Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Состояние вопроса и постановка задачи исследования 8
1.1. Характеристика комбинированного автомобильно-конвейерного транспорта 8
1.2. Многоприводные конвейерные подъёмники II
1.3. Автоматическое управление тяговыми усилиями приводов многоприводного конвейера 17
1.4. Неравномерность карьерных грузопотоков и управление скоростью движения ленты 20
1.5. Цели и задачи исследования 30
Выводы 30
ГЛАВА 2. Исследование и разработка подсистеш автоматической коррекции скорости пластинчатого питателя ... 32
2.1. Выбор метода и разработка устройства контроля погонной массы груза на полотне пластинчатого питателя 32
2.2. Разработка устройства контроля нагрузки конвейера с ходовыми роликами 35
2.3. Исследование самовыравнивания бункера 50
2.4. Подсистема автоматической блокировки и коррекции скорости питателя 59
2.5. Автоматическое управление нагруженностью приводов многоприводного конвейерного подъёмника 64 Выводы 71
ГЛАВА 3. Разработка математической модели циклично-поточной транспортной системы 74
3.1. Анализ эффективности использования сопряжённых транспортных звеньев в ІЩТС 74
3.2. Математическое описание процесса циклично-поточного транспортирования 81
3.3. Выбор метода и технических средств для моделирования ЩГГС 83
3.4. Разработка модели циклично-поточной
транспортной системы 89
Выводы 94
ГЛАВА 4. Исследование и разработка алгоритмов и структуры подсистемы совместного управления скоростью приводов питателя и конвейерного подъёмника 95
4.1. Имитационное моделирование циклично-поточной транспортной системы с нерегулируемым конвейерным подъёмником 95
4.2. Исследование известных алгоритмов управления скоростью 98
4.3. Разработка нового алгоритма совместного управления скоростью приводов питателя и конвейера 103
4.4. Техническая реализация системы автоматического управления многоприводным конвейерным подъёмником 116
4.5. Расчёт экономической эффективности 121
Выводы 128
Заключение 130
Литература
- Автоматическое управление тяговыми усилиями приводов многоприводного конвейера
- Разработка устройства контроля нагрузки конвейера с ходовыми роликами
- Математическое описание процесса циклично-поточного транспортирования
- Разработка нового алгоритма совместного управления скоростью приводов питателя и конвейера
Введение к работе
Актуальность работы. "Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" указывают на необходимость "...ускорить внедрение непрерывных видов транспорта, значительно увеличить выпуск горно-транспортного оборудования непрерывного действия..." /I/.
Постоянный рост глубины карьеров сопровождается увеличением объёмов перевозок горной массы. Доля транспортных расходов на некоторых горных предприятиях доходит до 60...70$ общих затрат на добычу полезного ископаемого. Существенное снижение транспортных расходов обеспечивается применением комбинированного автомобильно-конвейерного транспорта /2,3/.
Вследствие ограничения по прочности ленты современные конвейерные подъёмники состоят из нескольких одноприводных конвейеров, установленных последовательно. Передача горной массы с одного конвейера на другой сопровождается повышенным износом ленты, надёжность линии снижается. Эти недостатки исключаются при бесперегрузочном подъёме горной массы посредством многоприводных конвейерных подъёмников (МКП).
При неравномерной загрузке ленты МКП, обусловленной неритмичностью поступления автосамосвалов на перегрузочный пункт и непостоянством толщины слоя горной массы на полотне питателя, в ней возникнут избыточные напряжения. Они могут быть устранены при управлении тяговыми усилиями нерегулируемых по скорости приводов в зависимости от загрузки межприводных участков, но дорогостоящая лента при этом будет использоваться неэффективно.
Целесообразно, используя регулируемый привод, совместно управлять скоростью всех приводов в зависимости от грузопотока,
стабилизируя загрузку ленты. Однако, вследствие специфики динамических характеристик объекта, системы автоматического управления (САУ) скоростью движения ленты в зависимости от уровня материала в бункере увеличивают вероятность его переполнения и простоя автосамосвалов в ожидании разгрузки. Поэтому научная задача разработки принципов построения САУ МКП является актуальной.
Целью работы является установление алгоритма управления процессом циклично-поточного транспортирования для разработки принципов построения системы автоматического управления многоприводным конвейерным подъёмником, позволяющей повысить эффективность транспортного оборудования глубоких карьеров.
Идея работы. Стабилизировать загрузку ленты МКЇЇ совместным управлением скоростью приводов питателя и конвейера в зависимости от предсказанных изменений интенсивности поступления автосамосвалов на перегрузочный пункт и погонной массы груза на полотне питателя.
Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна:
Разработана математическая модель циклично-поточной транспортной системы, отличающаяся учётом процессов формирования очереди автосамосвалов, ожидающих разгрузки, и участков ленты, не-заполненных грузом;
Совместное управление скоростью приводов питателя и многоприводного конвейерного подъёмника по текущему грузопотоку, отличающееся использованием прогнозируемой интенсивности поступления автосамосвалов на перегрузочный пункт, со скользящим усреднением и нелинейной запаздывающей коррекцией управляющего воздействия;
3. Коррекция скорости питателя в зависимости от погонной массы груза на его полотне с использованием в качестве информативного параметра величины прогиба направляющих для ходовых роликов, отличающаяся применением дифференциального метода измерения путём встречного включения датчиков перемещения, сдвинутых один относительно другого на половину шага установки ходовых роликов в направлении их движения.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций:
в работе использовались апробированные методы теории массового обслуживания, теории случайных процессов, теории автоматического управления, математической статистики, сопротивления материалов; проведена промышленная проверка устройства контроля нагрузки конвейера с ходовыми роликами; экспериментально на натурном объекте уточнены динамические характеристики звеньев моделируемой САУ; результаты, полученные на модели при нерегулируемом конвейере, расходятся с результатами, полученными в производственных условиях, не более, чем на 15% при доверительной вероятности 0,95.
Значение работы. Научное значение работы состоит в том, что разработанная модель и алгоритмы могут быть использованы для анализа и синтеза структур САУ поточным звеном при комбинированном автомобильно-конвейерном транспорте, а предложенный метод измерения нагрузки - при синтезе структур систем автоматического взвешивания рельсовых транспортных средств в движении.
Практическое значение работы состоит в разработке принципов построения и технической реализации САУ МВД, позволяющей стабилизировать загрузку ленты без увеличения простоев автосамосва-
лов, что повысит эффективность комбинированного транспорта в глубоких карьерах.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Структура САУ ЖП использована институтом ГИГХС при составлении заявки и технического задания на комплекс машин и оборудования для транспортировки и укладки в отвал взорванных скальных пород по циклично-поточной технологии.
Устройство контроля нагрузки конвейера с ходовыми роликами установлено на подъёмном ленточно-тележечном конвейере конвей-ерно-отвального комплекса рудника "Юго-Восточный" ПО "Каратау".
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены: на ІУ Республиканской конференции "Молодые учёные - научно-техническому прогрессу в угольной промышленности" (Донецк, 1984 г.), семинаре лаборатории АСУ и АШІ института ГИГХС (Москва, 1984 г.), семинаре "Шахтный и карьерный транспорт" (Москва, 1984 г.).
Публикация. По теме диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ, в том числе одно авторское свидетельство и получено положительное решение на изобретение.
Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 103 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 97 наименований и приложения, содержит 36 рисунков и 9 таблиц..
Автоматическое управление тяговыми усилиями приводов многоприводного конвейера
Исследованиями, проведенными в МГИ, установлено, что для предотвращения перенатяжения или недопустимого ослабления натяжения несущего органа многоприводного ленточного конвейера промежуточными приводами нужно управлять так, чтобы тяговое усилие каждого привода было равно сопротивлению движению на прилегающем к нему участке или поддерживать постоянншл натяжение на сбегающей ветви после каждого привода/ 7 /, т.е. показана эквивалентность принципов управления по возмущению и по отклонению.
МГИ предложен способ управления Ж, при котором натяжение в точках сбегания с промежуточных приводов поддерживают постоянным с помощью весового натяжного устройства, перемещение которого регистрируется датчиками отклонения, подающими сигнал на регулирующий элемент, воздействующий на управляемый выпрямитель, питающий приводной двигатель / 25 / . Предложенный способ может быть реализован на канатно-ленточном Ж, поскольку датчики натяжения для Ж других типов не разработаны.
ННИИПТмашем предложен способ управления, при котором о натяжении ленты судят по разности скоростей её движения в зонах вероятного максимального и минимального натяжений и,при изменении разности между ними, изменяют скорости приводов / 26/. Поскольку деформация резинотросовой ленты не превышает 0,1-0,3$, а резинотканевой - 0,5-1$/ 21/ , для реализации данного способа необходимы прецизионные датчики скорости движения ленты, которые также пока не разработаны.
