Разработка и исследование системы автоматической стабилизации погонной нагрузки магистрального конвейера тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Дмитриева, Валерия Валерьевна

• Дмитриева, Валерия Валерьевна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дмитриева, Валерия Валерьевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Обзор научно-исследовательских работ по проблеме стабилизации нагрузки ленточного конвейера.

1.1. Обзор работ, посвященных исследованию шахтных грузопотоков

1.2. Обзор работ, посвященных способам регулирования погонной нагрузки конвейера.

1.3. Выводы по главе и постановка задачи исследования.

ГЛАВА 2. Разработка и исследование комплексной модели конвейерной установки.

2.1. Модель движения ленты магистрального конвейера.

2.1.1. Модель конвейера с однобарабанным приводом и натяжным устройством, расположенным в хвостовой части.

2.1.2. Модель конвейера с однобарабанным головным приводом и натяжным устройством, расположенным в головной части.

2.2.Разработка модели частотноуправляемого электропривода магистрального конвейера.

2.2.1. Модель электропривода на основе трехфазного асинхронного двигателя.

2.2.2. Модель частотно-векторной системы управления электроприводом.

2.3. Модель совместного движения конвейерной ленты с приводом.

ГЛАВА 3. Синтез системы стабилизации погонной нагрузки конвейера.

3.1.Синтез регулятора скорости движения конвейерной ленты.

3.2. Синтез структуры задатчика управляющего сигнала.

3.3.Разработка структуры двухконтурной системы стабилизации погонной нагрузки конвейера.

ГЛАВА 4. Синтез регулятора натяжения ленты.

4.1. Модель конвейера для синтеза регулятора натяжения.

4.2. Разработка алгоритма подсистемы стабилизации тягового фактора для конвейера с различным расположением натяжного устройства.

4.3. Синтез регулятора натяжения и исследование подсистемы стабилилизации натяжения.

ГЛАВА 5. Исследования комплексной модели стабилизации погонной нагрузки магистрального конвейера.

5.1. Модельные исследования двухконтурной системы стабилизации погонной нагрузки конвейера.

5.2. Оценка эффективности применения регулирования скорости движения конвейера.

5.3. Комплекс программных средств, разработанный для исследования системы стабилизации погонной нагрузки ленточного конвейера.

5.4. Предложения по технической реализации.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование системы автоматической стабилизации погонной нагрузки магистрального конвейера»

Широкое использование конвейерного транспорта на шахтах и карьерах является одним из важных факторов повышения технического уровня и эффективности функционирования горного производства. В последнее время большинство шахт переходят на поточное и поточно-циклическое транспортирование. Рост грузопотоков и длин транспортирования обусловил необходимость создания высокопроизводительных ленточных конвейеров большой длины и мощности с применением дорогих синтетических и резинотросовых лент. Это приводит к значительному увеличению стоимости конвейерной установки. В настоящее время коэффициент использования таких дорогих установок на горных предприятиях страны составляет в среднем 50.70% по производительности и 60.70% по времени. Такое неэффективное использование конвейерных установок связано и с тем, что поступающие от горных машин грузопотоки обладают значительной неравномерностью по амплитуде и наличием большого числа интервалов отсутствия груза. Это приводит к неоправданным затратам электроэнергии, износу ленты, роликов, увеличению холостого пробега ленты. Таким образом, проблема повышения экономической эффективности конвейерных установок при их эксплуатации на горных предприятиях является актуальной. Один из путей решения этой проблемы состоит в согласовании режимов работы ленточного конвейера с параметрами поступающего на него грузопотока, например, путем применения автоматического управления скоростью движения ленты конвейера в зависимости от текущей величины поступающего на него грузопотока.

Идея работы. Идея работы состоит в разработке алгоритмов управления, основанных на непрерывном отслеживании величины грузопотока, поступающего на конвейер, и изменении скорости движения ленты конвейера пропорционально этой величине таким образом, чтобы загрузка ленты была близка к номинальной.

