Введение к работе
Научный доклад содержит краткое изложение, теоретическое обобщение и анализ результатов, полученных и опубликованных автором в течение 1960-1992 гг., обеспечивших решение народнохозяйственной и научной проблемы - создания, освоения производства и промышленного внедрения комплекса нскробез-опасных электротехнических систем и средств повышенной безопасности для автоматизированного и дистанционного управления оборудованием очистных и проходческих забоев угольных шахт.
Актуальность проблемы. Уровень социально-экономического состояния государства во многом зависит от объемов производства и технической оснащенности добывающих отраслей промышленности. Повышению производительности и эффективности горной техники должны сопутствовать еще более высокие темпы роста уровня безопасности эксплуатируемого и вновь создаваемого оборудования и разрабатываемых технологических процессов.
Одним из ключевых направлений повышения эксплуатационной безопасности добычного и проходческого оборудования является оснащение его специальными техническими средствами: нскробезопасными системами управления, сигнализации н связи, обладающими повышенной живучестью и контролеспо-собностыо. В решение эгой проблемы большой вклад внесли ученые А.В.Докукин, Л.Г.Мелькумов, В.И.Солод, В.С.Кравченко, В.И.Серов, П.Ф.Ковалев, А.Т.Ерыпш, В.П.Колосюк, Ю.Н.Камынин, В.М.Чермалых, Г.Г.Пивняк, В.И.Груба, В.В.Старичнев, А.Г.Лаптев, А.И.Котлярский, И.С.Крашкин, В.Н.Гетопанов, В.А.Ульшин, В.Т.Загородшок, В.И.Щуцкнй, Ф.К.Бойко, Н.Ф.Шишкин, Р.М.Лейбов, А.В.Илыоша, В.Н.Коптиков, Л.А.Муфель, В.И.Силаев, Б.М.Кириченко, Е.Ф.Лагуновнч, Г.И.Магилат и др.
Свыше 60% шахт СНГ относятся к газовым, каждая вторая опасна по самовозгоранию углей, каждая пятая - по внезапным выбросам угля и газа, практически все опасны по взрывчатости пыли. Существующая технология выемки угля в забоях представляет собой сложную динамическую систему "человек - машина -среда".
Нарушение нормального функционирования любого из звеньев системы может привести к появлению опасной ситуации, аварии горной машины, травмированию человека, прерыванию технологического процесса и, как следствие, к потерям конечного продукта труда (объемов добычи или проводимых горных выработок).
Повышение надежности действия человека в "человеко-машинных" системах очистных и подготовительных забоев угольных шахт должно обеспечиваться техническими средствами* осуществляющими такое распределение функций между человеком и системой управления горными машинами, при котором достигаются высокая производительность и безопасность работ.
Для создания устройств и систем управления, учитывав ющих особенности технологических процессов, необходимо выполнить комплекс исследований с целью повышения характеристик безопасности технических средств управления горньїмі: машинами.
Обеспечение искробезопаспостп энергоемких систем управления, живучести и формирования защитных функций прі возникновении повреждений в цепях управления забойным оборудованием, контроля его состояния с заданной глубиной диагностирования является основным этапом создания систем повьг шенной безопасности для эффективного управлення горішмі машинами.
Разработка систем и аппаратуры управления для обеспе чения эффективной и безопасной эксплуатации горных машин і использованием искробезопасиых средств управления являете: решением актуальной научно-технической проблемы, имсющеі большое народнохозяйственное значение.
Цель работы состоит в разработке и обосновании способов і технических средств обеспечения эффективной и безопасно эксплуатации горных машин с использованием искробезопасны
сітстем управлення, организации их серийного производства и внедрения в горнодобывающих отраслях промышленности.
Идея работы. Безопасная и эффективная эксплуатация забойного оборудования обеспечивается путем оснащения его средствами управления и автоматизации высокой функциональной насыщенности н надежности, в которых используются электрические нскробезопасные цепи большой мощности.
Методы исследований. В качестве методологической основы исследований использован системный подход к технологическому процессу как к единому целому, включающему различные типы горных машин, средства управления и автоматизации, безопасность обслуживания.
