ДОНЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Старовєров Костянтин Сергійович

УДК 622.232-52

СИСТЕМА АВТОМАТИЧНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ПРЯМОЛІНІЙНОСТІ ОЧИСНОГО ВИБОЮ ПРИ СТРУГОВІЙ ВИЇМЦІ

Спеціальність 05.13.07 - ”Автоматизація технологічних процесів”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ДОНЕЦЬК – 2000

Дисертацiєю є рукопис

Робота виконана в Донецькому державному технiчному унiверситеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керiвник: доктор технiчних наук, професор

Груба Володимир Іванович,

завідувач кафеди Донецького

державного технічного університету,

м. Донецьк

Офiцiйнi опоненти: доктор технiчних наук, старший науковий співробітник

Силаєв Віктор Іванович,

професор кафедри “Менеджмент у виробничій сфері” Донецької державної академії управління, м. Донецьк.

кандидат технiчних наук, старший науковий співробітник

Михайловський Олег Васильович,

заступник директора “Мережевої Академії – АМИ”, м. Донецьк.

Провідна установа: Національна гірнича академія України Міністерства освіти і науки України, кафедра автоматизації виробничих процесів, м. Дніпропетровськ

Захист вiдбудеться '' 30 '' березня 2000р. о 14 годинi на засiданнi cпецiалiзованої вченої ради К 11.052.03 Донецького державного технiчного унiверситету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, корп. 1, ауд. 201.

З дисертацiєю можна ознайомитись у бiблiотецi Донецького державного технiчного унiверситету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, корп. 2.

Автореферат розiсланий '' 28 '' лютого 2000р.

Вчений секретар

спецiалiзованої вченої ради

кандидат технiчних наук, доцент Мокрий Г. В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Найближча перспектива розвитку вугільної галузі України пов'язана з відпрацюванням тонких, викидонебезпечних пластів, що визначає актуальність стругової технології виїмки на гірничих підприємствах. Досвід застосування стругової технології показав, що основний вплив на її ефективність і безпеку виявляє прямолінійність очисного вибою в площині пласта. Існуючі вітчизняні засоби автоматизації стругових установок не дозволяють вирішити задачу забезпечення прямолінійного стану очисного вибою. В зв'язку з цим, на практиці проводять спеціальні заходи, основані на візуальному визначенні ступеня скривленості вибою і струганню його опуклих дільниць. Результат цих заходів не завжди ефективний і пов’язаний з витратами робітничого часу. Цим зумовлюється актуальність розробки системи автоматичного забезпечення прямолінійності (САЗП) очисного вибою при струговій виїмці.

Реалізація САЗП на практиці забезпечить ритмічність функціонування очисних вибоїв за рахунок зниження непродуктивних витрат часу, аварійності обладнання і скорочення видатку електроенергії, а також розширення області застосування стругової виїмки для відпрацювання викидонебезпечних пластів. Все це підвищить безпеку і ефективність технологічного процесу стругової виїмки і дасть певний економічний ефект.

Досвід застосування стругової виїмки, а також поява нової технічної бази висують актуальні дослідні задачі, пов'язані з обгрунтуванням принципів створення і критерію ефективності функціонування САЗП, створенням алгоритмів керування об'єктом, розвитком методів моделювання, вдосконаленню окремих елементів системи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи відповідає тематиці цільової комплексної галузевої програми ЦКГП-10 (теми 0919502000-Ц10 і 0919202030-Ц10), пов'язаної з розробкою засобів автоматизації стругов.

Метою дисертаційної роботи є розробка системи автоматичного забезпечення прямолінійності очисного вибою при струговій виїмці на основі наукового обгрунтування критерію ефективності функціонування, принципу побудови і математичного опису об'єкту і системи його керування, що дозволить підвищити ефективність і безпеку технологічного процесу стругової виїмки вугілля на гірничих підприємствах за рахунок зниження непродуктивних витрат часу, питомого видатку електроенергії, аварійності обладнання і забезпечення роботи стругу в розвантаженій зоні пласта.

Ідея роботи полягає в визначенні по спеціальній програмі фактичної лінії очисного вибою по показанням датчиків величини посування рештачного ставу конвейєра і на підставі порівняння її з заданою, усунення опуклих дільниць вибою шляхом повторного стругання з обмеженням швидкості його посування і частоти комутацій електропривода за рахунок пауз в роботі струга змінної тривалості, і наступного підтримання заданої прямолінійності шляхом стругання вибою в місцях з можливим утворенням опуклостей з аналогічним обмеженням швидкості посування і частоти комутацій, завдяки цьому забезпечуючи мінімальні тягові зусилля і спрацьованість механічної частини стругової установки, а також знаходження в допустимих межах швидкості посування вибою.

Задачі досліджень. Для досягнення поставленої мети в роботі вирішуються наступні задачі:

1. Розробка вимог до САЗП, що відповідають умовам її експлуатації, і наукове обгрунтування критерію ефективності її функціонування.

2. Розробка математичної моделі лінії очисного вибою і системи автоматичного забезпечення її прямолінійності, що дозволить виконати оцінку стану вибою і на підставі цього сформувати керуючі впливи, направлені на забезпечення заданих параметрів прямолінійності.

