CC BY
85
© Е.С. Виленкин, А.Ю. Горлов, 2006
УДК 622.272
Е. С. Виленкин, А.Ю. Горлов
ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ГОРНОШАХТНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ И АСУ ТП ПОДЗЕМНОЙ УГЛЕДОБЫЧИ
Семинар № 11
Введение
До настоящего времени человечество не смогло практически реализовать технологические процессы подземной выемки угля, которые не базировались бы на использовании сложных комплексов машин, выполняющих координированные действия в условиях агрессивной, слабодетерминированной, опасной операционной среды. Во многом эффективность добычи определяется опытом и интуицией специалистов и горнорабочих. Нисколько не умаляя роль обучения и тренинга, мы должны констатировать, что столь сложный технологический процесс не должен зависеть от субъективной оценки, когда ошибка чревата не только снижением объема или качества продукции, но и риском аварии оборудования или травмирования и гибели людей.
Безопасное и эффективное функционирование основного добычного оборудования и вспомогательных систем может быть обеспечено, если взаимосвязано решаются следующие три задачи:
- наблюдение за операционной средой;
- наблюдение за параметрами состояния технологического оборудования;
- управление технологическим комплексом с учетом оценок текущего и прогнозируемого состояния операционной среды и технических средств.
Сложность решения этих задач определяется такими факторами, как
- значительная пространственная распределенность технологического объекта в целом;
- ограничение возможностей измерения параметров операционной среды, главным образом, зоной ее взаимодействия с технологическим оборудованием;
- отсутствие адекватных математических моделей, описывающих как собственно саму операционную среду, и процессы в зоне контакта с ней, так и динамику агрегатированного оборудования.
Большинство традиционных технических комплексов АСУ ТП, ориентированных на работу во взрывоопасной средах, базируется на архитектуре, предусматривающей размещение оборудования в двух зонах: опасной и безопасной. Например, операторские станции и источники искробезопасного электропитания подземной аппаратуры размещаются на поверхности, а датчики и исполнительные устройства размещаются в шахте вблизи объектов мониторинга и управления. Такая архитектура централизованной АСУ ТП обладает низкой живучестью (т.е. способностью выполнять рабочие функции в условиях повреждения компонентов системы и информационных магистралей).
Отсутствие возможности оперативного устранения отказов оборудования в процессе его рабочего функционирования ведет к необходимости использования при разработке архитектуры комплекса АСУ ТП принципов «управляемой деградации»
системы. Такие принципы предусматривают включение в состав аппаратных и программных компонентов средств, которые позволяют обеспечивать функционирование системы в целом в течение некоторого установленного интервала времени даже в условиях выхода из строя не только электронных устройств и информационных магистралей, но и отдельных подсистем.
С учетом специфики технологических процессов подземной угледобычи, сложности обслуживания пространственно распределенной системы измерений технологических параметров и управления исполнительными устройствами, наличия технологических возможностей управлять рядом процессов в режиме контролируемой деградации системы, предпочтительным является применение архитектур децентрализованного управления, когда основной трафик измерительной и управляющей информации концентрируется в непосредственной близости каждого объекта мониторинга или управления. Это означает, что основная часть функций мониторинга и управления переносится в опасную зону, значительно снижая при этом роль протяженных кабельных соединений с поверхностью и существенно сокращая объем кабельных линий связи. Необходимо отметить, что экономическая эффективность перехода от централизованных АСУ ТП к децентрализованным распределенным системам зависит от двух основных факторов:
- от цены, которую придется платить за высокую надежность компонентов системы, размещаемых в опасной зоне (под землей);
- от соотношения выигрыша, получаемого вследствие сокращения объема требуемых информационных кабельных сетей (а значит и возросшей надежности системы в целом) и затрат на приобретение достаточно дорогих технических средств, предназначенных для работы в подземных условиях шахты.
Основными функциями АСУ ТП подземной угледобычи становятся:
- накопление достаточного объема измерительной информации о состоянии операционной среды и технических параметрах состояния техноло-гического оборудования;
- совокупная обработка всех измерений с целью реализации оптимального управления технологическими процессами;
- сжатие информации и ее визуализация для представления обслуживающему персоналу в наиболее удобном виде для принятия решений (когда требуется вмешательство специалиста соответствующего уровня);
- электронное документирование действий персонала и архивирование данных.
При этом персонал освобождается от значительной доли рутинной работы, связанной с поиском технических неисправностей, вводом локальных изменений технологического процесса для парирования паспортизованных нештатных ситуаций, обработкой измерительной информации при проведении ситуационного анализа.
В случае управления механизированной крепью автоматический контроль параметров состояния каждой секции позволяет осуществлять оптимальный цикл передвижки крепи практически без потери контакта с кровлей, тем самым, снижая до минимума локальные механические возмущения кровли и, как следствие, уменьшая вероятность засорения угля вмещающей породой.
