Подсистема управления выемочной машиной

Выемочные машины обеспечивают отделение угля и поро­ды от массива, а также для ряда машин и перемещение (по­грузку или транспортирование) отделенной горной массы. Этот класс машин включает: очистные комбайны, струговые ус­тановки и конвейероструговые установки [1]. Кроме того, к классу выемочных машин относится и другое, значительно менее распространенное оборудование: скрепероструговые установки, бурильные машины для безлюдной выемки угля, врубовые машины и др. Струговые установки рассматривается в отдельном разделе.

Очистные комбайны предназначены для отделения от массива (выемки) угля, а также другого полезного ископаемого и погрузки отделенной горной массы на забойный конвейер. Очистной комбайн является сложным нелинейным нестационарным динамическим объектом, на который действуют случайные внешние возмущения, изменяющиеся в широких пределах. К ним относятся сопротивляемость горного массива резанию, напряжение питания и температура обмоток электродвигателей, а также плавно изменяющаяся жесткость тягового органа.

В настоящее время ЗАО «Горловский машиностроитель» выпускаются следующие типы очистных комбайнов: К103М, РКУ10, РКУ13, 1ГШ68, 2 ГШ68Б,1К101У, 1К101УД, КА80, КА200, «Поиск -2Р», «Темп 1» и комбайны нового поколения УКД 200-250, УКД300, КДК400, КДК 500, КДК700.

Для автоматизации очистных комбайнов важным является исполнение подсистемы привода исполнительного органа и подсистемы подачи.

Подсистема подачи может быть встроенной (РКУ10, РКУ13, 1ГШ68, 2 ГШ68Б, УКД300, КДК400, КДК 500, КДК700, 1К101У), и вынесенной (К103М, 1К101УД, УКД 200-250, КА80, КА200,«Поиск -2Р», «Темп 1»). Встроенная подсистема подачи может быть на основе гидропередачи «насос1НП200 – гидромотор» (РКУ10, РКУ13, 1ГШ68, 2 ГШ68Б,1К101У) и частотно - регулируемого асинхронного электропривода с короткозамкнутым ротором, обеспечивающих возможность выбора необходимых силовых и скоростных режимных характеристик (УКД300, КДК400, КДК 500, КДК700) Вынесенная подсистема подачи реализуется но основе электромагнитной муфты скольжения (1К101УД, КА80, КА200, К103М). В комбайнах «Поиск -2Р»и «Темп 1» вынесенная подсистема подачи выполнена в виде лебедки, дискретное изменение подачи осуществляется с помощью переключения соответствующих зубчатых передач.

Для очистных комбайнов в подсистемах привода ИО применяются трехфазные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором напряжением 660В и 1140В, имеющим рудничное взрывобезопасное исполнение РВ. Мощность электродвигателей различная от 90кВт до 355 кВт [1]. Типы электродвигателей: ЭКВ, ЭДКО, ЭКВЖ, ЭКВК. Количество электродвигателей различно. Одним электродвигатель применяется в каждой подсистеме привода ИО в комбайнах КДК500, КДК 400, КДК 700, УКД300. Одним электродвигатель применяется для обеих подсистем привода ИО и наличием редукторной кинематической цепи к обоим исполнительным органам применяется в комбайнах УКД200-250, РКУ10, КА80, КА200,1К101У. Два электродвигателя, работающие на общий вал для обеих подсистем привода ИО применяется в комбайнах К103М, 1ГШ68,2ГШ68Б. При определении параметров, приводимых в технических характеристиках ранее созданных выемочных машин, традиционно наиболее часто условно рассматривался режим S4 - повторно – кратковременный с частыми пусками. Например, для электродвигателя комбайна 1К101У типа 4ЭДКО4 -110У номинальный режим работы S4 (60,30,1,2), где 60% - относительная продолжительность включения, 30 – число пусков в час, 1,2 – коэффициент инерции. Для современных выемочных машин (КА200, УКД200-250КДК500, КДК 400, КДК 700, УКД300), реализующих высокоинтенсивные режимы работы и обеспечивающих высокую производительность, целесообразно рассмотрение в качестве номинального режима режим S1 – продолжительный (длительный).