3. Обгрунтування принципів, функціональної схеми і алгоритмів функціонування САЗП, що забезпечують допустимі і безпечні параметри лінії очисного вибою при експлуатації стругової установки.

4. Обгрунтування вибору сучасних технічних засобів, що дозволять створити елементи САЗП нового технічного рівня, що забезпечують надійне і безпечне функціонування системи.

5. Перевірка правильності математичної моделі і алгоритмів керування на основі порівняння розрахункових і фактичних даних за результатами шахтного експерименту.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в обгрунтуванні критерію і принципу ефективного функціонування САЗП; в розробці на основі методів сплайн -інтерполяції і аналітичної геометрії математичної моделі лінії очисного вибою і системи автоматичного забезпечення її прямолінійності; в розробці принципів побудови елементів САЗП, що в сукупності дозволило сформулювати і вирішити наукову задачу створення САЗП очисного вибою при струговій виїмці.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що розроблене програмне і апаратне забезпечення використане при корегуванні на серійне виробництво технічної документації апаратури автоматизації стругових установок АРУС.2М (розробка ВАТ “Автоматгірмаш”, м. Донецьк) для реалізації на його основі САЗП, що підвищує ефективність і безпеку технологічного процесу стругової виїмки.

Методи досліджень. В роботі застосовані методи теорій апроксимації, аналітичної геометрії, оптимального керування, обчислювальної математики, математичного моделювання, математичної статистики, теорії планування і обробки результатів експерименту.

На захист виносяться:

1. Критерій ефективності функціонування САЗП, що полягає в мінімізації абсолютного відхилення фактичного стану лінії вибою від заданого з обмеженнями по допустимій максимальній стрілі прогину лінії очисного вибою, частоті коммутацій електропривода струга і швидкості посування вибою.

2. Математична модель лінії очисного вибою і системи автоматичного забезпечення її прямолінійності, що відрізняються описом лінії очисного вибою у вигляді безперервної функції, наведеної як інтерполяційний сплайн, з метою подальшого її порівняння з заданою лінією і на підставі цього, вироблення керуючих впливів, направлених на забезпечення заданої прямолінійності.

3. Принцип функціонування САЗП, що відрізняється формуванням керуючого впливу на черговий виймальний цикл на основі відхилення фактичної і заданої ліній очисного вибою шляхом повторного стругання опуклих дільниць, при вирівнюванні скривленого вибою, і струганні дільниць з можливим утворенням опуклостей, при підтриманні заданої прямолінійності, з обмеженнями частоти коммутацій електропривода струга і швидкості посування вибою за рахунок пауз в роботі струга змінної тривалості.

4. Принцип побудови засобів контролю переміщення, що використовується в системі автоматичного забезпечення прямолінійності для реалізації пристроїв контролю місцезнаходження струга і контролю посування конвейєра, що відрізняється використанням лічильника абсолютних значень і лічильника прирошень, що дозволяє скоротити обсяг інформації, яка передається, і реалізувати датчики нового технічного рівня, що виконують функції по первинній обробці і передачі інформації на базі малогабаритних мікроконтролерів.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень і результатів підтверджується використанням апробованих методів та положень теорії апроксимації, теорії аналітичної геометрії, обчислювальної математики, широким використанням обчислювальної техніки при побудові математичних моделей і моделюванні; правильністю розробленої математичної моделі (опис фактичної лінії очисного вибою як інтерполяційного сплайна забезпечує високу точність її визначення, виникаюча при цьому максимальна похибка між вузлами інтерполяції не перевищує 4%); проведенням обчислювального експерименту по реальним даним ш. “Заперевальна” №2 ш/у “Донбас” ДХК “Донвугілля”, що підтвердив правильність призначеної в основу функціонування САЗП ідеї (розходження в визначенні розрахункових меж дільниць стругання з шахтними даними не перевищчує 15%), і макетних випробувань елементів системи.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися і обговорювалися на V міжнародній науково-технічній конференції “Машинобудування і техносфера на рубежі ХХІ сторіччя” в м. Севастополі (1998), на науково-технічній раді ВАТ ”Автоматгірмаш ім. В. А. Антипова” (2000, м. Донецьк), на семінарах кафедри ГЕА ДонДТУ (1997, 1998, 1999).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 5 працях, в тому числі в 4 наукових виданнях і в 1 доповіді на міжнародній науково-технічній конференції.

Реалізація результатів роботи. Результати виконаних досліджень використані ВАТ “Автоматгірмаш” при корегуванні технічної документації на серійне виробництво апаратури автоматизації стругових установок АРУС.2М (розроблена у відповідності з НДОКР 0919202030Ц10 “Розробити і впровадити комплекс апаратів регулювання, керування стругом АРУС.2М на сучасній елементній базі з використанням мікропроцесорних засобів”).

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яті розділів, висновка, викладених на 138 сторінках машинописного тексту, містить 47 рисунків, 17 таблиць, список літератури з 94 найменувань, 41 сторінку додатків.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми, сформульовані мета, ідея і задачі дослідження, перераховані основні положення, що виносяться на захист.

