автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматическое управление динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании

005010528

На правах рукописи

Самойленко Александр Михайлович

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИМИ НАГРУЗКАМИ В ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ДРАГЛАЙНА ПРИ ЧЕРПАНИИ /^\

Специальность 05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами» (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

9 0ЕЗ Ш

Москва 2012

005010528

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Певзнер Леонид Давидович Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Хайруллин Рустам Зиннатуллович; кандидат технических наук, старший научный сотрудник Травкин Евгений Кузьмич Ведущее предприятие:

ФГУП «Национальный научный центр горного производства -

Институт горного дела имени А. А. Скочинского»

(Московская область, г. Люберцы)

Защита диссертации состоится 28 февраля 2012 г. в 13.00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.128.07 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, д. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан 27 января 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета:

доктор технических наук, профессор Гончаренко Сергей Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность работы. Эффективность использования экскаваторов-драглайнов, являющихся высокопроизводительными и дорогостоящими горными машинами, существенно зависит от того, насколько управление его главными приводами соответствует такому режиму работы, при котором достигается расчетная производительность экскаватора для конкретных горно-геологических условий забоя при допустимых нагрузках в его рабочем оборудовании и электромеханических системах (т.е. электроприводах и механизмах).

В процессе черпания значительные динамические нагрузки в электромеханической системе подъема драглайна возникают при наличии слабины в подъемных канатах в момент отрыва груженого ковша от поверхности забоя или при срыве его с бровки забоя, а в электромеханической системе тяги - при стопорении ковша и при чрезмерном заглублении его в породу, что имеет место при слабине или недостаточном усилии натяжения подъемных канатов.

Для управления процессом черпания машинисту требуется поддерживать определенное натяжение подъемных канатов, а не скорость подъемного механизма. Поддержание определенного натяжения в подъемных канатах за счет регулирования скорости подъемного механизма является затруднительным, поскольку между натяжением канатов и скоростью двигателя нет однозначной зависимости. Поэтому в процессе черпания машинист экскаватора вынужден производить большое количество переключений командоалпаратом электропривода подъема, чтобы обеспечить требуемое натяжение подъемных канатов.

При ошибках машиниста в формировании задающих сигналов для электропривода подъема в подъемных канатах может образуется слабина, которая может привести к возникновению значительных динамических нагрузок в электромеханических системах драглайна.

Так как слабина в подъемных канатах и значительные динамические нагрузки в электромеханических системах драглайна возникают при ручном управлении процессом черпания, то устранение слабины и ограничение динамических нагрузок может быть обеспечено с помощью систем автоматического управления нагрузками драглайна при черпании.

Сравнение различных способов управления процессом черпания драглайна показывает, что рациональным является черпание с постоянной толщиной срезаемой стружки. В результате имеет место равномерная отработка забоя без образования на его поверхности значительных неровностей, что уменьшает время на зачистку забоя.

Поэтому разработка системы автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании, обеспечивающей увеличение эффективности его использования за счет повышения производительности, надежности и долговечности экскаватора, является актуальной задачей.

Целью работы является повышение эффективности использования драглайна, а также надежности и долговечности его оборудования с помощью разработки

структуры и алгоритмов управления сигналами системы автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании.

В работе решаются следующие задачи:

• обоснование требований к системе автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании;

• разработка структуры и алгоритмов управления автоматической системы управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании;

• синтез выбранных регуляторов натяжения подъемных и тяговых канатов драглайна при черпании;

• разработка математической модели системы автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании и исследование ее динамических характеристик при моделировании;

• разработка рекомендаций по технической реализации управляющего устройства системы автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании.

Основная идея работы заключается в реализации в системе автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании каждого из трех режимов управления процессом черпания (автоматического, автоматической коррекции сигналов управления электроприводами и автоматической защиты электромеханических систем от перегрузок) с помощью отдельных замкнутых контуров регулирования натяжения подъемных и тяговых канатов, в которых регулирование натяжения канатов осуществляется по нелинейным зависимостям от текущей длины пути копания и величины усилия в подъемных и тяговых канатах.

Защищаемые научные положения:

1. Реализация трех режимов управления: автоматического, коррекции сигналов управления электроприводами и защиты от перегрузок отдельными замкнутыми контурами регулирования натяжения канатов в системе автоматического управления динамическими нагрузками позволяет повысить эффективность эксплуатации драглайна за счет снижения длины и времени черпания.

2. Включение в структуру системы программных задатчиков натяжения подъемных и тяговых канатов, формирующих алгоритмы изменения заданного натяжения канатов в зависимости от данной длины пути черпания, позволяет компенсировать силы сопротивления перемещению ковша и осуществлять черпание почти с постоянной толщиной стружки.

3. Функциональное ограничение скорости электропривода тяги в зависимости от усилия в подъемных и тяговых канатах обеспечивает снижение динамических нагрузок в электромеханической системе тяги драглайна при черпании.

4. Алгоритм коррекции задания натяжения канатов с учетом длины подъемных канатов до поверхности забоя и усилия в тяговых канатах позволяет

системе управления электроприводом подъема драглайна увеличить усилие внедрения ковша в грунт.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработана структура автоматической системы управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании, отличающаяся тем, что каждый режим управления процессом черпания реализуется отдельными замкнутыми контурами регулирования натяжения подъемных и тяговых канатов;

- разработаны алгоритмы управления системы автоматического управления динамическими нагрузками драглайна, отличающиеся тем, что изменение заданного натяжения канатов формируется по нелинейной зависимости от текущего значения длины пути перемещения ковша по забою, а также тем, что они обеспечивают ограничение скорости электропривода тяги в зависимости от усилия в подъемных и тяговых канатах;

- разработаны структура и алгоритмы управления контуром регулирования минимального натяжения подъемных канатов драглайна, отличающиеся тем, что они обеспечивают увеличение усилия внедрения ковша в породу (за счет опускания на ковш его упряжи).

Обоснованность и достоверность полученных результатов. Научные положения, выводы и рекомендации, представленные в диссертации, базируются на основе теоретических и экспериментальных разработок и исследований систем автоматизации и ограничения нагрузок драглайна и получены с использованием современных методов структурно-алгоритмического синтеза технических систем теории автоматического управления и математического моделирования.

Научное значение работы заключается в разработке новой структуры и алгоритмов управления системы автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании, обеспечивающих повышение эффективности его использования, что развивает теорию АСУ ТП одноковшовых экскаваторов.

Практическое значение работы заключается в том, что разработанная система автоматического управления динамическими нагрузками может быть реализована как на серийно выпускаемых, так и на находящихся в эксплуатации экскаваторах-драглайнах без существенного изменения применяемых на них схем управления его электроприводами подъема и тяги.

Новизна и практическая значимость работы подтверждена тремя патентами РФ на изобретение.

Методические разработки по тематике представленной диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке студентов по специальности 210100 - «Управление и информатика в технических системах», в частности при чтении лекций по курсу «Автоматизация технологических процессов горного производства. Открытая добыча».

Реализация результатов работы. Отдельные части структуры разработанной системы приняты к использованию ФГУП «Гипроуглеавтоматизация». Общая структура системы может быть принята к использованию научноисследовательскими и проектно-конструкторскими учреждениями,

специализирующимися на проектировании и изготовлении систем управления электроприводами одноковшовых экскаваторов-драглайнов. На основании данной системы возможна модернизация эксплуатируемых драглайнов на действующих разрезах.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на семинарах кафедры «Автоматика и управление в технических системах» МГГУ в 2005, 2008, 2010, 2011 гг., и международных симпозиумах «Неделя горняка» (г. Москва, 2005-2011 гг.).