КГРИ предложены несколько устройств для управления Ж/ 27, 28,29/ , в которых используются датчики усилий в ленте, скорости барабанов, линейной нагрузки, блоки нелинейности и т.д. Из-за сложности измерения усилий в .движущейся ленте, значительного количества датчиков, наличия нескольких нелинейных блоков они пока не реализованы.
Английской фирмой "Солар Томсон Инжиниринг компани" запатентован в США. и СССР конвейер с несущей и тяговой лентами (рис. 1.2) в котором текущая загрузка оценивается с помощью взвешивающего устройства 5, установленного в хвосте конвейера вблизи загрузочного устройства 4, преобразуется в код, фиксируется на движущемся синхронно с лентой конвейера бумажном или магнитном носителе 9, считывается с участков носителя 14, соответствующих межприводным участкам конвейера, суммируется на каждом из них, преобразуется из кода в аналог и подается на регуляторы 3, изменяющие мощности соответствующих приводов / 30/.
К недостаткам устройства (но не способа управления) можно отнести применение нестандартного перфоратора, работающего в числоимпульсном коде, необходимость наличия механической связи между лентой конвейера и носителем информации для их синхронизации, наличие сложного по конструкции нестандартного считывателя информации и сумматора, как при бумажном (громоздкий, неточный и ненадёжный фотосчитыватель), так и при магнитном носителе (количество магнитных головок в несколько раз превышает число межприводных участков), а также естественное отсутствие в описании методики инженерного расчета подобных устройств.
Несомненным достоинством является возможность использования данного способа управления на любом Ж, в конструкции которого предусмотрено взвешивающее устройство, установленное в месте загрузки.
Разработка устройства контроля нагрузки конвейера с ходовыми роликами
Ленточно-тележечный конвейер предложенный ЛЕИ / 73 /, разработанный институтом Гипроникель совместно с ЖЗШ и установленный на конвейерно-отвальном комплексе рудника "Юго-Восточный" производственного объединения "Каратау", предназначен для подъема на поверхность недробленной горной массы с содержанием крупных фракций 500... 1200 мм до З...6$. Основным элементом этого конвейера являются тележки, состоящие из дугообразных траверс на ходовых роликах, соединенные между собой двумя замкнутыми цепями. Вследствие отсутствия перекатывания ленты с грузом по неподвижным роликам и связанного с этим повышенного износа ленты появляется возможность отказаться от предварительного дробления горной массы /21/,
Существенное отличие конструкции этого конвейера от ленточного конвейера с неподвижными роликоопорами затрудняет применение для контроля линейной нагрузки известного способа получения информации о силе давления груза на ленту путём установки под роликами различных силойзмерительных устройств /40/.
Использование известных устройств, измеряющих площадь поперечного сечения и объем груза на ленте /40/, нерационально по причине наличия крупных кусков, а устройств, измеряющих мощность или ток двигателя привода конвейера, нежелательно, поскольку одной из целей создания этого устройства является, как указывалось выше, автоматическое распределение нагруженности промежуточных приводов.
Возможны два пути решения поставленной задачи: установка под направляющими, по которым перекрываются ходовые ролики, силоизмерительных датчиков /49/; использование в качестве упругого элемента силоизмеритель-ного датчика фиксированного участка направлящеи с последугадим измерением величины ее деформаций в вертикальной плоскости с помощью датчика перемещения /50/,
Реализация первого способа связана с необходимостью нарушения целостности направляющей, монтажа дополнительных металлоконструкций и усиленного фундамента для установки датчиков, что приведет к увеличению поперечного размера конвейера, установленного в наклонном стволе существенно затруднит его обслуживание. Поэтому более предпочтителен второй способ, при котором исключается необходимость нарушения целостности направляющей. Если зафиксировать её относительно металлоконструкций става с помощью, например, сварных швов, то мерные отрезки можно рассматривать как балки, жестко защемленные с двух сторон /51/. При постоянной скорости конвейера прогиб этих отрезков, выделенных на-левой и правой направляющей для исключения погрешности от осевого смещения ленты с грузом, будет периодической функцией времени, состоящей из постоянной составляющей и первой, второй и т.д. гармоник, амплитуды которых будут пропорциональны усилию, с которым ролик воздействует на направляющую. С помощью фильтра может быть выделена и использована в качестве информативной, в принципе, любая из них, но, как будет показано ниже, наиболее целесообразно использовать первую гармонику. Тогда высшие гармоники и постоянная составляющая должны рассматриваться, как шумы. Расчет показал, что максимальное отношение сигнала к шуму достигается при длине мерного участка близкой к шагу установки ходовых роликов. Величина прогиба при нагрузке на один ролик 5 кН составила 44 мкм. С целью исключения влияния соседних пролетов, жесткость их была увеличена за счет заполнения воздушного зазора между направляющей и металлоконструкцией става металлом и сварным швом.