В першому розділі “Стан питання. Мета і задачі дослідження” викладена характеристика технологічного процесу стругової виїмки як об'єкту автоматизації, виконаний аналіз робіт по створенню засобів забезпечення прямолінійності очисного вибою і контролю за його станом, обгрунтовано прийнятий напрямок розробок, мета і задачі досліджень.

Аналіз технологічного процесу стругової виїмки показує, що одним з основних чинників впливаючим на його ефективність і безпеку є прямолінійність очисного вибою в площині пласта. Практичні спостереження показали, що лінії очисних вибоїв значно скривлені (стріла прогину в окремих випадках досягає 15м). Основні причини скривлення: непостійність товщини стружки і стругання вибою дільницями. Зміна товщини стружки в свою чергу викликана непостійністю вздовж вибою опірності вугілля різанню і зусилля притиснення струга. Експлуатація стругової установки в умовах скривленого очисного вибою призводить до наступного: пориву єднальних кронштейнів, при надмірному скривленні рештачного ставу; клиненню і пориву тягових ланцюгів; зниженню ККД стругової установки (до 12 %); зношенню рештаків, захисних кожухів, привідних зірок і ін. Особливу небезпеку представляє скривлений очисний вибій в умовах відпрацювання викидонебезпечних пластів, оскільки, зміна товщини стружки вздовж вибою визначає його різноманітне посування, а так як збільшенню товщини стружки сприяє зниження опірності вугілля різанню, що характерно для викидонебезпечних зон, то певно впровадження струга в нерозвантажену частину пласта, завдяки цьому провокуючи раптовий викид вугілля і газу.

У зв'язку з відсутністю засобів автоматичного забезпечення прямолінійності, на практиці проводять спеціальні технологічні заходи, основаних на візуальному визначенні ступеня скривлення вибою і наступному струганні його опуклих дільниць. При цьому витрачається значний час на проведення даних заходів, а їхній результат не завжди ефективний, бо вимагає певних навиків та професіоналізму робітників. Ефективним напрямком для усунення зазначених вище обставин є розробка САЗП очисного вибою.

Означені обставини характеризують актуальність питання і є обгрунтуванням для вибору теми дисертаційної роботи.

На основі огляду відомих робіт з питання створення засобів забезпечення прямолінійності, виконаних А. Д. Ігнат’євим, І. Л. Пастоєвим, А. В. Іллюшою, П.Г.Макаренко, В. І. Віницьким, А. А. Щербиною, І. С. Кібріком, А. М. Голубчиковим, О.В. Евертом, В. Т. Загороднюком, Ю. А. Карцевим, В. А. Черновим, Є. С. Снаговським, А. Н. Ткачьовим, В. А. Селіверстовим, В. Т. Сабітовим., В. Т. Снагіним, обгрунтоване прийняте направлення розробок, сформульовані мета і задачі досліджень.

У другому розділі ”Математична модель лінії очисного вибою і системи автоматичного забезпечення її прямолінійності”обгрунтований критерій ефективності функціонування САЗП, розроблена математична модель лінії очисного вибою і системи автоматичного забезпечення її прямолінійності, обгрунтовані параметри регулювання, визначені характеристики процесу вирівнювання скривленої лінії очисного вибою.

В якості критерію ефективності функціонування САЗП запропоновано використати абсолютне відхилення фактичної від заданої ліній вибою, що необхідно мінімізувати на інтервалі, заданому ближньою і дальніми межами вибою. Математичний вираз критерію записується у вигляді

, (1)

де - функція, що описує фактичне положення лінії очисного вибою; - функція, що описує задане положення лінії очисного вибою, - абсциса ближньої (дальньої) його меж.

На критерій (1) накладаються обмеження, викликані вимогами експлуатації

, (2)

де - максимальна стріла прогину фактичної лінії очисного вибою; - максимально допустима стріла прогину; - частота комутацій електропривода струга; - допустима частота комутацій; - швидкість посування лінії очисного вибою; - допустима швидкість посування.

Математичний опис лінії очисного вибою здійснений шляхом її подання у вигляді інтерполяційного сплайна, заданого на сітці її окремих значень, отриманих за результатами маркшейдерських замірів або по показанням датчиків величини посування конвейєра. Необхідність застосування сплайн-методу випливає з вимог, що пред’являються до метода інтерполяції з урахуванням реальних умов експлуатації: змінний крок задавальної сітки; стійкість обчислювального процесу, при значній кількості вузлових крапок. При такому описі, лінія очисного вибою може бути уявлена як безперервна функція (рис. 1) і математично задається у вигляді

, (3)

де - сплайн-функція ступеня N;

() - ордината (абсциса) крапки вибою;

- кількість інтервалів діскретизації.

Рисунок 1 – Опис лінії очисного вибою у вигляді інтерполяційного сплайна

Подання лінії очисного вибою як інтерполяційного сплайна дасть можливість методами аналітичної геометрії: по-перше, оцінити її стан, на основі цієї оцінки сформувати керуючий вплив з метою наближення фактичних параметрів до заданих і отримати нову форму вибою; по-друге, визначити координати рештачного ставу конвейєра та місць установлення датчиків його посування, що важливо при введенні системи в експлуатацію для завдання початкових даних про профіль вибою.