Для решения конкретных задач использовались методы технической кибернетики, анализа сложных электрических цепей с помощью теории графов, методы теории вероятностен, теории экспериментов, математической статистики, теории горения, физического моделирования процессов с имитацией реальных условий эксплуатации.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
X Установлена общность факторов, определяющих функции управления забойными машинами. Факторами, определяющими эффективное и безопасное использование горных машин, являются ресурсосбережение, сокращение простоев, надежность оборудования, защита электропривода, дистанционное управление, живучесть систем управления, контроль неисправностей оборудования и др. Создание систем управления горной машиной базируется на синтезе этих факторов.
2. Безопасная и эффективная эксплуатация забойного оборудования осуществляется системами управления, обеспечивающими сбережение рс /рса электрооборудовашш горных машин путем использования принципа многостадийности с приоритетным отключением потребителей нижнего уровня; использующими в зоне видимости горной машины беспроводный инфракрасный канал управления, на надежность которого исключается влияние электромагнитной обстановки в условиях добычных и проходческих забоев угольных шахт; базирующимися на новых принципах построения средств управления забойным оборудованием на основе синтеза функционально законченных блоков
управления отдельными объектами, идентифицированными по своим алгоритмам и характеристикам.
-
Повышение надежности и безопасности эксплуатации угледобывающих комплексов и комбайнов обеспечивается путем оснащения гидрофицированных крепей комплексов телемеханическими системами управления распределительного действия, надежность которых может быть обеспечена на требуемом уровне за счет использования естественной избыточности этих систем; комбайна и комплекса - системой диагностики, обнаруживающей дефекты горной машины и средств управления и дифференцирующей повреждения по степени опасности.
-
Повышение надежности электрических систем управления забойным оборудованием обеспечивается путем увеличения их искробезопаснон мощности за счет сокращения длительности электрических разрядов, возникающих при коммутации цепей этих систем.
5. Увеличение мощности искробезопасных систем с
помощью устройств сокращения длительности разрядов (УСДР)
достигается специальными способами, основанными на непрерыв
ном контроле состояния электрических цепей с помощью
измерительных элементов, реагирующих на изменения токов н
напряжений в искробезопасных цепях и воздействующих своим
сигналом на специальные электронные устройства, прекраща
ющие подачу энергии к месту искрообразования.
Обоснованность и достоверность научных положении, выводов и рекомендаций подтверждаются:
в теоретических и экспериментальных исследованиях корректностью постановки задачи, использованием аппарата теории электрических цепей, математического анализа, математической статистики, корректностью применяемых в расчетах допущении, достаточным объемом экспериментальных данных, подтверждающих теоретические выводы;
соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований (расхождение не более 5%), выполненных на натурных образцах, стендах, оборудованных реальными машинами и оснащенных системами управления и автоматизации, а также на их физических моделях;
многократными испытаниями систем дистанционного управления и автоматизации в государственных госконтрольных
организациях: МакНИИ, ВостНИИ, ВНИИВЭ, где в процессе этих испытаний проверялись искробезопасность систем управ-1 ленпя повышенной мощности, функциональные особенности, выполнение защитных функции в цепях управления при возникновении несанкционированных режимов различных повреждений. Результаты этих испытаний подтверждены документально свидетельствами Госпроатомнадзора на каждый тип аппаратуры;
длительным опытом эксплуатации автоматизированного забойного оборудования на шахтах всех угледобывающих регионов страны, а также за рубежом;
нормативными документами, в которых нашли отражение основные выводы, рекомендации и результаты исследований, регламентирующие параметры и обеспечивающие возможность построения различных систем управления повышенной безопасности.
