Разработка и исследования микропроцессорной системы автоматизации процесса копания мощного драглайна тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.07, кандидат технических наук Иконников, Сергей Евгеньевич

• Иконников, Сергей Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Иконников, Сергей Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

НАТЯЖЕНИЯ ПОДЪЕМНЫХ КАНАТОВ.

1.1. Структура и математическая модель экскаваторного электропривода копающих механизмов.

1.2. Структура и математическая модель системы автоматического регулирования натяжения подъемных канатов

1.3. Синтез регулятора натяжения подъемных канатов

1.4. Моделирование системы автоматического регулирования натяжения подъемных канатов в режиме натяжения подъемных канатов.

1.5. Выводы.

Глава 2. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

НАТЯЖЕНИЯ ТЯГОВЫХ КАНАТОВ.

2.1. Структура и математическая модель системы автоматического регулирования натяжения тяговых канатов

2.2. Синтез регулятора натяжения тяговых канатов

2.3. Моделирование системы автоматического регулирования натяжения тяговых канатов в режиме стопорения ковша

4. Выводы 4 Математическая модель процесса копания. 8<

Глава 3. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА

КОПАНИЯ ДРАГЛАЙНА. о. 1.

3.2. Алгоритм управления процессом копания неадаптивной системы автоматизации

3.3. Структура и математическая модель системы автоматизации процесса копания без самонастройки регулятора

3.4. Моделирование системы автоматизации процесса копания без самонастройки регулятора.

3.5. Критерий эффективности и алгоритм управления адаптивной системы автоматизации

3.6. Структура и математическая модель адаптивной системы автоматизации процесса копания

3.7. Моделирование адаптивной системы автоматизации процесса копания

3.8. Выводы.

Глава 4. ПРИНЦИПЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ И ИСБЫТАНЙЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОБРАЗЦА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА КОПАНИЯ.

4.1. Программная и аппаратная реализация управляющего устройства системы автоматизации процесса копания на базе микропроцессорного контроллера

Ремиконт Р

4.2. Физическая модель объекта управления,электроприводов и регуляторов натяжений тяговых и подъемных канатов

4.3. Стендовые испытания экспериментального образца системы автоматизации процесса копания

4.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследования микропроцессорной системы автоматизации процесса копания мощного драглайна»

1, Постановка задачи исследования .

Автоматизация экскаваторов как основных производственных машин при проведении открытых горных работ представляется важной задачей для дальнейшего повышения производительности и рационального использования этих машин.

Наибольший технико-экономический эффект может быть получен при автоматизации всех операций рабочего цикла экскаватора, включая и вспомогательные. Однако для одноковшовых экскаваторов (в том числе и для мощных шагающих драглайнов: ЭШ 20.90, ЭШ 15.90, ЭШ 14.75. ЭШ 10.70) возможность автоматизации всех операций затруднена вследствие значительных изменений условий работы от цикла к циклу, разнообразия возможных конфигураций забоя, условий заполнения и разгрузки ковша и других особенностей. Вместе с этим автоматизация отдельных операций для драглайнов является экономически целесообразной и технически осуществимой.

Автоматизация управления экскаватором-драглайном должна обеспечить оптимальный режим его работы как с точки зрения сокращения длительности цикла, так и снижения динамических нагрузок в рабочем оборудовании и механизмах. Условия оптимизации отдельных операций рабочего цикла драглайна могут быть обеспечены с помощью локальных систем автоматизации, после создания и отработки которых может быть построена система управления всеми операциями.

Опыт эксплуатации мощных экскваторов-драглайнов показывает, что при ручном управлении процессом копания наблюдаются значительные динамические нагрузки на рабочее оборудование.

Автоматическое управление процессом копания должно обеспечивать требуемую производительность экскаватора при допустимых динамических нагрузках на рабочее оборудование. Такое управление процессом копания возможно лишь при условии, что в качестве управляющего воздействия используется усилие натяжения подъемных и усилие натяжения тяговых канатов драглайна и применяются системы автоматического регулирования (САР) натяжения тяговых и подъемных канатов в составе системы автоматизации процесса копания драглайна.

