Czytaj

dr inż. ZYGMUNT SZYMAŃSKI
Politechnika Śląska,
Katedra Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa
Nowoczesne metody sterowania odstawą urobku
w kopalniach
W artykule przedstawiono koncepcję sterowania nadrzędnego maszyn górniczych
opartego na sterowaniu rozproszonym, z wykorzystaniem procedur sterowania
suboptymalnego. Przedstawiono założenia sterowania optymalnego oraz próbę jego
zastosowania do sterowania rozproszonego odstawą urobku wykorzystując układy
transportu poziomego.
1. WSTĘP
W polskich kopalniach węgla kamiennego stosowane
są systemy eksploatacji oparte na wysokiej koncentracji
wydobycia. Nowoczesne układy sterowania pracą kopalni powinny uwzględniać w sposób globalny pracę
wszystkich układów napędowych maszyn górniczych
pod względem płynności odstawy urobku, niezawodności oraz energooszczędności. Dlatego celowym wydaje
się zastosowanie sterowania wielokryterialnego do
sterowania pracą zespołów maszyn górniczych. W artykule przedstawiono koncepcję sterowania nadrzędnego
maszyn górniczych opartego na sterowaniu rozproszonym, z wykorzystaniem procedur sterowania suboptymalnego. Przedstawiono założenia sterowania optymalnego oraz próbę jego zastosowania do sterowania odstawą urobku wykorzystując układy transportu poziomego. Zamieszczono opis układu sterowania rozproszonego przenośnika taśmowego, zbudowanego z wykorzystaniem sterownika Simatic. Proponowany system
sterowania rozproszonego został przeanalizowany na
modelu symulacyjnym układu przenośników taśmowych, oraz częściowo zweryfikowany na modelu laboratoryjnym przenośnika.
2.KONCEPCJA STEROWANIA OPTYMALNEGO MASZYN GÓRNICZYCH
W podziemiach kopalń eksploatowane są maszyny
górnicze zawierające układy napędowe, w których
praktycznie nie przewiduje się regulacji prędkości
obrotowej, natomiast zasilacz przekształtnikowy
(o ile jest stosowany) umożliwia przeprowadzenie
płynnego rozruchu. W układach zasilania maszyn
górniczych stosowane są tranzystorowe lub tyrystorowe sterowniki prądu przemiennego (układy soft
startu). Nowoczesny układ sterowania maszyny górniczej powinien zapewniać realizację: sekwencji
rozruchowych, kontrolę parametrów eksploatacyjnych maszyny, sygnalizację stanów awaryjnych oraz
wyłączanie zasilania podczas zwarć i przeciążeń.
Układy sterowania powinny zapewniać sterowanie:
 lokalne – z tablicy sterowniczej maszyny,
 zdalne – wykorzystując sterowanie radiowe lub
lokalne sieci komputerowe (CAN, MPI),
 automatyczne (z komputera nadrzędnego) wykorzystując sieci transmisyjne (Profibus DP, Profinet,
Ethernet lub łącza internetowe) [4, 6].
Funkcję celu dla quasi optymalnego sterowania
pracą maszyny transportowej można sformułować
w postaci wyrażenia (1):


U,f
i
 
i




W
 opt,
i
  , Q  Qmax , v v
i
max
i
max

(1)
Istnieją takie parametry zasilania silników napędowych: Ui, fi, które dla danej maszyny transportowej
realizują quasi optymalne zadania transportowe: Q <
Qmax, przy określonej prędkości przesuwu taśmy v =
vmax, przy ograniczonym zużyciu energii: W = opt,
η < ηmax. Dynamikę przenośnika taśmowego można
opisać w sposób uproszczony układem równań (2):
Nr 3(469) MARZEC 2010
31
Rys. 1. Schemat poglądowy aplikacji zarządzającej oraz pomiarowo wizualizacyjnej pracą maszyn górniczych
przy sterowaniu nadrzędnym
F  Pi   sign  dla i  1, k  1
W v
(2)
m
l





d

dF
A E 
v v  dla i  1, k 



dt
dt

l v v
d
v
dt
i

1 

i 
F

i 1
i
i
i
i
i 1
i
i 1
i
i 1
i


gdzie:
Fi, vi – wartości chwilowe sił i prędkości przesuwu
taśmy w i-tym punkcie taśmy,
mi – jednostkowa masa zastępcza odcinka taśmy,
między i-tym oraz i+1 punktem taśmy,
W – zastępcze opory przenośnika,
A, E – współczynniki konstrukcyjne maszyny transportowej.
Dynamikę indukcyjnego silnika napędowego napędzającego przenośnik opisuje układ równań różniczkowych (3):
u  R i  L  L 
s
s
s
s
di
s
dt
s

