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:
- 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 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.
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;
- 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 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;
- 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.
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..
