Система автоматизации станка ударно-вращательного бурения. 6 страница

Трудность создания датчика для измерения расстояний в этом диапазоне заключается в том, что здесь находятся границы областей применения устройств звуковой и радиолокации. Вместе с тем появление новых схем, совершенствование элементной базы электронных устройств и возможность использования некоторых специальных приемов позволяют надеяться на создание такого датчика в ближайшем будущем.

3. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
ГОРНОТРАНСПОРТНЫМИ ПРОЦЕССАМИ

3.1. НАЗНАЧЕНИЕ И СТРУКТУРА АСУ ТП КАРЬЕРОВ

Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) – это комплекс методов, технических средств управления и управляющего производственного персонала, обеспечивающий управление технологическим объектом на основе централизованно обработанной информации по заданным технологическим и технико-экономическим критериям.

АСУ ТП находят применение при управлении наиболее сложными технологическими процессами на карьерах, к которым относится в первую очередь горнотранспортные процессы.

Сложность управления этими процессами обусловила ряд особенностей их как объектов управления:

– большие масштабы производства, территориальная разобщенность и многочисленность разнородных объектов управления;

– разветвленная сеть транспортных, коммуникаций и интенсивное движение по ней;

– высокая динамичность горных работ, подвижность технических средств и др.

Состояние горнотранспортных процессов как объектов управления характеризуют экскаваторные забои по каждому виду горной массы, дробильно-сортировочные комплексы обогатительных фабрик, порожние и груженные горной массой автосамосвалы и железнодорожные составы, транспортные коммуникации и др. Основные параметры горнотранспортных процессов являются дискретными случайными величинами, поэтому оперативное управление процессами можно рассматривать как задачу управления дискретно-стохастическими процессами.

Оперативное управление работой карьеров осуществляют, как правило, начальники участков, горные мастера и штат оперативно-диспетчерской службы (горные, транспортные диспетчеры, энергодиспетчеры и др. ).

При этом начальники участков и мастера управляют производством непосредственно в карьере, неся ответственность за работу конкретных участков производства, а диспетчерская служба (в частности, горный диспетчер) координирует работу всех подразделений, обеспечивая:

– оперативное руководство и учет работы основного оборудования;

– распределение порожних железнодорожных составов или автосамосвалов между экскаваторами и груженых – между пунктами разгрузки полезного ископаемого или отвалами (через транспортного и станционных диспетчеров);

– выдачу указаний о необходимости проведения вспомогательных и ремонтных работ, передачу предупреждений об ожидаемых отключениях электроэнергии, ремонте контактной сети (по согласованию с энергодиспетчером);

– передачу руководству карьера сведений о ходе выполнения плана добычных и вскрышных работ, ведение оперативных документов.

Существующая система оперативного управления характеризуется недостаточным объемом, недостоверностью и несвоевременностью оперативной информации, что не позволяет оперативному персоналу глубоко проанализировать ход производственного процесса и организовать четкое взаимодействие производственных комплексов. В результате нарушается ритмичность работы, возникают излишние простои оборудования, ухудшается качество поставляемых на обогатительные фабрики руд.

По приведенным в ряде работ данным простоя экскаваторного парка по причинам неудовлетворительного оперативного руководства достигают 20% календарного времени, причем половина времени простоев приходится на ожидание транспорта. Простои транспорта по организационным причинам достигают также 20% общего фонда времени. Автоматизированные системы управления технологическими процессами призваны ликвидировать эти недостатки.

Актуальными задачами автоматизации оперативно диспетчерского управления в карьерах являются:

– оперативное планирование горнотранспортных процессов, заключающееся в определении объемов добычи горной массы экскаваторами, распределение этих объемов по пунктам разгрузки в соответствии с принятыми критериями эффективности и ограничениями;

– оперативное управление горнотранспортным процессом в отношении организации работы железнодорожного и автомобильного транспорта, при которой обеспечивается реализация оптимального оперативного плана, бесперебойная работа обогатительных фабрик, минимум простоев оборудования и др;

– оперативный контроль, учет и анализ процессов и состояния оборудования, который позволяет своевременно обнаружить отклонения от плана и оперативно воздействовать на процессы в целях их улучшения. К объектам автоматизированного оперативно-диспетчерского управления на карьерах относятся в основном экскаваторно-автомобильные и экскаваторно-железнодорожные комплексы.

