Источник статьи

Автоматизированный электропривод бурильной установки УБШ-501АК

Авторы: Сечин С.И., Мищенко А.В., Алексеев А.Г., к.т.н., доц.; Белицкий А.Г.

Аннотация:

В статье рассмотрено устройство комплектное для управления электроприводами (УКУП) бурильной установки УБШ501-АК (Зав.№2), предназначенной для обуривания гипсовых забоев. Описываются структурная схема УКУП, алгоритм его функционирования, рассмотрены пути решения возникших задач, затронуты особенности конструктивного исполнения.

Введение

Все большее число руководителей предприятий осознают необходимость технического перевооружения существующего технологического оборудования. Такое перевооружение позволяет поднять производительность труда, обеспечить снижение себестоимости продукции, снизить простои оборудования, упростить его управление, повысить культуру производства. При этом заметный эффект наблюдается не только для крупных производств, но и для отдельных небольших объектов. Увеличение объемов добычи гипсового камня, используемого при производстве гипсокартонных панелей и цемента, потребовало от добывающей организации дополнительной закупки бурильной установки типа УБШ, используемой при разработке гипсовых месторождений. Заказ был размещен на ОАО «Криворожгормаш». Заказчик потребовал изготовить установку на существующей базе с максимальными возможностями по автоматизации процесса бурения. Электрооборудование и средства автоматизации для бурильной установки УБШ501-АК выполнял ЗАО «Плутон» по договору с ОАО «Криворожгормаш».

Общее описание объекта автоматизации

Бурильная установка является передвижной, на резиновом ходу, и состоит из тягача и полуприцепа, соединенных шарниром (рис.1). На тягаче располагаются шкаф с силовым электрооборудованием, дизельный двигатель, экструдер, маслобак, электроприводы маслостанций, рабочее место водителя и аккумулятор. К полуприцепу крепятся пульт операторов, гидробаки и манипуляторы с закрепленными на них электродвигателями. Обуривание забоя производится шнековыми либо цилиндрическими штангами, которые закрепляются на оси электродвигателя. На другом конце штанги, собственно которым производится бурение, закрепляется режущая коронка из твердосплавного материала. В результате бурения получается отверстие (шпур) диаметром до 40 мм и глубиной до 4,5 м.

На объекте установлено следующее контрольно-измерительное оборудование:

Опыт эксплуатации предыдущей модели бурильной установки позволил сформулировать ее недостатки, ухудшающие производительность труда, эксплуатационные характеристики и надежность машины:
• нерегулируемый электропривод бурового става, что делало невозможным точно подобрать оптимальную частоту вращения коронки, а следовательно, не позволяло производить бурение шпуров с наибольшей производительностью;
• ручное управление силой давления коронки на поверхность бурения (усилием подачи);
• неудовлетворительная работа системы позиционирования бурового става;
• полное отсутствие автоматики, что требовало постоянного напряженного внимания оператора, сказывалось на его усталости и повышенной вероятности возникновения аварийных ситуаций;
• необходимость работы за пультом сразу двоих операторов. Для непрерывной работы, учитывая ее напряженный темп, требовался третий подменный оператор;
• неудовлетворительная работа системы управления зарядом аккумулятора, особенно при его значительной разрядке и при условиях колебания напряжения сети в широких диапазонах;
• неудовлетворительная конструкция шкафов с электрооборудованием, приводившая к проникновению в них пыли и систематическому нарушению работоспособности установки;
• большие габаритные размеры пульта управления, что ухудшало возможность обзора при бурении вертикальных шпуров.

Устранение указанных недостатков и было основной целью автоматизации

Для этого потребовалось решать следующие задачи:
• сделать электроприводы бурильной установки частотно-регулируемыми, для возможности выбора оптимальной скорости бурения;
• обеспечить электронное управление усилием подачи - силой давления коронки на поверхность бурения;
• автоматизировать процесс бурения, путем оптимизации заданий на частоту вращения и на силу давления буровой коронки в зависимости от условий бурения;
• автоматизировать процесс заряда аккумуляторной батареи и обеспечить номинальные его режимы;
• ввести частичную автоматизацию в процесс позиционирования бурового става;
• устранить недостатки электрического оборудования и конструкции, выявленные на предыдущей модели.
• Конечным продуктом автоматизации явилось устройство комплектное для управления электроприводами бурильной установки (УКУП).