На основании изложенного можно сформулировать требования к датчику перемещения: диапазон измерения, мкм 0-50 жесткость не более, Н/мм 100 температурный диапазон К0 243 - 323 диапазон частот, гц 0-5 исполнение пылевлагозащищенное
Указанным требованиям могут удовлетворять индуктивный, дифференциально-трансформаторный, емкостный, магнитомодуляционный, струнный, вибрационно-частотный, тензорезисторный и др. датчики /48,49/. Однако наиболее полно, особенно в смысле простоты первичного преобразователя и вторичной аппаратуры удовлетворяют им тензорезисторные датчики.
Для измерения малых перемещений используются обычно упругие элементы в виде пластины, кольца скобы, пластины с косинусоидаль-ной погибью с наклеенными на них в местах наибольшей деформации двумя или четырьмя тензорезисторами. Если процессы подготовки поверхности, приклеивания тензорезисторов, полимеризация клея, распайки выводов, защиты от влаги, градуировки, проводятся в лабо-раторных условиях, погрешность датчика может не превышать Ъ-2% /52/.
Математическое описание процесса циклично-поточного транспортирования
Грузопоток O-a(t), доставляемый автосамосвалами грузоподъёмностью Еа , движущимися со скоростью Va в направлении бункера, с целью упрощения описания можно представить в виде порций груза Е a, дискретно расположенных на ленте некоторого гипотетического надбункерного конвейера, скорость движения ленты которого равна Va. .
Импульс грузопотока при опорожнении кузова хорошо аппроксимируется положительной волной синусоиды /63/. Длительность полуволны мало зависит от грузоподъёмности автосамосвала и колеблется в диапазоне 12-16 с /64/. Учитывая, что разница в спектрах полусинусоидального и прямоугольного импульсов проявляется в основном в высокочастотной области /65/, к которой бункер, как интегрирующее звено, нечувствителен, целесообразно пойти на дальнейшее упрощение и представить импульс разгрузки в виде прямоугольника. Стохастичность поступления автосамосвалов учтём, введя дискретный случайный процесс l (t)t заданный следующим образом І «і tni, ct " tnl - Co где tn L -момент появления L-того автосамосвала на перегрузочном пункте, с; Z0 - время опорожнения кузова, с.
Плотность вероятности интервалов между моментами появления автосамосвалов зададим в виде сдвинутого на величину интервалов безопасности между автосамосвалами la экспоненциального рас пределения /66/ „-X(tu) , 10 , t Та Интервал безопасности между гружёными автосамосвалами, движущимися на подъём, составляет 10-15 с /64/. Это позволяет приравнять CSSs г. что, как будет показано ниже, упрощает модель. Грузопоток, находящийся в кузовах поступающих на разгрузку автосамосвалов, может быть представлен в виде Gatt) = Момент опорожнения кузова автосамосвала t pi задержан относительно момента tn[ где I M » С п - время манёвров при установке на разгрузку и время подъёма кузова, с; Xi - время ожидания разгрузки І -ым автосамосвалом. Поступивший автосамосвал может, при наличии в бункере достаточного места для приёма порции груза Еа и при отсутствии других, ранее прибывших и ожидающих разгрузки автосамосвалов, сразу разгрузиться. Если очереди нет и в бункере нет достаточного места для приёма порции Еа, он ожидает, пока бункер опорожнится в достаточной мере. Наконец, если бункер переполнен и имеется очередь ранее прибывших автосамосвалов, время ожидания максимально, т.е.
Поскольку манёвры и подъём кузова имеют место при разгрузке каждого автосамосвала, их продолжительность можно отнести к процессу движения и в модели не рассматривать. Тогда уравнение материального баланса для бункера может быть записано следующим образом: і ж - P = ae(tL)-Qn(t).
Пренебрегая инерционными свойствами дробилки, : задержками при падении материала с питателждробилку и из дробилки на ленту, с учётом ограничения на ускорение, можем принять 0П(Ь) =йкШ На основе приведенного описания может быть составлена алгоритмическая структурная схема циклично-поточной транспортной системы, представленная на рис.3.2.
При решении указанных вопросов необходимо учитывать как характеристики случайного воздействия, так и исследуемой системы /44,45,33/.
Из материалов, приведенных в главе I, следует, что параметр пуассоновского распределения Я является величиной случайной, распределённой по закону, близкому к нормальному.
