Автоматизированная система управления тяжелыми экскаваторами циклического действия

Л.Д. Певзнер, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Автоматика и управление в технических системах», Московский государственный горный университет

Проблема повышения эффективности эксплуатации тяжёлых машин открытых горных работ остается актуальной с момента создания этих машин. Решение этой проблемы находят не только в новых методах проектирования рабочего оборудования, в рациональных схемах силовых электроприводов, но и путем использования возможностей автоматизированного управления.

Шагающий экскаваторYдраглайн ЭШ 20/90 в забое

В Московском государственном горном университете на кафедре «Автоматика и управление в технических системах» выполнены исследования по созданию автоматизированного управления технологическим процессом ведения вскрышных горных работ экскаватором-драглайном и добычных работ экскаватором-мехлопатой. Определены функции и задачи управления, разработана структура системы, ее аппаратное, алгоритмическое и программное обеспечения. Выполнены модельные испытания алгоритмов управления, контроля и представления.

Автоматизированная система управления шагающим экскаватором-драглайном (АСУшд) предназначена для выполнения следующих функций:

- автоматическое составление программы отработки забоя и отсыпки отвала;

- автоматическое управление транспортным движением ковша драглайна;

- автоматическое выполнение операции черпания;

- автоматическое обеспечение безопасности движения ковша в рабочем пространстве;

- автоматическая диагностика технического состояния технологического оборудования;

- автоматический диагностический контроль системы управления электроприводами главных механизмов;

- автоматический оперативный контроль и анализ эффективности технологического процесса экскавации драглайна.

Автоматизированная система АСУшд обеспечивает:

- сбор и первичную обработку текущих значений контролируемых показателей технологического процесса экскавации;

- ввод информации от датчиков и первичных преобразователей с последующей обработкой этих сигналов;

- ведение базы данных показателей эффективности;

- формирование сменного, суточного и месячного отчетных документов и представление их на соответствующий уровень внешней системы.

Для реализации функций управления транспортным движением ковша драглайна разработаны алгоритмы:

- формирования рациональной схемы программной отработки забоя и программной отсыпки отвала;

- оптимального и терминального по времени управления траекторным движением ковша на разгрузку и черпание;

- предельно быстрого разворота платформы с гашением колебания ковша;

- недопущения аварийной ситуации при управляемом движении ковша драглайна в рабочем пространстве.

Для реализации функций диагностического контроля технического состояния основного оборудования разработаны алгоритмы:

- автоматической диагностики состояния редукторов главных и вспомогательных механизмов;

- функционального диагностирования состояния систем управления главными электроприводами экскаватора;

- проверки правильности функционирования системы управления электроприводами и локализации места отказа;

- визуализации технического состояния контролируемого оборудования.

Для реализации функций автоматической оценки эффективности эксплуатации экскаватора-драглайна разработаны алгоритмы:

- оперативного вычисления технологических показателей эксплуатации экскаватора-драглайна;

- ограничения предельных динамических воздействий на рабочее оборудование;

- контроля затрат электроэнергии в смену, в сутки, за месяц;

- контроля дисциплины выполнения технологического задания;

- визуализации оперативных показателей для эффективного управления машинистом;

- организации интегрированного массива показателей, ведения базы данных, архивирования основных показателей эффективности эксплуатации экскаватора и составления отчетных документов.

Автоматизированная система АСУшд выполнена в виде трехуровневой модульной системы с жестким распределением выполняемых функций по уровням. Нижний уровень содержит цифровые датчики измерения длин канатов и угла поворота платформы, устройство определения углового отклонения ковша драглайна, идентификатор состояния системы «платформа-ковш на бифилярном подвесе», первичные преобразователи, исполнительные устройства и устройства связи с объектами управления на среднем уровне, где используется промышленный IBM PC совместимый программируемый контроллер бортового исполнения с достаточным числом слотов расширения.

На верхнем уровне системы осуществляется:

- представление программного схемы отработки забоя и отсыпки отвала;

- визуализация результатов процесса экскавации и отсыпки в сравнении с заданием технологического паспорта забоя;

- представление в темпе реального времени ограниченного числа измеренных и вычисленных показателей эффективности эксплуатации экскаватора;

- результаты контроля технического состояния рабочего оборудования;

- предупредительная и аварийная сигнализация;

- архивирование данных, просмотр архивных трендов и подготовка отчетных документов.

Исследовательские испытания подсистем АСУшд:

• Испытания локальных подсистем управления поворотом платформы и траекторным движением проводились в Назаровском разрезе ПО «Красноярскуголь» на ЭШ 20/90 (№114) в 1979–1980 гг.

• Испытания автоматизированной системы управления проводились на разрезе «Октябрьский» ПО «Эстонсланец» на ЭШ 20/90 (№1) в 1986 г.

• Испытания подсистемы диагностирования проводились моделированием в лабораторных условиях в 1995 г.

• Исследовательские испытания интеллектуальных алгоритмов управления проводились математическим моделированием в 2006 году.

Рис. 1 Осциллограмма характеристик управляемого поворота платформы драглайна:
l1(t), l2(t) – длины канатов подъема и тяги; ω(t), e(t) – угол поворота платформы и ошибка выполнения задания; σ(t), ϕ(t) – угол отклонения ковша; iя(t) – ток якорной цепи привода поворота; uз(t) – сигнал задания

На рис. 1 приведены результаты промышленных испытаний макета управляющей подсистемы управления АСУшд – кривые, характеризующие качество отработки углового задания платформой драглайна.

