Управление в технических системах
Шахтные подъемные установки предназначены для выдачи полезного ископаемого или породы, подъема и спуска людей, оборудования и материалов. От надежной бесперебойной и производительной работы шахтного подъема зависит работа всей шахты в целом, поэтому к подъемным установкам предъявляют особые требования в отношении надежности и безопасности работы. Фактический срок службы подъемной установки, как правило, совпадает со сроком службы горного предприятия, однако для сохранения конкурентоспособности продукции горнодобывающее предприятие обязано постоянно совершенствовать не только технику и технологию добычи полезных ископаемых, но и другие технологические звенья, среди которых подъемная установка является наиболее значимым.
Одним из способов повышения эффективности работы подъемной установки является оптимальная настройка системы управления электропривода с целью уменьшения продольных колебаний в канатах, что позволяет снизить их износ, так как замена канатов в подъемной установке является трудоемкой и дорогостоящей операцией, при которой подъем полезного ископаемого невозможен. Поэтому повышение эксплуатационных свойств подъемной установки на основе обоснования и выбора структур систем управления электроприводом подъемных установок по критерию максимального демпфирования колебательных процессов в упругих элементах является актуальной научной задачей.
Автоматизация производственных процессов играет огромную роль в современном производстве. Особенно в последнее время, когда в аппаратуру автоматизации стали, внедрятся достижения микропроцессорной техники, возможности этой аппаратуры вышли на новый технический уровень.
Повышение мощности горных предприятий, интенсификация горных работ, увеличение глубины шахт предопределяют рост энергопотребления и увеличения единичной мощности шахтных стационарных машин. Возрастает необходимость дальнейшего совершенствования их систем автоматического управления.
К основным требованиям, предъявляемые к перспективным системам, электропривода, следует отнести большую потребность в применении регулируемого электропривода, что необходимо для повышения производительности труда.
Подъемная установка шахтная – основной транспортный комплекс, связывающий подземную часть шахты с поверхностью; предназначена для выдачи ни поверхность добываемого полезного ископаемого и получаемой при проходке горных выработок породы, спуска и подъема людей, транспортирования горно – шахтного оборудования и материалов, а также осмотра армировки и крепления ствола шахты.
Подъемные установки классифицируют по назначению – на главные или грузовые (для транспортировки полезных ископаемых), вспомогательные или грузолюдские (для транспортирования породы, материалов, оборудования, спуска и подъема людей); по типу ствола шахты – на вертикальные и наклонные; по числу канатов; по типу органов навивки; по типу подъемных сосудов – на скиповые, клетьевые, скипо – клетьевые, бадейные; по степени уравновешенности.
В качестве грузовых применяются, как правило, двухскиповые подъемные установки; односкиповые подъемные установки с противовесом используются на шахтах небольшой производительности при многогоризонтной работе или необходимости раздельной выдачи различных сортов (марок) полезных ископаемых. Клетевые подъемные установки применяются для шахт небольшой производительности и глубины. Крупнейшие скиповые установки имеют производительность более 1200 т/ч (скипы грузоподъёмностью до 60 т, скорость движения до 25 м/с).
Для вертикального подъёма используют барабанные одноканатные или многоканатные со шкивом трения подъёмные машины.
Целью магистерской диссертации является – обеспечение динамических режимов работы подъемной установки за счет разработки системы автоматического управления, что позволит выдерживать заданную тахограмму скорости подъема при соблюдении допустимых напряжениями в узлах подъемной машины.
Для выполнения данной цели поставлены следующие задачи исследования:
Объект исследования: система автоматического управления подъемной установкой в условиях шахты Комсомолец Донбасса
Предмет исследования: Подъемная шахтная установка
Более 90% подъемных машин, находящихся в эксплуатации в угольной и горнорудной промышленности стран СНГ, оснащаются электроприводом с двигателями переменного тока, в основном асинхронными электродвигателями с фазным ротором. Это объясняется преимуществом этого электропривода, а именно: малая стоимость оборудования и строительно-монтажных работ, простота обслуживания, малые затраты времени на обслуживание и на восстановление при отказах, легкость резервирования, высокая эксплуатационная надежность.
В качестве электропривода переменного тока в зависимости от мощности и типа подъемной машины применяются асинхронные двигатели с фазным ротором серии АК и АКН.
Электродвигатели незащищенного исполнения серии АКН устанавливаются на двух стояковых, литых, разъемных подшипниках скольжения с кольцевой смазкой, с двумя концами вала: один - для присоединения к редуктору подъемной машины при помощи полумуфты, другой - для сочленения с тахогенератором через клиноременную передачу. Исполнение двигателя - открытое с самовентиляцией. Обмотка статора имеет шесть выводов для подсоединения к сети 6 или 3 кВ. Она двухслойная петлевая с изоляцией класса А, а ротора — класса В. Контроль температуры обмоток статора двигателя ведется с помощью термореле, а подшипников - термосигнализаторами.
