Источник: Інформатика та комп'ютерні технології - 2009 / Матеріали науково-технічної конференції молодих учених та студентів.
Наша жизнь меняется и вместе с тем меняется и наш быт. Научный про-гресс не стоит на месте, и мы все больше и больше внедряем его плоды в на-шу повседневную жизнь. В современной квартире микропроцессорных уст-ройств, в составе бытовой электронике, зачастую больше чем ламп накалива-ния. Эти системы упрощают работу с прибором, и повышает надежность. А цена на такие решения постоянно падает, что позволяет оснащать даже де-шевую технику устройствами такого рода.
В промышленности микроконтроллерные системы (МС) просто не заме-нимы. Они повышают скорость производства, надежность, точность, позво-ляют сократить рабочий персонал и тем самым повысить прибыльность. Та-ким образом, так же можно исключить человеческий фактор на тех участках производства, где ошибки крайне критичны. В западной Европе, к примеру, существуют пивоваренные заводы с персоналом всего в 8 человек. МС по-зволяют решать огромный спектр задач предприятия, таких как: контроль ра-боты, организация рабочего процесса, диспетчеризация, сбор и мониторинг данных и др. Почти в любой задаче, возникающей на предприятии, можно найти решение автоматизации, которое упростит и ускорит процесс при этом, понижая поточные расходы предприятия, где ключевым звеном систе-мы являются МС.
Организация работы производства, в котором основные средства рассре-доточены по большой площади, и находятся в постоянном движении, зачас-тую сопровождается кучей проблем с контролем и диспетчеризацией этих средств. Так, к примеру, муниципальный транспорт города находится в по-стоянном движении, и тут возникают проблемы с контролем его движения. Диспетчер не может знать достоверно, где на самом деле находится транс-портное средство и для каких нужд оно используется, какая загруженность и отдача работы у него. Техническое состояние транспортного средства можно проверить только при снятии его с маршрута. А для анализа распределения сил по маршрутам приходится выполнять множество манипуляций вручную. Примерно с такими же проблемами сталкиваются владельцы частных таксо-парков.
Огромный комплекс проблем можно решить, проведя автоматизацию производства. И тем самым можно повысить эффективность, снизить расхо-ды и получить новые возможности контроля и диспетчеризации.
Данная проблема стоит особенно остро в предприятиях горнодобываю-щего комплекса. Тут все производство рассредоточено по площади карьера, что усложняет контроль над транспортными единицами. От качества органи-зации труда на таких предприятиях зависит не только доход, но человеческие жизни. А хорошо организованная деятельность поднимает множество ключе-вых показателей предприятия и повышает производительность.
Исследуемой отраслью выбран горнодобывающий комплекс.
Необходимо разработать проект автоматизации диспетчеризации транс-портного и погружающего оборудования горно-обогатительного комбината (ГОК), и осуществить контроль процессов добычи в режиме реального вре-мени.
Реализовать следующие задачи:
• Взвешивание перевозимого груза и управление индикаторами загрузки автосамосвалаСуществует множество реализованных решений похожих задач. Прин-цип решения у вех вариантов в большинстве случаев одинаков. На рабочие единицы устанавливаются системы на основе микроконтроллеров, которые получают данные с модуля GPS (Global Positioning System), а так же собира-ют данные с датчиков, установленных на рабочей единице. Собранная ин-формация обрабатывается, записывается в собственную память и передается пакетами, через радиомодем в диспетчерский центр. В диспетчерской полу-ченная информация обрабатывается и записывается в базы данных. Эти ре-шения имеют различное программное обеспечение, которое на основе полу-ченных данных предоставляют информацию диспетчеру и позволяют осуще-ствлять контроль.
Присутствуют и решения общего назначения, построенные например, по технологии FPGA, но из-за своей универсальности они теряют множество уз-конаправленных функций и способностей. Но, выпуская такие решения мас-штабно, производители предлагают свою продукцию за меньшую цену.