Результаты испытаний АСУшд:

• Сокращение цикла экскавации на 9.8% за счет сокращения длительности транспортирования.

• Сокращение потребления электроэнергии на 4.6% за счет сокращения цикла и улучшения токовой диаграммы.

• Сокращение числа переключений командоаппарата до 20%.

• Cокращения среднего угла поворота платформы в цикле на 1.3%.

• Погрешность вычисления технологических показателей массы и энергии 5–10%, геометрических и временных показателей 1–5%.

Эффективность применения АСУшд:

• Повышение интегральной эксплуатационной производительности, за счет рациональной отработки забоя и отсыпки отвала, сокращения длительности цикла и совмещения операций, снижения электрических потерь в якорных цепях электроприводов, снижения вероятности аварийных ситуаций.

• Повышение эксплуатационной надежности в силу наличия функциональной диагностики состояния электромеханической системы электроприводов.

• Улучшение технологической дисциплины за счет повышения информированности машиниста, автоматического контроля выполнения паспорта экскавации, снижение объемов переэкскавации.

Эффективность автоматизации шагающих экскаваторов (по иностранным источникам):

• Ручное управление является причиной дополнительных потерь в якорной цепи электропривода подъема до 20% (НКМЗ, Украина).

• Эксплуатация информационной системы фирмы McDonnell Douglas Electronic Systems (США) на борту шагающего экскаватора Marion 8200 на угольном разрезе Jim Bridger Coal Mine (США) позволила поднять фактическую производительность на 30%.

Автоматизированная система управления карьерным экскаватором (АСУкэ) предназначена для выполнения следующих функций:

- автоматическое управление транспортным движением ковша мехлопаты;

- автоматическое обеспечение безопасности движения ковша в рабочем пространстве;

- автоматическая диагностика технического состояния технологического оборудования;

- автоматический диагностический контроль системы управления электроприводами главных механизмов;

- автоматическая оценка эффективности эксплуатации экскаватора-мехлопаты.

Автоматизированная система АСУкэ обеспечивает:

- ввод информации от датчиков и первичных преобразователей с последующей обработкой этих сигналов;

- ведение базы данных показателей эффективности;

Для реализации функций управления транспортным движением ковша мехлопаты разработаны алгоритмы:

- планирования рациональной траектории движения ковша из забоя к транспортному средству и обратно;

- алгоритм оптимального по времени управления транспортированием ковша на разгрузку по спланированной траектории;

- алгоритм предупреждения аварийной ситуации при управляемом движении ковша.

- автоматической диагностики состояния редукторов главных и вспомогательных механизмов;

- функционального диагностирования состояния систем управления главными электроприводами экскаватора;

- проверки правильности функционирования системы управления электроприводами и локализации места отказа;

- визуализации технического состояния контролируемого оборудования.

- оперативного вычисления технологических показателей эксплуатации экскаватора-драглайна;

- контроля дисциплины выполнения технологического задания;

- визуализации оперативных показателей для эффективного управления машинистом;

Автоматизированная система АСУкэ выполнена в виде трехуровневой модульной системы с жестким распределением выполняемых функций по уровням. Нижний уровень содержит цифровые датчики измерения длины каната подъема, длины вылета рукояти и угла поворота платформы, первичные преобразователи, исполнительные устройства и устройства связи с объектами управления на среднем уровне, где используется промышленный IBM PC совместимый программируемый контроллер бортового исполнения с достаточным числом слотов расширения.

На верхнем уровне системы осуществляется:

- визуализация результатов процесса экскавации в сравнении с заданием технологического паспорта забоя;

- результаты контроля технического состояния рабочего оборудования;

- предупредительная и аварийная сигнализация;

- архивирование данных, просмотр архивных трендов и подготовка отчетных документов.

Основные результаты:

- Разработана функциональная структура, алгоритмическое и специальное программное обеспечение системы управления транспортными операциями экскаватора ЭКГ-16.

- Выполнены полунатурные исследования в лабораторных условиях на комплексной имитационной математической модели экскаватора ЭКГ-16 как робота манипулятора подсистемы автоматического управления пространственным движением ковша экскаватора.

На рис. 2, 3 показано, как на основании измеренных данных: углового ускорения, скорости и перемещении платформы, механизмов напора и подъема при ручном управлении система спланировала достаточно гладкие задания на автоматическое управление.

На рис. 4 приведены результаты моделирования управляемого движения платформы и рабочего органа карьерного экскаватора, где можно видеть достаточное качество траекторного движения ковша и поворотной платформы экскаватора.

Исследования последних лет:

- Разработаны эффективные алгоритмы интеллектуального управления для выполнения транспортных операций с гашением колебаний ковша, что позволяет осуществлять позиционирование ковша для прицельной разгрузки в любой точке рабочего пространства.

- Интеллектуальные алгоритмы созданы на основе опыта квалифицированных машинистов методами нечеткой логики и нейронных сетей.

- Разработана сетевая структура управления электрооборудованием экскаватора с использованием интеллектуальных силовых ключей и диагностикой их состояния.

- Разработана структура компьютерной системы, для обеспечения вычислительных процессов всех задач АСУшд. Цели и задачи возможного взаимодействия с заинтересованными организациями:

- Создание промышленных образцов бортовых подсистем АСУшд, АСУкэ: управляющей, диагностирующей, информационной.

- Создание промышленных образцов полномасштабных АСУшд, АСУкэ.

- Проведение промышленных испытаний этих систем.

- Проведение необходимого маркетинга изделий.

- Производство и внедрение на вторичном рынке подсистем и самой АСУшд, АСУкэ..