Регулирование натяжения подъемных и тяговых канатов, автоматический выбор слабины подъемных канатов в процессе копания устраняют появление динамических перегрузок рабочего оборудования драглайна, а также устраняется возможность аварийных режимов, связанных с режимом стопорения ковша при копании (для тягового механизма) и с режимами срыва ковша с кромки забоя и отрыва ковша от грунта (для механизма подъема). Это возможно только на основе применения систем автоматического регулирования натяжения подъемных и тяговых канатов экскаватора. В результате значительно увеличивается надежность и долговечность рабочего оборудования драглайна.

Исследования по разработке системы автоматического управления процессом копания экскаватора-драглайна проводились в МТУ, МИСИ, СГУ, Гипроуглеавтоматизация и ряде других институтов.

Однако предложенные системы автоматического управления не являются адаптивными к меняющимся горнотехнологическим условиям и не используют режим настройки параметров регулирования в зависимости, например, от изменения угла откоса забоя, изменения крепости грунта, изменения угла между подъемными и тяговыми канатами и др.

Для повышения эффективности процесса копания драглайна целесообразно разработать адаптивную систему автоматического управления .

На рис.1 представлена функциональная схема адаптивной системы автоматизации процесса копания экскаватора-драглайна. Схема, показанная на рис.1, указывает на то, что система автоматического рис. 1 управления процессом копания включает в себя процесс копания как объект управления ОУ, САР натяжения подъемных канатов САР НПК, САР натяжения тяговых канатов САР НТК и адаптивный регулятор процесса копания РПК. Выходными величинами ОУ, характеризующими процесс копания, являются: толщина срезаемой стружки h, касательная составляющая силы сопротивления грунта копанию Pol, изменение длины подъемных канатов по мере перемещения ковша по забою Д1п. Объект управления ОУ подвержен влиянию возмущающих воздействий, например, ÄGk+го - изменение веса ковша с грунтом, ДКу - изменение коэффициента удельного сопротивления копанию, Дос - изменение угла откоса забоя, Д|л - изменение угла между подъемными канатами и нормалью к поверхности забоя и других факторов. Управляющими воздействиями на ОУ являются усилие натяжения подъемных канатов Sn и линейная скорость тяговых канатов Ут.

САР НТК стабилизирует усилие натяжения тяговых канатов St так, чтобы оно не превышало заданного максимального значения.

РПК представляет собой адаптивный (самонастраивающийся) регулятор, выходной сигнал которого соответствует заданному значению усилия натяжения подъемных канатов Зпзад.

Задача разработки системы автоматического управления процессом копания состоит из:

1) анализа и синтеза САР НПК ;

2) анализа и синтеза САР НТК ;

3) синтеза адаптивного регулятора РПК, который должен автоматически самонастраивать параметры алгоритма управления так, чтобы обеспечить оптимальный режим копания экскаватора-драглайна в соответствии с выбранным критерием эффективности.

Таким образом, научная задача разработки и исследования адаптивной системы автоматизации процесса копания мошдого драглайна, позволяющей повысить эффективность эксплуатации экскаватора, является актуальной.

Целые работы является разработка критерия эффективности процесса копания, алгоритма адаптивного управления, структуры и принципов технической реализации микропроцессорной системы автоматизации процесса копания экскаватора-драглайна и исследования математической модели этой системы.

Идея работы заключается в оптимизации процесса копания по критерию эффективности, в котором учитываются путь копания и суммарные нагрузки в приводе тягового механизма, путем самонастройки параметров регулятора процесса копания на основе минимизации этого критерия.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Методика синтеза регулятора натяжения подъемных канатов, в которой учитывается влияние упругого момента сопротивления в подъемных канатах, и методика синтеза регулятора натяжения тяговых канатов, в которой учитываются условия режима реального стопорения ковша, а также цифровая модель САР натяжения подъемных и тяговых канатов, позволяющие получить настроечные параметры этих регуляторов, при которых обеспечивается уменьшение динамических нагрузок в подъемном и тяговом механизмах э кскаватора-драглайна.

