ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Шахтний підйом є найбільш важливим процесом у технологічному ланцюгу видобутку вугілля. Підйом відноситься до дискретного виду транспорту, коли доставка вантажу в конкретний пункт здійснюється порціями лімітованого об’єму по масі [2]. Інтенсивне використання шахтної підйомної установки з підвищеною кількістю вантажу у підйомній судині призводить до зменшення терміну служби каната і всієї установки в цілому, недовантаження ж знижує ефективність даного виду транспорту. Тому неможливо переоцінити значення автоматизації даного об’єкта для гірничої промисловості.

1. Актуальність теми

Сучасні засоби автоматизації дозволяють підвищити надійність і довговічність обладнання, збільшити продуктивність, зменшити витрату енергії, оптимально відпрацьовувати задану діаграму швидкості без аварійних поштовхів струму і моменту приводу, що руйнівно діють на обладнання підйому, та забезпечити повний контроль за основними необхідними параметрами, що впливають на робочий стан установки, і відповідну реакцію на їх зміни.

Найбільш раціональними з цієї точки зору є багатоконтурні системи з підлеглим регулюванням параметрів. Такі системи передбачають різноманітні зворотні зв’язки, що дозволяють відслідковувати анормальні зміни контрольованих параметрів і вести управління відповідно до отриманої інформації. Зворотні зв’язки передбачають наявність пристроїв, що перетворюють контрольований параметр у сигнал, який використовується в системі управління. Зворотним зв’язком в даному випадку буде швидкість і прискорення скіпа, а також час циклу руху, натяг каната й кількість споживаної електроенергії. У системі управління шахтною підйомною установкою вага і середня швидкість циклу є основними параметрами. Для розробки системи управління ШПУ необхідно:

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Метою даної роботи є підвищення ефективності процесу підйому шляхом розробки системи адаптивного управління продуктивністю шахтної підйомної установки, яка враховує середній час по циклу і масу вантажу в скіпа. Основними задачами дослідження виступають: 

Об’єктом дослідження є шахтна підйомна установка. Предметом дослідження виступають методи управління продуктивністю багатоканатної шахтної підйомної установки в різних швидкісних режимах роботи. Для експериментальної оцінки отриманих теоретичних результатів і формування фундаменту наступних досліджень, в якості практичних результатів планується розробка апарату управління, завдання та контролю швидкісних режимів багатоканатної шахтної підйомної установки в складі автоматизованої системи управління технологічним процесом шахтного підйому (АСУТП). Вимоги до системи автоматизації підйому наступні:


Шахтная подъемная установка

Рисунок 1 – Схема  підйомної установки

1 – Скіп, 2 – Шибер бункера, 3 – Завантажувальний бункер, 4 –  Прийомний бункер, 5 –  Шибер прийомного бункера,

6 –  Підйомні шківи, 7 – Редуктор, 8 –  Барабан підйомної машини, 9 –  Двигуни приводу підйомної машини  

Об’єкт дослідження: шахтна підйомна установка.

Предмет дослідження: методи управління продуктивністю підйомної судини у різних швидкісних режимах.

3.Огляд досліджень і розробок

У зв’язку з тим, що шахтний підйом є найбільш важливою сполучною ланкою в ланцюзі транспортування вугілля, що зв’язує підземну і наземну системи транспортування гірничої маси, питаннями, пов’язаними з управлінням продуктивністю і динамікою підйому займаються вітчизняні науково-дослідні інститути (НДІГМ ім. М.М. Федорова, ДАТ Донбасвуглеавтоматика тощо).

3.1 Огляд міжнародних джерел

Дослідження в області шахтного підйому, а також виробництво систем автоматичного управління здійснюється найбільшими зарубіжними фірмами: ABB, AEG, Сіменс-Шуккерт (ФРН), Дженерал-Електрик (США), ASEA (Швеція), ЧКД-Прага (Чехословаччина). Так, фірма АВВ створює системи контролю та моніторингу, що мають властивості [3]: 

