CC BY
37
© E.B. Афоничев, C.B. Голосенко, A.A. Крючков, Ю.В. Шевырев, 2013
УДК 622:658.011.56
Е.В. Афоничев, С.В. Голосенко, А.А. Крючков, Ю.В. Шевырев
ЗАДАЧИ АВТОМАТИЗАЦИИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ОЧИСТНЫХ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСОВ
Приведен обзор современного очистного механизированного оборудования, применяемого на шахтах РФ и его основные технические характеристики. Рассмотрены проблемы и определены перспективные задачи автоматизации очистного оборудования.
Ключевые слова: автоматизация, очистной комплекс, электрооборудование.
В последние десятилетия в угольной промышленности ведущих угледобывающих стран мира усиливаются процессы концентрации производства, растет производительность труда, повышается качество, мощность и надежность оборудования, во все большей степени удается обеспечивать бесперебойность производственных процессов, улучшать условия труда и технику безопасности (последнее особенно актуально на фоне постоянного увеличения глубин разработки месторождений). Продолжается техническое перевооружение угольных предприятий, совершенствование существующей и внедрение новой высокопроизводительной техники. От заменяемых аналогов ее отличают возросшая энерговооруженность; наличие автоматизированных систем управления на современной элементной базе с использованием микропроцессорной техники, включая эффективные средства диагностики; применение прогрессивных конструкционных материалов. Наибольшее внимание машиностроители уделяют повышению производительности и надежности машин [1].
В 2003 году в России было добыто 275,6 млн т угля. Добыча открытым способом составила 181,5 млн т (или 65,8 %). По производству угля Россия занимает пятое место в мире после Китая, США, Индии и Австралии. Энергетической стратегией России намечается увеличить добычу угля в 2020 г. — до 450 млн т. В угольной промышленности России практически завершилась структурная перестройка, и к управлению угледобывающими компаниями пришли частные владельцы [1].
Поднять угледобычу на новый уровень можно только одним путем — техническим перевооружением отрасли. Новое оборудование должно стабильно работать в сложных горногеологических условиях шахт, а его ресурс, надежность и производительность — в 2-3 раза превышать аналогичные показатели существующего. Интенсификация производства при концентрации горных работ возможна только в случае комплексной механизации всех (включая вспомогательные) технологических процессов, максимальном сокращении ручного труда, обязательном обеспечении безопасных и соот-
^ Таблица 1
Технические характеристики очистных комбайнов
Наименование показателей Значение для типа комбайна
К800 КДК500 Кузбас 500ю МВ 12 мвзоо 7LS1 ЕЬ2000 вьзоо 8Ь300/2
Россия Украина Россия Чехия Китай США (Joy) Германия
Производительность, т/м 10 8,0-18 не мен. 8 20-37 - - - - -
Применяемость по выни- 1,7-3,0 1,35-3,2 1,6-4,0 1,8-5,0 1,7-3,2 1,5-2,7 1,4-3,5 1,4-3,5 1,5-3,5
маемой мощности пласта, м
Суммарная номинальная 960 597,5 535 690 680 - 1240 688 910
мощность электропривода. 2x400 2x250 2x200 2x400 2x400 2x440 2x500 2x300 2x360
кВт, в т.ч. - привода испол-
нительного органа;
Номинальное напряжение 3300 1140 1140 1140 1140; - 3300 1140 3300
питающей сети, В 3300
Диаметр исполнительного 1,6 1,12-1,8 1,4-1,8 1,4-2,0 1,8-2,0 - 1,2-1,8 - -
органа, м
Номинальная ширина за- 0,8 0,63; 0,8 - 0,63; 0,63; - - - -
хвата, м 0,8 0,8
Тип механизма подачи Электр. Электр. Электр. Электр. Электр. Электр. Электр. Электр. Электр.
частотно частотно частотно частотно частотно частотно частотно частотно частотно
регулир. регулир. регулир. регулир. регулир. регулир. регулир. регулир. регулир.
