CC BY
8
© A.M. Мухаметшин, A.H. Игнатснко, 2013
УДК 622.272
А.М. Мухаметшин, А.Н. Игнатенко
КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ И РЕЖИМОВ ГОРНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК И ПРОЦЕССОВ ШАХТНОГО ПРОИЗВОДСТВА НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ МММ-СИСТЕМЫ*
Дано описание разработанной МММ-системы, предназначенной для непрерывного контроля за состоянием установок и процессов и решения различных горнотехнических, технологических и геологоразведочных задач на горнодобывающих и перерабатывающих производствах.
Ключевые слова: магнитометрические устройства, мониторинговая система, магнитометр, цифровой сигнальный контролер, феррозонда феррозонд.
Применение магнитометрических устройств для решения самых различных горнотехнических, — технологических и геологоразведочных задач на горнодобывающих и перерабатывающих производствах известны уже давно (см. например, [1]). Известны также и некоторые исследования по применению такого рода измерений на магистральных газо- и нефтепроводах. Причем использование мониторинговых магнитных измерений весьма перспективным представляется и в иных случаях, где требуется непрерывный контроль за состоянием установок и процессов.
Ниже приводится краткое описание разработанной для решения вышеуказанных задач МММ-системы. Так как количество измерительных каналов может быть достаточно большим (в зависимости от решаемых задач), а принципиальные различия по схеме их реализации отсутствуют, приведем описание одного из каналов.
Многоканальная МММ-система
Многоканальная МММ-система относится к типу одноэлементных фер-розондовых магнитометров. Возможность измерения магнитного поля с помощью феррозонда основана на нелинейности кривой намагничивания магнитомягких сплавов, например пермаллоя. Феррозонд представляет собой катушку возбуждения с пермаллоевым сердечником. Магнитометр состоит из двенадцати независимых каналов измерения, которые разделены на несколько групп по три канала (X, У, Z в каждой группе. В каждой группе каналов используется синусоидальный сигнал частотой соответственно: f1, f2, f3 и f4. Все каналы выполнены по одинаковой схеме. Блок схема одного канала приведена на рис. 1. В его состав входят: 1 -блок питания, 2 - цифровой сигнальный контроллер (Digital Signal Controller), 3 - фильтр низких частот, 4 - фазовый детектор, 5 - избирательный усилитель, 6 - формирователь сину-
* Здесь аббревиатура МММ означает «Магнитометрическая Многоканальная Мониторинго-вая»-система.
выход
Рис. 1. Блок схема одного канала МММ-системы
соидального сигнала, 7 - компенсатор, 8 - преобразователь напряжение в ток, 9 - феррозонд.
Блок питания - повышающий стабилизатор напряжения, общий для всех каналов, который напряжение аккумулятора и = 3,6 вольт, преобразует в стабильное напряжение 5,0 вольт, необходимое для питания операционных усилителей и цифрового сигнального контроллера, и в напряжение 5,3 вольт. Напряжение питания 5,0 вольт, формирователей синусоидального сигнала и компенсаторов, стабилизирует прецизионный линейный стабилизатор с малым падением напряжения из напряжения 5,3 вольт. Для снижения общей потребляемой мощности применяются микромощные операционные усилители с низким напряжением питания и с полным размахом выходного напряжения в диапазоне питания (НаП-^>-НаП). Диапазон изменения выходных напряжений таких операционных усилителей практически от потенциала положительного полюса источника питания до потенциала отрицательного полюса. Поскольку операционные усилители питаются однополярным напряжением, и для того, чтобы обрабатывать биполярные сигналы, вводится искусственная средняя точка, к ней подключается общая шина.
Основой многоканальной МММ-системы является цифровой сигнальный контролер (Digital Signal Controller - DSC), общий для всех каналов. DSC - это однокристальный встраиваемый контроллер, который объединяет в себе микроконтроллерные возможности управления и высокую скорость обработки потоковых данных цифровых сигнальных процессоров (Digital Signal Processor - DSP). DSC обладает всеми возможностями современных мощных 16-битных микроконтроллеров: широкий спектр цифровой и аналоговой периферии, развитая система управления потребляемой мощностью, функция перезагрузки по включению питания и провалам напряжения питания, сторожевой таймер, эмуляция микроконтроллера и отладка рабочих программ в режиме реального времени, защита программного кода от несанкционированного доступа. Благодаря широким возможностям цифрового сигнального контролера значительно упрощается построение многоканальной системы.