Публикации: по теме диссертации опубликованы 7 научных работ, в том числе 3 статьи в изданиях по перечню ВАК Минобрнауки России.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 28 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 89 наименований и 4 приложения.

Автор работы выражает благодарность научному руководителю профессору Леониду Давидовичу Певзнеру за всестороннюю помощь, а также доценту кафедры АТ МГГУ Анатолию Михайловичу Ромашенкову, продолжившему консультации по теме диссертации после смерти профессора Михаила Сергеевича Ломакина.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, формулируется цель и основная идея работы, кратко характеризуется научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приводится научное значение работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе ставится задача разработки и исследования системы автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах экскаватора-драглайна при черпании, проводится анализ ранее разработанных способов управления процессом черпания драглайна, выявляются существенные преимущества данной разработки перед ними. Дан обоснованный анализ основных ранее разработанных систем автоматического управления, контроля и ограничения нагрузок драглайна при черпании, представленных в трудах отечественных ученых Д.П. Волкова, В.И. Ключева, О.А. Залесова, М.С. Ломакина, А.М. Ромашенкова, ЮЛ. Вуля, Ю.М. Иржака, Л. Д. Певзнера и др.

Анализ различных приемов управления машинистом экскаватора-драглайна представлен в работах М.С. Балаховского, И.Л. Мордуховича, Б.Н. Панева, А.Б. Чечеткина, Л.Е. Тотолина. В этих работах отмечается, что недостаточно квалифицированные действия машиниста при управлении экскаватором часто являются причиной возникновения значительных нагрузок в его рабочем оборудовании и механизмах.

Большинство систем и устройств, предназначенных для ограничения динамических нагрузок рабочего оборудования и механизмов подъема и тяги экскаваторов-драглайнов, устранения слабины в подъемных канатах и автоматизации процесса копания, построены на идее использования для этих целей замкнутой системы регулирования натяжения подъемных канатов. Эта идея впервые была предложена в работах О.А.Залесова, М.С. Ломакина и Г.Б. Петерса.

Этими же учеными было предложено осуществлять регулирование натяжения не только подъемных, но и тяговых канатов.

Ранее предложенная система ограничения нагрузок предполагает режим управления черпанием, при котором заполнение ковша породой обеспечивается без вмешательства машиниста. Структура системы сформирована по принципам построения системы подчиненного регулирования. Для компенсации возрастающего веса ковша при перемещении его по забою предполагается регулировать натяжение подъемных канатов по линейной зависимости от длины пути копания.

Было предложено устройство для управления движением ковша экскаватора-драглайна путем регулирования натяжения его подъемных и тяговых канатов. Принципы построения этого устройства были в дальнейшем использованы для разработок различных устройств и систем ограничения динамических нагрузок электроприводов подъема и тяги, а также автоматизации процесса черпания.

Один из вариантов системы стабилизации натяжения подъемных канатов, обеспечивающий устранение слабины в подъемных канатах, наличие которой может привести к значительным динамическим нагрузкам рабочего оборудования и механизма драглайна, был предложен в другой работе. При уменьшении натяжения подъемных канатов до минимального заданного значения, обеспечивающего отсутствие слабины в подъемных канатах, на вход системы управления электроприводом поступает дополнительный сигнал, компенсирующий управляющий сигнал машиниста и устраняющий слабину в подъемных канатах. Учет влияния тягового механизма на величину усилия в подъемных канатах при перемещении ковша по забою предлагается осуществить включением в структуру системы стабилизации блока вычисления составляющей скорости тяги на подъемные канаты и нелинейный блок коррекции скорости привода подъема. На основании этого была разработана система автоматического управления процесса черпания драглайна, которая предусматривает копание без образования слабины в подъемных канатах. Близкими по теоретическому обоснованию структур и алгоритмов управления систем и устройств ограничения нагрузок экскаватора и их практической реализации к поставленной в настоящей диссертационной работе научной задаче разработки системы автоматического управления нагрузками электроприводов подъема и тяги экскаватора-драглайна в процессе черпания являются разработки и исследования, выполненные в МГИ-МГГУ профессором М.С. Ломакиным. Важным достоинством этих разработок и исследований является то, что большинство теоретических рекомендаций, предложенных в них, нашли подтверждение в результате многочисленных производственных испытаний различных экспериментальных образцов систем и устройств управления процессом черпания экскаватора-драглайна.

В следующей работе была предложена идея использования логического управления при автоматической коррекции управляющих сигналов машиниста, приводящих к образованию слабины в подъемных канатах. В этой работе для устранения слабины в подъемных канатах предлагается использовать замкнутый контур регулирования натяжения подъемных канатов, который взаимодействует с сигналами командоаппарата машиниста через логический блок выделения

наибольшего сигнала управления. При появлении слабины в подъемных канатах через логический блок производится отключение от входа системы управления электроприводом подъема управляющего сигнала машиниста, под действием которого произошло появление слабины в подъемных канатах, и подключение вместо него выходного сигнала регулятора натяжения подъемных канатов.

С учетом того что величина динамических нагрузок в рабочем оборудовании и механизме подъема драглайна зависит от скорости электропривода подъема в структуре устройства для управления движением ковша экскаватора-драглайна, было предложено введение блока ограничения скорости подъемного механизма в зависимости от усилия натяжения подъемных канатов.

Наиболее эффективными из известных устройств и систем автоматического управления динамическими нагрузками рабочего оборудования и механизмов подъема и тяги драглайна при ручном управлении процессом копания представляются другие разработки. Основная идея, использованная в этих работах, заключается в том, что для ограничения динамических нагрузок в каждой из систем управления электроприводом подъема и тяги дополнительно включены два регулятора натяжения канатов. Один из регуляторов взаимодействует через логический блок выделения сигналов с сигналами командоаппарата машиниста и обеспечивает устранение слабины в канатах. Этот регулятор подключается на вход регулятора скорости системы управления электроприводом.

Другой регулятор натяжения канатов взаимодействует через логический блок выделения сигналов с сигналами регулятора тока системы управления электроприводом и обеспечивает устранение перегрузок в рабочем оборудовании и механизмах. Регулятор подключается непосредственно на вход управляемого преобразователя электропривода, что позволяет повысить быстродействие при регулировании натяжения канатов и обеспечить более эффективное ограничение нагрузок в рабочем оборудовании, электроприводах и механизмах экскаватора.

Ранее была предложена структура устройства для управления движением ковша драглайна, в которой предусмотрено регулирование натяжения подъемных и тяговых канатов. Для защиты от стопорения ковша предусмотрено воздействие выходного сигнала датчика натяжения тяговых канатов через нелинейный элемент типа «зона нечувствительности» на вход регулятора натяжения подъемных канатов, что позволяет увеличить величину их натяжения при нагрузках механизма тяговой лебедки, близких к стопорным. Недостатками этой структуры является то, что в ней для реализации режимов автоматического черпания и автоматической защиты используется один регулятор, и то, что для компенсации веса ковша по мере его наполнения с целью регулирования толщины породной стружки принято линейное изменение натяжения подъемных канатов от длины пути копания. Однако изменение веса ковша нелинейно по мере его перемещения по забою. Поэтому имеет место недостаточное заглубление ковша или чрезмерное заглубление. И то и другое снижает производительность.

