НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

Чичикало Ніна Іванівна

УДК 681.518.54

ПРИНЦИПИ ПОБУДОВИ ТА РЕАЛІЗАЦІЇ ІНФОРМАЦІЙНО-

ВИМІРЮВАЛЬНИХ СИСТЕМ ВИЗНАЧЕННЯ НАВАНТАЖЕНОГО СТАНУ

НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИХ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ОБ'ЄКТІВ

Cпеціальність 05.11.16 - інформаційно-вимірювальні системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ-2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі електронної техніки Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України, м. Донецьк

Науковий консультант доктор технічних наук, професор Зорі Анатолій Анатолійович, Донецький національний технічний університет МОН України, м. Донецьк, завідувач кафедри електронної техніки.

Офіційні опоненти: Провідна установа доктор технічних наук, професор Боличевцев Олексій Дмитрович, Українська інженерно-педагогічна академія МОН України, м. Харків, завідувач кафедри автоматики та радіоелектроніки; доктор технічних наук, професор Поджаренко Володимир Олександрович, Вінницький державний технічний університет МОН України, м. Вінниця, завідувач кафедри метрології і промислової автоматики; доктор технічних наук, професор Щербак Леонід Миколайович, Національний авіаційний університет, м. Київ, завідувач кафедри комп'ютеризованих систем захисту інформації. ДНДІ метрології, вимірювальних і управляючих систем Держстандарту України (відділ "Розроблення науково-технічних та організаційних засобів метрологічного забезпечення інформаційно-вимірювальних систем та автоматизованих систем керування технологічними процесами") м. Львів.

Захист дисертації відбудеться 12 березня 2002 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.02 в Інституті електродинаміки НАН України, за адресою: 03680, м. Київ-57, проспект Перемоги, 56, тел. 446-91-15.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України за вищевказаною адресою.

Автореферат розісланий “ 5 ” лютого 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Ю.Ф. Тесик

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В сучасних умовах розвитку економіки України існує проблема одержання об'єктивної інформації про навантажений стан технологічних об'єктів, що взаємодіють під час роботи з контрольованим середовищем. Такими об'єктами є вугледобувні комплекси, пружні пристрої різноманітного призначення, ємності: бункери, силоси, дозатори, тощо. Вони знаходяться під дією масових, сил Архімеда, та інших, потенціальна енергія яких накоплена середовищем. Контрольованим середовищем можуть бути сипучі, кускові гранульовані речовини, вміщені гірничі породи, рідкі розчини та суміші і т.п. Під час взаємодії об'єкти зазнають значних деформацій, непропорційних напругам, при яких, як відомо, закон Гука перестає бути навіть приблизно справедливим. Однозначно визначити їх навантажений стан характеристикою напруженостей або деформацій неможливо. Тому такі технологічні об'єкти доцільно далі називати напружено-деформованими /НДО/.

Складність проблеми обумовлена наявністю неординарних ситуацій, притаманних даному виду об'єктів під час їх взаємодії з контрольованим середовищем. Оцінка і розпізнавання цих ситуацій можливі тільки при розробці нових методів і засобів та створенні на їх основі принципів побудови інформаційно-вимірювальних систем /ІВС/ визначення навантаженого стану напружено-деформованих технологічних об'єктів.

Рішенням указаної проблеми займалось багато інститутів різних галузей промисловості. Великі успіхи досягнуті інститутами: ІГД ім. Скочинського, м. Москва; Електродинаміки НАН України, Автоматики, Національним технічним університетом України “Київський політехнічний інститут”; п/о Веда, м. Київ; інститутами ДонВУГІ, Автоматгормаш, м. Донецьк; Харчопромавтоматика, м. Одеса і ціл им рядом інших організацій близького і далекого зарубіжжя.

Великий вклад в розвиток наукових досліджень в галузі електричних і магнітних вимірювань, в створення швидкодіючих високоточних вимірювачів переміщень на основі мостових схем змінного струму і ємнісних перетворювачів, теорію індуктивно-ємнісних перетворювачів та систем стабілізованого струму внесли вчені Інституту електродинаміки НАН України академіки Шидловський А.К., Гриневич Ф.Б., Счастлівий Г.Г. та інші. Досягнуті ними результати покладені в основу багатьох ІВС і широко використовуються в різних галузях.

Існуючі технічні рішення не враховують процес взаємодії об'єктів з середовищем і його вплив на технологічний процес та на його якісні показники в реальному часі. Це приводить до непередбачених простоїв технологічного обладнання, обумовлених порушенням сталого стану об'єкта та введенням додаткових операцій на його відновлення.

Ефективне рішення цієї проблеми може бути здобуто тільки при системному підході, коли приймається до уваги комплекс факторів, що визначають механізм оптимальної взаємодії, при якому забезпечується конструктивно-функціонально-технологічна єдність об'єкта та інформаційно-вимірювальної системи за допомогою конструктивних і математичних моделей, які однозначно визначають навантажений стан об'єкта.

Такий підхід дозволяє одержати високий технічний рівень метрологічного забезпечення засобів та систем контролю, який передбачає встановлення і використання наукових та організаційних основ, правил і норм, необхідних для досягнення єдності і потрібної точності вимірювань.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Представлена дисертаційна робота є результатом НДР науково-технічної тематики Донецького національного технічного університету (теми № 80-292, №82-292, № 84-292, № 87-294, № 92-292, № 94-292, № Г15-94, №Г14-94, №Г8-99), виконаних у відповідності до планів наукових досліджень згідно з координаційними, республіканськими та регіональними планами для об'єктів вугільної, кондитерської, хлібопекарної та макаронної промисловостей. Номера державної реєстрації: 81036707, 80023714, 01890004521, 0199U001143.

