Введение к работе
Актуальность темы. Ближайшая перспектива развития угольной отрасли Украины связана с отработкой тонких, выбросоошсных пластов, что определяет актуальность струговой технологии выемки на горных предприятиях. Опыт применения струговой технологии показал, что основное влияние на ее эффективность и безопасность оказывает прямолинейность очистного забоя в плоскости пласта. Существующие отечественные средства автоматизации струговых установок не позволяют решить задачу обеспечения прямолинейного состояния очистного забоя. В связи с этим на практике проводят специальные мероприятия, основанные на визуальном определении степени искривленности забоя и строгаши его выпуклых участков. Результат этих мероприятий не всегда эффективен и сопряжен с затратами рабочего времени. Этим обуславливается актуальность разработки системы автоматического обеспечения прямолинейности (СЛОП) очистного забоя при струговой выемке.
Реализация САОП на практике обеспечит ритмичность функционирования очистных забоев за счет снижения непроизводительных затрат времени, аварийности оборудования и сокращения расхода электроэнергии, а также расширение области применения струговой выемки для отработки выбросоопасных аластов. Все это повысит безопасность и эффективность технологического процесса струговой выемки и даст, определенный экономический эффект.
Опыт применения струговой выемки, а также появление новой технической базы выдвигают актуальные исследовательские задачи, связанные с обоснованием принципов создания-и критерия эффективности функционирования САОП, созданием алгоритмов управления объектом, развитием методов моделирования, совершенствованию отдельных элементов системы.
Спязь работы с научными программами, планами, темами. Тема диссертационной работы соответствует тематике целевой комплексной отраслевой программы ЦКОП-10 (темы 091950200О-Ц1О и 0919202030-ЦЮ), связанных с разработкой средств автоматизации стругов.
Делью диссертационной работы является разработка системы автоматического обеспечения прямолинейности очистного забоя при струговой выемке на основе научного обоснования критерия эффективности функционирования, принципа построения и математического описания объекта и системы его управления, позволяющей повысить эффективность и безопасность технологического процесса струговой выемки угля на горных предприятиях за счет снижения непроизводительных затрат времени, удельного расхода электроэнергии, аварийности оборудования и обеспечения работы струга в разгруженной зоне пласта.
Идея работы заключается в определении по специальной программе фактической линии очистного забоя по показаниям датчиков величины подвигания рештачного става конвейера и на основании сравнения её с заданной, устранения выпуклых участков забоя путем повторного строгания с ограничением скорости его подвигания и частоты коммутаций электропривода за счет пауз в работе струга переменной продолжительности, и последующего поддержания задашгой прямолинейности путем строгания забоя в местах с
возможным образованием выпуклостей с аналогичным ограничением скорости подвига-ния и частоты коммутаций, тем самым обеспечивая минимальные тяговое усилие и износ механической части струговой установки, а также нахождение в допустимых пределах скорости подвигания забоя.
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
1 .Разработка требований к САОП, отвечающие условиям её эксплуатации, и научное обоснование критерия эффективности её функционирования.
2.Разработка математической модели линии очистного забоя и системы автоматического обеспечения её прямолинейности, позволяющая выполнить оценку состояния забоя и на основании этого сформировать управляющие воздействия, направленные на обеспечение заданных параметров прямолинейности.
3.Обоснование гфинципов, функциональной схемы и алгоритмов функционирования САОП, обеспечивающих допустимые и безопасные параметры линии очистного забоя при эксплуатации струговой установки.
4.Обоснование выбора современных технических средств, позволяющих создать элементы САОП нового технического уровня, обеспечивающих надежное и безопасное функционирование системы.
5. Проверка правильности математической модели и алгоритмов управления на основе сравнения расчетных и фактических данных по результатам шахтного эксперимента.
Научная новизна полученных результатов состоит в обосновании критерия и принципа эффективного функционирования САОП; в разработке на основе методов сплайн-интерполяции и аналитической геометрии математической модели линии очистного забоя и системы автоматического обеспечения её прямолинейности; в разработке принципов построения элементов САОП, что в совокупности позволило сформулировать и решить научную задачу создания САОП очистного забоя при струговой выемке.
