автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка и исследования микропроцессорной системы автоматизации процесса копания мощного драглайна

На правах рукописи ИКОННИКОВ Сергеи Евгеньевич

УДК 622.271.4:621.879.3

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОЗАНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА КОПАНИЯ МОЩНОГО ДРАГЛАЙНА

Специальность 05.13.07 — «Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Московском государственном горном университете.

Ведущее предприятие — институт «Гипроуглеавтоматиза-ция».

Защита диссертации состоится 26 ноября 1998 г. в 14 час. на заседании диссертационного совета Д-053.12.12 Московского государственного горного университета по адресу: 117935, Москва, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Научный руководитель канд. техн. наук, проф. ЛОМАКИН М. С.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. БАХВАЛОВ Л. А., канд. техн. наук, проф. ЯРИЗОВ А. Д.

Автореферат разослан « . . . »

Ученый секретарь диссертационного совета

канд. техн. наук, доц. РЕДКОЗУБОВ М. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Автоматизация экскаваторов как основных производственных машин при проведении открытых горных работ представляется важной задачей для дальнейшего повышения проиэво- _ дительности и рационального использования этих машин.

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 канатов драглайна и применяются системы автоматического регулирования (САР) натяжения тягоных и подъемных канатов в составе системы автоматического управления процессом копания драглайна.

Исследования по разработке системы автоматического управления процессом копания экскаватора-драглайна проводились в МГГУ, 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.

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

Целью 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 рабоги заключается в оптимизации процесса копания по критерию эффективности, в котором учитываются путь копания и суммарные нагрузки в приводе тягового механизма, пут^-м 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 СДР натяжения подъемных и тяговых канатов, позволяющие получить настроечные параметры этих регуляторов, при которых обеспечивается уменьшение динамических нагрузок в подъемном и тяговом механизмах экскаватора-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 подъемна-: канатов в Функции усилия натяжения тяговых канатоь.

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 <Ш1С на выдачу патента Российской Федерации " Способ управления процессом копания

- 3 -

драглайна и устройство для его осуществления " по заявке N 97116300/03 С приоритетом 26.09.1997 г.

Реализация выводов и результатов, работы.

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

Применение адаптивной системы автоматизации позволит обеспечить прирост производительности для экскаватора типа ЭШ 20.90 на 100.8 тыс. куб. метров в год.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на международных симпозиумах "Горная техника на пороге XXI века" (17-19 октября 1995 г., г. Москва) и "Неделя горняка - 98" (2-6 февраля 1993 г., 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

При разработке системы автоматизации процесса копания драглайна предусматривается исследование возможностей системы автоматизации ограничивать динамические нагрузки в рабочем оборудовании и основных механизмах экскаватора при заданной производительности.

Значительный вклад в создание методов и средств автоматизации, обеспечивающих ограничение динамических нагрузок и управление процессом копания одноковшовых экскаваторов внесен трудами отечественных специалистов: Д.П.Волкова, В.И.Ключева, О.Л.Зал?со1'н. Ю. Я. By ля, М.С.Ломакина, Н.Г.Переслегина, Ю.М.Иржака, Р.Симонова, М.Б.Полкнекого и др. накопленный опыт по проектиро-

ванию систем автоматизации, принципиальные идеи и предложения, выдвинутые в этих работах, являются основой для разработки и исследования адаптивной системы автоматизации процесса копания экскаватора-драглайна.

Система автоматизации процесса копания драглайна (рис.1) 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 AIп. Объект управления ОУ подвержен влиянию возмущающих воздействий, например, Лик+гр - изменение веса ковша с грунтом, ДКу - изменение коэффициента удельного сопротивления копанию, Аol - изменение угла откоса забоя. Ад - 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 Vt.

Ручное управление операциями рабочего цикла драглайна осуществляется машинистом с помощью сельсинных командоаппаратов СКАР.

Для ограничения динамических нагрузок в подъемном и тяговом механизмах приняты известные структуры САР НПК и САР НТК, взаимодействующих с электроприводами подъема и тяги экскаватора.

