Разработка и исследование автоматизированной системы мониторинга технологического процесса тяжелых экскаваторов-драглайнов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.07, кандидат технических наук Дуань Хунмэй

• Дуань Хунмэй
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дуань Хунмэй

Введение.

1. Анализ и постановка задач исследования

1.1. Анализ работ по автоматизации и интеллектуализации рабочих процессов шагающего экскаватора-драглайна.

1.2. Задачи исследования.

2. Разработка математической модели мониторинга технологического процесса экскавации

2.1. Шагающий экскаватор и технологический процесс как объект автоматического мониторинга.

2.2. Разработка математической модели технологического процесса экскавации.

2.2.1. Модель системы "главные механизмы экскаватора".

2.2.2. Модель технологического движения ковша драглайна.

2.2.3. Модель контроля движения ковша в рабочем пространстве.

3. Разработка алгоритмов автоматического мониторинга технологического процесса экскавации

3.1. Разработка алгоритмов идентификации состояния технологического процесса экскавации.

3.2. Разработка алгоритмов оценки геометрических параметров технологического процесса экскавации.

3.2.1. Определение координат движения ковша драглайна.

3.2.2. Определение параметров вскрышного уступа.

3.3. Разработка алгоритмов оценки эффективности технологического процесса экскавации.

3.3.1. Алгоритм определения производительности экскаватора.

3.3.2. Алгоритм определения массы ковша.

3.3.3. Алгоритм определения энергоемкости процесса экскавации.

3.3.4. Алгоритм определения временных параметров.

3.4. Алгоритм контроля выполнения технологического задания.

4. Экспериментальные вычислительные исследования алгоритмов автоматического мониторинга технологического процесса экскавации тяжелых - драглайнов

4.1. Разработка структуры имитационной модели системы технологического мониторинга.

4.2. Разработка в среде MATLAB/Simulink модели транспортного движения ковша драглайна.

4.2.1. Выбор программных средств для моделирования системы.

4.2.2. Описание пакета прикладных программ.

4.2.3. Модель "электропривод механизма подъема и тяги".

4.2.4. Модель "электропривод механизма поворота".

4.2.5. Модель "поворотная платформа—ковша".

4.2.6. Модель программного управления движения ковша.

4.3. Разработка модели идентификации состояния технологического процесса экскавации драглайна.

4.4. Разработка модели вычисления основных показателей технологического процесса экскавации драглайна.

4.5. Вычислительный эксперимент и анализ результатов исследования системы технологического мониторинга процесса экскавации драглайна.

5. Предложения по технической реализации системы технологического мониторинга.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование автоматизированной системы мониторинга технологического процесса тяжелых экскаваторов-драглайнов»

Основным видом горно-транспортной техники современных карьеров являются крупные карьерные одноковшовые экскаваторы, эффективность эксплуатации которых во многом определяет основные технико—экономические показатели горного предприятия.

Как показывает опыт эксплуатации горной техники на разрезах Российской Федерации и Китайской Народной Республики имеет место значительное недоиспользование производственных мощностей разрезов. Недостаточно высокая эффективность эксплуатации мощных экскаваторов, снижение срока их службы приводит к большим потерям объёма вскрышной горной массы и недоподготовке к выемке полезного ископаемого - вот одна из основных причин недостаточно высокой эффективности разрезов.

Снижение эксплуатационной производительности экскаваторов объясняются недоиспользованием мощности приводов главных механизмов, их скоростных и силовых параметров, нерациональным управлением механизмами при выполнении экскаваторного цикла, недоиспользованием концевой нагрузки экскаватора, нарушениями 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, имеет место противоречие между техническими возможностями высокопроизводительной машины и способностями машиниста, управляющего этой машиной. Это противоречие - характерная особенность нашего времени - рубежа XX века и его возможно разрешить лишь используя методологию и средства автоматизированного управления и контроля. Автоматизированная система управления и контроля содержит своей неотемлемой частью подсистему информационного обеспечения машиниста и технологического мониторинга. Эта система позволит выявить значительные резервы производительности шагающих драглайнов. Система не выводит машиниста из контура управления технологическим процессом, существенно поможет ему уже как оператору рационально в автоматическом режиме управлять процессом экскавации, фиксировать результаты этого процесса, контролировать состояние электромеханических систем экскаватора.

