Система автоматизации станка ударно-вращательного бурения. 4 страница

В момент времени t₂ разность скоростей ∆V уменьшается до нуля, а слабина ∆l достигает максимального значения. В дальнейшем разность скоростей меняет знак, а слабина уменьшается. Тогда напряжение на выходе нелинейного преобразователя НПопределяется частью его статической характеристики, описываемой уравнением:

                                                                  (2.8)

В это же время на вход релейного элемента Р32действуют два противоположно направленных сигнала ∆l – убывающий и U_НП – возрастающий. В момент времени t₃ оставшаяся часть петли ∆l_ост сравняется по величине с напряжением U_НП что вызовет срабатывание релейного элемента РЭ2. Его выходной сигнал U_РЭ2насвыбирается равным по значению ипротивоположным по направлению напряжения U_НЭ2нас.На входе нелинейного элемента НЭ1эти напряжения уравновешиваются, а выходное напряжение элемента становится равным нулю и на систему управления приводом подъема поступает только сигнал U_з.п,определяющий скорость в направлении на спуск. Вследствие изменения полярности заданного значения скорости вновь начинается реверс скорости V_п.

В момент времени t₄ слабина ∆l уменьшается до нуля. Разность скоростей ∆V приобретает допустимое значение ∆V_к.доп, поэтому усилие S_п нарастает только до S_п.доп. Появление усилия в канате приводит к срабатыванию релейного элемента РЭ1,и, в свою очередь, к блокированию интегратора Ии релейного элемента РЭ2. Функция подсистемы выбора слабины на этом прекращается и в работу вступает подсистема регулирования натяжения подъемного каната, благодаря которой усилие в подъемном канате поддерживается равным заданному значению S_п.з.

Исследование эффективности использования системы автоматического управления процессом черпания проводилось на экскаваторах ЭШ-10.70 и ЭШ-15.90А. Результаты проведенных экспериментов показали, что система автоматического управления процессом копания повышает производительность экскаватора на 4 – 5%, позволяет уменьшить динамические усилия в подъемном канате при отрыве ковша на 6 – 10% и, улучшает условия труда машиниста.

Автоматизация транспортных операций.Автоматизация транспортных операций драглайнов потребовала решения следующих задач:

– разработки локальных систем защиты от аварийных режимов и систем ограничения рабочей зоны движения ковша;

– обоснования алгоритмов управления электроприводами механизмов подъема, тяги и поворотаи созданий программной части САУ транспортными операциями;

– разработки следящих позиционных систем приводов механизмов подъема, тяги и поворота и системы стабилизации ковша;

– построения системы измерения фазовых координат движения ковша;

– создание автоматизированной информационной система управления рабочим циклом драглайна.

Разработанная в Московском инженерно–строительном институте система защиты драглайна от аварий, возникающих в процессе транспортных операций в результате удара ковша по стреле, головному блоку или блоку наводки, автоматически ограничивает приближение ковша к стреле путем управления приводом тяги в функции суммы длин подъемного и тягового канатов и скоростей их перемещения. Экспериментальные исследования показали, что такая система:

– надежно защищает стрелу при любых значениях скорости приближения к ней ковша;

– обеспечивает нормальную работу драглайна в процессе транспортировки ковша в рабочей зоне;

– исключает колебательные движения ковша и его вход в зону растяжки в периоды срабатываний;

Дальнейшим совершенствованием локальных систем защиты явилась разработка системы автоматического ограничения рабочей зоны транспортировки груженого ковша.

При действии системы автоматически ограничивается рабочая зона движения ковша. Вблизи стрелы эта зона ограничивается кривой, соответствующей максимальной нагрузке на механизм подъема. Удаление груженого ковша от стрелы ограничивается границей зоны саморазгрузки ковша. Границы рабочей зоны описываются следующими уравнениями:

вблизи стрелы

                                                                    (2.8)

с зоной саморазгрузки

                                                    (2.9)

где α и β – углы между осью стрелы и канатами подъема и тяги, γ – угол наклона стрелы к горизонту, с₁,с₂ – коэффициенты: с₁ =F_т.мин/Р; с₂ =соs(γ-β)/(F_п.ст,/Р_г); F_т.мин – минимальное усилие в тяговом канате; Р–  вес ковша, F_п.ст – стопорное усилие подъема; Р_г – вес груженого ковша.