Кроме того, регистрация изменений параметров состояния крепи во времени позволяет, при использовании соответствующих алгоритмов обработки, получать динамическую картину развития процессов взаимодействия крепи с кровлей и почвой, вычислять оценки статистических характеристик случайных процессов, инициированных работой комплекса во вмещающих породах. Дальнейшая обработка получаемых статистических оценок по-
зволит делать выводы о прогнозируемом поведении вмещающих горных пород как во времени, так и в пространстве.
Ниже представлено описание состава технических средств и основы построения алгоритмического обеспечения программнотехнического комплекса (ПТК), предназначенного для создания систем управления ГШО и АСУ ТП подземной угледобычи.
Основные принципы конструирования компонентов ПТК
Анализ функционирования управляющего оборудования, предназначенного для эксплуатации в условиях очистного забоя, выявил наиболее уязвимые конструктивные элементы, отказ которых приводит к неработоспособности систем управления в целом. К ним относятся:
- наружные и внутриблочные разъемные и клеммные электрические соединения, в которых происходит либо ослабление электрического контакта, либо возникает утечка тока в результате проникновения влаги и угольной пыли;
- электронные модули с недостаточной степенью защиты от проникающей влаги и внутреннего конденсата, а также угольной пыли;
- электромеханические контактные переключательные устройства;
- многожильные кабельные соединения.
При проектировании устройств ПТК были предприняты попытки в максимальной степени снизить риск возникновения отказов компонентов и системы управления в целом в результате воздействия различных факторов внешней среды и ошибок в действиях эксплуатационного персонала. Для этого все внутренние электрические соединения электронных модулей выполнены только пайкой без применения межплатных электрических разъемов, винтовых и нажимных клеммных соединителей. Практически для всех приборов использована технология объемного заполнения герметизирующим компаундом,
обладающим высокими электроизоляционными свойствами, хорошей теплопроводностью, хорошей адгезией, сохраняющейся в широком диапазоне изменения температуры и влажности окружающей среды. Применение объемной заливки компаундом позволило также значительно снизить степень влияния ударных и вибрационных нагрузок на электронные модули.
В качестве переключательных устройств применены герметизированные бесконтактные элементы или переключатели со степенью защиты не ниже 1Р 67. Разъемные электрические соединения выполнены с использованием малоконтактных электрических разъемов со степенью защиты не ниже 1Р 67.
Кабельные электрические соединения выполнены с использованием кабеля, содержащего только три витые пары жил, с несколькими слоями изоляции. Кабели помещены в защитные резино-тканевые и резино-металлические рукава, на концах которых установлены муфты для механического закрепления на конструктивных элементах электронных приборов. Для защиты корпусов внешних разъемов от возможных механических повреждений использованы подвижные металлические экраны.
Искробезопасные контроллеры и устройства сопряжения
Базовой технической единицей построения локальной или распределенной системы управления является локальный программируемый контроллер, осуществляющий обработку измеренных величин параметров состояния операционной среды и технических средств, определение и выдачу необходимых управляющих воздействий на исполнительные элементы, выполняющие те или иные операции, и принятие решения о передаче управления оператору при возникновении ситуации, не предусмотренной алгоритмом управления. Сопряжение контроллера с датчиками и с исполнительными элементами обеспе-
чивают интеллектуальные коммутаторы, которые выполняют рутинные операции контроля технического состояния подключенных к ним устройств, предварительную обработку измеренных величин (масштабирование, фильтрацию помех и т.д.), контроль целостности кабельных соединений, отключение отказавших устройств с информированием об этом локального контроллера.
Локальный программируемый кон-
троллер
Искробезопасный программируемый контроллер (ИБК) предназначен для сбора измерительной информации о состоянии горно-шахтного оборудования и параметрах окружающей среды, ее обработки и выдачи управляющих сигналов на исполнительные устройства. Контроллер относится к электрооборудованию группы I с уровнем взрывозащиты ia, применяемому в подземных выработках шахт, рудников и в наземных строениях, опасных по рудничному газу и горючей пыли.
Технические характеристики ИБК
входное питающее напряжение 12 В род тока постоянный
тип процессора Fujitsu MB90F591 разрядность 16
рабочая частота 4 МГ ц (до 16 МГ ц)
быстродействие до 16 MIPS
ROM FLASH 384 KB
RAM 8 KB
потребляемый ток, номинальный 90 mA потребляемый ток максимальный, с включением индикации и акустического сигнала 230 mA
акустический сигнал 80 db, 1 м
количество индикаторов состояния 16 тип интерфейса внешних магистралей
CAN 2.0
количество независимых каналов CAN
2
количество последовательных каналов UART 3
8-разрядный последовательный канал ввода/вывода 1
искробезопасное питание удаленных внешних устройств по магистралям CAN максимальный ток потребления внешними устройствами 2000 mA
выходное искробезопасное напряжение (V
вых. ном. ) 12 В
максимальная внешняя емкостная нагрузка < 50 мкР
максимальная внешняя индуктивная нагрузка < 0,5 мГн
температурные диапазоны:
а) в режиме эксплуатации -10... +60 оС
б) в режиме хранения -20... +60 оС
относительная влажность окружающей среды до 98 ± 2%
степень защиты от воздействия окружающей среды IP 65
вибрация (амплитудное значение) с частотой 5-10Гц 3 мм
средняя наработка на отказ
> 50000 час., t= + 25оС масса < 5,5 кг
габариты 280х140х130 мм
уровень взрывозащиты РВ Ех Ia
поддержка национальных и международных стандартов безопасности.