Подсистема управления очистным комбайном должна обеспечивать:

- перед началом работы машины или перед включением любого ее подвижного узла, работа которого может представить опасность для находящихся поблизости людей, должен подаваться предупредительный звуковой сигнал;

- местное управление машиной и ее исполнительными органами (с рабочего места оператора на машине);

- дистанционное управление машиной и ее исполнительными органами с соответствующих пультов, носимых оператором или размещенных в лаве, предпочтительнее с беспровод­ными каналами управления;

- дистанционное управление машиной с пульта, расположенного на штреке в соответствии с требованиями безопасности при рабо­те на выбросоопасных пластах;

- при наличии двух пультов управления – на машине и в выработках, то должна быть исключена возможность одновременного пуска с двух и более пультов, а отключение должно выполняться с любого пульта;

- автоматическое регулирование рабочей скорости подачи;

- автоматическую стабилизацию нагрузки электродвигате­лей исполнительных органов. При наличии двух электродвигателей, работающих на об­щий вал, должен использоваться также режим стабилизации суммарной мощности этих двигателей;

- снижение скорости подачи до нуля, если не обеспечивается стабилизация заданного значения нагрузки электродвигате­лей исполнительных органов;

- для очистных комбайнов с двумя вынесенными подсисте­мами подачи с цепным тяговым органом одно­временно с автоматической стабилизацией нагрузки электродвигате­лей исполнительных органов должна обеспечиваться координация текущих значе­ний угла расположения звезды, подтягивающей холостую ветвь тяговой цепи, по отношению к звезде, перемещающей рабочую ветвь тягового органа. Эта координация необходима для реа­лизации заданного среднего уровня тягового усилия в холостой ветви цепи и минимизации амплитуд колебательных состав­ляющих нагрузок в тяговом органе, обусловленных характером работы зацепления «звездочка - круглозвенная цепь»;

- автоматическое управление перемещением комбайна вдоль забоя с учётом изменения мощности и гипсометрии пласта

- автоматическую защиту от опрокидываний и несостояв­шихся пусков электродвигателей силовых подсистем;

- мо­ниторинг состояния электрических и гидрав­лических узлов комбайна:

- отображение контрольной, оперативной и аварийной ин­формации на пульте управления;

- сохранение контрольной информации.

- оперативную громкоговорящую связь в очистном забое. Количество и места размещения переговорных устройств в за­бое должны обеспечивать удобство и безопасность их использования.

Одним из последствий необходимости обеспечения конкурентоспособности отечественной техники на мировом рынке в условиях жесткой международной конкуренции явилось изменение требований к аппаратуре автоматизации. Возросла актуальность:

- повышения достоверности и расширения объемов контрольной и диагностической информации, представляемой обслуживающему персоналу на местах и передаваемой диспетчеру и руководству шахты;

- прогноза изменения состояния оборудования и окружающей среды для оперативного планирования работ, выбора режима эксплуатации и предотвращения аварий;

- управления техническим ресурсом путем оптимизации нагрузок и проведения профилактического обслуживания;

- упрощения обслуживания оборудования.

Решать эти сложные многокритериальные задачи позволяет со­временная микропроцессорная элементная база систем управления.

Подсистема управления забойным скребковым конвейером

Транспортирование горной массы от комбайна на погрузочный пункт лавы в основном осуществляется забойными скребковыми конвейерами (СК). С помощью СК также осуществляется доставка вспомогательных и крепёжных материалов в очистной забой. В настоящее время в очистных забоях применяются различные типы скребковых конвейеров, например, СПЦ-26, СП-26, СП 202М, конвейеры типажного ряда КСД (КСД26, КСД26В, КСД27 КСД28 н КСД210) и другие [2]. В основном в качестве привода скребковых конвейеров применяется нерегулируемый привод с асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором, гидромуфтой и обычным редуктором. Целесообразно применять асинхронные короткозамкнутые двигатели с двумя независимыми обмотками, имеющими отношение числа пар полюсов (а значит, числа оборотов и мощности) 1:3. Например, двухскоростные электродвигатели типа ЭКВФ 315 М12/4 и ЭКВФ 315 L12/4. Количество приводных электродвигателей может быть различным, в зависимости от производительности конвейера.