Автор дисертації приймала безпосередню участь у виконанні указаних НДР і була їх науковим керівником.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка принципів побудови і реалізації інформаційно-вимірювальних систем визначення навантаженого стану напружено-деформованих технологічних об'єктів, експлуатація яких відбувається в умовах наявності випадкових дій сил потенціальної енергії, накопленої середовищем, що викликає під час взаємодії порушення технологічного процесу і безпеки проведення робіт та простої, пов'язані з ліквідацією наслідків цих порушень.

Ідеєю роботи є забезпечення стабільного співвідношення між параметрами інформаційно-вимірювальної системи і напружено-деформованого об'єкта з допомогою виявлення і ідентифікації механізму взаємодії між ними, що базується на їх конструктивно-технологічно-функціональній єдності та реалізує принципи визначення і підтримання сталого навантаженого стану об'єкта.

Для досягнення мети поставлені і вирішені наступні основні завдання.

1. Провести аналіз навантаженого стану механізованих вугледобувних комплексів та виконати класифікацію причин простоїв, обумовлених процесом їх взаємодії з вміщеними породами.

2. Створити комплекс математичних моделей та способів, які реалізують принципи побудови ІВС, що забезпечують контроль і підтримку сталого навантаженого стану напружено-деформованих вугледобувних об'єктів на основі визначених параметрів:

- модель регресії, яка встановлює кореляційні зв'язки між параметрами та забезпечує визначення основних, що впливають на продуктивність;

- модель передісторії для визначення кроку передісторії і прогнозування максимально-допустимого значення швидкості переміщення комбайна на наступному циклі в визначених частках лави;

- моделі та способи, що встановлюють зв'язок між контрольованими ситуаціями навантаженого стану вугледобувного об'єкта і режимними параметрами і. є основою для побудови адаптивних ІВС. Вироблені ІВС уставки для прийняття рішень впливають на об'єкт в напрямку підтримки сталого стану вміщених порід, одночасно змінюються вхідні параметри системи;

- спосіб визначення з заданою точністю місцезнаходження вугледобувного комбайна відносно секцій кріплення з урахуванням його швидкості переміщення для забезпечення точності прийняття рішень в заданих координатах в реальному часі;

- спосіб визначення місцезнаходження рівнодіючої сил перекриття секції кріплення, що вирішує питання, пов'язані з підтримкою параметрів сталого стану секцій кріплення в реальних умовах експлуатації.

3. Розробити математичні моделі і алгоритми, які реалізують принципи побудови ІВС визначення навантаженого стану ємностей та дозаторів та встановлюють зв'язки між технологічними параметрами контрольованого середовища, параметрами об'єкта і вимірювальної системи:

- модель процесу завантаження-вивантаження, що дозволяє в реальному часі слідкувати за переміщенням маси сировини в ємностях;

- модель для визначення маси в темперованих ємностях з несиметричними мішалками, яка враховує вплив асиметрії центра мас відносно осі симетрії та встановлює зв'язок між величинами сил реакції в заданих місцях вимірювання та дійсним значенням маси напівфабрикату;

- моделі для визначення маси в ємностях з n-опорними конструкціями при використанні мінімально-необхідного числа датчиків навантаження.

4. Створити іскробезпечні засоби для визначення навантаженого стану напружено-деформованих вугледобувних об'єктів в процесі їх роботи.

5. Розробити математичну модель для визначення в реальному часі з заданою точністю значення аргументу на заданих частках апроксимації по заздалегідь визначеній неперервно-зростаючій функції.

6. Створити математичні моделі і типові структури для побудови ІВС, які дозволяють реалізувати пристрої-прототипи напружено-деформованих об'єктів та визначати технологічні параметри контрольованого середовища.

7. Створити пристрої-прототипи для визначення технологічних параметрів, відповідних заданим метрологічним характеристикам і умовам експлуатації.

8. Розробити алгоритми моделювання характеристик об'єктів для перевірки адекватності теоретичних положень реальним фізичним процесам.

Об'єктом дослідження є процес взаємодії напружено-деформованих технологічних об'єктів з контрольованим середовищем.

Предметом дослідження є методи, засоби і інформаційно-вимірювальні системи визначення навантаженого стану напружено-деформованих технологічних об'єктів.

Методи дослідження. Вирішення сформульованих в дисертаційній роботі задач базувалось на використанні методів теорії математичного аналізу і математичної статистики, прикладної і обчислювальної математики, теорії вірогідності, методів теорії інформації. Адекватність одержаних теоретичних положень підтверджена за допомогою планування та проведення інженерного та обчислювального експерименту, методів фізичного та імітаційного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному.

1. Вперше розроблені основи теорії оцінки процесу взаємодії напружено-деформованих об'єктів з контрольованим середовищем на підставі розгляду їх як складових частин технологій єдиної функціональної структури, які базуються на математичних, конструктивно-модульних та структурних моделях, що забезпечують визначення навантаженого стану та взаємну адаптацію параметрів об'єкта і інформаційно-вимірювальної системи.