ИБК размещен в стальном корпусе, на задней крышке которого установлены разъемы для подключения кабелей электрического питания и соединения с внешними устройствами, а также акустический излучатель. На лицевой поверхности устройства размещены светодиодное табло с индикаторами состояния контроллера, периферийных устройств, каналов связи и окном приемо-передатчика канала инфракрасного обмена с портативным пультом оператора, кнопка экстренного выключения
всех исполнительных устройств комплекса и кнопка блокировки включения исполнительных устройств, управляемых этим контроллером.
Электрическое подключение ИБК к искробезопасному источнику питания и искробезопасным потребителям осуществляется с помощью разъемных соединений Hirschmann. Контроллеры ИБК могут быть объединены в сеть четырехпроводной магистралью CAN 2,0. Изменение версий программного обеспечения ИБК, ввод параметров функционирования, команд оператора, а также отображение информации осуществляются по инфракрасному каналу обмена от портативного пульта управления или с использованием пульта управления, подключенного к ИБК по последовательному каналу обмена RS485. Также возможна синхронизация версий программного обеспечения нескольких ИБК, объединенных в сеть магистралью CAN.
Контроллер в модификации ИБК-М обеспечивает обмен информацией с удаленной рабочей станцией на поверхности с помощью подключаемого к нему искробезопасного модема.
Устройство не требует обслуживания при эксплуатации.
Коммутатор датчиков
Коммутатор датчиков КД является устройством сопряжения контроллера ИБК с аналоговыми датчиками, устанавливаемыми на объекте управления. КД является программируемым устройством на базе микроконтроллера Ри^и
МБ90Р497и осуществляет электропитание
подключенных к нему датчиков стабилизированным искробезопасным постоянным напряжением 12В, автоматическую проверку целостности измерительных цепей, контроль соответствия измерений предустановленным физическим диапазонам, циклический опрос датчиков, преобразование аналоговых входных сигналов в дискретное 10-разрядное представление, цифровую фильтрацию измерений по заданному алгоритму, передачу диагностической и измерительной информации в ИБК. Входным сигналом КД от каждого датчика является напряжение в диапазоне 0,5...4,5 В, что продиктовано требованием минимизации общего энергопотребления. К одному КД допускается подключение до 6 (8) датчиков. Соединение КД к ИБК осуществляется одним 4-проводным кабелем локальной CAN-магистрали, помещенным в защитную оболочку, снабженную оконечными штуцерами для механического сопряжения с корпусами приборов. К одному ИБК допускается подключение до 4 КД, т.е. общее число подключаемых аналоговых датчиков составляет 32 на один ИБК. Все электрические соединения КД выполнены с использованием 4-контактных разъемов Hirschmann.
Устройство не требует обслуживания при эксплуатации.
Коммутатор дискретных сигналов
Коммутатор дискретных сигналов КДС представляет собой программируемое устройство, выполненное на базе микроконтроллера РщЬъи МБ90Р497, предназначенное для ввода в контроллер ИБК информации о состоянии переключателей типа «нормально разомкнутый» или «нормально замкнутый» контакт. В каче-
стве переключателей могут быть использованы магнито-контактные устройства, индуктивные датчики близости, электромеханические контакты и т.д. Один КДС обеспечивает выдачу искробезопасного напряжения 12 В и контроль состояния для 16 переключателей. Соединение КДС с ИБК осуществляется одним четырехжильным кабелем локальной СЛМ-магистрали. К одному ИБК допускается подключение до 4 КДС, т.е. общее число дискретных цепей, контролируемых одним ИБК, составляет 64.
Устройство не требует обслуживания при эксплуатации.
Коммутатор исполнительных дискретных устройств
Коммутатор исполнительных устройств КГК является программируемым устройством, выполненным на базе микроконтроллера Ри^и МБ90Р497, предназначенным для сопряжения контроллера ИБК с соленоидами электрогидроклапанов или реле. К одному КГК допускается подключение до 16 электрогидроклапанов или реле с напряжением питания 12 В. Для снижения электропотребления коммутируемой аппаратуры в КГК применен встроенный механизм широтноимпульсной модуляции (ШИМ) выходного сигнала со скважностью 2 и параметризацией длительности импульса. Для снижения электропотребления коммутируемой аппаратуры в КГК применен встроенный механизм широтно-импульсной модуляции (ШИМ) выходного сигнала со скважностью 2 и параметризацией длительности импульса. КГК выполняет автоматическую диагностику цепей уп-
равления, обнаружение короткого замыкания и обрыва внешних электрических цепей и отключение поврежденных выходных цепей с выдачей результатов диагностики в ИБК. Соединение КГК с ИБК осуществляется локальной CAN- магистралью одним шестижильным кабелем, помещенным в защитную оболочку, снабженную оконечными штуцерами для механического сопряжения с корпусами приборов. Электрические соединения с исполнительными устройствами выполнены с использованием 4-контактных разъемов Hirschmann. Электропитание исполнительных устройств может осуществляться как от единого источника искробезопасного напряжения, питающего ИБК, так и от одного или нескольких отдельных источников искробезопасного напряжения. Выбор способа организации электропитания определяется максимально возможным электропотреблением одновременно включаемых исполнительных устройств.
