CC BY
80
УДК 681.518.001.33.002.2:629.563.42-83
А. П. Будников, В. В. Кабылбекова, Р. Ф. Кулахметов, А. И. Надеев
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ДНОУГЛУБЛЕНИЯ НА БАЗЕ НЕЙРОНЕЧЕТКОГО ВЫВОДА
Введение
Реализация правительственной программы по углублению дельты р. Волги потребует значительного количества дноуглубительных комплексов. Эта задача будет решаться не только приобретением новых и дорогих земснарядов (таких как «Беауег-1700»), но и модернизацией землечерпальных комплексов постройки 30-40-летний давности («Волга», «Инженер Агашин» и т. д.).
Важной задачей модернизации технологического комплекса земснаряда является автоматизация собственно электроприводов, обеспечивающая режим максимальной производительности снаряда. Зная тип разрабатываемого грунта, багермейстер может выбрать соответствующую установку скорости папильонирования. Однако грунты имеют неоднородности, которые могут приводить к перегрузкам двигателя рыхлителя, поэтому оператор должен непрерывно следить за процессом папильонирования и вмешиваться при необходимости в режим управления скоростью лебедок. При таком управлении по разомкнутому принципу производительность установки зависит от опытности багермейстера. Более совершенной будет работа земснаряда, если взаимно автоматизировать приводы папильонажных лебедок и рыхлителя, введя, например, дополнительно обратную связь по нагрузке двигателя рыхлителя в систему электропривода лебедок [1]. В то же время условия работы дноуглубительной техники характеризуются постоянной нестабильностью входных и выходных параметров (переменность свойств грунта, изменение метеоусловий в местах работ, наличие течений). Это обстоятельство даёт основание рассматривать возможность решения научно-технической задачи по автоматизированному управлению всем дноуглубительным комплексом с учётом неопределённости и переменности входных и выходных параметров системы на основе методов нечёткой логики и нейронных сетей [2, 3].
С учетом вышеизложенного предлагается осуществить внедрение автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) дноуглубления, которая является комплексной системой, охватывающей главные механизмы земснаряда. Система предназначена для управления процессом дноуглубления, автоматизированного контроля и регулирования технологических параметров, защиты оборудования земснаряда и обеспечения максимальной производительность и при минимальных энергозатратах.
Упрощенная структурная схема АСУ ТП приведена на рис. 1.
ГРУНТ
Рис. 1. Структурная схема АСУ ТП дноуглубления: ГЗУ - грунтозаборное устройство;
ПЛ - папильонажная лебедка (лев - левая и пр - правая); Д - двигатель постоянного тока;
УВ - управляемый выпрямитель; ТГ - тахогенератор (датчик скорости); Ш - шунт (датчик тока);
ЗУ - задающее устройство
В состав системы управления входят:
— пост управления;
— приборная панель;
— задающие устройства (для работы в ручном режиме);
— логический блок.
Функциональная схема разрабатываемой системы управления (СУ), представляющей собой контроллер на базе нейронных сетей, приведена на рис. 2. Функции СУ: управление технологическим процессом по заданному алгоритму, контроль основных параметров системы, защита элементов, входящих в состав комплекса.
Рис. 2. Функциональная схема системы управления главными механизмами земснаряда:
ТП - тиристорный преобразователь, с помощью которого осуществляется управление частотой вращения электроприводов главных механизмов земснаряда; ЭП ПЛ (пр или лев) - электропривод папильонажной лебедки земснаряда, правый и левый соответственно (представляет собой двигатель постоянного тока независимого возбуждения); ЭП ГЗЧ - электропривод грунтозаборного устройства (черпалки) -двигатель постоянного тока независимого возбуждения; ОВ - обмотка возбуждения двигателя;
ДТ - датчик тока; г, °С - датчик температуры
На функциональной схеме можно заметить, что сигналы обратной связи по скорости (тахогенератор), по току (шунт), по температуре электроприводов и полупроводниковых элементов поступают в систему управления, и, в зависимости от величины этих сигналов, система вырабатывает импульсы на управление тиристорными преобразователями, а от значения угла отпирания тиристоров напрямую зависит частота вращения электроприводов главных механизмов.
С учетом особенностей работы землечерпального снаряда и разработанной функциональной схемы предлагается алгоритм работы системы управления электроприводами основных элементов земснаряда (рис. 3).
Рис. 3. Алгоритм работы предлагаемой системы управления: Мс ГЗУ - момент сопротивления ЭП ГЗУ; Мном - номинальный момент ЭП ГЗУ; пГЗУ - частота вращения ЭП ГЗУ; пПЛ - частота вращения ЭП ПЛ; пном - номинальная частота вращения электропривода; 1в ГЗУ - ток возбуждения ЭП ГЗУ;
1я.ПЛ - ток якоря ЭП ПЛ; 1ном - номинальный ток якоря ЭП ПЛ; ияПЛ - напряжение на якоре ЭП ПЛ; ?ЭП ПЛ - температура ЭП ПЛ; ?тп ПЛ - температура тиристорного преобразователя ПЛ
Рис. 3. Продолжение
Порядок работы системы следующий.
Шаг 1. Подается питание на систему управления.
