CC BY
23
УДК 622.267.62-115
БОНДАРЧУК В.В, к.т.н. (ГУ Институт проблем искусственного интеллекта, г. Донецк)
Совершенствование адаптивной системы в аппаратно-программных роботизированных комплексах управления процессом угледобычи
Bondarchuk V.V. (State Institution "Institute of Artificial Intelligence")
Improved adaptive system in hardware and software process control robotic coal mining complexes
Введение
Интенсификация производственных процессов в угольных шахтах, увеличение их глубины, повышение газообильности, увеличение температуры значительно затрудняет процесс угледобычи. Ухудшение горно-геологических условий -один из главных факторов, ограничивающих производительность
лавных механизированных комплексов. Для повышения коэффициента
использования машинного времени оборудования очистных забоев
необходимы разработки надежных систем адаптивного управления
угледобывающими комбайнами на основе более глубокого исследования процесса взаимодействия машин и механизмов с вмещающими породами [1].
Главной причиной, затрудняющей использование существующих
механизированных комплексов в условиях неустойчивых кровель, является отсутствие средств и методов, позволяющих учитывать взаимодействие
механизированных комплексов с вмещающими породами в процессе угледобычи. Это подтверждает большой процент простоев, связанных с неудовлетворительным состоянием кровли. Указанные простои зачастую достигают 70 и более процентов.
Для их предотвращения необходимо повысить информативность о нагруженном состоянии секций крепи в зависимости от
контакта с кровлей с помощью датчиков нагрузки, установленных в месте стыковки консольной части перекрытия с основным.
На основании полученной
информации от датчиков нагрузки по ходу движения комбайна учитывается горногеологическая обстановка и решается проблема выбора оптимальных параметров движения комбайна в зависимости от горно-геологических условий, что способствует повышению эффективности и безопасности эксплуатации лавного оборудования, что имеет особую актуальность для тонких пологих пластов.
Анализ публикаций
Проблема управления
механизированным комплексом в сложной горно-геологической обстановке получила теоретический фундамент благодаря работам многих отечественных и зарубежных ученых (С.Т. Кузнецова, В.П. Давидянца, Павлыша В.Н., Г. Якоби и др.) [2].
Цель работы
Увеличение производительности механизированных комплексов за счет адаптации их к конкретным горногеологическим условиям, в результате которой определяются парето-оптимальные уставки скорости подачи комбайна с учетом предыстории, напряженно-деформированного состояния пород кровли
и угольного массива, уставок локальной системы управления, при этом сокращаются простои и увеличивается скорость подвигания забоя.
Основная часть
В ходе проводимого исследования были получены следующие научные результаты:
установлены взаимосвязи основных показателей очистных забоев шахт Донбасса и выявлено, что скорость подачи комбайна оказывает решающее влияние на процесс угледобычи; предложены способы отыскания, при к которой не происходят обрушения;
выявлен механизм взаимодействия машин и механизмов угледобывающего комплекса вмещающими породами;
разработан новый способ оценки напряженного состояния угольного массива (а.с. № 1390355);
предложены алгоритмы
моделирования работы комбайна, позволяющие отыскивать с учетом взаимодействия Упо;
разработан математический аппарат, позволяющий отыскивать Упо в различных горно-геологических условиях.
Физическое моделирование системы позволило разработать комплекс аппаратуры адаптивной системы управления и может быть использован при стендовых испытаниях регуляторов. Комплекс аппаратуры адаптивной системы управления экспонировался на
Международной ярмарке в Польше.
Практическая ценность результатов работы:
предложена методика определения оптимальных значений уставок скоростей подачи комбайна для различных условий эксплуатации; разработаны способы установки датчиков нагрузки и выполнена идентификация их сигналов для анализа состояния кровли;
разработаны алгоритмы, структурная схема и комплекс аппаратуры адаптивной
системы; создана математическая и физическая модель системы.
