CC BY
79
© P.A. Бухаров, B.B. Дмитриева, 2015
УДК 62—529
Р.А. Бухаров, B.B. Дмитриева
МЕТОДИКА КОМПЬЮТЕРНОЙ ИМИТАЦИИ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ТЯГОВОГО ФАКТОРА ЛЕНТОЧНОГО КОНВЕЙЕРА
Описана методика компьютерной имитации системы стабилизации тягового фактора ленточного конвейера. В основе описываемой методики лежит взаимодействие среды имитации работы управляющего контроллера и математической модели технологического процесса, реализованной в приложении Simulink пакета прикладных программ Matlab, которое позволяет с достаточной степенью детализации и достоверности моделировать как сам технологический процесс, так и работу технологического оборудования, исполнительных механизмов и информационных датчиков. При условии использования точных математических моделей технологических процессов описываемая методика позволяет осуществлять отладку и тестирование широкого спектра технологических алгоритмов, применяемых при построении автоматических и автоматизированных систем управления.
Ключевые слова: конвейер, система управления, технологическое программирование, аппаратное обеспечение, моделирование в Simulink, проскальзывание ленты, регулирование скорости, PLCSIM.
Ленточные конвейеры являются наиболее распространенной составляющей транспортных систем горных предприятий. Технические сложности и особенности работы ленточных конвейеров, такие как проскальзывание ленты, ударные нагрузки в приводе, повышенный износ оборудования, значительный расход электроэнергии при неполной загрузке и работе вхолостую, приводят к поиску решения задач оптимизации и автоматизации процессов работы конвейерных установок, то есть к повышению эффективности их работы. Решение такого рода задач представляет собой в большинстве случаев разработку системы управления каким-либо технологическим процессом. Это часто требует большого объема экспериментальных исследований на работающих установках для тестирования разрабатываемых алгоритмов, настройки регуляторов, подбора параметров и коэффициентов, получения статистической информации. Однако часто такие исследования проводить невозможно в силу ряда факторов - отсутствия
оборудования для экспериментов, невозможности прервать действующий технологический процесс, риска вывода оборудования из строя некорректно работающими алгоритмами управления.
В статье представлена методика компьютерной имитации систем управления, которая позволяет осуществлять отладку разрабатываемых алгоритмов управления с использованием математических моделей технологических процессов.
Общие сведения о ленточных конвейерах и особенности процессов управления
Существуют различные модификации ленточных конвейеров, используемых для транспортировки грузов на горных предприятиях. В статье рассмотрен одноприводный двухба-рабанный конвейер. Это широко используемый и наиболее распространенный тип конвейеров, представляющий собой устройство непрерывного действия, несущим и тяговым органом которого является гибкая бесконечная лента. Такой конвейер состоит из става с закрепленными на нем роликоопо-рами, по которым движется лента, приводного барабана, механически соединенного с приводом и приводящего в движение ленту за счет силы трения, хвостового барабана и натяжного устройства, обеспечивающего необходимые натяжения в ветвях ленты и компенсирующего растяжение ленты при работе конвейера.
Основные решаемые в этой области задачи - это автоматическое управление скоростью движения ленты конвейера в зависимости от текущего грузопотока, управление процессами пуска и торможения конвейера, автоматическая стабилизация тягового фактора для исключения проскальзывания ленты и другие. Эти процессы очень подробно описаны в работах [1], [2] и [3], также в этих работах проведены исследования и разработаны системы управления определенными процессами, однако в реальных условиях они не реализованы.
Особенностями применяемых в горнорудной промышленности конвейерных установок являются значительная длина конвейера, иногда достигающая нескольких километров, жесткие условия эксплуатации, случайный характер грузопотока. Кроме того, общей особенностью является возникновение уп-
ругих колебаний в ленте во время работы конвейера. Учитывая это, представляется целесообразным использовать для исследований режимов работы конвейеров и отладки алгоритмов, входящих в состав систем управления, математические модели, отражающие ход технологического процесса с определенной точностью. Для совместной работы таких моделей и компонентов систем управления необходима некая имитационная среда, особенности которой рассматриваются в настоящей статье на примере исследования алгоритма стабилизации тягового фактора конвейера.