Устройство не требует обслуживания при эксплуатации.
Коммутатор нагрузок
Коммутатор нагрузок (КН) является программируемым устройством, выполняющим коммутацию внешних устройств с источниками питающего напряжения до 127 В 50 Гц, не имеющими гальванической связи с контроллером ИБК. Один КН осуществляет программно-управляемую коммутацию до 12 внешних устройств к независимым источникам напряжения. Соединение КНС с ИБК осуществляется с помощью локальной СЛК-магистрали по одному 4-проводному кабелю. В состав
КН входит модуль гальванической развязки, обеспечивающий электрическую изоляцию искробезопасных цепей КН и ИБК от внешних искроопасных и искробезопасных электрических цепей.
Устройство не требует обслуживания при эксплуатации.
Источник искробезопасного элек-
тропитания аппаратуры АСУ ТП
Одной из важнейших подсистем АСУ ТП подземной угледобычи является подсистема обеспечения аппаратуры искробезопасным электропитанием. В зависимости от технологического процесса выемки угля в конкретных горно-геологических условиях и от числа управляемых элементов секции крепи такая массовая операция, как передвижка секции, может требовать одновременной активации от 2 до 8 электрогидроклапанов на одной секции. Одновременно с циклом передвижки секции на соседних секциях могут быть включены электрогидроклапаны, уп-
равляющие либо подготовкой следующей секции к передвижке, либо завершающими операциями на ранее передвинутой секции. Помимо этого, необходимо произвести подготовительные операции, связанные со складыванием щита удержания груди забоя или сокращением выдвижной консоли, на секциях перед комбайном. В это же время может производиться до-движка секций, которые по разным причинам не завершили цикл передвижки. В это же время вслед за проходящим комбайном и передвинутыми секциями осуществляется выдвижка конвейера, которая
требует одновременного включения электрогидроклапанов, управляющих домкратом передвижки, на 10-15 секциях. На выполнение всех этих операций в одном и том же интервале времени может потребоваться до 50 Вт электрической мощности.
Необходимо учитывать и тот факт, что изменения потребляемой электрической мощности системы электропитания, зависящие от числа включенных потребителей, не должны сказываться на уровне выходного напряжения, питающего аппаратуру управления, что особенно важно в цепях питания электрогидроклапанов и датчиков. В противном случае в аппаратуре необходимо использовать вторичные преобразователи, стабилизирующие уровни напряжения, что заметно повышает ее стоимость.
Одним из основных недостатков ранее применявшихся систем централи-
зованного электропитания секционных контроллеров от одного (или нескольких) источника, находящегося на штреке, являются серьезные ограничения на количество одновременно включаемых в лаве исполнительных устройств, т.е. электрогидроклапанов. Применяемые в настоящее время системы распределенного электропитания с размещенными в лаве источниками, каждый из которых снабжает искробезопасным напряжением группу из 3-10 секций, в значительной мере сняли, но не исключили полностью, указанные ограничения.
Оптимальным решением проблемы оказалось создание простого, дешевого и компактного секционного источника искробезопасного напряжения, размещаемого на каждой секции крепи, обладающего мощностью около 15 Вт, достаточной для питания всей аппаратуры секционного модуля. Такая организация электропитания аппаратуры управления значительно повышает живучесть системы управления в целом, т.к. при выходе из строя отдельного источника питания или межсекцион-
ной кабельной перемычки все остальные секционные модули остаются работоспособными и позволяют продолжать управление комплексом в автоматизированном режиме, за исключением секции, непосредственно соединенной с местом возникновения неисправности.
Взрывобезопасный сетевой стабилизированный источник питания (ССИП-1512, ССИП-3012) предназначен для обеспечения искробезопасным напряжением взрывозащищенного электрооборудования групп I и II с уровнем взрывозащиты ib (ia).
Технические характеристики ССИП с выходной мощностью 15 и 30 Вт входное питающее напряжение
85 . 264 В
частота входного напряжения
50/60 Гц
выходной ток 1,2 А; (2,3 А)
выходное искробезопасное напряжение (V
вых. ном. ) +12 В
максимальная емкостная нагрузка (для группы I) < 50 мкФ
максимальная индуктивная нагрузка (для группы I) < 0,5 мГ н
пульсация выходного напряжения
<200 мВ
нестабильность выходного напряжения при изменении нагрузки от I ^ до I ном
<1%
защита от короткого замыкания
отключение с автовозвратом защита от перегрузки по току
105 % от I ном.
защита от превышения выходного напряжения 115 % от V вых. ном.