В последнее время автоматизированные системы управления технологическими процессами создаются для крупных машин и комплексов – роторных комплексов и драглайнов большой единичной мощности. АСУ ТП на этих объектах предназначены для выполнения информационных и управляющих функций:

– сбор и первичная обработка информации о состоянии оборудования и ходе технологических процессов; учет и анализ работы оборудования, вычисление технико-экономических показателей;

– отображение и представление оперативной информации обслуживающему персоналу, регистрация и документирование отчетной и производственно-статистической информации;

– контроль, регистрация и сигнализация срабатывания защитных устройств;

– передача отчетной информации и получение управляющей информации от высшего звена управления.

К функциям управления относятся:

– выдача рекомендаций о параметрах работы оборудования на основе оперативного анализа плановых заданий и фактических показателей, характеризующих состояние оборудования и ход технологического процесса;

– автоматизированное или автоматическое управление отдельными машинами, установками, технологическими процессами (программное управление работой экскаватора, управление процессом экскавации и т. п.);

– автоматическое регулирование параметров технологических режимов (регулирование натяжения лент, центрирование грузопотоков и др.);

– автоматический аварийный останов машины или комплекса.

Сложность перечисленных выше задач управления обусловила необходимость применения для их решения ЭВМ, причем вычислительный комплекс должен работать в реальном масштабе времени и осуществлять обмен информацией с большим числом объектов. Длительность решения задач и режим выдачи информации должны выдерживаться в соответствии с режимом работы и текущим состоянием управляемым объектом, т.е. обработка информации в УВК должна осуществляться с большей скоростью, чем скорость технологических процессов.

3.2. АСУТП НА КАРЬЕРАХ С АВТОМОБИЛЬНЫМ ТРАСПОРТОМ

Алгоритмы управления. Задачей системы является минимизация простоев автотранспорта при условии выполнения каждым из экскаваторов сменных заданий.

В алгоритмическом смысле АСУ является оптимальной, адаптивной системой и производит идентификацию, и регулирование процесса добычи и транспортирования горной массы.

Основная цель идентификации процесса заключается в прогнозировании ситуации в карьере на некоторый интервал времени, в частности, прогнозируется значение интервала посылки автосамосвала к забойному экскаватору.

Оценка ситуации направлена, на определение интенсивности потока самосвалов по отклонению их фактического числа и интервала движения от расчетных величин. По вычисленным отклонениям определяется адрес следования порожнего самосвала по алгоритму рационального выбора маршрута (РВМ).

Алгоритм РВМ следующий. Для всех экскаваторов с помощью одноцикловой программы определяется  – отклонение фактического интервала посылки автосамосвала к i-му экскаватору от заданного.

Если выполняется условие:

                                                                     (3.1)

где Т_i – текущее время; t_i(j-1)– время посылки (j–1)-го автосамосвала к i-му экскаватору, то выбирается экскаватор с максимальным , и к нему направляется очередной порожний автосамосвал.

Если это условие не выполняется ни для одного из экскаваторов, то автосамосвал отправляется к первому из них. Для выбранного экскаватора фиксируется время отправки последнего автосамосвала.

Для выполнения сменных заданий всеми экскаваторами необходимо периодически корректировать интервалы посылки автосамосвалов τ_i, т.е. осуществлять адаптацию системы к возмущениям: задержкам автотранспорта, кратковременным выходам из строя экскаваторов и т.д.

Алгоритм коррекции работы карьера (КРК) следующий. Определяется фактическая интенсивность потока самосвалов для каждого экскаватора:

                                                                             (3.2)

далее определяется отклонение

                                                                          (3.3)

где  – заданная интенсивность.

Затем находится необходимое изменение для которое должно обеспечить компенсацию возникшего отклонения от сменного задания.

                                                                            (3.4)

где α_n–некоторый коэффициент.

Затем определяется новое значение.