При автоматическом управлении процессом копания необходимо, чтобы усилие в подъемных канатах Sn было не меньше заданной минимальной величины Snmln, Для обеспечения стабилизации минимального натяжения подъемных канатов использовалась последовательная коррекция, при которой регулятор натяжения подъемных канатов РШЖ и датчик натяжения подъемных канатов ДНПК образуют внешний контур регулирования усилия Sil, представляющий собой САР НПК и взаимодействующий с электроприводом подъема ГЛШ драглайна через лог и- •

Рис. 1

ческий блок ЛБ выделения максимального сигнала (см. рис.1).

При автоматическом управлении процессом копания необходимо, чтобы усилие в тяговых канатах Бт было не больше заданной максимальной величины, соответствующей стопорному значению Зтстоп. Для ограничения натяжения тяговых канатов в тяжелых динамических режимах используется параллельная коррекция, при которой регулятор натяжения тяговых канатов РНТК и датчик натяжения тяговых канатов ДНТК, образуя контур регулирования усилия 5т, представляющей собой САР НТК, взаимодействуют с электроприводом тяги ЭПТ драглайна через логический блок ЛБ выделения минимального сигнала (см. рис.1).

РПК представляет собой адаптивный (самонастраивающийся) регулятор, выходной сигнал которого соответствует заданному значению усилия натяжения подъемных канатов 2пзад (ем. рис.1).

Таким образом, задача разработки системы автоматизации процесса копания драглайна состоит из:

- синтеза САР НПК с учетом влияния упругого момента сопротивления подъемных канатах и синтеза САР НТК с учетом реальных условий стопорения ковша;

- 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.

В диссертационной работе исследовался экскаваторный электропривод подъема (тяги) на постоянном токе по системе генератор -

- двигатель с тиристорным возбуждением генератора.

Синтез регуляторов, моделирование и стендовые испытания исследуемой системы автоматизации проводились для параметров экскаватора-драглайна СИ ¿0.90.

Новизна предложенного синтеза регулятора ЯНПК состоит в том, что учитывалось влияние упругого момента сопротивления Мс в подъемных канатах, который определяется выражением: •

sn • ГО

Mc « - . (1)

n • Ip

где гб - радиус барабана лебедки механизма подъема;

1р - передаточное .отношение редуктора механизма подъема; п - КГЩ редуктора механизма подъема.

При синтезе регулятора РНПК принимались допущения, состоящие в том, что:

- ковш драглайна представляет собой материальную точку, жестко связанную с поверхностью забоя;

- подъемный канат представляет собой упругую пружину, один конец которой жестко закреплен в месте расположения ковша и которая деформируется при разгоне привода подъема экскаватора-драглайна.

Как показало цифровое моделирование на IBM PC, применение Щ--регулятора РНПК, настроечные параметры которого были получены на основе проведенного синтеза, позволяет обеспечить снижение динамических нагрузок в электроприводе и механизме подъема.

При синтезе регулятора РНТК принимались допущения, состоящие в том, что:

- процесс стопорения ковша начинается в момент окончания копания грунта при номинальной скорости электропривода тяги;

- непреодолимое препятствие в.процессе стопорения при взаимодействии с ковшом имитируется линейной пружиной без обратной отдачи (одностороннего действия).

Новизна предложенной в работе методики синтеза регулятора РНТК состоит в том, что при исследовании электромеханической системы "электропривод - механизм тяги - ковш" учитывалось в процессе стопорения действие препятствия в виде пружины одностороннего действия, при этом сила упругости Рпр этой пружины определялась выражением:

Рпр - Сгр • 1ст , (2)

где Сгр - жесткость грунта на смятие;

1ст - перемещение ковша вдоль забоя с момента начала стопорения.

- 8 -

При анализе САР НТК исследовался идеализированный режим "жесткого" стопорения (1ст - 0) и режим "реального" стопорения ковша (1ст * 0). Как показали проведенные исследования на IBM PC, предложенная структура САР натяжения тяговых канатов и методика синтеза регулятора РНТК обеспечивает эффективность САР НТК для снижения динамических нагрузок на рабочее оборудование драглайна как в режиме "жесткого", так и в режиме "реального" стопорения ковша.

При исследовании процесса копания драглайна принимались

следующие допущения: «

- тяговые канаты считались абсолютно жесткими;

- скорость механизма тяги при копании была постоянной;

- тяговые канаты параллельны поверхности забоя.