Кінцева мета методології цих досліджень спрямована на досягнення високої ефективності цільових ІВС.

2. Створено функціонально закінчений комплекс математичних моделей, які затверджують принципи побудови і реалізації ІВС для визначення параметрів навантаженого стану машин і механізмів вугледобувних об'єктів, а також ступеня впливу вміщених порід на поведінку механізованих комплексів під час їх взаємодії.

2.1. Запропонована модель регресії, що встановлює кореляційні зв'язки між продуктивністю і параметрами, які характеризують умови і режими експлуатації комплексу. Встановлено, що найбільш впливовим на продуктивність є конкретно визначена оптимальна швидкість переміщення комбайна, при якій відсутні обвали покрівлі в призабійний простір.

2.2. Запропонована модель передісторії, що аналізує навантажений стан секцій механізованого кріплення за попередні цикли роботи та дає можливість прогнозування максимально можливої швидкості переміщення комбайна без порушень сталого стану покрівлі в визначених частках лави на наступному циклі. При цьому визначено достатній крок передісторії, що дорівнює двом циклам.

2.3. Запропоновано спосіб визначення презентабельних показників для контролю ситуацій навантаженого стану консолі секції кріплення. Моменти сил, що діють на консоль, залежать від контакту “покрівля-кріплення” і контролюються датчиком навантаження, вмонтованого в місці стику консолі з основним перекриттям. Відсутність контакту ідентифікується вимірювальною системою як “0”, нормальний контакт - “1”, перевантаження - “2”. В залежності від цих показників на трьох секціях по ходу комбайна, за допомогою розробленої математичної моделі визначається навантажений стан вугледобувного об'єкта та пропонуються уставки в систему управління для прийняття рішень на регулювання швидкості подачі. Завдяки таким функціям ІВС забезпечується підтримка сталого навантаженого стану та ліквідуються простої, обумовлені вивалами в призабійний простір.

2.4. Встановлено, що потенціальна енергія забою, обумовлена наявністю газу-метану у вугільному пласті, проявляється під час дії на пласт ріжучого органу у вигляді мікроударів. Величину та інтенсивність їх можна контролювати датчиком навантаження або переміщення, встановленим між корпусом комбайна і шнеком або між корпусом комбайна і ребордою корпуса конвеєра відповідно. Запропонована математична модель дає можливість визначати величину та інтенсивність мікроударів та формувати уставки на зменшення швидкості подачі комбайна при появі мікроударів аж до повної його зупинки.

2.5. Для досягнення якомога меншої величини незакріпленого простору вслід за ріжучим органом комбайна запропонована математична модель для визначення місцезнаходження комбайна відносно секцій кріплення в реальному часі з необхідною точністю на підставі сигналів від безконтактних датчиків положення, розташованих напроти кожної секції, та сигналів від датчиків швидкості переміщення комбайна.

2.6. Запропоновано спосіб та математичну модель для визначення місцезнаходження рівнодіючої сил, що діють на перекриття секції кріплення, яка дозволяє вирішити питання, пов'язані з визначенням напрямку тенденції розверчення підтримуваної покрівлі.

3. Вперше розроблені математичні моделі і методи оцінки навантаженого стану ємностей та дозаторів, за допомогою яких можуть бути одержані близькі до теоретичних характеристики процесів завантаження-вивантаження для типових конструкцій. Використання їх при побудові ІВС дозволяє в реальному часі слідкувати за ходом технологічного процесу та його відхиленням від нормального, а також при незначному наборі вимірювальних засобів задовольнити однозначність і необхідну похибку визначення величини і характеру розміщення маси в ємностях.

4. Створено малогабаритні засоби контролю навантаження, положення і переміщення в іскробезпечному та нормальному виконанні на основі встановлених оптимальних співвідношень між частотно-залежними ланцюгами, електромагнітними параметрами і конструктивними характеристиками датчиків. Вони можуть бути вмонтовані в металеві об'єкти без втрати чутливості і відрізняються від існуючих розширеним діапазоном вимірювань зі стабільною лінійною частиною статичної характеристики та можливістю одержання аналогових і дискретних сигналів на виході і автоматизованого управління дискретними рівнями спрацьовування.

5. Запропоновано аналоговий механізм взаємодії процесу зважування, який реалізує функцію механічного перетворювача маси в пропорційне їй переміщення і безконтактного перетворювача цього переміщення в електричний сигнал. ІВС, розроблені на базі цього механізму взаємодії стали основою для створення пристроїв-прототипів НДО та обладнання для дозування компонентів з похибкою 0,3%, що підтверджено п'ятьома патентами України.

6. На основі математичних моделей розроблені електронні та мікропроцесорні модулі аналітичного визначення параметрів НДО, які разом з датчиками та проміжними перетворювачами покладені в основу структурної організації ІВС для визначення їх навантаженого стану.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

- запропоновані для інтердисциплінарних об'єктів єдиних функціональних структур математичні моделі і засоби дозволяють створити інформаційно-вимірювальні системи майже для всіх видів розглянутих класів НДО, що взаємодіють з контрольованим середовищем, для визначення параметрів і підтримання їх сталого навантаженого стану;

- засоби, пристрої, мікропроцесорні багатоканальні системи і автоматизовані ІВС, створені на основі розроблених математичних моделей і алгоритмів для аналізу і визначення параметрів НДО практично ліквідують недоліки, притаманні даному виду систем, такі як недостатня інформативність, недостатній діапазон вимірювань, велика похибка лінеаризації, незадовільні метрологічні характеристики, відсутність іскробезпечних вимірювальних ланцюгів, відсутність конструктивно-технологічно-функціональної єдності з об'єктом, ненадійність датчиків;

- розроблені математичні моделі для визначення стану напружено-деформованих об'єктів підвищують ефективність інформаційних вимірювальних систем і забезпечують високу ступінь автоматизації процесу вимірювання параметрів технологічних процесів.

