Автоматическое управление динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании

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 работысостоит 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 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 210 100 — «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.

выводы.

1. Проведенное моделирование процессов регулирования натяжения канатов драглайна обосновывает следующие рекомендации:

— для режима автоматического управления процессом черпания целесообразно применение ПИД-регулятора натяжения тяговых канатов;

— для режима автоматической коррекции сигналов управления электроприводами целесообразно применение П-регулятора натяжения подъемных и тяговых канатов;

— для режима автоматической защиты электромеханических систем драглайна от перегрузок целесообразно применение ПД-регулятора натяжения подъемных и тяговых канатов.

2. Эти рекомендации подтверждают научное положение о целесообразности реализации каждого режима управления процессом черпания драглайна посредством отдельных замкнутых контуров регулирования натяжения подъемных и тяговых канатов, что позволяет производить независимый выбор типа регуляторов и их параметров, обеспечивающих требуемое качество процесса регулирования для каждого из режимов.

3. В рекомендациях по технической реализации системы определено, какие ее функциональные элементы могут быть реализованы аппаратно, а какиепрограммно.

4. Разработан стенд для лабораторных испытаний системы, включающий аналоговый вычислительный комплекс, на котором была реализована электронная модель объекта управления, и программно реализованный аналоговый регулятор на основе микропроцессорного контроллера Ремиконт Р-130.

5. Проведенные стендовые испытания системы показали хорошую сходимость характеристик, полученных при испытаниях, с характеристиками, полученными при моделировании системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных исследований в диссертациии дано новое решение научно-технической задачи разработки структуры и алгоритмов управления автоматической системы управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании, позволяющей поднять эффективность использования драглайна за счет повышения его производительности, надежности и долговечности рабочего оборудования и электромеханических систем подъема и тяги, по сравнению с ручным управлением, и имеющей существенное значение для совершенствования автоматизации технологических процессов экскаваторов-драглайнов.

Проведенные исследования лично автором позволяют сделать следующие научные и практические выводы:

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 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 регуляторов натяжения подъемных и тяговых канатов 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 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 системы.

5. Для реализации режима автоматического управления процессом черпания рекомендуется применение ПИД-регулятора натяжения подъемных канатов, для режима автокоррекции сигналов управления электроприводами, ПИ-регуляторов натяжения подъемных и тяговых канатов, для режима автоматической защиты от перегрузок — ПД-регуляторов натяжения подъемных и тяговых канатов.

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 грунт при разработке крепких горных пород, и не допускают возможность образования слабины в канатах при копании 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.