CC BY
27
УДК 621.313:681.518.52
СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ДИНАМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЭКСКАВАТОРА
А.С.Леоненко1, В.И.Глухих2
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Предлагается осуществлять снижение динамических нагрузок, возникающих в электромеханических системах (ЭМС) экскаваторов под действием климатических факторов, несовершенства управления машиной за счёт двухканального управления и оперативного контроля динамических параметров ЭМС. Разработанная система контроля может достаточно просто встраиваться в существующие на экскаваторах системы управления, что повысит ресурс и снизит простои машины. Ил. 2. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: электромеханические системы экскаватора; снижение динамических нагрузок; контроль и диагностика технического состояния экскаваторов.
CONTROL SYSTEM OF EXCAVATOR ELECTROMECHANICAL SYSTEMS DYNAMIC CONDITION A.S. Leonenko, V.I. Gluhykh
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The authors propose to reduce the dynamic loads arising in electromechanical systems (EMS) of excavators under the influence of climatic factors, the imperfections of the machine driving by two-channel control and operational control of the dynamic parameters of EMS. The developed control system can be simply integrated into the existing excavator control systems. This will improve the service life and reduce the downtime of the machinery. 2 figures. 4 sources.
Key words: excavator electromechanical systems; reducing of dynamic loads; control and diagnostics of the technical state of excavators.
Динамическое состояние электромеханических систем (ЭМС) экскаваторов зависит от ряда факторов, основными из которых являются: качество настройки систем управления, квалификация машиниста, состояние забоя. В условиях Севера существенным дестабилизирующим фактором являются также отрицательные температуры и скорость их изменения, сказывающиеся на стабильности настройки систем управления, на уровне хладноломкости металлоконструкций экскаватора. Всё это приводит к увеличению динамических нагрузок в механизмах машины и сопровождается существенными её простоями.
Основными путями снижения динамических нагрузок являются уменьшение влияния человеческого фактора на управление машиной и внедрение постоянного (оперативного) контроля структурных параметров ЭМС, обеспечивающего своевременную настройку (подстройку) систем управления и снижение тем самым динамической составляющей нагрузок.
Уменьшение влияния человеческого фактора при управлении машиной возможно введением «отсечки» по потребляемой мощности приводных двигателей, что исключит значительные динамические нагрузки при нерациональном управлении машинистом экскаватором. Вариант двухканального управления приво-
дом [1] позволяет реализовать этот подход. Первый канал реализует управление технологическим процессом через управление скоростью рабочего органа машины, а второй канал - управление потоком мощности, ограничивая её на заданном уровне (уставка по мощности), что исключит перегрузки от нерационального (форсированного) управления машинистом. При эксплуатации машин в условиях низких температур такой подход рационален из-за повышения хладолом-кости металла и необходимости снижения механических нагрузок [2]. Как показали исследования [3], двухканальное управление позволяет существенно снизить динамические нагрузки в кинематических цепях механизмов экскаватора, уменьшить влияние уровня квалификации машиниста и его психофизического состояния при управлении машиной.
Постоянный (оперативный) контроль параметров ЭМС экскаватора является, с одной стороны, необходимой, а с другой - чрезвычайно сложной задачей. Идея контроля динамического состояния машины через её структурные параметры, путём измерения постоянных времени элементов и контуров ЭМС [3], была реализована в патенте [4].
На рис.1 представлена функциональная схема контроля и регулирования загрузки привода одноков-
1Леоненко Алексей Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры систем управления электромеханическим оборудованием горных предприятий, тел.: (3952) 405101, е-mail: [email protected]
Leonenko Alexey, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the chair of Control Systems for Electromechanical Machinery of Mining Enterprises, tel.: (3952) 405101, e-mail: [email protected]
2Глухих Владимир Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры вычислительной техники. Gluhykh Vladimir, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the chair of Computing Machinery.
шового экскаватора в эксплуатационных режимах с системой диагностирования, встроенной в ЭМС механизма подъема экскаватора с двухканальным управлением ЭКГ-8И.