Описано існуючі у компанії рішення системи управління на базі промислових комп’ютерів компанії ABB системи 800xA, адаптований до конкретних потреб і вимог вантажопідйомного обладнання. Система АВВ AHM 800 Advant монітрорінга підйому – це комплексне рішення для забезпечення безпеки та моніторингу всіх типів шахтних підйомних, який забезпечує дуже точний моніторинг параметрів, як швидкості, прискорення, уповільнення і положення підйомної посудини. Ідея моніторингу почала широко обговорюватися з 2001 року. Так, у статті Research of Intelligent Monitor of Mine Hoist [7] описувалося дослідження системи моніторингу перебігу процесу шахтного підйому з реалізацією програмної оболонки на Visual C++. Подібної темі присвячені джерела [8–16]. Разом з тим, дану тенденцію підтримує і німецька компанія AEG [4], відзначаючи свої розробки в сфері автоматизації та електроприводу. У світовій теоретичній сфері мала місце публікація про застосування технічних засобів управління на основі нечіткої логіки, публікація Particle Swarm and Fuzzy Logic Based Optimal Energy Control of Induction Motor for a Mine Hoist Load Diagram [5] у журналі IAENG International Journal of Computer Science. У даній публікації доводилося перевага адаптивних систем в порівнянні з лінійними для отримання високої енергоефективності. У статті Driving Control System of Mine Hoist Based on SIEMENS Frequency Convertor and PLC [6] були описані недоліки традиційного способу регулювання швидкості приводу підйому і запропонована і досліджена система управління на базі частотного перетворювача SIEMENS MM440 і ПЛК S7-300. Відповідно, можна говорити про зміну тенденції застосування пристроїв регулювання приводу електродвигуна підйому. Аналогічні концепції можна побачити в роботах [12–16]. Таким чином, можна зробити висновок про існування в світовій практиці тенденції в області шахтного підйому, пов’язаної з впровадженням систем моніторингу та пристроїв перетворення частоти в структуру приводного блоку електродвигуна підйому.

3.2 Огляд національних та локальних джерел

З національних джерел, перш за все, слід відзначити портал з охорони праці [17], що містить нові Правила Безпеки, що обмежують допустиму швидкість вантажних підйомних судин умовами проекту. На сайтах компаній [18–21] представлені приклади нового обладнання для шахтного підйому, в тому числі сучасні засоби відображення інформації, сигналізації та зв’язку. Зокрема, в [22] була представлена розроблена апаратура сигналізації та зв’язку. В [23, 24] представлена і обгрунтована система польових шин передачі даних, що входить до складу системи відображення і контролю інформації АСУТП. В даний час також розробляються реконструкційні заходи щодо підвищення продуктивності шахтного підйому (ДПІ Кривбас-проект, Кривий Ріг, НПФ Мідіел, Донецьк), які були опубліковані в [25]. Завданням розробки програмно-апаратного комплексу управління та захисту шахтних підйомних машин займається інститут УкрНДІВЕ [26]. Тема регулювання та обліку продуктивності відносно нова та описана у [27, 28] У зв’язку з переходом на нові види регулювання електроприводу шахтної підйомної установки, опублікована робота з розрахунку потужності шахтної підйомної установки з приводом АФ-РА [29] Питанням приводу посвячені книги Дацковского Л.Х., Рогового В.І., Бірюкова О.В. , Шухер В.І., Католікова В.Є., Дінкеля А.Д. та інших [30–40]. Опубліковані також статті з динаміки шахтного підйому В.І. Дворніковим, К.А. Соломенцевим, А.Н. Чехлатим [41–46] (НДІГМ імені М.М. Федорова).

4. Визначення способу регулювання продуктивністю многканатной шахтної підйомної установки

Сучасні засоби автоматизації дозволяють збільшити продуктивність установки, оптимізувати діаграму швидкості, а також зменшити величину середньої витрати електричної енергії за цикл руху підйомної посудини за рахунок точності відтворення заданих параметрів. Разом з тим, дані рішення не передбачають управління продуктивністю підйомної установки з урахуванням добової зміни вимог щодо витрати електроенергії, натягу підйомного каната, а також величини середнього вантажопотоку на завантажувальному майданчику

Так як, згідно з Правилами Безпеки [1], допустима швидкість для клітьових підйомів обмежена 12 м/с, а для скіпових – визначається проектними показниками доцільності впровадження оперативного управління параметрами підйомної установки протягом доби. Добова продуктивність підйомної установки визначається з виразу [2]:

Добова продуктивність шахтної підйомної установки,
де

Ac – добова продуктивність;

Qп – Вантажопідйомність підйомної судини;

Tc – Час зміни;

Tп –Час технологічної паузи.

Аналіз виразу (1) показує, що продуктивність підйомної установки залежить від зміни часу циклу установки:

Вираз для часу циклу,

де Tц  – час циклу, с;

Н – глибина ведення гірничих робіт, м;

vср – середня швидкість руху підйомної посудини за цикл, м/с.