Впровадження приведених в дисертаційній роботі досліджень здійснювалось наступним чином.

1. Створенням іскробезпечних вимірювальних технічних засобів для контролю навантаження та положення, які рекомендовані державним Макеєвським науково-дослідним інститутом по безпеці робіт в вугільній промисловості “МакНДІ” для використання в особливо небезпечних умовах. На основі результатів досліджень встановлено, що вихідний ланцюг блока живлення з трьома паралельно підключеними датчиками може бути віднесено до рахунку іскробезпечних з коефіцієнтом іскробезпеки 1,5. (Протоколи №3115-И, №3120-И, №1998-В, 1982 р.).

3. В інституті Гіпровуглемаш Мінвуглепрому СРСР використані рекомендації і науково-технічна документація для прив'язки інформаційно-вимірювальних елементів до секцій кріплення механізованих комплексів 1КМ-103, КМ-66 та ін. (1984 р.).

4. При розробці рекомендацій по визначенню та скороченню причин простоїв вугледобувних комплексів, пов'язаних з порушенням стійкості покрівлі, що впроваджені у виробництво на шахтоуправлінні “Жовтневе”, м. Донецька з підтвердженим річним економічним ефектом у 150 810 тис. руб. на одну лаву (1985 р.).

5. В інституті Гірничого діла ім. А.А.Скочинського Мінвуглепрому СРСР, АН СРСР при розробці РТМ по розрахунку тривкості і стійкості механізованого кріплення при розрахунку ресорних консолей рекомендовано використати методичні пропозиції і результати досліджень по визначенню навантажень в вузлах перекриття механізованого кріплення (1986 р.).

5. Розробкою технічних завдань на іскробезпечний датчик навантаження затвердженого Донецькими виробничими об'єднаннями: “Донецьквугілля” і хлібопекарної промисловості (1986 р.).

6. По результатам промислових випробувань датчик навантаження рекомендований для серійного виробництва. Науково-технічна документація на датчик навантаження іскробезпечний прийнята Донецьким енергозаводом для виготовлення. (1986 р.).

7. Розробкою та затвердженням закритим акціонерним товариством ЗАТ “Укркондитер” технічного завдання на установку типу АДС для дозування та перемішування компонентів, в основу принципу дії якої покладені нові механізми взаємодії ІВС і дозаторів, що базуються на створених вимірювальних засобах, математичних моделях визначення доз компонентів, визначення стану дозаторів та методах дозування (1995 р.).

8. Впровадженням ІВС, принципи побудови яких базуються на використані запропонованих математичних моделей, одноканальних, багатоканальних мікропроцесорних та автоматизованих пристроїв для контролю маси, на підприємствах кондитерської, макаронної, хлібопекарної та вугільної промисловостей України:

- на хлібозаводі №14, м. Донецьк, впроваджена ІВС, яка включає 36 пристроїв контролю маси на силосах безтарного збереження борошна місткістю 90 т (1997 р.). Використання ІВС підтверджено в 2001 р.;

- на Донецькій кондитерській фабриці впроваджена ІВС, до складу якої входять 3 підсистеми визначення маси: в силосі безтарного збереження борошна місткістю 60 т, сировини в виробничих бункерах ємністю 3 т, шоколаду та кондитерського жиру в темперуючих збірниках ємністю 5 т, всього 11 (1992- 1996 р.);

- на Донецькій макаронній фабриці впроваджена ІВС визначення маси в силосах безтарного збереження борошна місткістю 90 т, що включає 12 вимірювальних каналів (1997 р.);

- на Колиндянському концентратно-дріжжевому комбінаті впроваджено 3 ІВС визначення маси сировини та компонентів в бункерах різноманітної місткості (від 1 до

90 т) технологічних ліній цеху №1 і №2 (1994 -1996р.);

- на Черкаській бісквітній фабриці впроваджена ІВС визначення маси доз компонентів в установці типу АДС (1999 р.).

Основні положення і результати наукових досліджень дисертаційної роботи використовуються у навчальному процесі Донецького національного технічного університету, на факультеті комп'ютерних технологій і автоматики при читанні лекцій з курсів “Основи технічної творчості”, “Мікропроцесорні системи контролю і управління”, “Автоматизація схемотехнічного проектування”, “Датчики та пристрої контролю”, при організації лабораторних і практичних робіт, науково-дослідної роботи студентів, в курсовому та дипломному проектуванні.