На рис.1 приняты следующие обозначения: RESET - внешний сигнал принудительного сброса системы в исходное состояние, выполненный в виде кнопки с задержкой 200 мс (на схеме не указан); 1Р, 2Р - первый и второй входы регулятора тока возбуждения двигателя (РВД); 1Е, 2Е - первый и второй входы регулятора ЭДС со звеном ограничения (РЭО); U1, U2....U7 - аналоговые сигналы, поступающие на соответствующие входы аналого-цифрового преобразователя (АЦП); U8 - аналоговый сигнал, поступающий с выхода генератора напряжения управления регулятором ЭДС на первый вход 1Е РЭО; U9 - аналоговый сигнал, поступающий с выхода генератора напряжения задания максимального тока возбуждения двигателя на второй вход 2Р РВД; U10 - аналоговый сигнал, поступающий с выхода генератора напряжения обратной связи ослабления тока возбуждения двига-
теля на первый вход 1Р РВД; КА -командоаппарат; РВГ - регулятор напряжения генератора; ВГ - источник возбуждения генератора; Г - генератор; М - двигатель; ДТЯ - датчик тока якорной цепи двигателя; ДНЯ - датчик напряжения якорной цепи двигателя; ВД - источник возбуждения двигателя; ДТВ - датчик тока возбуждения генератора; ДНВ - датчик напряжения возбуждения генератора; СОД - система сбора и обработки данных, включающая аналого-цифровой преобразователь; программное ядро микроконтроллера; ЭДС - генератор напряжения управления регулятором; генератор напряжения задания максимального тока возбуждения двигателя; генератор напряжения обратной связи ослабления тока возбуждения двигателя; устройство отображения и индикации (дисплей); электронный ключ машиниста экскаватора.
Гальваническая развязка входов U1-U7 реализована на элементах HCPL-7840 фирмы "Agilent Technologies". Система сбора и обработки данных реализована на микроконтроллере смешанных аналого-цифровых сигналов CY8C29866 компании "Cypress".
Рис.1. Функциональная схема контроля параметров ЭМС одноковшового экскаватора
Микроконтроллер CY8C29866 имеет цифровую часть, обеспечивающую работу по программе, набор реконфигурируемых аналоговых модулей, энергонезависимую флэш-память для хранения кода программы и регистров специальных функций, оперативную память для хранения результатов промежуточных вычислений и текущих состояний микроконтроллера. Для обеспечения права доступа к экскаватору в энергонезависимой флэш-памяти микроконтроллера, кроме программы работы, заносятся уникальные серийные номера электронных ключей машинистов (D1, D2, ■ ■■, Dn).
Устройство отображения и индикации выполнено на матричном жидкокристаллическом дисплее с встроенным контроллером управления FDCC1602A фирмы "Fordata Electronic".
Электронный ключ машиниста экскаватора представляет собой элемент мобильной энергонезависимой памяти DS1994 фирмы "Dallas Semiconductor" объемом 4096 бит с уникальным серийным номером и часами реального времени.
В электронном ключе машиниста экскаватора 20 хранятся в зашифрованном виде:
1. Т,опт - значение оптимальных постоянных времени электропривода, полученное при шеф - наладке экскаватора.
2. k - коэффициент пропорциональности выходного напряжения командоаппарата - U1 и входного напряжения управления регулятором ЭДС - U8.
3. p - коэффициент пропорциональности выходного напряжения управления регулятора ЭДС - U8 и входного напряжения обратной связи ослабления тока возбуждения двигателя - U10.
4. U9 - значение напряжения для задания 1В
max.
5. U^s - значение напряжения U8 в режиме измерения, обеспечивающее амплитуду тока якоря двигателя меньше или равную току трогания двигателя.
6. Статистические данные работы экскаватора.
Алгоритм работы микроконтроллера СОД может быть представлен графом (рис.2).
На рис.2 приняты обозначения: Di- номер электронного ключа машиниста; I, II, III, IV, V, VI - состояния микроконтроллера (I - начальное; II - измерение параметров электропривода; III - вычисление параметров электропривода; IV - работа; V - технологическая пауза; VI - аварийное состояние); t - время; Т1опт - оптимальное значение /'-ой постоянной времени; Т-текущее значение i-ой постоянной времени; Uдо„ - допустимое значение напряжения генератора.
Рассмотрим алгоритм работы системы диагностирования и привода в целом.
Состояние I (Начальное состояние)
Состояние возникает при включении электропитания Системы или принудительном сбросе Системы по сигналу RESET.
Микроконтроллер выводит на дисплей устройства отображения и индикации сообщение: «УСТАНОВИТЕ КЛЮЧ ДОСТУПА» и непрерывно считывает номер электронного ключа машиниста D. Если серийный номер D совпадает с одним из D1, D2, ... , DN, хранящихся в энергонезависимой флэш-памяти микроконтроллера, то:
1. Гасится сообщение на дисплее устройства отображения и индикации.
2. Считываются в оперативную память микроконтроллера параметры ключа: Тоопт, k, p, U9, Uтрог.
3. Устанавливается напряжение U9 для задания Ib max.
4. Переход в Состояние II.