M
di
sw
di
u  R i  L  L  dt  M


M

M   i i

 
di
w
w
w w
w
w
w
dt
sw
s
(3)
dt
n
swk
k 1

sk
wk

d
M  M  J dt
obc
gdzie:
is, iw, us, uw
Rs, Rw, Ls, Lw
Lδs, Lδw –
Msw
M
z
– prądy oraz napięcia zasilania
uzwojeń stojana i wirnika,
– rezystancje i indukcyjności własne
uzwojeń stojana i wirnika,
– indukcyjności rozproszenia uzwojeń stojana i wirnika,
– indukcyjność wzajemna uzwojeń
stojana i wirnika,
Równania (1, 2, 3) są wykorzystywane do opracowania modelu kinematycznego maszyny transportowej oraz do opracowania optymalnego sterowania pracą przenośnika. Opracowane algorytmy
sterowania umożliwią realizację zadań transportowych przenośnika, przy założonej funkcji celu (1).
Programy sterujące są umieszczone w pamięci
komputerów sterujących: nadrzędnego oraz komputerów lokalnych. Komputer nadrzędny współpracuje z różnymi urządzeniami peryferyjnymi, jak
np. moduły konfiguracji, moduły wizualizacyjne,
moduły komunikacyjne oraz z dodatkowymi komputerami, przechowującymi bazy danych wszystkich maszyn sterowanych z komputera nadrzędnego. Moduły te zapewniają realizację aplikacji
administracyjno-zarządzających oraz pomiarowowizualizacyjnych. Przykładowy schemat blokowy
opisujący sposób zarządzania wynikami pomiarów oraz realizacji aplikacji administracyjnozarządzających oraz wizualizacyjno-pomiarowych
przedstawiono na rys. 1. Do sterowania pracą
maszyn górniczych należy zastosować sterowanie
rozproszone, które zapewnia lokalną diagnostykę
maszyn oraz realizację odpowiednich funkcji
sterujących.
3. STEROWANIE SUBOPTYMALNE SYSTEMU TRANSPORTU KOPALNIANEGO
System transportu kopalnianego jest to uporządkowany wewnętrznie zbiór obiektów znajdujących
się na powierzchni i w podziemiach kopalni, wraz
32
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
z relacjami istniejącymi między tymi obiektami oraz
ich właściwościami, którego działanie jest podporządkowane osiągnięciu założonego celu transportowego [4]. Na wyniki pracy systemu transportu mają
wpływ procesy pracy obiektów tworzących dany
system oraz jego otoczenie. Sterowanie pracą kopalnianego systemu transportu jest to sterowanie wielopoziomowe, multikryterialne. Przy realizacji niektórych procesów technicznych w transporcie urobku
korzystne jest zastosowanie sterowania suboptymalnego. [4]. Sterowanie suboptymalne umożliwia realizację adaptacyjną złożonych algorytmów sterowania,
z uwzględnieniem zjawisk wyprzedzających ich wystąpienie. Jest to więc sterowanie predykcyjne zapewniające optymalne sterowanie pracą napędu maszyny górniczej przy założonych funkcjach celu oraz
multikryteriach, determinujących właściwą pracę
maszyny zgodnie z realizowanym procesem technicznym. Sterowania predykcyjne: MPC (model predictive control) lub RHC (receding horizon control)
są metodami sterowania dynamicznych układów
nieliniowych, polegających na cyklicznym rozwiązywaniu odpowiednio sformułowanych zadań sterowania optymalnego (ZSO). Początkowa część rozwiązania (funkcje sterujące) jest podawana na wejścia obiektu regulacji, następnie rozwiązuje się układy równań różniczkowych, opisujących model dynamiczny obiektu, uzyskane wyniki obliczeń porównuje się ze stanem rzeczywistym, następnie całą procedurę powtarza się dla nowego założonego stanu
pracy obiektu. Model matematyczny sterowania predykcyjnego opisuje układ równań (4):
Parametry regulatora optymalnego opisanego zależnością u = k(x), można wyznaczyć rozwiązując
równania Hamiltona-Jacobiego-Bellmana [4]. Znalezienie optymalnego rozwiązania przy sterowaniu
predykcyjnym jest przeważnie niemożliwe dla złożonych obiektów regulacji z układami nieliniowymi.
Przy ustalonej strukturze układu sterowania poszukuje się metodami gradientowymi minimum wskaźnika
jakości Q(p), przy czym p jest wektorem parametrów
sterowania Gradient wskaźnika jakości oblicza się
stosując numeryczne całkowanie równań stanu
i równań sprzężonych układu napędowego maszyny
górniczej. Podczas realizacji obliczeń optymalizacyjnych generowane są procedury generacji i redukcji.
Stosowane są różne sposoby generowania procedur:
szpilkowa, jednowęzłowa, płaska oraz wielomianowa
[2, 4]. Generacja szpilkowa polega na wstawieniu
dodatkowego predykcyjnego pulsu do algorytmu
sterowania i szukaniu optymalnego rozwiązania.
Generacja jednowęzłowa polega na wstawieniu nowego węzła do matrycy sterowania. Generacja płaska
polega na wstawieniu ograniczeń minimalnych
i maksymalnych do procedur sterowania. Generacja
wielomianowa powoduje zwiększenie o 2 stopień
wielomianu (n+2) opisującego proces sterowania
obiektu. Po procesie generacja następuje zmiana
struktury obwodu sterowania, oraz zmiana wymiaru
przestrzeni decyzyjnej. Proces poszukiwania jest
kontynuowany w nowej przestrzeni, do następnego
procesu generacja lub do spełnienia warunków koniecznych do uzyskania rozwiązania optymalnego.
Procedury procesu redukcja polegają na usuwaniu
ograniczeń technicznych realizacji założonych procedur. Maszynę górniczą można traktować jako
obiekt nieliniowy z więzami nieholonomicznymi,
opisany układami równań różniczkowych nieliniowych [5, 6]. Na rys. 2 przedstawiono przykładowe
wyniki obliczeń symulacyjnych uproszczonego modelu maszyny górniczej przy sterowaniu predykcyjnym.
xt   f  xt , ut  xt   X  R
.