КПД > 70 %
электрическая прочность изоляции:
а) вход/выход > 1500 VAC
б) вход/корпус > 1500 VAC
в) выход/корпус > 500 VAC температурные диапазоны:
а) в режиме эксплуатации -
10. +60 оС
б) в режиме хранения
-20. +60 оС
относительная влажность окружающей среды до 98 ± 2%
степень защиты от воздействия окружающей среды IP 67
вибрация (амплитудное значение) с частотой 5-10Гц 3 мм
средняя наработка на отказ
> 50000 час., t= + 25оС масса < 4 кг
габариты 240х100х70 мм
уровень взрывозащиты
РВ Ехs[ia]IX /1Ехs[ia]IIBT4X поддержка национальных и международных стандартов безопасности.
ССИП имеет стальной корпус с объемной заливкой электроизоляционным теплопроводящим компаундом. Электрическое соединение прибора, имеющего прямой кабельный ввод, с силовой электрической сетью 127 В 50 Гц осуществляется в соответствии с требованиями нормативных документов посредством отрезка кабеля КОГРЭШ, подключенного к ССИП при изготовлении изделия.
ССИП может иметь различные конструктивные исполнения, в т. ч. с оконечной и проходной клеммной камерой силовых вводов. Электрическое подключение
ССИП к искробезопасным потребителям осуществляется с помощью 6-контактного разъемного соединения Hirschmann.
Среди достоинств ССИП следует отметить чрезвычайно быструю реакцию на возникновении короткого замыкания во внешней цепи, при этом выключение питания на выходном разъеме источника производится менее чем за 10 мксек. При устранении причин короткого замыкания во внешней цепи ССИП автоматически включается и обеспечивает электропитанием подключенные внешние устройства.
Устройство не требует обслуживания при эксплуатации.
Измерительные датчики
Выполнение измерений параметров протекания технологических процессов и состояния оборудования обеспечивает
контроллеры информацией о моментах завершения одних операций и включения последующих операций, осуществляющих нормальный ход процессов. Второй основной функцией измерительной системы является информирование оператора о возникновении нештатных ситуаций в работе оборудования или во взаимодействии оборудования с операционной средой.
Например, снижение давления в гидравлической стойке относительно уровня давления, достигнутого при окончании распора секции, может говорить о наличии утечки жидкости из полости стойки или же об особенной ситуации взаимодействия перекрытия секции с кровлей. Уточняющей информацией в этом случае станет наблюдение результатов измерения давления во второй гидравлической стойке секции и в анализе изменения давлений в обеих стойках во времени. Использование датчиков расхода жидкости вместе с датчиками давления в магистралях напора и слива при том условии, что система управления имеет сведения о текущих выполняемых гидравлических операциях, позволяет контролировать возникновение дефектов в магистралях.
Другим примером, иллюстрирующим важность измерений взаимного положения элементов 2-стоечной секции крепи, является контроль угла между верхним перекрытием и задним ограждением, который является ключевым фактором, определяющим фактическое распределения усилий в элементах конструкции секции. Нет необходимости измерять точное значение этого угла с помощью дорогостоящего датчика угловых величин, достаточно контролировать ситуации, когда взаимное угловое положение перекрытия и ограждения выходит за заданные пределы.
Выбор состава и типа датчиков для выполнения различных измерений определяется конкретным типом крепи, горногеологическими условиями эксплуатации угледобывающего комплекса и требуемым уровнем автоматизации.
Датчики и реле давления
Для контроля давления в гидравлических стойках секций крепи используются два типа измерительных приборов: аналоговые датчики давления и дискретные реле давления.
Аналоговые датчики характеризуют следующие основные параметры:
- диапазон измерения;
- точность измерения;
- параметры кратковременной и долговременной стабильности измерения;
- линейность измерения;
- параметры выходного электрического сигнала;
- электропотребление.
В рассматриваемом ПТК АСУ ТП подземной угледобычи применяются искробезопасные датчики давления с диапазоном измерения до 63 МПа, точностью 0,5 % полной шкалы, выходным сигналом 0,54,5 В и током потребления менее 5 мА. Разъемное электрическое соединение датчика с кабелем, ведущим к КД, обеспечивает защиту от воздействия окружающей среды уровня не ниже 1Р67 и защищено от механических повреждений прочным стальным ко^хом.
Реле давления применяют в тех случаях, когда достаточно контролировать только дискретные значения давления, достижение которых является инициирующим сигналом включения или выключения определенных операций или же указывает на возникновение определенной ситуации в состоянии оборудования, связанной с нарушением его нормального функционирования.
Датчики хода гидравлических домкратов
В зависимости от уровня автоматизации операций, выполняемых секциями
крепи, для контроля величины раздвижно-сти гидравлических домкратов применяются либо аналоговые датчики, измеряющие текущее положение штока в процессе выполнения операции, либо пара датчиков конечных положений штока домкрата, выдающих дискретные сигналы в момент установки штока домкрата в одну из крайних позиций.