Для обеспечения копания с постоянной толщиной породной стружки в следующей работе предложена структура устройства управления движением ковша драглайна при черпании, в которой формирование заданного изменения усилия в подъемных канатах производится в зависимости от величины выходного сигнала

регулятора натяжения тяговых канатов. При этом заданная величина усилия в тяговых канатах формируется программным задатчиком в зависимости от длины пройденного ковшом пути копания. Недостатки: линейное изменение натяжения подъемных канатов.

В другой работе предложено устройство для управления рабочим оборудованием экскаватора-драглайна, предназначенное для автоматической коррекции управляющих сигналов машиниста не только с целью устранения слабины в подъемных канатах, но и с целью устранения чрезмерного заглубления ковша, что позволяет снизить динамические нагрузки тягового механизма. Для этого на вход регулятора натяжения подъемных канатов поступает дополнительный сигнал задания, который формируется с помощью функционального преобразователя по нелинейной характеристике в зависимости от усилия в тяговых канатах.

Структуры устройств, предназначенных для защиты тягового механизма драглайна от перегрузок путем увеличения натяжения подъемных канатов при встрече ковша с труднопреодолимым препятствием или при его чрезмерном заглублении в грунт, представлены в других работах. Недостатком таких устройств является подключение регулятора натяжения тяговых канатов на вход логического блока через блок согласования, являющегося ПД-звеном. При таком подключении в подъемных канатах могут возникнуть значительные перерегулирование и колебания.

Перспективной работой по автоматизации процесса черпания драглайна является работа, где для ограничения динамических нагрузок рабочего оборудования и механизмов драглайна используются динамические свойства экскаваторного электропривода переменного тока. Выполненные в работе исследования показали возможность повышения эффективности систем автоматизации на основе электропривода переменного тока по сравнению с системами на основе электропривода постоянного тока, что обусловлено меньшей инерционностью, большой перегрузочной способностью электропривода переменного тока, улучшенной коммутацией электрических машин.

В диссертационной работе на тему «Автоматическое управление динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании» вначале выявляются некоторые факторы трудностей поддержки машинистом драглайна при ручном управлении необходимого усилия натяжения подъемных канатов. При ошибках машиниста в формировании задающих сигналов для электропривода подъема в подъемных канатах образуется слабина, которая может привести к возникновению значительных динамических нагрузок в электромеханических системах драглайна.

Затем для ограничения этих нагрузок в электромеханических системах экскаватора-драглайна при черпании необходимо обеспечить устранение слабины в подъемных канатах и поддерживать их натяжение на уровне, при котором упряжь ковша находится в натянутом положении. Достижение указанной цели предлагается осуществить в режиме автоматического управления процессом черпания путем изменения натяжения подъемных канатов по нелинейной зависимости от величины длины пути копания 5П = /(/к).

Впоследствии заданную величину натяжения подъемных канатов целесообразно автоматически корректировать, если усилие в подъемных канатах недостаточно и происходит значительное увеличение усилия в тяговых канатах из-за чрезмерного заглубления ковша в породу. Этот вопрос решается за счет внедрения в систему режима автоматической коррекции сигналов управления электромеханическими системами подъема и тяги.

И наконец, величину усилия натяжения подъемных канатов необходимо изменять в зависимости от усилия в тяговых канатах 5"п = /(£т) для того, чтобы обеспечить обход ковшом труднопреодолимого препятствия. Устранение перегрузок (нагрузок, близких к стопорным) необходимо обеспечивать с максимально допустимым быстродействием, определяемым в основном коммутационными ограничениями электрических машин - при допустимой величине перерегулирования и колебательности переходного процесса регулирования натяжения канатов. Указанные требования по устранению вышеуказанных перегрузок предлагается реализовать в режиме автоматической защиты электромеханических систем драглайна от перегрузок.

С учетом сказанного при разработке системы автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах подъема и тяги экскаватора-драглайна была поставлена задача реализации при управлении процессом черпания следующих известных режимов:

- автоматического управления процессом черпания;

- автоматической коррекции сигналов управления электромеханическими системами подъема и тяги;

- автоматической защиты электромеханических систем от перегрузок.

При реализации указанных режимов драглайна должно быть обеспечено устранение недостатков, которые имеют место при ручном управлении процессом черпания и применении известных систем его автоматизации.

Основными вопросами, рассматриваемыми в работе, являются:

1.Обоснование требований к автоматической системе управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании. •

2.Разработка структуры и алгоритмов управления системы.

3.Синтез регуляторов натяжения подъемных и тяговых канатов.

4.Исследование динамических характеристик системы при ее моделировании.

Вторая глава посвящена разработке структуры и алгоритмов управления

системы автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании.

Главным требованием, предъявляемым к системе автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах подъема и тяги драглайна при черпании, является повышение производительности экскаватора и снижение динамических нагрузок в его рабочем оборудовании и электромеханических системах драглайна, по сравнению с ручным управлением процессом черпания.

Выполнение этого требования предлагается осуществить путем реализации трех режимов управления процессом копания: автоматического, автоматической

коррекции сигналов управления электроприводами, автоматической защиты электромеханических систем от перегрузок.

К разрабатываемой в диссертационной работе системе автоматического управления динамическими нагрузками предлагается применить также требование необходимости ограничения не только скорости электропривода подъема при слабине в подъемных канатах, но и ограничение скорости электропривода тяги в зависимости от усилия в подъемных и тяговых канатах.

Выделение при управлении процессом черпания трех отдельных режимов обосновывает рекомендацию о том, что структура разрабатываемой системы автоматического управления динамическими нагрузками должна содержать независимые контуры регулирования натяжения подъемных и тяговых канатов. Каждый контур регулирования содержит свой регулятор, что позволяет реализовывать на них различные законы управления и обеспечивать их независимую настройку в соответствии с требованиями, предъявляемыми к качеству процесса регулирования в соответствующем режиме управления процессом черпания. При таком построении структуры системы обеспечивается наибольшая эффективность ее работы, так как учитываются особенности каждого из возможных режимов управления процессом черпания.

Разработанная структура системы автоматического управления динамическими нагрузками драглайна для режима автоматического режима управления процессом черпания представлена на рис. 1, где: СУТ и СУП - системы управления электроприводами тяги и подъема, содержащие соответствующие регуляторы скорости и тока; МТ и МП - электродвигатели механизмов тяговой и подъемной лебедок; ДПК - датчик пути копания; ПЗТ, РНТ1 и ДНТ - программный задатчик, регулятор и датчик натяжения тяговых канатов; ПЗП, РНП1 и ДНП - програми^яый задатчик, регулятор и датчик натяжения подъемных канатов; УПТ и УПЛ -управляемые преобразователи электроприводов тяги и подъема; ЗНПо — задатчик начального натяжения подъемных канатов.

Рне. 1. Структура системы автоматического управления динамическими нагрузками драглайна для режима автоматического режима управления процессом черпания

В режиме автоматического управления напряжение задания на входе регулятора РНП1 определяется выражением

^ЗРИШ = ^знп0 + ^пзп (1)

где г/знп напряжение на выходе задатчика ЗНПо, соответствующее

минимальному натяжению канатов, при котором слабина в них отсутствует; 5п0 =СуП, (вулр - вес упряжи ковша); [/пзп = ,У[Ш - напряжение на выходе

программного задатчика ПЗП, соответствующее заданному программному изменению натяжения при черпании.