БСП БСП БСП БСП БСП БСП БСП БСП БСП
Максимальная скорость по- 30 20 6 - 12 - 45 24,5 54,5
дачи, м/мин
Максимальное тяговое уси- 800 600 400 800 300 400 750 600 800
лие подачи, кН (2x400) (2x300) (2x200) (2x400) (2x150) (2x200) (2x375) (2x300) (2x400)
Длина по осям исполни- 12040 8900 - 11196 12040 - 12200 - -
тельных органов, мм
Высота корпуса в зоне кре- 1300 950;1350 - - 1300 - - - -
пи, мм
Масса, т - 24-28 32 47,5 - - 55 35-42 35-42
Таблица 2
Краткие технические характеристики крепи
Наименование показателей Значение для типа крепи
20МТ01С дтм М171 1М174 2М174 2М174Б
Тип секции Щитовая, 2 -стоечная
Вынимаемая мощность пла- 1,5-2,5 2,1-3,5 2,0-3,5 1,6-2,8 2,2-3,8 2,7-4,3
стов, м
Удельное сопротивление на 895 1100-1200 840 875-1080 1220-1320 840-900
1 м2поддерживаемой пло-
щади, кН/м2
Сопротивление секции кре- 6260 8400-9100 4300 6720-8420 9330-10230 5100
пи, кН
Удельное сопротивление на - 450 50 90 90 600-690
конце перешей консоли
перекрытия, кН/м
Шаг установки секций, м 0,8 1,75 1,5 1,75 1,75 1,5
Усилие передвижки, кН: 160 640 392 640 640 392
- секции 331 310 230 310 310 230
Габариты секции, мм 1710-5395; 1710-3500; 1650-3500; 1300-2800; 1300-2800; 2300-4300;
- высота (min - шах) - 1650; 1400; 1650; 1650; 1400;
- ширина 1400 5475-6225 5030 6250 6250 5470
Наличие механизма подъема есть есть есть есть есть есть
основания
Масса секции, кг 10650 21500 12000 19000 18000 14000
Таблица 3
Технические характеристики забойных конвейеров [1]
Наименование показателей Значение для типа конвейера
КСД26В Рыбник КСД27 СПЦ230 Острой Рыбник Хальбах Браун
225/750
БН 730 255/842 НВ227/732
Украина Польша Украина Украина Чехия Польша Германия
Производи- 10 10 14 15 13,3 18 13,4
тельность, т/мин
Длина конвейера, м, до 300 300 300 310 200 300 250
Номинальная мощность 1x55/160 2x55/160 2x65/200 4x110 2-3x160 2x65/200 2x65/200
электродвигателей, кВт 1x65/200 4x132
3x160
Число и расположение 2 центр. — 2 центр. 2 центр. — 2 центр. — 2 центр. 2 центр. 2 центр.
разнесен. разнесен. разнесен.
Калибр цепи 26x92 26x92 30x108 34x126 30x108 30x108 30x108
Высота боковины рештака, 228 225 255 305 255 255 227
Ширина рештака по боко- 642 750 754 800 742 842 732
винам, мм
Толщина среднего листа, мм 30 26 30 - 32 34 30
Скорость движения тягово-
го органа, м/с
- рабочая 1,04 1,02 1,05 1,17 0,87 1,12 0,96
- маневровая 0,346 0,34 0,35 0,39 - 0,37 0,32
Средний ресурс рештачного 1,75 1,5 3 2 2 - -
става
Ф1600
Двигатель резания 400 кВт
Двигатель подачи 80 кВт
Двигатель Питание насоса 22 кВт и управление
Трансформатор 3300/660В
Преобразователь частоты 160кВт
Рис. 1. Комбайн очистной К800/3300В
ветствуюших санитарным нормам условий работы обслуживаюшего персонала. Именно таким принципиальным подходом руководствуются при создании горно-шахтного оборудования для комплексной механизации шахт [1]. Ниже в табл. 1—3 приведены основные технические характеристики горно-шахтного оборудования, применяемого на действуюших шахтах.
Научно-исследовательские работы, проводимые в компании «Объединенные машиностроительные технологии» (ОМТ), позволили создать современный не уступаюший зарубежным аналогам очистной механизированный комплекс (ОМК) КМ ОМТ01С.