Аналоговый датчик хода домкрата выполнен в виде стального стержня, внутри которого размещена магниточувствительная измерительная система, закрепляемого на торцевой поверхности гидроцилиндра и ориентированного вдоль продольной оси полого штока. На штоке закреплен кольцевой магнит, охватывающий измерительный стержень.
Аналоговая измерительная система обеспечивает возможность измерения положения штока с погрешностью не более 3 мм и выдает в КД выходной сигнал в диапазоне 0,5-4,5 В. Диапазон измеряемых перемещений определяется конкретным применением.
Датчики конечных положений штока представляют собой миниатюрные бесконтактные индуктивные датчики близости металла, размещаемые в специально подготовленных отверстиях в боковой поверхности цилиндра. Датчики предназначены для эксплуатации в условиях рабочего давления до 50 МПа. Выходные сигналы датчиков организованы по схеме: один нормально-замкнутый контакт и один нормально-разомкнутый контакт. Применение такой схемы выходных сигналов позволяет контролировать работоспособность датчиков и соединительных электрических цепей во всех позициях штока домкрата.
Датчики предельных положений конструктивных элементов
Датчики предельных положений конструктивных элементов ГШО базируются на применении бесконтактных индуктивных переключателей с различными дистанциями переключения при приближении
к металлическим поверхностям. Выходные сигналы датчиков организованы по схеме, предусматривающей наличие одной нормально замкнутой и одной нормально разомкнутой электрических цепей, что позволяет контролировать не только моменты переключения датчика, но и целостность электрических соединений и его работоспособность в промежуточных состояниях.
Исполнительные электрогидравли-ческие блоки
В качестве исполнительных блоков (модулей) электрогидравлического управления гидравлическими элементами крепи, комбайна или конвейера могут применяться гидравлические распределители с пилотными искробезопасными электрогидроклапанами, включение которых обеспечивается подачей на них постоянного искробезопасного напряжения 12 В.
Поскольку электрическим компонентом включения электрогидроклапана является соленоид процесс включения электрогидроклапана можно рассматривать в виде двух последовательных стадий:
- включение, характеризующееся повышенным потреблением тока, необходимым для механического перемещения сердечника;
- удержание, при котором сердечник находится в стационарном состоянии, не требующем значительных затрат электрической мощности.
Принимая во внимание тот факт, что искробезопасная мощность источника электропитания ограничена, а количество одновременно включенных электрогидроклапанов может достигать 6-8, существенную роль в снижении общего электропотребления играет оптимальное управление их электропитанием. Применение механизма широтно-импульсной модуляции напряжения на выходе КГК, питающего электрогидроклапаны во время удержания, позволяет снизить суммарную по-
требляемую электрическую мощность, практически, в два раза.
Система информационного обмена
Протокол CAN
Протокол CAN применяется в системах реального времени для решения различных задач. В настоящий момент развиваются несколько видов CAN протоколов высокого уровня (CAL, CANOpen, DeviceNet, SDS), но в основе всех лежит канальный протокол CAN2.0. Интерфейс CAN характеризуется высокими скоростями передачи данных (до 1 Мбит/с) и помехоустойчивостью, а также способностью обнаруживать любые возникающие ошибки.
Для обеспечения высокой живучести и надежности системы целесообразно не использовать традиционную централизованную систему управления, а применять распределенное управление путем размещения интеллектуальных датчиков и исполнительных механизмов рядом с управляемым процессом. Связь между узлами такой системы осуществляется с помощью полевой шины. CAN - это система связи для многоконтроллерных систем.
CAN-интерфейс регламентирован международными стандартами ISO 11898 для высокоскоростных и ISO 11519-1 для низкоскоростных приложений.
Высокая надежность интерфейса обусловлена линейной структурой шины и равноправностью ее узлов. Это означает, что модули могут взаимодействовать друг с другом непосредственно (наличие нескольких мастер-узлов), что значительно упрощает и ускоряет управление распределенной системой. Любое сообщение может быть послано одному или нескольким узлам. Все узлы одновременно (что важно для синхронизации в системе управления) считывают с шины одну и ту же информацию, и каждый из них решает, принять данное сообщение или игнорировать его. Отказавшие узлы автоматически отключаются от обмена по шине.
Применение дифференциальной линии передачи обеспечивает высокую помехоустойчивость за счет подавления синфазных помех, действия встроенных механизмов обнаружения ошибок (по спецификации - одна необнаруженная ошибка за 1000 лет при ежедневной 8-часовой работе сети на скорости 500 Кбит/с), автоматического повтора ошибочных сообщений, автоматического отключения неисправных узлов от обмена по шине и устойчивости к электромагнитным помехам.
Гибкость применения достигается за счет простого подключения к шине и отключения от шины CAN-узлов, причем общее число узлов протоколом нижнего уровня не ограничено. Адресная информация содержится в теле сообщения. В процессе работы возможно изменение приоритета передаваемого сообщения. Следует отметить возможность программирования частоты и фазы передаваемого сигнала. На физическом уровне есть возможность выбора разнотипных линий передачи данных: от витой пары до оптоволоконной линии связи.
