Разработка и исследование системы автоматической стабилизации погонной нагрузки магистрального конвейера

Широкое использование конвейерного транспорта на шахтах и карьерах является одним из важных факторов повышения технического уровня и эффективности функционирования горного производства. В последнее время большинство шахт переходят на поточное и поточно-циклическое транспортирование. Рост грузопотоков и длин транспортирования обусловил необходимость создания высокопроизводительных ленточных конвейеров большой длины и мощности с применением дорогих синтетических и резинотросовых лент. Это приводит к значительному увеличению стоимости конвейерной установки. В настоящее время коэффициент использования таких дорогих установок на горных предприятиях страны составляет в среднем 50.70% по производительности и 60.70% по времени. Такое неэффективное использование конвейерных установок связано и с тем, что поступающие от горных машин грузопотоки обладают значительной неравномерностью по амплитуде и наличием большого числа интервалов отсутствия груза. Это приводит к неоправданным затратам электроэнергии, износу ленты, роликов, увеличению холостого пробега ленты. Таким образом, проблема повышения экономической эффективности конвейерных установок при их эксплуатации на горных предприятиях является актуальной. Один из путей решения этой проблемы состоит в согласовании режимов работы ленточного конвейера с параметрами поступающего на него грузопотока, например, путем применения автоматического управления скоростью движения ленты конвейера в зависимости от текущей величины поступающего на него грузопотока.

Идея работы. Идея работы состоит в разработке алгоритмов управления, основанных на непрерывном отслеживании величины грузопотока, поступающего на конвейер, и изменении скорости движения ленты конвейера пропорционально этой величине таким образом, чтобы загрузка ленты была близка к номинальной.

Цель работы. Целью исследования является разработка структуры системы автоматического управления и алгоритмов управления скоростью движения конвейерной ленты, которые позволят обеспечить рациональную загрузку конвейера насыпным грузом при условии обеспечения беспробуксовочной работы главного привода конвейера при любом изменении скорости движения ленты.

Л Научные положения и их новизна.

1. Разработана математическая модель сложной многомерной системы управляемого движения ленты, динамики натяжного устройства, частотно-управляемого асинхронного электропривода магистрального конвейера, позволяющая исследовать конвейерную установку как единый объект управления, моделировать технологический процесс транспортирования случайного грузопотока и искать решение задачи стабилизации погонной нагрузки конвейера в классе линейных оптимальных регуляторов.

2. Найдены зависимости между технологическими параметрами конвейера, позволяющие стабилизировать натяжения в ветвях ленты, снижая тем самым динамические усилия в ленте, стабилизировать тяговый фактор конвейера в режимах разгона, торможения и движения конвейера с постоянной скоростью.

3. Разработана структура многоконтурной автоматической системы регулирования погонной нагрузки конвейера, стабилизации тяговой способности привода, которая позволяет реализовать алгоритм оптимальной загрузки конвейера, беспробуксовочную работу привода в режимах разгона, торможения и движения конвейера с постоянной скоростью.

4. Разработан алгоритм управления движением ленты, который обеспечивает плавное изменение скорости, соответствующее случайному входному грузопотоку, снижение динамических нагрузок в ленте, уменьшение количества пуско-тормозных режимов, уменьшение холостого пробега ленты.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается корректным применением известных методов математического анализа, теории вероятностей, теоретической механики, теории управления, теории регулируемого электропривода, компьютерного моделирования и достаточной близостью результатов модельного управляемого движения результатам реального движения, взятых с осциллограмм натурных испытаний и движения в производственных условиях.

Научное значение работы состоит в том, что создана новая математическая модель конвейерной установки, которая позволяет адекватно описывать процессы управляемого движения ленты конвейера и исследовать процесс транспортирования горной массысоздан алгоритм и разработана структура двухконтурной системы автоматического ^ управления движением ленты, которая обеспечивает стабилизацию технологически рационального значения тягового фактора и статистически номинальную погонную загрузку полотна конвейераразработана методика синтеза регулятора в пространстве состояний, который позволяет изменять скорость движения ленты конвейера с оптимальным квадратичным критерием, определяемым свойствами самого конвейера.

Практическое значение работы состоит в том, что разработанные алгоритмы управления позволят повысить эффективность использования конвейерного транспорта как по производительности, так и по времени, приблизив загрузку ленты конвейера к оптимальной. При регулировании скорости снижаются износ ленты и расход электроэнергии, появляется возможность уменьшить ширину ленты и рассчитывать ее не по максимальному грузопотоку, возникающему в отдельные моменты, а по вычисляемому за определенный интервал времени среднему значению. При этом будет обеспечиваться беспробуксовочная работа привода конвейера, что уменьшает динамические усилия в ленте и снижает коэффициент запаса по прочности конвейерной ленты, позволяя выбирать для конвейера менее дорогие типы ленты.

