CC BY
58
УДК 621.87:658.51
Р.З. Хайруллин
ФГБОУ ВПО «МГСУ»
АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИМИ НАГРУЗКАМИ В ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ЭКСКАВАТОРА-ДРАГЛАЙНА ПРИ ЧЕРПАНИИ
Разработаны методы и алгоритмы регулирования натяжением подъемных и тяговых канатов экскаватора-драглайна, основанные на нелинейных зависимостях от текущей длины пути копания и величины усилий в этих канатах. В системе реализованы три автоматических режима управления: черпание, коррекция сигналов управления и автоматическая защита от перегрузок. В структуру системы включены независимые контуры регулирования натяжением подъемных и тяговых канатов.
Ключевые слова: экскаватор-драглайн, автоматическое управление, динамические нагрузки, алгоритм.
Значительные динамические нагрузки, возникающие в электромеханических системах драглайна во время черпания, снижают надежность и долговечность его оборудования, увеличивают время простоев экскаватора и эксплуатационные расходы.
Наиболее значимые исследования по вопросу ограничения динамических нагрузок в рабочем оборудовании, электроприводах и механизмах экскаваторов-драглайнов, автоматизации процесса черпания путем регулирования натяжения подъемных и тяговых канатов драглайна, разработке автоматических систем и устройств, обеспечивающих ограничение динамических нагрузок в рабочем оборудовании экскаватора-драглайна [1—8], проводились в МИСИ-МГСУ, МГИ-МГГУ, МЭИ, ГУА, ВНИИ электропривод, НИИ Тяжмаш, ПО «Уралмаш» и в некоторых других профильных организациях.
В существующих в настоящее время системах управления динамическими нагрузками в процессе черпания (например [8]) используется, как правило, один автоматический регулятор, а это может привести к увеличению колебательности при регулировании усилия натяжения канатов подъема и тяги драглайна.
Предлагаемая в настоящей работе автоматическая система управления динамическими нагрузками (далее система) опирается на упомянутые выше исследования и является развитием результатов [9, 10]. В Системе реализованы три различных автоматических режима управления: черпание, коррекция сигналов управления, защита электромеханических систем от перегрузок. Каждый режим управления реализуется отдельным замкнутым контуром регулирования натяжением подъемных и тяговых канатов. система основана на принципе программного регулирования натяжением подъемных и тяговых канатов драглайна.
Поскольку в процессе черпания изменение веса ковша нелинейно по мере его перемещения по забою, то был проведен анализ характера нелинейности, построены и реализованы модели, адекватно учитывающие указанные нелинейности. Разработан и реализован новый метод регулирования натяжения канатов, который основывается на нелинейных зависимостях от текущей длины пути копания и величины усилий в подъемных и тяговых канатах.
Алгоритмы изменения заданного натяжения канатов в зависимости от данной длины пути копания позволяют осуществлять черпание почти с постоянной толщиной стружки, а это приводит в конечном итоге к повышению производительности работы драглайна при черпании.
© Хайруллин Р.З., 2012
125
ВЕСТНИК
7/2012
Обобщенная структура системы автоматического управления. обобщенная структура системы автоматического управления нагрузками в электроприводах и механизмах подъема и тяги драглайна при черпании представлена на рис.
"ДНП |-1
- ДНП и--
1иЗнпм_
| ДНТ
обобщенная структура системы автоматического управления динамическими нагрузками в электроприводах и механизмах подъема и тяги экскаватора-драглайна при черпании
система содержит 4 замкнутых контура регулирования натяжения подъемных канатов и 2 замкнутых контура регулирования натяжения тяговых канатов. каждый контур регулирования имеет свой собственный регулятор, что предопределяет свободный выбор законов управления, реализуемых регуляторами, их параметров, и обеспечивает их независимую настройку в соответствии с требованиями, предъявляемыми к качеству процесса регулирования в каждом контуре. взаимодействие между соответствующими регуляторами натяжения подъемных и тяговых канатов (рнп1, 2, 3, 4 и рнт1, 2) и функциональными элементами суп и сут (ЗСИ, ртп и зст, ртт) осуществляется через соответствующие логические блоки выделения сигналов, алгоритмы управления которых определяются усилиями в подъемных и тяговых канатах с их заданными максимальными или минимальными значениями.
регуляторы рнИ1, рнп2, рнт1, обеспечивающие работу системы автоматического управления нагрузками в режимах автокопания и автокоррекции сигналов, подключаются на входы соответствующих систем управления электроприводами подъема и тяги, а регуляторы натяжения канатов РНИЗ, РНИ4 и РНТ2, обеспечивающие режим защиты электроприводов от перегрузок, с целью повышения быстродействия при регулировании усилия в канатах в этом режиме подключаются непосредственно на входы управляемых преобразователей электроприводов подъема и тяги упп и упт.
