають розподілений за його довжиною характер, то апроксимація розподілених мас канату [2] виконується автоматичним підбором кількості апроксимуючих мас поєднаних між собою пружними елементами, як це показано на рис. 2. Тут n – число розрахункових мас системи. Це число може приймати значення від двох, коли канат розглядається як зосереджена маса, до величини, що забезпечую достатню якість апроксимації поведінки системи. Критерій оптимальності – середньоквадратичний. Умовою обмеження є максимальний порядок апроксимуючої матриці АК, що розраховується виходячи із допустимої затримки в обробці даних.

        Апроксимуюча під-матриця АК розподіленої за довжиною масою канату отримана з наступної схеми:

        Рисунок 2 – Апроксимація розподіленої маси канату

        Таким чином, маємо:

,

        Запропоновані матричні моделі дозволяють проводити ідентифікацію параметрів ШПУ та отримувати результати в режимі реального часу. Далі, виділення діагностичних показників, величини відповідні яким виміряти складно, виконується за допомогою спостерігача стану побудованого на базі цієї моделі. Так, отримують оцінки пружних моментів в окремих передатних кінематичних елементах системи та сили, розподілені вздовж канату.

        Крім цього, контролюються також показники якості перетворення електричної енергії, що віддзеркалюють стан джерела живлення приводного двигуна – для цього забезпечено вимірювання фазних струмів та напруг. Передбачена можливість їх обробки з використанням алгоритму швидкого перетворення Фур’є FFT, та STFT; проводиться аналіз для частотних зон, що відповідають пошкодженням силової частини перетворювача. Використання запрограмованої в розрахунковий модуль динамічної моделі синхронного двигуна позволяє швидко виявити випадання або не входження його в синхронізм, відслідкувати розвиток ексцентриситету валу, попередити про можливу появу пошкоджень статорних обмоток. Ведеться поточний контроль температури підшипників, що разом із вібро-акустичним аналізом дозволяє на ранніх стадіях виявити їх перевантаження або знос.

        Рисунок 3 – Концепція діагностичного комплексу, що взаємодіє із оператором та відстежує зміни в режимах роботи ШПУ

        Нами, на основі проведених досліджень та вивчення асортименту контрольно-вимірювального обладнання, що виробляється вітчизняними та закордонними підприємствами, і технологічний рівень якого відповідає поставленим в задачі вимогам, спроектовано вимірювально-діагностичний комплекс. Перелік елементів його апаратної частини наводиться нижче, в табл. 1 та табл. 2.

        Таблиця 1 – Давачі апаратної частини діагностичного комплексу

Вид давача Опис
Кількість Марка, застосування
Струму, безконтактний на ефекті Хола 4 LEM AHR-B10. Здатний вимірювати постійну та змінну складові струму з величиною ефективного значення в діапазоні 500-2000 А. Смуга частот до 600 Гц
Температури,резистивний платиновий RTD 100 Ω 4 Chauvin Arnoux P07604125. Призначений для вимірювання температури поверхні — контроль температури опор обертання. Робочий діапазон від -70 до +200 ºС
Вібро-прискорення: три проекції вектора. Вихід стандарту IEPE 4 Monitran MTN/1310 з підсилювачами заряду MTN/CA003s. Діапазон частот 1 Гц — 30 кГц
Вібро-прискорення: три проекції вектора. Вихід стандарту IEPE 2 Endevco 87-1/-10 з підсилювачами заряду Endevco 2771C. Діапазон частот 0.04 Гц — 800 Гц

        Вимірювання вібраційних показників повинно проводитись як із використанням акселерометрів (високочастотні складові), так і за допомогою давачів віброшвидкості. Перші застосовуються для оцінки стану підшипників – оцінка спектральної потужності в області частот, кратній кількості тіл обертання підшипнику, діаметрам наружнього та зовнішнього кілець сепаратору; аналіз статистичних показників сигналу віброприскорення в цій області [8]. Інформація про віброшвидкість є необхідною для виявлення суб-гармонічних складових: ексцентриситет, не співвісність валів, моди коливань силових канатів.