В Московском горном институте проведены работы по обоснованию алгоритмов управления электроприводами механизмов подъема, тяги и поворота драглайна и разработке принципов программного управления драглайном в периоды транспортных операций. Основные положения этого исследования заключаются в следующем:

1. Оптимизация по быстродействию пространственного переноса груженого ковша в точку разгрузки и порожнего к месту начала очередного черпания достигается при условии формирования для лимитирующего по длительности в данном цикле привода оптимальной диаграммы скорости.

2. Оптимальная диаграмма скорости имеет форму трапеции, высота которой равна максимальному значению скорости, а тангенсы углов боковых сторон соответствуют максимальным ускорениям.

3. Согласованная минимальная длительность транспортных операций равна продолжительности движения лимитирующего привода.

4. Диаграммы скоростей, не лимитирующих приводов, формируются таким образом, чтобы продолжительность отработки заданий этими приводами равнялась длительности движения лимитирующего привода.

Вычислительный алгоритм определения длительности каждой транспортной операции и управляющих главными приводами функций представляется последовательностью логических и арифметических операторов и операторов формирования. Функциональная структура системы программного управления включает блок вычисления длительности транспортной операции и три блока управляющих устройств главных механизмов подъема, тяги и поворота. Совокупность входных информационных устройств состоит из комплекта датчиков длин канатов механизмов подъема и тяги, угла поворота платформы и скоростей их перемещений.

Применение АСУ позволяет машинисту:

– формировать закон управления лимитирующим по длительности технологической операции приводом, близкий к оптимальному по быстродействию при согласованном движении лимитирующего привода с двумя другими;

– формировать траектории подъема ковша, при движении по которым обеспечивается постоянное усилие в подъемных канатах, путем управления приводом тяги в функции отклонения фактического усилия в подъёмных канатах от заданного;

– обеспечивать стабилизацию нагрузки на привод тяги при черпании путем регулирования толщины стружки механизмом подъема и прогнозирование времени окончания операций черпания.

Приспособляемость АСУ к изменяющимся условиям работы обеспечивается машинистом. В качестве центральной части АСУ применена управляющая вычислительная машина.

2.3. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭКСКАВАТОРОВ МЕХАНИЧЕСКИХ ЛОПАТ.

Рабочий цикл экскаватора характеризуется значительной неопределенностью производственных ситуаций, зависящих от целого ряда факторов: технологии проведения горных работ, характера забоя, квалификации машиниста, формы статических механических характеристик, величины стопорного усилия, быстродействия систем управления и т.д. Анализ работы одноковшового экскаватора показывает, что в настоящее время целесообразно применять комбинированные системы управления, основанные на иерархическом принципе с двумя уровнями управления и сочетающие достоинства человека-оператора и автоматических устройств.

Верхний уровень управления осуществляется машинистом путем задания программ работы основных приводов, контроля за их выполнением и т. п. Этот уровень не исключает непосредственного управления машинистом в отдельных фазах рабочего цикла периоды возникновения нестандартных рабочих ситуаций. Следовательно, машинист сохраняет общие функции управления как организатор процесса и может активно в него вмешиваться.

Нижний уровень состоит из систем автоматического управления основными механизмами экскаватора, которые решают задачи по оптимизации операций рабочего цикла экскавации.

Основными системами управления нижнего уровня являются локальные системы автоматического управления процессом черпания и процессом транспортных перемещений ковша.

Автоматизация процесса черпания. Система автоматического управления процессом черпания должна отвечать комплексному критерию оптимальности, в который соответствующими коэффициентами веса входят теоретическая производительность, эксплуатационная или фактическая производительность, энергоемкость процесса черпания, дополнительные затраты, связанные с разработкой, изготовлением и эксплуатацией САУ, и ряд других показателей.