Особистий внесок здобувача в розробку наукових результатів, які виносяться на захист: принципи побудови ІВС оцінки процесу взаємодії напружено-деформованих об'єктів з контрольним середовищем, які базуються на математичних, конструктивно-модульних і структурних моделях, забезпечують визначення навантаженого стану і взаємну адаптацію параметрів об'єкту і інформаційно вимірювальної системи; комплекс математичних моделей для визначення параметрів навантаженого стану вугледобувних об'єктів (механізованих комплексів) та ступеню впливу на них вміщених порід; математичні моделі, методи і способи оцінки навантаженого стану напружено-деформованих об'єктів: накопичуваних, дозуючих та пристроїв-прототипів, які дозволяють при мінімальнім наборі вимірювальних засобів забезпечити однозначність і потрібну точність визначення кількості і характеру розміщення маси в ємностях; результати досліджень електричних, електромагнітних і конструктивних характеристик датчиків, електронних і мікропроцесорних модулів, які забезпечують створення нових засобів контролю навантаження, положення і переміщення і дозволяють складати типові структури організації інформаційно-вимірювальних систем для даного типу об'єктів; методики та алгоритми для створення ІВС визначення навантаженого стану напружено-деформованих об'єктів, які базуються на коректному застосуванні теорії пружності, теорії адаптивних систем, методів планування і проведення експериментів, моделювання; результати експериментальних і теоретичних досліджень наукових положень, виводів і рекомендацій роботи, проведених на стендах, в виробничих умовах і на ЕОМ.

В друкованих працях, опублікованих у співавторстві, особисто здобувачу належить: в монографії [2] написані розділи 2, 3, підрозділи по аналізу та розробці методів і засобів визначення навантаженого стану вугледобувних напружено-деформованих об'єктів; в монографії [3] автору належать підрозділи 2.4, 2.5 по напівпровідниковим датчикам температури і розділ 7 по п'єзоелектричним датчикам; [4] - метод вимірювання моменту сил на консольну частину секції кріплення; [9] - обґрунтування функцій ІВС та математичні моделі; [10] - структура моделі; [11] - принцип побудови теоретичної математичної моделі визначення навантаженого стану ємностей; [12] - принцип взаємодії режимних і інформаційних параметрів; [13] - математична модель формування оптимальних рішень на вибір швидкості комбайна в залежності від напружено-деформованого стану покрівлі; [14] - аналіз періоду знімання інформації відносно дії конвергенції; [15] - метод зменшення похибок вимірювань; [16] аналіз людського фактору в процесах контролю і управління; [20] - алгоритми моделювання; [22] - методика аналізу; [26] - структурна схема вимірювача [28] принцип дії та схемні рішення; [29] - принцип визначення рівнодіючої сил та побудови математичної моделі; [30] математична модель визначення вологості.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення і прикладні результати роботи доповідались, обговорювались і були схвалені на 20 конференціях і семінарах в містах: Києві, Москві, Донецьку, Одесі, Севастополі, Полтаві, Харкові, а також на міжнародних конференціях в Києві, Польщі, Москві, Алма-Аті, Львові, Таганрозі: в Алма-Аті (Розробка і використання САПР в АСУ гірничого виробництва, 1987 р.); в Москві (Комп'ютерні технології в промисловості, 1994 р.); у Львові (Проблеми створення нових засобів вимірювання параметрів технологічних процесів кондитерської промисловості, 1993 р.); в Польщі (12 Міжнародна конференція по автоматизації в гірничій справі, 1995 р.); в Донецьку (Екологія промислового регіону, 1996 р.); в Севастополі (Автоматизоване управління енергетичними системами, 1995р.); в Києві (Науково-технічне забезпечення розвитку кондитерської та харчоконцентратної промисловості, 1994, 1997 р.) В Таганрозі (Комп'ютерні технології в інженерній діяльності, 1999). В Києві (Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини, 2000). В Таганрозі (Практика і перспективи розвитку інституційного партнерства, 2000, 2001р.)

Публікації. За темою дисертації опубліковано 62 наукових роботи, в тому числі 3 монографії, із них 1 без співавторів, 24 статті в фахових наукових виданнях, із них 11 без співавторів, 5 авторських свідоцтв на винаходи, 5 патентів України, 25 статей депонованих і анотованих в наукових журналах і трудах конференцій.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків, списку використаних першоджерел (256 найменувань) та 2 додатків. Загальній обсяг дисертації складає 427 сторінок, у тому числі 311 сторінок основного тексту, 160 рис., 40 табл., список першоджерел та додатки на 60 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми, дано формулювання мети та ідеї, обґрунтована достовірність наукових положень, практичне значення рекомендацій роботи, показано зв'язок роботи з науковими програмами, науково-дослідними держбюджетними та господарчими договірними темами, наведено відомості про апробацію та публікації.

В першому розділі проаналізовано проблеми і розроблено напрямки досліджень. Показано, що конкретні обставини експлуатації НДО характеризуються багатопараметричним впливом дій сил на їх роботу. Одержання інформації про навантажений стан НДО в процесі експлуатації є дуже важливою обставиною, яка дозволяє пристосувати режимні параметри об'єктів до конкретних умов їх роботи. При коректному застосуванні основних положень теорії пружності обґрунтовано і запропоновано поняття “контрольоване середовище”, “напружено-деформований об'єкт”, тощо.

Для визначення напружено-деформованого стану в точці в теорії пружності користуються шістьма залежностями для компонентів деформації, трьома рівняннями рівноваги і шістьма співвідношеннями між напруженостями і деформаціями. Така система рівнянь достатня для рішення задач теорії пружності. Аналіз рівнянь теорії пружності показує, що між конструктивними параметрами, розміщенням об'єкту відносно прикладених до нього сил і навантаженим станом існують оптимальні співвідношення, що забезпечують його сталість.

