Машинами

 

Актуальным для угольной промышленности Украины является создание и внедрение горных машин нового поколения, существенно превосходящих серийные по техническим характеристикам, производительности, удельному энергопотреблению, ресурсу. Решая эту проблему, в настоящее время разработано горно-шахтное оборудование нового поколения для высокопроизводительных угольных шахт, отвечающее современным требованиям [1, 2, 3]: очистные комбайныУКД300,КДК400,КДК500 и КДК700, скребковые конвейеры типажного ряда КСД, насосные станции СНД100, СНД200/32 и СНД300/40, проходческие комбайны КПД, КПУ, КПЛ, КПА, КПР, поддирочно-погрузочную машину МПР, бункер-конвейер БК250.

Высокий уровень технических параметров, значительное расширение функциональных возможностей машин нового поколения, требования к повышению безопасности их эксплуатации объективно привели к значительному повышению в их составе удельного веса информационных компонент и устройств силовой электроники. Вместе с этим оснащение горных машин многофункциональными системами автоматизированного управления нового поколения с высоким уровнем диагностики, с целью повышения надежности эксплуатации машин, снижения трудоемкости обслуживания и повышения безопасности работы стало важной практической задачей.

Новый уровень требований привел к превращению горных машин из электромеханических систем в мехатронные, характеризующиеся тем, что машины органически содержат «интеллектуальную» составляющую. Последнее обстоятельство играет весьма существенную роль при формировании функционального состава требований систем автоматизации.

Задача разработки системы управления заключается в синтезе функциональной структуры и на ее базе - аппаратной и программной структуры с учетом наличия «интеллекта» в составе мехатронных модулей. Комплекс технических средств управления, как сложная система, должен проектироваться, используя системный подход, сущность которого состоит в комплексном едином рассмотрении всех частей системы и объекта управления (мехатронного модуля). На рисунке 1 представлена структурная схема мехатронного модуля - комбайна (М), включающего систему управления (С). Модемы (Мод 1) и (Мод 2) обеспечивают обмен информацией между информационной компонентой мехатронного модуля (И_М) и внешней системой управления (И_С), а также гальваническую развязку.

Предлагаемая последовательность решения задачи:

- выполняется декомпозиция множества полного состава функциональных требований на подмножества по функциональной ориентации (управления, контроля, блокировок и т.п.) и отнесение функциональных требований к системе управления или к мехатронному модулю;

 

 

 

 

Рисунок 1 - Структурная схема мехатронного модуля:

1, 2, 3… n – периферийные устройства

 

- формируется набор функциональных операторов, необходимых для синтеза структуры системы;

- формируются функциональные модули системы, реализующие конечный набор функций определенного уровня;

- формируются конструктивные модули системы.

Полный состав функциональных требований, определяемых "Правилами безопасности", нормативно-технической документацией, требованиями со стороны эксплуатации, предложениями разработчиков, представляет собой множество Т, которое необходимо распределить между мехатронным модулем и системой управления:

Т = {Т^М, Т^С}.

Процедура декомпозиции множества требований на подмножества Т^М и Т^С является наиболее ответственным и трудоемким этапом в процессе проектирования, т.к. она определяет структуру системы управления, а, следовательно, ее надежностные, стоимостные, эксплуатационные, технологические и другие важные свойства. Наиболее оправданной представляется структура, при которой информационная компонента мехатронного модуля (И_м) выполняет полный состав функциональных требований и через собственный интерфейс связана с периферийными устройствами, входящими в состав системы управления (И_с). Однако реализовать на практике такой подход зачастую невозможно из-за ограничений по габаритам встраиваемых в мехатронные объекты элементов систем управления, недостаточной искробезопасной мощности существующих источников питания при сравнительно большой мощности, потребляемой известными микроконтроллерами, ограниченной скорости передачи информации по существующим линиям связи и т.п. В связи с тем, что в настоящее время формальные способы такой декомпозиции находятся в стадии разработки, эта задача решается эвристическим методом с присущими ему достоинствами и недостатками.

Учитывая сказанное, изложим суть подхода. Все элементы множества требований Т^М разделим на подмножества по функциональной ориентации. Полный функциональный вектор мехатронного модуля:

Т^М = {t_у^м, t_к^м, t_б ^м, t_с^м, t_и ^м, ...},

где t_у^м, t_к^м, t_б ^м, t_с^м, t_и ^м …- подмножества функций соответственно: управления, контроля, блокировки, сигнализации, информации и др.