При проведении исследований математическая модель процесса копания' представляла систему уравнений:

•• - .

шк h = бк+гр cos« - Ро2 - Sn cos(ot ■ ц) - к h

St - Pol + GK+rp.sin« - Sn sln(« - n) t

GK+rp - 6к + б b J [ h(t) • Vt(t) 3 dt . (3)

0

Pol - M N + Kp b h + e (1 + qnp) q Кн

где h - толщина срезаемой стружки;' тк - масса ковша с грунтом;

GK+rp - вес ковша с грунтом, определяющийся выражением; ß h - диссипативная сила, учитывающая затухание колебаний в

подъемных канатах; 8 - постоянный коэффициент; <i - угол откоса забоя;

М- - угол между подъемным канатом и нормалью к поверхности забоя;

- 9 -

Gk - вес порсжнего ковша; б - удельный вес грунта; b - ширина ковша;

Pol * Ртр + Рр + Рп • - касательная сила сопротивления грунта копанию, включающая три составляющие: сопротивление трению ковша о грунт Ртр,' сопротивление резанию грунта Рр, сопротивление перемещению призмы волочения грунта в ковше Рп; М - коэффициент трения ковша о грунт; N - давление ковша на грунт; Кр - удельное сопротивление грунта резанию; е - коэффициент сопротивления наполнению ковша и перемещению

призмы волочения перед ним; qnp - объем призмы волочения в частях емкости ковша; q - емкость ковша драглайна; Кн - коэффициент наполнения ковша;

Ро2 - ¥ Pol - нормальная сила сопротивления грунта копанию; У - постоянный коэффициент.

В работе за рациональный режим копания принято копание с постоянной толщиной стружки (h «■ const), величина которой определяется крепостью грунта в соответствии с рекомендациями проф. Домбровского Н.Г. Такой режим копания обеспечивает отработку элемента забоя, не требующую дополнительных работ по планировке поверхности забоя, и уменьшение вероятности стопорений ковша при копании.

Управление процессом копания драглайна осуществляется регулированием натяжения подъемных канатов Sn пропорционально усилию натяжения тяговых канатов St. Известно, что для копания с постоянной толщиной стружки усилие натяжения тяговых канатов St должно возрастать линейно в зависимости от пути копания. На основании этого получен алгоритм управления процессом копания драглайна, HVrK-ЦИЙ вид:

Эпзад =■ -

Sno при St < Sto

. (4)

Sno + К • (St - Sto) при St > Sto

где Зпзад - задание для регулятора натяжения подъемных канатов;

Эпо - минимальное усилие в подъемных канатах, соответствующее весу упряжи ковша;

Эт - текущее значение усилия в тяговых канатах;

Бто - начальное значение усилия в тяговых канатах, соответствующее силе трения порожнего ковша при движении по грунту;

К - коэффициент пропорциональности статического регулятора процесса копания РПК.

Регулятор процесса копания РПК при указанном алгоритме (4) обеспечивает режим копания с постоянной толщиной стружки рациональной величины для конкретных горнотехнологических условий и значение величины усилия в тяговом канате Эт в конце наполнения ковша (копания) не выше стопорного значения.

Результаты исследования процесса копания представлены в таблице:

Категория грунта «, град Sno.KH Sto.kH Крац1 Крац2 КрацЗ h,CM

II Ку - 1.5 кг/см2 0 80 300 0.65 0.6 0.55 77

30 80 400 0.5 0.45 0.4 74

45 80 550 0.4 0.34 0.3 78

III Ку ■= 2.6 кг/смг 0 80 300 0.7 0.65 0.6 60

30 80 400 0.55 0.5 0.45 55

45 80 550 0.45 0.4 0.35 60

IV Ку = 4 кг/см2 0 80 300 0.8 0.75 0.7 - 46

30 80 400 0.65 0.6 0.55 46

45 80 550 0.52 О.Б 0.45 47

где Крац1,КрацЗ,Крац2 - значения коэффициента К регулятора РПК, при которых обеспечивается рациональный режим копания с постоянной толщиной стружки, соответственно при максимальном, минимальном удалении ковша от экскаватора и для средней части забоя;

Ку - коэффициент удельного сопротивления копанию. В диссертационной работе для оценки эффективности процесса копания предлагается новый составной (агрегированный) критерий эффективности 1с:

(жоп 1коп

1с = а1 £ Ут(Ъ) йЬ + а2 I Бт^) сИ. , (5) О О

где Ут - линейная скорость тяговых канатов, см/с; Бт - усилие натяжения тяговых канатов, кН; 1:коп - время копания (наполнения ковша), с; а1,а2 - весовые (масштабные) коэффициенты с размерностью соответственно 1/см и 1/(кН'с) .