Проведені дослідження і аналіз існуючих теорій, методів і засобів показав, що визначення навантаженого стану НДО може бути виконано тільки при розробці механізму оптимальної взаємодії, який встановлює однозначний зв'язок між ІВС, об'єктом і контрольованим середовищем.

В результаті аналізу стану проблеми в роботі поставлені задачі роботи, які передбачають розробку методів, способів, математичного забезпечення та вимірювальних засобів, необхідних для створення ІВС визначення навантаженого стану НДО. Ці питання розкриті в теперішній літературі зовсім недостатньо.

В другому розділі дана методологія вибору параметрів визначення навантаженого стану 4-х видів НДО: видобувних, ємнісних, дозуючих та інформаційних пристроїв-прототипів НДО. На першому етапі досліджень виконано аналіз напружено-деформованих об'єктів, що взаємодіють з контрольованим середовищем та встановлені основні параметри, які визначають їх стан.

Для розгляду взяті об'єкти, найбільш поширені на підприємствах України. Аналіз справи в країнах СНД підтверджує доцільність такої класифікації з точки зору важливості об'єктів.

Поряд з виявленням типових та індивідуальних властивостей напружено - деформованих об'єктів різних технологічних процесів, задачі визначення їх стану ідентичні і приведені у вступі.

Найбільш складними з точки зору дії зовнішніх сил з боку вміщених порід є видобувні об'єкти, обладнані механізованими комплексами. Найголовнішими із них є секції механізованого кріплення та комбайн.

Статистична оцінка параметрів на ЕОМ, що визначають навантажений стан видобувних об'єктів по результатам трьох добових спостережень проведена в 209 лавах, обладнаних комбайнами 2К-52 на 69 шахтах України з різноманітними гірничо-геологічними умовами: потужність пласта m=1,06- 2,04 м, кут нахилу = 0 - 20°, довжина лави l = 90 - 280 м, глибина H = до 1100 м, дозволила одержати модель регресії з відповідною розмірністю коефіцієнтів відносно продуктивності забою, в тому числі для технологічних швидкостей подачі зверху вниз Vзв і знизу вверх Vзн:

В результаті регресивного аналізу встановлено, що вирішальним фактором на продуктивність забою є оптимальна швидкість переміщення комбайна, при якій зберігається сталий навантажений стан забою і не виникають обвали в призабійний простір, що забезпечує оптимальну швидкість переміщення лінії забою, при якій діями конвергенції можна зневажити. Установлені кореляційні зв'язки між параметрами. Запропоновано визначати характер впливу параметрів не по емпіричним лініям, а по кореляційному полю. Наявність сплесків на кореляційному полі свідчить про наявність оптимуму.

Аналіз та визначення оптимальних параметрів за допомогою моделі регресії можна запропонувати для забоїв, обладнаних інформаційною-вимірювальною системою “АІСТ”.

Третій розділ присвячений розробленню принципів створення типових вимірювальних структур для побудови адаптивних ІВС видобувних об'єктів. На підставі аналізу інформації, накопленої ІВС “АІСТ”, розроблена математична модель передісторії, що виявляє зв'язок між місцезнаходженням комбайна на попередніх циклах роботи відносно секцій, де зафіксовані простої, що перевищують 20 хвилин та швидкістю переміщення. Згідно розробленого класифікатора причин простоїв це свідчить про наявність наслідків дій порід покрівлі в призабійному просторі. ІВС також враховує швидкість переміщення лінії забою, точну довжину відрізку шляху, пройденого з даною швидкістю, номер циклу і максимальну швидкість подачі комбайна, при якій пройдений максимальний шлях без обвалу, тобто:

де - місце зупинки комбайна з простоєм тривалістю t > 20 хвилин на попередньому циклі;

- частки з гірничо - геологічними порушеннями, що відповідно дорівнюють відстані одної або двох секцій;

- швидкість комбайна на третьому циклі з урахуванням його швидкостей, відповідно на першому і другому циклах ;

- точний відрізок шляху, пройдений комбайном.

Розроблена також методика прогнозу сталого навантаженого стану видобувного об'єкта по узагальненим, внаслідок спостережень за 45 змін на 4-х частках ш/у “Жовтневе”, залежностям кількості і тривалості простоїв при різних швидкостях подачі комбайна до 20 і вище 20 хвилин.

Встановлено, що конкретним гірничо-геологічним умовам відповідає оптимальна швидкість подачі, при якій не виникають обвали вугільного масиву і порід покрівлі в при забійний простір, скорочуються простої, пов'язані з ліквідацією наслідків обвалів і зростає швидкість переміщення лінії забою. Методику оцінки стану по кумулятивним залежностям можна рекомендувати для лав, не обладнаних підсистемами “АІСТ”.

Але ж прогноз вищеописаними методами потребує великих затрат часу і не вирішує повністю задачу взаємної адаптації параметрів напружено-деформованого стану вміщених порід і параметрів роботи комплексу в реальному часі.

На підставі аналізу і синтезу причинне-дослідних процесів вивалювання і розробленого класифікатора причин простоїв по гірничо-геологічним обставинам, можна їх розпізнавати та визначити, а потім запобігати. Установлено, що окрім математичних потрібні апаратні методи оцінки.