Характеристика программного изменения заданного натяжения подъемных канатов в зависимости от пути копания 51Ш (У,<) представлена на рис. 2, где / -

текущее значение длины пути копания; - значения длины пути копания, при

которых происходит изменение крутизны характеристики; )- значения

заданного натяжения подъемных канатов при /к

из- ~К0ЭФФиЦиенткрутизны

характеристики.

Упзп(/к)эЗпзп(Л), В

Рис. 2. Характеристика программного изменения заданного натяжения подъемных канатов в зависимости от пути копания Хгв[1 (/к)

В соответствии с рис. 2 алгоритм формирования заданного программного изменения натяжения подъемных канатов в зависимости от длины пути копания определяется выражением

*ШП (Іу.) -

О, при I =0 Ко

^п1(/к-/к„Апри/ІС0</к </Кі

КП1 +К„ (І -I ), приI <1 <I 1 К 2 к к/ к к2

Кп І +Ки (I -/ ) + Кп (І -I ),при1 <1 <1 П1 К 2 к к/ V к к, у к, к

(2)

Характеристика программного изменения заданного натяжения тяговых канатов 5ПЗТ(/К)представлена на рис. 3, где КТиз - коэффициенты крутизны

характеристики; 5гат1/ ) - значения заданного натяжения тяговых канатов при

В соответствии с рис. 3 алгоритм формирования заданного программного

С/ПЗТ(/к)зг5пЗТ(/к), В 5пзт(1к)----------------

Зпзт(/ка) - -

5пзт(/кі) - -5пзт(/ко)

/Ко

/Кг ІКз=ІК ицпк=к, В

Рис. 3. Характеристика программного изменения заданного натяжения тяговых канатов

изменения натяжения тяговых канатов в зависимости от длины пути копания определяется выражением

Разработанная структура системы автоматического управления динамическими нагрузками драглайна для режима автоматической коррекции сигналов управления электроприводами подъема и тяги представлена на рис. 4, где РНП1 и РНП2 -регуляторы натяжения подъемных канатов; РНТ1- регулятор натяжения тяговых канатов; ДНП и ДНТ- датчики натяжения подъемных и тяговых канатов; ЛБШ и ЛБТ1 - логические блоки выделения сигналов управления электроприводами подъема и тяги; БОСП и БОСТ - блоки ограничения сигнала задания скорости электроприводов подъема и тяги; СУП и СУТ - системы управления электроприводами подъема и тяги; ЗСП и ЗСТ - задатчики скорости электроприводов подъема и тяги; УПП и УПТ - управляемые силовые преобразователи электроприводов подъема и тяги; МП и МТ - двигатели

электроприводов подъема и тяги; ЛП и ЛТ - лебедки подъемного и тягового механизмов; ФП - функциональный преобразователь.

Автоматическая коррекция сигналов управления электроприводом подъема обеспечивается с помощью логического блока выделения наибольшего сигнала ЛБП1, на входы которого поступают выходные напряжения

Алгоритм изменения напряжения на выходе блока ЛБП1 определяется следующим выражением:

Если С/Зсп > итт и ихп > итт, то процесс копания осуществляется в ручном режиме. Когда итщ > изсп и итт > 1/РНП2, тогда обеспечивается автоматический режим управления черпанием.

$ЮГ(1к Л при / =0

к0 к0

(3)

Рис. 4. Структура системы автоматического управления динамическими нагрузками для реокима автоматической коррекции сигналов управления электроприводами подъема и тяги драглайна при черпании

Характеристика изменения выходного напряжения функционального

преобразователя в зависимости от усилия в тяговых канатах {/ФП(5'Т)

представлена на рис. 5.

£/фП

Рис. 5. Характеристика изменения выходного напряжения функционального преобразователя в зависимости от усилия в тяговых канатах и

На этом рисунке: и9П = 5гак - напряжение на выходе функционального

преобразователя, соответствующее заданному усилию в подъемных канатах в режиме автокоррекции; - заданное натяжение в подъемных канатах при

£тадк; 5Т[2з - значения усилия в тяговых канатах, при которых происходит

изменение крутизны характеристики; - коэффициенты изменения крутизны

характеристики; 5Тк - значение усилия в тяговых канатах в конце копания.

В соответствии с 5ПЗК(5'Т), характеристикой, представленной на рис. 5,

алгоритм формирования заданного натяжения в подъемных канатах в режиме автокоррекции определяется выражением

5„зкГ5т; =

О, при 5Т < 5Х|

КК1 (5Т ■« , ), при 5Т( -< 5Т 2 5^

*к, № * 8Ті) + Ккг («Ут - ), при .$'т^ -< 5Т < 5.^

+ + -8Т ), при5Т ^.<5Т

(5)

Ограничение скорости электропривода при выборе слабины канатов обеспечивается блоком ограничения БОСП, напряжение на выходе которого является напряжением задания для регулятора скорости РСП и изменяется в соответствии с выражением

= \Гп0,»Р“$п <5п0

<ОСП

(6)

где с/В0СП = £/ЗРСП - напряжение на выходе блока БОСП, равное напряжению задания для регулятора скорости подъема; КПо =(0.25,...,0.3)ГПц - скорость выбора слабины подъемных канатов; - номинальная скорость подъемных канатов.

Характеристика ограничения заданной скорости электропривода подъема (тяги) в зависимости от усилия в подъемных канатах показана на рис. 6;

^--1 БОСП ^*"1» ® Л

(^ЪОСГ= ^г) Гто 1 к V'.Пном, (Ї^Тном)

Упо «слабина»

і

ия

^п-В

Рис. 6. Характеристика ограничения заданной скорости электропривода подъема (тяги) драглайна в зависимости от усилия е подъемных канатах Для ограничения скорости электропривода тяги, в зависимости от усилия в подъемных канатах, в структуру системы ограничения нагрузок введен блок ограничения скорости тяги ВОСТ.

Алгоритм изменения выходного напряжения этого блока, являющегося задающим сигналом для регулятора скорости тяги РСТ, определяется выражением ГГ0.3,...,0.4Ж ,пРи5л<5п ^ост№,; = ^зрст Нк пм/Тя ' (7)

где Кгнон - номинальная скорость тяговых канатов в номинальном режиме; 5По -

усилие в подъемных канатах, при котором в них отсутствует слабина.

Напряжение задания для регулятора скорости тяги ограничивается также в зависимости от величины усилия в тяговых канатах:

где ,?т - стопорная величина усилия в тяговых канатах; 51 - усилие в тяговых

ст тотс

канатах, соответствующее точке «отсечка» на экскаваторной характеристике механизма тяги; Ят - промежуточное значение усилия в тяговых канатах.

Характеристика ограничения заданной скорости электропривода тяги в зависимости от усилия в тяговых канатах показана на рис. 7,

и г, осг-^.В |

КтнОМ —

Кт,

Яг = Яг ж 5^, С/дат- 5т* В

Рис. 7. Характеристика ограничения заданной скорости электропривода тяги драглайна в зависимости от усилия в тяговых канатах

Разработанная структура системы автоматического управления динамическими нагрузками драглайна для режима автоматической защиты электроприводов подъема и тяги от переірузок представлена на рис. 8, где СУП и СУТ - системы !