В состав очистного комбайнового комплекса КМ ОМТ01С входят:
— крепь механизированная 2ОМТ01С, оснашенная системой электрогидравлического автоматизированного управления крепью SEGU-A с использованием блоков управления SEU-OHE12 (фирма OHE-Technology);
— очистной комбайн К800/3300;
— скребковый конвейер типа СПЦ 230—12;
— перегружатель скребковый типа СПЦ 230-81 с ударно-валковой дробилкой СК 11-11;
— устройство согласования с ленточным конвейером типа «Матильда»;
— комплект электрооборудования комплекса фирмы Hamacher.
Краткая характеристика очистного оборудования комплекса КМ OMTÖ1C
Комбайн очистной. В настояшее время все большее распространение получают двухшнековые комбайны симметричной модульной компоновки со шнеками, вынесенными за корпус комбайна по его длине, что делает возможной их работу по челночной схеме с зарубкой косыми заездами, а
мощные регулируемые электроприводы механизмов подачи и резания обеспечивают высокую интенсивность выемки со скоростью подачи до 10-45 м/мин. Мощность двигателя привода резания в зависимости от типоразмера и компоновки комбайна изменяется от 75 кВт до 600 кВт, а привода подачи — от 10 кВт до 75-125 кВт с установленной мощностью на комбайн от 85 кВт до 1940 кВт и более [2].
Комбайн очистной К800/3300 предназначен для добычи пластовых полезных ископаемых (угля или горной массы) в составе очистных комплексов оборудования в лавах с вынимаемой мощностью пласта от 1,7 до 3,0м и углами наклона 0° — 35° вдоль лавы и 0° -10° вдоль столба по падению и восстанию пласта. На рис. 1 представлен общий вид комбайна.
В состав электрооборудования комбайна входят следующие узлы и устройства:
1. Модуль электроаппаратуры высокого напряжения типа МАВН-3300 взрывозащищенного исполнения, оснащенный электроаппаратурой, обеспечивающей безопасное питание всех элементов электрооборудования комбайна напряжением 3x3,3кВ и 1x230В;
2. Модуль трансформатора типа МТ-200, содержащий трехфазный трансформатор с коэффициентом трансформации 3х3,3кВ/3х0,66кВ и мощностью 200 кВА, предназначенный для питания напряжением 3x660В преобразователей частоты, установленных в модуле преобразователя типа МР-200 и электродвигателя насоса гидравлической системы комбайна;
3. Модуль преобразователя частоты типа МР-200;
4. Модуль электроаппаратуры низкого напряжения типа МАНН-660,
содержащий контактор и защитную аппаратуру питания двигателя насоса гидравлической системы, центральный контроллер комбайна, компьютер с монитором 6», аппаратуру защиты и питания узлов комбайна;
5. Два электродвигателя номинальной мощностью 400 кВт и номинальным напряжением 3x3,3 кВ для привода исполнительных органов;
6. Два электродвигателя номинальной мощностью 80 кВт, приводимые от преобразователей частоты для привода подачи комбайна;
7. Двигатель привода насоса гидравлической системы комбайна мощностью 15 кВт и номинальным напряжением 3x660В.
Краткая характеристика очистного оборудования комплекса КМ ОМТ01С
Комбайн очистной. В настоящее время все большее распространение получают двухшнековые комбайны симметричной модульной компоновки со шнеками, вынесенными за корпус комбайна по его длине, что делает возможной их работу по челночной схеме с зарубкой косыми заездами, а мощные регулируемые электроприводы механизмов подачи и резания обеспечивают высокую интенсивность выемки со скоростью подачи до 10-45 м/мин. Мощность двигателя привода резания в зависимости от типоразмера и компоновки комбайна изменяется от 75 кВт до 600 кВт, а привода подачи — от 10 кВт до 75-125 кВт с установленной мощностью на комбайн от 85 кВт до 1940 кВт и более [2].
Комбайн очистной К800/3300 предназначен для добычи пластовых полезных ископаемых (угля или горной массы) в составе очистных комплексов оборудования в лавах с вынимаемой мощностью пласта от 1,7
до 3,0 м и углами наклона 0° — 35° вдоль лавы и 0° -10° вдоль столба по падению и восстанию пласта. На (рис. 1) представлен общий вид комбайна.