Цель работы. Целью исследования является разработка структуры системы автоматического управления и алгоритмов управления скоростью движения конвейерной ленты, которые позволят обеспечить рациональную загрузку конвейера насыпным грузом при условии обеспечения беспробуксовочной работы главного привода конвейера при любом изменении скорости движения ленты.

Л Научные положения и их новизна.

1. Разработана математическая модель сложной многомерной системы управляемого движения ленты, динамики натяжного устройства, частотно-управляемого асинхронного электропривода магистрального конвейера, позволяющая исследовать конвейерную установку как единый объект управления, моделировать технологический процесс транспортирования случайного грузопотока и искать решение задачи стабилизации погонной нагрузки конвейера в классе линейных оптимальных регуляторов.

2. Найдены зависимости между технологическими параметрами конвейера, позволяющие стабилизировать натяжения в ветвях ленты, снижая тем самым динамические усилия в ленте, стабилизировать тяговый фактор конвейера в режимах разгона, торможения и движения конвейера с постоянной скоростью.

3. Разработана структура многоконтурной автоматической системы регулирования погонной нагрузки конвейера, стабилизации тяговой способности привода, которая позволяет реализовать алгоритм оптимальной загрузки конвейера, беспробуксовочную работу привода в режимах разгона, торможения и движения конвейера с постоянной скоростью.

4. Разработан алгоритм управления движением ленты, который обеспечивает плавное изменение скорости, соответствующее случайному входному грузопотоку, снижение динамических нагрузок в ленте, уменьшение количества пуско-тормозных режимов, уменьшение холостого пробега ленты.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается корректным применением известных методов математического анализа, теории вероятностей, теоретической механики, теории управления, теории регулируемого электропривода, компьютерного моделирования и достаточной близостью результатов модельного управляемого движения результатам реального движения, взятых с осциллограмм натурных испытаний и движения в производственных условиях.

Научное значение работы состоит в том, что создана новая математическая модель конвейерной установки, которая позволяет адекватно описывать процессы управляемого движения ленты конвейера и исследовать процесс транспортирования горной массы; создан алгоритм и разработана структура двухконтурной системы автоматического ^ управления движением ленты, которая обеспечивает стабилизацию технологически рационального значения тягового фактора и статистически номинальную погонную загрузку полотна конвейера; разработана методика синтеза регулятора в пространстве состояний, который позволяет изменять скорость движения ленты конвейера с оптимальным квадратичным критерием, определяемым свойствами самого конвейера.

Практическое значение работы состоит в том, что разработанные алгоритмы управления позволят повысить эффективность использования конвейерного транспорта как по производительности, так и по времени, приблизив загрузку ленты конвейера к оптимальной. При регулировании скорости снижаются износ ленты и расход электроэнергии, появляется возможность уменьшить ширину ленты и рассчитывать ее не по максимальному грузопотоку, возникающему в отдельные моменты, а по вычисляемому за определенный интервал времени среднему значению. При этом будет обеспечиваться беспробуксовочная работа привода конвейера, что уменьшает динамические усилия в ленте и снижает коэффициент запаса по прочности конвейерной ленты, позволяя выбирать для конвейера менее дорогие типы ленты.

Реализация результатов. Алгоритм управления движением ленты конвейера и предложения по технической реализации системы управления движением приняты к использованию отделом АСУ ЗАО "НВТ-Автоматика" при создании автоматизированных систем доставки угля к угольным складам. Комплексная модель конвейерной установки принята отделом электронных технологий и документооборота ОАО "ВНИИПТмаш" для исследовании динамики при проектировании мощных ленточных конвейеров, алгоритмы управления скоростью конвейера приняты для оценки эффективности регулирования скорости конвейера при определенных типах грузопотоков. Методы составления математических моделей сложных многомерных нелинейных систем в пространстве состояний, анализа и синтеза алгоритмов управления движением приняты для использования в учебном процессе при подготовке дипломированных специалистов по направлению «Автоматизация и управление» Московского государственного горного университета. Разработанная на базе современного программного обеспечения модель движения ленты магистрального конвейера с регулируемым электроприводом, позволяющая исследовать пусковые и тормозные режимы ленточного конвейера, принята на кафедре "Горных машин и транспорта" МГГУ для использования в учебном процессе при проведении лабораторных работ и курсового проектирования.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научном симпозиуме "Неделя горняка " (1998, 2001, 2002, 2003), на семинарах кафедры "Автоматики и управления в технических системах" МГГУ, ЗАО "НВТ - Автоматика", ОАО "ВНИИПТмаш", ФГУП "Гипроуглеавтоматизация".