Шаг 2. Производится пуск электропривода ГЗУ.
Шаг 3. Производится выбор направления движения земснаряда.
Шаг 3.1. При движении земснаряда вправо электроприводы папильонажных лебедок правого борта включаются в режиме работы «Выбор», а электроприводы папильонажных лебедок левого борта - в режиме работы «Торможение».
Шаг 3.2. При движении земснаряда влево электроприводы папильонажных лебедок левого борта включаются в режиме работы «Выбор», а электроприводы папильонажных лебедок правого борта - в режиме работы «Торможение».
Шаг 4. Производится выбор режима работы (ручной или автоматический).
Шаг 4.1. При выборе автоматического режима работы включается система автоматического управления.
Шаг 4.2. При выборе ручного режима работы управление осуществляется оператором-багермейстером с помощью задающих устройств на посту управления.
2
Шаг 5. Далее работа системы будет проходить в зависимости от контролируемых параметров. Нормальный режим работы устройства наступает при значении момента сопротивления ЭП ГЗУ равном номинальному, при этом частота вращения работающих электроприводов равна номинальной.
Далее возможны несколько вариантов работы системы:
1. Если значение момента сопротивления ЭП ГЗУ становится меньше номинального, то система управления понижает ток возбуждения электропривода и повышает ток якоря папильонажной лебедки, что приводит к повышению частоты вращения ЭП ГЗУ и ЭП ПЛ.
Если при этом частота вращения ЭП ГЗУ превысит 120 % пном , то производится автоматическое повышение тока возбуждения до тех пор, пока частота вращения не снизится.
2. Если значение момента сопротивления ГЗУ становится больше номинального, то система управления повышает ток возбуждения и понижает ток якоря папильонажной лебедки, что приводит к снижению частоты вращения ЭП ГЗУ и ПЛ.
Если при этом частота вращения ЭП ГЗУ станет равной нулю и через промежуток времени равный 1 минуте частота вращения не повысится, то производится автоматическое отключение ЭП ГЗУ и ПЛ. Затем управление переводится в ручной режим, и оператор-багермейстер, устранив проблему, возобновляет работу всей установки.
3. Если значение температуры ЭП ПЛ превысит номинальное, то производится снижение напряжения, подаваемого на якорь электропривода, при этом уменьшается частота вращения электропривода.
4. Если значение температуры тиристорного преобразователя папильонажной лебедки превысит номинальное, то производится снижение напряжения, подаваемого на якорь электропривода, при этом снижается ток якоря электропривода.
5. Если значение температуры ЭП ГЗУ превысит номинальное, то производится снижение напряжения, подаваемого на якорь электропривода, при этом снижается ток электропривода.
Благодаря монитору, оператор-багермейстер может наблюдать за работой системы, отслеживать основные параметры, получать своевременные сигналы о неисправностях и т. д.
Заключение
Разработанный алгоритм послужит основой для написания программы контроллера на базе нейронных сетей, являющегося основным элементом автоматизированной системы управления дноуглубительным комплексом.
С учетом всего вышеизложенного можно сделать следующий вывод: данная система управления позволит управлять всей установкой (земснарядом), вне зависимости от типа обрабатываемого в данный момент грунта, что повысит производительность работы земснаряда и значительно упростит работу багермейстера.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Полянский В. Ф., Попов А. В. Электрооборудование и автоматизация речных судов: учеб. для вузов водного транспорта. - М.: Транспорт, 1981. - 304 с.
2. Кабылбекова В. В., Кулахметов Р. Ф. Моделирование и анализ качества переходных процессов в нечетных системах управления электроприводом // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. - 2009. - № 10 (40). - С. 107-111.
3. Кабылбекова В. В., Кулахметов Р. Ф., Надеев А. И. Нечеткие системы управления тиристорными электроприводами // Датчики и системы. - 2009. - № 5. - С. 37-39.
Статья поступила в редакцию 9.12.2010
THE AUTOMATED CONTROL SYSTEM OF TECHNOLOGICAL PROCESS OF BOTTOM-DEEPENING ON THE BASIS OF NEURAL AND FUZZY CALCULATION
A. P. Budnikov, V. V. Kabylbekova, R. F. Kulakhmetov, A. I. Nadeev
Realization of the governmental program on deepening of delta of the river of Volga will require a significant amount of dredgers. This problem will be solved not only by means of purchase of new and expensive dredgers (such as «Beaver 1700»), but also by means of modernization of dredger complexes designed 30-40 years ago ("Volga", "Engineer Agashin", etc.). The important problem of modernization of a technological dredge complex is concerned with an automation of the electric drives, providing a mode of maximum shell productivity. So, electric drives of walking spuds should be made so that depending on hardness of the developed ground the speed of ripper supply changed respectively. It is offered to carry out introduction of automated control systems of technological process (ACS TP) of bottom-deepening on the basis of neural and fuzzy calculation. The structural and functional schemes of ACS TP of bottom-deepening are given. The algorithm of the control system operation by electric drives of basic elements of dredger is performed. It will be a basis for the development of the software of the controller on the basis of neural networks, which is a basic element of the automated control system of bottom-deepening complex.
Key words: dredging complex, shell dredge, electric drive, shipboard control system, control algorithm.