управления электроприводами подъема и тяги; РНПЗ, РНП4 - регуляторы натяжения подъемных канатов; ЛБП2, ЛБПЗ - логические блоки выделения

сигналов управления электроприводом подъема; 3[БТ2 - логический блок

выделения сигналов управления электроприводом тяги; УПП и УПТ - управляемые і

преобразователи электроприводов подъема и тяги; ДНП и ДНТ - датчики натяжения подъемных и тяговых канатов; ЗНПм и ЗНТм - задатчики максимального натяжения ПК и ТК; НЭ - нелинейный элемент.

Характеристика изменения напряжения на выходе нелинейного элемента НЭ в зависимости от усилия в ТК представлена на рис. 9.

Выходное напряжение НЭ изменяется по нелинейной характеристике типа «зона нечувствительности» в соответствии с выражением , ч I 0, при < 5ч,

(УНЭ(Х)=Ь, р м о , (9)

(из рнПЗ * ПРИ 5т ^ 5’г,м

где ию = £/ЗРНШ - напряжение на выходе нелинейного элемента, равное напряжению задания на входе регулятора РНПЗ; 5.,. = Я?, - усилие в тяговых канатах, при

котором осуществляется перевод системы автоматического управления динамическими нагрузками в режим защиты электропривода тяги от перегрузок.

Рис. 8. Структура системы автоматического управления динамическими нагрузками драглайна для режима автоматической защиты электроприводов подъема и тяги от перегрузок при черпании

• ‘ инэ. в

Ш РНПЗ

£>тзм ицит в Эт, в

Рис. 9. Характеристика изменения напряжения па выходе нелинейного элемента НЭ в зависимости от усилия в тяговых канатах драглайна

Алгоритм выделения сигнала основан на сравнении усилия в тяговых канатах с его заданным значением, в соответствии с выражением

= maxj

ГГ \ < “ РНШ ’ -1 ТЗМ

Х( РНШ’ т’)“1с/ртп,ПрИ5т<5Пм ' (10)

На основании разработанных структур системы автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах экскаватора-драглайна для режимов автоматического управления черпанием, автоматической коррекции сигналов управления электроприводами подъема и тяги и автоматической защиты электроприводов от перегрузок, представленных на рис. 1,

4, 6, в диссертации была разработана обобщенная структура системы автоматического управления динамическими нагрузками в электроприводах и механизмах подъема и тяги драглайна при черпании, представленная на рис. 10.

Алгоритмы управления системы автоматического управления нагрузками электромеханических систем драглайна при черпании приведены в табл. 1.

Для улучшения внедрения ковша в породу возникает необходимость опускания на ковш его упряжи с целью увеличения усилия внедрения. Таким образом, при разработке крепких пород возникает необходимость регулирования минимального натяжения в подъемных канатах в начале черпания. В диссертационной работе были разработаны структура и алгоритмы управления замкнутого контура

регулирования минимального натяжения подъемных канатов при разработке забоев с крепкими горными породами.

Рис. 10. Обобщенная структура системы автоматического управления динамическими нагрузками в электроприводах и механизмах подъема и тяги драглайна при черпании

Табл. 1. Алгоритмы управления системы автоматического управления динамическими нагрузками электромеханических систем драглайна при черпании

Блок Алгоритм

Логический блок ЛБШ ^льпі = гаах(С/Р)]П1, и?нт, £/зсп)

Логический блок ЛБП2 . , л | ^РНПЗ’ ПРИ < ^тзм лего -иах^рнпз.^ртп)-

Логический блок ЛБПЗ ,, . .. ч I ^ЛБП2> -^гам; ^ЛБГО ~т1П( ЛЕГВ’^РНГм)- | 7/ V V РНП4’ °П * ПЗМ>

Логический блок ЛБТ1 ^леп = тах(азш, £/ШТ1)

Логический блок ЛБТ2 1 иртр 5 при ижТ1 = шш (ит, и?яп ) = / 3« ІС'етш» ПРИ Ат >йтэм

Логический блок БОСП ҐКП , ; ГГ Т Т _ 1 “о 11 “о БОСП и 3 РСП ~' ] Т/ О V, П 'Пд ’ — ^П0 ’

Блок ограничения скорости БОСТ )кт , 5П <5П \>*а 4 ‘ном 11 п0 ((°’->КН0М.5'т ^5тст.; ^юст^тИ 0.5КТном> 5Т<0; [0, = 5

Анализ возможных условий, при которых производится черпание, позволяет выделить два ограничения, накладываемых на возможность образования слабины в

подъемных канатах при использовании замкнутого контура регулирования минимального натяжения подъемных канатов:

1) образование слабины в подъемных канатах не допускается при верхнем черпании - во избежание аварийного режима (срыв ковша с бровки забоя);

2) образование слабины в канатах не допускается при наполнении ковша до уровня, когда веса ковша с породой будет достаточно для обеспечения требуемого заглубления ковша в грунт.

Структура контура регулирования минимального натяжения подъемных канатов при копании крепких пород представлена на рис. 11, где ЗНПо, РНП и ДНП - задатчик, регулятор и датчик натяжения ПК; ЛБ - логический блок выделения сигнала управления приводом подъема; УПП - управляемый преобразователь электропривода подъема; БОСП - блок ограничения скорости подъемного механизма при выборе слабины в подъемных канатах; СУП - система управления электроприводом подъема; ЗСП - задатчик скорости электропривода подъема (командоаппарат машиниста); ЗДКо и ДДК - задатчик и датчик длины подъемных канатов; К1 и К2 - первый и второй компараторы; УК1 и УК2 - первый и второй управляемые ключи; СЭ - согласующий элемент сигналов управления; ЛБКН - логический блок коррекции заданного натяжения канатов; ЗНТо и ДНТ -задатчик и датчик натяжения тяговых канатов.

Рис. 11. Структура контура регулирования минимального натяжения подъемных канатов драглайна при копании крепких пород

Алгоритмы управления контура регулирования минимального натяжения подъемных канатов драглайна при черпании крепких пород представлены в табл. 2.

В третьей главе проведен синтез регуляторов натяжения подъемных и тяговых канатов системы автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна.

Отсутствие значительной величины перерегулирования (сг< 5,..., 30%) и колебательности (яг = 1,2) позволяет снизить динамические нагрузки в электромеханической системе привода подъема драглайна.