Аппаратные средства системы

При построении УКУП выбиралось электрооборудование и комплектующие ведущих зарубежных производителей. В разработке были применены:
• силовая коммутационная аппаратура АВВ (контакторы, автоматические выключатели)
• преобразователи частоты “transresch Antriebssysteme Berlin GmbH”;
• низковольтная коммутационная аппаратура RELPOL (реле);
• установочные изделия Weidmueller (разъемы, клеммники, маркировка);
• кабельно-проводниковая продукция Belden (соединительный кабель);
• светосигнальная и коммутационная аппаратура Schneider Electric (кнопки, сигнальные лампы, переключатели);
• несущие и конструктивы Rittal (монтажные панели, шкафы).

ЗАО «Плутон» имеет более чем 10-летний опыт применения этой продукции, который говорит о том, что ее применение позволяет добиться высоких технических характеристик и эксплуатационной надежности изделия.

Состав УКУП

После анализа поставленных задач, было принято решение, что УКУП конструктивно должно состоять из пульта управления ПУ, рисунок 2 (расположен и закреплен на полуприцепе на стойке манипуляторов) и шкафа управления ШУ, рисунок 3 (расположен и закреплен на крыле тягача), соединенных между собой электрокоммуникациями.

В состав УКУП были включены следующие функциональные системы:
• электропитания, защиты и коммутации силовой части;
• управления электроприводами;
• управления манипуляторами;
• управления домкратами и аутригерами;
• автоматического и ручного управления процессом бурения;
• заряда и контроля аккумуляторов;
• контроля и управления внешними элементами;
• системы электропитания собственных нужд УКУП.

Основные узлы, входящие в вышеперечисленные системы, и взаимосвязи между ними приведены на структурной схеме, рис.4.

Силовая схема обеспечивала автоматическую фазировку напряжения, необходимую для нормальной работу УКУП, работу электроприводов компрессора и закачки масла от питающей сети, а также работу электроприводов насосов и буровых головок от преобразователей частоты. Узлы управления манипуляторами предназначались для обеспечения управления гидравлическими цилиндрами стрелы, податчика, телескопа, вращателя, надвигателя и доворота. Узлы управления домкратами и аутригерами предназначались для обеспечения управления гидравлическими цилиндрами домкратов тягача, полуприцепа, козырька и аутригеров. Система управления процессом бурения включала в себя плату контроллера, а также группу органов управления и датчиков, связанных с ней. В эту группу входят задатчик усилия подачи в ручном режиме бурения (задатчик рабочего тока в автоматическом режиме бурения), кнопки управления направлением подачи, переключатель выбора глубины бурения, переключатель режима бурения, выключатель алгоритма противозаклинивания штанги и коронки в шпуре. Автоматическое зарядное устройство обеспечивает двухконтурное регулирование выходных параметров зарядного выпрямителя. Внешний контур предназначен для регулирования выходного напряжения на уровне 28 В, внутренний контур - для ограничения тока заряда аккумулятора на уровне 25 А. Обеспечивается также контроль минимального уровня напряжения на аккумуляторе с выдачей светового сигнала на пульт оператора.

Решение задач автоматизации

Задачи автоматизации решались программным и аппаратным путем. Выбор правильного чередования фаз силовой цепи, создание принципиально новой системы управления процессом заряда аккумуляторной батареи, а также устранение существующих недостатков – эти задачи были решены на основе оригинальных схемных и конструкторских решений. Все функции по автоматизации процесса бурения были возложены на плату контроллера (см.рис.4). При этом контроллером решались следующие основные задачи:

• управление катушками электромагнитов гидрораспределителей манипуляторов, и разгрузочным гидрораспределителем, в соответствии с управляющими воздействиями;
• управление процессом бурения;
• преобразование и масштабирование информационных сигналов для их отображения на стрелочных индикаторах.

Модернизирован процесс управления манипуляторами бурильной установки. На предыдущей модели операторы управляли гидрораспределителями путем ручного воздействия на клапаны гидрораспределителей. В разработанном УКУП для задания управляющих воздействий на пульте оператора были размещены 4 ручных манипулятора типа «джойстик». Сигналы от блок-контактов джойстиков поступали на плату контроллера, для дальнейшей обработки. Коммутация катушек электромагнитов гидрораспределителей осуществлялась реле, расположенными на плате контроллера, одновременно включалась в работу автоматическая система противораскачки, которая обеспечивала плавность старта и останова задействованных манипуляторов. Таким образом, управление гидроаппаратурой стало интуитивно более понятным, легким, а самое главное - значительно более точным. Продолжительность процесса позиционирования снизилась в несколько раз.

