CC BY
79
УДК 622.27.68.002 А.А. Кулешов
МОНИТОРИНГ ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ И ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ ГОРНО-ТРАНСПОРТНЫХ КОМПЛЕКСОВ С ПОМОЩЬЮ БОРТОВЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ И ДИСПЕТЧЕРИЗАЦИИ
Семинар № 20
Л ля повышения эффективности комплексов на подземных и открытых работах в последние годы интенсивно разрабатываются и внедряются новейшие системы мониторинга их работы на базе последних достижений в области элементной базы бортовых устройств и передачи данных от подвижных объектов к центральному диспетчерскому пункту.
На подземных работах эта проблема решается в первую очередь при эксплуатации самоходного оборудования, а именно - погрузочно-доставочных машин (ПДМ).
На открытых работах объектами мониторинга являются карьерные автосамосвалы и экскаваторы.
Задачи мониторинга можно разделить на две группы:
Количественные показатели, характеризующие объемы выполненной машиной работы (т, м3, км пробега), динамику их изменения в течение смены и расход энергии за этот период с определенной дискретностью во времени.
Показатели, характеризующие состояние машины в течение рабочей смены - работает, простаивает и пр., а также режимы ее работы - нагрузки на узлы, скорость передвижения, время рабочего цикла.
В эту же группе следует включить все сведения об отказах машины,
времени и причинах их возникновения.
Структура показателей мониторинга и средства для его осуществления рассмотрены ниже.
Общая структура системы мониторинга должна обеспечивать непрерывное поступление информации о работе СО в установленном объеме, проведение ее анализа с целью обеспечения установленного значения эффективности эксплуатации машин. В соответствии с основными процессами эксплуатации и особенностями работы СО структурная схема системы сбора информации в системе мониторинга приобретает следующий вид (рис. 1)
Получение необходимой информации о работе СО происходит непосредственно с бортовых систем СО -либо в процессе непрерывной трансляции информации, либо в результате ее считывания со съемного накопителя.
В настоящее время эта информация поступает либо от оператора СО, либо от горного мастера.
На рис. 2 приведена схема показателей работы ПДМ
Для подготовки базы мониторинга ПДМ были выполнены экспериментальные исследования на Расвум-чоррском руднике ОАО «Апатит» в реальных условиях эксплуатации. Измерялась потребляемая мощность
Рис. 1. Структурная схема сбора информации в системе мониторинга СО
Рис. 2. Структурная схема расчета количественных показателей работы ПДМ
(рис. 3) и давление масла в штоковых и поршневых полостях гидроцилиндров Пдм.
По осциллограммам можно отследить как нагрузочные режимы машины, так и ее состояние в течение смены:
машина копает горную массу, движется с грузом, разгружается, движется порожняком и т.д. Если, например, давление масла в цилиндрах равно нулю, то машина простаивает. Время простоя видно на осциллограмме.
3
о
S
Время работы погрузочно-доставочной машины t, с
Рис. 3. Осциллограмма изменения потребляемой мощности главного электродвигателя погрузочно-доставочной машины ТОРО-400Е
По величине нагрузок, используя специальную методику, можно прогнозировать остаточный ресурс узла, детали.
В результате разработано техническое задание на разработку устройства для сбора и передачи информации о работе ПДМ.
1. Назначение и область применения:
1.1. Устройство сбора информации о работе подземного самоходного оборудования предназначено для записи и хранения информации об изменении давлений в гидроцилиндрах ковша, стрелы и поворота по штоковым и поршневым полостям, потребляемой электрической мощности. Устройство предназначено для эксплуатации на пДм TORO 400Е и ее аналогов.
2. Технические характеристики:
2.1. Напряжение питания - от бортовой сети ПДМ TORO 400Е -~220 В или =24 В.
2.2. Запись информации должна производится на компактное переносное устройство.
2.3. Устройство должно иметь возможность записи информации не менее, чем по 7 каналам одновременно.
2.4. Аналоговые входы устройства должны иметь стандартизированный входной сигнал (0...10 В или 4...20 мА) и иметь разрешающую способность не менее 10 бит.
2.5. Объем памяти запоминающего устройства должен быть рассчитан на запись в течение не менее 6 часов непрерывной эксплуатации.
2.6. Дискретность записи по каждому каналу должна составлять не менее 1 записи в 5 секунд.
2.7. В качестве первичных источников информации должны быть использованы датчики со стандартизированным выходным сигналом (0.10 В или 4.20 мА).