Для визначення стріли прогину використовується контрольна лінійка - пряма, що з'єднає крапки меж вибою

. (4)

Контрольне непогодження – функція, що описує зміну стріли прогину лінії вибою в різноманітних її місцях, записується у вигляді

, (5)

а максимальна стріла прогину визначається як її найбільше значення

. (6)

Бажане положення лінії очисного вибою описується задавальною лінійкою - прямий, що лежить під заданим кутом по відношенню до осі

(7)

Непогодження заданого і фактичного станів ліній вибою

(8)

дозволяє визначити межі дільниць вибою, на яких необхідно виробляти стругання з метою її вирівнювання, за умовою.

Алгоритм моделювання значень фактичної лінії вибою (ФЛВ) здійснюється на основі рекурентного співвідношення

, (9)

де () - положення лінії очисного вибою з початку (по закінченню) виймального циклу;

- функція, що описує необхідне посування лінії очисного вибою на поточний виймальний цикл для досягнення заданої прямолінійності.

Значення функції обчислюються з умови досягнення мети (1) з урахуванням можливостей системи подачі конвейєра на вибій

(10)

де; - величина кроку пересування,

і містять у собі інформацію про кількість дільниць стругання, їхніх меж і необхідному посуванню на кожній з меж.

Моделювання по виразу (9) здійснюється методом ітерацій до досягнення мети (1), при цьому виконана кількість ітерацій характеризує необхідну кількість виймальних циклів для вирівнювання скривленої лінії очисного вибою. На рис. 2 наведена залежність кількості циклів, при різноманітних кутах нахилу заданої лінії вибою, отриманої в результаті моделювання. Із рис.2 виникає, що для будь-якого початкового стану лінії очисного вибою існує пряма лінія, наближення до якої може бути досягнуте при мінімальній кількості виймальних циклів. Встановлено, що параметри цієї прямої лінії (кут нахилу) можуть бути визначені з умови мінімізації суми квадратів її відхилення від ФЛВ (метод найменших квадратів). Дану властивість необхідно враховувати, при розробці алгоритмів управління, з метою вирівнювання лінії очисного вибою за мінімальний час, якщо її фактичні параметри скривлення не задовольняють до-пустимим вимогам.

Рисунок 2 - Приклад знаходження оптимального куту нахилу заданої лінії вибою

В результаті моделювання також встановлений факт, що при зміні заданих параметрів прямолінійності, можливо накопичування стріли прогину і її перевищення допустимих меж (рис. 3), що суперечить обмеженню (2). Тому, алгоритм моделювання (9) може бути використаний в САЗП для оцінки можливості виходу за допустимі межі стріли прогину та в випадку визначення такої можливості пошуку проміжного кута нахилу заданої лінії, що забезпечує безпечні параметри вибою в процесі його вирівнювання.

Рисунок 3 – Зміна максимальної стріли прогину, при переході на нові задані параметри прямолінійності

У третьому розділі “Розробка системи автоматичного забезпечення прямолінійності очисного вибою” обгрунтовані принцип функціонування і функціональна схема САЗП, розроблені алгоритми вирівнювання скривленої лінії вибою і підтримання заданої.

В основу функціонування САЗП покладений принцип визначення за спеціальною програмою фактичної лінії вибою по показникам датчиків величини посування рештачного ставу конвейєра (РСК) і на основі порівняння її з заданої усунення опуклих дільниць вибою шляхом повторного стругання з обмеженням частоти комутації електропривода струга і швидкості посування вибою за рахунок пауз змінної тривалості в роботі струга і подальшого підтримання заданої прямолінійності шляхом стругання дільниць з можливим утворенням опуклостей з аналогічним обмеженням частоти комутації і швидкості посування вибою.

Побудова функціональної схеми системи виконана по програмному принципу, основу якої складає БПК (рис. 4). БПК формує булеву функцію керування G, яка являє собою послідовність двурозрядних двоїчних чисел, визначаючих стан ЕПС в відповідності з виразом

. (11)