статистические зависимости
производительности механизированного комплекса от основных характеристик угольных забоев;
методика определения максимальной скорости подачи, при которой комбайн проходит наибольший участок лавы без простоев, вызванных обрушениями;
модель прогноза горно-геологической обстановки в лаве по фактору напряженного состояния;
классификатор причин простоев комплексов по горно-геологическим нарушениям, позволяющий оценивать их по возможности предотвращения;
технические предложения по оценке процесса взаимодействия машин и механизмов комплекса с вмещающими породами;
методика стендовых и лабораторных испытаний нагруженного состояния крепи в зависимости от характера контакта кровли с консольной частью секции крепи;
математическая модель процесса угледобычи по фактору напряженного состояния вмещающих пород, критерии адаптации системы к конкретным условиям эксплуатации;
структурная схема и алгоритм функционирования адаптивной системы управления;
физическая модель для оценки устойчивости адаптивной системы управления угледобывающим комплексом.
Предложены способы отыскания, при которой не происходит обрушений пород кровли. Выявлен механизм взаимодействия машин и механизмов угледобывающего комплекса. Разработан новый способ оценки напряженно-деформированного состояния.
Найден новый математический аппарат для управления технологическим процессом угледобычи. Разработаны рекомендации по выявлению и учету причин простоев.
Физическое моделирование
позволило определить и разработать
комплекс аппаратуры для решения этой задачи, который экспонировался на Международной ярмарке в Польше.
Проведен ретроспективный анализ существующих систем управления механизированным угледобывающим
комплексом и способов контроля процесса взаимодействия их с вмещающими породами, выполнен анализ и синтез причинно-следственных зависимостей процесса обрушения и закономерностей проявления горного давления, проведены исследования показателей работы очистных забоев, сформулированы задачи и методы исследования.
Проведенный анализ современного состояния разработок по данной проблеме показал, что существующие локальные системы управления комбайном в целом позволяют за счет лучшего использования энергетических возможностей приводов повысить долговечность комбайна, упростить управление машиной, автоматически выполнять ряд блокировок, значительно повысить безопасность труда, а также автоматически стабилизировать скорость подачи и осуществить управление электродвигателями привода в зависимости от нагрузки на режущий орган комбайна. Однако ни одна из существующих систем не учитывает в автоматическом режиме горно-геологическое состояние
вмещающих пород, влияющих на работу механизированного комплекса.
Существующие системы не используют информацию о горно-геологических условиях работы комплекса в конкретной лаве, а учет горно-геологической обстановки в лаве осуществляется только по рекомендациям горного мастера.
Анализ причинно-следственных
зависимостей процесса обрушения и закономерностей проявления горного давления свидетельствует о необходимости определения аварийных ситуаций и своевременного установления их причин, а также установления закономерностей поведения вмещающих пород в процессе работы комплекса.
Выполнены статистические
исследования работы комбайна в сложной горно-геологической обстановке и разработан классификатор причин простоев.
Анализ уравнений регрессий, полученный в результате исследований статистических зависимостей
производительности механизированных комплексов от основных характеристик угольных забоев (скорости движения комбайна сверху вниз, скорости движения комбайна снизу вверх, длины лавы, угла падения, глубины ведения работ, мощности пласта) показал, что решающим фактором, влияющим на производительность, является скорость подачи комбайна.
Исследования показывают также, что для практического использования методов регрессионного анализа целесообразно определить характер влияния параметров по корреляционному полю, поскольку на нем учтено воздействие случайных факторов, обусловленных, например, горно-геологической обстановкой в лаве. Наличие всплесков на корреляционных полях свидетельствует о существовании оптимума. Как подтверждают результаты обработки хронометражных наблюдений реальных режимов работы комбайнов, каждому участку соответствует
определенная величина скорости подачи комбайна, при которой не происходят обрушения.
Таким образом, конкретным горногеологическим условиям соответствует оптимальная скорость подачи, при которой не происходят обрушения угольного массива в призабойное пространство, сокращаются простои, связанные с обрушениями, и возрастает скорость подвигания линии очистного забоя.
Для определения горно-
геологической обстановки в лаве разработана модель прогноза и выявлены корреляционные связи причин простоев с показателями работы выемочных комплексов. Результаты исследований причин простоев показали, что количество простоев, обусловленных обрушением
кровли и жесткой посадкой секций, составляют 80 % всех простоев.