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в трех статьях и одной брошюре [15, 16, 17 ,18].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 46 рисунков, 15 таблиц, список литературы из 62 наименований и 3 приложения.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Дмитриева, Валерия Валерьевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненное исследование дало новое решение актуальной научно-технической задачи повышения эффективности конвейерного транспорта путем автоматической стабилизации погонной нагрузки магистрального конвейера.

Основные научные и практические выводы и рекомендации, полученные лично автором:

1. При существующем характере транспортных грузопотоков на горных предприятиях повышение эффективности эксплуатации конвейерного транспорта за счет снижения холостого пробега ленты, уменьшения износа ленты и роликов, снижения коэффициента прочностного запаса, увеличения сроков службы ленты, снижения стоимости ленты, снижения энергопотребления возможно лишь при автоматическом управлении загрузкой и натяжением ленты конвейера.

2. Разработанная структура автоматической системы обеспечивает стабилизацию погонной нагрузки, близкую к номинальной, с поддержанием при этом тяговой способности привода в пуско-тормозных и равномерных режимах движения ленты.

3. Разработанный алгоритм позволил согласовать режимы работы конвейера с параметрами случайного грузопотока путем изменения скорости движения конвейера пропорционально средней величине поступающего на него полуминутного грузопотока.

4. Разработанный алгоритм стабилизации погонной нагрузки позволил обеспечить плавное изменение скорости движения конвейера, что существенно снижает динамические усилия в ленте.

5. Предложенное оптимальное управление, учитывающее время перехода конвейера с одной скорости движения на другую и величину задания, обеспечивает наилучшее быстродействие регулирование скорости, ограниченное только собственными свойствами конвейера.

6. Разработанный алгоритм управления автоматическим натяжным устройством благодаря найденным соотношениям между техническими параметрами конвейера позволил обеспечивать в статических и динамических режимах снижение усилий в ленте за счет поддержания заданного соотношения натяжений в ветвях ленты, определяемого формулой Эйлера, что дает возможность применения менее прочных, следовательно, менее дорогих типов лены, снижает износ ленты, устраняет проскальзывание ленты, пробуксовку привода, снижает вероятность аварийной ситуации.

7. Разработанная математическая и инструментальная комплексная модель конвейерной установки, включающая в себя взаимосвязанные модели движения конвейерной ленты, движения натяжного устройства, электромеханической системы управляемого электропривода конвейера, позволила с достаточной точностью исследовать динамические процессы для конвейера с электроприводом, расположенным в головной части и любым типом натяжного устройства, расположенным в любой части конвейера, имитировать процесс транспортирования груза, определять ошибку загрузки в сравнении с номинальной, оценить в итоге эффективность регулирования скорости конвейера при определенных типах грузопотоков, применения автоматической системы

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дмитриева, Валерия Валерьевна, 2005 год

1. FloterW., RippergerH. Die Transvektor-Regelung fur den feldorientierten Betrieb einer Asynchron-maschine. Siemens Zeitschiffc 1971, № 45.

2. L. Pevzner, V. Dmitriev, Y. Babitchev Automatic control of conveyor belt movement under the function of stochastic load. APCOM, 1993.

3. Андриевский Б.Р., ФрадковА.П. Избранные главы теории автоматического управления с примерами из MATLAB. Санкт-Петербург: Наука 1999.