Состояние II (Измерение параметров электропривода)
1. Генератор напряжения управления регулятором ЭДС генерирует синусоидальное напряжение U8 с амплитудой O^U^s, обеспечивающей ток якоря двигателя меньше тока трогания двигателя и частотой меньше частоты среза амплитудо-частотной характеристики динамического звена U8 =
D = Di ^у7 At > 10с
U1 >UTpor/k
Ti < 50%Tk
идоп = Являют)
U1<UTpor/k-(IV) U8 = k*Ul
< 20с
Рис.2. Граф алгоритма работы системы сбора и обработки данных
0,9-итрогЗЩ2-п-П).
2. Генератор напряжения обратной связи ослабления тока возбуждения двигателя формирует напряжение и10 = 0.
3. В течение 10 с измеряются значения напряжений и2, из, и4, и5, ив, и7 и запоминаются в оперативной памяти микроконтроллера.
4. По истечении 10 с переход в Состояние III.
Состояние III (Вычисление параметров электропривода)
1. На основании значений и2-и7 вычисляется текущее значение /'-ой постоянной времени электропривода - Т по предложенному алгоритму:
Т = ("=0) • Тс - постоянная времени цепи обмотки
U 5
(/в=/вмах )
возбуждения генератора;
Т = 1 2
U 7
(/я= 0)
янная времени
U 3,
цепи
U7(. . )
(/я=/ямах )
якоря
• Тс - посто-
двигателя;
Т 3 =
( в=0)
U3
• Тс - постоянная времени замкнутого
(/в=/вмах )
контура напряжения генератора;
Т 4 =
U 2
(/я=0)
U2(
• Тс -
/я= /ямах)
постоянная времени замкнутого контура тока.
T и Тю
вычисляется
напряжения управления
Состояние IV (Работа)
1. Измеряется выходное напряжение командо-аппарата КА - и1.
2. Если и1 < итрог/к, то переход в Состояние
V.
3. Вычисляется значение ив = к*и1. Если \ив\>идоП, то ив = з/'дп(и1)*идоП.
4. На выходе генератора напряжения управления регулятором ЭДС устанавливается напряжение
ив.
5. На выходе генератора напряжения обратной связи ослабления тока возбуждения двигателя РВД устанавливается напряжение и10 = р*и1.
6. Возврат к п.1.
Состояние V (Технологическая пауза)
1. Измеряется выходное напряжение командо-аппарата КА - и1.
2. Если и1 > итр0г/к, то переход в Состояние
Состоянии V
2. Из сопоставления допустимое значение ид0П регулятором ЭДС - ив.
3. На дисплее устройства отображения и индикации устанавливается процентное отношение текущего значения Т/ относительно Т0опт.
4. Если текущее значение Т меньше 50% от Т/0Пт, то переход в Состояние VI.
5. Переход в Состояние IV.
Библиографический список
IV.
3. Если время нахождения в больше 20 с, то переход в Состояние II.
Состояние VI (Аварийное состояние)
1. Включается аварийная сигнализация.
2. На дисплей устройства отображения и индикации выводится сообщение: «АВАРИЯ».
Выход из аварийного состояния происходит через повторный запуск Системы или через подачу сигнала принудительного сброса Системы - RESET.
Разработанная система контроля технического состояния ЭМС экскаваторов может служить дополнением к существующим системам диагностики, используемым на новых экскаваторах, и позволит оперативно контролировать динамическое состояние ЭМС экскаватора.
1. Пат. № 2255184 Россия, МКИ Е 02 Р9/20, Н 02 Р 5/00. Способ управления электроприводом постоянного тока одноковшового экскаватора и устройство для его осуществления / С.С. Леоненко, А.В. Сорокин, Д.Е. Махно, А.С. Леонен-ко, М.В. Павлов; заявл. 13.05.2004; опубл. 27.06.2005. Бюл. № 18.
2. Махно Д.Е., Шадрин А.И. Эксплуатация и ремонт механических лопат в условиях Севера: справочное пособие. М.: Недра, 1992. 127 с.
3. Леоненко А.С., Махно Д.Е., Леоненко С.С. Улучшение эксплуатационных показателей горной техники на основе
повышения управляемости процессов использования и ремонта // Горное оборудование и электромеханика. 2008. №3. С. 31-35.
4. Пат. №23764222, Россия, МПК Е02Р 9/20, Н02Р 5/00. Способ контроля и регулирования загрузки привода одноковшового экскаватора в эксплуатационных режимах и устройство для его осуществления / С.С. Леоненко, В.И. Глухих, А.С. Леоненко, А.Ю. Прокопьев; заявл. 11.07.2008; опубл. 20.12.2009. Бюл. №35.