Практическое значение полученных результатов заключается в том, что разработанное программное и аппаратное обеспечение использовано при корректировке на серийное производство технической документации аппаратуры автоматизации струговых установок АРУС.2М (разработка ОАО «Автоматгормаш», г. Донецк) для реализации на его основе САОП, повышающей эффективность и безопасность технологического процесса струговой выемки.
Методы исследований. В работе применены методы теорий аппроксимации, аналитической геометрии, оптимального управления, вычислительной математики, математического моделирования, математической статистики, теории планирования и обработки результатов эксперимента.
На зашиту выносятся:
I. Критерий эффективности функционирования САОП, заключающийся в минимизации абсолютного отклонения фактического состояния линии забоя от заданного с ограничениями по допустимым максимальной стреле прогиба линии очистного забоя, частоте коммутаций электропривода струга и скорости подвигания забоя.
2.Математическая модель линии очистного забоя и системы автоматического
беспечения её прямолинейности, отличающейся описанием линии очистного забоя в иде непрерывной функции, представленной как интерполяционный сплайн, с целью альнейшего ее сравнения с заданной линией и на основании этого, выработки управ-яющих воздействий, направленных на обеспечение заданной прямолинейности.
3.Принцип функционирования САОП, отличающийся формированием управляючих воздействий на очередной выемочный цикл на основе рассогласования фактической і заданной линий очистного забоя путем повторного строгания выпуклых участков, при уравнивании искривленного, забоя, и строгании участков с возможным образованием іьіпуклостей, при поддержании заданной прямолинейности, с ограничениями частоты оммутаций электропривода струга и скорости подвигания забоя за счет пауз в работе трута переменной продолжительности.
4. Принцип построения средств контроля перемещения, используемый в системе івтоматического обеспечения прямолинейности для реализации устройства контроля местонахождения струга и устройства контроля подвигания конвейера, отличающийся «пользованием счетчика абсолютных значений и счетчика приращений, что позволяет юкратить объем передаваемой информации и реализовать датчики нового технического /ровня, выполняющих функции по первичной обработке и передаче информации на базе малогабаритных микроконтроллеров.
Обоснованность и достоверность научных положений и результатов подтвер-кдается использованием апробированных методов и положений теории аппроксимации, теории аналитической геометрии, вычислительной математики, широким использованием вычислительной техники при построении математических моделей и моделировании; правильностью разработанной математической модели (описание фактической линии очистного забоя как интерполяционного сплайна обеспечивает высокую точность ее определения, возникающая при этом максимальная погрешность между узлами интерполяции не превышает 4%); проведением вычислительного эксперимента по реальным данным ш. «Заперевальная» №2 ш/у «Донбасс» ГХК «Донуголь», подтвердившего правильность положенной в основу функционирования САОП илеи (расхождение в определении расчетных границ участков строгания с шахтными данными не превышает 15%), и макетных испытаний элементов системы.
Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на V международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века» в г. Севастополе (1998), на научно-техническом совете ОАО «Автоматгормаш им. В.А. Антипова» (2000, г. Донецк), на семинарах кафедры ГЭА ДонГТУ (1997, 1998,1999).
Публикации. Результаты диссертации опубликованы 8 5 печатных работах, в том числе в 4 научных изданиях и в 1 докладе на международной научно-технической конференции.
Реализация результатов работы. Результаты выполненных исследований использованы ОАО «Автоматгормаш» при корректировке технической документации на серийное производство аппаратуры автоматизации струговых установок АРУС.2М (разработана в соответствии с НИОКР 0919202030ЦЮ «Разработать и внедрить комплекс аппаратов регулирования, управления стругом АРУС.2М на современной элементной базе с использованием микропроцессорных средств»).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заклі чения, изложенных на 138 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, 1 таблиц, список литературы из 94 наименований, 41 страницу приложений.