Системы управления мехатронными горными

Д.т.н. Стадник Н.И.

 

Лекция

Системы управления мехатронными горными

Машинами

Актуальным для угольной промышленности Украины является создание и внедрение горных машин нового поколения, существенно превосходящих серийные по… Высокий уровень технических параметров, значительное расширение функциональных… Новый уровень требований привел к превращению горных машин из электромеханических систем в мехатронные,…

Важной задачей, стоящей перед разработчиком, является обеспечение необходимой надежности. Это достигается за счет выбора оптимальных режимов загрузки элементов, обеспечения гальванической развязки, резервирования отдельных элементов и узлов, а также применения специальных алгоритмов и программных решений. При этом отказ какой-либо подсистемы или совокупности подсистем не всегда приводит к отказу всей системы, а иногда только снижает эффективность ее функционирования. Данное свойство большой системы обусловлено структурной и информационной избыточностью (резервирование элементов и избыток обрабатываемых кодов).

В связи с этим при определении функциональной ориентации КМ необходимо выявить функции, подлежащие резервированию. Резервировать целесообразно функции, определяющие безопасность и живучесть, т.е. функции безопасности и жизненно важные по управлению должны быть сохранены при работе объекта автоматизации, а, например, сервисные функции на некоторое время могут быть потеряны.

Данный подход в значительной степени использовался при создании систем, описанных ниже.

Один из первых очистных комбайнов нового технического уровня - комбайн УКД300, в состав которого входит преобразователь ПЧЭШ-60, включающий информационную компоненту И_М, и комплекс средств управления КУОК, представляющий собой компоненту И_С.

Комплекс КУОК состоит из аппаратов, устройств и других элементов, расположенных непосредственно на комбайне и на штреке. Комбайновая часть состоит из силового отсека, отсека управления, пультов управления, датчиков; штрековая - из пульта управления комбайном, блока отображения и источника питания. КУОК предусматривает два режима управления: «проводного» и телемеханического. «Проводное» управление по кабелю обеспечивает все защиты и блокировки, необходимые для работы на невыбросоопасных пластах. Телемеханическое управление, помимо возможности управления комбайном со штрека, что обеспечивает работу на выбросоопасных пластах, предоставляет большой объем диагностической информации о состоянии комбайна.

Преобразователь ПЧЭШ-60 предназначен для управления двигателями резания и подачи с выполнением всех необходимых защит и блокировок, а также для регулирования по заданному алгоритму частоты вращения встроенных двигателей подачи. ПЧЭШ-60 выполнен на базе частотного преобразователя с водяным охлаждением типа ПЧЭ-120М. Достоинством преобразователя ПЧЭ-120М является то, что для его питания впервые применено напряжение 1140В без понижающего трансформатора, при этом диапазон изменения выходной частоты - от 2,5 до 150 Гц. Схемно-технические и конструктивные решения, заложенные в преобразователе, позволили значительно уменьшить габариты отечественных очистных комбайнов в сравнении с иностранными аналогами.

Преобразователь того же типа и его информационная компонента конструктивно интегрированы в корпус комбайна КДК500 и используются в приводе подачи. Составной частью системы управления очистными комбайнами КДК400, КДК500, КДК700 является аппаратура КС500Ч-02 (И_С), которая обеспечивает необходимые защиты и блокировки, индикацию основных параметров и причин его отключения. КС500Ч-02 включает в себя штрековую часть, состоящую из пульта управления и источника питания, а также комбайновую часть, состоящую из пультов (центрального, левого, правого и радиоуправления), блока управления, датчиков. Питание комбайновой части системы управления осуществляется напряжением 220 В от специально разработанного источника ИПШ.2.

При работе на выбросоопасных пластах штрековая часть комплекса КС500Ч-02 позволяет осуществлять управление комбайном со штрека с акустическим контролем его работы, контролем местоположения и индикацией всех параметров комбайна (нагрузки двигателей, состояния датчиков и др.). При этом комбайн связан со штреком телемеханическим каналом для передачи данных по кабелю КГШР5х2х2,5. При работе на невыбросоопасных пластах штрековая часть комплекса КС500Ч-02 используется для отображения диагностической информации и позволяет осуществлять связь машиниста комбайна со штреком.