Теоретическая производительность экскаватора м³ /с

                                                                                  (2.10)

где Е – вместимость ковша, м³; k_н – коэффициент наполнения ковша; t_ц=t_т+t_ч – длительность рабочего цикла, с; t_т, t_ч – длительность транспортных операций и процесса черпания, с.

При постоянных значениях Е и t_т и данной категории грунта теоретическая производительность экскаватора зависит от коэффициента наполнения ковша и длительности процесса черпания. Причем изменение первого параметра оказывает большее влияние на величину П_т чем изменение второго.

Сокращение длительности процесса черпания достигается путем стабилизации определенного усилия F_ст, развиваемого механизмом, подъема. Наименьшей длительности процесса черпания соответствует работа привода подъема вблизи точки отсечки механической характеристики.

Коэффициент наполнения ковша представляет собой нелинейную зависимость от величины среднего усилия, развиваемого приводом подъема, а кривая функции k_н =f(F_ст) близка по форме к кривой с насыщением. Для повышения коэффициента наполнения целесообразно в процессе черпания осуществлять усиление магнитного потока возбуждения двигателей подъема.

Следовательно, теоретическая производительность экскаватора зависит от усилий, развиваемого механизмом подъема. Эта зависимость имеет экстремальный характер и ее максимальное значение находится вблизи точки отсечки механической характеристики привода подъема. Разработанная в Свердловском горном институте система автоматического управления процессом черпания, основанная на принципе стабилизации нагрузки двигателя подъема, обеспечивает изменение величины и знака скорости рабочего органа карьерного экскаватора путем регулирования напряжения преобразователя электропривода механизма напора.

Алгоритм управления подсистемы стабилизации имеет вид:

            (2.11)

где  – напряжение сравнения, т₁ – коэффициент передачи для контура тока двигателя подъема, р –оператор, – постоянные времени.

Напряжением сравнения для сигналов жестких и гибких связей служит разность , которая изменяется в процессе черпания.

Система автоматического управления процессом черпания для объектов управления, подобных экскаватору ЭКГ-20 (рис. 2.5), включает приводы подъема и напора с системами управления, а также регулятор САУ.

рис. 2.5. Функциональная структура САУ процессом черпания

Регулятор САУ состоит из узла управления, регулятора системы стабилизации нагрузки механизма подъема, регулятора системы коррекции скорости и момента механизма подъема, а также блока вычисления усилия, развиваемого механизмом подъема (датчика косвенного определения усилия).

С помощью узла управления осуществляется включение системы автоматического управления процессом черпания. Для удобного и быстрого перехода с автоматического управления процессом на ручное включение систем предусмотрено только в крайних положениях командоконтроллеров: подъема – на подъем ковша, напора – на выдвижение рукояти. Узел управления состоит из усилителя ЭР1без обратной связи, т. е. работающего в релейном режиме, тумблера и ключей. На усилитель ЭР1поступают сигналы с выходов фазочувствительных выпрямителей приводов подъема – U_кп , напора – U_кни постоянное напряжение U₀. Суммарный cигнал (U_кп+U_кн) превышает напряжение U₀ только при установке командоконтроллеров в крайние положения. При этом усилитель ЭР1изменяет полярность выходного напряжения. В свою очередь, это напряжение управляет ключами остальных узлов систем автоматического управления процессом черпания.

Функцию регулятора системы стабилизации нагрузки механизма подъема выполняет усилитель Э6, в обратную связь которого включены параллельно емкость и звено ограничения. На вход этого регулятора поступает сигнал от датчика косвенного определения усилия. Для обеспечения высокого качества процесса регулирования в закон управления вводится сигнал, пропорциональный производной от упругого усилия, и применен интегральный регулятор.