Цифровой сигнальный контролер, с помощью встроенных таймеров в соответствии с программой, вырабатывает стабильные прямоугольные типа мендр колебания амплитудой 5,0 вольт частотами f1 (f2, f3, f4), 2f1
и
Л феррозонд
ОУ
и
фз
Рис. 2. Преобразователь напряжения в ток
(2/2, 2/з, 2/4), а также частотой /шим = 160 кГц.
Синусоидальные колебания формируются из прямоугольных колебаний частотой /1 (/2, /3, /4) при помощи фильтра низких частот второго порядка с верхней граничной частотой полосы пропускания, равной частоте прямоугольных колебаний. Задача фильтра пропустить только первую гармонику спектра прямоугольных колебаний, что позволяет получить стабильные колебания с малым коэффициентом гармоник. Коэффициент гармоник формирователя не более 0,1 %. Синусоидальное напряжение поступает на компенсатор, сюда же поступают прямоугольные колебания с выхода канала ШИМ цифрового сигнального контролера и напряжение отрицательной обратной связи.
После суммирования в компенсаторе синусоидального напряжения, напряжения ШИМ и напряжения обратной связи, полученное напряжение поступает на преобразователь напряжения в ток, реализованный на одном операционном усилителе (ОУ), упрощенная схема которого приведена на рис. 2.
Благодаря действию обратной связи входное напряжение и падение напряжения на резисторе Я равны. Через феррозонд течет ток, численно равный току через резистор Я, поэтому 1фз = ивх/Я. Ток в феррозонде не зависит от сопротивления ферро-
зонда при условии, что ОУ работает в линейном режиме (не насыщается), что позволяет получить максимальный выход четных гармоник (рис. 3 диаграмма ифз).
При отсутствии внешнего магнитного поля, намагничивание феррозонда происходит по симметричному циклу и выходное напряжение синхронного детектора равно нулю. Внешнее поле нарушает симметрию, что приводит к появлению четных гармоник на обмотке возбуждения феррозонда, напряжение и фаза, которых пропорциональна внешнему полю. Вторая гармоника, выделяется и усиливается избирательным усилителем, настроенным на частоту 2/1 (2/2, 2/3, 2/4). Основная частота /1 подавляется усилителем не менее чем на 60 дБ. Усиленное напряжение второй гармоники (рис. 3 диаграмма ииу) с выхода избирательного усилителя поступает на синхронный детектор. На другой вход детектора с цифрового сигнального контролера подаются колебания также с удвоенной частотой 2/1 (2/2, 2/3, 2/4). Максимальный коэффициент преобразования детектора достигается при сдвиге фаз между сигналами, равном л/4 (по отношению к начальной фазе основной частоты). Необходимый фазовый сдвиг осуществляется с помощью фазовращателя, который является составной частью формирователя синусоидального сигнала. С выхода детектора (рис. 3 диаграмма исд) сигнал поступает на фильтр низких частот второго порядка, который выполнен, как активный интегратор на операционном усилителе. Уровень пульсации на выходе фильтра низких частот не превышает 0,1 мВ. Постоянное напряжение, соответствующее измеряемому магнитному полю, с выхода фильтра низких частот (рис. 3 диа-
Рис. 3. Диаграммы напряжений в характерных точках магнитометра: и{ - напряжение частоты модуляции. ифз - напряжение на феррозонде. ииу - напряжение на выходе избирательного усилителя. и2{ - напряжение на входе синхронного детектора. исд - напряжение на выходе синхронного детектора. ифнч - напряжение на выходе фильтра низких частот. Все диаграммы показаны для трех случаев: Н = 0 - магнитное поле отсутствует, Н > 0 -магнитное поле положительной полярности, Н < 0 - магнитное поле отрицательной полярности
грамма ифнч) поступает, на встроенный в цифровой сигнальный контролер, многоканальный аналого-цифровой преобразователь.
Для расширения диапазона измерений в измерительном канале используется автоматический ступенчатый компенсатор на 50 положений.
Чтобы получить необходимые напряжения компенсации используется цифроаналоговое преобразование, которое осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) встроенных модулей DSC. Цифроаналоговое преобразование ШИМ обеспечивает хорошую линейность преобразования, не содержит прецизионных элементов, за исключением источника опорного напряжения Vref. Цифровой сигнальный контролер в соответствии с заданной разрядностью с помощью своего таймера/счетчика формирует последовательность импульсов коэффициент заполнения которых у = tH/T = D/2N, где D - преобразуемый код, а N = 6 -разрядность преобразования. Фильтр нижних частот сглаживает импульсы, выделяя среднее значение напряжения. В результате выходное напряжение преобразования Vout = yVref = DVref /2n. В качестве опорного напряжения Vref используется стабильное напряжение 5,0 вольт.