                                                                        (3.5)

Для контроля обеспеченности карьера автотранспортом в системе применяется оперативный расчет дополнительного автотранспорта.

Алгоритм расчета обеспеченности карьера автотранспортом состоит в определении: суммы отклонений по (3.3) ; величины  и дефицита автотранспорта по п экскаваторам:

                                                                (3.6)

Кроме перечисленных задач в системе реализуются программами также задачи учета показателей работы горнотранспортного оборудования (УПК), вызова на индикацию, наложения запрета на маршрут, ввода инвентарных номеров автосамосвалов, прибывающих в карьер, формирования и печати сменной ведомости.

Порядок решения задач в процессе функционирования системы, а также обслуживание внешних причин прерывания обеспечивает прерывающая программа – диспетчер.

Структура и алгоритм функционирования.Структурная схема автоматической системы управления «Магнетит» показана на рис 3.1.

Обмен речевой информацией между экскаваторами и ДП производится по радиоканалу дальней связи (радиотелефону).

Потоки информации образуются следующим образом. На пункте разгрузки при подъеме кузова срабатывает датчик разгрузки. При этом с АУчерез УРП передается на устройство диспетчерского пункта закодированный номер автосамосвала со служебными признаками. При вводе номера автосамосвала в УВМ, расположенную на ДП, данному автосамосвалу и экскаватору, которым он был загружен, засчитывается предыдущий рейс и по принятому алгоритму определяется маршрут следующего рейса. Маршрут (номер экскаватора для погрузки и номер пункта разгрузки) передается от УДПчерез УРПна АУи запоминается в АУ. На цифровом табло в кабине водителя высвечивается номер экскаватора.

Такой же процесс обмена данными происходит и на других РП.

При полной загрузке у экскаватора на автосамосвале срабатывает входящий в состав АУдатчик нагрузки и с АУна ЗУпередается адресный номер экскаватора, номер экскаватора на табло гаснет и высвечивается номер склада, полученный на РП. При раскрытом ковше экскаватора в ЗУ производится прием этого номера и сравнение адресного номера экскаватора – с фактическим нагружающего.

рис 3.1 Структурная схема АСУ. «Магнетит»: ЦУ – центральное устройство; УРП – устройство
распределительного пункта; АУ – автомобильное устройство; ЭУ – экскаваторное устройство; 1 – УСО УВМ; 2 – пульт оператора; 3 – регистр прерываний; 4 – решающий блок; 5 – регистр заявок; 6 – регистр
считывания с УСО УВМ; 7 – передающий регистр; 8 – блок программного управления; 9 – блок контроля кода; 10 – блок считывания управляющих данных; 11 – блок записи учетных данных; 12 – приемный
 регистр; 13 – узел преобразования сигналов; 14 – канал связи (радиоканал дальнего обмена); 15 – линейный
коммутирующий узел; 16 – управляемый приемопередатчик; 17 – радиоканал ближнего обмена; 18 – датчик запуска; 19 – узел памяти; 20 – датчик номера самосвала; 21 – узел индикации маршрутного здания;
22 – датчик открытия ковша; 23 – датчик номера экскаватора; 24 – узел сравнения.

В случае совпадения (несовпадения) этих номеров с ЗУна АУпосылается сигнал правильного (неправильного) выполнения маршрута, который запоминается в АУи передается в коде служебных признаков при запросе маршрута следующего рейса, запоминается в УВМи затем распечатывается в итоговой после сменной ведомости данного водителя.

В случае нарушения маршрута разгрузки при проезде мимо немаршрутного РП,как и при нормальных условиях, при очередном запросе гаснет предыдущий номер РПи высвечивается новый номер экскаватора, на УВМ фиксируется прием с немаршрутного РП, нарушение вводится в память УВМ и также распечатывается.

Сообщение о неисправности и готовности экскаватора передаются по мере их возникновения машинистом экскаватора по радиотелефону на ДП. В этом случае экскаватор соответственно исключается или вводиться в цикл адресования оператором вручную, оперируя тумблерами и клавишами, расположенными на пульте управления.