Проведенный анализ говорит о возможности прогноза машинного времени на следующую смену с помощью статистических методов.
Однако решение задачи прогноза горно-геологической обстановки путем отыскания и анализа на ЭВМ коэффициентов регрессии представляет значительную трудоемкость и невысокую точность, что непригодно для решения задачи управления в реальном времени.
Разработан также классификатор причин простоев, пригодный для учета горно-геологической обстановки с помощью систем управления, на основании которого сделан вывод о необходимости повышения информативности о состоянии вмещающих пород в процессе угледобычи.
Сформулированы и решены задачи постановки и планирования эксперимента и приведены результаты испытаний, обоснован выбор измерительной аппаратуры.
Теоретически и экспериментально обосновано, что для учета взаимодействия машин и механизмов угледобывающего комплекса с вмещающими породами достаточно двух независимых
контролируемых переменных:
нагруженного состояния кровли в призабойном пространстве и точного положения режущего органа комбайна относительно секции крепи.
Суть эксперимента заключалась в определении способа установки датчиков нагрузки на секциях крепей КМ-87н и КМ-103 для контроля нагруженного состояния консоли в зависимости от характера контакта ее с кровлей. Обоснована установка датчика ДН в месте стыковки консоли с основным перекрытием и под гидропатроном консоли.
В результате идентификации процесса нагружения определены три уровня выходных сигналов датчиков, адекватных истинному напряженно-деформированному состоянию консоли и позволяющие определить состояние кровли по
предложенному классификатору, а именно «0» - наличие купола, «1» - нормальный контакт, «2» - перегруз консоли.
Шахтными испытаниями
подтверждена возможность определения наличия или отсутствия зон неустойчивой кровли.
Выполненная метрологическая оценка контрольно-измерительной аппаратуры подтверждает достоверность полученных результатов.
Разработаны критерии адаптации и идентификации технологического процесса угледобычи.
Структурная схема адаптивной системы управления технологическим процессом представлена на рис. 1, где представлены на структурной схеме: О -объект управления; ЛР - локальный регулятор (УРАН); БА - блок адаптации; БОХН - блок определения характеристик настройки; УУ - устройство управления; БМ1 . БМП - блок определения местонахождения режущего органа комбайна относительно секции крепи; БВ1 ... БВП - блок определения состояния кровли, характеризующий взаимодействие кровли с крепью; БМК - блок определения микроударов со стороны угольного массива, характеризующий напряженно-деформированное состояние.
Объект может быть описан в общем случае следующим образом:
УД) = Р] 0 < £ < 71},
где Р] — некоторый оператор;
Н(1) - вектор напряженно-деформированных состояний пород кровли, представленный как функция времени, местонахождения комбайна и скорости подвигания линии забоя;
Ч-г(1;) - вектор неконтролируемых воздействий на объект;
Х(£) — вектор состояния, представленный в виде:
щ = ¡шадшшшшшш
где ^1(0 - контролируемая скорость подачи, определяемая датчиком скорости;
(0 нагрузка на электродвигатель;
- местоположение режущего органа комбайна относительно секции крепи;
- напряженно-деформированное состояние кровли, определяемое датчиками нагрузки на консоль;
- предыстория (скорость подвигания линии забоя, длина участка с данной скоростью, номер цикла, максимальная скорость подачи комбайна, при которой пройден максимум пути без обрушения);
- величина, характеризующая наличие микроударов со стороны угольного массива;
Х7(£) — направление движения;
- задание на уставку скорости локального регулятора.
Я(1)={Н(1), Н(Ь), Н(УП.Л.3.)},
■441) = (Л(1), Б(Ь), ис(1), Иу.м.(1)},
неконтролируемых
где Ф(1) - вектор воздействий на объект;
Л(1) - основное возмущающее воздействие, характеризующее изменение сопротивляемости угля резанию;
Б(Ь), ис(1) - дополнительные возмущающие воздействия,
характеризующие затупляемость резцов и колебания напряжения сети;
Ну.м.(1) - напряженно-
деформированное состояние угольного массива, функция фактора времени, скорости движения комбайна,
потенциальной энергии массива, обусловленной содержанием газа метана.