В состав электрооборудования комбайна входят следующие узлы и устройства:
1. Модуль электроаппаратуры высокого напряжения типа МДВИ-3300 взрывозащищенного исполнения, оснащенный электроаппаратурой, обеспечивающей безопасное питание всех элементов электрооборудования комбайна напряжением 3x3,3кВ и 1x230В;
2. Модуль трансформатора типа МТ-200, содержащий трехфазный трансформатор с коэффициентом трансформации 3x3,3^/3x0,66^ и мощностью 200 кВА, предназначенный для питания напряжением 3x660В преобразователей частоты, установленных в модуле преобразователя типа МР-200 и электродвигателя насоса гидравлической системы комбайна;
3. Модуль преобразователя частоты типа МР-200;
4. Модуль электроаппаратуры низкого напряжения типа МДИИ-660, содержащий контактор и защитную аппаратуру питания двигателя насоса гидравлической системы, центральный контроллер комбайна, компьютер с монитором 6», аппаратуру защиты и питания узлов комбайна;
5. Два электродвигателя номинальной мощностью 400 кВт и номинальным напряжением 3x3,3 кВ для привода исполнительных органов;
6. Два электродвигателя номинальной мощностью 80 кВт, приводимые от преобразователей частоты для привода подачи комбайна;
7. Двигатель привода насоса гидравлической системы комбайна мощностью 15 кВт и номинальным напряжением 3x660В.
Рис. 2. Секция крепи 20МТ01С
Для рассматриваемого типа комбайна характерны следуюшие особенности:
1. Мультимикропроцессорная необслуживаемая аппаратура управления, разработанная и изготавливаемая на основе оборонных технологий. Оригинальный гибкий и легко адаптируемый алгоритм управления.
2. Разработана оригинальная конструкция быстрооткрываемой крышки для взрывонепроницаемого корпуса устройства управления. Минимальное количество деталей в конструкции.
3. Наличие в аппаратуре управления постоянного объективного контроля функционирования оборудования комбайна. Предупредительное информирование оператора о нештатном функционировании оборудования комбайна, запись и хранение информации в устройстве типа «черный яшик» об аварийных ситуациях в системе электрооборудования и несанкционированных действиях об-служиваюшего персонала с привязкой по времени и дате.
4. Минимальное количество электротехнических коммутационных аппаратов в устройстве управления. Снижено количество проводов в устройстве управления в 2-3 раза, исключены промежуточные реле.
пактных
5. Конструкция взрыво-непроницаемого корпуса устройства управления и «универсальная» аппаратура управления позволяют в дальнейшем создавать в данном корпусе устройство управления для более мощных комбайнов аналогичного типа без повторных сертификационных испытаний корпуса.
6. Применение ком-блоков искробезопасных
электрогидравлических распределителей клапанного типа от прямого гидравлического потока позволило существенно снизить аппаратный объем гидравлической системы.
7. Применение оригинальной компоновки комбайна позволило уменьшить геометрические размеры машины при достаточной энерговооруженности, повысить устойчивость машины при обработке забоя.
Крепь. В состав крепи механизированной входят следующие механиз мы и оборудование:
— секции крепи, устанавливаемые в линейной части лавы и в зоне присоединения к переходному рештаку конвейера возле концевого привода конвейера;
— одна секция, устанавливаемая в линейной части лавы в зоне присоединения к переходной раме головного привода конвейера;
— три секции крепи штрековые, соединенные с рамами головного привода конвейера и установлены в конвейерном штреке.
— гидродомкраты конвейера, монтируемые на завальных бортах конвейера;
— гидрооборудование с комплектом насосной системы ЕНР-3К;
— пылеподавление с оросительными устройствами на всех секциях крепи.
Механизированная крепь оснащена системой автоматизированного управления ББви-Д со средствами электрогидравлического пооперационного и автоматизированного, а также ручного кнопочного управления непосредственным нажатием на кнопки электромагнитов блока электрогидравлического управления на передвигаемой секции.
Система электрогидравлического управления ББви-Д, примененная в крепи, позволяет в режиме ручного или автоматизированного управления производить последовательную передвижку конвейера «бегущей волной» с интервалом времени включения последующего домкрата на раздвижку не более, чем через 2 сек.