Оптимизация грузопотоков в карьере позволяется добиться:
• Усреднения качества рудыОбщая схема СДГО приведена на рис. 1. Микроконтроллер, установ-ленный на транспортной единице (ТЕ), получает данные о текущем положе-нии ТЕ от модуля GPS (Global Positioning System), а так же собирает инфор-мацию о текущем состоянии узлов ТЕ со встроенных датчиков. После чего, вся собранная информация отправляется через УКВ передатчик в вычисли-тельный центр. Вычислительный центр обрабатывает полученную информа-цию и записывает ее в БД.
Программное обеспечение СДГО формирует, на основе БД, объектив-ную картину производственного процесса в реальном времени, отображает положение и состояние всех ТЕ на цифровой модели карьера и формирует необходимые отчеты.
Общее для всех систем:
• Использование микроконтроллеров типа SAB 80C167, 80C164 фирмы SIEMENS.Функциональность бортовых систем:
• Взвешивание перевозимого груза с точностью до 5% и управление ин-дикаторами загрузки автосамосвалаБортовые системы могут работать в следующих режимах:
o Автономный режим с сохранением информации в памяти контроллера о рейсах, весе перевезенного груза, расходе топлива, пробеге, скорости, местоположении, а также нарушениях нормального функционирования самосвала, его узлов и агрегатов;Что позволяет производить отладку и перенастройку оборудования и из-бежать потери данных при потере радиосвязи или вообще перейти на режим работ, когда данные собираются раз в установленный период времени, путем перенесения их на сервер на носителе информации.
Бортовая система, установленная на каждой рабочей единице состоит из:
1. Бортовой контроллер с модулем GPSДля бортовой системы использовано следующее оборудование:
Контроллер с GPS-антенной
Был использован контролер СКЗ-02, внешний вид которого приведен на рис. 2.
Семейство программируемых бортовых контроллеров СКЗ-02 предна-значено для установки на подвижные объекты и представляет собой про-граммируемый промышленный контроллер, содержащий в себе кроме вы-числительного микропроцессора, набор дискретных и аналоговых вхо-дов/выходов, счетчиков событий, а также радионавигационный блок с GPS-приемником и выходом на мобильную радиостанцию.
Контроллер СКЗ-02 предназначен для выполнения следующих функций:
o определения состояния транспортного средства (например, работает/не работает, контроль загрузки (для автосамосвалов), расхода топлива, пройденного пути, скорости движения и др.);Подключение СКЗ-02 с помощью радиоканала к центральной диспетчер-ской системе позволяет:
• обеспечить сбор, накопление, хранение и архивацию данных о местопо-ложении и состоянии транспортных средств;СКЗ-02 имеет следующие основные характеристики:
Количество частотных входов, шт. ………………………………….. 2
Количество дискретных входов, шт. …………………………………. 8
Количество дискретных выходов, шт. ………………………………. 8
Количество аналоговых входов, шт. …………………………………. 8
СКЗ-02 спроектировано таким образом, чтобы обеспечить его работо-способность при воздействии следующих факторов окружающей среды:
• температуры от –400 до +650С;Для построения бортовых информационных сетей используется интер-фейс CAN, а для связи с внешней средой (принтерами, компьютерами, ра-диостанциями и др.) - RS-232.
Программирование контроллеров осуществляется на языке Си. Отла-женные прикладные программы «зашиваются» в энергонезависимой памяти FLASH.
Структурная схема бортового контроллера СКЗ-02 приведена на рис. 3.
Датчики давления
Внешний вид датчика давления приведен на рис. 4.
Основные технические характеристики:
• Выходной ток 4-20 мАБыл использован датчик уровня топлива УТ-90, внешний вид которого приведен на рис. 5.
Электронный датчик уровня топлива УТ-90 предназначен для высоко-точного измерения уровня дизельного топлива в топливном баке автомобиля. Степень защиты по ГОСТ 14254-96 для датчика IР54. Вид климатического исполнения У1 по ГОСТ 15150-69. Датчик может также применяться для из-мерения уровня жидкости в резервуарах высотами от 0 .. 0.2 м до 0 .. 3м.