кроме трех режимов работы системы автоматического управления нагрузками электроприводов, ее структура предусматривает также режим ручного управления процессом черпания. однако, если сигналы управления электроприводами подъема и тяги, сформированные машинистом экскаватора, будут приводить к изменению натяжения подъемных или тяговых канатов нежелательным образом, т.е. к возможности возникновения значительных динамических нагрузок в электромеханических системах, то эти сигналы будут отключены и не будут влиять на величину натяжения канатов. В разработанной системе также содержится:
блок (БОСИ) ограничения сигнала заданной скорости электропривода подъема в зависимости от усилия в подъемных канатах, с целью ограничения динамических
126
КБИ 1997-0935. Vestnik MGSU. 2012. № 7
нагрузок, возникающих в момент отрыва груженого ковша от поверхности забоя при наличии слабины в подъемных канатах;
блок (БОСТ) ограничения сигнала заданной скорости электропривода тяги в зависимости от усилия в подъемных и тяговых канатах, с целью ограничения динамических нагрузок электропривода тяги, которые могут возникнуть при черпании с большой скоростью в тех случаях, когда усилия в тяговых канатах близки к стопорным из-за значительного заглубления ковша в породу, при слабине в подъемных канатах, а также при встрече ковша с труднопреодолимым препятствием.
Алгоритмы управления и описание логических блоков. Алгоритмы управления, реализованные в системе автоматического управления нагрузками электромеханических систем драглайна при черпании, приведены ниже: Логические блоки ЛБП1, ЛБТ1, ЛБП2 и ЛБТ2: ^ЛБШ = тах(рНП1> ^РНП2> ^ЗСП)> иЛБТ1 = тах(иЗСП> иРНТ1 )>
Основные характеристики и особенности Системы. 1. Разработанная Система 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.
2. проведен анализ характера нелинейностей, построены и реализованы модели, адекватно учитывающие выявленные особенности. параметры Системы могут настраиваться в зависимости от конкретных условий работы экскаватора, твердости извлекаемой породы и т.д. при этом в режиме автоматической защиты электроприводов подъема и тяги от перегрузок в Системе обеспечивается максимально допустимое быстродействие, определяемое коммутационными ограничениями электрических машин, допустимой величиной перерегулирования и колебательности переходного процесса.
3. Для недопущения слабины в тросах при копании крепких горных пород в Системе реализован контур регулирования минимального натяжения подъемных канатов.
4. Для реализации режима автоматического управления процессом черпания в Системе применен ПИД-регулятор натяжения подъемных канатов; для режима коррекции сигналов управления электроприводами — ПИ-регулятор натяжения подъемных и тяговых канатов; а для режима автоматической защиты от перегрузок — ПД-регулятор натяжения подъемных и тяговых канатов.
5. Срок службы канатов подъема и тяги увеличивается от двух до двух с половиной месяцев при применении разработанной Системы.
1. Залесов О.А., ЛомакинМ.С., ПетерсГ.Б. Управление процессом копания драглайна, регулированием натяжения подъемных канатов // Известия вузов. Горный журнал. 1975. № 4.
2. Ломакин М.С. Автоматическое управление технологическими процессами карьеров. М. : Недра, 1978.
и блоки ограничения скорости БОСТ:
st < sT СТ;
ST < 0; ST = S.
Библиографический список
ВЕСТНИК 7/2012
3. Иржак Ю.М., Кузнецов В.И. Автоматический выбор слабины подъемного каната экскаватора-драглайна // Известия вузов. Горный журнал. 1979. № 6.
4. Певзнер Л.Д., Ломакин М.С. Современное состояние и перспективы развития систем электропривода и автоматизации одноковшовых экскаваторов. М., 2000.
5. Певзнер Л.Д. Теория систем управления. М. : МГГУ, 2002.
6. Подэрни Р.Ю. Механическое оборудование карьеров. М., 2007.
7. Самойленко А.М. Система программного регулирования натяжения подъемных и тяговых канатов драглайна // Горный информационно-аналитический бюллетень. М. : МГГУ, 2011. № 6.
8. Ломакин М.С., Ромашенков А.М., Самойленко А.М. Автоматизированная система управления взаимодействием электроприводов подъема и тяги мощного экскаватора драглайна в процессе копания // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2006. № 2.
9. Хайруллин Р.З., Певзнер Л.Д., Горюнов В.Ю. Оптимальное управление движением ковша экскаватора-драглайна // Препринт института прикладной математики РАН. 1998. № 72.
10. Хайруллин Р.З. К исследованию маневренных возможностей экскаватора-драглайна // Вестник МГСУ. 2010. № 4. С. 49—53.
Поступила в редакцию в мае 2012 г.
Об авторе: Хайруллин Рустам Зиннатуллович — доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (499)183-28-74, zrk@nm.ru.
Для цитирования: Хайруллин Р. З. Автоматическое управление динамическими нагрузками в электромеханических системах экскаватора-драглайна при черпании // Вестник МГСУ 2012. № 7. С. 125—129.