При синтезе регулятора натяжения подъемных канатов для всех режимов управления электроприводами подъема и тяги от перегрузок были учтены рекомендации, данные в таких работах М. С. Ломакина, как: «Управление

Табл. 2. Алгоритмы управления контура регулирования минимального натяжения подъемных канатов драглайна при черпании крепких пород

Блок Алгоритм

Управляемый ключ УК1 ^УК,= [ 0. < Ч [^ЗСП> — Агу

Управляемый ключ УК2 га - ГС/зсг1)5т>5То {о, 5т<5То

Логический блок ЛБ \и , £„<яп УЛЕ=тах(Е/зсп,Ур,,п)= п» І^зсП’ гі п д

Компаратор К1 ^К!=| 0, 1П <1щ и У!> Ат-^П0

Компаратор К2 ^К2=| 0, 5Т <і5'Т() Ууг’ Ят >&Г|)

Напряжение рассогласования регулятора РНП и Є РНП _ | Узнп„ -иа -и№п =-и днп, 1п > 1По; 5Т < ЯТо |^зип0-^днп> /п</по;5т>^то

Согласующий элемент сигналов СЭ ^сэ=' ^знп0 > > ^п0 > < ^т0 — ?п0 • — ^т0

процессом копания драглайна регулированием натяжения подъемных канатов», «Синтез системы подчиненного регулирования натяжения подъемных канатов драглайна». В качестве регулятора натяжения подъемных канатов, обеспечивающего регулирование натяжения этих канатов в режиме автоматического управления процессом черпания, применим 11ИД-регулятор. Постоянные времени регулятора Г, и Т2 рассчитываются таким образом, чтобы обеспечить переходный процесс регулирования натяжения подъемных канатов близким к апериодическому. В качестве регулятора натяжения подъемных канатов, обеспечивающего регулирование натяжения подъемных канатов в режиме автоматической коррекции сигналов управления электроприводом подъема, применим П-регулятор. В качестве регулятора натяжения канатов используем ПД-регулятор, который обеспечивает регулирование натяжения канатов в режиме автоматической защиты электроприводов подъема и тяги от перегрузок.

Четвертая глава посвящена исследованию динамических характеристик системы автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании. В качестве программной среды при моделировании переходных характеристик разработанной системы автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании был использован пакет прикладных программ матричной лаборатории МАТЬАВ 6.5.

На рис. 12 представлен график переходного процесса регулирования натяжения подъемных канатов для режима автоматического управления процессом черпания при подаче на вход ПИД-регулятора ступенчатого сигнала. Из этого графика следует, что показатели качества процесса регулирования характеризуются следующими значениями: перерегулирование и < 28%; время регулирования /рег < 4.2с; колебательность т = 1; величина установившейся ошибки е = 0.

На рис. 13 представлен график переходного процесса регулирования натяжения подъемных канатов для режима автоматической коррекции сигналов управления электроприводами драглайна с П-регулятором. Из этого графика следует, что показатели качества процесса регулирования характеризуются следующими значениями: перерегулирование а < 7%; время регулирования фег < 5.1с; колебательность т = 0; величина установившейся ошибки £ = 0.

Sri, кН

ПИД-регулятор

Sn, кН П-регулятор

\

\

&’Пм 5пуст

iSfTm S'llycT

t. с

Рис. 12. График переходного процесса Рис. 13. График переходного процесса

регулирования натяжения подъемных регулирования натяжения подъемных

канатов для реэюша автоматического канатов для режима автоматической

управления процессом черпания коррекции сигналов управления электро-

приводами драглайна

На рис. 14 представлен график переходного процесса регулирования натяжения подъемных канатов для режима автоматической защиты электромеханических систем драглайна от перегрузок с ПД-регулятором.

Показатели качества переходного процесса регулирования натяжения канатов для режима автоматической защиты электромеханических систем драглайна от перегрузок: время регулирования фег < 1.4 с; перерегулирование а < 22 %; колебательность т = 0; величина установившейся ошибки е = 0.

В данной главе разработаны рекомендации по технической реализации управляющего устройства системы автоматического управления нагрузками в электромеханических системах драглайна, а также приведены данные стендовых испытаний лабораторного образца системы.

На основании испытаний образца системы на рис. 15 представлена характеристика процесса регулирования натяжения канатов (ПИД-ре1улятор) для режима автоматического управления процессом черпания.

Процесс регулирования при данном режиме характеризуется следующими показателями качества: перерегулирование а < 25%; время регулирования /рег < 3.8с; колебательность т = 1; величина установившейся ошибки s — 0, время достижения установившегося значения tl = 0.7с. Эти показатели незначительно

отличаются от показателей качества (<т < 28%; фег < 4.2с; т = 1; е = О, й = 1.1с), полученных при моделировании этого процесса (см. рис. 12).

«Уп, кН ПД-регулятор

5п, кН ПИД-регулятор

V—

i к

I к

^ГТуст

5пуст

Рис. 14. График переходного процесса регулирования натяжения подъемных канатов для режима автоматической защиты электромеханических систем драглайна от перегрузок

Рис. 15. Характеристика процесса регулирования натяжения канатов драглайна для режима автоматического управления процессом черпа>шя

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе дано новое решение актуальной научной проблемы автоматизации управления одноковшовыми экскаваторами, применяющимися в горной промышленности, за счет разработки структуры и алгоритмов управления системы автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании.

Научные и практические выводы, полученные лично автором:

1. Для повышения эффективности использования экскаваторов-драглайнов целесообразно обеспечить реализацию каждого из трех режимов управления копанием: автоматического, автоматической коррекции сигналов управления электроприводами подъема и тяги и автоматической защиты электромеханических систем драглайна от перегрузок. Структура системы автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании должна содержать отдельные замкнутые контуры регулирования натяжения подъемных и тяговых канатов для реализации каждого из трех вышеперечисленных режимов управления черпанием. При этом обеспечивается независимый выбор типа регулятора и его параметров, приводящих к выполнению требований к качеству процессов регулирования в каждом из режимов управления процессом черпания драглайна.

2. Формирование сигналов задания для соответствующих регуляторов натяжения подъемных и тяговых канатов системы целесообразно осуществлять по нелинейной зависимости от длины пути копания и усилия в подъемных и тяговых канатах.

3. Разработанные алгоритмы управления системы автоматического управления динамическими нагрузками драглайна обеспечивают требуемые подключения управляющих воздействий на электроприводы подъема и тяги с помощью

логического выделения сигналов управления при сравнении усилий в подъемных и тяговых канатах с их заданными минимальными и максимальными значениями.

4. Для ограничения динамических нагрузок в электромеханических системах драглайна при черпании целесообразно ограничивать не только заданную скорость электропривода подъема в зависимости от усилия в подъемных канатах, но и скорость электропривода тяги в зависимости от усилия в подъемных и тяговых канатах, что предусмотрено в структуре и алгоритмах управления разработанной автоматической системы.

5. Для реализации режима автоматического управления процессом черпания рекомендуется применение ПИД-регулятора натяжения подъемных канатов, для режима автоматической коррекции сигналов управления в электромеханических системах подъема и тяги - П-регулятора натяжения подъемных и тяговых канатов, для режима автоматической защиты от перегрузок - ПД-регулятора натяжения подъемных и тяговых канатов драглайна.

6. Разработанные структура и алгоритмы управления контура регулирования минимального натяжения подъемных канатов обеспечивают возможность опускания на ковш его упряжи для увеличения усилия внедрения ковша в породу при разработке крепких горных пород, а также не допускают возможности образования слабины в канатах при копапии с верхним черпанием и при наполнении ковша породой до уровня, при котором обеспечивается требуемое заглубление его в породу.

7. Разработанная система автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна может быть реализована как на серийно-выпускаемых, так и на находящихся в эксплуатации экскаваторах-драглайнах - без существенного изменения применяемых на них схем управления электроприводами подъема и тяги.

Основные положения диссертации опубликованы:

в изданиях по перечню ВАК Минобрнауки России:

1. Ломакин М. С., Ромашенков А.М., Самойленко А.М. Автоматизированная

система управления взаимодействием электроприводов подъема и тяги мощного экскаватора-драглайна в процессе копания //Горный информационно-

аналитический бюллетень.-200б. -№ 2. -С. 67-70.