Основные технические характеристики:
Питание датчика от бортовой сети. . . . . . 24±6 В.Датчик должен сохраняет работоспособность при изменении температу-ры окружающей среды от минус 40 до плюс 85С.
Был использован датчик загрузки ДЗ-20, внешний вид которого приве-ден на рис. 6.
Датчики загрузки ДЗ-20 предназначены для измерения вертикальной со-ставляющей усилия, возникающего при воздействии приложенной нагрузки. Наличие блока обработки позволяет производить преобразование выходного сигнала в вес поднимаемого груза или в грузовой момент, и в реальном вре-мени отображать и записывать показания с последующим, при необходимо-сти, переносом данных на персональный компьютер для анализа. Встраива-ние датчика производится в любой штатный палец или ось подвеса.
Преимущества при сравнении с используемыми устройствами: высокая точность показаний, высокая виброустойчивость и надежность, постоянство сигнала при изменении температуры, линейная характеристика, отсутствие изнашиваемых деталей, легкий монтаж и демонтаж, простота привязки к су-ществующим изделиям, высокая помехозащищенность за счет цифровой пе-редачи данных, отсутствие необходимости в изменении конструктивных ре-шений
Технические характеристики:
Измеряемая нагрузка, кг . . . . . . . . 500 - 20000Были использованы бесконтактные датчики электрического тока ДТПХ, предназначенные для измерения величины постоянного, переменного или импульсного электрического тока, осциллографирования токовых сигналов, обеспечения гальванической развязки силовых электрических цепей от изме-рительных. Принцип действия основан на измерении с помощью преобразо-вателя Холла величины и направления магнитного поля, создаваемого кон-тролируемым электрическим током в зазоре ферромагнитных концентрато-ров.
В зависимости от величины измеряемого электрического тока использу-ются четыре конструктивных исполнения. Датчики тока предназначены для контроля параметров электрооборудования автотракторной техники и др.
Были использованы бесконтактные выключатели БКВ, которые предна-значены для определения положения подвижных частей механизмов с точно-стью до 0,05 мм в зазорах от 1,0 до 5,0 мм. В зависимости от размеров и фор-мы магнитной системы БКВ фиксируют положение при радиальных или тан-генциальных формах перемещений. БКВ предназначены для использования в системах электротехники автотракторной техники и др. Принцип действия датчиков основан на измерении с помощью магниточувствительных инте-гральных микросхем индукции магнитного поля в зазоре между концентра-тором, размещенным в торце БКВ, и подвижной магнитной системой, раз-мещенной на контролируемом подвижном объекте. При превышении индук-ции в зазоре происходит срабатывание компаратора, с последующим пере-ключением мощного транзистора выходного каскада в открытое состояние.
Основные технические характеристики:
Ток выхода . . . . . . . . . . . . . . . . . . мА250Был использован датчик угла поворота ДУПХ-1. Он предназначен для преобразования угла поворота вала в аналоговый электрический сигнал.
Преобразование угла поворота вала в электрический сигнал производит-ся бесконтактным способом за счет изменения индукции магнитного поля в области расположения чувствительного элемента при повороте вала. Сигнал с преобразователя подается на усилитель, собранный на печатной плате, на основе измерительных операционных усилителей.
Датчик предназначен для автотракторных систем управления и контроля и др. В отличие от существующих аналогов (потенциометрических, индук-ционных), датчик имеет меньшие габариты, на порядок более высокую на-дежность, простоту конструкции, современную элементную базу.
Основные технические характеристики:
Габариты, мм . . . . . . . . . . . . . . 45х60Передача данных между рабочей единицей и диспетчерским пунктом осуществляется по радиосвязи на УКВ частотах. Информация пакуется в па-кеты и передается как СМС короткими сообщениями. На рабочей единице установлен радиомодем и антенна. Модем кодирует-декодирует информацию и выполняет преобразования в вид аналоговых волн.