Применение критерия эффективности для оптимизации управления процессом копания позволяет одновременно исключить перегрузки в тяговом механизме и уменьшить путь копания, что повышает долговечность экскаватора и ег.о производительность.

Весовые коэффициенты а1 и а2 в выражении (5) для критерия эффективности были получены путем вычислительного эксперимента на 1ВМ РС при принятой модели процесса копания (3).

При моделировании на 1ВМ РС системы автоматизации процесса копания были получены зависимости 1с = Г(К) агрегированного критерия эффективности 1с от коэффициента регулятора К (рис.2) для параметров экскаватора-драглайна ЭШ 20.90 при копании в средней части забоя в грунтах II, III и IV категорий и полученных масштабных коэффициентах: а1 - 0.2 1/см ; а2 = 0.8 1/(кН-с) . Как показало проведенное цифровое моделирование, оптимальное - 12 -

1С 720 г-

700 -

680 -

660 -

640 -

620 -

600 -

580 -

560 -

540 -

520 -

500 -

480 -

460 ■

«,0 ■

¿¿О ;-

400

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 К

Рис. 2

Зависимости Ic(K): 1 - для грунтов IV категории ;

2 - для грунтов III категории ;

3 - для грунтов II категории .

- 13 -

значение Копт коэффициента пропорциональности регулятора процесса копания соответствует минимуму критерия эффективности 1с и обеспечивает рациональный режим копания в различных горнотехнологических условиях при полученных масштабных коэффициентах.

Адаптивное управление процессом копания состоит в том, что коэффициент К регулятора РПК должен автоматически настраиваться так, чтобы обеспечивать от цикла к циклу поиск минимума агрегированного критерия эффективности :

1коп Ькоп

1с(К) = а1 I Ут(КД) (11 + а2 £ Бт(КЛ) сК, - тщ (б)

К

О О

Таким образом, регулятор процесса копания РПК представляет собой адаптивный (самонастраивающийся) регулятор, выполняющий автоматическую настройку коэффициента пропорциональности К по результатам оценки критерия эффективности и поиск минимума этого критерия для обеспечения требуемого режима копания драглайна при изменении условий копания во время отработки забоя.

Для задачи управления процессом копания мощного драглайна используется метод пошагового поиска экстремума.

Алгоритм поиска минимума критерия эффективности при К > Копт заключается в следующем;

Если 1спред > 1стек ( Д1с > 0 ), то значение коэффициента регулятора процесса копания К уменьшается так, что

К - К - ЛК , (7)

где 1спред - значение критерия эффективности 1с в предыдущем цикле копания;

¡стек - значение критерия эффективности 1с в текущем цикле копания;

Д1с - разность оценок критерия эффективности двух смежных циклов копания;

ДК - выбранный шаг поиска оптимального значения Копт.

- 14 -

Если же 1спред < 1стек ( Д1с < О ). то коэффициент регулятора процесса копания К увеличивается так, что К = К + ДК . (8)

Для существенного улучшения в смысле быстродействия и устойчивости (сходимости) процесса пошагового поиска оптимального значения Копт, величину шага поиска целесообразно выбирать переменной, например, пропорциональной величине производной от функции критерия эффективности 1с по коэффициенту пропорциональности К так, что

й 1спред - 1стек

К - Кпред - 5 — 1с(Кпред) * К пред - С - , (9)

сЖ ДКпред

где Кпред - значение коэффициента К в предыдущем цикле;

ДКпред - величина шага поиска в предыдущем цикле;

5 - постоянный коэффициент.