Рисунок 4 – Функціональна схема САЗП очисного вибою з програмним керуванням

Формування конкретних значень функції керування на черговий виймальний цикл здійснюється на основі непогодження заданої і фактичної ліній вибою, контрольного непогодження за наступним алгоритмом. Попередньо визначається якого впливу потребує ФЛВ: вирівнювання або підтримання, завдяки цьому визначаючи етап функціонування САЗП. Якщо визначено, що ФЛВ потребує вирівнювання, то заздалегідь оцінюється її фактична скривленість і, у випадку перевищення допустимих меж, приймаються міри по вирівнюванню очисного вибою за мінімальний час. Для цього, тимчасово в якості заданих параметрів прямолінійності, приймається пряма, що лежить під оптимальним кутом нахилу, метод обчислення якого описаний раніше. У випадку, якщо фактичний ступінь скривленості допустимий, то заздалегідь оцінюється можливість виходу за допустимі межі стріли прогину в процесі вирівнювання і при необхідності вибирається проміжний кут нахилення заданої лінії вибою. Таким чином, при вирівнюванні скривленої лінії очисного вибою, безпосередньо перед формуванням керуючого впливу визначається кут нахилу заданої лінії вибою. Після цього здійснюється порівняння заданої і фактичної ліній вибою та на цій основі визначається кількість дільниць стругання, їхні межі і необхідна тривалість паузи в роботі струга перед його реверсуванням і величина посування на кожній з дільниць. Сукупність отриманих таким чином значень являє собою програму обробки вибою. Якщо кількість дільниць стругання 2 і більш, то програма потребує упоряднення для знаходження найкращої послідовності стругання дільниць. Для цього використовується критерій мінімізації сумарних витрат часу на транспортування виконавчого органу струга до дільниць стругання.

Якщо визначено, що лінія очисного вибою потребує підтримання прямолінійності, то стругання здійснюється за всією довжиною вибою з додатковим реверсуванням струга на дільницях з імовірним утворенням опуклостей. Основою для визначення меж таких дільниць служать значення середньої товщини стружки вздовж вибою за результатами попереднього циклу стругання. Для підвищення точності обчислення значень товщини стружки в систему введене РТ (рис. 4), що дозволить враховувати тільки ті переміщення виконавчого органу струга, що вчинялися з включеним притиском.

Для врахування можливостей системи подачі в схемі (рис. 4) присутній ДЦ, контролюючий ступінь висуву одного з гідродомкратів пересування, що дозволяє визначити готовність обладнання до нового виймального циклу.

Необхідна тривалість паузи в роботі струга перед кожним його реверсуванням визначається за виразом

, (12)

де - тривалість паузи за умовою обмеження частоти комутації електропривода струга;

- тривалість паузи за умовою обмеження швидкості посування очисного вибою;

- встановлена мінімальна тривалість паузи.

В свою чергу:

; (13)

, (14)

де - довжина дільниці стругання;

- швидкість руху виконавчого органу струга;

- товщина стружки.

У четвертому розділі “Розробка і вдосконалення елементів системи автоматичного забезпечення прямолінійності” розглянуті питання вдосконалення основних елементів САЗП – пристрою контролю місцезнаходження струга (ПКМС) і ДПК, а також розробці функціональних перетворювачів інформації.

В основу побудови ПКМС і ДПК покладений принцип розподілу основного лічильника імпульсів на два: лічильник абсолютних значень (ЛАЗ) і лічильник прирощень (ЛП). В цьому випадку визначення нових показників здійснюється в відповідності з рекурсивним співвідношенням

, (15)

де - стан ЛАЗ, - прирощення стану ЛП за контрольований проміжок часу.

Розроблені на основі даного принципу функціональні схеми, які відрізняються використанням електричного запам’ятовуючого пристрою, що перепрограмовується, іоністора і пристрою асинхронної приймання-передачі, дозволили створити ПКМС і ДПК нового технічного рівня, що володіють наступними перевагами у порівнянні з відомими аналогами: знижений обсяг пам'яті, яка необхідна для зберігання і передачі по лініям зв'язку (для ПКМС в 2 рази, для ДПК в 4 рази); використання одностороннього обміну інформацією; зниження габаритів, що з урахуванням експлуатації їх в очисному вибої має істотне значення; виняток з схеми акумуляторної батареї і зв'язаних з її застосуванням недоліків.

Встановлено, що на вибір параметрів ПКМС основний вплив виявляє величина вільного вибігу струга, яку необхідно враховувати для підвищення точності визначення його місцезнаходження, а розроблена статистична модель

,, (16)

де - математичне очикування величини вільного вибігу;-середньоквад-ратичне відхилення; рівномірно розподілене випадкове число,, дозволяє визначити розкид показань ПКМС з урахуванням імовірних властивостей їхнього формування.

В результаті моделювання за виразом (16) встановлено, що для існуючих типів стругових установок достатньо використати восьмирозрядний ЛП.

Обгрунтовані ефективні алгоритми перетворення інформації в САЗП на основі реккурентних співвідношень, що покладені в основу функціонування ФЗЛВ і ФКР. Розроблено програмне забезпечення, що реалізує дані алгоритми, для однокристальних мікроконтролерів (ОМК) сімейства 80C51 фірми Intel, що широко використовуються для побудови локальних систем автоматизації.

П'ятий розділ “Експериментальна перевірка і практичне використання результатів досліджень” присвячений підтвердженню правильності моделей і алгоритмів керування, питанням практичної реалізації і економічної ефективності САЗП.

Метою проведених експериментальних досліджень є перевірка правильності принципу функціонування САЗП і математичної моделі лінії очисного вибою, шляхом проведення обчислювального експерименту по даним шахти і наступного порівняння із ними отриманих розрахункових значень.

Для перевірки точності моделювання значень лінії очисного вибою застосовувався метод винятку однієї вузлової крапки початкової сітки числових значень і наступного визначення її ординати по відомій абсцисі. Порівнюючи отримане розрахунковим шляхом і дійсне значення, визначається точність методу. В результаті встановлено, що максимальна похибка визначення значень фактичної лінії вибою між вузлами інтерполяції не перевищує 4%.