Экскаватор исключается из цикла адресования также и автоматически, если в течение 30 мин (время периода коррекции интервала посылки самосвалов к экскаватору, производимой УВМ) от самосвалов, посланных к какому-либо экскаватору, не поступает очередной запрос.

Интенсивность потоков данных определяет допустимую скорость движения самосвалов мимо УРПдо 60 км/ч с интервалом следования З0 м.

Способ передачи принят асинхронный. Автоматический обмен между устройствами системы осуществляется по запросу АУ.

Способ кодирования данных – последовательный двоично-десятичный код. В коде сообщения от АУинвентарный номер самосвала представлен первой, второй и двумя разрядами третьей тетрады. Первый и второй разряды третьей тетрады используются для кодирования служебных признаков сообщения от АУ.

Код сообщения от УДПтакже представлен тремя тетрадами, где в первых двух размещается инвентарный номер экскаватора, а в третьей – номер РП.

Код сообщения от ЭУимеет объем 1 бит и представлен символом «1» или «0».

Динамика взаимодействия устройств и узлов системы при обмене информацией между подвижными и стационарными технологическими объектами представлена граф-схемой алгоритма функционирования (рис. 3.2).

рис. 3.2 Граф-схема алгоритма функционирования.

Система находится в состоянии ждущего режима который прерывается при выполнении условия срабатывания датчика разгрузки Р_1.При этом АУпереходит в режим передачи и передает кодовую комбинацию объемом в 12 бит в течение времени τ₁=280 мс. Затем АУбезусловно переходит в режим приема на время τ₂=280мс. В УРПи УДПпод воздействием принимаемого сигнала время приема определяется на τ₁=280 мс, затем УРПи УДПпереходят в режим передачи на время τ₃=280 мс. В случае невыполнения условии Р_2,Р_3,Р_4, АУ, УРП, УДПповторяют цикл обмена уже автоматически, что отражается на граф- схеме соединением функциональных операторов А₁, А₈, А₁₁, А₂₃,А₂₄ и А₂₆ссоответствующими логическими операторами. В случае невыполнения условия Р₄ оператор А₉ уже не выполняется, а используются результаты его выполнения при первом обмене.

Работа оператора ДП протекает следующим образом. В зависимости от плана добычного участка на предстоящую смену планово-экономическими службами и руководством карьера составляется задание на смену, в котором отражаются все необходимые исходные и оперативные данные, а также данные, которые представляются на ДП за 30 мин. до начала смены.

Персонал ДПобрабатывает поступающую информацию, вводит ее в УВМи подготавливает последнюю к работе. Готовность системы «Магнетит» устанавливается за 5 мин. до начала смены. В связи с этим движение технологического транспорта из гаража также возможно не ранее чем за 5 мин. до начала смены. При этом транспорту необходимо «войти в систему», т.е. при выезде из гаража необходимо проехать мимо РПгаража.

Основным отчетным документом по итогам смены является сводная печатная ведомость. Ведомость содержит основные сведения о выработке по всем экскаваторам и самосвалам, работавшим в отчетную смену. Ведомость дополняется данными о всех нарушениях в течение смены:

– нарушения режима адресования водителями самосвалов;

– несоответствия представляемого на ДП перед началом смены перечня автосамосвалов фактическому перечню;

– ошибках и сбоях УВМ.

3.3. АСУ ТП НА КАРЬЕРАХ С ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫМ ТРАНСПОРТОМ

Карьерный железнодорожный транспорт (КЖДТ) работает по двум схемам: замкнутой на территории предприятия и разомкнутой. По замкнутой схеме перевозки выполняются относительно постоянными формированиями – локомотиво- составами, задача управления КЖДТ заключается в выборе адресов назначения и очередности подачи рудных составов.

Для разомкнутой схемы перевозок характерно большее число потребителей,значительная удаленность их от карьеров, наличие достаточно больших приемных складов. Кроме того, в ходе технологического процесса может регулярно изменяться состав железнодорожных формирований. В этих условиях задача управления технологией КЖДТ в рамках предприятия ставится как задача распределения прибывших порожних вагонов по фронтам погрузки.