Разработаны математический аппарат и алгоритмы косвенной критериальности для определения оптимальной скорости подачи с учетом горно-геологической и горно-технологической обстановки в лаве.
Рис.1 Структурная схема адаптивной системы управления
Разработанный математический аппарат [3] заключается в выборе формальной модели, которая дает единственное парето-оптимальное
решение, адекватное заданной ситуации:
1. Оптимальная скорость подачи комбайна на данном промежутке
УрО^о) = [ £
где (^ - 1П) - предыстория взаимодействия относительно момента срабатывания ^ датчика положения при прохождении комбайном к -й секции.
2. Для участков, оборудованных системой АИСТ, оптимальная скорость
времени выбирается максимальной из возможных скоростей подачи, при которых не происходят простои по горно-геологическим причинам, либо обнуляется для ликвидации аварийных ситуаций
подачи и участок для этой скорости выбирается с учетом предыстории. Длина участка определяется с помощью датчика положения и скорости движения комбайна
ч - Ьп <t < £0; ц < ь < ^ - ^
где /=( к- \)<1+6 Г к
с! (а Ь)к ° V 0 <1<1;
1,2,... т-,
где I - расстояние, пройденное комбайном от начала до конца лавы; . ■ - место остановки комбайна с простоем продолжительностью 1 > 20 мин. на предыдущем цикле;
участки с горногеологическими нарушениями, соответственно равные расстоянию одной и двум секциям;
скорость комбайна на третьем цикле с учетом его скоростей соответственно на первом и втором циклах п-1, п; Ь - длина лавы,
а - ширина перекрытия секций; Ъ - расстояние между секциями; а — расстояние между стойками, а именно между датчиками омбайна
относительно секций механизированной крепи;
— момент срабатывания
датчика положения при прохождении комбайном к - й секции;
6 — сигнал датчика перемещения статора гидропривода, 0< 6 < 1 (В).
3. Для участков неустойчивых кровель скорость подачи комбайна определяется с помощью датчиков нагрузки, оценивающих характер взаимодействия комбайна с
вмещающими породами. Одновременно определяются более точное
местоположение комбайна для осуществления крепления забоя вслед за режущим органом:
VVI = «1(2 - + «2(2- Р2 )Рг + аэ(2 Р; е м М= {0, 1, 2} / = 1,3
я; Е в 6 = {0; 0,5; 1; ... 3} / = ТД"
где Р]_, Рг_ Рэ - показания датчиков нагрузки соответственно на первой, второй и третьей секциях крепи по направлению движения комбайна, дискретизируем на значения 0, 1 и 2;
коэффициенты, в
соответствии с которыми
ограничивается сверху скорость подачи комбайна для конкретных горногеологических условий.
4. Для участков, опасных по внезапным выбросам угля и газа, скорость подачи определяется с учетом напряженно-деформированного состояния угольного массива, оцениваемого путем измерения микроударов, направленных
перпендикулярно линии забоя, а в условиях неустойчивых кровель также с учетом напряженно- деформированного состояния пород кровли
УР2 = (2 - +
IV р7
а4 !Уртах < Я4;
где — показания датчика нагрузки со стороны угольного массива, зависящие от силы микроударов.
5. Для участков, не оборудованных ни системой АИСТ, ни датчиками нагрузки, рекомендуется оптимальную скорость подачи выбирать на основании статистической обработки данных по методике анализа статистической информации.
Применение описанной дуальной интерактивной процедуры обеспечивает взаимную адаптацию: человек
адаптируется к данной конкретной многокритериальной задаче, а ее решение становится отражением индивидуальных его предпочтений, что позволяет свести задачу синтеза окончательного
многокритериального решения к последовательности задач специально организованной серии альтернатив.
Разработанные теоретические
положения подтверждены результатами моделирования. Наиболее рациональным является вариант, использующий
информационно-измерительную аппаратуру. Таким образом, применение формальной модели, которая дает единственно парето-оптимальное решение, адекватно заданной ситуации.