2.8. Входящие в состав устройства датчики давления должны быть рассчитаны на измерение давления до 200 Бар.
2.9. измерение мощности возможно по сигналу с установленного на ПДМ TORO 400Е трансформа-
Технические характеристики датчиков давления NAUTILUS XMLF 25GD 2ЇЇ5
№ п/п Параметр Значение
1 Диапазон настройки, бар 20 - 250
2 Степень защиты (в соответствие с МЭК 60529) IP 67
3 Напряжение питания, В 24 В пост. тока (17 - 33 В)
4 Размеры датчика, В х Ш х Г, (мм) 113 х 46 х 56
5 Установка датчика Штекер j ” BSP
6 Электрическое подключение Разъем М12
7 Полупроводниковый выход 0.10 В (200 мА)
тора тока со стандартным выходов
5 А.
3. Требования по автоматизации:
3.1. Устройство сбора информации должно иметь световую индикацию о режиме записи информации и
06 окончании записи.
3.2. Устройство сбора информации должно иметь защиту от короткого замыкания в цепи питания.
4. Требования к климатическому исполнению:
4.1. Диапазон рабочих температур от 0° до +20 °С.
4.2. Относительная влажность - 95 % при +20 °С без конденсата.
4.3. Исполнение УХЁ.
4.4. Категория помещения - 5.
4.5. Коэффициент запыленности 5 мг/м3.
4.6. Степень защиты:
4.6.1. Для датчиков - 1Р 67.
4.6.2. Для корпуса устройства 1Р 56.
4.7. Высота установки над уровнем моря - до 2000 м.
4.8. Требования по защите от вибраций - по стандарту 1ЕС 68-2-6, тест Ре
4.9. Требования по защите от ударов 1ЕС 68-2-27, тест Еа.
5. Требования к надежности:
5.1. Коэффициент готовности -0,98.
5.2. Среднее время восстановления - 20 мин.
5.3. средняя наработка на отказ -50 000 ч
5.4. Непрерывный срок эксплуатации 6 часов.
6. Гарантия изготовителя.
6.1. Гарантийный срок службы 1 год.
6.2. Срок хранения 2 года
6.3. Назначенный срок службы 15 лет.
Разработка устройства сбора информации о работе самоходного оборудования
Основываясь на вышеперечисленных требованиях к устройству сбора первичной информации, а, также учитывая тяжелые условия эксплуатации оборудования и ограниченные габаритные размеры механизма, был проведен сопоставительный анализ малогабаритных датчиков давления производства отечественных и зарубежных фирм, имеющих возможность измерения давления до 200 бар. Из зарубежных фирм рассматривались датчики давления производства SIEMENS - серия Z и SCHNEIDER ELECTRIC - датчики давления NAUTILUS. Из отечественных - датчики давления производства компании МЕТР АН. Учитывая параметры и стоимостные показатели, предпочтение следует отдать датчикам NAUTILUS, технические характеристики которых приведены в таблице, а габаритные размеры на рис. 4. Учитывая небольшую протяженность линий
Рис. 4. Датчик давления NAUTILUS ХМЬР 2500 2115 с выходным сигналом 0...10 В
подключения датчиков можно использовать датчик с выходом 0.10 В.
Для измерения потребляемой ПДМ мощности есть две возможности:
Применение измерительных преобразователей активной мощности трехфазного тока типа Е 859/3.
Вычисление активной мощности по информации о токе электродвигателя. Так как установленный на ПДМ в качестве приводного асинхронный электродвигатель можно рассмотреть как симметричную нагрузку, достаточно использовать сигнал тока в одной фазе двигателя.
Применение преобразователей активной мощности, как показали изме-
рения, проведенные на ПДМ Расвум-чоррского рудника, дает достаточно точный результат, однако требует установки дополнительного оборудования - измерительных трансформаторов напряжения 660/100 В, которые являются нестандартным оборудованием. Кроме того, сам преобразователь и трансформаторы напряжения требуют наличия дополнительного защищенного места в корпусе ПДМ. Комплект оборудования, необходимый для установки на ПДМ в этом случае, представлен на рис. 5.
Предложенная система мониторинга ПДМ передана для реализации ОАО «Апатит». Естественно, в процессе внедрения может потребовать-
трансформаторы тока (установлены на ПДМ)
трансформаторы напряжения 600/100 В (дополнительное оборудование)
измерительный првобразовтавль активной мощности (дополнительное оборудование)
регистрирующий прибор
Рис. 5. Комлект аппаратуры для измерения активном мощности на базе преобразователя Е859/3 (Рсвумчоррский рудник, июнь 2004 г.)
