Автоматизированный мониторинг технологического процесса шагающего экскаватора драглайна тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Тайзар Линн

• Тайзар Линн
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тайзар Линн

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР РАБОТ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Обзор и анализ работ по автоматизации рабочих процессов 10 шагающего экскаватора

1.2. Задачи исследования

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ 20 МОНИТОРИНГА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЭКСКАВАЦИИ

2.1. Технологический процесс экскавации шагающего драглайна 20 как объект автоматического мониторинга

2.2. Разработка математической модели технологического 35 процесса экскавации

2.2.1. Модель системы «главные механизмы экскаватора»

2.2.2. Модель технологического движения ковша драглайна

3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ АВТОМАТИЧЕСКОГО

МОНИТОРИНГА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЭКСКАВАЦИИ

3.1. Разработка алгоритмов идентификации состояния 49 технологического процесса

3.2. Разработка алгоритмов оценки геометрических параметров 53 технологического процесса экскавации

3.2.1 .Определение координат движения ковша драглайна

3.2.2. Определение параметров вскрышного уступа и отвала

3.3. Разработка алгоритмов оценки эффективности технологического процесса экскавации

3.3.1. Алгоритм определения производительности 61 экскаватора

3.3.2. Алгоритм определения массы ковша

3.3.3. Алгоритм определения энергоемкости процесса 65 экскавации

3.3.4. Алгоритм определения временных параметров 66 3.4. Алгоритм контроля выполнения технологического задания

4. ИССЛЕДОВАНИЯ АЛГОРИТМОВ СИСТЕМЫ

АВТОМАТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПРОЦЕССА ЭКСКАВАЦИИ

4.1. Разработка имитационной модели системы технологического 72 мониторинга

4.2. Разработка имитационной Simulink модели системы 75 технологического мониторинга

4.2.1. Разработка прикладных программ имитационной модели 76 системы технологического мониторинга

4.2.2. Simidink-MQRQRh «электропривод механизма подъема и 77 тяги»

4.2.3. Simidinк~модень «электропривод механизма поворота»

4.2.4. Simulink-модель «поворотная платформа-ковш»

4.2.5. Simulink-модель программного управления движения 82 ковша

4.3. Разработка модели идентификации состояния 84 технологического процесса экскавации драглайна

4.4. Разработка модели вычисления показателей процесса 89 экскавации

4.5. Экспериментальные исследования системы мониторинга 93 технологического процесса экскавации драглайна

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизированный мониторинг технологического процесса шагающего экскаватора драглайна»

Основной технологией горнотранспортной современных шахты являются крупные горнодобывающие одноковшовые экскаваторы, эффективность работы которых во многом определяет основные технико-экономические показатели горнодобывающих компаний.

Опыт показывает, что эксплуатация горной техники на разрезах Россией, существует значительное недоиспользование разрезов производственных мощностей. Низкая эффективность работы мощных экскаваторов, сокращение срока службы приводит к большим потерям вскрышной горной массы и не доподготовке к выемке полезных ископаемых - это одна из основных причин низкой эффективности разрезов.

Сокращение эксплуатационных производительностей экскаватора волнуются из-за недостаточного использования силовых приводов главных механизмов, их скорости и силовых параметры, плохого управления механизмов в реализации экскаваторного цикла, недостаточного использования концевой нагрузки экскаватора, нарушенной технологической дисциплины.

Кроме того, уровень квалификации машиниста, его индивидуальное психофизическое состояние в течение рабочей смены существенно влияют на показатели работы экскаваторов, что приводит к недоиспользованию технических возможностей этих машин. Одновременно из-за отсутствия достаточного объёма информации о ходе рабочего процесса и дефицита времени зачастую возникают дополнительные динамические нагрузки на оборудование, теряется производительность, повышается вероятность ошибочных действий, ведущих к аварийным ситуациям.