Математическая модель ленточного конвейера как объекта управления
Модель технологического процесса разработана в [1] и представляет собой математическую модель одноприводного двухбарабанного ленточного конвейера с натяжным устройством, расположенным в хвостовой части. Принято допущение, что по ленте равномерно распределен груз определенной массы. Модель реализована в виде функциональной схемы в приложении Simulink пакета прикладных программ Matlab и полностью соответствует особенностям реального технологического объекта.
При расчете модели нестационарные процессы рассматриваются с точки зрения распространения волн напряжений и деформаций. Аналитическое решение волновых уравнений, описывающих процессы в конвейерной установке, оказывается сложным и трудоемким. Для решения волнового уравнения при исследовании переходных режимов конвейеров в работе [1] использован известный метод линейно-кусочной аппроксимации, который был предложен для решения подобной задачи О.А. За-лесовым и использованный И. В. Запениным [4]. Этот метод позволяет достаточно точно описать движение системы с распределенными параметрами, описываемой дифференциальными уравнениями в частных производных, системой с сосредоточенными параметрами, движение которой описывается обыкновенными дифференциальными уравнениями. Контур ленты при этом условно разбивается на некоторое число участков, в границах каждого из которых закон изменения скорости деформации по длине принимается линейным.
о„.
Рис. 1. Расчетная схема конвейера
Расчетная схема для конвейера с однобарабанным головным приводом и натяжным устройством, расположенным в хвостовой части конвейера, представлена на рис. 1.
При построении математической модели распределенная масса ленты с грузом представлена тремя массами на грузовой ветви и одной массой на порожней ветви. В качестве обобщенных переменных приняты координаты положения четырех сосредоточенных масс т1, т2, т3, т4 их скорости х1, х2, х3, х4 ,
перемещения х1, х2, х3, х4, а так же положение и скорость перемещения натяжного устройства 5 и 5. Математическая модель движения конвейера с грузом описана десятью координатами состояния: X = (х1, х2, х3, х4, х1, Х2, Х3, Х4,5,5 )т.
Система стабилизации тягового фактора ленточного конвейера
Исследуемый объект представляет собой двухбарабанный одноприводный ленточный конвейер с натяжным устройством, расположенным в хвостовой части (рис. 2). Конвейерная лента приводится в движение за счет трения между ней и приводным барабаном. Натяжное устройство обеспечивает необходимые для этого величины натяжений в ветвях конвейера. В номинальном режиме работы при постоянной скорости движения
ПР
ленты и правильно выбранном весе натяжного устройства проскальзывание между лентой и приводным барабаном отсутствует. Однако при переключении скорости движения ленты может наблюдаться проскальзывание, что приводит к повышенному износу ленты и снижению эффективности работы конвейера.
Для отсутствия проскальзывания ленты необходимо, чтобы выполнялось следующее условие [4]:
^ V)
< Еца, (1)
^ и)
где Бнб (/") - текущее натяжение ленты в точке набегания ленты на приводной барабан, Бсб(/")- текущее натяжение ленты в
точке сбегания ленты с приводного барабана, Еца - тяговый фактор конвейера, а - угол обхвата барабана лентой, ц - коэффициент сцепления ленты с барабаном.
Для исследуемого конвейера величина текущего значения тягового фактора, равного отношению натяжения в точке набегания ленты на приводной барабан к натяжению ленты в точке сбегания ленты в приводного барабана, не должна превышать 2,5. В момент перехода конвейера на другую скорость деформации ленты изменяются, появляются динамические добавки. Причем наиболее опасным является переход с меньшей скорости на большую. В этом режиме текущая величина тягового фактора увеличивается, и на приводном барабане может возникнуть проскальзывание ленты. Для обеспечения условий отсутствия проскальзывания необходимо изменять натяжения ленты, и, следовательно, значение тягового фактора (осуществлять его стабилизацию). Одним из способов стабилизации тягового фактора является изменение веса натяжного устройства (или усилий в канатах управляемого натяжного устройства).
Существует проблема определения натяжений Бнб (/") и
Бсб (/") - на постоянно движущейся ленте конвейера невозможно разместить датчики, с помощью которых можно было бы измерять усилия в ней. Обычно доступно измерение только перемещений х1 определенных точек ленты. На основе этих зна-
чений можно вычислить деформации 8{ определенных участков ленты: ^ = хI - хВ работе [1] экспериментально была
установлена зависимость натяжений ленты в интересующих точках от ее деформаций на определенных участках. Эта зависимость линейная:
где анб, Ьнб, асб, Ьсб - коэффициенты зависимости, определяемые экспериментально для определенного типа конвейера. Таким образом, текущее значение тягового фактора можно вычислить на основе изменяемых перемещений определенных точек ленты: вычислить деформации, по известной зависимости вычислить натяжения, отношение которых даст текущее значения тягового фактора. Сравнивая текущее значение тягового фактора и номинальное значение, можно судить о наличии проскальзывания ленты.