Использование автоматизированной системы управления шагающим драглайном позволит интенсифицировать технологический процесс бестранспортной вскрыши, поднять эффективность эксплуатации экскаваторов, создать условия надежной, безаварийной работы, облегчить труд машиниста, освободить его от напряжения, возникающего при ручном управлении машиной. Очень важно, чтобы машинист экскаватора без потери рабочего времени в требуемый момент мог выдать информацию о технологическом процессе экскавации и сообщить характеристики эксплуатации.

Во время работы машинист экскаватора контролирует технологические параметры забоя визуально, следовательно, погрешность выполнения задания будет значительной, в особенности, если машинист малоквалифицированный и не имеет достаточно опыта работы. Поэтому использование на борту экскаватора системы автоматизированного контроля с использованием ЭВМ позволит предупредить машиниста о возможных ошибках и тем самым избежать дополнительных затрат времени и средств.

Актуальность проблемы создания автоматизированной системы управления и в том числе информационного обеспечения машиниста для контроля за ходом технологического процесса экскавации с одной стороны и системы оценки эффективности эксплуатации с другой стороны была обнаружена наукой и поддержана промышленностью в конце 70 годов. Решение этой проблемы сдерживалось во многом не только отсутствием необходимых развитых бортовых технических средств, но и недостаточно эффективным программным обеспечением управления и контроля. Интерес к проблеме создания и в некоторых случаях опыте эксплуатации подсистем автоматизированного управления технологическим процессом экскавации тяжелых горных машин угольных разрезов и карьеров остается актуальным в настоящее время, что поддтверждают публикации статей и докладов на международных конференциях и симпозиумах по автоматизации в горном деле.

Таким образом, разработка системы технологического мониторинга тяжелых горных машин, алгоритмического, программного и технического обеспечения этой системы, позволяющей расширить технологические возможности экскаватора, поднять его эксплутационную производительность, облегчить труд машиниста, составляет актуальную научную задачу, имеющую важное практическое значение.

Вводить комплексную автоматизацию процесса экскавации необходимо не только на уровне машиниста, но и для других уровней управления. Бригадир, отвечающий за эксплуатацию экскаватора и за его производительность, обязан контролировать работу машиниста.

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 являются разработка математической модели и алгоритмов оценки эффективности и производительности работы тяжелых экскаваторов-драглайнов как основы для создания автоматизированной системы технологического мониторинга тяжелых горных машин.

Основная идея работы состоит в том, что для получения в темпе реального времени исходных данных технологического мониторинга с целью вычисления показателей эффективности эксплуатации тяжелых горных машин, использовать математическую модель технологического процесса экскавации, бортовые измерители, а также само рабочее оборудование машин как инструментальное средство.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна.

• Созданная математическая модель технологического процесса экскавации шагающего экскаватора-драглайна как объекта мониторинга позволяет имитировать основные технологические движения машины как в режиме черпания, так и в режиме транспортирования.

• Разработан новый алгоритм автоматической идентификации технологического состояния процесса экскавации, который позволяет с погрешностью до 3% определять временные интервалы, соответствующие каждому технологическому состоянию процесса.

• Разработанные алгоритмы технологического мониторинга временных, геометрических и энергетических параметров процесса позволяют предупреждать нарушения технологического задания, оценивать эффективность технологического процесса экскавации. • Разработан новый алгоритм определения текущей производительности экскаватора на основе более эффективного алгоритма оценивания транспортируемой массы горной породы в ковше.

Значение работы.

Научное значение работы состоит в том, что разработанные алгоритмы автоматизированного технологического мониторинга экскаватора-драглайна развивают методы автоматизации технологических процессов и, в частности, методы оценки качества технологических процессов тяжелых горных машин.

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

Достоверность положений и выводов. Положения и выводы поручены в результате вычислительного эксперимента разработанных алгоритмов технологического мониторинга с математической моделью объекта управления, адекватность которой реальным процессам подтверждена результатами экспериментальных исследований.

Апробация работы и публикации. Результаты работы и её основные этапы докладывались на: международной конференции "НЕДЕЛЯ ГОРНЖА-99", МГГУ, ( Москва, 1999 ) "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-2000", МГГУ, ( Москва, 2000 ) и на научном семинаре кафедры AT МГГУ. По материалам диссертационных исследований опубликовано 2 статьи.