Для ускорения установки необходимого напряжения компенсации применяется принцип дихотомии, то есть последовательного сравнения измеряемой АЦП величины с 1/2, 1/4, 1/8 и так далее, от полной шкалы ШИМ. После подачи команды «Компенсация» DSC задает на выходе ШИМ код равный 1/2 его полной шкалы, что соответствует 2,5 вольт. АЦП производит преобразование выходного напряжения фильтра низких частот, и если на выходе АЦП получившийся код больше 4048 МЗР (МЗР младший значащий разряд АЦП), то DSC устанавливает код 1/4 от полной шкалы ШИМ. А если получившийся код меньше 48 МЗР, то DSC устанавливает код 3/4 от полной шкалы ШИМ, и так далее, пока
на выходе АЦП код не окажется в диапазоне 48—4048 МЗР. В результате в буфере хранения результатов в двоичном коде будет записано число, соответствующее компенсирующему напряжению. Этот метод позволяет выполнить установку необходимого напряжения компенсации для одного канала за N = 6 последовательных шагов. Время установки компенсирующего напряжения по всем каналам составляет около 10 мсек. Если в процессе измерений магнитное поле изменится и код АЦП выйдет из диапазона 48-4048 МЗР, то DSC автоматически перестраивает компенсатор на другую ступень. Аналогичные преобразования выполняются для других каналов.
После установки компенсирующих напряжений для каждого канала и подачи команды «Измерение», АЦП производит преобразование выходного напряжения фильтра низких частот. Результаты преобразования сохраняются в буфере хранения результатов. Обычно на выходе АЦП получается некоторое распределение кодов, эквивалентное среднеквадрати-ческому значению входного шума АЦП. Поэтому, для повышения точности измерений, по каждому каналу производится 32 преобразования и вычисляется среднее значение. Вычисленные средние значения вместе с кодами компенсирующего напряжения образуют число, соответствующее измеряемому полю, которое через USB порт передается во внешний FLASH-накопитель, или в ноутбук, для дальнейшей обработки и анализа. Полная шкала 12-битного АЦП составляет 4096 разрядов. Для измерений используются 4000 разрядов, одному разряду АЦП задается значение 2 нТл, а диапазон измерений АЦП
составляет 8 мкТл, что соответствует одной ступени компенсатора. Всего ступеней компенсатора ±25, следовательно максимальное измеряемое магнитное поле ±200 мкТл. Погрешность измерений определяется точностью преобразования АЦП, которая равна ±1 МЗР, что соответствует ±2 нТл. Время одного преобразова-
1. Мухаметшин A.M. Подземная векторная магнитометрия в рудничной геологии // Институт горного дела УрО РАН: Екатеринбург, 1997. — 214 с.
2. Пейтон А.Дж., Волш В. Перевод с англ. Аналоговая электроника на операци-
ния АЦП, составляет 5 мксек, соответственно время одного полного цикла измерений по всем каналам составляет приблизительно 2,0 мсек.
Разработанная схема МММ-системы прошла лабораторные испытания, а в настоящее время готовится для выполнения опытно-методических работ.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
онных усилителях — М.: Бином, 1994 — 354 с.
3. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. - М.: Издательский дом «Додека-XXI», 2005 - 558 с. ЕЕ
ГОРНАЯ КНИГА
пноимжлнкннме
IIMUUCLW
подзимний
!W3l'A£omj
танк
М&ПЗНйСЦЮН!
Производственные процессы подземной разработки рудных месторождений
Г.Г. Ломоносов 2013 г., 2-е издание 517 с.
ISBN: 978-5-98672-343-3 UDK: 622.273.06:622.34
Приведены основные сведения о производственных процессах добычи руд и нерудных полезных ископаемых, осуществляемых в рамках технологических схем подземных рудников. Рассмотрены производственные процессы очистной выемки, внутрирудничного транспорта и подъема полезного ископаемого, а также проведения эксплуатационных горных выработок, непосредственно связанных с добычными работами. Большое внимание уделено производственным процессам управления качеством продукции рудников, посредством которых обеспечиваются повышение концентрации полезных компонентов в добытой руде и стабилизация ее состава. Книга иллюстрирована рисунками и фотографиями, отражающими современное горное оборудование и производственные процессы, технологическими схемами горных работ с их техническими характеристиками, а также расчетными графиками и другими материалами.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых» направления подготовки «Горное дело».
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Мухаметшин Анатолий Матвеевич - главный научный сотрудник Горного института УрО РАН, профессор Уральского государственного горного университета, office@ursmu.ru, Игнатенко Александр Николаевич — ведущий инженер Институт горного дела УрО РАН.