Стабилизация тягового фактора подразумевает изменение веса натяжного устройства в зависимости от текущего значения тягового фактора. Так как натяжения в ветвях конвейера определяются текущим весом натяжного устройства, то есть возможность определить зависимость между значением тягового фактора, равного отношению натяжений в точках набегания ленты на приводной барабан и сбегания ленты с приводного барабана, и весом натяжного устройства. Эта зависимость получена экспериментально в работе [1] и выглядит следующим образом:
где с, ё, И - коэффициенты зависимости, определяемые экспериментально для определенного типа конвейера. Данная зависимость между величиной тягового фактора и весом натяжного устройства положена в основу системы автоматической стабилизации натяжения, обеспечивающей устойчивую работу привода конвейера без проскальзывания ленты при переходе с одной скорости на другую.
Энб = /(51) = анб51 + Ь, Эсб = = асб54 - Ьс
(2) (3)
в(Г) = /(Еа) = с( Еа (¿))2 + ёЕца + И.
(4)
Рис. 2. Схема системы стабилизации тягового фактора конвейера
Система стабилизации тягового фактора выполнена схеме, приведенной на рис. 2, объектом управления в которой выступает модель ленточного конвейера. Эта система в зависимости от величины текущего значения тягового фактора должна изменять вес груза натяжного устройства, либо перемещать каретку натяжного устройства таким образом, чтобы изменяющиеся натяжения, возникающие на приводном барабане, нахо-
7—' ца
дились в заданном соотношении Е0 .
Методика компьютерной имитации системы стабилизации тягового фактора
Далее приведен пример исследования работы одного из компонентов комплексной системы управления конвейером -алгоритма стабилизации тягового фактора. Общая задача состоит в реализации разработанного в работе [1] алгоритма в виде программы для управляющего контроллера, готовой к применению на реальных объектах, выполнении и отладке этой программы на имитаторе управляющего контроллера в связке с математической моделью ленточного конвейера и исследовании работы системы в целом.
В основе методики лежит взаимодействие среды моделирования работы управляющего контроллера и модели конвейерной установки, реализованной в приложении БтиНпк пакета прикладных программ МаНаЬ, которое позволяет с достаточной степенью детализации и достоверности моделировать как сам технологический процесс, так и работу технологического оборудования, исполнительных механизмов и информационных датчиков.
В качестве среды моделирования работы управляющего контроллера используется программное обеспечение
PLCSIM концерна Siemens. PLCSIM позволяет эмулировать работу программируемого контроллера с управляющим прикладным программным обеспечением с возможностью мониторинга состояний сигналов и переменных программы. Следует отметить, что разрабатываемая для среды PLCSIM программа полностью готова для загрузки и работы на реальном контроллере без каких-либо изменений. Общая схема взаимодействия компонентов имитационной среды представлена на рис. 3.
Среда моделирования работы управляющего контроллера и среда Simulink, в которой реализована исследуемая модель конвейера, являются независимыми компонентами, поэтому очень важную роль играет организация передачи данных между ними в реальном времени. Для этого используется OPC сервер - программное обеспечение, соответствующее стандарту OPC и предназначенное для совместной работы средств автоматизации. Стандарт ОРС описывает универсальный фиксированный интерфейс обмена данными с любыми устройствами и программным обеспечением. Программное обеспечение, соответствующее стандарту ОРС может быть использовано не только для взаимодействия SCADA-систем с аппаратным обеспечением систем управления, но и для обмена данными между любыми источниками и потребителями данных, что и используется в данной методике.