Реализация результатов. Алгоритм управления движением ленты конвейера и предложения по технической реализации системы управления движением приняты к использованию отделом АСУ ЗАО «НВТ-Автоматика» при создании автоматизированных систем доставки угля к угольным складам. Комплексная модель конвейерной установки принята отделом электронных технологий и документооборота ОАО «ВНИИПТмаш» для исследовании динамики при проектировании мощных ленточных конвейеров, алгоритмы управления скоростью конвейера приняты для оценки эффективности регулирования скорости конвейера при определенных типах грузопотоков. Методы составления математических моделей сложных многомерных нелинейных систем в пространстве состояний, анализа и синтеза алгоритмов управления движением приняты для использования в учебном процессе при подготовке дипломированных специалистов по направлению «Автоматизация и управление» Московского государственного горного университета. Разработанная на базе современного программного обеспечения модель движения ленты магистрального конвейера с регулируемым электроприводом, позволяющая исследовать пусковые и тормозные режимы ленточного конвейера, принята на кафедре «Горных машин и транспорта» МГГУ для использования в учебном процессе при проведении лабораторных работ и курсового проектирования.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научном симпозиуме «Неделя горняка «(1998, 2001, 2002, 2003), на семинарах кафедры «Автоматики и управления в технических системах» МГГУ, ЗАО «НВТ — Автоматика», ОАО «ВНИИПТмаш», ФГУП «Гипроуглеавтоматизация» .

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в трех статьях и одной брошюре [15, 16, 17, 18].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 46 рисунков, 15 таблиц, список литературы из 62 наименований и 3 приложения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Выполненное исследование дало новое решение актуальной научно-технической задачи повышения эффективности конвейерного транспорта путем автоматической стабилизации погонной нагрузки магистрального конвейера.

Основные научные и практические выводы и рекомендации, полученные лично автором:

1. При существующем характере транспортных грузопотоков на горных предприятиях повышение эффективности эксплуатации конвейерного транспорта за счет снижения холостого пробега ленты, уменьшения износа ленты и роликов, снижения коэффициента прочностного запаса, увеличения сроков службы ленты, снижения стоимости ленты, снижения энергопотребления возможно лишь при автоматическом управлении загрузкой и натяжением ленты конвейера.

2. Разработанная структура автоматической системы обеспечивает стабилизацию погонной нагрузки, близкую к номинальной, с поддержанием при этом тяговой способности привода в пуско-тормозных и равномерных режимах движения ленты.

3. Разработанный алгоритм позволил согласовать режимы работы конвейера с параметрами случайного грузопотока путем изменения скорости движения конвейера пропорционально средней величине поступающего на него полуминутного грузопотока.

4. Разработанный алгоритм стабилизации погонной нагрузки позволил обеспечить плавное изменение скорости движения конвейера, что существенно снижает динамические усилия в ленте.

5. Предложенное оптимальное управление, учитывающее время перехода конвейера с одной скорости движения на другую и величину задания, обеспечивает наилучшее быстродействие регулирование скорости, ограниченное только собственными свойствами конвейера.

6. Разработанный алгоритм управления автоматическим натяжным устройством благодаря найденным соотношениям между техническими параметрами конвейера позволил обеспечивать в статических и динамических режимах снижение усилий в ленте за счет поддержания заданного соотношения натяжений в ветвях ленты, определяемого формулой Эйлера, что дает возможность применения менее прочных, следовательно, менее дорогих типов лены, снижает износ ленты, устраняет проскальзывание ленты, пробуксовку привода, снижает вероятность аварийной ситуации.

7. Разработанная математическая и инструментальная комплексная модель конвейерной установки, включающая в себя взаимосвязанные модели движения конвейерной ленты, движения натяжного устройства, электромеханической системы управляемого электропривода конвейера, позволила с достаточной точностью исследовать динамические процессы для конвейера с электроприводом, расположенным в головной части и любым типом натяжного устройства, расположенным в любой части конвейера, имитировать процесс транспортирования груза, определять ошибку загрузки в сравнении с номинальной, оценить в итоге эффективность регулирования скорости конвейера при определенных типах грузопотоков, применения автоматической системы.