Каждое подмножество состоит из единичных функциональных операторов t:

t_у^м = { t_у1^м_, ... t_уz^м}

t_к^м = {t_к1^м,... t_кy^м}

t_и^м = {t_и1^м, ... t_иu^м}

…

Полный функциональный вектор для системы управления:

Т^с = {t_у^с, t_к^с, t_б ^с, t_с^с, t_и ^с, ...}

и подмножества функциональных операторов:

t_у^с = { t_у1^с_, ... t_уz^с}

t_к^с = {t_к1^с,... t_кy^с}

t_и^с = {t_и1^с, ... t_иu^с}

…

В таблице представлена таблица соответствия (смежности) множеств функциональных требований объекта управления и системы управления. Функциональные операторы, составляющие множество требований, характеризуются наличием или отсутствием необходимости реализации в объекте или системе управления. Если i-е требование подлежит реализации, то оператор t=1, в противном случае t=0. Множество единичных операторов представляет собой функциональный вектор.

На основании таблицы 1 запишем матрицу генерального функционального вектора для совокупности: мехатронный модуль - система управления (М+С):

t_у1^м... t_уz^м t_у1^с... t_уz`^с

t_к1^м... t_ку^м t_к1^с... t_ку`^с

Т = t_б1^м... t_бх^м t_б1^с... t_бх`^с R | М +С | (1)

t_с1^м... t_cl^м t_с1^с... t_cl`^с

t_и1^м... t_иu^м t_и1^с... t_иu`^с

…

Используя матрицу (1), запишем выражения полного вектора функциональных требований Т^М для мехатронного объекта (М) и для Т^С системы управления (С).

Таблица - Таблица смежности

Множество функциональных операторов	Реализация функциональных операторов
Мехатронный объект (М)	Система управления (С)
По управлению: tу1м... tуzм tу1с... tуz`с
По контролю: tк1м... tкум tк1с... tку`с
По блокировкам: tб1м... tбхм tб1с... tбх`с
По сигнализации: tс1м... tclм tс1с... tcl`с
По информации: tи1м... tиuм tи1с... tиu`с
и т.д. по всем функциональным требованиям.

 

t_у1^м... t_уz^м

t_к1^м... t_ку^м

Т^М = t_б1^м... t_бх^м R | М | (2)

t_с1^м... t_cl^м

t_и1^м... t_иu^м

…

t_у1^с... t_уz^с

t_к1^с... t_ку^с

Т^С = t_б1^с... t_бх^с R | С | (3)

t_с1^с... t_cl^с

t_и1^с... t_иu^с

 

Выражения (2) и (3) представляют собой функциональные модули (ФМ) для интеллектуальной компоненты М и С, т.е. это множества функциональных требований, подлежащих реализации в составе мехатронного объекта (Т^М) и системы управления (Т^С).

Следующий этап проектирования состоит в определении состава конструктивных модулей (КМ) системы, каждый из которых реализует конечный набор функций определенного уровня и представляет собой функционально законченный элемент системы с отдельной конструктивной оболочкой. Основой для построения КМ являются один или несколько функциональных векторов, входящих в состав ФМ.

Формирование КМ осуществляется на основе агрегативно-декомпозиционного подхода, причем на начальных стадиях проектирования важно определить стратегию разработки конструктивов субблоков и оболочек, элементную базу, виды взрывозащиты и т.п.

При декомпозиции ФМ необходимо учитывать и пространственное размещение модулей относительно объекта автоматизации. Это условие представляется весьма важным, например, для конвейеров и конвейерных линий, имеющих значительную пространственную распределенность.

Важным вопросом, возникающим при разработке КМ, является выбор элементной базы. В настоящее время, как известно, может быть применена микропроцессорная элементная база и жесткая логика. Контроллер имеет неизменную структуру и аппаратную реализацию при переменном программном обеспечении. В то же время при решении этих задач на жесткой логике переменной будет аппаратная часть. С учетом этого, на стадии разработки алгоритмов реализации ФМ с учетом затратных критериев, требуемого быстродействия, искробезопасного исполнения и т.п., необходимо выбрать элементную базу. Необходимо разработать критерий выбора соотношения между программными и аппаратными средствами, реализующими функциональные векторы. Один из вариантов определения оптимального соотношения - через затраты для одного и другого способа реализации.

Необходимо определить предельный объем информации, который можно обработать на известных контроллерах. При обработке информации различными способами затраты будут различными. Сравнение вариантов необходимо производить на стадии, предшествующей разработке рабочей документации, например, на стадии разработки алгоритма.

В этом вопросе необходимо тщательно проработать задание исходных данных. Традиционно функциональные требования задаются в виде функциональных операторов, которые не дают возможности оценить ни аппаратные, ни программные затраты для их реализации. Один из вариантов - усредненные показатели, полученные через статистические исследования.