Сигнал, пропорциональный упругому усилию привода подъема, выделяется с помощью датчика усилия ДУ в упругом элементе. Выражение, определяющее схему датчика, имеет вид:

                         (2.12.)

где F_упр – усилие в канатах механизма подъема; – электромеханическая постоянная двигателей; R, Т – сопротивление и постоянная времени якорной цепи; U_п.п. – напряжение преобразователя.

Датчик усилия выполнен на элементах Э1, Э2, Э3. На выходе элемента Э2, представляющего собой усилитель с большим коэффициентом передачи, сравнивается сигнал, пропорциональный току якорной цепи привода подъема, с сигналом на выходе усилителя Э1. Усилитель, на выходы которого подается сигнал, пропорциональный ЭДС тиристорного преобразователя, и сигнал с выхода элемента Э2 представляют собой модель якорной цепи двигателя. На усилителе Э1выполнена модель электромеханической части привода.

Вся система охвачена глубокой обратной связью. За счет усилителя с большим коэффициентом передачи в датчике усилия устанавливается равенство между сигналами, если сигнал с выхода Э3 будет пропорционален ЭДС двигателя, что соответствует подаче на вход Э2 сигнала, пропорционального усилию в канатах привода подъема.

Экспериментальные и аналитические исследования системы автоматического управления процессом черпания, построенной по принципу стабилизации нагрузки привода подъема, доказали, что такая система обеспечивает качественное протекание процесса в забоях ближней и средней удаленности при относительно однородных грунтах. В забоях же с неоднородными грунтами при встрече ковша с включением, не поддающимся экскавации, происходит энергичное реверсирование напора, что приводит к частичному или полному выходу ковша из забоя. Механизм подъема в этот момент имеет скорость, близкую к максимальной. После обхода препятствия, пока механизм напора развивает полную скорость на выдвижение рукояти, механизм подъема, двигаясь с номинальной скоростью, проходит часть траектории, удаляя ковш от забоя. Достигнув полной скорости вперед, механизм напора не успевает в удаленных забоях вторично эффективно заглубить ковш, что требует повторного черпания для полного наполнения ковша или существенно увеличивает длительность процесса черпания. Устранить этот недостаток можно путем реализации специального алгоритма управления, формирующего искусственную характеристику 2 (рис. 2.6).

До первичного заглубления ковша и в процессе черпания, если нагрузка механизма подъема не снизилась ниже заданного значения, в результате выхода ковша из забоя при обходе неэкскавируемого препятствия, механизм подъема работает на характеристике 1. После выхода ковша из забоя нагрузка на механизм подъема установится ниже заданного значения, и механизм подъема переводится на искусственную характеристику 2. Реализация описанного алгоритма управления приводом подъема обеспечивается с помощью регулятора системы коррекции скорости механизма подъема.

рис. 2.6. Механические характеристики провода подъема при работе САУ  процессом черпания.

Регулятор (см. рис.2.5) работает следующим образом. До первичного заглубления ковша в забой сигнал на выходе усилителя Э5 отсутствует.

При сигнале с датчика усилия в упругой связи механизма подъема, равном или большем усилию отсечки по механической характеристике, на выходе усилителя Э5 появляется сигнал, характеризующий первичное заглубление ковша. Дальнейшее изменение усилия в упругой связи механизма подъема не влияет на величину выходного сигнала усилителя Э5 вследствие действия положительной обратной связи по выходу этого усилителя.

После первичного заглубления ковша в забой сигнал с усилителя Э5 поступает на вход усилителя Э4. Сигналы, подаваемые с выхода усилителя Э5 и с датчика усилия в упругой связи, действуют встречно и поэтому сигнал на выходе Э4отсутствует.

С уменьшением усилия в упругой связи вследствие выхода ковша из забоя при обходе неэкскавируемого препятствия на выходе усилителя Э4 появляется напряжение, действующее встречно задающему сигналу на регулятор скорости привода подъема, что ведет к уменьшению скорости механизма подъема и к эффективному заглублению рабочего органа экскаватора в забой после обхода неэкскавируемого препятствия.