4. Бабенко А.Г. Цифровые системы управления. Екатеринбург, 2003, издательство УГГГА.

5. Белоусенко И.В., Шварц Г.Р., Великий С.Н., Ершов М.С., Яризов А.Д. Новые технологии и современное оборудование в электроэнергетике газовой промышленности. М.: Недра, 2002.

6. Бельфор В.Е. Исследование переходных процессов в многоприводных ленточных конвейерах для горнорудных предприятий. Диссертация, представленная на соискание ученой степени канд. тех. наук. М.,1968.

7. Бернштейн А.И. Об одной задаче оптимизации работы шахтногоконвейерного транспорта. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1988, №5.

8. Бишеле И.В. Выбор рациональных ступеней регулирования скорости конвейера по грузопотоку. Горные машины и автоматика- 1969, №2.

9. Брагин В.В., Шевелев А.Л., Ларичкин Л.Д. Формирование грузопотоков угля из комплексно-механизированных забоев Сб. Научных трудов ассоциации "Кузбасуглетехнология"-1992, №5, стр. 16-29

10. Ю.Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения. М.: Наука, 1991/11 .Виленкин С.Я. Статистические методы исследования систем автоматического регулирования. М.: Советское радио, 1967.

11. Воронов A.A. Основы теории автоматического управления. Ленинград: Энергия, 1970.

12. З.Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем. Санкт-Петербург: Корона принт, 2001.

13. Дмитриева B.B. Математическая модель магистрального конвейера как объекта управления и автоматизации. Горные машины и автоматика. 2001, №7,.

14. Дмитриева В.В. Модель «магистральный конвейер асинхронный привод» и анализ ее динамических процессов. Издательство МГГУ, депозит №348/05-04, 25 марта 2004.

15. Дмитриева В.В. Синтез регулятора натяжения ленты для стабилизации тяговой способности привода ленточного конвейера, ГИАБ, 2004.- №11.

16. Дмитриева В.В., ПевзнерЛ.Д. Стабилизация погонной нагрузки магистрального ленточного конвейера, Издательство МГГУ, препринт, октябрь 2004.

17. Дьяконов В. SIMULINK 4. Специальный справочник. Санкт-Петербург: Питер, 2002.

18. Каталог продукции фирмы Advantech.

19. Квакернаак X., Сиван Р. Линейные оптимальные системы управления. М.: Мир, 1977.

20. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. М.:Высшая школа, 2001.

21. Кравчик А.Э., Шлаф М.М., Афонин В.И., Соболенская Е.А. Асинхронные двигатели. Справочник. М.: Энергоиздат,1982.

22. Лобачева А.К. Исследование и установление параметров и способов регулирования скорости ленточных конвейеров в зависимости от забойного грузопотока. Диссертация на соискание ученой степени канд. тех. наук. М.,1970.

23. Ломакин М.С. Автоматическое управление технологических карьеров. М.: Недра, 1978.

24. Мамалыга В.М. Взаимосвязанная система управления многодвигательными ленточными конвейерами. Диссертация на соискание ученой степени к. т. н. Киев; 1988

25. Математическая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1982.

26. Математические основы теории автоматического управления. Под редакцией A.JI. Чемоданова. М.: Высшая школа, 1971.

27. Медведев B.C., Потемкин В.Г. Control System Toolbox MATLAB 5 для студентов. М.: Диалог-МИФИ, 1999.

28. Мерцалов Р.В. Исследования подземных грузопотоков и установление способов повышения эффективности использования шахтных конвейеров. Диссертация на соискание ученой степени к. т. н. М.,1968

29. Назаренко В.М. Режимы работы автоматизированных ленточных конвейеров рудоподготовительного производства. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук , Днепропетровск, 1990.

30. Назаренко В.М. Режимы работы ленточных конвейеров рудоподготовительного производства с различной скоростью транспортирования. Известия ВУЗов. Горный журнал, 1987, № 11.

31. Певзнер Л.Д. Теория систем управления. М.;2002, издательство МГГУ.