Научная новизна работы заключается в исследовании и разработке методов, способов и средств построения систем управления забойным оборудованием, учитывающих основные требования, обусловленные специфическими особенностями горного производства; в использовании системного подхода при синтезе средств управления и автоматики, отвечающих требованиям пскробезопасностн, выполняющих защитные функции при повреждениях, нештатных возмущающих воздействиях и обеспечивающих диагностирование состояния горных машин и средств управления с оптимальной глубиной; в изучении факторов, оказывающих определяющее влияние на безопасность и эффективность эксплуатации забойного оборудования; в установлении взаимосвязей между воспламеняющей способностью разрядов сокращенной длительности и параметрами электронных устройств, сокращающих длительность разрядов; в формировании основ нового направления в пскробезопасиости, что позволит значительно увеличить искробезопаснуго мощность энергоемких рудничных систем управления за счет искусственного сокращения длительности коммутационных разрядов; в разработке принципов построения систем днетаициогаюго управления электрооборудованием добычных участков, повышающих эксплуатационную надежность коммутационной аппаратуры за счет использования принципа многостаднйностн с приоритетным отключением потребителей нижнего уровня и широкого внед-
рения этой аппаратуры для управления горными машинами; в постановке задачи отыскания канала, альтернативного радиоканалу, для беспроводного управления забойным оборудованием в зоне видимости машины, исключающего влияние на этот канал электромагнитной обстановки в конкретных условиях добычных и проходческих забоев угольных шахт; в разработке методики проведения исследований этого канала, освоении производства н внедрении аппаратуры управления с использованием инфракрасного излучения; в разработке способов повышения надежности систем распределительного действия различной физической природы и исследовании различных вариантов схемотехнических решений таких систем; в разработке новых способов повышения искробезопасной мощности, помехоустойчивости, безопасности управления.
Приоритет разработанных способов и средств автоматизации и управления защищен 32 авторскими свидетельствами и б патентами.
Практическое значение работы заключается в следующем:
установлении общности функций управления различными видами забойного оборудования (угледобывающими комбайнами, стругами, агрегатами и др.), обеспечивающих уднфикацто отдельных звеньев и подсистем управления горными машинами;
применении результатов исследований при разработке нормативно-технических документов, технических условий,руководящих технических материалов <РД, ОСТ, РТМ), ПИВРЭ, нормативов по безопасности забойных машин, комплексов и агрегатов, которые являются обязательными для использования при проектировании, выполнении исследований, изготовлении и эксплуатации нскробезопасных систем и средств управления и автоматизации забойного оборудования;
разработке специальных способов, методов н средств длї исследования нскробезопасностн электрических цепей с устройствами сокращения длительности электрических разрядов в аппаратуре управления горными машинами;
синтезе алгоритмов функционирования унифнцнрованны) блоков дистанционного управления комбайном, конвейером і другими типами забойного оборудования;
разработке методов определения параметров измеритель ного элемента устройств сокращения длнтельносп
электрических разрядов в энергоемких искробезопасных системах управления забойным оборудованием;
разработке способов повышения надежности систем управления распределительного действия для гидрофицнрованных крепей;
разработке способов и алгоритмов управления энергоснабжением на основе принципа многостадинности для добычных и проходческих забоев угольных шахт;
выполнении многолетних наблюдений за работой автоматизированных комбайнов К-103, КД-80 для выемки угля на топких пластах, в результате чего показано, что время простоев из-за отказов средств управления и автоматизации составляет не более 2 % общего времени простоев этого оборудова кия на на чаль-пой стадии эксплуатации и снижается до 0,7% в период установившейся эксплуатации систем после проведения соответствующего обучения обслуживающего персонала.
Экономический эффект от внедрения аппаратуры, разработанной с использованием результатов научных исследований, только за последние пять лет составил 47 млн.руб. (в ценах 1991 г.).