ся некоторое уточнение технических решений, проведение дополнительных проверочных экспериментов уже с установленными на машину опциями. Но в том, что эта система решает поставленные задачи и может быть успешно реализована, сомнений нет.
Мониторинг автосамосвалов должен охватывать как их работу на линии и мероприятия, обеспечивающие поддержание работоспособности автосамосвалов. Практически все системы диспетчеризации ГТК с автотранспортом имеют оборудование, позволяющее производить мониторинг автосамосвалов только на линии, т.е. при выполнении технологических операций при перемещении горной массы от забоев до приемных пунктов.
Поэтому задачи мониторинга карьерных автосамосвалов, по существу, те же, что и для ПДМ: 1) задачи контроля и учета работы и 2) задачи от-
слеживания текущего состояния узлов и систем машины.
Мониторинг автосамосвалов осуществляется с помощью специального оборудования, в том числе и диагностического.
В системе «Карьер» (разработка ООО «ВИСТ Групп») предусматриваются следующие средства удаленной диагностики оборудования, применяемые при мониторинге автосамосвалов:
• диагностика бортового оборудования системы диспетчеризации (целостность датчиков системы);
• диагностика двигателей Cummins QSK60, установленных на самосвалах БелАЗ-75306;
• обработка данных системы Statex, установленной на самосвалах Komatsu.
В дополнение к указанному возможна установка опции удаленного
мониторинга системы управления тяговым электроприводом (СУТЭП) самосвалов БелАЗ,
В принципе удаленная диагностика может быть установлена для любого типа оборудования, если на нем установлен контроллер для сбора информации и описан интерфейс по работе с ним, например, для экскаваторов Komatsu.
Опыт внедрения систем контроля расхода топлива говорит о том, что без оснащения самосвалов датчиками уровня топлива не обойтись. Каким бы совершенным ни был механизм нормирования топлива, всех особенностей эксплуатации он учесть не может, что оставляет возможность для несанкционированного слива.
Предложено несколько типов датчиков для установки в бак самосвала. Наиболее соответствующий конкретным техническим условиям датчик выбирается на этапе технического проектирования.
При функционировании автоматизированной системы диспетчеризации с использованием датчиков уровня (давления) топлива решаются следующие задачи:
• автоматически определяется уровень топлива в любой момент времени;
• принимая во внимание сообщения водителей о пересмене, фиксируется уровень топлива на начало и конец смены;
• по изменению уровня топлива определяется объем заправки (слива).
Для решения этих задач автосамосвалы оборудуются системой контроля загрузки и топлива (СКЗиТ), которая предназначена для:
• измерения веса перевозимого автомобилем груза при помощи датчиков давления в цилиндрах подвески и бортового контроллера;
• выдачи сигналов (включение фонарей шкалы загрузки) машинисту экскаватора о достижении самосвалом оптимальной загрузки (с целью предотвращения недогрузки и перегрузки автомобиля);
• автоматического сбора и хранения в журнале регистрации рейсов информации о дате и времени каждой загрузки, весе груза, пробеге, объеме грузоперевозки (в тонно-километрах) и номере водителя, осуществлявшего этот рейс (или номера смены);
• автоматического сбора и передачи в диспетчерский центр информации о транспортном средстве (вес груза, количество топлива, координаты, скорость и т. п.);
• дополнительных сервисных функций (например, упрощения процедуры заправки цилиндров подвески азотом).
Система контроля загрузки и топлива включает в себя:
• бортовой контроллер СКЗ-02.01;
• датчик уровня топлива в баке УТ-90;
• инклинометр ИК-02 (датчик угла наклона автосамосвала в продольном направлении);
• датчики давления в подвесках МН-1 (4 шт.);
• панель индикаторная Р1203;
• комплект бортовой оснастки, включающий, в частности, сигнальные фонари для индикации текущей загрузки оператору экскаватора.
Существует другой вариант СКЗиТ, отличающийся составом датчиков для определения загрузки (в системе используется 4 силовых датчика ДЗ-20, смонтированных в технологическом пальце автосамосвала). СКЗиТ может быть адаптирована для транспортного средства любой грузоподъемности и различных производителей.