При бурении контроллер решает ряд задач по выбору режима бурения, управления направлением и усилием подачи, обработке сигналов от датчиков глубины бурения и датчиков тока. В общем случае, процесс бурения предусматривает следующее. Бурение производится до достижения заданной глубины шпура. После поступления сигнала от датчика глубины шпура производится реверс усилия подачи, штанга автоматически выдвигается из шпура в исходное положение, и об этом выдается соответствующий световой сигнал на пульт оператора. Если в течение некоторого времени после этого со стороны оператора не последует никаких действий, то происходит отключение электроприводов буровой головки и маслостанции.

Автоматизация процесса бурения предусматривала адекватную обработку двух основных режимов: режим нормального бурения и режим заклинивания штанги и коронки в шпуре. При нормальном бурении функции автоматики заключаются в обеспечении максимальной производительности при поддержании номинального режима работы оборудования. При второй ситуации значительное время уходит на расклинивание, при этом зачастую в шпуре остается режущая коронка. Когда операции по расклиниванию не приносят результатов, то в шпуре оставляется и сама штанга, а оператор продолжает работу с запасной штангой. Таким образом, ситуация заклинивания сопровождается как материальными затратами, так и ухудшением производительности труда операторов.

Процесс создания алгоритмов корректной обработки двух вышеуказанных ситуаций был достаточно длительным. Сложность состояла в выборе наиболее рациональной структуры алгоритма, а также в эмпирическом подборе его параметров. Окончательный вариант алгоритма был сформирован уже непосредственно на месте, в забое шахты и позволял максимально сымитировать действия оператора в штатных и особых ситуациях.

Указанные выше два основных режима бурения не являются полным описанием задач, решаемых контроллером. В процессе пусконаладочных работ приходилось неоднократно дополнять алгоритм новыми блоками. При этом система управления становилась все более удобной и интуитивно понятной для операторов. И наоборот, существовали участки алгоритмов, разработанные специально по настоятельным требованиям заказчиков, но после опытной отработки показавшие нецелесообразность их включения в основную программу.

Было установлено, что полностью автоматизировать процесс бурения не представляется возможным, из-за существенной неоднородности структуры гипсового камня в забое. Автоматизация забуривания (начала бурения) осложняется возможностью соскальзывания упора стрелы манипулятора с поверхности груди забоя. Грудь забоя является существенно неровной после проведения взрывных работ и отвала породы. Для дальнейшей автоматизации процесса бурения, требуется анализировать достаточно много параметров: угол наклон стрелы, коэффициенты трения покоя и скольжения салазок с электродвигателем по раме стрелы, степень затупленности буровой коронки, скорость бурения в текущий момент времени, уровень вибрации и многие другие. В целом, работа по созданию алгоритма работы системы управления явилась наиболее интересным, но и наиболее напряженным этапом в процессе создания УКУП.

Электропривод

Для управления электродвигателями бурильной установки, были применены преобразователи частоты (ПЧ) VSI-7,5 CX4A2N0 немецкой фирмой “transresch Antriebssysteme Berlin GmbH”. Эти ПЧ обладают всеми качествами самых современных преобразовательных устройств: возможностью программного и аппаратного конфигурирования, полной диагностикой всех систем, запоминанием нештатных ситуаций, наличием всех необходимых для преобразователя и двигателя защит.

Как отмечалось, в состав УКУП входит два полукомплекта оборудования для осуществления процесса бурения: правая и левая части (см.рис.4). В состав каждого полукомплекта входит один ПЧ, причем имеется возможность его подключения с пульта управления к электродвигателям маслостанции либо буровой головки. Таким образом, предусматривается возможность работы одного двигателя полукомплекта от ПЧ, другого двигателя этого же полукомплекта от сети, либо обоих от сети.

Стабилизация скорости вращения электродвигателей, при их подключении к выходу ПЧ, обеспечивается без обратной связи по частоте вращения. При ручном режиме бурения управление частотой вращения электродвигателя обеспечивается от 10-позиционного командоаппарата вращательного типа с выходным сигналом, пропорциональным углу поворота его рукоятки.

Выбор аппаратной реализации управляющего контроллера

При внимательном рассмотрении алгоритмов работы бурильной установки, изложенных в технических требованиях, стало очевидно, что в состав УКУП потребуется введение управляющего контроллера. Были рассмотрены три возможных варианта аппаратной реализации контроллера:
• одноплатный контроллер на базе изделий в формате MicroPC (Advantech, Fastwell, Octagon Systems, Lippert);
• программируемый логический контроллер модульной конфигурации (B&R, Simatic, Adam);
• контроллер самостоятельной разработки, на базе однокристального микроконтроллера (ОМК) одного из ведущих производителей (Atmel, Microchip, Motorola, Scenix, Holtek).