Автоматизация процесса черпания позволяет сократить длительность цикла экскавации на 5–8%, снизить динамические нагрузки в копающих механизмах на 10–12% и уменьшить энергоёмкость процесса на 6–8%.

Автоматизация транспортных операций.Транспортные операции в зависимости от типа экскаватора и технологических условий работы составляют от 50 до 85% длительности цикла. Анализ работы экскаватора в периоды транспортных операций показал, что в большинстве случаев лимитирующим по продолжительности позиционного перемещения ковша вне забоя является привод поворота. Поэтому на первом, этапе решения задачи автоматизации транспортных операций разработаны локальные САУ поворотным движением экскаватора.

Система автоматического управления процессом транспортных перемещений ковша состоит из двух частей: программной и следящей.

В зависимости от характеристики забоя и принятой технологии разгрузки программная часть предусматривает работу по двум жестким программам. Первая программа используется при разработке связных забоев и загрузке грунта в транспортное средство, бункер конвейера или отвал. В этом случае реализуются программная отработка забоя со смещением точки каждого очередного копания в плане забоя и выгрузка грунта по заданной технологической программе.

Вторая программа применяется при работе экскаватора в забоях характеризующихся нарушением профиля и наличием неэкскавируемых включений, когда их отработка по жесткой программе затруднена. В этом случае перемещение поворотной платформы от зоны разгрузки к месту начала каждого очередного копания осуществляется машинистом в режиме ручного управления, а возвращение поворотной платформы к зоне разгрузки – в автоматическом режиме Первоначальный ввод задания на величину, перемещения при работе по первой программе и ввод задания на величину перемещения в каждом цикле при работе по второй программе производится машинистом в режиме ручного управления посредством поворота платформы экскаватора от зоны разгрузки к месту очередного копания. Такой способ ввода задания обеспечивает надежную привязку подвижной системы координат экскаватора к неподвижной системе координат забоя.

Следящая позиционная система обеспечивает отработку заданных перемещений в автоматическом режиме необходимой точностью и быстродействием, близким к оптимальному.

Следящая позиционная система должна удовлетворять комплексному критерию оптимальности. При движении в областях фазового пространства, соответствующих быстрым изменениям во времени величины момента двигателей, и вблизи начала фазовых координат ошибки по перемещению и ее производных, качество процесса регулирования должны оцениваться по обобщенному интегральному критерию вида:

                                (2.13)

где – ошибка по перемещению ( – заданное перемещение,  – текущее значение перемещения), ω – частота вращения двигателя, I – сила тока якорной цепи, τ – коэффициент веса.

При расчете следящей позиционной системы, отвечающей заданным требованиям, необходимо учитывать внешние и параметрические возмущения, действующие на объект автоматизации, а также тип структурной реализации системы управления приводом поворота экскаватора. Параметрические возмущения обусловлены изменением суммарного момента инерции поворотной части экскаватора в периоды транспортных перемещений ковша, а внешние возмущения в основном связаны с негоризонтальной установкой поворотной платформы. Все системы управления экскаваторными приводами УП-Д по структуре можно разделить на две группы:

системы с суммирующим усилителем, на вход которого поступают сигналы линейных и нелинейных обратных связей по координатам системы, и многоконтурные системы последовательного и параллельного действия с подчиненным регулированием основных параметров электропривода.

Системы с суммирующим усилителем построены главным образом по принципу поддержания постоянства предельного значения моментав периоды переходных процессов, в связи с чем ускорение поворотной части экскаватора в эти периоды зависит от значения возмущающих воздействий (например, системы управления главными приводами экскаваторов ЭКГ-4,6Б, ЭКГ-8И и т.д.).

Для таких объектов автоматизации разработаны двухрежимные алгоритмы управления:

                                                                    (2.14)

                                                                  (2.15)

где – вспомогательная функция переключения; q – коэффициент веса.