2. Самойленко А.М. Система автоматизации процесса копания экскаватора-драглайна//Горное оборудование и электромеханика. -2007. -№ 1. -С. 60-62.

3. Самойленко А.М. Система программного регулирования натяжения подъемных и тяговых канатов драглайна //Горный информационно-аналитический бюллетень. -2011. -№ 6. -С. 476-479.

в других изданиях:

4. Ромашенков А.М., Самойленко А.М. Система регулирования минимального натяжения подъемных канатов драглайна при копании //Кафедре «Автоматика и управление в технических системах» Московского государственного горного университета - 50 лет». -2010. -С. 167-171.

Получены 3 патента РФ на изобретение:

1. Ломакин М.С., Ромашенков А.М., Самойленко А.М. Устройство для управления рабочим оборудованием экскаватора-драглайна //Патент РФ.-№ 2278219.-Опубл. в Б. И.-2006. -№ 17.

2. Ломакин М.С., Ромашенков А.М., Самойленко А.М. Устройство для управления рабочим оборудованием экскаватора-драглайна //Патент РФ.-№ 2283 927.-Опубл. в Б. И.-2006.-№ 26.

3. Ломакин М.С., Ромашенков А.М., Самойленко А.М. Устройство для управления движением ковша драглайна при копании //Патент РФ.-№ 2326212.— Опубл. в Б. И.-200816.

Подписано в печать 23.01.2012. Формат 60x90/16

Объем 1 печ.л. Тираж 100 экз. Заказ №1121

Отдел печати МГГУ, Москва, Ленинский ггр., 6

61 12-5/1865

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИМИ НАГРУЗКАМИ В ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ДРАГЛАЙНА ПРИ ЧЕРПАНИИ

Специальность 05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами» (промышленность)

Самойленко Александр Михайлович

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Певзнер Леонид Давидович

Москва - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение....................................................................................4

Глава 1. Постановка задачи исследования и обзор литературы.................9

1.1. Постановка задачи исследования..........................................9

1.2. Обзор литературы..............................................................13

Глава 2. Разработка структуры и алгоритмов управления системы автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании.......................................................21

2.1. Требования к системе автоматического управления динамическими нагрузками..........................................................................21

2.2. Структура и алгоритмы управления системы автоматического управления динамическими нагрузками для режима автоматического управления процессом черпания .................................................................25

2.3. Структура и алгоритмы управления системы автоматического управления динамическими нагрузками для режима автоматической коррекции сигналов управления в электромеханических системах драглайна при черпании...............................................................................31

2.4. Структура и алгоритмы управления системы автоматического управления нагрузками для режима автоматической защиты электроприводов подъема и тяги драглайна от перегрузок.....................................42

2.5. Обобщенная структура и алгоритмы управления системы автоматического управления нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании.......................................................................48

2.6. Структура и алгоритмы управления замкнутого контура регулирования минимального натяжения подъемных канатов драглайна при копании крепких горных пород...................................................................51

Выводы................................................................................59

\ 1 ^тил д^ш лишхи и^п х^иштл..................................1

ез регулятора натяжения подъемных канатов РНП1 драглайн;

втоматического управления процессом черпания................I

гез регулятора натяжения канатов для режима автоматическо]

роприводов от перегрузок...........................................................(

и регулятора натяжения подъемных канатов для режима авто оррекции сигналов управления электроприводом подъема....'

Заключение.....................

Приложения....................

Использованная литература

91 96

ВВЕДЕНИЕ

В диссертационной работе поставлена научная задача разработки системы автоматического управления динамическими нагрузками при черпании в электромеханических системах экскаватора-драглайна.

Эффективность использования экскаваторов-драглайнов, являющихся высокопроизводительными и дорогостоящими горными машинами, существенно зависит от того, насколько управление его главными приводами соответствует такому режиму работы, при котором достигается расчетная производительность экскаватора для горно-геологических условий забоя при допустимых нагрузках в его рабочем оборудовании и электромеханических системах. В процессе черпания значительные динамические нагрузки в электромеханической системе подъема драглайна возникают при наличии слабины в подъемных канатах в момент отрыва груженого ковша от поверхности забоя или при срыве его с бровки, а в электромеханической системе тяги при стопорении и при чрезмерном заглублении ковша в породу. Значительные динамические нагрузки, возникающие в рабочем оборудовании и электромеханических системах драглайна, снижают надежность и долговечность оборудования, увеличивают время простоев экскаватора и эксплуатационные расходы. Слабина в подъемных канатах и значительные динамические нагрузки в электромеханических системах драглайна возникают при ручном управлении процессом черпания. Устранение слабины и ограничение динамических нагрузок может быть обеспечено с помощью систем автоматического управления, контроля и ограничения нагрузок. Большинство таких систем основано на регулировании натяжения подъемных и тяговых канатов.

Разработка системы автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании, обеспечивающей увеличение эффективности его использования за счет повышения производительности, надежности и долговечности экскаватора, является актуальной задачей.

Целью исследований является повышение эффективности использования драглайна, а также надежности и долговечности его оборудования с помощью разработки структуры и алгоритмов управления сигналами системы автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании.

Основная идея работы заключается в реализации в системе автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании каждого из трех режимов управления процессом черпания (автоматического, автоматической коррекции сигналов управления электроприводами и автоматической защиты электромеханических систем от перегрузок) с помощью отдельных замкнутых контуров регулирования натяжения подъемных и тяговых канатов, в которых регулирование натяжения канатов осуществляется по нелинейным зависимостям от текущей длины пути копания и величины усилия в подъемных и тяговых канатах.

Защищаемые научные положения:

1. Реализация трех режимов управления: автоматического, коррекции сигналов управления электроприводами и защиты от перегрузок отдельными замкнутыми контурами регулирования натяжения канатов в системе автоматического управления нагрузками позволяет повысить эффективность эксплуатации драглайна за счет снижения длины и времени черпания.

2. Включение в структуру системы программных задатчиков натяжения подъемных и тяговых канатов, формирующих алгоритмы изменения заданного натяжения канатов в зависимости от данной длины пути копания, позволяет компенсировать силы сопротивления перемещению ковша и осуществлять черпание почти с постоянной толщиной стружки.

3. Функциональное ограничение скорости электропривода тяги в зависимости от усилия в подъемных и тяговых канатах обеспечивает снижение динамических нагрузок в электромеханической системе тяги драглайна при черпании.

4. Алгоритм коррекции задания натяжения канатов с учетом длины подъемных канатов до поверхности забоя и усилия в тяговых канатах позволяет системе управления электроприводом подъема драглайна увеличить усилие внедрения ковша в грунт.

Научная новизна работы_состоит в следующем:

- разработана структура системы автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании, отличающаяся тем, что каждый режим управления процессом черпания реализуется отдельными замкнутыми контурами регулирования натяжения подъемных и тяговых канатов;

- разработаны алгоритмы управления системы автоматического управления нагрузками драглайна, отличающиеся тем, что изменение заданного натяжения канатов формируется по нелинейной зависимости от текущего значения длины пути перемещения ковша по забою, а также тем, что они обеспечивают ограничение скорости электропривода тяги в зависимости от усилия в подъемных и тяговых канатах;

- разработаны структура и алгоритмы управления контура регулирования минимального натяжения подъемных канатов драглайна, отличающиеся тем, что они обеспечивают увеличение усилия внедрения ковша в породу за счет опускания на ковш его упряжи с учетом длины подъемных канатов до поверхности забоя и усилия в тяговых канатах. Обоснованность и достоверность полученных результатов. Научные

положения, выводы и рекомендации, представленные в диссертации, базируются на основе теоретических и экспериментальных разработок и исследований систем автоматизации и ограничения нагрузок драглайна и получены с использованием современных методов структурно-алгоритмического синтеза технических систем теории автоматического управления и математического моделирования.