Электродвигатели серии АКН входят в комплект шахтных подъемных машин мощностью от 200 до 1600 кВт с синхронной частотой вращения от 250 до 600 об/мин.
Электродвигатели серии АКЗ в защищенном исполнении предназначены для привода подъемных машин малых мощностей от 55 до 320 кВт на напряжении 220/380, 380, 500 и 3000 В. Эти электродвигатели более быстроходные (600-1000 об/мин).
Наибольшее распространение в шахтном подъеме получило регулирование скорости и момента асинхронных двигателей с фазным ротором изменением сопротивления в цепи ротора. При металлических сопротивлениях (металлическом реостате) в цепи ротора скорость изменяется ступенчато, при жидкостном реостате — бесступенчато. На поверхностных подъемных установках применяется, в большинстве случаев, асинхронные двигатели с фазным ротором и металлическим реостатом в цепи ротора, на подземных - с жидкостным реостатом.
При всей простате привода переменного тока с сопротивлениями в цепи ротора, он обладает существенными недостатками:
Шахтная подъемная машина входит в состав подъемного оборудования и является основной частью шахтной подъемной установки (рис 1). Из всех машин, применяемых при подземной добыче в горной промышленности, подъемная машина занимает наиболее ответственное место. Вынужденный останов машины фактически прекращает всю добычу шахты, принося огромные убытки. Это определяет высокие требования к техническому уровню подъемных машин и качеству их изготовления.
Подъемная машина (далее машина) состоит из главного вала, включающего орган навивки, механизм перестановки и коренные подшипники; тормозного устройства; соединительных муфт; редуктора; электропривода; аппаратуры управления, защиты и блокировок.
Так как орган навивки (барабан или канатоведущий шкив) играет главенствующую роль, дадим следующие определения подъемных машин по типу органа навивки.
Рисунок 1 – Шахтная подъемная установка ШПУ
Машины однобарабанные одноконцевые – состоят из одного цилиндрического барабана, на который наматывается один канат с грузом на конце. Такие машины применяются, главным образом, при проходке вертикальных стволов и в наклонных выработках.
Машины однобарабанные с разрезным барабаном двухконцевые – состоят из одного цилиндрического или бицилиндроконического барабана. Концы двух несвязанных между собой канатов закреплены у противоположных реборд, и при этом один канат навивается на барабан, а второй в это время сматывается, то есть происходит одновременно подъем и спуск двух сосудов. Обечайка барабана вблизи одной из реборд имеет поперечный круговой разрез. При этом большая часть барабана жестко соединена с коренным валом, а меньшая, благодаря механизму перестановки, - может поворачиваться и жестко соединяться с валом в любом положении. Эти две части барабана так и называются – заклиненная и переставная части.
Машины с разрезным барабаном могут быть эффективными при обслуживании нескольких рабочих горизонтов в вертикальном шахтном стволе. Однако на практике наличие переставной части барабана используется, как правило, лишь в процессе смены навески канатов и для точной установки сосудов на приемной площадке основного обслуживаемого горизонта.
Машины двухбарабанные двухконцевые – состоят из двух автономных барабанов. Концы двух несвязных между собой канатов закреплены у противоположных реборд разных барабанов. При этом один канат навивается на один барабан, а второй в это время сматывается со второго, то есть происходит одновременно подъем и спуск двух сосудов, как и в системе с одним разрезным барабаном. Один из барабанов жестко соединен с коренным валом, а второй, благодаря специальному «механизму перестановки», - может поворачиваться и жестко соединяться с валом в любом положении. Эти два барабана так и называются – заклиненный и переставной.
Машины одноканатные и многоканатные со шкивами трения (канатоведущими шкивами) – представляют собой шкив с одной канавкой под канат или цельносварной барабан с несколькими кольцевыми канавками (ручьями) для такого же количества канатов. Работа таких машин основана на передаче тягового усилия силами трения (сцепления) на участке прилегания каната к ободу шкива.
Машины «бесконечной откатки». Применяемые в горизонтальных и наклонных выработках. В таких машинах один, специальным образом счаленный канат, образуя «бесконечную» петлю, приводится в движение шкивом трения с коническим или параболическим профилем канавки. При этом канат обвивается вокруг шкива несколькими витками, которые по мере навивки беспрерывно смещаются в осевом направлении шкива в сторону наименьшего радиуса навивки.
Машины с многослойной навивкой каната на барабан. Многослойная навивка каната (до трех слоев) используется в тех случаях, когда из-за стесненных эксплуатационных условий нет возможности применить машину с надлежащим диаметром и шириной барабана. В таких системах канат подвергается дополнительному износу, часто имеет место неупорядоченная кладка каната, но в ряде случаев многослойная навивка является единственно возможным средством для подъема груза с больших глубин.