Алгоритмы управления.В качестве базы для решения задач оперативного управления КЖДТ наилучшим образом подходит динамическая ситуационная модель, реализуемая на базе достаточно надежных и серийно выпускаемых технических средств. Наиболее эффективное функционирование такой модели обеспечивается за счет минимизации объема входной информации, вводимой вручную, что легче всего достигается при замкнутой схеме перевозок. В связи с этим АСУ ТП КЖДТ рассмотрим на примере АСУ для рудного и породного ходов одного из горно-обогатительных комбинатов черной металлургии (рис. 3.3).

рис. 3.3. Примерная схема внутренних перевозок: А, В, . . ., К – посты

централизованного управления КЖДТ; → – направление грузопотока;

↑↓– погрузка и выгрузка руды (жирные стрелки); ↑↓– погрузка и выгрузка породы.

Выбор критерия оптимальности зависит от наличия или отсутствия требований к шихтовке перевозимых руд, непрерывности подачи составов под погрузку, выемке горной массы. Критерий может изменяться в процессе эксплуатации, но при этом всегда ставиться цель оптимизации показателей производств, обслуживаемых транспортом. Входной информацией задачи управления служит график выемки и погрузки горной массы, нормативно справочная информация о схеме путей, длительности передвижений и грузовых операций, ограничения по враждебности маршрутов и ситуационная модель. Необходимо составить и реализовать оптимальный по выбранному критерию график движения локомотиво-составов.

Функциональная структура АСУ ТП для некоторого обобщенного района КЖДТ показана на рис. 3.4.

рис. 3.4 Функциональная структура АСУ ТП для района КЖДТ: 1–составление графика движения локомотивосоставов (планирование); 2 –реализация графика (управление движением); 3 –управление  бъектами (телеуправление стрелками и сигналами); 4 –объекты управления и контроля; 5– отображение работы КЖДТ

При реализации функции 1 оптимизируется выбранный критерий, а функции 2 – минимизируются отклонения от составленного графика движения. Функция 3 служит для управления стрелками и светофорами, 5 – для формирования модели и учетных форм документов. Выбор функций для автоматической реализации в конкретной АСУ выполняется в зависимости от наличия тех или других регулируемых параметров и на основе расчета экономической эффективности.

Структура и алгоритм функционирования.Выбор технической базы АСУ ТП осуществляется в зависимости от целесообразности применения динамической ситуационной модели и автоматического управления стрелками и светофорами. Если применение их нецелесообразно, то в качестве технической базы применяется управляющий вычислительный комплекс (УВК) из серии ЕС ЭВМ и датчики поездной информации с ручным вводом сообщений из кабины локомотива, которые считываются путевыми устройствами в определенных (контрольных) точках. В противном случае применяются УВК класса СМ ЭВМ и устройства электрической (ЭЦ) и диспетчерской (ДЦ) централизации, автоблокировки (АБ). Последний вариант характеризуется более сложной структурой АСУ, поэтому рассмотрим именно этот вариант.

Структура комплекса технических средств АСУ, соответствующая рассмотренному варианту оперативно-диспетчерской структуры, показана на рис. 3.5.

рис. 3.5 Структура комплекса технических средств АСУ.

Телемеханическая система на базе серийно выпускаемых устройств ДЦ (ЛКДЦ, ЦКДЦ) применена здесь для передачи информации с постов ЭЦ в машину по известительному каналу. При автоматизации управления устройствами ЭЦ используется также управляющий канал. При этом в качестве средства задания маршрутов может применяться специализированное устройство, разработанное институтом Гипроруда, а штат дежурных по станциям может быть сокращен.

Задача составления графика движения (функция 1) решается с помощью модифицированного алгоритма Форда. В результате решения определяется вариант адресации составов, обеспечивающий скорейшую доставку горной массы нужного качества в пункт назначения. Минимизация отклонений от графика (функция 2) выполняется за счет организации скрещений и обгонов локомотивосоставов в промежуточных пунктах, основанных на принципе расчлененно-связанных ситуаций.