Таким образом, существует противоречие между высокой производительности машины и способности оператора, управляющего машиной. Это противоречие - характерная особенность нашего времени и 5 ее можно разрешить только использование методологии и автоматизированного управления и контроля. Автоматизированная система управления и контроля содержит неотъемлемую часть подсистемы информационного обеспечения оператора и технологического контроля. Эта система будет определять значительный резервы производительности шагающего экскаватсра. Система не выводит машиниста из контура управления технологическим процессом, и поможет ему значительно как оператору рационально в автоматическом режиме управлять процессом экскавации, исправить результаты этого процесса, контролировать состояние электромеханического систем экскаватора.

Использование автоматизированных систем управления для шагающего экскаватора будет активизировать технологического процесса вскрыши бестранспортных, повысить эффективность работы экскаватора, чтобы создать условия надежной, безаварийной работы, облегчить труд оператора, его освобождение от напряжения, которое возникает при использовании ручного управления машиной. Важно, что оператор экскаватора без потерь рабочего времени, в течение необходимого времени может предоставить информацию о технологическом процессе экскавации и сообщить о характеристиках эксплуатации.

Во время работы оператор экскаватора контролирует технологические параметры забоя визуально, следовательно, погрешность выполнения задания будет значительной, особенно если оператор неквалифицированный и не имеет достаточно опыта работы. Поэтому использование экскаватора на борту автоматизированную систему управления с помощью компьютера будет предупреждать оператора о возможных ошибках и тем самым избежать дополнительного времени и стоимости.

Актуальность проблемы создания автоматизированной системы управления, включая информационную обеспечению оператора для монитринга за технологическим процессом экскавации с одной стороны, и системы оценки эффективности эксплуатации с другой стороны было обнаружено наукой и при поддержке промышленности в конце 70-х.

Решение этой проблемы ограничено во многих отношениях не только с отсутствием необходимой современной бортового оборудования, но и недостаточно эффективное управление программным обеспечением и контролем.

Интерес к созданию проблемы, а в некоторых случаях, опыт работы в эксплуатацию подсистемы автоматизированного управления технологическим процессом экскавации горной техники разрезах и карьерах, остается актуальным и сегодня, как это было подтверждено путем публикации статей и выступлений на международных конференциях и симпозиумах по автоматизации в горной промышленности.

Таким образом, разработка системы технологического мониторинга тяжелых горных машин, алгоритмического, программного и аппаратного обеспечения системы, которая позволит расширить технологические возможности экскаватора поднять его эксплуатационную производительность, облегчить труд оператора, составлять актуальную научную задачу, которая имеет важное практическое значение.

Вводить комплексную автоматизацию процесса экскавации необходимо не только на уровне оператора, но и для других уровней управления. Бригадир, ответственный за работу экскаватора и его производительность, обязан контролировать работу оператора. Располагая оперативными данными о текущей и проделанной работе со всех экскаваторов участка, диспетчер и руководитель имеет полную возможность так управлять работой участка или карьером в целом, чтобы поддерживать высокую эффективность его работы.

Целью работы является создание математической модели технологического процесса экскавации, выполняемого шагающим дрглайном, и разработка алгоритмов автоматизированного мониторинга технологического процесса, позволяющих повысить производительность этих горных машин.

Идея работы - использование методов нечеткой логики и математическая модель технологического процесса экскавации как объект мониторинга для формирования эффективных алгоритмов технологического мониторига получения оценок технологических показателей.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна.

• Математическая модель технологического процесса экскавации шагающего экскаватора драглайна позволяет достаточно точно имитировать рабочие движения ковша драглайна, как в режиме черпания, так и в режиме транспортирования, что позволяет использовать ее в качестве объекта мониторинга.

• Fuzzy - алгоритм автоматической идентификации, сформулированный на основе нечеткой логики, позволяет с достоверностью не ниже 0, 95 определять смену состояний технологического процесса экскавации.

• Разработанные алгоритмы автоматизированного мониторинга: определения массы транспортируемой горной породы в ковше, вычисления временных, геометрических и энергетических оценок показателей процесса экскавации позволяют в темпе реального времени с достаточной точностью определять текущую производительность работы, эффективность технологического процесса экскавации, предотвращать нарушения паспорта забоя, улучшить условия эксплуатации мощного драглайна, более эффективно управлять технологическим процессом экскавации.