2. Предложенный критерий эффективности управления процессом копания, в котором учитываются путь копания и суммарные нагрузки в тяговом механизме, обеспечивает режим копания с постоянной толщиной стружки за счет регулирования усилия натяжения подъемных канатов в функции усилия натяжения тяговых канатов.

-3. Предложенная структура и принципы технической реализации адаптивной системы автоматизации процесса копания позволяют регулятору процесса копания выполнять функции самонастройки.

Новизна полученных результатов.

1. Предложен новый критерий эффективности процесса копания, учитывающий суммарные нагрузки в тяговом механизме и путь копания, а также способ адаптивного управления процессом копания.

2. Разработана структура адаптивной системы автоматизации процесса копания экскаватора-драглайна, осуществляющей от цикла к циклу поиск минимума критерия эффективности и настраивающей параметры алгоритма управления.

Обоснованность и достоверность полученных результатов.

Результаты работы получены с использованием современных методов теории автоматического управления и математического моделирования. Достоверность полученных результатов подтверждается достаточным совпадением теоретических исследований и стендовых испытаний экспериментального образца управляющего устройства системы автоматизации.

Значение работы. Научное значение работы заключается в создании нового критерия эффективности управления процессом копания, что позволит разработать самонастраивающийся регулятор процесса копания, что развивает теорию автоматизации технологических процессов управления одноковшовыми экскаваторами.

Практическое значение работы заключается в разработке микропроцессорной системы автоматизации процесса копания одноковшовых экскаваторов, методики синтеза ее регуляторов и в разработке принципов технической реализации системы автоматизации.

Новизна и практическая значимость результатов работы подтверждается положительным решением ФИПС на выдачу патента Российской Федерации " Способ управления процессом копания драглайна и устройство для его осуществления " по заявке N 97116369/03 с приоритетом 26.09.1997 г.

Реализация выводов и результатов работы.

Структура адаптивной системы автоматизации процесса копания и методика синтеза регуляторов системы использованы институтом Типроуглеавтоматизация" при проектировании систем управления и аппаратуры контроля и учета работы экскаваторов-драглайнов.

Расчетный годовой экономический эффект от внедрения результатов работы для экскаватора типа ЭШ 20.90 составляет 28.0 тыс.рублей в ценах 1998 года.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на международных симпозиумах 'Торная техника на пороге XXI века" (17-19 октября 1995 г., г. Москва) и "Неделя горняка - 98й (2-6 февраля 1998г., г. Москва), семинарах Московского государственного горного университета.

Публикации.

По теме диссертационной работы опубликованы 4 статьи, получено одно положительное решение на выдачу патента РФ.

Объем и структура диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 65 рисунков, список литературы из 54 наименований и приложения на 35 страницах.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация технологических процессов и производств (в том числе по отраслям)», Иконников, Сергей Евгеньевич

4.4. Выводы.

1. Техническая реализация управляющего устройства системы автоматизации выполнена на базе программируемого микропроцессорного контроллера Ремиконт Р-1ЭЗ. При этом программная реализация управляющего устройства, осуществляющего настройку коэффициента пропорциональности регулятора процесса копания, составлена как для постоянной величины шага поиска оптимального значения коэффициента регулятора, так и для шага поиска переменной величины.

2. Составлены машинные уравнения для реализации электронной модели системы автоматизации, отличающиеся учетом трех составляющих силы сопротивления движению ковша в забое.

3. Стендовые испытания экспериментального образца системы автоматизации показали, что адаптивная система автоматизации выполняет от цикла к циклу автоматическую настройку коэффициента регулятора процесса копания так, чтобы обеспечить оптимальный режим копания драглайна с постоянной толщиной стружки.

4. Проведенные стендовые испытания экспериментального образца системы автоматизации подтвердили результаты теоретических исследований и показали, что наиболее эффективна адаптивная система автоматизации процесса копания, осуществляющая настройку оптимального значения коэффициента регулятора с шагом поиска переменной величины.