Середнє значення споживаної активної потужності на валу приводного двигуна визначається з виразу:


Середнє значення споживаної активної потужності на валу приводного двигуна,

де P – Середнє значення споживаної активної потужності на валу приводного двигуна;

vp – швидкість рівномірного руху підйомної установки;

η – загальний коефіцієнт корисної дії шахтного підйому;

t3, t5 – тривалість прискорення та уповільнення

тахограма

Рисунок 2 – Тахограма руху судин підйомної установки

Для забезпечення безпечної експлуатації підйому необхідний контроль максимальної сили натягу підйомного каната:

максимальна сила натягу підйомного каната

де Fн – максимальна сила натягу підйомного каната, кН;

mпр – приведена до осі підйомної машини маса підйомної установки;

a1 – прискорення основного ходу руху підйомної судини.

Схема роботи підйомної установки

Рисунок 2 – Схема роботи підйомної установки
(анімація: 17 кадрів, 5 циклів повторення, 45 кілобайт)

З використанням вищеназваних залежностей  отримана зіставна таблиця, що відображає вплив зміни параметрів середньої швидкості та добової продуктивності підйому, а також значень споживаної приводним електродвигуном потужності в залежності від параметрів швидкісного режиму (таблиця 1).

Таблиця 1 – Залежності досліджуваних параметрів при різних режимах швидкостей

Режим 1 – Зміна швидкості рівномірного руху  (a1, a2=0,8)
vр
 8,5 9 9,5 10 10,5 11 11,5 12
vcр
 7,16 7,49 7,8 8,1 8,39 8,67 8,93 9,19
Ac
 4830 5040 5250 5460 5640 5850 6030 6180
P
 637,44 641,23 645,24 649,46 653,89 658,51 663,33 668,34
Fн
 487,8 487,8 487,8 487,8 487,8 487,8 487,8 487,8
Режим 2 – Зміна прискорения a1 и уповільнення a2 (vp= 10)
a1, a2 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3
vcp
 7,89 8,01 8,1 8,17 8,23 8,28 8,32 8,35
Ac
 5310 5400 5460 5520 5550 5580 5610 5640
P
 636,3 640,5 645,2 650,5 656,3 662,6 669,5 676,8
Fн
 449,6 468,7 487,8 506,9 526 545,1 564,2 583,3
Режим 3 – Зміна уповільнення a2 (vp=10, a1=0,8)
a2 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3
vcp
 7,16 7,49 7,8 8,1 8,39 8,67 8,93 9,19
Ac
 5400 5430 5460 5490 5490 5520 5520 5460
P
 632,9 641,4 649,5 657,2 664,7 672,2 679,6 690,2
Fн
 487,8 487,8 487,8 487,8 487,8 487,8 487,8 487,8

Аналіз таблиці 1 показує, що в режимі 2 при зміні прискорення руху скіпа лінійно збільшується динамічна сила натягу й істотно зростає значення споживаної електричної потужності, а в режимах 1 і 3 сила натягу каната залишається постійною. При дослідженні залежності споживаної добової електричної потужності від продуктивності підйому для кожного швидкісного режиму (рисунок 1) встановлено, що для стабілізації зусилля натягу на канат доцільним є застосування режимів 1 і 2, і разом з тим, найбільша економія електроенергії досягається в режимах 3 і 1.


Висновки

Таким чином, найбільш раціональним режимом роботи шахтного підйому з точки зору забезпечення заданої продуктивності є режим зміни швидкості рівномірного руху підйомної посудини, що не суперечить вимогам діючих Правил безпеки [1]. Разом з тим, розробка засобів і систем автоматичного управління режимами роботи гальмівної системи дозволить підвищити ефективність роботи підйому.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2012 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.

Перелік посилань

  1. НПАОП 10.0–1.01–10 Правила Безпеки у вугільних шахтах.
  2. Бежок В.Р. Шахтный подъем: [научно-производственное издание] под общ. ред. Б.А. Грядущиего, В.А. Корсуна. / В.Р. Бежок – Донецк: ООО Юго-Восток, Лтд, 2007. – 624 с.
  3. ABB AB – Mine Hoist Systems. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.mining-technology.com/contractors/.
  4. Welcome to AEG Industrial Engineering. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://aeg-ie.com/.
  5. Thanga Raj C., Srivastava C., Agarwal P. Particle Swarm and Fuzzy Logic Based Optimal Energy Control of Induction Motor for a Mine Hoist Load Diagram. / C. Thanga Raj, C. Srivastava, P. Agarwal [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.iaeng.org/IJCS/.
  6. Shuang S., Jun-xia C. Driving Control System of Mine Hoist Based on SIEMENS Frequency Convertor and PLC. / S. Shuang, C. Jun-xia [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://en.cnki.com.cn/Article_en/.
  7. Jiang Laidong M.J. Research of Intelligent Monitor of Mine Hoist. / M.J. Jiang Laidong [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://en.cnki.com.cn/Article_en/.
  8. Yu-nan Z., Yu-ping Z. Design and Research of Mine Hoister Synthetic Monitoring System. / Z. Yu-nan, Z. Yu-ping [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://en.cnki.com.cn/Article_en/.
  9. Lun-wu X. The Monitoring System of the Winder Based on LabVIEW. / X. Lun-wu [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://en.cnki.com.cn/Article_en/.
  10. LuLu W. Development of the Intelligent Instrument for Monitoring the Clearance between the Brake-Shoe of ZXC-1 Hoist. / W. LuLu [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://en.cnki.com.cn/Article_en/
  11. Jun Y., Jingtao W., Jinxian C. Monitoring System of Hoister Based on Virtual Instrument. / Y. Jun, W. Jingtao, C. Jinxian [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://en.cnki.com.cn/Article_en/. 
  12. Xuewen Z. Total Digital Controlling System For Mine Elevator. / Z. Xuewen [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://en.cnki.com.cn/Article_en/.
  13. Jie S. STD micro-computer monitoring system for mine hoist. / S. Jie [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://en.cnki.com.cn/Article_en/.
  14. Yu-Lin L. Design of Novel Control System of Mine Hoist. / L. Yu-Lin. Coal Mine Machinery; 2009–03 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://en.cnki.com.cn/Article_en/.
  15. Yu-feng Z., De-yang Y. Reformed Design of Mine Winch Electric Control System Based on PLC Variable-frequency. / Z. Yu-feng, Y. De-yang [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://en.cnki.com.cn/Article_en/.
  16. Douzhang D., Bin P. Technical Design of a Series Gantry Planer Main Driving System Based on Siemens M4 Controller. / D. Douzhang, P. Bin [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://en.cnki.com.cn/Article_en/.
  17. Портал Охрана труда. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ohranatruda.in.ua/pages/.
  18. ООО Укрэлектросервис. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ukrelektroservis.com.ua/production.
  19. НПК Горные машины. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.mmc.kiev.ua/production/.
  20. ПО Укрспецкомплект. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: href="http://ukrsk.com.ua/pult_shahtn_pod.
  21. Интергормаш. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://igm.com.ua/index.
  22. Дубинский А.А., Сорокин Н.Н. Стволовая сигнализация шахтных подъемных машин с применением искробезопасной шины передачи данных. / А.А. Дубинский, Н.Н. Сорокин [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://deg-automatica.dn.ua/pdf/.
  23. Дубинский А.А. Структура искробезопасных полевых шин управления и передачи данных. / А.А. Дубинский, А.А. Дубинский, В.Д. Власов // Взрывозащищенное электрооборудование: сб. науч. тр. УкрНИИВЭ. – Донецк: ООО Юго-Восток, Лтд, 2008. С. 221–225.
  24. Жданкин В. Применение fieldbus-систем во взрывоопасных зонах / В. Жданкин // Современные технологии автоматизации. 2006. Выпуск 4. С. 76–80.
  25. Криворізький національний університет. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ktu.edu.ua/Files/.
  26. УКРНИИВЭ. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ukrniive.com.ua/article/.
  27. Задума С.В. Анализ способов управления производительностью скиповой подъемной установки / С.В. Задума, Б.В. Гавриленко // Донбас–2020: перспективи розвитку очима молодих вчених: Cб. наукових праць. V науково-технічної конференції аспирантів та студентів у м. Донецку 24–26 квітня 2012 г. – Донецьк, ДонНТУ, 2012.
  28. Задума С.В. Аппаратура учета производительности шахтной подъемной установки / С.В. Задума, Б.В. Гавриленко // «Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых»: Cб. научных трудов. XI научно-технической конференции аспирантов и студентов в г. Донецке 17–20 мая 2011 г. – Донецк, ДонНТУ, 2011. – 306 с.
  29. Разумный Ю.Т., Мазур С.Н. – Определение расчетной мощности шахтной подъемной установки с приводом АФ-РА. / Ю.Т. Разумный, С.Н. Мазур. // Гірнича електромеханіка та автоматика – 2004. Випуск 72. С. 34–39.
  30. Дацковский Л.Х., Роговой В.И. Электропривод шахтных стационарных установок. Современное состояние и перспективы. / Л.Х. Дацковский, В.И. Роговой – В кн.: Міжвідомчий науково-технічний збірник. Випуск 66. Електромашинобудування та електрообладнання. – Київ: Техника, 2006. С. 94–102.
  31. Бирюков А.В., Шухер В.И., Католиков В.Е. и др. Автоматизированный тиристорный электропривод постоянного тока для шахтных подъемных машин. / А.В. Бирюков, В.И. Шухер, В.Е. Католиков // Автоматизированный электропривод. Сб. научных трудов. – Москва, 2002.  С. 71–89.
  32. Дацковский Л.Х., Бирюков А.В., Кузнецов И.С. и др. Безредукторный частотнорегулируемый синхронный электропривод производственных механизмов. / Л.Х. Дацковский, А.В. Бирюков, И.С. Кузнецов // Автоматизированный электропривод: Сборник научн. трудов.– Москва, 2002. С. 43–70.
  33. Дацковский Л.Х., Бирюков А.В. и др. Частотнорегулируемый синхронный электропривод мощностью 5000 кВт вентиляторной установки // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. – Харьков: Основа, 1997. С. 190, 191.
  34. Кочетков В.Д., Дацковский Л.Х., Бирюков А.В. и др. Системы регулирования электроприводов переменного тока с микропроцессорным управлением. / Л.Х. Дацковский, А.В. Бирюков // Электротехническая промышленность. Сер. 08. Электропривод: Обзор, информ. – 1989. Вып. 26. С. 1–80.
  35. Серия тиристорных преобразовательных агрегатов АТ и АТР мощностью до 5000 кВт для автоматизированных электроприводов постоянного тока. Отраслевой каталог 05.03.29. – 74. – М.: Информэлектро, 1974.
  36. Серия тиристорных преобразовательных агрегатов ТПЗ и ТПРЗ мощностью 1000–12000 кВт на тиристорах Т-320. Отраслевой каталог 05.03.14229–74. М.: Информэлектро, 1976.
  37. Электроприводы комплектные тиристорные постоянного тока мощностью 530–2000 кВт для шахтных подъемных машин. Отраслевой каталог 08.50.02–76. – М.: Информэлектро, 1976.
  38. Динкель А.Д., Католиков В.Е., Седунин А.М. Синтез САУ тиристорным приводом рудничного подъема с учетом зоны прерывистых токов. / А.Д. Динкель, В.Е. Католиков, А.М. Седунин // Электротехническая промышленность. Электропривод. – 1980. Вып. 7(87). С. 7–10.
  39. Динкель А.Д., Католиков В.Е., Седунин А.М. Синтез САУ тиристорным приводом рудничного подъема с учетом зоны прерывистых токов. / А.Д. Динкель, В.Е. Католиков, А.М. Седунин // Электротехническая промышленность. Электропривод. – 1981. Вып. 2(91). С. 20–23.
  40. Решмин Б.И., Ямпольский Д.С. Проектирование и наладка систем подчиненного регулирования электроприводов. / Б.И. Решмин, Д.С. Ямпольский – М: Энергия, 1975. – 184 с.
  41. Соловьев В.С. Стационарные машины и установки. Шахтные подъемные установки. / В.С. Соловьев [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.twirpx.com/file/.
  42. Персональный сайт Степанова Анатолия Григорьевича, Заслуженного деятеля науки Российской Федерации, доктора технических наук, профессора. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://agstepanov2009.narod.ru/.
  43. Голубенцев А.Н. Исследование динамики рудничного подъема. Автореферат. г. Сталино. / А.Н. Голубенцев [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.uran.donetsk.ua/~masters.
  44. Дворников В.И., Соломенцев К.А. Математическая модель динамики подъемных машин с бегущими витками трения. / В.И. Дворников, К.А. Соломенцев // Сб. научн. трудов НИИГМ имени М.М. Федорова Проблеми експлуатації обладнання шахтних стаціонарних установок. – Вип. 96, –Донецк, НИИГМ имени М.М.Федорова, 2003. С. 92–102.
  45. Дворников В.И., Трибухин В.А. Математическая модель динамики подъемных установки в режимах предохранительного торможения. / В.И. Дворников, В.А. Трибухин // Сб. научн. трудов НИИГМ имени М.М. Федорова Проблеми експлуатації обладнання шахтних стаціонарних установок. Вип. 95, – Донецк, НИИГМ имени М.М.Федорова, 2002. С. 96–138.
  46. Дворников В.И., Чехлатый А.Н. Переходные состояния подъемной установки при посадке и снятии с оснований сосудов. / В.И. Дворников, А.Н. Чехлатый // Уголь Украины, 1982. Вып. 4. С. 24–26.