Научное значение работы состоит в том, что разработанные алгоритмы автоматизированного технологического мониторинга экскаватора драглайна развивают методы автоматизации технологических процессов.

Практическое значение работы заключается в том, что созданные алгоритмы вычисления параметров технологического процесса экскавации являются основой для разработки прикладного программного обеспечения подсистемы мониторинга в АСУТП мощных одноковшовых экскаваторов и автономных автоматизированных систем управления технологическим процессом экскавации.

Достоверность положений и выводов. Положения и выводы получены в результате компьютерного моделирования разработанных алгоритмов мониторинга процесса с математической моделью объекта управления, адекватность, которой подтверждена результатами экспериментальных исследований.

Апробации работы. Научные и практические результаты работы докладывались на международном научном симпозиуме «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-2009, 2010», МГТУ и на научном семинаре кафедры «Автоматики и управления в технических системах» МГГУ.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Автоматики и управления в технических системах» Московского государственного горного университета.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Тайзар Линн

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании теоретических и экспериментальных исследований в диссертационной работе дано новое решение актуальной задачи разработки и исследования автоматизированной системы мониторига технологического процесса тяжелых экскаваторов-драглайнов, что позволит расширить технологические возможности экскаватора, поднять его эксплуатационную производительность, облегчить труд машиниста. Проведенные исследования позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Разработанная математическая модель системы шагающий драглайн -технологический процесс экскавации как объект автоматического мониторинга, включающая математические модели электромеханических систем электроприводов главных механизмов и технологического движения ковша драглайна, достаточно адекватна реальной системе.

2. Сформированная система геометрических, временных и энергетических показателей позволяет характеризовать технологический процесс экскавации шагающего драглайна и оценивать эффективность этого процесса.

3. Разработан новый алгоритм идентификации состояния технологического процесса экскавации, который позволяет с погрешностью не более 3% определять временные интервалы, различая элементы экскаваторного цикла.

4. Разработанная система алгоритмов позволяет достоверно и эффективно определять оценки числовых значений технологических параметров процесса экскавации тяжелого драглайна. Погрешность оценки геометрических и энергетических показателей 5%—10% с доверительной вероятностью 0.95.

5. Разработан новый алгоритм определения состоятельной и эффективной оценки массы груженого ковша, который позволяет с погрешностью не более 3% определять массу породы в ковше драглайна.

6. Разработанные алгоритмы вычисления и представления системы технологических показателей, а также алгоритм идентификации состояния процесса составляют алгоритмическую основу для программного обеспечения системы автоматизированного мониторинга технологического процесса тяжелых экскаваторов - драглайнов.

7. Найденную структуру и алгоритмическое обеспечение автоматизированного мониторинга технологического процесса можно использовать не только для драглайнов, но и для мехлопат и других циклически работающих горных машин для открытых горных работ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тайзар Линн, 2010 год

1. Computer system boosts dragline production «Can. Mining J.v> 1981, 102 №10, с 79-80.

2. Computer monitor boosts dragline production «World Mining Equipment» 1990, -14, №5, с -4.

3. Hrebar Matthew J., Cook J., Htnry C. // Estimating dragline productivity using a graphic microcomputer program // Surface Mining. -1987. -1, -№ 4. -c. 251-255.

4. Knigbts P. F., Shanks D. H. // Dragline productivity improvements through short-term monitoring // «Inst. Eng Austral)) 1990, №3 с 100-103.

5. STMULINK. User's Guide. Natick: The Math Works, Inc., 2008

6. Using MATLAB; Using MATLAB Graphics; MATLAB Function Reference. Natick: The Math Works, Inc., 2008.

7. Zajac M., Skalny A., Szklarski L. // The elements of parallel transformation at computer-aided analysis and control of robot-excavator system in the working process of mineral deposits / // Arch. Mining Sci. -1995 -40. № -2. -c. 117-188.