При рассмотрении вариантов принималось во внимание технические характеристики контроллеров, сроки их поставки, перспектива развития семейств, наличие квалифицированной технической поддержки, простота конструкции и обслуживания, стоимость. Решающими факторами при выборе контроллера оказались следующие:
• разработка предполагала невысокую себестоимость оборудования. Это условие оказывалось практически невыполнимым при использовании покупного контроллера;
• требовалось обеспечить температуру хранения до минус 40°С, что не допустимо для большинства из рассматриваемых покупных контроллеров.
• ЗАО «Плутон» имеет значительный опыт в разработке и эксплуатации контроллеров, выполненных на базе ОМК серии AVR фирмы Atmel.

После подробного анализа перечня функций, возлагаемых на управляющий контроллер, а также с учетом вышесказанного, было принято решение выполнить этот узел на базе ОМК серии AVR фирмы Atmel (AT90S8515-8PI). Контроллеры этого семейства представляют собой экономичные 8 битовые КМОП микроконтроллеры, построенные с использованием расширенной RISC архитектуры AVR. Исполняя по одной команде за период тактовой частоты, контроллеры имеют производительность около 1MIPS на МГц, обеспечивая десятикратный выигрыш в эффективности кода по сравнению с традиционными CISC микроконтроллерами.

Особенности конструктивного исполнения

Общеизвестно, что конструкция изделия определяет не только удобство эксплуатации изделия, но и надежность его работы. Данная разработка не явилась исключением. При разработке конструкции необходимо было учитывать требования ГОСТ 24754-81 «Электрооборудование рудничное, нормальное», ГОСТ 24719-81 «Электрооборудование рудничное. Изоляция, пути утечки, зазоры», а также воздействие механических внешних факторов по ГОСТ 17516.1-90 для группы механического исполнения М18. Кроме того, требовалось учитывать повышенную запыленность и возможность попадания влаги на шкафы с электрооборудованием.

Стойкость УКУП к повышенной вибрации была обеспечена тщательным отбором комплектующих, а также особыми решениями несущих конструктивов. В этом направлении конструкторский отдел ЗАО «Плутон» имеет большой опыт: большинство сотрудников в свое время принимали участие в разработках конструкции различных ПЧ для подвижного состава.

Прорабатывались решения по оснащению УКУП стрелочными приборами, стойкими к вибрации, производства ведущих зарубежных фирм. К сожалению, пришлось констатировать, что в Украину в настоящее время такие приборы не поставляются. Это мнение утвердилось после бесед с представителями фирм на стендах выставки «Электротехника-2003» (Выставочный комплекс «КиевЭкспоПлаза»). Поэтому было принято решение использовать приборы производства стран СНГ, традиционно применяемые в автотракторной аппаратуре и электроподвижных составах (см. рис.2).

Повышенная запыленность и возможность попадания обильной влаги потребовали ввода каждого кабеля в шкафы через гермоввод, а также уделить особое внимание конструкции шкафов и пультов. Процесс разработки конструкции осложнялся чрезвычайной насыщенностью пульта управления органами управления, сигнализации и индикации (см.рис.2). Размещение органов управления требовалось осуществить с учетом их логической взаимосвязи. Чтобы удовлетворить требования заказчика выдержать ширину пульта не более 500 мм, пришлось вынести часть переключателей на торцевую панель пульта. Как показал опыт эксплуатации, такое решение оказалось очень удобным и интуитивно понятным для операторов. Кроме того, оно позволило уменьшить ширину пульта до 350 мм, что в 1,42 раза превосходит требования заказчика.

Заключение

Поставка УКУП была произведена в сжатые сроки – от момента подписания контракта до поставки разработанного и изготовленного УКУП прошло менее 4 месяцев. Напряженный темп работы усугублялся внесением значительных изменений и уточнений в техническое задание и технические требования на этапе проектирования.

Несмотря на указанные сложности, цели автоматизации бурильной установки УБШ-501АК были достигнуты. Благодаря автоматизации, с управлением двумя бурами успешно может справляться один оператор вместо двух на неавтоматизированной установке, при этом общая выработка на установку увеличилась больше чем на 25 %, интенсивность и напряженность труда оператора существенно уменьшилась. В значительной степени уменьшился износ рабочего оборудования бурильной установки.

От запуска в эксплуатацию автоматизированной бурильной установки прошло 22 месяца, за это время по электроприводу и автоматизации отказов не было, что свидетельствует о их надежности в работе, простоте в эксплуатации и обслуживании. Наилучшим свидетельством этого является повторное обращение заказчика с аналогичным предложением - по созданию еще одной установки. В настоящее время с заказчиком проводятся переговоры, для уточнения технических характеристик этой машины. Предполагается сделать ее еще более «интеллектуальной», автоматизировав дополнительные узлы и механизмы.