ut   R U u
u  0, u  0
min
min
n
(4)
 u  ui max
i max
gdzie:
x(t), u(t) – funkcje sterowania obiektu,
f(x, u) – funkcje realizujące algorytmy sterowania
optymalnego.
Prawa strona równania (1) musi spełniać warunek
Lipschitza: f(0, 0) = 0. Wskaźnik jakości sterowania
obiektu Ji można określić z relacji (5):
ti Ti
J i (u i , Ti , x(t i )) 
  L( x , u )dt  q( x (t
i
i
i
i
 Ti )) dt
 (5)
ti
gdzie:
L(x, u) – całkowita energia układu napędowego,
q(x)
– energia jednostkowa i-tego elementu układu napędowego,
4. STEROWANIE ROZPROSZONE MASZYN
GÓRNICZYCH
W systemach sterowania i automatyzacji maszyn
górniczych stosuje się czujniki i przetworniki pomiarowe, do pomiaru parametrów: elektrycznych, mechanicznych oraz fizycznych [4, 7]. Transmisja
sygnałów sterujących oraz pomiarowych może być
realizowana sieciami transmisyjnymi, w systemie
transmisji wielokrotnej lub wykorzystując sieci światłowodowe. W sieci transmisyjnej PROFIBUS-DP wy-
Nr 3(469) MARZEC 2010
33
Rys. 2. Algorytmy sterowania predykcyjnego wybranego układu kinematycznego procesu transportowego
różnia się trzy klasy urządzeń: DP Master 1, DP Master 2 oraz Slave-DP. Moduły DP Master 1 są to
węzły nadrzędne spełniające rolę sterownika centralnego, który w cyklu komunikacyjnym wymienia
informacje z modułami peryferyjnymi Slave-DP.
Moduły DP Master 2 zawierają programatory, konfiguratory, układy diagnostyczne oraz urządzenia operatorskie. Rozbudowane funkcje diagnostyczne oraz
szybkie wyszukiwanie błędów pozwalają na minimalizację czasów przestoju oraz wykrywanie stanów
awaryjnych. Rozwiązanie to wymaga zastosowania
dodatkowych układów separujących oraz wzmacniaczy sygnałowych. W układach sterowania rozproszonego wykorzystuje się głównie moduły rozproszone:
ET 200S, ET- 200M, ET -2000Ex. Moduły: ET200iS
i ET-200Ex są modułami w wykonaniu iskrobezpiecznym. Programy sterujące sterownikami przemysłowymi: Fanuc oraz Simatic S7 są wyposażone
w funkcję Routing, umożliwiającą podłączenie: paneli operatorskich, systemów wizualizacyjnych procesu
oraz programatorów zarówno do portu MPI jak i DP
sterowników przemysłowych.[8, 9]. Systemy sterowania wykorzystane do sterowania pracą maszyn
transportowych są systemami typu Mono-master.
Zawierają m.in.: sterowniki S7-416-3D (Simatic)
umieszczone w stacji głównej (SG) oraz moduły
Slave typu. ET200iS jako układy peryferyjne.
W układzie sterowania lokalnego, sterowniki pełnią
funkcję nadrzędną (funkcje łączeniowe, kontrola
stanów awaryjnych, gromadzenie sygnałów oraz ich
transmisję do komputera nadrzędnego). Elementami
typu Slave są moduły peryferyjne ET200iS, które
kontrolują i sterują pracą lokalnych układów napędowych (przenośnik). W przypadku awarii systemu,
moduły Slave zapewniają wizualizację procesu sterowania oraz sygnalizują stany awaryjne, co zapewnia zmniejszenie przerw spowodowanych stanem
awaryjnym systemu.
W transmisji danych przez sieć PROFIBUS-DP
dane wejściowe i wyjściowe ze stacji są transmitowane w pojedynczym cyklu odpytywania. Moduł
Master wysyła telegram żądania (Request), który