        Для вимірювання температури частин електричних машин в наш час широке застосування знаходять терморезистори типу RTD 100. Особливість конструкції окремих моделей дозволяє їх монтувати на підшипникові вузли, а чотирипровідна схема підключення та розташування попереднього підсилювача сигналів якомога ближче до об’єкту вимірювань дозволяють значно зменшити небажані шумові складові та забезпечити високу точність результатів.

        Таблиця 2 – Система обробки інформації діагностичного комплексу

Модуль системи
Опис застосування
Материнський контролер NI PXI-8106. Процесор Core 2 Duo 2.16 Ghz. 1,5 Гб оперативної пам'яті. Дозволяє виконати обробку діагностичної інформації з мінімальною затримкою вихідних даних та врахуванням дій оператору ШПУ
Дискретні входи/виходи NI PXI-6508. Плата забезпечує підключення до схем релейної автоматики та дискретних входів/виходів інших контролерів
Послідовний інтерфейс NI PXI-8433/2. Застосовується для обміну даними з деякими переносними пристроями збору даних та ПК
Аналогові виходи NI PXI-6711. Для виведення аналогових сигналів на аналогові індикаційні пристрої
Аналогові входи NI PXI-4224. Введення інформації з давачів, що мають аналоговий інтерфейс: давач струму з підсиленням виходом напруги, давач напруги, давачі відстані, ін.
Входи IEPE NI PXI-4496. Забезпечує можливість підключення давачів вібрації : віброприскорення чи віброшвидкості
Входи моста NI PXI-4220. Підключення мостових давачів — тиску, пружного моменту, для виміру механічних навантажень.
Лічильник/таймер NI PXI-6624. Забезпечує можливість підключення енкодерів та синхронізацію за часом
Шасі NI PXI-1042. Дозволяє встановити вісім плат розширення формату PXI

        Особливістю платформи NI PXI є її висока швидкодія, мультизадачність та можливість її застосування в промислових умовах.

        Система може бути підключена до консольного комп'ютеру, на якому встановлене програмне забезпечення віртуальних приладів NI LabView. Це підвищує наочність відображення необхідної інформації про функціонування системи, надає можливість автоматизувати реєстрацію всіх сигналів в аварійних ситуаціях. З іншого боку, застосування віртуальних приладів дозволяє адаптувати найкращим способом відображення діагностичної інформації для окремо взятого оператора, вважаючи на особливості його уваги. Під час роботи установки необхідно буде періодично проводити корекцію критеріїв діагностування, що також можливо виконати за допомогою консольного комп’ютера.

        В разі підключення терміналу відбувається автоматичний контроль працездатності контролеру NI PXI. При виникненні збою в роботі на екрані термінала зображуються відповідне повідомлення.

        Також, передбачена можливість зв'язку із системою комп'ютерного аналізу та діагностики підприємства (SCADA) для передачі результатів оцінки технічного стану ШПУ та централізованого нагляду за процесом видобування.

        Після завершення пуско-налагоджувальних робіт та перед введенням комплексу в експлуатацію, система працює в режимі ідентифікації параметрів моделей діагностування. Отримані величини — параметри моделей — відповідають нормальному режиму роботи системи.

        Орієнтована вартість апаратної частини складає 50 тис. євро. Окремі вузли системи частково дублюють наявні в комплектації ШПУ давачі та засоби локального контролю, але запропонований комплекс забезпечує більш детальний аналіз, направлений на виявлення дефектів із урахуванням взаємодії між механічною та електричною складовими електромеханічної системи.

        Висновки. Проведені дослідження показали необхідність в розробці спеціалізованого обладнання, здатного забезпечити поточний контроль та оцінку технічного стану безредукторної ШПУ з приводним синхронним двигуном. Таке обладнання повинно бути здатним виявляти як швидкі зміни, викликані майже раптовим погіршенням стану елементів електромеханічної системи, які можна своєчасно виявити лише за результатами аналізу динаміки перехідних процесів в системі, так і довготривалі – старіння, знос.