Функционирует оборудование СКЗиТ следующим образом:
Бортовой контроллер примерно 10 раз в секунду опрашивает датчики давления в подвесках или силовые датчики самосвала, датчик уровня топлива и инклинометр, фиксирует сигналы "подъем платформы", "ход вперед", "ход назад", "сборка схемы", сигнал с датчика вращения колеса и информацию с GPS приемника. Кроме этого, контроллер принимает и обрабатывает информацию диспетчерского центра (поступающую по радиоканалу) и информацию от водителя (вводимую с функциональной клавиатуры, установленной в кабине).
На панели водителя постоянно отображается:
• масса груза;
• количество рейсов с начала смены;
• скорость движения;
• пробег груженого и порожнего самосвала за последний рейс;
• контрольная информация об исправности системы;
• специальные текстовые сообщения, посылаемые диспетчером или генерируемые системой;
• прочие параметры.
Масса груза определяется с точностью не менее 2,5 % от максимальной загрузки автосамосвала. Ошибка взвешивания носит несистематический характер, поэтому средняя ошибка взвешивания груза за всю смену не превышает 1.2 % от максимальной загрузки. Для оптимизации алгоритма применяется датчик контроля положения грузовой платформы и инклинометр (датчик угла наклона автосамосвала в продольной оси).
В Системе применяется наружная световая индикация степени загрузки автосамосвала, и машинист экскаватора может учитывать степень загруз-
ки по сигнальным фонарям самосвала для избежания перегруза. Кроме того, имеется возможность контролировать угол наклона площадки при погрузке, что увеличивает точность определения веса груза.
Точность определения уровня топлива в баке составляет 1.3 % от объема бака в зависимости от типа датчика. Эта точность достаточна для исключения несанкционированного слива топлива и определения расхода топлива за смену. Для определения удельного расхода топлива по определенному маршруту используются усредненные данные по нескольким рейсам.
Очень важно обеспечить мониторинг дизелей. Разработана специальная версия программного обеспечения бортового контроллера, предназначенного для работы с двигателями фирмы «Cummins». Она имеет возможность обработки сообщений, генерируемых контроллером двигателя, которые поступают через CAN-интерфейс на блок контроллера СКЗ.
Предполагается установить подсистему диагностики двигателей Cummins QSK60, установленных на самосвалах БелАЗ-75306. На других самосвалах БелАЗ установлены двигатели, не оснащенные системой диагностики.
Системы диагностики и защиты являются частью электронной системы управления Quantum двигателей
Cummins с топливной системой HPI (QSK45/60/78). Бортовой контроллер диспетчерской системы соединяется с системой диагностики посредством интерфейса J1939. Данные системы обеспечивают защиту двигателя по следующим параметрам:
• частота вращения коленчатого вала;
• температура топлива на входе в двигатель;
• давление в системе охлаждения;
• температура охлаждающей жидкости;
• давление воздуха во впускном коллекторе;
• температура воздуха во впускном коллекторе;
• давление в системе смазки;
• уровень масла в картере двигателя;
• давление картерных газов.
С целью обеспечения безопасности, при обнаружении отклонения данных параметров от номинальных значений, система защиты Ситттэ обеспечивает снижение мощности двигателя и частоты вращения коленчатого вала без остановки двигателя; остановка двигателя производится только по команде оператора (водителя) после остановки карьерного самосвала в безопасном месте.
Кроме указанных выше параметров, имеется еще несколько десятков, включая текущее потребление топлива. Список параметров, передаваемых в диспетчерский центр для обработки, согласовывается во время работы над Техническим проектом внедрения автоматизированной диспетчерской системы.
Цель удаленной системы мониторинга технического состояния АСД состоит:
• в периодическом опросе параметров системы диагностики для сохранения в базе данных системы с целью анализа информации совместно с данными о маршрутах движения, весе груза, уклонах дороги и т.п.;
• фиксации отклонений значений параметров от номинальных значений и информировании об этом ответственных лиц.
Двигатели с системой управления Сеп^у (КТА50/К2000Е), устанавливаемые на карьерные самосвалы производства РУПП Белорусский автомобильный завод (например, на самосвалы марки БелАЗ-75131), не оборудованы системой защиты. Контроль давления в системе смазки и температуры охлаждающей жидкости на этих двигателях осуществляется при помощи датчиков, контрольно-измерительных приборов и сигнальных устройств, устанавливаемых РУПП «Белорусский автомобильный завод».
Таким образом, внедрение системы мониторинга работы горнотранспортных комплексов существенно повышает их эффективность и культуру производства. НДВ
— Коротко об авторах----------------------------------------------------------------
Кулешов А.А. - доктор технических наук, профессор, СПГГИ-ТУ.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 20 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.И. Галкин.