На основании теоретических и практических исследований в диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи разработки адаптивной микропроцессорной системы автоматизации процесса копания мощного драглайна, позволяющей повысить эффективность эксплуатации экскаватора и имеющей существенное значение для автоматизации технологического процесса выемки породы на открытых горных работах.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Предложенная методика синтеза аналоговых регуляторов натяжения подъемных и тяговых канатов позволяет получить такие настроечные параметры этих регуляторов, при которых обеспечивается уменьшение динамических нагрузок в подъемном и тяговом механизмах экскаватора- драглайна.

2. Предложенная методика синтеза цифровых регуляторов натяжения подъемных и тяговых канатов позволяет обеспечить заданные показатели качества переходного процесса в дискретных САР натяжения подъемных и тяговых канатов при ограничениях на величину периода квантования, исходя из условий технической реализации.

3. Предложенный критерий эффективности процесса копания, учитывающий путь копания и суммарные нагрузки в тяговом механизме экскаватора, позволяет оптимизировать режим копания с постоянной толщиной стружки, причем алгоритм управления копанием предусматривает формирование усилия натяжения подъемных канатов в функции усилия натяжения тяговых канатов.

4. Предлагаемая самонастройка коэффициента пропорциональности регулятора процесса копания на основании минимизации указанного критерия эффективности обеспечивает адаптивное управление процессом копания драглайна для различных горнотехнологических условий.

5. Управляющее устройство системы автоматизации, техническая реализация которого выполнена на программируемом микропроцессорном контроллере Ремиконт Р-1ЭЭ, представляет собой адаптивный регулятор процесса копания и позволяет производить от цикла к шклу настройку параметра регулятора для оптимизации процесса по результатам оценки критерия эффективности.

6. Проведенные стендовые испытания экспериментального образца разработанной системы автоматизации показали, что система обеспечивает адаптивное управление процессом копания драглайна.

1. Волков д.П. динамика и прочность одноковшовых экскаваторов.

М.: Машиностроение, 1965, 341 с.

2. Волков Д.П., Каминская д.А. динамика электромеханических систем экскаваторов. - М.: Машиностроение, 1971, 384 с.

3. Ключев В.И. Теория электропривода. Учебник для ВУЗов. -- м.: Знергоивдат, 1985, оби с.

4. Ключев В.й. Ограничение динамических нагрузок электропривоза. - М.: Энергия, 1971, 320 с.

G. Залесов O.A., Ломакин М.С. Петере Г.Б. Управление процессом копания драглайна регулированием натяжения подъемных канатов // Изв.ВУЗов Горный журнал, 1975, N4, с.117-118.

6. A.c. 540014 (СССР). Устройство для управления движением ковша драглайна Залесов O.A., Ломакин М.С., Петере Г.Б. -Опубл. в БИ, 1976, N47.

7. Залесов O.A., Ломакин М.С,, Петере Г.Б. Управление электроприводами драглайна при автоматической защите от аварийных режимов /7 Изв.ВУЗов Горный журнал, 1970, N7, с.126-129.

8. Буль Ю.Я., Ключев В.И., Седаков Л.В. Наладка электроприводов экскаваторов. - М.: Недра, 1975, 309 с.

9. Буль Ю.Я., Калашников ЮЛ., Сапилов А. В. и др. Одноковшовые экскаваторы НКмЗ. - м.: Недра, 1978, 312 с.

10. A.c. 1084390 (СССР). Способ управления движением ковша драглайна и устройство для его осуществления Буль Ю. Я., Ломакин М.С., Ромашенков A.M. - Опубл. в БИ., 1983, N13.

11. Ломакин М.С., Ромашенков A.M., Буль Ю.Я., Полянский М.Б., Симонов К).В. Автоматизированная система снижения механических перегрузок в электроприводах копающих механизмов одноковшовых экскаваторов. // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ, 1997, N3, с.173-175.

12. Ломакин М.С., Петеро Г.Б. Синтез системы автоматического регулирования натяжения подъемных канатов драглайна. /7 /7 Изв.ВУЗов Горный журнал, 1978, N11. с. 134-137.