Разработка нового алгоритма совместного управления скоростью приводов питателя и конвейера
В качестве цели управления в главе Ш нами выбрана минимизация функционала потерь (3.3). Заметим, что одна из его составляющих ( 1 - р ) связана с вероятностью опорожнения, а другая ( Zp-zH)-c вероятностью переполнения бункера. Следовательно, цель управления будет достигнута в том случае, если удастся подобрать такую диаграмму скорости конвейера на поступающее возмущение, которая минимизировала бы сумму вероятностей переполнения и опорожнения бункера при выполнении ограничений по скорости и ускорению конвейера. В данном случав целесообразно перейти от технико-экономической (3.2) к эквивалентной технической целевой функции, которая для идеального интегратора может быть записана в виде /78/ +/[- -e(t)]edt—min (4Л) о Задачу будем решать графо-аналитическим методом.
Чтобы найти наилучшую в смысле (4.1) диаграмму скорости конвейера, создадим режим наиболее тяжёлого (в линейной области) нагружения САУ, когда при последовательной разгрузке Л автосамосвалов 0-a(t) — Y Чтобы отработать возмущение такого вида при минимальном ускорении конвейера, его разгон должен происходить с постоянным ускорением и начаться раньше центра тяжести импульса возмущения с некоторым упреждением Ту, , которое на основании уравнения материального баланса для бункера (2.3) определим, как L = KVK (4-2) где Z г - постоянная времени бункера. Конвейер должен начать разгон по сигналу датчика, установленного от бункера на дистанции упреждения L, L і = ЧІ ( і м -/ п)
Если интервал упреждения Zu, $ существенно превышает заданную минимальную величину времени разгона Тр nun , монет быть принята трапецеидальная диаграмма скорости конвейера, для которой оптимальный интервал упреждения Г - tj" +Тр шп (А ъ а оптимальная дистанция упреждения \- =Va( Ly2— M " п) Треугольная и трапецеидальная диаграммы скорости конвейера могут быть получены посредством нерекурсивного дискретно--непрерывного фильтра рис.2.18 /60/ при соответствующем выборе весовых коэффициентов 80 Вп . На рис.4.5 представлены осциллограммы входного грузопотока "а", запаса материала в бункере "б", скорости конвейера "в" и формирования незаполненных грузом участков ленты "г", когда сигнал задания скорости приводов формируется нерекурсивным фильтром с треугольной весовой функцией, а интервал упреждения оптимален.
На рис.4,6 представлены осциллограммы, полученные при трапецеидальной весовой функции прогнозирующего фильтра, из которых видно (рис.4.6,в), что время разгона конвейера существенно уменьшилось.
Из осциллограмм (рис.4.5, 4.6) следует, что при таком алгоритме управления достигается наилучшее выполнение условия (4.1) при учёте наложенных ограничений. Из рис.4.5,г следует, что при появлении первого автосамосвала сформировался незаполненный грузом участок ленты длиной
Предложен новый способ совместного управления скоростью движения полотна питателя и ленты конвейера, отличающийся использованием для формирования сигнала задания скорости приводов прогнозируемой интенсивности поступления автосамосвалов на перегрузочный пункт, определяемой путём фиксации их детектором транспорта, установленным на дистанции упреждения от бункера /80/.
На рис.4.7 приведены осциллограммы аналогичные рис.4.5, отличающиеся более высокой интенсивностью поступления автосамосвалов (рис.4.7,а), из которых следует, что в некоторые моменты времени после выхода конвейера из области ограничения по максимуму скорости, она быстро спадает при переполненном бункере, что приводит к увеличению простоев автосамосвалов. Из-за ограничения по скорости конвейера при разомкнутой САУ нарушается материальный баланс. Для восстановления материального баланса необходимо проинтегрировать ошибку и при снижении сигнала задания скорости ниже уровня ограничения, учесть её величину введением соответствующей поправки в задающее воздействие /80/.
После введения коррекции при грузопотоке Qa(t) = 3000 т/ч, вместимости бункера 80, 160 и 320 т был проведен модельный эксперимент, целью которого было установление зависимости простоев автосамосвалов и эффективности использования ленты от интервала упреждения и формы весовой функции прогнозирующего фильтра. Результаты эксперимента, представленные на рис.4.8,4.9,4.10, ! позволяют сделать следующие выводы: коэффициент недоиспользования ленты по пробегу I - р практически не зависит от интервала упреждения и формы весовой функции прогнозирующего фильтра, однако растёт при снижении вместимости бункера;