Учитывая ряд недостатков, выявленных при эксплуатации комплекса КС500Ч и преобразователя ПЧЭ-120М, в настоящее время ГП «Донгипроуглемаш» приступил к созданию комплекса КМ-ПЧ. Данный комплекс, структурная схема которого представлена на рисунке 2, помимо полного управления механизмами очистного забоя, позволит значительно расширить возможности по управлению комбайном, обеспечить регистрацию и хранение всех контролируемых параметров, вплоть до величины питающего напряжения, осуществить сбор информации о состоянии лавного конвейера, насосной станции и ее передачу диспетчеру на поверхность шахты. Используемые в комплексе схемотехнические решения позволят значительно повысить надежность, «живучесть» аппаратной части. Преимуществами создаваемого преобразователя типа МСД, входящего в комплекс КМ-ПЧ, являются: увеличение емкости звена постоянного тока; расширение видов защит и диагностики узлов преобразователя; регистрация произошедших аварий; улучшенная система охлаждения. Разработанное программное обеспечение позволит значительно повысить величину выходного напряжения, что улучшит моментные характеристики двигателей подачи.

 

 

 

 

Рисунок 2 - Структурная схема комплекса КМ-ПЧ системы управления комбайном КДК500: МП – модуль питания; МК – модуль коммутационный; МФС – модуль сетевого фильтра; МСД – модуль силовой; КУК – комплекс управления крепями; МИ – модуль индикации; МГ – модуль гидроуправления; ПРУ – пульт радиоуправления

 

Для снижения зольности горной массы, увеличения коэффициента машинного времени очистной техники, а также работы добычного участка в энергосберегающем режиме разработан бункер-конвейер типа БК250, управление которым осуществляет аппаратура, состоящая из устройства управления, клеммных коробок, концевых датчиков, поста управления, датчиков скорости и заштыбовки. Структурная схема системы управления бункер-конвейера приведена на рис. 3.

 

Рисунок 3 - Структурная схема системы управления бункер-конвейера

 

Устройство управления по сигналу, поступившему от поста управления, осуществляет работу бункер-конвейера в режиме погрузки или разгрузки. Движение тягового органа осуществляется посредством управления четырьмя гидрораспределителями, подающими рабочую жидкость в гидроцилиндры, которые приводят в движение храповый механизм, вал которого приводит во вращательное движение звезду привода. Управление гидрораспределителями производится по срабатыванию датчиков концевого положения штоков цилиндров. Полная загрузка конвейера контролируется датчиком, срабатывание которого приводит к отключению не только самого бункер-конвейера, но и оборудования очистного забоя. В режиме «разгрузка» контролируется движение конвейера участковой линии. Весь объем собранной информации представляется на текстовом мониторе устройства управления и транслируется по каналу телемеханики на поверхность шахты.

Для повышения производительности очистных забоев созданы новые высокопроизводительные станции СНД200/32 и СНД300/40, которые отличаются тем, что:

- система управления позволяет осуществлять как независимую работу насосных агрегатов (каждый агрегат работает на своего потребителя), так и параллельную работу на общего потребителя (при обслуживании высокопроизводительных механизированных комплексов или в составе центральных насосных станций);

- привод высоконапорного, подпиточного и смазочного насосов осуществляется от общего электродвигателя.

Для станций СНД200/32-05 и СНД300/40-05 создана и серийно выпускается аппаратура управления, контроля и диагностики АУСН, которая обеспечивает: выбор режимов управления и работы станции, защиту от перегрева электродвигателей и масла в картерах агрегатов, блокировку станции – при снижении давления подпитки и давления масла в маслосистеме, при повышении давления на сливе, а также при снижении уровня эмульсии и обрыве линии дистанционного управления; информация о работе станции и состоянии контролируемых параметров отображается на текстовом мониторе и передается по каналу телемеханики на поверхность.

Для повышения безопасности, комфортности и производительности труда шахтеров в забое создана аппаратура освещения АО-4, устанавливаемая на механизированных крепях. При ее разработке основное внимание было уделено малогабаритности составных частей, увеличению длины освещаемой лавы и соответствию уровней освещенности действующим нормативам. Для уменьшения габаритов светильников в качестве источника света применена люминесцентная лампа с электронной системой поджига. В качестве питающего напряжения использовано 220 В, что, помимо значительного увеличения длины освещаемой лавы (550 м), дало уменьшение сечения питающего кабеля.

Для повышения освещенности рабочей области были проведены исследования по определению оптимальной формы отражателя и местоположения лампы в корпусе светильника (уровни освещенности очистного забоя приведены на рисунке 4).

Для проходческих комбайнов нового поколения КПД, КПУ, КПЛ, КПА, поддиро-погрузочной машины МПР были разработаны аппаратура диагностики УДПМ и аппаратура управления УПК, размещенные в станции управления горной машиной.