Функция критерия эффективности 1с(К) (см. рис.2) может быть аппроксимирована выражением:

1с(К) - е |К - Копт + 1с(Копт) , (10) где Копт - значение К, соответствующее минимуму функции 1с(К); б, е - постоянные коэффициенты.

Например, для грунтов IV категории числовые значения этих коэффициентов равны: е = 800 ; э * 1.3 .

Производная 1с(К) в соответствии с выражением (10) при

К > Копт определяется как

с11с $-1

- = £ Б (К - Копт) . (11)

сЖ

Тогда условия сходимости процесса поиска минимума критерия эффективности имеют вид:

з-г

О < 6 е з (Кпред - Копт) < 2 . (12)

Например, для копания грунтов IV категории в средней части забоя получены условия сходимости поиска минимума критерия эффективности:

О < 5 < 0.0004

при К > Копт при К < Копт

- 0.0004 < 5 < О

Техническая реализация управляющего устройства системы автоматизации, представляющего собой адаптивный регулятор процесса копания, была выполнена на базе программируемого микропроцессорного контроллера Ремиконт Р-130. При этом программная реализация управляющего устройства, осуществляющего настройку коэффициента пропорциональности регулятора процесса копания, составлена как для постоянной величины шага поиска оптимального значения коэффициента регулятора РПК, так и для шага поиска переменной величины.

Испытательный стенд экспериментального образца системы автоматизации процесса копания драглайна включает:

1) аналоговый вычислительный комплекс, на котором была реализована электронная модель объекта управления и электроприводов;

2) управляющее устройство системы автоматизации (адаптивный регулятор процесса копания), реализованное на базе микропроцессорного контроллера Ремиконт Р-130 вместе с клеммно-блочным соединителем КБС-3 для ввода-вывода информации.

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

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 неличины и гюзноляющая за ограниченное число шагов достичь минимума Функции критерия эффективности при амплитуде рыскания не более 5 X от оптимального значения Копт коэффициента регулятора.

При изменяющихся горнотехнологических условиях процесса копания применение указанной адаптивной системы автоматизации позволит повысить производительность и долговечность рабочего оборудования экскаватора-драглайна.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .

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 чедусматриваеТ 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

- 17 -

копания драглайна для различных горнотехнологических условий.

Ъ. Управляющее устройство системы автоматизации, техническая реализация которого выполнена на программируемом микропроцессорном контроллере Ремиконт Р-130, представляет собой адаптивный регулятор процесса копания и позволяет производить от цикла к циклу 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.

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

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

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

МГГУ, 1996, с.383-386.

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

3. Иконников С.Е. Синтез регулятора натяжения тяговых канатов мощного драглайна. // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ, 1997, N4, с.107-110.

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

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

- 18 -

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 622.271.4:621.879.3

ИКОННИКОВ СЕРГЕИ ЕВГЕНЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМУ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА КОПАНИЯ М01Щ0Г0 ДРАГЛАЙНА

Специальность 05.13.07 - " Автоматизация технологических

процессов и производств (промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н., профессор Ломакин М.С.

Москва 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ .......................................... 4

Глава 1. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

НАТЯЖЕНИЯ ПОДЪЕМНЫХ КАНАТОВ.

1.1. Структура и математическая модель экскаваторного электропривода копающих механизмов.............. 16

1.2. Структура и математическая модель системы автоматического регулирования натяжения подъемных канатов 30

1.3. Синтез регулятора натяжения подъемных канатов .... 36

1.4. Моделирование системы автоматического регулирования натяжения подъемных канатов в режиме натяжения подъемных канатов................................ 40

1.5. Выводы........................................... 52

Глава 2. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

НАТЯЖЕНИЯ ТЯГОВЫХ КАНАТОВ.

2.1. Структура и математическая модель системы автоматического регулирования натяжения тяговых канатов .. 53

2.2. Синтез регулятора натяжения тяговых канатов ...... 64

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

{и

2

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 ............................ 96

3.3. Структура и математическая модель системы автоматизации процесса копания без самонастройки регулятора 100

3.4. Моделирование системы автоматизации процесса копания

без самонастройки регулятора..........................................106

3.5. Критерий эффективности и алгоритм управления адаптивной системы автоматизации ..................................113

3.6. Структура и математическая модель адаптивной системы автоматизации процесса копания ....................119

3.7. Моделирование адаптивной системы автоматизации процесса копания ..................................................................128

3.8. Выводы...........................................................131

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-130 ................................... 132

4.2. Физическая модель объекта управления,электроприводов и регуляторов натяжений тяговых и подъемных канатов .................................................. 140

4.3. Стендовые испытания экспериментального образца

системы автоматизации процесса копания ......................152

4.4. Выводы......................................................................................171

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................172

ЛИТЕРАТУРА.................................................174

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................................179

ВВЕДЕНИЕ

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 уп-

равляющего 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.