Рис. 3. Структурная схема взаимодействия модели объекта управления и имитатора ПО управляющего контроллера
В реальных системах управления значения требуемых технологических параметров объекта получают с помощью измерительных устройств (датчиков), значения этих параметров передаются в управляющий контроллер, где производятся необходимые вычисления на основе алгоритмов управления технологическим процессом и формируются сигналы управления, передаваемые на исполнительные устройства объекта. В имитационной среде значения требуемых технологических параметров получают от модели технологического процесса. Эти значения передаются в среду моделирования работы управляющего контроллера. Здесь очень важным является обеспечение передачи данных в реальном времени - только в этом случае можно говорить о корректности имитации реального технологического процесса. Среда моделирования работы управляющего контроллера - это программное обеспечение, которое обычно разрабатывается производителем управляющего контроллера и позволяет полностью эмулировать его работу, гарантируя идентичность реальным условиям эксплуатации. Именно поэтому можно говорить о том, что, имея математическую модель технологического процесса, описывающую его с достаточной точностью, с помощью компьютерной имитации можно разрабатывать и отлаживать системы управления и их компоненты, получая результаты, применимые в реальных условиях эксплуатации.
Для реализации работы системы в имитационной среде целесообразно разделить ее на две составляющих - модель конвейерной установки, реализованную в приложении Simulink, и вычислительные алгоритмы (вычисление натяжений, тягового фактора, формирование задания для изменения веса натяжного устройства), реализованные в виде программ для промышленного контролера, работающих в имитационной среде (рис. 4).
Передачу данных обеспечивает OPC-сервер. Величины перемещений определенных точек ленты в реальном времени передаются на OPC-сервер посредством блока OPC Write из набора компонентов OPC Toolbox. C OPC-сервера эти величины считываются программой в имитационной среде, после чего программа производит вычисление натяжений, на основе которых вычисляется текущее значение тягового фактора и
Рис. 4. Схема реализации системы стабилизации тягового фактора конвейера в имитационной среде
рассчитывается величина веса натяжного устройства. Эта величина передается в реальном времени на OPC-сервер, с которого она считывается моделью посредством блока OPC Read из набора компонентов OPC Toolbox.
На рис. 5 приведена схема модели конвейерной установки, включающая блоки связи с OPC-сервером. Схема состоит из моделей привода и ленты (блоки Drive и Belt), блоков Pull factor и Pull controller, в которых алгоритмы вычисления текущего значения тягового фактора и стабилизации реализованы средствами Simulink для возможности сравнения работы системы стабилизации, реализованной с помощью имитации управляющего контроллера и работы модели системы. Блоки OPC Configuration, OPC Read и OPC Write служат для коммуникации модели и OPC-сервера.
Для разработки программ на контроллерах SIEMENS используется язык Step-7 в трех модификациях: FBD, LAD и STL, что позволяет разрабатывать программы для технологического процесса любой сложности. Необходимо отметить, что Step-7 также поддерживает язык международного стандарта IEC 61131-3. Этот стандарт используется и другими фирмами-производителями программируемых контроллеров и программно-логических средств.
Для реализации вычислительных алгоритмов был использован язык FBD, позволяющий писать программу с использованием готовых функциональных блоков. Полученную программу можно запускать как в имитационной среде, так и на управляющем контроллере.
Рис. 5. Схема моделирования конвейерной установки (с блоками связи с ОРС-сервером)
ЗГВ2
Зд сл1сч1=г1;п
: Тл-Ше:
Рис. 6. РВО диаграммы вычислительных алгоритмов: а - РЕЮ диаграмма вычисления натяжений представлена; б - РЕЮ диаграмма вычисления тягового фактора как отношения вычисленных значений натяжений
в
FBI : Title:
Commentt
: Title ;
Рис. 6. РВО диаграммы вычислительных алгоритмов: в - РЕЮ диаграмма вычисления тягового фактора как отношения вычисленных значений натяжений
1В5 : ша1п
Ссзпшепъ:
¡НеЪиогк 11;: Title:
Соттепъ:
ЭВ2
Рис. 6. РВО диаграммы вычислительных алгоритмов: г - общая РЕЮ диаграмма вычислительного алгоритма
Каждый вычислительный алгоритм реализован в отдельном функциональном блоке программы. РБО диаграмма вычисления натяжений представлена на рис. 6 (а). РБЭ диаграмма вычисления тягового фактора как отношения вычисленных значений натяжений представлена на рис. 6 (б). РБЭ диаграмма вычисления требуемого для стабилизации тягового фактора веса натяжного устройства представлена на рис. 6 (в). Общая РБЭ диаграмма вычислительного алгоритма представлена на рис. 6 (г).