Разработана структурная схема и комплекс аппаратуры адаптивного управления угледобывающим комбайном, реализованный физической моделью.
Разработаны и апробированы основные аспекты функционирования адаптивной системы управления: структурные и принципиальные схемы, создана физическая модель системы, позволяющая оценить ее статистические и динамические параметры. Действующая физическая модель позволила разработать комплекс аппаратуры адаптивного управления угледобывающим комбайном.
Разработаны модели и программы выбора парето-оптимальной скорости подачи комбайна в различных горногеологических и горнотехнических условиях с помощью ЭВМ, расчет годового экономического эффекта, акты внедрения и
результаты апробации основных положений работы.
Адаптивная система управления процессом угледобычи несовершенна и получит свое функциональное развитие в аппаратно-программных роботизированных комплексах (АПРК). Выполнены они будут согласно ГОСТ 26050-89, Роботы промышленные агрегатно-модульные с учетом: кинематики и динамики АПРК; планирования траекторий и управления движением АПРК; новейших средств измерительной техники и информационных платформ; методов машинного
моделирования, Лагранжа- Эйлера, Ньютона-Эйлера, Д'Аламбера и др.; законов регулирования; методов
вычисления управляющих моментов; структурно-алгоритмических принципов построения информационно-
измерительных систем с включением кластерных инструментов Intel MPI Library, Intel Trace Analyzer and Collector и MPI Performance Snapshot с новыми возможностями, входящие в версии 2016 и 2017Beta.; частотных критериев устойчивости систем и качества процесса регулирования.
Многофункциональность интеллектуальной системы высшего уровня, в т.ч. - системы очувствления АПРК, системы механических устройств: манипуляторов, поворотных механизмов; систем, способных к принятию и переработке звуковой - бинауральной, визуальной, речевой, сетевой информации, и выполнение манипуляционных действий и движений, подобных действиям и движению человека подразумевает некий набор классов исполнительных устройств АПРК, которые могут выполнять определенную "деятельную" функцию (например, двигатели АПРК,
манипуляторы типа "рука" и т.п.) либо предоставляют некую информацию об окружающем пространстве или о состоянии робототехнического устройства (например, небольшие мультисенсорные и
мультиспектральные системы,
видеокамеры различных диапазонов,
инерционные датчики движения, датчики состояния модулей робота и т.д. Универсальный коммуникационный
протокол для управления АПРК, обладающий аппаратной, программной платформой предоставит возможность обмена данными между собственно АПРК и управляющей средой.
Выводы
В работе представлено решение актуальной задачи разработки адаптивной системы управления технологическим процессом угледобычи с учетом взаимодействия машин и механизмов комплекса с вмещающими породами, позволяющее выбирать парето-
оптимальные параметры движения комбайна.
1. Сравнительный анализ систем управления механизированными угледобывающими комплексами и способов контроля процесса взаимодействия их с вмещающими породами показал, что аппаратурный контроль этого процесса отсутствует, учет горно-геологической обстановки в лаве осуществляется только по рекомендации горного мастера, а существующие системы этих рекомендаций не используют. Поэтому процент простоев лавного оборудования, обусловленный горногеологическими факторами, достигает 80%.
С целью повышения
производительности очистных забоев путем увеличения скорости подвигания линии забоя за счет сокращения простоев, связанных с ликвидацией последствий вывалов пород кровли и угольного массива в призабойное пространство, разработана адаптивная система управления, позволяющая управлять скоростью подачи комбайна с учетом взаимодействия вмещающих пород с машинами и механизмами угледобывающего комплекса.
2. Разработан и реализован учет напряженно-деформированного состояния угольного массива на базе исследований показателей работы очистных забоев,
проведен анализ корреляционных связей причин простоев выемочных комплексов. Разработана модель прогноза горногеологической обстановки в лаве.
Анализ результатов моделирования процесса угледобычи, проведенный на основе работы программы имитационного моделирования с использованием разработанных теоретических положений, показывает, что с вероятностью 95% по критерию Пирсона возможен прогноз горно-геологической обстановки в лаве.