2. Обзор состояния вопроса исследования .

При разработке системы автоматизации процесса копания драглайна предусматривается исследование возможностей системы автоматизации ограничивать динамические нагрузки в рабочем оборудовании и основных механизмах экскаватора при заданной производительности.

В настоящее время в решение указанных задач по автоматизации экскаваторов-драглайнов внесен большой вклад работами институтов ВНИИ-Электропривод, НЖГЯЖМАШ ПО "Уралмаш", Гипроуглеавтоматизация, Московского энергетического института. Московского государственного горного университета. Уральской горной академии и других организаций.

Значительный вклад в создание методов и средств автоматизации. обеспечивающих ограничение динамических нагрузок и управление копанием экскаваторов внесен трудами отечественных ученых I Д.П.Волкова [1,2], В.И.Ключева [3,4], O.A.Залесова [5,6,7], Ю.Я.Вуля [8,9,10,111, М.С.Ломакина [12,13,14,15], Н.Г.Переслегина [16,17]. Ю.М.Иржака [18,19,20,21], Ю.В.Симонова [11,223, М.Б.Полинского [11,23] и др.

В работах O.A.Залесова, М.С.Ломакина и др. [5,6] предложена система автоматического управления процессом копания драглайна, снижающая динамические нагрузки в копающем механизме, построенная по принципу подчиненного регулирования с последовательной коррекцией и обеспечивающая заполнение ковша драглайна без вмешательства машиниста, при этом в процессе копания натяжение подъемных канатов регулируется в функции длины пути копания.

В работе O.A.Залесова и др. 171 уменьшение динамических нагрузок,возникающих в аварийных режимах (в режиме стопорения ковша - для механизма тяги, в режиме срыва ковша с бровки забоя -- для механизма подъема) ..предлагается обеспечить с помощью защитных устройств.взаимодействующих с соответствующими электроприводами; при этом усилие натяжения тяговых канатов не должно превышать максимальной стопорной величины, а усилие натяжения подъемных канатов необходимо поддерживать на заданном минимальном уровне, не допуская образования слабины в подъемных канатах.

Эту же задачу решает система,структура которой предложена в работе М.С.Ломакина. Ю.Я.Вуля и др. [11], позволяющая снизить перегрузки в электроприводах экскаватора и, тем самым, увеличить его производительность. Автоматизированная система включает подсистемы ограничения нагрузок тягового и подъемного механизма, взаимодействующие с приводами и подсистему управления процессом копания. Управление процессом копания осуществляется регулированием

усилия натяжения подъемных канатов в функции длины пути копания. Как видно» предложенная система выполняет не только ограничение динамических нагрузок, но и управление процессом копания экскаватора. Проведенные экспериментальные исследования [113 показали эффективность данной системы. Аппаратура системы серийно изготавливалась для экскаваторов ЭШ 15.90, ЗКГ-8 и др.

В работе М.О.Ломакина [143 предложена система автоматического управления процессом копания драглайна,снижающая динамические нагрузки и увеличивающая производительность экскаватора за счет повышения средней скорости копания. Управление копанием осуществляется регулированием натяжения подъемных канатов в функции пути копания. Для защиты от стопорении ковша заданное значение натяжения подъемных канатов увеличивается в зависимости от тока нагрузки якорной цепи привода тяги. Система автоматического управления реализована на базе типовых элементов унифицированной блочной системы регулирования (УБСР). Переход на автоматический режим осуществляется при посадке ковша в нужную точку забоя, для чего машинист устанавливает командоаппараты подъема и тяги в нулевое положение и включает переключателем режим "автокопание". Проведенные испытания показали С143, что во всех режимах "автокопание" ковш по