Отличия от других шин информационного обмена
В протоколе CAN осуществляется посылка сообщений по общей CAN-шине, при этом гаждый узел постоянно просматривает шину и при приеме использует битовые маски, решая, какие сообщения извлекать из шины. В результате, узел принимает и обрабатывает только те сообщения, которые предназначены именно для него.
Каждое сообщение имеет свой приоритет, значение которого содержится в идентификаторе сообщения. Передача сообщения начинается с отправки на шину идентификатора. Если доступ к шине одновременно требуют несколько сообщений, то сначала будет передано сообщение с наиболее высоким приоритетом независимо от других сообщений и текущего состояния шины. Это свойство имеет особое значение при использовании в системах
управления реального времени. Распределение приоритетов между различными типами сообщений задается разработчиком при проектировании сети.
Если передача одного узла приостанавливается другим, посылающим сообщение с более высоким приоритетом, то, как только шина освободится, будет предпринята другая попытка передачи сообщения от первого узла. Применение такого алгоритма, в отличие от шины ЕШете1, не позволяет конфликтующим узлам занимать ресурсы, а сразу выявляет победителя и сокращает время обмена.
Кроме того, в шине невозможна ситуация блокировки неисправным узлом работы всей сети. Такие узлы обнаруживаются и отключаются от обмена по шине.
Система операторского интерфейса
Портативный пульт дистанционного управления по ИК-каналу
Пульт обеспечивает беспроводную двухстороннюю связь по инфракрасному каналу обмена информацией с ближайшим ИБК и через него со всей сетью контроллеров. Пульт имеет встроенный микроконтроллер, снабжен клавиатурой с пиктограммами команд и дисплеем для отображения сообщений, квитирующих прием команд контроллером-адресатом или инициированных любым из контроллеров с целью оповещения оператора о возникновении события, требующего реакции оператора. Микроконтроллер осуществляет диагностику пульта, контроль заряда аккумулятора, проверку надежности канала связи. Количество пультов в сети ограничено только требованиями технологического процесса. Алгоритмы функционирования сети контроллеров предусматривают исключение конфликтов между командами, подаваемыми разными операторами, т. к. непрерывно осуществляют автоматическое определение местоположения каждого оператора и комбайна в лаве и формируют зоны безопасности для операторов, исключающие инициализацию команд, связанных с механическим пере-
мещением оборудования в зоне непосредственной близости к оператору.
Время непрерывной работы каждого пульта составляет несколько десятков часов, а текущее состояние аккумулятора индицируется на дисплее пульта.
Корпус пульта обеспечивает защиту электронного модуля от механических повреждений, проникновения пыли и влаги. Вес, габариты и компоновка пульта соответствуют современным требованиям эргономики.
Портативный пульт дистанционного управления по проводному каналу
Для управления добычными машинами на расстояниях до 30 м создан микрокон-троллерный операторский пульт, соединяемый с ИБК 4-провод-ным кабелем.
Шильд-клавиатура лицевой панели пульта проектируется для каждой конкретной машины, содержит функциональные кнопки, позволяющие оператору осуществлять как дискретное, так и непрерывное управление устройствами и исполнительными органами машины. На корпусе пульта установлена фиксирующаяся кнопка блокировки выдачи исполнительных команд. Пульт содержит встроенные средства диагностики и контроля целостности кабельного соединения с ИБК. Пульт имеет разъемное соединение с информационным кабелем, защищенное от влаги и механических повреждений.
Пример оснащения участка очист-
ной выемки угля
Ниже приведена структурная схема построения АСУ ТП участка очистной выемки угля на базе рассмотренных выше устройств из состава ПТК.
Каждая секция крепи оснащается источником питания ССИП-ПП со встроенным модулем приемо-передат-чика шины внешнего СЛМ-интерфейса, осуществляющим гальваническую развязку между ИБК разных секций крепи. Искробезопасное напряжение и информационные цепи СЛМ-интерфейса от ССИП-ПП поступают на магистральный вход ИБК секции. К шине внутреннего СЛМ-интерфейса подключаются следующие устройства:
- КГК для управления соответствующим количеством электрогидроклапанов;
- один или два коммутатора аналоговых датчиков КД в зависимости от числа измеряемых аналоговых параметров состояния секции;
- КДС, если для управления секцией крепи необходимо регистрировать дискретные сигналы состояния ее подвижных элементов;
- ЭГБ - исполнительный электро-гидравлический блок.
В штреке устанавливается ИБК, соединенный с шиной внешнего СЛМ-интерфейса через ССИП-ПП.
К шине внутреннего СЛМ-интер-фейса подключаются:
- один или несколько КН с необходимым количеством внешних искробезопасных и неискробезопасных источников питания для включения внешних силовых устройств (пускателей, контакторов и т.д.);
- один или несколько КД для сбора измерительной информации от аналоговых датчиков;
- КДС для сбора сигналов от дискретных датчиков состояния штрекового оборудования;
Для установки параметров конфигурации и функционирования системы, осуществления передачи информации на поверхность, а также для обеспечения информационного обмена с подземной компьютерной рабочей станцией в штреке устанавливается вспомогательный ИБК, соединенный с общей магистральной шиной СЛМ-интерфейса.