Для цього розроблено іскробезпечні технічні засоби виміру навантаження, до складу яких входять три датчики навантаження з іскробезпечними сигналами на виході, блок живлення та елементи іскрозахисту. Апаратура відрізняється від відомих тим, що пристрій дозволяє підключити 3 магнітнопружних анізотропних перетворювача при умові, що частота живлення джерела була нижче або вище частоти резонансу , тобто виконувалась умова . Тоді при короткому замиканні зі сторони виходу обмоток параметри контуру не змінюються, а всі зміни струму будуть не посилюватися, а затухати в контурі; для зменшення комутаційних навантажень в місці обриву дроту лінії живлення обмотки намагнічування магнітнопружного перетворювача шунтуються за дубльованими ємностями конденсаторів. Таким чином, запропоноване джерело живлення дозволяє збільшити число магнітнопружних датчиків, які підключаються за рахунок збільшення іскробезпечної потужності, що використовується, так як збільшується к.к.д. джерела живлення. Розроблена іскробезпечна апаратура по рекомендації Макеївського науково-дослідного інституту по іскробезпеці може використовуватися в особливо небезпечних умовах, згідно її виконання - “Ро, Іа”.

За допомогою цієї апаратури проведені експерименти на дослідному круговому стенді Донецького вугільного інституту ДонВУГІ на секції кріплення комплексу КМ-87. Експериментальними дослідженнями, при яких одинична сила, одержана при натиску в магістралі 150 кг/ см2, прикладена вздовж секції збоку та посередині по закону, визначеному планом експерименту, фіксувалась датчиком, установленим в середню підресорну частину консолі в місці стику її з основним перекриттям, та самописним приладом.

Одержана карта навантаження секції кріплення установлює зв'язки між характером навантаження секції і аналоговими сигналами датчика, дискретизовані на три рівні “0”, “1”, “2”, відповідно ситуаціям: вивал над консоллю секції, нормальний контакт з породами покрівлі чи перевантаження.

Ці сигнали використовуються для визначення навантаженого стану трьох-секцій по ходу переміщення комбайна з допомогою розробленої математичної моделі (3). Результат обробки інформації видається у вигляді уставок в систему локального регулятора на зміну швидкості подачі комбайна Vр. Таким чином, всього може бути на кожних попередніх трьох секціях 27 ситуацій. Враховуючи, що регулювання швидкості подачі може змінюватися у більшості локальних регуляторів шістьма ступенями, встановлені доцільні зв'язки між ситуаціями і швидкостями, при яких зберігається сталим навантажений стан об'єкта і не проявляються обвали в призабійний простір:

де P1, P2, P3 - навантаження на першій, другій та третій секціях кріплення по ходу комбайна, які приймають значення “0”, “1” і “2”;

a1, a2, a3 - коефіцієнти, відповідно яких обмежуються верхні значення швидкості подачі комбайна в залежності від гірничо-геологічних обставин.

Зміна швидкості подачі в залежності від навантаження на консольну частину секції дозволяє зменшити динамічну дію комбайна в небезпечних місцях, або припинити її до усунення аварійної ситуації і тим самим підтримувати сталий напружено-деформований стан покрівлі. Таким чином забезпечується взаємна адаптація об'єкта, середовища і вимірювальної системи.

Дослідження в шахті на секціях кріплення комплексу КМ-103, при яких датчики навантаження, вмонтовані під гідропатрон і розміщені вздовж лінії забою на 9й, 30й і 35й секціях від відкаточного штреку, дозволили встановити, що інформаційні сигнали з датчиків потрібно знімати в період, коли секції знаходяться в піддержуючому стані. Також встановлено, що система працездатна, коли швидкість переміщування лінії забою не нижче 2м на добу, тобто коли конвергенція не проявляється. Для кріплення з гідропатроном з урахуванням попереднього підпора, чутливість датчика встановлюється від 1 до 8 тон (в залежності від типу консолі).

Шахтні дослідження підтвердили адекватність одержаних результатів реальним ситуаціям. Для одержання більш повної інформації і адаптації кріплення до гірничо-геологічних обставин необхідно визначати навантажений стан не тільки консольної частини, а всієї секції, як конструктивної одиниці комплексу. З цією метою розроблено спосіб та математичну модель визначення місцезнаходження і величини рівнодіючої сил, діючих на секцію кріплення під час її роботи в режимі підтримання.

Структурна схема пристрою з елементами іскрозахисту ЕI, блока живлення БЖ та датчиків (рис. 1) забезпечує за допомогою датчика Д1 вимірювання навантаження qо на консолі.

В місцях стику основного перекриття з передньою і задньою гідростійками секції навантаження q2 і q3 вимірюються датчиками Д2 і Д3. Далі сигнали з датчиків подаються на масштабні перетворювачі МП та на обчислювальний пристрій ОП, який передає результати визначення на розподільний пункт РП.

Датчики встановлені на відстані l1, l2, l3 від забійного кінця відповідно конструктивним параметрам секції довжиною l4. Заміряючи значення q2, q3, із подібності трикутників СДД1 і ДЕЕ1 визначають:

Якщо qo<0 і q4 <0, то їх прирівнюють нулю. Тоді можливо визначити навантаження на перекриття по довжині секції, як

Середнє навантаження на 1 м2 секції буде

де а-ширина секції; b-відстань між краями сусідніх секцій.

Навантаження на одну секцію кріплення з урахуванням коефіцієнта затяжки покрівлі (а+b) буде

Далі необхідно знайти тимчасове положення точки прикладання рівнодіючої сил.

Маючи qo = q(o) і q4 = q(l4), можливо записати густину сил на перекриття на відстані х від початку консолі: де і - кутові коефіцієнти прямих АС і СЕ.