 

Рисунок 4 - Уровни освещенности очистного забоя

 

Новая станция управления проходческими комбайнами представляет информацию о состоянии защит и блокировок комбайна и оснащена аппаратурой УДПМ, осуществляющей управление, контроль и защиту электроприводов комбайна. Аппаратура УДПМ включает в себя блок управления и ряд датчиков. Блок управления встраивается в станцию управления комбайна и имеет связь с аппаратурой управления УПК, разработанной на микропроцессорной технике, что позволяет адаптировать аппаратуру под циклограммы работ гидросистем различных проходческих машин. Аппаратура УПК обеспечивает местное и дистанционное управление, включая радиоуправление, в ней предусмотрен режим работы с двумя дистанционными пультами управления – комбайном и конвейером. Информация о работе комбайна отображается на информационном табло. На рисунке 5 представлена структурная схема системы управления проходческим комбайном.

Для организации ремонтно-профилактических и ремонтно-восстановительных работ на современном техническом уровне с учетом фактического и прогнозного (остаточного) ресурса горной машины разработан блок регистрации произошедших событий БРП, фиксирующий основные параметры режимов работы машины, хронологию событий, их хранение и т.п.

Блок регистрации получает информацию о состоянии горной машины по интерфейсу связи RS-485 от аппаратуры УДПМ и в реальном масштабе времени записывает ее на главный съемный модуль памяти, с указанием текущего времени и даты. Блок регистрирует состояние электродвигателей комбайна и срабатывание их температурных защит, уровня и температуры рабочей жидкости в гидросистеме, предельного давления воды в системе орошения, срабатываний блоков максимальной токовой защиты и др. Общее количество регистрируемых событий – до 128 шт., дискретность фиксации событий – до 60 с, время накопления данных - 5 лет. Собранная информация обрабатывается на поверхности шахты с последующим детальным анализом и выдачей необходимых форм, в том числе с оценкой как отработанного, так и остаточного ресурса машины.

 

 

Рисунок 5 - Структурная схема системы управления проходческим комбайном

Таким образом, значительное увеличение энерговооруженности, обеспечение высоких значений фактических вращающих моментов двигателей за счет использования питающего напряжения 1140 В, внедрение частотно-регулируемого привода подачи очистных комбайнов и двухскоростных двигателей для привода лавных конвейеров, а также внедрение многофункциональных систем управления нового поколения на микропроцессорной технике с высоким уровнем диагностики позволили существенно повысить производительность (в 2,5 - 3 раза по сравнению с серийно выпускаемыми машинами) и улучшить другие эксплуатационные показатели оборудования.

Для оснащения горных машин нового поколения созданы системы автоматизированного управления: устройства КСД27.50, УКВ-650, аппаратуры АУДК, УКСД, УПК, АУК3, УДПМ, АУСН, АО, частотный преобразователь ПЧЭШ-60. Комплектующие изделия (электрооборудование, коммутационная аппаратура, комплекс управления КС500Ч, частотный преобразователь ПЧЭ-120М) разработаны совместно с институтами УкрНИИВЭ, ОАО «Автоматгормаш им. В. А. Антипова», ОАО «Элмис».

Указанные системы управления освоены в серийном производстве заводами Украины. В настоящее время успешно эксплуатируются на шахтах Украины 36 комбайнов КПД, 25 станций КСД27.50, 6 комплектов станций УКВ-650, штрековый преобразователь частоты ПЧЭШ-60. Системы управления горно-шахтным оборудованием нового поколения также находят применение на горных предприятиях России: с 2005 г. на шахтах ОАО «Воркутауголь» и ООО «Южуголь» эксплуатируются проходческие комбайны КПД и КПЛ, на ш/у «Садкинское» в 2007 г. запущен в эксплуатацию второй очистной комбайн КДК500.

 

 

Комплекс средств управления

Очистным комбайном К У о к

Предназначен для управления очистным комбайном УКД300 с частотно-регулируемым… Комплекс КУОК состоит из штрековой части, включающей блок питания и отображения информации, пульт управления комбайном…

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

 

Преобразователь частоты

ПЧЭШ-60

   

Комплекс устройств управления модульный

С преобразователем частоты типаКМ-ПЧ

Комплекс устройств предназначен для управления очистными комбайнами с частотно-регулируемым приводом, а также другими машинами и механизмами (при… Типовый представитель комплекс устройств КМ-ПЧ-150-Д01 предназначен для… Комплекс устройств представляет собой комплект, состоящий из определенного числа модулей. Состав модулей, их…

Комплекс средств управления

Очистными комбайнами кс500ч

Комплекс состоит из штрековой части, включающей пульт управления штрековый и источник питания, а также комбайновой части. Основные параметры и размеры Мощность, потребляемая от сети, В·А, не… Разработчик - ОАО «Автоматгормаш имени В. А. Антипова»

Аппаратура управления комбайнОм КД-А

  Предназначена для управления комбайнами с вынесенной системой подачи (КА80,… Виды климатического исполнения УХЛ5 и Т5 по ГОСТ15150-69.