8. Балаховский M. С, Райтман И. А., Чечеткин А. Б. Опыт обучения машинистов драглайнов оптимальным методам управления: Сб. Технология добычи угля открытым способом (ЦНИЭИуголь), М, 1971,22.

9. Балаховский М, С. Исследование работы шагающих экскаваторов в системе "человек-машина-забой" : Сб. научных, трудов, моского. Инженерно строительного, института. М, МИСИ, 1974, № 120,46-49.

10. Бучин Н. Р., Ворончихин С. В., Перминов А. С. И ДР // Способ оперативного измерения производительности экскаватора-драглайна // Проект.-конструкт.и НИИ по автоматизации угодной промышленности. -№43 00719129-03.

11. Вагоровский B.C. Об эффективности полного использования рабочих параметров драглайнов. Уголь, 1983, № 2, с.24-25.

12. Дружинин А. В., Полузадов В. Н., Бабенко А. Г. Развитие алгоритмов и функции контроля управления мощным экскаватором-драглайном. Изв. вузов. Горный журнал -1993, № 12, с 97-100.

13. Егурнов Г. П., Рейш А. К. Одноковшовые экскаваторы. -3-е изд., перераб. И доп. -М.: Недра, 1965.

14. Залесов О. А., Певзнер JI. Д., Толпежников Л. И. Система автоматического управления шагающими—экскаваторами. «Уголь» 1981 №12. с 26-27.

15. Заяесов О. А., Певзнер Л. Д., Система программного автоматического управления мощными экскаваторами «Научные, основы создания высокопроизводительных, и комплексномеханизированных, карьеров» М. 1980, с 119-122.

16. Игнатьев С. А. Повышение эффективности эксплуатации экскаваторов-драглайнов / Ежегод. Науч. Конф. Молодых ученых. "Полезные ископаемые России и их освоение", Санкт-Петербург, 1996.

17. Игнатьев С. А. // Метод оценки эффективности эксплуатации экскаваторов-драглайнов // Ежегод. Науч. Конф. молодых ученых "Полез, ископаемые России и их освоение", Санкт-Петербург, 1997.

18. Игнатьев С. А. // Алгоритм определения энергетических затрат при выполнения цикла экскаватором драглайном / Ежегод. Науч. Конф молодых ученых "Полез, ископаемые России и их освоение", Санкт-Петербург, 1998.

19. Игнатьев С. А. // Энергетический метод регулирования режима работы экскаватора-драглайна // Сб. трудов молодых ученых / СИПИ. -1998. №2. с 115-118.

20. Карякин А. Л., Носырев М. Б. // Энергетические расчеты главных электроприводов длаглайна с использованием имитационной модели // «Автоматизация и управление технологическими процессами в горной промышленности» Свердловск. 1984., с 35-41.

21. Карякин A. JL, Носырев М. Б. // Синтез оптимальной траектории подъема ковша драглайна // «Автоматизация и управление технологическими процессами в горной промышленности» Свердловск. 1985., с 25-30.

22. Лемясев С. М. Оценка эффективности работы экскаваторов-драглайнов в условиях карьера ОАО "Глинозем" Ежегод. Науч. Конф. молодых ученых "Полез, ископаемые России и их освоение", Санкт-Петербург, 1997.

23. Лемясев С. М. Алгоритм определения энергетических затрет при выполнении цикла экскаватором-драглайном // Ежегод. Науч. Конф. молодых ученых "Полез, ископаемые России и их освоение", Санкт-Петербург, 1998.

24. Максимов А. М, Перминов А. С. и др. Автоматизация контроля и учета работы, выполненной экскаватором-драглайном. Институт Гипроуглеавтоматизация. -М. 1988, ВЦНИЭИУголь 01,12, 88 № 4763-уп88.

25. Максимов А. П., Чайковский Э. Г., Автоматизация процессов экскавации драглайнов // Автоматизация горных работ. -Новосибирск. 1988.-е 39-41.

26. Новожилов М. Г., Кучерявый Ф. И. и др. Технология открытых разработки месторождений полезных ископаемых. М., "Недра" 1971.