Выводы
Представленная методика компьютерной имитации работы системы стабилизации тягового фактора ленточного конвейера может использоваться при исследовании и тестировании режимов работы шахтной конвейерной установки и других технологических объектов. Ее применение дает возможность с высокой степенью точности моделировать различные алгоритмы управления технологическими процессами, а также позволяет ускорить сроки разработки систем управления, сократить непроизводительные простои оборудования, отработать и скорректировать программные средства в соответствии с параметрами исполнительных механизмов, решить вопросы совместимости использующихся программных средств и оборудования.
Все это позволяет сократить сроки разработки систем автоматизации и управления, а также повысить эффективность работы управляющих алгоритмов за счет использования удобных средств для их отладки в процессе разработки системы.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дмитриева В. В. Разработка и исследование системы автоматической стабилизации погонной нагрузки магистрального конвейера. Москва, 2005.
2. Дмитриева В. В. Математическая модель магистрального конвейера как объекта управления и автоматизации // Горные машины и автоматика №7. 2001.
3. Гершун. С. В. Система автоматической стабилизации тягового фактора магистрального ленточного конвейера с двухдвигательным приводом. Диссертация на соискание ученой степени магистра техники и технологии. Москва, 2009.
4. Запенин И. В. Исследование нестационарных процессов в мощных ленточных конвейерах. Диссертация на соискание ученой степени к. т. н. Москва, 1966.
5. Певзнер Л. Д. Теория систем управления. М.: издательство МГГУ, 2002.
6. Кулинич Э. М., Зиновкин В. В., Шаповалов С. Е. Метод моделирования и визуализации многопараметрической системы управления технологическим процессом приготовления газобетона. Запорожье, 2010.
7. Дьяконов В. SIMULINK 4. Специальный справочник. Санкт-Петербург: Питер, 2002.
8. SIMATIC S7ProSim V5.4. COM Object //User Manual Edition 01/07. — Nuernberg: Siemens AG, 2007. Ш
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Бухаров Роман Алексеевич — магистр, аспирант, roman.buharov@gmail.com, Дмитриева Валерия Валерьевна — кандидат технических наук доцент, dm-valeriya@yandex.ru, ИТАСУ «МИСиС».
UDC 62-529
THE METHOD OF COMPUTER SIMULATION OF THE STABILIZATION SYSTEM OF THE TRACTION FACTOR OF BELT CONVEYOR
Bukharov R., Master, postgraduate Student, roman.buharov@gmail.com,
Dmitrieva V., Candidate of technical Sciences, Docent, dm-valeriya@yandex.ru,
Institute of information technologies and automated control systems, Institute of steel and alloys.
The article describes the methodology of computer simulation of the stabilization system of the traction factor of the conveyor belt. It is based on the interaction environment to simulate the operation of the master controller and mathematical process models implemented in the Simulink application of the software package Matlab, which allows you to simulate how the technological process and technological equipment, actuators and information sensors. Using precise mathematical models of technological processes methodology allows debugging and testing a wide range of algorithms used for automatic and automated control systems.
Key words: Belt conveyor, the automatic control system, technological programming, hardware, simulation in Simulink, belt slippage, speed control, PLCSIM.
REFERENCES
1. Dmitrieva V.V. Research and Development of a system of automatic stabilization of linear load of the main conveyor. Moscow, 2005.
2. Dmitrieva V.V. Mathematical model of the main conveyor as the object of control and automation //Mining machinery and automation No.7.2001.
3. Gershon. C. V. System of automatic stabilization of the traction factor main belt conveyor with twin-engine drive. Thesis for the degree of master of technology. Moscow, 2009.
4. Zapenin I.V. The study of non-stationary processes in a powerful conveyor belt. The dissertation on competition of a scientific degree K. the so-called Moscow, 1966.
5. Pevzner L. D. Theory of control systems. M.: publishing house of Moscow state mining University, 2002.
6. Kulinich E. M., Sinowin V.V., Shapovalov S. E. Method for simulation and visualization of multivariable control systems of technological process of preparation of aerated concrete. Zaporozhye, 2010.
7. Dyakonov V. SIMULINK 4. Special guide. St. Petersburg: Piter, 2002.
8. SIMATIC S7ProSim V5.4. COM Object //User Manual Edition 01/07. — Nuernberg Siemens AG 2007.