Особенности работы забойных конвейеров следующие:

- высокая установленная мощность привода, вызванная увеличением скорости цепи, длины конвейера, площади загрузочного сечения, коэффициента трения скольжения насыпного груза, а также применением более тяжелых элементов привода и тягового органа для повышения надежности при выемке длинных столбов;

- большой момент сопротивления при трогании конвейера, так как коэффициент трения покоя значительно выше, чем скольжения, и происходит "слипание" насыпного груза из-за влажности;

- необходимость двухскоростного режим работы: при работе комбайна работа конвейера должна осуществляться при расчетной производительности с

высокой скорости движения рабочего органа (0,8-1,2 м/с); доставка вспомогательных материалов не требует больших энергетических затрат и может осуществляться при меньшем числе работающих приводных блоков, в большинстве случаев данный режим требует реверсирования привода. Для обеспечения безопасности и удобства разгрузки конвейера в ограниченном пространстве доставку вспомогательных материалов целесообразно осуществлять на пониженной скорости. Согласно требованиям института МакНИИ, доставочная скорость не должна превышать 50% от рабочей скорости.Кроме того, ремонтно-наладочные операции в лаве характеризуются частыми пусками и реверсированиями привода конвейера и требуют управления конвейером в ручном режиме на пониженной скорости;

- возможны как длительные статические, так и относительно кратковременные динамические перегрузки. Статические перегрузки медленно изменяются по времени, не сопровождаются изменением скорости, а следовательно, и ударом, но опасны точки зрения превышения допустимых температур нагрев элементов привода, в первую очередь статорной обмотки двигателя и масла редуктора. Такие перегрузки возникают при обрушении верхней пачки, при фронтальной передвижке и т. п. Динамические перегрузки приводят к резкому уменьшению скорости конвейера, иногда к стопорению, сопровождающемуся ударом момента, способного вызвать поломку или остаточную деформацию элементов трансмиссии и тягового органа, а также ударом тока, что может привести перегреву ротора (вплоть до его расплавления), к появлению электродинамических усилий в обмотке статора и повреждению изоляции. Такие перегрузки возникают при заклинивании тягового органа вследствие попадания куска угля от комбайна на нижнюю ветвь цепи конвейера т. д. Исходя из этого, привод скребкового конвейера до жен быть оснащен защитами от заклинивания тягового opгaна и от перегрева основных элементов привода;

Подсистема управления забойным скребковым конвейером должна обеспечить:

- местное и дистанционное включение, выключение электроприводов конвейера;

- работу конвейера в двух режимах: первый режим – основной – по транспортированию горной массы, второй режим – вспомогательный – по доставке материалов;

- управление конвейером в соответствии с заданным режимом рабо-

ты (выбор скорости, выбор работающего привода, «работа-реверс» и пр.);

- отключение электропривода скребкового конвейера при нарушении режима работы; отклонения величины тока нагрузки, потребляемого электродвигателями головного (концевого) приводов, от граничных значений, в т.ч. вследствие экстренного стопорения рабочего органа; отсутствии скребка в контуре рабочего органа; уменьшении скорости движения рабочего органа (менее 0,6 номинальной); исчезновении напряжения питания с аппарата;

- световую индикацию конкретного отказа (отказов) скребкового конвейера с сохранением данной информации до её принудительного сброса.

Подсистема управления механизированной крепью

Механизированные крепи предназначены для поддержания пород кровли и управления состоянием вмещающих пород, защиты рабочего пространства от обруше­ния вышележащих горных пород, пере­движки и удержания в заданном положении забойного конвейе­ра или струговой установки и самопередвижки.

В состав механизированных крепей в общем случае входят:

- секции или комплекты (группы взаимосвязанных секций);

- одна или несколько насосных станций для снабжения сек­ций (комплектов) крепи рабочей жидкостью - эмульсией;

- гидрокоммуникации с соответствующей гидроаппарату­рой, обеспечивающие гидравлические связи исполнительных гидроцилиндров (гидростоек, гидродомкратов, гидропатронов) секций (комплектов) крепи с насосными станциями;

- средства пылеподавления.

Механизированная крепь является наиболее сложным звеном автоматизации, что объясняется большим числом взаимосвязанных кинематических объектов секций крепи, подлежащих управлению, значительным объёмом информации об их состоянии, тяжёлыми условиями эксплуатации секций крепи в лаве.

В общем случае подсисте­ма управления механизированной кре­пью в составе мехатронных комбайновых и струговых ОМК должны обеспечивать:

- координированную с местоположением очистного ком­байна или стругового исполнительного органа автоматическую передвижку секций крепи и рештачного става забойного кон­вейера по заданному алгоритму в соответствии с принятой тех­нологической схемой работы комплекса;

- блокирование передвижки секции, если очистной комбайн или струговый исполнительный орган находятся от нее ближе заданного расстояния, а также в случае нераспора каждой из двух соседних секций;

- отключение подачи комбайна или стругового исполни­тельного органа, если обнажение кровли за ним больше задан­ной величины;

- отображение контрольной, оперативной и аварийной си­туации на центральном пульте управления (о начале и конце передвижки каждой секции с указанием положения секции от­носительно конвейера, о распоре передвигаемой и соседней с ней секции, о целостности магистральных жил управления кре­пью и др.);

- фронтальную передвижку забойного конвейера по всей длине лавы (в случае использования заказчиком данной техно­логической операции);

- программное управление передвижкой конвейера на уча­стках самозарубки комбайна;

- возможность выдачи информации в систему диспетчер­ского контроля АСУ ТП шахты.