Средства обучения персонала
Комплексный стенд (КСФДО-32/64)
Эксплуатация сложного комплекса горно-шахтного оборудования, осуществляющего технологический процесс подземной добычи угля в длинных лавах с применением развитых средств автоматизации, несомненно, требует высокого уровня подготовки эксплуатационного персонала.
185
КК - клеммная коробка
ССИП-ПП - стабилизированный источник питания с приемо-передатчиком ИБК - искробезопасный контроллер КДЧ - коммутатор датчиков КДС - коммутатор дискретных сигналов КН - коммутатор нагрузок КГК - коммутатор электрогидроклапанов ЭГБ - электрогидроблок
— шина питания
— внешний СА1\1-интерфейс
— внутренний СА1\1-интерфейс сигналы датчиков и исполнительных цепей
5-----ИК-канал
силовое
электрооборудование
датчики
аналоговых
сигналов
датчики
дискретных датчики конвейерных сигналов линий
питание 127В 50Гц
подземная
рабочая
станция
Структурная схема построения АСУ ТПучастка очистной выемки угля
- количество независимо управляемых секций крепи до 5
- общее количество каналов управления с гальванической развязкой для электрогидроклапанов до 64
- общее количество независимых каналов ввода информации с гальванической изоляцией от аналоговых датчиков до 32
- максимальный коммутируемый ток каждого электрогидроклапана 200 мА
- степень защиты от воздействия окружающей среды не ниже № 54
- электропитание 220 В, 50 Гц, 300 Вт
- стенд совместим с секциями крепи типа М138, М700/800, М174, М147, М144, DBT, JOY и др.
Повышение надежности и безотказности функционирования
Стенд позволяет осуществлять:
- функциональную диагностику секций механизированной крепи с элек-трогидравлическим управлением в заводских условиях в количестве от 1 до 5 шт, контроль функционирования установленных на них управляющих электрогидроблоков, компонентов силовой и управляющей гидравлики, дискретных и аналоговых датчиков, протоколирования работы секций;
- обучение персонала технологическим приемам управления операциями крепи, оснащенной системой электрогид-равлического управления;
- демонстрацию функционирования группы секций по заранее подготовленным циклограммам выполнения операций.
Программно-аппаратный комплекс
стенда осуществляет дистанционное управление секциями крепи в количестве от 1 до 5 шт, многократное демонстрационное воспроизведение заданной последовательности операций исполнительными органами секций крепи, эмуляцию работы произвольного управляющего контроллера с любым заложенным алгоритмом управления крепью.
Функционирование стенда осуществляется как в режиме работы с обратной
связью (регистрация информации от датчиков, входящих в штатную комплектацию системы электрогидравлического управления, а также от датчиков испытательной измерительной системы), так и без нее - с визуальным контролем выполнения секциями заданных одиночных или комплексных операций.
Имеются программные средства создания виртуальной модели произвольного секционного контроллера и секции крепи, включая алгоритм функционирования, внешний вид, элементы операторского воздействия, визуальной и звуковой индикации и сигнализации. (Пример виртуального контроллера, изображенного на сенсорном экране стенда, приведен на фото).
186
При работе стенда в режиме демонстрации по желанию оператора может быть включено звуковое и визуальное сопровождение на видеомониторе.
Для обеспечения безопасности каждый локальный модуль сопряжения с оборудованием секции снабжен аварийной кнопкой “Стоп крепи”, нажатие которой прекращает исполнение любых ранее инициированных операций; а запуск новых операций запрещен до принудительного деблокирования нажатой кнопки.
Все программы, выполняемые аппаратурой стенда, имеющие интерфейс пользователя и управляющие секциями крепи, содержат легкодоступную функцию мгновенного прекращения исполнения операций с рабочего места оператора стенда.
Стенд содержит аппаратнопрограммные средства самодиагностики, т.е. при обнаружении неисправности оборудования или линий связи обеспечивается блокирование управления секциями крепи и выводится соответствующее сообщение.
Выводы
Использование системного подхода к проектированию программно-
технического комплекса средств автоматизации подземной угледобычи, основанного на блочно-модульной схеме построения потребительских конфигураций оборудования, принципах пространственно-распределенной локализации электропитания аппаратуры, применении схемных и конструктивных решений обеспечения максимальной надежности и живучести позволило создать техническую базу построения АСУ ТП, начиная от локальных систем управления отдельными машинами и агрегатами и заканчивая автоматизированной системой управления технологическими процессами добычного участка.
Не все компоненты ПТК доведены до уровня промышленного производства, но созданные базовые элементы позволили в течение весьма ограниченного периода времени разработать систему электрогид-равлического управления крепями очистных угледобывающих комплексов и систему управления проходческим комбайном.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------
Виленкин Е.С. - руководитель службы автоматизации технологических процессов ОАО «Объединенные машиностроительные технологии»,
Горлов А.Ю. - аспирант МГГУ, ведущий специалист отдела автоматизации технологических процессов ОАО «Объединенные машиностроительные технологии».