Забойный конвейер. Забойный конвейер является остовом комплекса. Через него замыкаются все кинематические связи, обеспечивающие направленность циклических перемещений выемочной машины, секций лавной крепи и крепи сопряжений, штрекового оборудования. Они являются важнейшей составной частью очистных комплексов, способных обеспечить техническое перевооружение шахт и ощутимо поднять уровень добычи угля. Высокоэнерговоо-руженные (400-700 кВт), высоконадежные скребковые конвейеры с ресурсом 2,5-5,0 млн т. горной массы, способные обеспечить переход на отработку пластов лавами длиной 250350 м и протяженностью выемочных столбов 2-2,5 км. Это позволит в 1,5-2 раза сократить объемы проходки и снизить издержки от концевых операций на 1 т добываемого угля, в 3-5 раз уменьшить простои комплексов при их перемонтажах [2].
Система управления. Чем выше интенсивность очистных работ, тем большую роль для эффективной и устойчивой работы ОМК играют системы управления выемочными машинами, конвейером, механизированной крепью и комплексом в целом.
Современные цифровые программируемые системы автоматизации предусматривают контроль технического состояния и режимов работы всех механизмов, оборудования и систем ОМК с выводом необходимой информации, в том числе визуального отображения, операторам машин и диспетчеру, а также выбор режимов работы с пульта управления и введение ограничений, переход в случае необходимости с автоматического на дистанционное или ручное управление. Управление работой ОМК может быть выведено на поверхность на центральный пульт диспетчера [2].
На рис. 3 приведена функциональная схема управления лавой.
К достоинствам рассматриваемой схемы управления относятся:
1. Возможность интегрирования в любую автоматизированную систему управления технологическим процессом добычного участка.
2. Возможность локальной адаптации алгоритма к различающимся по условиям участка лавы.
3. До 8 аналоговых датчиков на секции (давления, перемещения углов).
4. До 64 программируемых по желанию заказчиков команд на пульт управления секции.
5. До 16 (или 32) команд на локальный пульт управления секции.
6. Постоянная самодиагностика аппаратуры и кабельных соединений с локализацией места и типа повреждений.
7. Сохранение управляемости при повреждениях аппаратуры и кабельных соединений.
Вспомогательный привод 500 кВт
]П од станция масло станции
Масло станция
Коммутатор
Выс оков ольтный КО М МуТ сЩИ о ннь ш модуль
Насос №1
Насос №4
Диспечер на поверхности
Станция орошения и охлаждения
Насос №1
Насос №3
Насос Ш
Насос №4
Блок управления
Управление пер егр ужател емс
Т Датчики давления
бкВ/3,ЗкВ,0.ббкВ 2x400 кВА
^Громкоговоритель Датчик протока с аварийным выкл.
1® Аварийный выкл. Датчик скорости
Ж Клапан ленты
Подстанциялавный конв. перегружатель, дробилка
П од станция ко манд а
Рис. 3. Схема управления лавой
8. Возможность увеличения элек-трогидроопераций с 16 до 32.
9. Отсутствие ограничений на длину лавы.
10. Отсутствие необходимости наладки, регулировки и технического обслуживания аппаратуры.
Несмотря на высокую степень автоматизации электро — и гидрооборудования современных очистных механизированных комплексов, существует нерешённые задач по автоматизации этого оборудования.
Задачи автоматизации
Режим работы комбайна является нестационарным, который характеризуется частыми пусками и остановками. Частые пуски ухудшают тепловой режим работы электродвигателей, ресурс которых составляет не большой промежуток времени. Таким образом, электродвигатель является одним из элементов, лимитирующих ресурс комбайна. Частые пуски влияют также на ресурс механической системы комбайна — в трансмиссии возникают значительные пусковые моменты, в 3-3,5 раза превышающие номинальные, что приводит к излому и выкрашиванию зубьев, выходу из строя подшипников, нарушению нормальной работы гидросистемы. Большие пусковые токи приводят к существенному снижению напряжения лииии, что значительно усложняет пуск электродвигателя и может привести к ложному срабатыванию защиты, которая отключит исправное оборудование. Решением данных проблем может служить оснащение привода исполнительного органа частотным преобразователем (ПЧ), позволяющим обеспечить плавный пуск.