Правильність алгоритмів забезпечення прямолінійності здійснювалася шляхом порівняння значень меж: розрахункових і фактичних по даним шахти, отриманих при виконанні робіт по вирівнюванню вибою. Розрахункові значення меж визначалися шляхом введення в програмну модель САЗП параметрів форми вибою. Розбіжність при цьому не перевищувала 15%, що свідчить про правильність алгоритмів керування.

Обгрунтована реалізація моделі САЗП на базі візуальних засобів програмування (наприклад, мова програмування Delphi фірми Borland) з відображенням на екрані монітору конструктивних елементів інтерфейсу системи з оператором стругової установки. Це підвищує ефективність відладки алгоритмічного забезпечення, прискорює процес розробки системи, дозволяє виключити витрати на створення натурних моделей системи.

Використання при побудові принципових електричних схем нової технічної бази (малогабаритні ОМК серії PIC16 фірми MicroChip; електричні запам’ятовуючі пристрої, що перепрограмовуються, послідовного типу; іоністори), дозволило реалізувати прості і надійні в роботі датчики автоматизації (ПКМС, ДПК).

Обгрунтована необхідність реалізації САЗП в складі апаратури автоматизації стругових установок АРУС.2М (розробка ВАТ “Автоматгірмаш”, м. Донецьк), що дозволяє значно знизити вартість САЗП, бо в цьому випадку вимагаються мінімальні зміни апаратної частини. Запропоновані в роботі схемотехнічні рішення і програмне забезпечення, що дозволять реалізувати функції САЗП в складі апаратури АРУС. 2М, використані ВАТ “Автоматгірмаш” при корегуванні технічної документації на серійне виробництво даної апаратури з метою розширення її функціональних можливостей.

У висновку сформульовані наукові результати і практична значимість виконаної роботи.

В додатках наведені листінги програм, що реалізують алгоритми моделювання та функціонування САЗП; опис програмного забезпечення САЗП; принципові електричні схеми; документи про використання результатів дисертаційної роботи.

ВИСНОВОК

В дисертаційній роботі дане нове рішення актуальної наукової задачі, що полягає в розробці системи автоматичного забезпечення прямолінійності очисного вибою при струговій виїмці на основі наукового обгрунтування критерію ефективності функціонування, принципу побудови і математичного опису об'єкту та системи його керування, що дозволить підвищити ефективність і безпеку технологічного процесу стругової виїмки на гірничих підприємствах за рахунок зниження непродуктивних витрат часу, питомої витрати електроенергії, аварійності обладнання і забезпечення роботи струга в розвантаженій зоні пласта.

Основні наукові висновки і результати роботи полягають в наступному:

1. Однім з основних чинників, впливаючих на ефективність і безпеку стругової виїмки, є прямолінійность очисного вибою в площині пласта. Встановлено, що робота в умовах з скривленою лінією очисного вибою супроводжується зниженням ККД стругової установки, підвищеною спрацьованістю її елементів. В умовах відпрацювання викидонебезпечних пластів динамічний вплив виконавчого органу струга на спрацьований очисний вибій може стати причиною раптового викиду вугілля і газу. Ефективним направленням для усунення цих недоліків є розробка системи автоматичного забезпечення прямолінійності очисного вибою.

2. Аналіз існуючих засобів автоматизації стругових установок показав, що вони не дозволяють вирішити задачу забезпечення прямолінійності лінії очисного вибою в автоматичному режимі. По цій причині, на практиці проводять спеціальні заходи, основані на візуальному визначенні ступеня скривлення вибою і наступного стругання його опуклих дільниць. Проведення даних заходів пов'язане з певними витратами робітничого часу, вимагає навиків і професіоналізму обслуговуючого персоналу, а результат їхнього проведення не завжди ефективний.

3. Обгрунтований критерій ефективності функціонування системи автоматичного забезпечення прямолінійності, що полягає в мінімізації абсолютного відхилення фактичної лінії очисного вибою від заданої на інтервалі, обмеженому її ближніми і дальніми межами. На даний критерій накладуються обмеження технічного і технологічного характеру: фактична максимальна стріла прогину, швидкість посування вибою і частота комутації електропривода струга не повинні перевищувати допустимі межі.

4. Розроблена математична модель лінії очисного вибою і системи автоматичного забезпечення її прямолінійності. При цьому лінія очисного вибою описується як інтерполяційний сплайн. Таке її подання дасть можливість методами аналітичної геометрії на площині оцінити її стан і на основі цієї оцінки сформувати керуючий вплив з метою наближення фактичних параметрів до заданих. Розроблена модель адекватна реальним умовам, оскільки будується на базі даних маркшейдерскіх замірів, а похибка визначення значень фактичної лінії вибою між вузловими крапками не перевищує 4%.