3. Разработаны принципы измерения напряженно-деформированного состояния кровли, обосновано, что для учета взаимодействия комбайна с вмещающими породами достаточно двух независимых переменных: нагруженного состояния консоли секции крепи и положения режущего органа комбайна относительно секции крепи; выполнена их метрологическая оценка. Поставлена и решена задача стендовых и шахтных испытаний по выявлению и идентификации механизма взаимодействия. При этом установлена возможность контроля состояния кровля в зависимости от нагруженного состояния консольной части секции крепи. Определены три уровня показаний датчиков, характеризующих представительные состояния кровли над консольной частью крепи: «0» - наличие купола, «1» - нормальный контакт, «2» -перегруз консоли. Установлено, что скорость подачи комбайна влияет на интенсивность обрушений. Предложен и реализован способ установки датчиков, контролирующих состояние кровли и обеспечения избирательности их сигналов в зависимости от характера контакта кровли с перекрытием секции крепи. Впервые выявлено, что показания датчиков нагрузки, установленных в месте сопряжения консольной части перекрытия секции с основным, дают достаточное представление о поведении кровли в призабойном пространстве. Разработан классификатор причин простоев.
4. Разработан математический аппарат для управления технологическим
процессом угледобычи, обеспечивающий определение парето-оптимальных значений уставки скорости подачи комбайна в зависимости от горно-геологических характеристик настройки (напряженно-деформированного состояния пород кровли и угольного массива), а также предыстории, местоположения комбайна относительно секций крепи. Кроме того, обеспечивается адаптация математического аппарата в зависимости от горнотехнических условий, которыми оснащается технологический процесс угледобычи.
5. Разработана структурная схема системы управления процессом угледобычи, выполняющая следующие функции: сбор, обработку и передачу информации о состоянии вмещающих пород; расчет парето-оптимальной скорости подачи угледобывающего комплекса с учетом информации, получаемой при контроле, с учетом предыстории, а также с учетом информации, получаемой от регулятора нагрузок.
6. Разработана физическая модель адаптивной системы управления, позволяющая выполнить отработку элементов и узлов комплекса аппаратуры адаптивного управления системой, определение динамических характеристик этих узлов и переход от управления в динамике к управлению в статике. Предложенный принцип коммутации по напряжению трех датчиков нагрузки по инициативе от датчиков положения комбайна относительно секции крепи и разработанный интерфейс отвечают требованиям искробезопасности и рекомендациям МакНИИ.
Математическое моделирование на ЭВМ, стендовые и шахтные испытания, действующая физическая модель подтвердила правильность теоретических разработок и принятых решений, работоспособность и эффективность системы. Оснащение аппаратурой адаптивного управления
механизированных комплексов позволит
повысить эффективность их использования и безопасность ведения работ.
Список литературы:
1. Бондарчук В.В. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Киевский институт автоматики. Киев. - 1990 г. - 250 с.
2. Павлыш В.Н., Гребенкин С.С. Физико-технические основы процессов гидравлического воздействия на угольные пласты / Монография. - Донецк: «ВИК», 2006. - 269 с.
3. А.с. 1390355 СССР. Способ регулирования скоростью подачи комбайна / Н.И. Чичикало, В.В. Бондарчук, И.М. Кубрак - Бюл. №15, - 1988 г.
4. http://tekhnosfera.com/design hardware-software complex / Assessment of Professional Reliability /the operator of the automated systems.
Аннотации:
В статье рассматривается проблема совершенствования адаптивной системы в аппаратно-программных роботизированных
комплексах управления процессом угледобычи. Предложены инновационные технические решения.
Ключевые слова: напряженно-
деформированное состояние, кровли, угольный массив, скорость подачи комбайна, вмещающие породы, машины и механизмы угледобывающего комплекса, принципы измерения, корреляционные связи, простои выемочных комплексов, математическая модель, механизм взаимодействия, нагруженное состояние.
The article addresses the problem of improving the adaptive system in hardware and software process control robotic coal mining complexes. We propose innovative technical solutions.
Keywords: stress- deformation state, roof, coal panels, velocity of Combine, measuring principles, correlation communication, downtime excavation complexes, model, the mechanism of interaction