13. Ломакин М.С. Автоматическое управление технологическими процессами карьеров. - М.: Недра, 1978, 280 с.

14. Ломакин М.С. Автоматическое управление процессом копания мощного драглайна /7 Изв.ВУЗов Горный журнал, 1980, N1,

С . О О" О / .

15. A.c. 1333745 (СССР). Способ управления движением ковша драглайна при копании и устройство для его осуществления Ломакин М.С., Ромашенков A.M., Кузубов В.Н. - Опубл. в БИ. 1987, N32.

16. Мартынов М.В., Переслегин Н.Г. Автоматизированный электропривод в горной промышленности. Учебник, 2-е изд. - М.: Недра, 1977, 375 с.

17. Переслегин Н.Г. Демпфирующие свойства электропривода в многомассовых системах с упругими связями /7 Автоматизированный электропривод. - М.: Энергоатомизлат, 1985, и. иЬ-'-ол.

18. Иржак Ю.М. Разработка и исследование системы автоматического управления процессом копания карьерных экскаваторов. Дисс. канд. техн. наук. - Свердловск, 1969.

19. A.c. 592023 (СССР). Система стабилизации натяжения подъемного каната экскаватора-драглайна. Иржак Ю.М., Синицина Г.М., Елисеев В.В., Салихов 8.Г. - Опубл. в БИ., 1978, N11.

20. Иржак Ю.М., Кузнецов В.И. Автоматический выбор слабины подъемного каната экскаватора-драглайна / Изв.ВУЗов

Горный журнал:, 1979, N6, с. 111-116.

21. Иржак Ю.М., Мванков Б.Ф. Кузнецов В.И. Экспериментальные исследования САУ процесса черпания драглайна /7 Изв.ВУЗов Горный журнал, 1980, N5, с.108-112.

22. Симонов Ю.В. Исследование динамических нагрузок электроприводов копающих механизмов одноковшовых экскаваторов, Дисс,канд.техн.наук. - М.: 1976.

23. Полянский м.Б. Разработка и исследование локальных систем автоматизации одноковшовых экскаваторов с электроприводом переменного тока. Дисс.канд.техн.наук. - М.: 1938.

24. Балаховский М.С. Рациональные приемы управления драглайнами на вскрышных работах. - М.: ЦНИИЭИуголь. 1978. 32 с.

25. Балаховский М.С., Ройтман П.А. Чечеткин А.Б. Опыт обучения машинистов драглайнов оптимальным методам управления .

- М.: ЦНИЭИУголь, 1971, 25 с.

26. Мордухович И.Л. Исследование параметров рабочего процесса шагающих драглайнов, - М.: Наука, 1984, 143 с.

27. Ромашенков A.M. Разработка и исследование системы автоматического регулирования натяжения подъемных канатов мощного драглайна. Дисс.канд.техн.наук. - М.: 1982,

28. Демин А,А,, Кузнецов И. П. Кабанов В.И, Совершенствование рабочего оборудования драглайна. - М.: 1990, 90 с.

29. Развитие и повышение производительности драглайнов. - М,: ПНИЙ'ЭМуголь, 1979, 28 с.

30. A.c. 1063950 (СССР). Устройство автоматического управления процессом копания драглайна Ломакин М.С, и др. - Опубл. в БИ, 1983, N48,

31. A.c. 502100 (СССР), Устройство для контроля эффективности управления процессом копания экскаватора Залесов O.A., Киселев В.В., Ломакин М.С. - Опубл. в Ей, 1976, N5,

82. Филатов В.И. Определение времени копания и эквивалентного момента привода тяги при копании ковшом драглайна. /7 Изв. ВУЗов Горный журнал, 1982, N11, с.78 -80,

33. Филатов В,И. Оценка эффективности использования мощного драглайна в задалнных условиях эксплуатации /7 Изв.ВУЗов Горный журнал, 1982, N10, с,83-85, „ '

34. иленев ь.А., Барыкин М.д. » петухов п. А,, юрбин С.Н. Исследование вопросов эффективности локальных АСУ шагающего экскаватора ЗШ 20.90, - Отчет по НИР,НшТЯШАШ ПО Уралмаш, Свердловск, 1987, 40 с.