27. Носырев М. Б. Троп А. Е. // Проектирование электромеханических систем одноковшового экскаватора методами цифровогомоделирования // Науч. Основы создания высокопроизводит и комплексномеханизир. карьеров. М., 1980., с 92-93.

28. Носырев М. Б. // Выбор мощности электродвигателей привода подъема ковша драглайна с учетом условий эксплуатации «Изв. вузов. Горный журнал» 1983, №2, с 102-108.

29. Носырев М. Б. // Выбор оптимальной схемы работ экскаватора— драглайна// «Изв. вузов. Горный журнал» 1983, № 10, с13-16.

30. Носырев М. Б. // Методика расчета основных конструктивных параметров главных электроприводов драглайна для конкретных условий эксплуатации // .«Изв. вузов. Горный журнал» 1983, №11, с 122-127.

31. Носырев М. Б. // Моделирование процесса отработки забоя экскаватором—драглайном верхним черпанием // «Изв. вузов. Горный журнал» Свердловск. 1983., 13.

32. Носырев М. Б. И ДР. // Аналитический расчет выходных координат главных электроприводов драглайна // «Управление электромеханическими объектами в горной промышленности» Кемерово 1984, с 51-57.

33. Носырев М. Б. // Удельный расход электроэнергии экскаватором— драглайном за период рабочего цикла // «Изв. вузов. Горный журнал» 1987 № 2.

34. Носырев М. Б. // Постановка задачи расчета оптимальных параметров и режимов работы главных электроприводов экскаватора—драглайна // «Изв. вузов. Горный журнал» 1988, № 3.

35. Носырев М. Б. // Расчет производительности экскаватора—драглайна // «Изв. вузов. Горный журнал» 1988, № 6.

36. Носырев М. Б., Дружнин А. В. // Программное обеспечение автоматизированной системы контроля паказателей работыэкскаватора—драглайна на основе микроЭВМ "Электроника С5-21М // «Изв. вузов. Горный журнал» 1989, № 4.

37. Носырев М. Б. // Испытания автоматизированной микропроцессорной системы контроля показателей работы экскаватора—драглайна // «Изв. вузов. Горный журнал» 1990, № 1.

38. Носырев М. Б., Карякин А. Л., Дружнин А. В. // Автоматизированная информационная система учета показателей работы экскаватора-драглайна // «Автоматизация и управление технологическими процессами в горной промышленности» Свердловск. 1986, с 21-25.

39. Облосов В. В., Носырев М. Б. // Математическая модель технологической системы с перевалкой пород драглайном // Ред. Ж. «Изв. вузов. Горный журнал» Свердловск. 1989, с 11.

40. Певзнер JI. Д. Алгоритмический и структурный синтез автоматизированного управления шагающим экскагатором-драглайном, дисс. .д.т.н., М., МГИ, 1987.

41. Певзнер JI. Д., Теория систем управления, Учебник для вузов., М., МГГУ, 1999.

42. Певзнер JI. Д., Практикум по теории автоматического управления, М: Высш. Шк., 2006. -590с.

43. Певзнер JI. Д., Троеглазов А. И., ФазыновА., Математическая модеяв "электропривод поворотная платформа - ковш шагающего экскаватора-драглайна". - Изв. вузов. Электромеханика, 1982, №3, с. 314-318.

44. Певзнер JI. Д., Фазылов А. Оптимальное управление платформой драглайна. «Изв. вузов. Горный журнал» 1981, № 10,с 107-109.

45. Певзнер JI. Д., Толпежников JL И. Алгоритм управления движением ковша экскаватора—драглайна «Изв. вузов. Горный журнал» № 11, с. 121-123.

46. Певзнер JI. Д. и др. Устройства для измерения координат движения ковша экскаватора—драглайна «Уголь» 1982, № 8. с 35-36.

47. Певзнер Л. Д., Динамический контроль систем управления электроприводами главных механизмов шагающего экскаватора «Изв. вузов. Горный журнал» 1984, № 7, с 100-102.