        Отримані результати будуть цікаві спеціалістам, які займаються діагностикою гірничих електромеханічних систем та розробкою засобів діагностування.

        Наведені в статі дані доводять високий технічний рівень апаратного комплексу. В перспективі планується введення діагностичного комплексу в експлуатацію на одній із шахт Криворізького басейну.

Литература

  1. Неисправности шахтных подъемных установок / В.Р. Бежок, Р.Я. Грузутин, В.Г. Калинин, Б.Н. Чайка. - М.: Недра, 1980. - 438с.
  2. Довгань С.М., Самойленко А.А. Динамічні моделі та закони керування електроприводом шахтного підйому / Національний гірничий ун-т. — Д.: НГУ, 2006. — 183с. — Бібліогр.: с. 177-181.
  3. Электромеханические системы транспортирующих механизмов / [В.Ф. Борисенко, А.А. Чепак, В.А. Сидоров и др.] ; под общ. ред. В.Ф. Борисенко. – Донецк: "Вебер" (Донецкое отделение), 2007. – 332с.– ISBN 978-966-335-089-9
  4. Борисенко В.П., Хоменко В.М. Діагностування шахтної підйомної установки з синхронним приводом // Науково-прикладний журнал «Технічна електродинаміка». Тематичний випуск: Проблеми сучасної електротехніки. Частина 3. – Київ, Інститут електродинаміки НАН України. – 132с., С. 71-74
  5. Бочаров М.К., Дубинский А.А., Кац А.Б. Программно-аппаратный комплекс управления и защиты шахтных подъемных машин // Взрывозащищенное электрооборудование; сб. науч. тр. УкрНИИВЭ ; под общ. ред. академика НАН Украины Г.Г. Пивняка. – Донецк: ООО «Юго-Восток, Лтд», 2007. – С. 326- 330
  6. Башков Е.А., Вареник Е.А., Дубинский А.А., Маренич К.Н., Кац А.Б. К построению систем управления процессами и мониторинга состояния оборудования угольных шахт // Взрывозащищенное электрооборудование; сб. науч. тр. УкрНИИВЭ ; под общ. ред. академика НАН Украины Г.Г. Пивняка. – Донецк: ООО «Юго-Восток, Лтд», 2007. – С. 305-314
  7. Черный А.П. Теория и практика мониторинга параметров электрических двигателей электромеханических систем : дис. д-ра техн. наук: 05.09.03 / А.П. Черный ; Национальный горный ун-т. — Д., 2004. — 393с. — Библиогр.: с. 327-353.
  8. Марченко Б.Г., Мыслович М.В. Вибродиагностика подшипни¬ковых узлов электрических машин. – Киев: Наукова думка, 1992. – 195 с.
  9. Sottile, J., Jr., Holloway, L.E. An overview of fault monitoring and diagnosis in mining equipment // Industry Applications, IEEE Transactions. - Volume 30. - Issue:5 - Dept. of Min. Eng., Kentucky Univ., Lexington, KY. – 1994. – P. 1326-1332. – ISSN: 0093-9994
  10. Safizadeh M.S., Lakis A.A., Thomas, M. Using Short-Time Fourier Transforms in machinery fault diagnosis // COMADEM, International Journal. – Vol. 3. – no. 1. – 2000. – P. 5-16.
  11. Shi-xiong X., Qiang N., Yong Z., Lei Z., Mine-hoist fault-condition detection based on the wavelet packet transform and kernel PCA // Journal of China University of Mining and Technology. - Volume 18. - Issue 4. – 2008. – P. 567-570
  12. Mazurkiewicz D., Galiński М. Method of measurement and analysis of the extent of wear of rope wheel bearings in Bogdanka coal mine // Journal of Mining Science. - Springer New York. – Volume 43. - Number 2. – 2007. – ISSN 1573-8736
  13. Радчик И., Рябков В., Сушко А. Технический альманах "Оборудование". – №1. – 2006.

у початок: Портал магістрів