Для гибкой адаптации управляющих воздействий к изме­няющимся горно-геологическим и горно-техническим условиям очистного участка целесообразно, чтобы в подсистеме автома­тизированного управления механизированной крепью также дополнительно была заложена возможность выполнения сле­дующих операций:

- автоматизированная передвижка секций крепи и рештач­ного става забойного конвейера по заданному алгоритму в пределах выделенной группы секций с автоматическим запре­том передвижки в зоне нахождения очистного комбайна или струга;

- автоматизированная передвижка отдельной секции по за­данному алгоритму;

- дистанционное пооперационное управление исполни­тельными гидроцилиндрами отдельной секции;

- аварийное отключение управления крепью.

Указанные операции должны выполняться с постов управ­ления, расположенных на секциях крепи, и с центрального пульта управления, установленного на штреке. При наличии в секционных пультах управления соответствующих радиопри­емников эти операции могут выполняться также по команде, подаваемой оператором непосредственно из лавы с помощью переносного пульта машиниста крепи по беспроводной связи.

Подсистема контроля и управления безопасным ведением работ в

очистном забое

Выделение метана из массива угля при его разрушении требует от системы автоматизированного управления обеспечения непрерывного контроля за содержанием метана в атмосфере в зоне разрушения массива, а также в поступающей на участок и исходящей струе воздуха, своевременного предупреждения об опасной концентрации и исключения возможности взрыва метановоздушной смеси.

Назначение подсистемы контроля и управления безопасным ведением работ в очистном забое - на основе современных информационных тех­нологий и технических средств обеспечение контроля и прогноза взры­воопасности рудничной атмосферы вдоль линии забоя для повышения безопасности работ в угледобывающих забоях, оповещение шахтеров о метановой обстановке в лаве и предотвраще­ние возникновения аварийных ситуаций. Подсистема должна проектироваться с использованием системного подхода в пространстве состояний «человек-машина-среда», с целью максимального исключения человека из опасных режимов управле­ния производственными процессами с учетом организмического под­хода при создании эргатических систем. (Эргатическая система — система управления, одним из элементов которой является человек или группа людей. Основными особенностями таких систем являются социально-психологические аспекты).

Подсистема контроля и управления безопасным ведением работ в

очистном забое должна осуществлять:

- постоянный контроль состояния взрывоопасности метановой среды в рудничной атмосфере на участке в соответствии с требованиями ПБ;

- прогноз состояния взрывоопасности аэрологической среды забоя;

- оповещение обслуживающего персонала добывающего участка о состоянии взрывоопасности рудничной атмосферы (в случае интенсивного роста содержания метана);

- отображение текущего содержания метанав рудничной атмосфере;

- передачу информации на центральный диспетчерский пульт шахты;

- подачу команды на остановку оборудования и отключения электроэнергии по результатам прогноза взрывоопасности рудничной атмосферы участка за время, достаточное для выполнения операций отключения;

- работу технических средств контроля метана при отключенной силовой сети электропитания участка;

- по необходимости контроль скорости воздуха, температуры воздуха, двуокиси углерода, окиси углерода, кислорода в воздухе (количество и вид контролируемых параметров согласовывается по конкретным условиям очистных забоев и выработок на данной шахте);

- защиту информации от несанкционирован­ного вмешательства работающего персонала в накопленную инфор­мацию о параметрах безопасности;

- документирование и хранение технологической информации и параметров безопасности в соответствии с правилами безопасности.

При автоматизации процесса добычи угля в очистных забоях в соответствие с указанными требованиями может быть получен экономический эффект за счет:

– сокращение обслуживающего персонала;

– повышение производительности добычного комбайна;

– снижение себестоимости угля;

– повышение безопасности ведения горных работ в очистном забое;

– повышение долговечности и надежности узлов очистных машин.

– сокращение времени поиска отказов и др. неисправностей, прогноз состояния оборудования, что сокращает время ремонта и простоя.