Відомо, що для прямолінійного відрізка ОК абсциса точки прикладення рівнодіючої сил визначиться як , де рівнодіюча сил:

Підставляючи (4) в (5), та після розрахунку інтегралів, одержимо співвідношення для координати точки прикладання рівнодіючої сил:

За допомогою приведеного математичного апарата можна вирішувати задачі, пов'язані з контролем або підтримкою параметрів навантаженого стану кріплення в заданих межах під час функціонування або визначати параметри відповідно формул (4)...(9) на дослідному стенді секцій під час проектування або після ремонту. Крім того, порівнюючи результати замірів і значень, одержаних з кожної секції, можна вирішити майже всі питання, пов'язані з реакцією кріплення на поведінку порід покрівлі. Якщо на перекриття діє рівномірне навантаження, тобто q0 = q2 = q3 = q4 = q1, тоді: , що відповідає місцю прикладення рівнодіючої посередині. При наявності вивалу над консоллю і над передньою стійкою маємо:

Підставляючи конструктивні параметри, наприклад, для кріплення типу КМ-87: l2=2100 мм, l4=3500 мм, одержуємо xС=3073 мм, тобто координата точки прикладення рівнодіючої знаходиться за межею задньої стійки кріплення, що відповідає аварійній ситуації.

Таким чином, розраховуючи і порівнюючи два додатки можна в суміжну систему управління сформувати сигнали, необхідні для підтримання сталого стану секції, а водночас і для нормалізації робочого процесу. Так як сприймаючим елементом є саме кріплення, то заміряні значення навантаження, одержані з урахуванням конструктивних параметрів кріплення можуть бути використані в інформаційній вимірювальній системі для визначення сили і напрямку дії покрівлі вздовж всієї лави.

Щоб запобігти обвали в призабійний простір, необхідно також підтримувати сталий навантажений стан за рахунок кріплення забою слідом за ріжучим органом, для чого визначають достатньо точне місцезнаходження комбайна відносно секції. Це вирішує розроблена математична модель:

що встановлює зв'язки між місцем знаходження комбайна l, пройденим з початку лави до місця зупинки, числом пройдених секцій k, відстанню d між датчиками, розміщеними напроти кожної секції, які в момент проходження комбайна видають ініціативні сигнали на визначення подальшого його місцезнаходження на відрізку часу [t0 , t], приведеному до моментів спрацьовування датчиків.

В свою чергу швидкість комбайна визначається як функція , де (мм) - хід статора гідроприводу подачі, що контролюється датчиком переміщення статора гідроприводу з сигналом на виході (В). Враховуючи, що залежності і прямо пропорційні, тобто , , із умови, що при U=1B, S = 9,5 мм, знаходимо а = 9,5. Маємо S = 9,5U, а також із умови, що при максимальних значеннях S = 9,5; u=6м/хв, знаходимо b = 6/9,5 і маємо . Підставляючи вираз для S, маємо

Якщо за відрізок часу [t0, t] виконувати заміри через кожні t секунд, то інтеграл можна замінити сумою, що більш зручно при створенні ІВС:

і остаточно для визначення місцезнаходження комбайна маємо:

де tі - моменти заміру і-го сигналу.

Крім того встановлено, що напружено-деформований стан вугільного масиву, який залежить від наявності газу-метану в ньому і характеризується потенціальною енергією, проявляється під час виїмки вугілля у вигляді мікроударів.

На шахтах, небезпечних викиданням вугілля і газу передбачають спеціальні заходи з фактором часу, які протягом 3 годин забороняють роботи по видобуванню вугілля. Комбайн витримує механічні дії потенціальної енергії під час руху, які можна контролювати датчиком навантаження, розміщеним між шнеком ріжучого органу і корпусом комбайна.

Якщо по аналогії з вищеописаним зробити дискретизацію сигналу цього датчика на три рівні, то розроблена математична модель для врахування напружено-деформованого стану забою буде мати наступний вигляд:

де P4 - сигнали датчика навантаження з боку вугільного масиву, які залежать від сили мікроударів; Vp - швидкість переміщення, визначена по (3);- коефіцієнт обмеження допустимої швидкості; - величина уставки, яку видає інформаційна-вимірювальна підсистема в залежності від напружено-деформованого стану масиву.

Базуючись на приведених математичних моделях та засобах для визначення стану видобувного об'єкта, розроблено структурну схему адаптивної системи визначення стану покрівлі в призабійному просторі (рис. 2).

Основні структурні вузли виконують наступні функції.

Датчик, який контролює місцезнаходження комбайна 1 відносно секції кріплення видає сигнал, який використовується для комутації блоків живлення 10 датчиків навантаження 2 і є ініціативним для ЕОМ.

Аналогові сигнали від датчиків навантаження по трьом лініям зв'язку поступають на компаратори 7, де вони будуть дискретизовані на три рівні.

При отриманні цих сигналів в мікро ЕОМ 6 виконується підпрограма по визначенню навантаженого стану над консольною частиною трьох секцій перед комбайном.

Уставка на корекцію допустимої швидкості у вигляді двійкового коду подається на розроблений цифроаналоговий перетворювач 8 і далі в блок уставок швидкості локального регулятора 5, визначеної ним по результатам показу датчиків струму електродвигуна 3 та швидкості 4.

Для забезпечення перемикання при ході