32. Петков О. Н. Разработка и исследование системы автоматического управления скоростью ленточного конвейера по входному грузопотоку Диссертация на соискание ученой степени к. т. н. М.,1984.

33. Пономаренко В.А. Научные основы определения резервов пропускной способности и оптимизация систем подземного транспорта угольных шахт. Диссертация, представленная на соискание ученой степени доктора технических наук. Донецк, 1965.

34. Потемкин В.Г. Система инженерных и научных расчетов MATLAB 5.x. М.: Диалог-МИФИ, 1999.

35. Рудаков В.В., Столяров И.М., Дартау В.А. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. Л.: Энергоатомиздат, 1988.

36. Сандлер A.C., Сарбатов P.C. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями. М.: 1974.

37. Современная прикладная теория управления. Под редакцией Колесникова A.A., Москва-Таганрог: ТРТУ, 2000.

38. Сокотнюк Ю.А. Система автоматического управления наклонным ленточным конвейером, диссертация на соискание ученой степени к. т. н., Днепропетровск, 1990.

39. Солод Г.И. О технологических предпосылках автоматизации конвейеров и конвейерных линий в горнодобывающей промышленности. Сб. "Транспорт горных предприятий" МГИ, 1963.

40. Солод Г.И., Папоян P.JI. Основные технические и технологические предпосылки автоматизации шахтных конвейеров с регулируемой скоростью. Сб. "Механизация и автоматизация рудничного транспорта." № 17, Недра.

41. Солодовников В.В. Введение в статистическую динамику систем автоматического управления. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1952.

42. Спиваковский А.О., Дмитриев В.Г. Теория ленточных конвейеров. М.: Наука, 1982.

43. Сухарев И.А. Управление конвейерными линиями на базе асинхронного электропривода в рамках АСУ ТП, диссертация на соискание ученой степени к. т. н., Воронеж, 2003.

44. Ткач В.М. Опыт разработки и внедрения систем автоматического управления конвейерными линиями. Горный журнал. 1994, №5

45. Ткачев А.П., Чернышев. М.Н., Козарь Н.К. Микропроцессорная система управления конвейерным транспортом. Горная электромеханика и автоматика, 1988, №53.

46. Толпежников Л.И. Автоматизация подземных горных работ. М.: Недра, 1976.

47. Филимонов А.Б. Спектральная декомпозиция систем с запаздываниями. Компенсация запаздываний. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002.

48. Хайруллин Р.З., Певзнер Л.Д., Горюнов В.Ю. Оптимальное управление движением ковша экскаватора-драглайна М., институт прикладной математики им. М.В. Келдыша ,1998.

49. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер A.C. Теория автоматизированного электропривода. М.: Энергия, 1979.

50. Шалыгин A.C., Палагин Ю.И. Теоретические основы моделирования случайных функций. СПб.: изд. БГТУ, 1996.

51. Шахмейстер Л.Г., Дмитриев В.Г. Расчет ленточных конвейеров для шахт и карьеров. М.: издательство МГИ, 1982.

52. Шахмейстер Л.Г., Дмитриев В.Г. Элементы статистической динамики транспортных машин. М.: издательство МГИ, 1970.

53. Шахмейстер Л.Г., Дмитриев В.Г., Лобачева А.К. Динамика грузопотоков и регулирование скорости ленточного конвейера М.: издательство МГИ. 1974.

54. Шахмейстер Ю.Л. Новые средства метрологии для проведения испытаний горно-шахтных машин и оборудования. Научные сообщения ННЦ ГП — ИГД им. A.A. Скочинского №324, 2003.

55. Шахмейстер Ю.Л., Ефименко В.М. Программируемая микропроцессорная измерительная система для контроля качества горного оборудования. 5 Всероссийская научно — техническая конференция "Состояние и проблемы технических измерений". М., 1998/

56. Эпштейн И.И. Автоматизированный электропривод переменного тока. М.: Энергоиздат, 1982.