Диссертационная работа выполнена на кафедре "Автоматики и управления в технических системах" Московского государственного горного университета

Заключение диссертации по теме «Автоматизация технологических процессов и производств (в том числе по отраслям)», Дуань Хунмэй

Заключение

На основании теоретических и экспериментальных исследований в диссертационной работе дано новое решение актуальной задачи разработки и исследования автоматизированной системы мониторинга 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 тяжелого 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 Дуань Хунмэй, 2000 год

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

2. 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.

3. Бучин Н. Р., Ворончихин С. В., Перминов А. С. И ДР // Способ оперативного измерения производительности экскаватора-драглайна // Проект.-конструкт, и НИИ по автоматизации угодной промышльности. -№4300719129-03.

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

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

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

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

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

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

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

11. П.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.

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

13. Knights P. F., Shanks D. Н. // Dragline productivity improvements through short-term monitoring //«Inst. Eng Austral» 1990, №3 с 100-103.

14. Карякин А. Д., Носырев M. В. // Энергетические расчеты главных электроприводов длаглайна с использованием имитационной модели // «Автоматизация и управление технологическими процессами в горной промышленности» Свердловск. 1984., с 35-41.

15. Карякин А. Д., Носырев М. В. // Синтез оптимальной траектории подъема ковша драглайна // «Автоматизация и управление технологическими процессами в горной промышленности» Свердловск. 1985., с 25-30.

16. 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.

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

18. Максимов А. М., Перминов А. С. и др. Автоматизация контроля и учета работы, выполненной экскаватором-драглайном. Институт Гипроуглеавтоматизация. -М. 1988-8. ВЦНИЭИУголь 01,12, 88 № 4763-уп88.

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

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

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

22. Носырев M. В. Троп A. E. // Проектирование электромеханических систем одноковшового экскаватора методами цифрового моделирования // Науч. Основы создания высокопроизводит и комплексномеханизир. карьеров. М., 1980., с 92-93.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

34. Певзнер Л. Д., Теория управления, Учебник для вузов., М., МГГУ, 1999.

35. Певзнер Л. Д., Практикум по теории автоматического управления, М., МГИ, 1991.

36. Певзнер Л. Д., Троеглазов А. И., Фазылов А., Математическая модель "электропривод поворотная платформа - ковш шагающего экскаватора-драглайна". - Изв. вузов. Электромеханика, 1982, №3, с. 314-318.

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

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

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

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

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

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

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

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

45. 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.

46. Певзнер Л. Д. Разработка и исследование на основе бортового вычислительного комплекса автоматизированной системы информационного обеспечения машиниста экскаватора // Отчет ТГРО1880049037 МГИ. 1990г.

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

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

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

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

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

52. Хайрулин P. 3., Певзнер Jl. Д., Горюнов В. Ю, Оптимальное управление движением ковша экскаватора-драглайна, ИПМ им. Келдыша, препр. №72, М., 1998, с. 4-7.

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

54. Шаходжаев JI. ГЦ., 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.

55. 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.

56. 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.

57. Zajac М., 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.

58. Разработка алгоритмического и программного обеспечения автоматизированной системы управления шагающимдраглайном (АСУ-ЩЦ). (Отчет) / МГИ, Шифр темы ТО-7-65, №Г.р. 01.83.0010185; инв. №0285. 0008423., М, 1984, 73 с.

59. SIMULINK. User's Guide. Natick: The MathWorks, Inc., 1998.

60. Using MATLAB; Using MATLAB Graphics; MATLAB Function Reference. Natick: The MathWorks, Inc., 1998.

61. Computer system boosts dragline production // «Can. Mining J.» 1981, 102 №10, с 79-80.

62. Computer monitor boosts dragline production // «World Mining Equipment) 1990, -14, №5, с-41

63. ТАН минци Горные машины для открытых работ, изд. Горная промышленность, 1993.

64. ТЯНБ гуанхуа Справочник основного оборудования по техническим параметрам на карьере Антайбао. 1988.го СУД/, г a гг::-: Е'лБЛИОШmoi