УкрНДІВЕ

М.К. Бочаров, Ан.А. Дубинський, А.Б. Кац

Програмно-апаратний комплекс керування та захисту шахтних піднімальних машин

При проектуванні нових і модернізації існуючих поверхневих шахтних піднімальних машин (ШПМ) актуальним завданням є застосування сучасних програмувальних засобів керування та візуалізації на основі мікропроцесорних контролерів і промислових персональних комп'ютерів, з'єднаних у єдину інформаційно-керуючу систему.

Впровадження програмувальної мікропроцесорної техніки надає нові можливості для керування ШПМ, реалізації захисних функцій, функцій контролю встаткування та діагностики несправностей, а також для візуалізації поточного стану параметрів технологічного процесу. Завдяки цьому підвищуються безпека, надійність, продуктивність і точність відпрацьовування керуючих впливів. Подібні системи мають наступні переваги:

• можливість оперативного перепрограмування та гнучкого настроювання пристроїв керування;
• здійснення складних обчислень у реальному часі;
• точність відображення параметрів об'єкта (швидкості, положення) за рахунок підвищення розв'язної здатності первинних датчиків;
• безпека, вірогідність і простота виконання процедур тестування захистів з можливістю зберігання в пам'яті протоколів перевірки;
• можливість організації розвитої самодіагностики вузлів системи, зокрема, порівняння значень швидкості переміщення посудин, обмірюваної різними пристроями;
• наявність системи убудованої діагностики апаратної частини програмувального пристрою (виявлення несправних або відсутніх модулів, тестування пам'яті, контроль параметрів системи харчування);
• висновок інформації на відеотермінал станції оператора у вигляді гістограм, графіків, цифрових значень і текстових повідомлень;
• спрощення інформаційних зв'язків з напівпровідниковими перетворювачами головного приводу ШПМ, що дозволяє оперативно змінювати керуючі сигнали завдання швидкості, темпу розгону, обертаючого моменту електропривода, використовувані при організації її руху по заданій діаграмі;
• висновок параметрів електропривода та повідомлень про його роботу на екран відеотермінала станції оператора, архівування та, при необхідності, передача цієї інформації в шахтну інформаційну мережу.

Структура такого програмно-апаратного комплексу (рисунок 1) включає наступні пристрої.

1. Пристрій контролю швидкості та положення піднімальних посудин. Основними функціями пристрою є визначення положення та швидкості руху піднімальних посудин у стовбурі, формування необхідної тахограми руху, захист від перевищення припустимої швидкості, а також контроль цілісності кінематичного ланцюга та датчиків положення і швидкості.

Крім програмного самоконтролю роботи, пристрій здійснює перехресну перевірку обчислених сигналів швидкості та положення посудин з безпосередньо вимірюваними сигналами, які надходять від незалежних датчиків – абсолютного датчика положення та імпульсних датчиків швидкості. Захист від перевищення максимальної швидкості та перепідйому посудин додатково здійснюється апаратними засобами незалежно від основного контролера. Для усунення погрішності обчислення положення, пов'язаної з витяжкою канатів і зношуванням фрикційних накладок на барабанах ШПМ, пристрій виконує автоматичну синхронізацію в нижнім положенні посудини по шляховому вимикачі.

Одним з найбільш підходящих для виконання описаних функцій з високою точністю, швидкодією та надійністю є мікропроцесорний контролер AC800M [1] виробництва фірми ABB Automation, широко застосовуваний для керування електроприводами ШПМ і спеціально орієнтований для контролю піднімальних установок всіх типів.

2. Пристрій керування підйомом. Пристрій призначений для обробки керуючих впливів, які надходять із пульта керування машиніста підйому, керування головним приводом, допоміжними приводами, системами робочого та запобіжного гальмування. Незалежно від типу головного приводу пристрій може базуватися на контролері AC800M або на аналогічних контролерах інших виробників.

3. Головний привід. У цей час для одно- і двохбарабанних, а також для багатоканатних ШПМ можуть застосовуватися наступні види електроприводів:

Рисунок 1 – Структура системи керування головним приводом і технологічною автоматикою піднімальної установки