Применение ПЧ позволяет также обеспечить регулирование скорости органа резанья и её согласование со
скоростью подачи. Это позволит обеспечить режим, соответствующий минимальной энергоёмкости комбайна и приведет к максимальной производительности, наилучшей сортности угля и наименьшему износу деталей и узлов машины.
Однако современные исполнительные органы комбайнов оснащаются приводами большой мощности, что в подземных условиях шахт затрудняет оснащение данных приводов частотным управлением. Связано это с большими габаритами преобразователей частоты, а также с отсутствием на рынке преобразователей частоты, которые удовлетворяли бы эксплуатационным требованиям, а также требованиям техники безопасности в условиях шахт и рудников.
Другой задачей является наблюдение за пространственным положением комбайна. Необходимость такого контроля возникает для предотвращения его неправильной работы, а также аварийных ситуаций, связанных с завалом комбайна из-за неровности поверхности забоя. Одним из вариантов решения данной проблемы может быть установка датчиков положения (углов наклона корпуса комбайна в двух плоскостях), используемых в авиационной промышленности, после их адаптации для условий работы в подземных горных выработках.
Важной задачей является диагностический контроль, причем система автоматического управления комплексом должна не только получать информацию о тех или иных параметрах, но и наблюдать за тенденцией отклонения величины параметра от заданного значения и предупреждать персонал о вероятностном выходе из строя того или иного элемента. При этом значительно повысится надеж-
ность системы в целом, снизится время простоя оборудования, возрастет безопасность обслуживающего персонала. Кроме того, система диагностики решает проблему управления персоналом. Система собирает информацию, обрабатывает ее и выдает результат, на основании которого руководитель даёт задание рабочей бригаде на замену элемента.
В дополнение к сказанному необходимо отметить, что существует вероятность отказа оборудования из-за неисправности канала управления, залипания или сваривания контактов и т.п. Поэтому предлагается дублировать каналы, по которым поступают сигналы управления, радиоканалом управления. Введение радиоканала управления позволит значительно повысить безопасность работ в забое и обеспечить сохранность дорогостоящего оборудования. Однако здесь возникает проблема ограниченности радиуса действия радиопультов управления (он составляет около 15 метров). При дальнейшем его увели-
чении в условиях подземных горных выработок, увеличиваются помехи и время реагирования управляемого оборудования на команды с пульта управления.
Решение поставленных задач по автоматизации комплекса для ведения очистных работ позволит получить существенный положительный экономический эффект за счёт увеличения производительности работы комплекса, снижения расхода материалов, сокращения обслуживающего персонала и повышения безопасности ведения горных работ.
Степень автоматизации горных работ существенно сказывается на аварийности. Добывающие компании должны пересмотреть подход к добыче угля, отталкиваться не от максимальной производительности, а от сведения к минимуму числа жертв среди рабочего персонала. Ведь в условиях ближайшего дефицита квалифицированной рабочей силы, вопрос о ее сохранении становится выше вопроса получения максимальной прибыли.
Авторы статьи выражают благодарность Е.С. Виленкину, В.Т. Порхомчуку, В.И. Чуденкову за оказанную помощь при написании статьи.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. http://library.stroit.ru/articles/comptech/ index.html.
2. http://library.stroit.ru/articles/mechcomp/index.html.
3. Глушко В.В. Характеристики режимов работы горных машин и их автоматическое управление. — М.: Недра, 1975, с. 241.
4. Красников Ю.Д., Солод С.В., Топорков А.А. Повышение надежности функционирования забоев угольных шахт. — М.: Недра, 1993, с. 176.
5. Батицкий В.А., Куроедов В.И., Рыжков А.А. Автоматизация производственных процессов и АСУ ТП в горной промышленности. — М.: Недра, 1993, с. 303. ШИЗ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Афоничев Евгений Викторович — студент, sk_af_John_vr@mail.ru, Голосенко Сергей Викторович — студент, normsergey@yandex.ru, Крючков Александр Александрович — студент, sox_007@mail.ru,
Шевырев Юрий Вадимович — доктор технических наук, профессор, uvshev@yandex.ru, Московский государственный горный университет, ud@msmu.ru.