R.Z. Khayrullin
AUTOMATED DYNAMIC LOAD CONTROL BY ELECTROMECHANICAL SYSTEMS OF A BUCKET-CHAIN EXCAVATOR IN THE COURSE OF SCOOPING
Methods and algorithms of control of the tension of lifting and towing ropes of bucket-chain excavators are proposed in the article. They are based on the non-linear dependence of the current path length and intensity of excavation efforts. Three automatic control modes, including scooping, correction signals and automatic overload protection, are implemented. Two independent control loops in charge of tension of lifting and towing ropes are developed.
The proposed automated control system may be integrated both into new bucket-chain excavators and into those excavators that are already in operation. The new system does not require any substantial alterations in electric drive control systems in charge of lifting and towing, if integrated into excavators in operation.
The author has performed the non-linearity analysis; he has also designed, developed and implemented the models that are capable of taking an adequate account of the system peculiarities identified in the course of the project implementation. The system parameters are adjustable to specific conditions of the excavator operation, including the hardness of the rock extracted by the excavator, etc.
The automatic overload control system attached to the electric drives in control of lifting and towing ensures maximal responsiveness of the system based on the commutation-related limitations imposed by power-driven elements, maximal over-control values and variability of the transition process.
Prevention of any rope slacks in the course of scooping of any hard rock is assured by the loop of regulation of minimal tension of lifting cables.
The service life of lifting and towing ropes goes up by eight to ten weeks, if the system proposed by the author is implemented.
Key words: bucket-chain excavator, automated control, dynamic tension, algorithm.
References
1. Zalesov O.A., Lomakin M.S., Peters G.B. Upravlenie protsessom kopaniya draglayna, regu-lirovaniem natyazheniya pod"emnykh kanatov [Control over the Process of Digging Performed by the Bucket-chain Excavator through Adjustment of Lifting Cables Tension]. Izvestiya vuzov. Gornyy zhurnal [News of Higher Education Institutions. Mining Journal]. 1975, no. 4.
128
ISSN 1997-0935. Vestnik MGSU. 2012. № 7
2. Lomakin M.S. Avtomaticheskoe upravlenie tekhnologicheskimiprotsessami kar'erov [Automated Control over Open Pit Mining Workflows]. Moscow, Nedra Publ., 1978.
3. Irzhak Yu.M., Kuznetsov V.I. Avtomaticheskiy vybor slabiny pod"emnogo kanata ekskavatora-draglayna [Automated Selection of Tension of the Lifting Cable of a Bucket-chain Excavator]. Izvestiya vuzov. Gornyy zhurnal [News of Higher Education Institutions. Mining Journal]. 1979, no. 6.
4. Pevzner L.D., Lomakin M.S. Sovremennoe sostoyanie i perspektivy razvitiya sistem elektroprivo-da i avtomatizatsii odnokovshovykh ekskavatorov [Present-day Status and Prospects for Development of Systems of Power Drives and Automation of Single-Bucket Excavators]. Moscow, 2000.
5. Pevzner L.D. Teoriya sistem upravleniya [Theory of Control Systems]. Moscow, MGGU, 2002.
6. Poderni R.Yu. Mekhanicheskoe oborudovanie kar'erov [Mechanical Equipment of Open Pit Mines]. Moscow, 2007.
7. Samoylenko A.M. Sistema programmnogo regulirovaniya natyazheniya pod"emnykh i tyagovykh kanatov draglayna [System of Software-based Adjustment of Tension of Lifting and Hauling Cables of a Bucket-chain Excavator]. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten' [Bulletin of Mining Information and Analysis]. Moscow, MGGU, 2011, no. 6.
8. Lomakin M.S., Romashenkov A.M., Samoylenko A.M. Avtomatizirovannaya sistema upravleniya vzaimodeystviem elektroprivodov pod"ema i tyagi moshchnogo ekskavatora draglayna v protsesse ko-paniya [Automated System of Control over Interaction between Electric Drives in Charge of Lifting and Hauling as Part of a High-Capacity Bucket-chain Excavator in the Process of Digging]. Gornyy informatsi-onno-analiticheskiy byulleten' [Bulletin of Mining Information and Analysis]. 2006, no. 2.
9. Khayrullin R.Z., Pevzner L.D., Goryunov V.Yu. Optimal'noe upravlenie dvizheniem kovsha eks-kavatora-draglayna [Optimal Control over the Motion Pattern of the Scoop of a Bucket-Chain Excavator]. Institute of Applied Mathematics of the Russian Academy of Sciences, 1998, no. 72.
10. Khayrullin R.Z. K issledovaniyu manevrennykh vozmozhnostey ekskavatora-draglayna [Analysis of Maneuverability of the Bucket-Chain Excavator]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2010, no. 4, pp. 49—53.
About the author: Khayrullin Rustam Zinnatullovich — Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Senior Researcher, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26
Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; zrk@nm.ru; +7 (499) 183-28-74.
For citation: Khayrullin R.Z. Avtomaticheskoe upravlenie dinamicheskimi nagruzkami v elektrome-khanicheskikh sistemakh ekskavatora-draglayna pri cherpanii [Automated Dynamic Load Control by Electromechanical Systems of a Bucket-Chain Excavator in the Course of Scooping]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 7, pp. 125—129.