Аппаратура управления и диагностики УДПМ

  Предназначена для управления, защиты, контроля состояния и технической… Аппаратура УДПМ состоит из блока управления, пультов управления, датчиков, акустических излучателей и концевого…

Аппаратура управления УПК

  Предназначена для управления (в зоне визуального контроля) электро- и… Аппаратура УПК состоит из блока управления, пультов управления комбайном и конвейером, источников питания, приемных…

Аппаратура управления АУСН

  Предназначена для управления, защиты, контроля состояния и технической диагностики насосных станций типа СНД…

Устройство управления УКВ-650

Предназначено для управления, защиты, контроля состояния и технической диагностики двухскоростного электродвигателя скребковых конвейеров в… Устройство обеспечивает: - запуск конвейера по специальному алгоритму, обеспечивающему рациональный (оптимальный) пуск машины в целях…

Устройство управления КСД27.50

Предназначено для управления, защиты, контроля состояния и технической диагностики двухскоростных электродвигателей скребковых конвейеров в… Устройство обеспечивает: - запуск конвейера по специальному алгоритму, обеспечивающему рациональный (оптимальный) пуск машины в целях…

Предназначено для управления, контроля состояния и технической диагностики скребкового конвейера, оснащенного двумя асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором и двумя независимыми обмотками статора (двухскоростными). Исполнение по взрывозащите – РВ 3В Иа.

Комплектное устройство управления КСД27.50 совместно с аппаратурой УКСД-03 обеспечивает:

· выбор скорости двухскоростного электродвигателя;

· включение высокой скорости конвейера только после разгона на низкой скорости;

· включение приводов конвейера с регулируемой выдержкой времени;

· реверсирование;

· защиту от токов короткого замыкания силовых цепей, включая цепи отключенных обмоток;

· защиту от перегрузки двигателей;

· двухуровневую температурную защиту двигателей;

· защитное отключение при заклинивании тягового органа;

· защитное отключение при порыве тягового органа, в том числе при порыве одной из цепей;

· защитное отключение при недопустимом перекосе скребков;

· блокировку, препятствующую включению двигателей при снижении сопротивления изоляции;

· индикацию нагрузки двигателей;

· индикацию относительного отклонения частоты вращения приводной звездочки от номинального значения;

· индикацию причин отключения конвейера;

· запоминание причин отключения конвейера.

Блок регистрации БРП

Блок предназначен для регистрации параметров работы и произошедших событий во время работы проходческого комбайна или другой горной машины.

Блок размещается в электроблоке или другой взрывозащищенной оболочке комбайна и представляет собой комплект, состоящий из блока регистрации, устройства сопряжения с персональным компьютером и программного обеспечения для статистической обработки накопленных данных на ПК. В комплект БРП-01 дополнительно входит блок индикации, для отображения информации на комбайне о ходе работы горной машины и блока. Информацию о состоянии контролируемого объекта блок БРП получает от системы управления горной машины по интерфейсу связи RS-485.Перенос данных с блока на ПК осуществляется посредством съемного модуля памяти, который подключается к ПК при помощи устройства сопряжения.

Для передачи информации о состоянии контролируемого объекта в общешахтную сеть АСУ ТП, блок имеет канал телемеханики.

Основные параметры и размеры

Напряжение питания, В	100-242
Потребляемая мощность блока регистрации при номинальном напряжении питания, ВА, не более:
Интервал фиксации данных, с:
Число регистрируемых каналов, шт, не менее: - аналоговых - дискретных
Время накопления данных, лет, не менее
Тип используемого интерфейса в канале телемеханики	RS-485
Тип модуля памяти для накопления информации	CompactFlash Card Type I/II
Рабочая температура окружающей среды	+4…+50 ºС
Габаритные размеры блока регистрации, мм, не более	185´150´235
Масса блока регистрации, кг, не более

Аппаратура освещения АО

Аппаратура типа АО, АО-01, АО-02, Аппаратура типа АО-04 АО-03, АО-05, АО-06