Главный ствол оборудован двумя скипами СН15-223-1,1 для выдачи горной массы и скипом СН-7-185-1,1 для выдачи породы. Вспомогательный ствол оборудован двухэтажной клетью 2НОВ400-13,2-0,2. Вентиляционные стволы №1 и №2 предназначены для выдачи исходящей струи воздуха и в качестве запасных выходов, оборудованы одноэтажными клетями 1НОВ400- 9,0.
Улучшить динамические характеристики подъёмной установки, повысить отказоустойчивость системы, а также уменьшить затраты электричества возможно если заменить схему однодвигательного электропривода с упругой связью на схему с двухсвязным электроприводом (рис. 2 б)
Рисунок 2 – Схемы связи электроприводов с нагрузкой:
а) однодвигательный электропривод с упругой связью;
б) двухдвигательный электропривод с упругой связью.
Двухдвигательный электропривод обеспечивается ряд преимуществ по сравнению с однодвигательным электроприводом:
Однако необходимо отметить, что при этом усложняется схема соединения электрических машин, как при последовательном, так и при параллельном подключении их к сети. Однако этот недостаток нивелируется перечисленными достоинствами двухдвигательной схемы обеспечения заданной скорости вращения печи.
При создании двухдвигательных систем возникает задача распределения суммарной нагрузки между отдельными двигателями. Так, например, двигатель с более мягкой механической характеристикой оказывается нагруженным меньше. Это может привести к превышению температуры другого двигателя и выходу его из строя. Поэтому необходимо разрабатывать системы управления соотношением скорости вращения двухсвязного электродвигателя, что позволит выровнять нагрузку между обоими двигателями.
В зависимости от назначения и высоты подъема, вида и грузоподъемности подъемных сосудов, числа горизонтов и расстояния между ними диаграммы скорости могут быть трех-, пяти-, шести- и семипериодными. Наиболее простые трехпериодные диаграммы скорости целесообразно применять для клетевых подъемных установок с одноэтажными неопрокидными клетями при качающихся приемных площадках. Наиболее сложные шести- и семипериодные диаграммы скорости используются в шахтном подъеме со скипами с разгрузкой через дно, а также с неопрокидными и опрокидными скипами и клетями. Сложность диаграмм объясняется необходимостью ограничения скорости движения подъемных сосудов в разгрузочных кривых. В частности, период разгона разбивается на два участка с различными ускорениями, а период замедления с последующей остановкой машины - еще на большее количество участков. Рассмотрим шестипериодную диаграмму скорости, применяемую в скиповых подъемах, оборудованных неопрокидными скипами с разгрузкой через дно. На первом участке 0-1 осуществляется движение поднимающегося сосуда из загрузочного устройства. Максимальная скорость выхода (точка 1) из этого участка ограничивается порожним сосудом, движущимся в разгрузочных кривых.
Для скиповых подъемов она не должна превышать 1,5 м/с. На участке 1-2, после выхода сосуда из разгрузочных кривых, машина движется с ускорением, величина которого ограничивается возникающими напряжениями в узлах подъемной машины или перегрузочной способностью подъемного двигателя.
Это ускорение по действующим нормам не должно превышать 1,2 м/с2 для вертикальных и наклонных (свыше 30°) грузовых подъемов. Для многоканатных подъемных машин критерий величины максимального ускорения всегда проверяется по условиям отсутствия проскальзывания канатов по футеровке приводного шкива трения.
В теории автоматического управления объект управления (ОУ) рассматривается как преобразователь переменных входа U(t) и F(t) в выходную переменную Y(t) характеризующую состояние объекта управления.
Рисунок 3 – Выделение объекта управления из окружающей среды
(скорость анимации – 16.8 количество кадров – 4)
Здесь U(t) – управляющее воздействие, обеспечивающее необходимое (желаемое) состояние ОУ, то есть желаемое значение Y(t) характеризующее состояние ОУ (протекающий в ОУ процесс); F(t) – внешнее возмущающее воздействие, мешающее нормальному протеканию процесса в ОУ (нарушающее желаемое состояние ОУ и, следовательно, значения Y(t)). Модель двухдвигательного электропривода состоит из двух частей - механической и электромеханической подсистем (рис. 4).
Рисунок 4 – Выделение объекта управления из окружающей среды
Для двухдвигательных систем регулирование скорости и момента основано на принципе сложения механических характеристик. Исходя из этого выделим управляющие, регулируемые и возмущающие переменные для двигателя постоянного тока и вращающейся печи (рис. 5).
Рисунок 5 – ШПУ как объект управления
Управляющей переменной для подъемной установки является:
Возмущением является: