Синтез систем автоматизації однорідних об'єктів керування зі змінним складом функціональних задач для вугільних шахт

Можлива компенсаційна потужність лави Q_Ki , виходячи з граничної Q_ПРi і планової Q_ПЛi видобутку лави:

Якщо фактичний борг більше, ніж теоретично можлива компенсація, то додатковий видобуток розподіляємо пропорційно можливостям лав; - фактичне значення компенсації:

, т (35)

На рис. 5 наведена узагальнена функціональна схема, що реалізує АСК ТП.

Керування здійснюється в режимі слідкування, тобто вибирається час дискретизації, за який здійснюється прогнозування вантажопотоків, одержання інформації, її обробка, видача управлінського рішення і переведення всіх ланок у потрібний стан.

У шостому розділі описані технічні засоби контролю та діагностики параметрів підсистем локального рівня, особлива увага приділена пристроям сполучення (УС), які у сучасних системах, як показують дослідження, за габаритами та масі займають більш 50% використовуваних конструктивних оболонок. Більшість модулів досліджені досить глибоко різними вченими, у т.ч. і автором даної роботи, і базуються на добре відпрацьованих й апробованих схемних рішеннях.

Модулі: контролю місць перевантаження, оптимізації процесу пуску конвеєрів, контролю швидкості й пробуксовування, деяких датчиків і пристроїв сполучення, які визначають безпеку експлуатації, мали потребу в спеціальних дослідженнях, проведених під керівництвом і за участю автора, результати яких наведені в даному розділі.

Установлено, що УС модулю контролю швидкості повинні будуватися за методом прямого рахунку частоти обертання або заповнення високочастотними імпульсами опорного генератора заданого періоду виміру. Проблему контролю низьких швидкостей необхідно вирішувати шляхом побудови схем з оптичним каналом.

Особливу увагу варто приділити модулю контролю місць пересипу гірської маси. Найбільш надійні засоби контролю, засновані на електричному методі. Визначальним параметром при цьому є величина перехідного опору електрод - гірська маса. Виміри в шахтних умовах перехідних опорів між електродом і гірською масою на пересипах конвеєрів і моделювання в лабораторних умовах показали, що гранична величина перехідного опору, контрольована УС контролю місць пересипу, не перевищує 300 кОм, а припустимий опір витоку 120 кОм (рис. 6).

При побудові УС контролю місць пересипу необхідно також враховувати гальвано-е.р.с., що виникає в датчиках контролю рівня. На рис. 7 показана крива 2, яка представляє вхідну характеристику при зустрічній направленості струмів витікання й гальвано-е.р.с., при цьому чутливість схеми практично не змінилася, а при зниженні опору менш 200 кОм спостерігається навіть “загрублення” пристрою.

У сьомому розділі наведені результати впровадження досліджень у промисловість. На підставі проведених автором досліджень створений ряд систем керування однорідними об'єктами (рис. 8...11).

Для автоматизації шахтного конвеєрного транспорту створений комплекс апаратури УКМ, що пройшов повний обсяг заводських і промислових випробувань. Приймальні випробування дослідних зразків були проведені на шахті “Глибока” ВО “Донецьквугілля” згідно з наказом Держвуглепрому України № 117 від 23.05.94 р. Подальшим розвитком цієї апаратури є комплекс УКМ2М, для якого розроблене технічне завдання, затверджене Торгівельно - промисловою компанією “Укрвуглемаш” у січні 2002 р.

Створено апаратуру для автоматизації прохідницьких комбайнів КПД і КПУ. Апаратура керування прохідницькими комбайнами УПК (виготовлювач - Київський радіозавод “Елміс”) у складі комбайна КПД успішно працює на шахті Добропільська” ВО “Добропіллявугілля”. Дослідні зразки апаратури УПК-01, виготовлені Київським радіозаводом, змонтовані на прохідницькому комбайні КПУ і успішно пройшли повний цикл заводських і попередніх випробувань.

Апаратура керування двошвидкісними скребковими конвеєрами УКСД (виготовлювач - “Донецька інжинірингова група ДІГ”) у складі скребкового конвеєра КСД успішно пройшла приймальні випробування на шахті “Новодонецька” ВО “Добропіллявугілля” і з 2002 р. виготовляється серійно.

Весь ряд апаратури УДПМ виготовляється фірмою “ДІГ”. Окремі її представники застосовані в породонавантажувальних машинах різцевого типу МПП і породонавантажувальних машинах ковшового типу МППк, що виготовляються Новокраматорським машинобудівним заводом НКМЗ, інші - у прохідницьких комбайнах КПД і КПУ, що виготовляються Горлівським машинобудівним заводом. Апаратура УДПМ-03 проходить приймальні випробування в складі прохідницького комбайна КПД в умовах шахти “Добропільська”. Для створення джерела живлення на напругу 36В розроблені технічне завдання, затверджене Мінвуглепромом України в 1995 р., і конструкторська документація відповідно до договору з Мінвуглепромом України № 0119208100 від 03.01.95 р. У додатках наведені матеріали по впровадженню результатів дисертації, протоколи та документи по виготовленню і проведенню промислових випробувань апаратури керування УПК, УКСД, УДПМ-03, УКМ, результати статистичних досліджень, алгоритми, інші допоміжні матеріали.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена науково-практична проблема розвитку наукових і методологічних основ синтезу систем автоматизації однорідних за призначенням, але зі змінним складом функціональних вимог об'єктів, що полягає в обґрунтуванні принципів декомпозиції множини ООК на підмножини за рівнем вимог, у встановленні системних раніше невідомих залежностей, що визначають функціональні структури автоматизації через інтегральний склад та надлишковість функціональних вимог множини ООК з урахуванням виділених підмножин та елементів, що входять до їхнього складу, розробці на цій основі математичних моделей і практичних методів оптимізації функціональних структур, які використовуються при створенні комплексу технічних засобів автоматизації, що задовольняють повний склад функціональних вимог множини ООК та забезпечують ефективне керування технологічними процесами у вугільних шахтах.

Основні наукові й практичні результати полягають у наступному:

1. Виконано аналіз стану і перспектив розвитку різноманітності об'єктів керування, що складають технічну базу основних технологічних процесів очисних, прохідницьких і транспортних робіт і вперше показано, що вони як узагальнений об'єкт автоматизації являють собою множину однорідних об'єктів керування і характеризуються змінним складом вимог до автоматизації в залежності від конкретних гірничо-геологічних умов експлуатації і конструктивних особливостей установок, що істотно відрізняються для різних гірничо-видобувних підприємств.

2. Вперше обґрунтовано інтегральний метод синтезу функціональних структур систем керування однорідними об'єктами, який розглядає не одиночні об'єкти, а їхню множину, що характеризується інтегральним складом, який враховує кількість функціональних вимог і об'єктів, що входять у множину ООК і окремих його підмножин, сформованих за принципом рівного складу вимог усередині останніх.

У порівнянні з відомими методами це дозволяє істотно скоротити витрати і терміни на проектування систем автоматизації, адаптованих під задану множину ООК.

3. Сформульовано правила синтезу функціональних вимог до складових частин структур - модулів, що дозволило виділити загальні для всієї множини ООК і додаткові для кожної з підмножин вимоги, а також визначити функціональну спрямованість модулів, що задовольняють у сукупності повному складу функціональних вимог до автоматизації ООК.

Це дало можливість одержати ряд функціональних модулів: універсальних - загальних для всієї множини ООК, спеціалізованих - відповідних окремим підмножинам, додаткових - відповідних стрибку функціональних вимог при переході від однієї підмножини до іншої.

Це створює основу синтезу систем автоматизації, що враховують конкретні множини ООК - ті, що знаходяться в експлуатації, виробництві та у розробці.

4. На основі аналізу ПСФ і виконаного на його базі синтезу показана можливість вирішення задачі трьома різними видами вихідних функціональних структур, що покривають ПСФ множини ООК:

- ГСС (гнучка структура на базі спеціалізованих модулів);

- ГСД (гнучка структура на основі базового і ряду додаткових модулів);

- ЖС (тверда структура).

Для вибору вихідної функціональної структури, що відповідає заданій множині ООК, вперше запропоновано критерій виду функціональної структури, що представляє собою різницю між корисним (мінімально достатнім для автоматизації даної множини ООК) і надлишковим складом інтегральних вимог.

5. Установлено вираз для визначення критерію виду функціональної структури для систем керування очисними, прохідницькими комбайнами і шахтним транспортом, що забезпечують адаптацію цих систем під задані множини ООК.

Завдяки цьому синтезовано системи керування новим поколінням прохідницьких комбайнів і конвеєрів зі збереженням уніфікації і спеціалізації.

6. Сформульовано принцип оптимізації вихідної структури на базі витратного критерію, що полягає у визначенні такого варіанта, що забезпечує найменшу вартість системи автоматизації множини ООК.

Уперше розроблено математичну модель, за допомогою якої виконано оптимізацію системи керування конкретної множини ООК. Показано, що для конвеєрного транспорту виробничого об'єднання “Донецьквугілля”, що включає 949 конвеєрів і складається з п'яти підмножин, оптимальною є система керування на основі базового (універсального) і додаткових модулів. Витрати на автоматизацію неоптимізованої структури ГСС майже в 2 рази більші, ніж структури ГСД. Витрати на оптимізовану структуру ГСС значно зменшуються, але при цьому вони в 1,4 рази більші, ніж для структури ГСД.

7. Розроблено умови трансформації функціональних модулів у конструктивні з урахуванням частинних критеріїв і встановлено принципи технічної реалізації функціональних векторів, що враховують іскро- і вибухобезпечне виконання, із застосуванням джерел живлення з низькою первинною напругою зі спеціальним захистом від витоків струму. Це дало можливість на стадії конструкторської реалізації функціональних модулів закладати обґрунтовані види виконань з вибухозахисту і габаритно-масових показників.

8. Запропоновано схемотехнічні рішення пристроїв сполучення з урахуванням специфічних вимог (значних витоків у лініях зв'язку, великих перехідних опорів у колах контролю місць перевантаження, іскробезпечність виконання та ін.), що виникають при автоматизації гірничих виробництв. Це створило умови для розробки надійних виробів шахтної автоматики, у тому числі і спеціальних датчиків.

9. Розроблено алгоритми функціонування АСК ТП на основі локальних підсистем, що забезпечують комплексну автоматизацію процесів видобутку, проведення гірничих виробок і транспортування корисних копалин.

Уперше запропоновано організувати внутрішньосистемний обмін інформації в зазначеній АСК ТП на базі локальної системи автоматизації транспорту, а не спеціальної підсистеми, що істотно підвищить надійність і живучість АСК в цілому.

Наукові положення і результати опубліковані в 41 роботі, з яких основні наступні

1. Мезников А.В., Стадник Н.И. Аппаратура автоматизированного управления конвейерами на базе микропроцессорной техники // Уголь Украины. - 1997. - №2,3. - С.47,48.

2. Стариков Б.Я., Косарев В.В., Стадник Н.И., Варшавский Ю.И. Фронтальный агрегат АФК с регулируемой системой подачи // Уголь Украины. - 1997. - №6. - С.33,34.

3. Стадник Н.И. Комплекс технических средств автоматизации шахтного конвейерного транспорта (КТС АШК) // Уголь Украины. - 1997. - №7. - С.29-32.

4. Косарев В.В., Сергеев А.В., Стадник Н.И., Рабинович З.М. Влияние параметров системы электропривода и условий эксплуатации на нагрузку очистных комплексов // Уголь Украины. - 1998. - №6. - С.24-27.

5. Стадник Н.И., Ведерников А.И. О влиянии гальваноэффекта в датчике уровня на аппаратуру контроля сыпучих материалов // Уголь Украины. - 1999. - №3. - С.22,23.

6. Стадник Н.И., Мезников А.В., Жукова Н.В. Принципы построения устройств сопряжения аппаратуры автоматизации ленточных конвейеров с датчиками // Уголь Украины. - 1999. - №4. - С.27-30.

7. Ткачев В.В., Стадник Н.И., Мезников А.В. Способы контроля скоростных параметров ленточного конвейера. - Сборник научных трудов НГАУ. Выпуск №4. - Днепропетровск, 1999.

8. Стадник Н.И., Мезников А.В. Контроль скорости и пробуксовки на ленточных конвейерах // Уголь Украины. - 2000. - №6.- С.30-32.

9. Стадник Н.И. Синтез структуры системы автоматизации однородных объектов с переменным составом функциональных требований. - Сборник “Геотехническая механика”. Межведомственный сборник научных трудов. Выпуск №22. - Днепропетровск, 2000. - С.123-128.

10. Стадник Н.И. Выбор оптимальной структуры средств автоматизации однородных объектов. - Сборник “Геотехническая механика”. Межведомственный сборник научных трудов. Выпуск №21. - Днепропетровск, 2000. - С.18-23.

11. Стадник Н.И. Интегральный метод синтеза оптимальной структуры технических средств автоматизации однородных объектов. - Вестник ВНУ, №8(30). - 2000. - С.136-141.

12. Стадник Н.И., Лямцева И.В. Постановка задачи оптимального управления конвейерным транспортом. - Науковi працi Донецького державного технiчного унiверситету. Серiя: Обчислювальна технiка та автоматизацiя. Выпуск №20. - Донецк, 2000. - С.82-90.

13. Стадник Н.И. Принципы построения структуры комплекса средств автоматизации конвейерного транспорта. // Уголь Украины. - 2001. - №1.- С.25-27.

14. Стадник Н.И. Формирование иерархических уровней АСУ конвейерным транспортом шахты. - Науково-технiчний збiрник “Гiрнича електротехнiка та автоматика”. Випуск №65. - Днiпропетровск, 2000. - С.55-60.

15. Стадник Н.И., Бочаров К.П. О возможности применения тиристорного привода для плавного пуска ленточных конвейеров. // Уголь Украины. - 2001. - №2,3. - С.34-37.

16. Стадник Н.И. Формирование конструктивных модулей, составляющих технические средства автоматизации однородных объектов. - Сборник “Геотехническая механика”. Межведомственный сборник научных трудов. Выпуск №23. - Днепропетровск, 2000. - С.129-136.

17. Стадник Н.И. Cинтез функциональных структур АСУ множеством однородных объектов. - Сборник научных трудов Национальной горной академии Украины. №11, Том 2. - Днепропетровск, 2001. - С.131-135.

18. Стадник Н.И., Мезников А.В. Cпособы сопряжения информационных сигналов в аппаратуре управления шахтным конвейерным транспортом. - Науково-технiчний збiрник “Гiрнича електротехнiка та автоматика”. Випуск №66. -Днiпропетровськ, 2001. - С.49-52.

19. Стадник Н.И. Интегральная избыточность как критерий оптимизации функциональных структур систем управления. - Науковi працi Донецького державного технiчного унiверситету. Серiя: гiрничо-електромеханiчна. Випуск №27. - Донецьк, 2001.- С.377- 381.

20. Стадник Н.И., Ведерников А.И. Выбор величины первичного питающего напряжения шахтной аппаратуры контроля. // Уголь Украины. - 2001. - №11,12. - С.60,61.

21. Сергеев А.В., Стадник Н.И., Мизин В.А. Рациональные режимы работы проходческого комбайна. // Уголь Украины. - 2002. - № 2,3. - С.48-50.

22. Ткачев В.В., Стадник Н.И., Сергеев А.В. Определение рациональных параметров двигателя для привода резания очистных и проходческих комбайнов. - Науково-технічний збірник “Гірнича електротехніка та автоматика”. Випуск №67. - Дніпропетровськ, 2001. - С.101-105.

23. Стадник Н.И., Мезников А.В., Сергеев А.В. Аппаратура управления и контроля проходческих комбайнов // Горные машины и автоматика. - 2002.- №12. - С.32-34.

24. Стадник Н.И., Сергеев А.В., Мезников А.В. Системы электропривода современных забойных скребковых конвейеров // Горные машины и автоматика. - 2002.- №12. - С.34-37.

25. Пат. № 17141А Украины, МКИ⁵ Н04В7/00, Н04L25/40. Устройство для обмена двоичной информацией / Мезников А.В., Ведерников А.И., Стадник Н.И., Федорищев В.Ф., Тараненко В.А., Чернилевский В.М (Украина). - № 93005461; Опубл. 31.10.97, Бюл. № 5 // Промислова власність. - С. 3.1.341-3.1.342.

26. Пат. № 20966А Украины, МКИ⁵ В65G43/00. Способ контроля уровня и устройство для его осуществления / Мезников А.В., Стадник Н.И., Ведерников А.И., Зальцведель В.Б. (Украина). - № 93005331; Опубл. 27.02.98, Бюл. № 1 // Промислова власність. - С. 3.1.142-3.1.143.

27. Пат. № 24455А Украины, МКИ⁵ G08С19/16. Устройство для дистанционного управления многофункциональными объектами / Мезников А.В., Стадник Н.И., Ведерников А.И., Зальцведель В.Б. (Украина). - № 94086752; Опубл. 30.10.98, Бюл. № 5 // Промислова власність. - С. 3.1.174-3.1.175.

Размещено на Allbest.ru