48. Певзнер Л. Д., Алгоритм микропроцессорного управления электроприводом механизма поворота драглайна «Актуальные проблемы организации и управления в горной производстве» Тез. Докл. Науч. Конф, 2-4 алр. 1986, секц. 3 М., 1986, с 37-38.

49. Певзнер Л. Д., Хайновский А. В. // Математическая модель и алгоритм управления движением ковша драглайна // «Изв. вузов. Горный журнал» 1988, № 10, с 108-114.

50. Певзнер Л. Д. // Автоматизированное управление технологическом процессом шагающего экскаватора—драглайна // Проблема комплексного освоения месторождений твердых полезных ископаемых.—М., 1989 с.262-281.

51. Певзнер Л. Д., Сергеев В. Д. // Задача идентификации состояния технологического процесса экскавации // Работотехнических системы в горной промышленности.—М., 1988 с 60-64.

52. Певзнер Л. Д., // Алгоритм и программные средства для микропроцессорной системы контроля движения ковша экскаватора— драглайна // Работотехнические системы в горной промышленности.— М., 1988 с 50-56.

53. Певзнер JI. Д., Разработка и исследование на основе бортового вычислительного комплекса автоматизированной системы информационного обеспечения машиниста экскаватора // Отчет ТГРО188004903 7 МГИ. 1990г.

54. Потемкин В. Г., Система инженерных и научных расчетов MATLAB. -М.: Диалог-МИФИ, 1999, т. 1, 7 с.

55. Потемкин В. Г., Система MATLAB 5 для студентов, М., Диалог-МИФИ, 1998, с. 6-7.

56. Подэрни Р. Ю., Горные машины и комплексы для открытых работ : Учебник для вузов. -2-е изд., перераб. И доп. -М.: Недра, 1985. -544с.

57. Разработка алгоритмического и программного обеспечения автоматизированной системы управления шагающим драглайном (АСУ-ШД) (Отчет) МГИ, Шифр темы ТО-7-65, №Г.р. 01.83.0010185; ига. №0285.0008423., М, 1984,73с.

58. Ржевский В. В., Процессы открытых горных работ: Учебник для вузов. -3-е изд., перераб. И доп. -М.: Недра,1978. -541с.

59. Томаков П. И., Наумов И. К. Технология, механизация и организация открытых горных работ : Учебник для вузов. -3-е изд., перераб. И доя -М.: Изд-во Московского горного института, 1992.

60. Тайзар Линн. Автоматизированный мониторинг технологического процесса шагающего экскаватора. // Горный информационно-аналитический бюллетень 2010, № 2 - С. 118-122.

61. Тайзар Линн. Разработка и исследование автоматизированной системы мониторига технологического процесса шагающего драглайна. Деп. рук. N766 от 02.04.2010 // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2010, 8с.

62. Хайруллин Р. 3., Певзнер Л. Д., Горюнов В. Ю., Оптимальное управление движением ковша экскаватора-драглайна, ИМП им. Келдыша, препр. №72, М., 1998, с. 4-7.

63. Шадов М. И., Определение производительности экскаваторов при бестранспортной системе разработки. Уголь, 1979, № 3, с -29-32.

64. Шаходжаев JI. Щ., Давранбеков У.Ю., Инамов У., Лю С. В. // Пути повышения производительности карьерных мехлопат // Ташк. Политехи. Инс-т. -Ташкент. 1989, -б.-деп. В ЦНИЭИуголь 17,05,89. № 4894-уп 89.

65. Школенок Г. А. Михантьев А. А. // Координатные системы автоматизированного управления процессом транспортирования ковша драглайна // МГУ-М, 1991.-11, -библиотр.: 22 назв. ДЕП. В ВИНИТИ 16,08, 91. №3484-139.

66. Школенок Г. А., Михантьев А. А. // Анализ влияния технологических условий работы драгпайна при построении алгоритма автоматизированного управления процессом копания // МГУ-М, 1991.11, -библиотр.: 22 назв. ДЕП. В ВИНИТИ 16, 08, 91. № 3484-139.