Автоматизация
Подъемные установки шахт и рудников служат для подъема на поверхность полезного ископаемого и породы, а также для спуска и подъема людей и груза. Основные части подъемной установки: подъемная машина; привод подъемной машины; подъемные сосуды; канаты, соединяющие подъемные сосуды с органом навивки подъемной машины; копер со шкивами; аппаратура управления и защиты.
Автоматическое управление подъемными установками позволяет значительно повысить безопасность и надежность их работы, дает возможность увеличить производительность подъема, уменьшить расход электроэнергии. Увеличение надежности работы при автоматизации позволяет сократить непроизводительные простои, затраты на материалы и запасные части, увеличить межремонтные сроки, повысить срок службы подъемных канатов.
Принципы автоматизации подъемных установок
Важнейшей задачей при автоматизации подъемных машин является выполнение заданного графика скорости и ускорений по времени во все периоды движения подъемного сосуда. Диаграмма скорости по существу – критерий производительности и экономичности подъемной установки.
В неавтоматизированных подъемных установках оператор непрерывно контролирует рабочий процесс и управляет системой электропривода, воздействуя на рукоятку командоконтроллера и рычаг управления тормозом. При этом выполнение заданной диаграммы скорости движения подъемных сосудов в значительной степени зависит от его опыта и внимательности. Вследствие высокой скорости движения скипов и клетей и жестких требований в отношении пуска и торможения двигателя при самой внимательной работе ошибки оператора не могут быть исключены. В лучшем случае они приводят к снижению производительности по сравнению с проектной.
При автоматизации выполнение заданной диаграммы скорости полностью возлагается на систему электропривода. Особенно высокие требования предъявляются к процессу управления во время замедления. Это объясняется тем, что масса подъемной установки средней мощности, приведенная к окружности барабана, составляет 50000—80000 кг, а скорость подъема достигает 20 м/с. Для остановки скипа, движущегося с такой скоростью, при допустимых значениях замедления требуется путь 20—30 м. В то же время отклонение от уровня точной остановки не должно превышать 0,25—0,3 м; относительная точность остановки равна 0,8—1 %. Для клетевых подъемников эта величина составляет 0,2— 0,5 %. Указанной относительной точности остановки подъемных машин можно достигнуть только созданием режима дотягивания на пониженной скорости.
Неточность работы системы автоматического управления в режиме торможения, предшествующем дотягиванию, может привести к тому, что скип будет входить в разгрузочные кривые с повышенной скоростью, вследствие чего точность остановки снизится. Если же для повышения точности остановки немного удлинить путь дотягивания, то снижается производительность. Оба фактора — снижение точности остановки и производительности — нежелательны.
На точность формирования электроприводом диаграммы скорости в режиме торможения влияют различные возмущающие факторы: масса поднимаемого груза, упругие свойства каната, жесткость механической характеристики электропривода, тормозное усилие и т. д.
Задача САУ электропривода подъемной машины состоит в том, чтобы возможно точнее воспроизводить заданную диаграмму скорости и возможно полнее подавлять влияние возмущающих воздействий. Для этой цели необходимо применение отрицательной обратной связи по скорости подъемного сосуда. Задающее воздействие должно осуществлять изменение скорости подъемного сосуда во времени в соответствии с известной диаграммой скорости.
Формирование задающего воздействия производят либо в функции пути, проходимого подъемным сосудом, либо в функции времени. Так как закон изменения задающего воздействия в функции пути или времени заранее известен, то САУ подъемных машин относится к классу систем с программным автоматическим управлением, а задающее воздействие называется программой управления. Наряду с формированием требуемой диаграммы скорости система управления должна осуществлять защиту подъемной машины включением предохранительного тормоза при возникновении различных аварийных ситуаций, например при переподъеме сосуда выше уровня приемной площадки, превышении заданной скорости, недопустимом износе тормозных колодок, зависании сосуда в любом месте ствола, исчезновении напряжения в цепях управления, неисправностях в тормозной системе и т.д.
В схеме автоматизации необходимо предусмотреть различные блокировочные цепи, которые исключали бы включение подъемного двигателя в случаях, если это приводит к нарушению безопасной работы подъемной установки.
Рис. 6.1 Функциональные схемы САУ с заданием программы движения в функции пути (а) и времени (б)
На рис. 6.1, а показана функциональная схема САУ с заданием программы движения в функции пути s. На вход системы управления поступает сигнал задания скорости Uз(s) и сигнал обратной связи по скорости подъемного сосуда Uд. Разность этих сигналов (сигнал ошибки регулирования) Uε, поступает на вход усилительно-преобразовательного устройства УПУ и далее на вход электродвигателя ЭД, который является исполнительным устройством. Электродвигатель приводит в движение объект управления - подъемную машину ПМ. Измерительное устройство ИзУ служит для измерения регулируемой величины - скорости v подъемного сосуда. На объект управления действует возмущающее воздействие f, которое вызывает отклонение скорости и от ее заданного значения. Применение отрицательной обратной связи по скорости подъемного сосуда подавляет влияние возмущающего воздействия f и повышает точность воспроизведения на выходе и задаваемого закона изменения скорости Uз(s). Задаваемый закон изменения скорости Uз(s) формируется с помощью специального блока программирования БП. Блок БП содержит устройство, которое измеряет перемещение подъемных сосудов по стволу шахты и формирует сигнал задания скорости Uз(s) в функции пути пройденного подъемным сосудом.
Функциональная схема САУ с заданием программы в функции времени показана на рис. 6.1 б. В отличие от функциональной схемы САУ с заданием программы в функции пути здесь отсутствует блок БП. Сигнал задания скорости Uз(t) в функции времени здесь формируется задатчиком скорости ЗС.
Существенное влияние на схему автоматизации и способы управления оказывает привод подъемных машин. Для подъемных машин применяют два типа привода: от асинхронного электродвигателя с фазным ротором и от двигателя постоянного тока с независимым возбуждением. Наибольшее распространение для привода подъемных установок получили асинхронные электродвигатели с фазным ротором и релейно-контакторной аппаратурой.
Асинхронный электропривод бывает одно- и двухдвигательным. Мощность однодвигательного асинхронного привода подъемных машин ограничивается величиной 1250 кВт, а двухдвигательного (мощности асинхронных электродвигателей одинаковы) – 2500 кВт. При большей мощности применяют только электропривод постоянного тока. Такое ограничение мощности привода с асинхронными электродвигателями определяется коммутационной способностью контакторов в силовых цепях.
Основными преимуществами привода с асинхронными электродвигателями являются простота и надежность его в эксплуатацию, сравнительно небольшая стоимость, возможность включения двигателя непосредственно в трехфазную сеть переменного тока без промежуточных преобразователей энергии.