• електропривод з асинхронним двигуном з фазним ротором і реостатним регулюванням при напрузі 0,66 або 6 кВ потужністю до 1250 кВт. Неекономічний, морально застарілий електропривод;
• електропривод за схемою «тиристорний перетворювач-двигун» (ТП-Д) с перетворювачами постійного струму, які випускаються як українськими виробниками, наприклад ВАТ «Преобразователь» (Запоріжжя), так й іноземними фірмами ABB, Siemens та іншими потужністю до 5 мВт. За техніко-економічними показниками уступає електроприводам змінного струму із силовими напівпровідниковими перетворювачами;
• низьковольтний частотно-керований електропривод з асинхронними двигунами з короткозамкненим ротором і перетворювачами частоти на номінальну напругу 0,66 кВ потужністю до 1250 кВт. Сучасний електропривод з гарними економічними показниками; перетворювачі частоти з необхідними технічними характеристиками серійно випускаються тільки провідними світовими виробниками, наприклад фірмами ABB та Siemens. Вітчизняні розробки в цій області перебувають у цей час на стадії досвідчених зразків;
• високовольтний частотно-керований електропривод на основі синхронних або асинхронних двигунів і перетворювачів частоти з вихідною напругою 2,4...12 кВ потужністю до 27 МВт. Найбільш економічний електропривод для ШПМ с потужністю двигунів від 2,5 МВт. Перетворювачі частоти з безпосереднім зв'язком, які забезпечують вільний обмін енергії з живильною мережею, випускаються фірмами ABB (Фінляндія) та Siemens (Німеччина). Розробки перетворювачів на основі інверторів напруги із широтно-імпульсною модуляцією перебувають у стадії досвідчених зразків.

Для приводів з напівпровідниковими перетворювачами убудований у перетворювач контролер може легко інтегруватися в систему із пристроєм керування приводом і реєстратором параметрів, для приводу з реостатним регулюванням доцільно застосовувати окремий контролер керування.

4. Реєстратор параметрів. Цей пристрій виконує функції зберігання та відображення інформації про роботу всіх елементів ШПМ, дозволяє здійснити діагностику, контрольні тести, швидкий пошук несправностей [2].

Реєстратор виконаний на базі промислового комп'ютера під керуванням операційної системи Windows с необхідними пристроями розширення та стандартною клавіатурою. Інформація, яка зберігається та відображається містить наступні розділи:

• контроль руху піднімальних посудин;
• стан технологічних механізмів (положення та функціонування скіпів, конвеєрів завантаження, шиберів бункера);
• головний привід;
• допоміжні приводи та ланцюги харчування;
• гальмова система;
• мережі комунікації та зв'язку, ланцюги датчиків;
• технологічні показники (кількість циклів, продуктивність, простої);
• електронний журнал відмов;
• електронний журнал спрацьовувань запобіжного гальмування.

5. Пульт машиніста підйому. Пульт включає наступні органи керування та пристрою індикації:

• дисплей загальної інформації;
• аналоговий і цифровий покажчики положення піднімальних посудин;
• стрілочний покажчик швидкості;
• стрілочний покажчик навантаження (струму) головного приводу;
• стрілочний покажчик тиску в гальмовій системі;
• світлодіодні індикатори стану головного та допоміжного приводів;
• акустичні випромінювачі;
• перемикачі режимів роботи;
• кнопки «Пуск», «Аварийный останов», «Сброс аварийного останова (зарядка)», «Сигнал пуска», тестові кнопки.

У цілому система керування організована у вигляді локальної мережі з використанням швидкодіючих каналів для обміну інформацією між пристроями автоматики, головним приводом, пультом керування, системами стовбурної сигналізації та зв'язку і системою диспетчеризації (див. рисунок 1). Основу структури представляє локальна промислова мережа на базі протоколів Profibus або Modbus. Для зв'язку з відеотерміналом пульта керування та системою диспетчеризації може використатися мережа Ethernet. Датчики піднімальної установки підключені до входів модулів вводу-виводу контролерів, що входять до складу програмно-апаратного комплексу. Через систему стовбурної сигналізації надходить інформація від датчиків у стовбурі, системи завантаження-розвантаження і пультів місцевого керування та засобів зв'язку, які находяться у шахті.

Застосування сучасних засобів мікропроцесорної техніки дозволяє реалізувати уніфіковану систему із програмно-апаратними компонентами, яка виконує функції керування різними типами головного приводу шахтних піднімальних машин, режимами аварійного гальмування, виміру, контролю, відображення та зберігання інформації про положення і швидкість піднімальних посудин.

Така система легко інтегрується в єдину АСУТП вугільного підприємства.

1. ABB Control IT for AC 800M/C, Control Software and Tools, Copyright. 1999 ABB 3BSE 029 301 D327
2. Дубинский А.А., Кац А.Б., Рутберг Л.Н., Марейченко И.В. Интерактивная система отображения информации о состоянии подземных подъемных машин // Взрывозащищенное электрооборудование: Сб.науч.тр. УкрНИИВЭ.-Донецк: ООО «Юго-Восток, Лтд»,2006.-С.330-335.