Переход с алгоритма 2.14 на алгоритм 2.15 осуществляется в областях фазового пространства, где необходима оптимизация по обобщенному интегральному критерию качества.

Системы управления приводами поворота с подчиненным регулированием параметров могут быть построены по принципу поддержания постоянства ускорения в периоды переходных процессов (например, система управления приводом поворота экскаватора ЭКГ-20).

Возможность достаточно простого и надежного способа ограничения фазовых координат в системе подчиненного регулирования позволяет принять при автоматизации поворотного движения в качестве критерия оптимальности функционал  во всех фазах движения.

Ограничение ускорения в системе управления электроприводом поворота экскаватора ЭКГ-20 (рис. 2.7) осуществляется с помощью задатчика интенсивности, который входит во внешний контур управления. Наличие релейного элемента в цепи задатчика интенсивности относит данную систему по внешнему контуру к классу релейных.

рис.2.7. Функциональная структура САУ электроприводом поворота экскаватора.

В общем случае алгоритм управления следящей позиционной системы для подобных объектов автоматизации может быть представлен в виде:

                                                    (2.16)

где е₃ – выходное напряжение задатчика интенсивности, k₂, k₁=f( )– коэффициенты передачи по цепям обратных связей ошибки по перемещению и скорости перемещения ( – текущее значение суммарного момента инерции поворотной части экскаватора).

Следовательно, при оптимальном по быстродействию управлении коэффициенты k₁и k₂являются нелинейными функциями изменяющихся параметров объекта. Для объектов, подобных экскаватору ЭКГ-20, возможно формирование близкого к оптимальному алгоритма управления без обратной связи по скорости и с переключающейся главной обратной связью.

Изменение коэффициента передачи по цепи главной обратной связи должно происходить в зависимости от того, какой ковш транспортируется – груженый или порожний. Алгоритм управления в этом случае принимает вид:

                                                            (2.17)

В качестве регулятора САУ применен комбинированный регулятор, в котором составляющая закона регулирования, определяющая статическую точность, вычисляется и хранится в цифровой форме, а составляющие, предназначенные для формирования динамических характеристик – в аналоговой.

В соответствии с выполняемыми операциями: на функциональной схеме выделены следующие узлы регулятора САУ:

– узел определения направления вращения, включающий триггер Т4, дифференцирующую цепь Д_ц и инвертор НE1;

– узел формирования сигнала, пропорционального угловой ошибке, включающий два реверсивных счетчика СТ1и СТ2, логические элементы И5, И6, инвертор НE2, коммутатор Кпреобразователь цифровой величины в аналоговую ПКНи оконечный усилитель ОУ;

– узел управления, включающий триггер управления Т1, триггер сброса ТЗ,логические схемы И1 ÷ И4,фильтры Ф1, Ф2и устройство программного смещения СПС.

К входам регулятора А, В и S подключен импульсный датчик, жестко связанный с валом одного из двигателей привода поворота или с промежуточным валом редуктора механизма поворота.

Первоначальный ввод задания осуществляется машинистом при ручном управлении путем поворота платформы экскаватора на необходимый угол.

При вращении двигателей поворота с выхода S датчика Д на вход реверсивных счетчиков СТ1и СТ2поступают импульсы, число которых пропорционально углу поворота платформы экскаватора. Одновременно с выходов А и В датчика на входы узла определения направления вращения поступают две серии импульсов сдвинутых относительно друг друга на четверть периода. В зависимости от направления вращения платформы триггер Т4узла определения направления вращения подключает один из счетчиков на выполнение операции суммирования (запись), а другой – вычитания (списывания).

В счетчике, который подключен на «запись», происходят счет и запоминание числа импульсов, пропорционального углу поворота платформы. В это же время в другом счетчике происходит списывание ранее запомненной информации, т.е. вычисление текущей ошибки перемещения. В зависимости от принятой программы работы в один из счетчиков может быть введено дополнительное задание на программное смещение экскаватора. Введение угла программного смещения осуществляется с помощью системы программного смещения (СПС).