Вышка с радиоантенной расположенная при диспетчерском пункте при-нимает сигнал и передает его на модем, аналог предыдущего. Принятые дан-ные передаются в коммуникационный компьютер. Ту да же поступает ин-формация с GPS приемника диф. поправок, позволяющие значительно уве-личить точность позиционирования рабочих единиц и снизить погрешность до 3-5 метров.
Аппаратно система оснащения диспетчерского центра состоит из сле-дующих компонентов:
• Базовый контроллерСтруктура прикладного программного обеспечения диспетчерского цен-тра приведена на рис. 8.
Информационная система предприятия состоит из двух основных про-граммных продуктов:
• Pit ExplorerФункции этих продуктов пересекаются и каждый из них по отдельности может выступать отдельным продуктом, но наибольшей эффективности можно добиться, применяя оба продукта в одной системе. Так как задачам различных работников предприятия один продукт соответствует более чем другой.
Схема информационной системы предприятия приведена на рис. 9.
Функции программного обеспечения Pit Explorer
• Работа с базой данных системыНа рис. 10 приведены иллюстрации работы системы Pit Explorer.
Pit Explorer позволяет отчеты и рапорты о деятельности предприятия. Таким образом, пользователю предоставляется подробная информация о со-стоянии объекта. Ниже приведены поля сменного рапорта.
Поля сменного рапорта:
Информация о рейсах, которая отображается в режиме реального време-ни, иллюстрирует следующую информацию:
• Номер самосвалаОсновные функции системы XRTL Explorer:
• работа с информацией в базе данных о самосвалах, водителях, экскава-торах, пунктах разгрузки, точечных объектах, видах грузов, и т. д.Пример работы с базой данных XRTL Explorer изображен на рис. 11.
Интерфейс системы XRTL Explorer хорошо отработан и позволяет удоб-но и легко контролировать работу предприятия (рис. 12).
Программное обеспечение так же выполняет автоматическую оптимиза-цию работы техники в карьере, определяя оптимальное распределение само-свалов по маршрутам, экскаваторам и пунктам разгрузки.
Система в реальном времени выполняет расчет путей оптимизации рабо-ты, выполняя:
• Определение требуемой производительности экскаваторов.Алгоритмы запускаются после каждой разгрузки каждого самосвала.
Варианты модернизации системы:
1. Добавить возможность послания не предусмотренных ранее, произ-вольных, текстовых сообщений оператору транспортной единицы.Вариант добавления функции посылки сообщений добавит удобства ис-пользования системы, но экономического выигрыша не несет. В то время как второй вариант, с добавлением мониторинга экскаватора, принесет экономи-ческую выгоду, позволит повысить производительность рабочих единиц и сократить расход горюче-смазочных материалов.
Таким образом, для модернизации выбран второй вариант. Следует до-бавить возможность контроля и мониторинга работы экскаваторов предпри-ятия.
Для модернизации систем экскаватора использован модуль EEPROM, описание и технические данные о котором находятся в приложении А. Мо-дуль устанавливается на все экскаваторы и позволяет контролировать работу агрегата, записывая полученные данные на собственную память. Минусом является то, что данные можно скопировать на сервер системы только путем прямого подключения. Для завершения разработки, необходимо реализовать передачу информации с модуля по радиоканалу на сервер в режиме реально-го времени.
Итак, на сегодняшний день существует множество возможностей авто-матизации и модернизации предприятий различных направлений деятельно-сти. В рассмотренном выше примере, автоматизация диспетчеризации явля-ется важной, экономически выгодным решением. Проведение данной модер-низации позволяет получить совершенно новые, удобные возможности кон-троля и мониторинга работы в карьере. Данная оптимизация позволяет до-биться повышения ряда важных параметров работы горнодобывающего предприятия:
В результате анализа данной системы было решено модернизировать систему, путем добавления возможности контроля и мониторинга работы экскаваторов карьера. Эта модернизация позволяет повысить эффективность работы предприятия и сократить расходы.