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Результаты исследований, изложенные в работе, нашли трименение в аппаратуре управления и автоматизации угледобы-шощнх комплексов, комбайнов, проходческих машин, крепей, ігрегатов, выпускаемой Макеевским заводом шахтной автоматики: КМ-87А, УМА, KM13SA -для управления угледобыва-ощими комплексами и крепями; КУЛК, САУК-2М, К103, КД-80 для управления угледобывающими комбайнами. На основе результатов исследований разработаны и поставлены на серийное іронзводство на заводах шахтной автоматики принципиально но-)ые нскробезопасные источники питания для выходных напря-кеннй от 5 до 242 В, не имеющие аналогов за рубежом и предна-іяачешше для электропитания различных видов аппаратуры пахтвдй автоматики; аппаратура управления забойным оборудо-іаішем типа ЦПУ и УМК, выполняющая защитные функции при ювреждешш линий управления и несанкционированных воз-(ействиях, обеспечивающая двухстадийность отключения пуска-елей; системы и средства беспроводного управления забойным іборудованием с использованием нетрадиционных физических
принципов для подземных условий (УЗМ, КУАК, АНС); средства телемеханического управления угледобывающими крепями и комплексами (КМ-138А, КМ-87А, УМА); средства управления и автоматизации комбайнов (К103, КД-80, МКД-90); унифицированные блоки дистанционного управления горной машиной (ЦПУ, УМК, К-103А, КД-80, КУАК); средства двухуровневой диагностики горной машины и системы управления с использованием микропроцессорной техники (КУАК, МКД-90, КП-25). Аналогичные функции управления выполняет и серийно выпускаемая аппаратура АРУС, МИУС, БАУС (для струговых установок и щитовых агрегатов).
Определены объемы сервисного обслуживания и ремонта средств автоматизации забойного оборудования, организованы службы сервисного обслуживания. Организовано обучение персонала обслуживанию средств забойной автоматики, разработаны и изданы специальные пособия для специалистов, занятых эксплуатацией автоматизированного забойного оборудования. Выполнение этих работ осуществлялось при непосредственном участии автора.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на III Всесоюзном совещании по взрыво-защнщенному электрооборудованию во ВНИИВЭ (1967 г.), в МакНИИ (1968-1986 гг.), Всесоюзной научно-технической конференции по автоматизации в горной промышленности (г. Днепропетровск, 1965 г.), Республиканской конференции "Механизация и автоматизация угледобычи" (г. Киев, 1969 г.), семинаре "Технические средства горной автоматики", секщш технической кибернетики Научного совета по кибернетике АН УССР (г.Донецк, 1969 г.), II совещании по автоматизации крепей и комплексов (г. Донецк, 1970 г.), XIV Международной конференции научно-исследовательских институтов по безопасности работ в угольной промышленности (г. Донецк, 1971 г.), совещаниях ВПО "Союзуглсавтоматика" МУП СССР по программе работ по расширению применения прогрессивных материалов и искрозащнтных устройств для изделий шахтной автоматики (1982 г.), заседаниях научно-технического совета НПО "Автомат-гормащ" (1974-1992 гг.), совещаниях по научно-техническому сотрудничеству вобласти автоматизации забойного оборудования между ГПОАЭМАГ (Польша) и НПО "Автоматгормаш" (СССР)
в г. Катовице (1984-1988 гг.), заседании секции кибернетики в горном деле Горного комитета Польской Академии Наук в г. Катовице (1987,1988 гг.), симпозиуме стран-членов СЭВ в г. Караганде (1988 г.),-конференции ІСЛМС Всемирного угольного конгресса в г. Остраве, ЧССР (1980 г.), II Международной конференции научно-исследовательских институтов по безопасности работ в угольной промышленности (г. Донецк, 1991 г.).
Публикации. Основное содержание работы опубликовано самостоятельно или в соавторстве в 78 работах, в том числе в 3 монографиях, 3 учебных пособиях, 40 статьях, получено 32 авторских свидетельства на изобретения, а также 6 патентов.
Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность проф., докт. техн. наук В.И.Серову за научные консультации и методическую помощь, которые способствовали выполнению настоящей работы, а также специалистам ИГД им. А.А.Скочипского за внимание к его работам.
Автор благодарен сотрудникам института Автоматгормаш, Макеевского завода шахтной автоматики, многочисленным шахтерским коллективам, а также всем, содействовавшим выполнению настоящей работы, интерес и поддержка которых были очень полезны при проведении исследований, освоении их результатов в серийном производстве аппаратуры и ее внедрении на віахтах всех угледобывающих регионов страны и за рубежом.