5. Обгрунтовані принцип функціонування і функціональна схема системи автоматичного забезпечення прямолінійності очисного вибою, що відрізняється формуванням керуючих впливів на черговий виймальний цикл на основі непогодження фактичної і заданої ліній очисного вибою шляхом повторного стругання опуклих дільниць, при вирівнюванні скривленого вибою, та струганні дільниць з можливим утворенням опуклостей, при підтримці заданої прямолінійності, з обмеженнями частоти комутації електропривода струга і швидкості посування вибою за рахунок пауз в роботі струга змінної тривалості.

6. Вирівнювання очисного вибою найбільш ефективно здійснюється, якщо значення заданої лінії вибою задовольняють умові мінімізації суми квадратів відхилень від значень фактичної лінії. В цьому випадку вимагається мінімальна кількість циклів для досягнення заданої прямолінійності.

7. Переклад з одного заданого стану в інший супроводжується збільшенням стріли прогину, при цьому можливо перевищення фактичної стріли прогину допустимих меж навіть при незначному прирошенні куту схилу заданої лінії вибою. Щоб уникнути цього необхідно здійснювати плавний перехід на задані параметри прямолінійності.

8. При вирівнюванні вибою, якщо кількість опуклих дільниць більш двох, вимагається в залежності від поточного місцезнаходження струга визначити раціональну послідовність стругання дільниць. Обгрунтоване в даному випадку додатково використати критерій мінімізації сумарних витрат часу на транспортування струга до дільниць стругання.

9. Запропонований принцип побудови пристроїв контролю місцезнаходження струга і посування конвейєра, що відрізняється використанням лічильників абсолютних і відносних прирощувань, електричного запам'ятовуючого пристрою, що перепрограмовується, і іоністора, що дозволяє скоротити обсяг передаваємої інформації, а також відмовитися від застосування акумуляторних батарей. Основний вплив на параметри пристрою контролю місцезнаходження струга робить величина вільного вибігу струга, що є випадковою і підкоряється логарифмічному нормальному закону розподілу. Розроблена статистична модель величини вільного вибігу, яка на стадії проектування дозволила вибрати параметри пристрою, що забезпечує його тривку роботу в імовірносному середовищи.

10. Результати обчислювального експерименту, проведеного по даним шахти “Заперевальна” №2 ш/у “Донбас”, підтвердили правильність запропонованого принципу функціонування системи автоматичного забезпечення прямолінійності очисного вибою (розбіжність в визначенні розрахункових меж дільниць стругання з шахтними даними не перевищує 15%).

11. Результати виконаних досліджень використані ВАТ “Автоматгірмаш” при корегуванні технічної документації на серійне виробництво комплексу апаратів регулювання і керування стругом АРУС.2М за темою 0919202030Ц10 “Розробити і впровадити комплекс апаратів регулювання, керування стругом АРУС-2М на сучасній елементній базі з використанням мікропроцесорних засобів” з метою поширення його функціональних можливостей.

За темою дисертації опубліковані наступні праці:

1. Груба В.И., Староверов К.С. Принципы построения системы автоматического обеспечения прямолинейности забоя струговой лавы// Уголь Украины.- 1999.-№11. С. 38-40.

2. Груба В.И., Староверов К.С. Математическая модель фактического состояния линии забоя струговой лавы// Труды Донецкого государственного технического университета. Выпуск 7, серия горно-электромеханическая. – Донецк: ДонГТУ,1999. – С. 69- 74.

3. Груба В.И., Староверов К.С. Принципы совершенствования устройства контроля местонахождения струга в лаве// Известия Донецкого горного института. - 1999.-№2.-С.67-71.

4. Кибрик И.С., Староверов К.С. Результаты приемочных испытаний комплекса АРУС.2М// Уголь Украины, 1999.-№7.- С.27-29.

5.Староверов К.С. Система автоматического обеспечения прямолинейности (САОП) – одно из средств повышения эффективности и безопасности струговой выемки угля// Прогрессивные технологии и системы машиностроения: международный сб. научных трудов: Специальный выпуск – Материалы V международной научно-технической конференции “Машиностроение и техносфера на рубеже ХХI века” в г. Севастополе 8-11 сентября 1998г. в 3-х томах. Т.3 – Донецк: ДонГТУ. Вып.6, 1998.- С.123-125.

Особистий внесок дисертанта в публікаціях: [1] – обгрунтування принципів функціонування САЗП і її елементів; [2] – розробка математичної моделі; [3] – розробка принципу функціонування і функціональна схема ПКМС, розробка статистичної моделі величини вільного вибігу струга; [4] – обгрунтування необхідності реалізації САЗП на базі апаратури автоматизації стругових установок АРУС.2М.

АННОТАЦИЯ

Староверов К.С. Система автоматического обеспечения прямолинейности очистного забоя при струговой выемке. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - '' Автоматизация технологических процессов''. - Донецкий государственный технический университет, г. Донецк, 2000г.