3.4. АСУ ТП НА КАРЬЕРАХ С КОМПЛЕКСАМИ ГОРНОТРАНСПОРТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

В качестве критериев оптимальности работы комплексов непрерывного действия принимают максимум эксплуатационной производительности или минимум себестоимости добываемой горной массы при различных технологических и конструктивных ограничениях.

Для управления конвейерными линиями комплекса целесообразна организация единой подсистемы на основе системы телемеханики; при этом каждая конвейерная установка должна быть полностью автоматизирована. Для выполнения этого требования необходима радикальная модернизация электроприводов и устройств натяжения лент; необходимы создание эффективных средств центрирования лент, очистки лент и барабанов, удаление скальных включений из грузопотока, а также совершенствование средств контроля состояния конвейеров и процесса транспортировки горной массы.

Таким образом, в структуре автоматизированной системы контроля и управления (АСКУ) достаточно четко выделяются три уровня: уровень диспетчерского контроля и управления, уровень контроля и управления подвижными объектами (экскаваторами, перегружателями, отвалообразователями) и конвейерным транспортом, уровень локальных подсистем автоматического регулирования и управления отдельными процессами и операциями.

Примерная структура АСКУ комплексом непрерывного действия показана на рис. 3.6.

рис. 3.6 Примерная структура автоматизированной системы контроля и управления
комплексом непрерывного действия.

Диспетчерский пункт 1оборудуется пультом и мнемощитом, средствами связи и при необходимости – управляющей вычислительной машиной с устройствами ввода и вывода информации. Операторский пункт 2 роторного экскаватора, находящийся в кабине машиниста, оборудован пультом управления, средствами связи, бортовой микро-ЭВМ. Аналогично устроены операторские пункты 3 и 5 перегружателя и отвалообразователя. Подсистема 4телемеханического контроля и управления конвейерными линиями подчинена непосредственно диспетчеру.

Подсистемы 2 – 5 второго ранга иерархии связаны информационными связями, необходимыми для согласованного управления всеми конвейерными установками комплекса; для программного управления согласованным перемещением машин и для пространственного согласования перегрузочных устройств.

Из множества возможных локальных подсистем нижнего ранга на схеме выделены только наиболее характерные подсистемы. Многочисленные непосредственные информационные связи между подсистемами нижнего уровня на схеме не показаны.

Примером АСКУ роторным комплексом может служить система, действующая на карьере «Казимеж» в ПНР.

Целью автоматизации комплекса является повышение производительности и увеличение использования оборудования во времени. Из важнейших технических средств, примененных в системе, следует отметить: устройства контроля пунктов перегрузки; обнаружения металла в потоке горной массы; последовательного пуска конвейеров; ультразвуковые для определения объемной производительности конвейеров; телеметрическое селекторное для передачи по шести временным каналам информации о натяжении лент, силе тока в приводных двигателях и потребляемой мощности; автоматического программного регулирования натяжения лент; автоматического регулирования производительности экскаваторов для стабилизации потока горной массы, а также системы: бесконтактную импульсную дистанционного управления и сигнализации между диспетчерским пунктом и объектами; центральной регистрации и обработке данных о выработке, эффективном времени работы, потреблением мощности и электроэнергии.

Центральный диспетчерский пункт оснащен сигнальным табло, измерительными устройствами, регистрирующими устройствами (самописцами), электрической пишущей машинкой, ленточным перфоратором, мнемосхемой диспетчерской связи и мнемосхемой управления.

Данные, преобразуемые системой центральной регистрации и обработки, автоматически печатаются в форме часовых и сменных рапортов. Наиболее существенной информацией, печатаемой в рапортах, является информация о производительности отдельных экскаваторов, времени эффективного использования оборудования и удельном расходе электроэнергии технологическими линиями. Вся информация выводится на перфоленту и используется для анализа и отчетности. Общее число видов информации в системе составляет более 500.

Эксплуатация системы обеспечила увеличение использовании календарного времени на 3,7% по вскрыше и на 17,7% по добыче угля, повышение производительности экскаваторов на 14,7%, снижение удельного расхода энергии на 16,8%, снижение удельной стоимости угля на 5,6% по вскрышным и на 10,8% по добычным работам.

3.5. АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНВЕЙЕРНЫХ УСТАНОВОК