Научное значение работы заключается в разработке новой структуры и алгоритмов системы автоматического управления нагрузками в электроме-

ханических системах драглайна при черпании, обеспечивающих повышение эффективности его использования, что развивает теорию АСУ ТП одноковшовых экскаваторов.

Практическое значение работы заключается в том, что разработанная система автоматического управления динамическими нагрузками может быть реализована как на серийно выпускаемых, так и на находящихся в эксплуатации экскаваторах-драглайнах без существенного изменения применяемых на них схем управления его электроприводами подъема и тяги.

Новизна и практическая значимость работы подтверждена тремя патентами РФ на изобретение.

Методические разработки по тематике представленной диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке студентов по специальности 210100 - «Управление и информатика в технических системах», в частности при чтении лекций по курсу «Автоматизация технологических процессов горного производства. Открытая добыча».

Реализация результатов работы. Отдельные части структуры разработанной системы приняты к использованию ФГУП «Гипроуглеавтоматиза-ция». Общая структура системы может быть принята к использованию научно-исследовательскими и проектно-конструкторскими учреждениями, специализирующимися на проектировании и изготовлении систем управления электроприводами одноковшовых экскаваторов-драглайнов. На основании данной системы возможна модернизация эксплуатируемых драглайнов на действующих разрезах.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на семинарах кафедры «Автоматика и управление в технических системах» МГГУ в 2005, 2008 2010, 2011 гг., и международных симпозиумах «Неделя горняка» (г. Москва, 2005-2011 гг.).

Публикации: по теме диссертации опубликованы 7 научных работ, в том числе 3 статьи в изданиях по перечню ВАК Минобрнауки России.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 28 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 89 наименований и 4 приложения.

Автор работы выражает благодарность научному руководителю профессору Леониду Давидовичу Певзнеру за всестороннюю помощь, а также доценту кафедры АТ МГГУ Анатолию Михайловичу Ромашенкову, продолжившему консультации по теме диссертации после смерти профессора Михаила Сергеевича Ломакина.

ГЛАВА 1

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Постановка задачи исследования

В диссертационной работе поставлена задача разработки и исследования системы автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах экскаватора-драглайна при черпании.

Для решения поставленной задачи необходимо проанализировать недостатки, которые имеют место при ручном управлении процессом черпания экскаватора-драглайна, и оказывают существенное влияние на возникающие в его механизмах нагрузки.

Опыт эксплуатации экскаваторов-драглайнов показывает, что при ручном управлении процессом черпания в рабочем оборудовании и электромеханических системах драглайна могут возникать значительные динамические нагрузки. Эти недопустимые нагрузки приводят к снижению производительности драглайна, к увеличению расходов на материалы и ремонт при его эксплуатации, обусловленных отказами рабочего оборудования. Кроме того, при недостаточно квалифицированных действиях машиниста время черпания увеличивается по сравнению с режимом, когда управление процессом черпания производится автоматически.

Производительность драглайна зависит от толщины срезаемой ковшом стружки, которая формируется машинистом, и от которой зависит время черпания, время на зачистку забоя и наконец - время рабочего цикла.

Сравнение различных способов управления процессом черпания драглайна показывает, что рациональным является черпание с постоянной толщиной срезаемой стружки. В результате имеет место равномерная отработка забоя без образования на его поверхности значительных неровностей, что

уменьшает время на зачистку забоя, и устраняется возможность чрезмерного заглубления ковша в грунт, которое может привести к возникновению в электромеханической системе тяги драглайна нагрузок, близких к стопорным.

В процессе черпания машинист стремится поддерживать определенное натяжение подъемных канатов, чтобы не допустить образования в них слабины и регулировать величину срезаемой ковшом стружки. При этом машинисту достаточно трудно поддерживать необходимое усилие натяжения подъемных канатов, особенно при сложных горно-геологических и плохих погодных условиях. Это обусловлено следующими факторами:

- во-первых, выпускаемые в настоящее время экскаваторы-драглайны оборудованы системой управления электроприводом подъема, позволяющей управлять внедрением ковша в породу и регулировать толщину срезаемой ковшом породной стружки путем регулирования скорости подъемного механизма. Однако, как было отмечено ранее, для управления процессом черпания машинисту требуется поддерживать определенное натяжение подъемных канатов, а не скорость подъемного механизма. Поддержание определенного натяжения в подъемных канатах, за счет регулирования скорости подъемного механизма, является затруднительным, поскольку между натяжением канатов и скоростью двигателя нет однозначной зависимости. Поэтому в процессе черпания машинист экскаватора вынужден производить большое количество переключений командоаппаратом электропривода подъема, чтобы обеспечить требуемое натяжение подъемных канатов. При ошибках машиниста в формировании задающих сигналов для электропривода подъема в подъемных канатах образуется слабина, которая может привести к возникновению значительных динамических нагрузок в электромеханических системах драглайна;

- вторым фактором, из-за которого машинисту сложно поддерживать необходимую величину натяжения в подъемных канатах является то, что определить требуемую величину их натяжения он может достаточно субъек-

тивно, полагаясь только на свой опыт и квалификацию. Поэтому возможны случаи, когда машинист принимает решения по управлению процессом черпания, которые приводят к недостаточному заглублению ковша в грунт, что приводит к увеличению времени копания и снижению производительности экскаватора. При сигналах управления машиниста, которые не обеспечивают увеличение натяжения подъемных канатов для компенсации возрастающего веса ковша по мере его заполнения породой, происходит значительное заглубление ковша в породу, которое может привести к перегрузкам тягового механизма. Особым режимом, который может возникать при черпании недостаточно хорошо подготовленных к выемке крепких пород, является режим стопорения ковша. В этом режиме машинист чаще всего не успевает среагировать на возникновение этого режима и своевременно увеличить натяжение подъемных канатов для того, чтобы обеспечить защиту тягового механизма от перегрузок в стопорных или близких к нему режимах.

Для ограничения динамических нагрузок в электромеханических системах экскаватора-драглайна при черпании необходимо обеспечить устранение слабины в подъемных канатах и поддерживать их натяжение на уровне, при котором упряжь ковша находится в натянутом положении.

Для отработки забоя с толщиной срезаемой породной стружки, близкой к постоянной величине, необходимо по мере перемещения ковша по забою увеличивать натяжение подъемных и тяговых канатов с целью компенсации возрастающего веса ковша, сил сопротивления породы резанию, сил трения ковша о поверхность забоя, сил перемещения призмы волочения и сил перемещения породы в ковше. Достижение указанной цели предлагается осуществить в режиме автоматического управления процессом черпания путем изменения натяжения подъемных канатов по нелинейной зависимости от

величины длины пути копания = /(1К )-

Заданную величину натяжения подъемных канатов целесообразно автоматически корректировать, если усилие в подъемных канатах недостаточно

и происходит значительное увеличение усилия в тяговых канатах в результате чрезмерного заглубления ковша в породу. Таки