На основе теоретических и экспериментальных исследований в диссертационной работе предложено новое решение актуальной научной задачи создания системы автоматического обеспечения прямолинейности очистного забоя при струговой выемке, заключающееся 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 заданной прямолинейности путем строгания забоя в местах с возможным образованием выпуклостей с аналогичным ограничением скорости подвигания и частоты коммутаций, тем самым обеспечивая минимальные тяговое усилие и износ механической части струговой установки, а также нахождение в допустимых пределах скорости подвигания забоя. Реализация данной системы на практике позволит снизить расход электроэнергии за счет исключения дополнительных сил трения, возникающих на искривленных участках трассы цепей струга и конвейера; уменьшить износ тяговых органов струга и конвейера и контактирующих с ними, распределенными вдоль очистного забоя, элементами; снизить аварийность рештачного става конвейера из-за отказа соединительных элементов при превышении допустимого угла взаимного раскрытия рештаков; повысить безопасность ведения горных работ при отработке выбросоопасных пластов за счет стабилизирующего свойства системы, обеспечивающего постоянство скорости подвигания очистного забоя и ее нахождение в допустимых пределах, что позволяет обеспечить работу струга в разгруженной зоне и как следствие уменьшить вероятность возникновения внезапного выброса угля и газа. В работе решены следующие задачи:

1.Научно обоснован критерий эффективности функционирования САОП , заключающийся в минимизации абсолютного отклонения фактической от заданной линий забоя на интервале, ограниченном ближними и дальними его границами, с учетом выполнения ограничений по фактической максимальной стреле прогиба линии очистного забоя, частоте коммутаций электропривода струговой установки и скорости подвигания забоя.

2.Впервые разработана математическая модель линии очистного забоя и системы автоматического обеспечения её прямолинейности, отличающейся описанием линии забоя в виде непрерывной функции, представленной как интерполяционный сплайн, с целью дальнейшего ее сравнения с заданной линией и на основании этого выработки управляющих воздействий, направленных на обеспечение заданной прямолинейности. Разработанная модель является адекватной объекту, поскольку погрешность формирования значений линии забоя в данном случае определяется точностью маркшейдерских съемок и ошибками сплайн – интерполяции между узловыми точками, которые не превышают 4%.

3.Предложен принцип построения устройств контроля местонахождения струга и подвигания конвейера, отличающийся применением счетчиков абсолютных и относительных приращений, электрически перепрограммируемого запоминающего устройства и ионистора, что позволило уменьшить объем памяти для хранения и передачи информации, а также отказаться от применения аккумуляторных батарей.

Ключевые слова: струговая технология выемки угля, прямолинейность забоя, математическая модель, автоматическая система, критерий эффективности, принципы построения, алгоритм функционирования.

АНОТАЦІЯ

Старовєров К. С. Система автоматичного забезпечення прямолiнiйностi очисного вибою при струговій виїмці. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 - '' Автоматизація технологічних процесів''. - Донецький державний технічний університет, м. Донецьк, 2000р.

Дисертація присвячена рішенню актуальної наукової задачі створення системи автоматичного забезпечення прямолінійності (САЗП) очисного вибою в площині пласта при струговій виїмці. В основу функціонування запропонованої системи покладений принцип вирівнювання скривленої лінії очисного вибою шляхом повторного стругання його опуклих ділянок, певних на основі порівняння заданої і фактичної ліній, з обмеженням швидкості посування і частоти комутації за рахунок пауз в роботі струга змінної тривалісті і подальшого підтримання заданої прямолінійності струганням ділянок з імовірним утворенням опуклостей. Розроблена математична модель лінії очисного вибою, що дозволяє оцінити її стан і на основі цього сформувати керуючий вплив, направлений на забезпечення заданих параметрів прямолінійності. Науково обгрунтований критерій для оцінки ефективності функціонування САЗП, що полягає в мінімізації абсолютного відхилення фактичного від заданого стану лінії вибою з урахуванням виконання обмежень по фактичній максимальній стрілі прогину, допустимим частоті комутації електропривода струга і швидкості посування очисного вибою.

Ключові слова: стругова виїмка, очисний вибій, прямолінійність, математична модель, автоматична система, критерій ефективності, принципи побудови, алгоритм функціонування.

ABSTRACT

Staroverov K.S. System of automatic support of a linearity of stope at a plow winning. -Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by speciality 05.13.07 - " Automation of the technological processes". - Donetsk state technical university, Donetsk, 2000.

The thesis is devoted to a solution of the actual scientific task of creation of the system of automatic support of a linearity (SASL) of stope in a plane of a seam at a plow winning. The principle of leveling of a curved line of stope by repeated planing of its convex sites, particular on the basis of matching given and actual lines, with limitation of an advance rate and frequency of commutations at the expense of pauses in operation of a planer of variable duration and further maintaining of a given linearity is put in a basis of operation of the offered system by planing of sites with probable derivation of convexities. The mathematical model of a line of stope is designed which allows to estimate its state and on the basis of it to generate control actions, directional on support of given parameters of a linearity. Criterion for an estimation of efficiency of operation SASL, consisting in minimization of absolute deviation actual from a given state of breast length scientifically is justified in view of execution of limitations on an actual maximum sagging deflection admitted to frequency of commutations of the electric drive of a planer and an advance rate of stope.

Key words: a plow winning, stope, linearity, mathematical model, automatic system, criterion of efficiency, principles of build-up, algorithm of operation.