35. Доморовский Н.Г,.Панкратов С.А. Землеройные машины (часть 1). Одноковшовые экскаваторы. • - М.: Госстройивдат, 1961, 551 с,

36. Доморовский Н.Г. Экскаваторы. - М,: Машиностроение. 1969, 318 с,

37. Ломакин М,С. Динамические нагрузки рабочего оборудования мощных драглайнов и их ограничение средствами автоматики, Дисс.локт.техн.наук. ~ М.: 1987,

38. Ломакин М.С,, Иконников С.Е. Система автоматизации процесса черпания экскаватора-драглайна для разработки обводненных забоев. /7 Горная техника на пороге XXI века. - М.:

МГГУ, 1996, с.383-386,

39. Иконников С.Е. Синтез регулятора натяжения подъемных канатов мощного драглайна. /7 Горная техника на пороге XXI века. - М.: МГГУ, 1996, с.391-397.

40. Бесекерский Б,А., Попов E.II. Теория систем автоматического регулирования. - М, : Наука, 1975, 768 с.

41. Красовский A.A., Поспелов Г.С, Основы автоматики и технической кибернетики, - М.; Госэнергоиздат. 1962, 600 с.

42. Куо Б, Теория и проектирование цифровых систем управления. - М.; Машиностроение, 1986, 448 с,

43. Ломакин М.С,, Косорыгин B.C., Кулешов И,С. Синтез регулятора натяжения тяговыми канатами драглайна. Опубл. М,; МГМ, 1988.

44. Иконников С.Е, Синтез регулятора натяжения тяговых канатов мошного драглайна, /7 Горный информационно-аналитический бюллетень. - м. : МГГУ, 1997, М4, с.107-110,

40. Зпштейн И.И. Автоматизированный электропривод переменного тока. - М.:Энергоиздат, 1982. 192 с.

46. Ломакин М.С., Петере Г.Б. Синтез САР для автоматического управления движения ковша при копании, - Отчет по НИР по теме 10-8-2. Гос. регистр. N 74002607, М.: МГй, 1975, 54 с,

47. Иконников С.Е. Математическое моделирование процесса копания рабочим органом одноковшового экскаватора / рук. деп, М. 1998, 9с: 1 ил. - Библиогр. 2 назв. - в ПНИИТЗИ МПС.

48. Ломакин М.С., Иконников С.Е. Способ управления процессом копания драглайна и устройство для его осуществления, -Положительное решение ШПС на выдачу патента РФ по заявке N 97116360/03 от 26.09.1997 г.

49. Певвнер Л.Д. Проектирование и надежность систем автоматики и телемеханики (часть 1). Проектирование оптимальных к адаптивных систем управления, - М.: МГй, 1979, 80 с.

50. Растригин Л.А, Системы экстремального управления. - М.: Наука, 1974, 630 с.

51. Певзнер В,В., Лахова Н,В,, Никольская Н.В., Прохорова Н.й, Микропроцессорный контроллер Ремиконт Р-130, - М.: НИИтеплоприбор, 1990, 330 с.

52. Иконников С.Е. Критерий эффективности работы экскаватора большой мощности для резания тяжелых грунтов / рук, деп, М. 1998, 3 с; 2 ил, - Библиогр, 3 назв. - в ПНИИТЗИ МПС.

53. Ломакин М.С,, Ромашенков А.М, Система автоматического регулирования натяжения подъемных канатов мощного драглайна. В сб. "Добыча угля открытым способом", ПНИЗИУголь, Н5, 1978

54. Иконников С.Е. Новая система автоматического управления электроприводом экскаватора-драглайна / рук, деп. М., 1998, 11 С; 2 ил. - Библиогр, 4 назв. - в ПНИИТЗИ МПС.

179

Министерство топлива и энергетики РФ