zawiera dane wyjściowe dla DP Slave. Moduł Slave
odpowiada natychmiast po otrzymaniu zapytania.
Sterowanie pracą systemu obejmuje procedury sterowania nadrzędnego Master całego systemu odstawy
przenośnikowej oraz procedury sterowania lokalnego
indywidualnego przenośnika. Algorytm sterowania
centralnego zawiera procedury testujące układy przed
każdym uruchomieniem, procedury sterowania lokalnego, sterowania automatycznego całego systemu
i jego modułów, procedury monitorujące system oraz
procedury diagnostyczne. W stanach awaryjnych
algorytmy sterowania nadrzędnego oraz programy
sterujące zapewniają skuteczne wyłączenie poszczególnych modułów lub całego systemu. Sterownik
34
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
lokalny umożliwia sterowanie i monitorowanie pracy
przenośnika. Sterownik lokalny zapewnia: uruchamianie i wyłączanie przenośnika, likwidację poślizgu
taśmy, wyłączanie układu w stanach awaryjnych,
załączanie i wyłączanie silnika oraz zabezpieczenie
przed przeciążeniem i zwarciem silnika. Sterownik
centralny pełni funkcję nadrzędną w stosunku do
kontrolerów lokalnych. Sterownik centralny steruje
pracą całych ciągów przenośników oraz monitoruje
pracę poszczególnych linii transportowych. Badania
symulacyjne potwierdziły celowość stosowania sterowników przemysłowych w układach automatyzacji
przenośników taśmowych. W celu określenia poprawności algorytmów sterowania oraz określenia ich
wiarygodności przeprowadzono badania symulacyjne
modeli matematycznych przenośnikowych układów
transportowych oraz badania laboratoryjne na
uproszczonym modelu fizycznym przenośnika. Wyniki obliczeń symulacyjnych oraz badań laboratoryjnych potwierdziły przydatność proponowanej metodyki sterowania do sterowania pracą maszyn transportu poziomego.
3.
5. ZAKOŃCZENIE
Zastosowanie
sterowników
przemysłowych
w układach sterowania maszyn górniczych transportowych zapewnia realizację złożonych algorytmów
sterowania: sterowanie energooszczędne, z możliwością bieżącej kontroli wybranych parametrów eksploatacyjnych i diagnostyki całego systemu oraz jego
zespołów. Wprowadzenie sterowania rozproszonego
zapewnia realizację sterowania lokalnego oraz sterowania centralnego z uwzględnieniem narzuconych
priorytetów sterowania. Proponowane algorytmy
sterowania umożliwiają realizację sterowania quasi
optymalnego, przy stosunkowo małych kosztach
finansowych. Zastosowanie sterowania suboptymalnego w układach sterowania odstawą urobku zapewni
energooszczędną, płynną odstawę urobku przy minimalizacji stanów awaryjnych. Proponowane sterowanie maszyn górniczych może być w pewnych przypadkach rozwiązaniem konkurencyjnym w stosunku
do kosztownych i złożonych rozwiązań firm profesjonalnych.
Literatura
1.
2.
Antoniak J.: Urządzenia i systemy transportu podziemnego
w kopalniach. Wydawnictwo Śląsk, Katowice 1990 r.
Dolipski M., Remiorz E.: Przenośnik zgrzebłowy jako obiekt
sterowania. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 1997,
nr 2.
4.
5.
6.
7.
8.
Hajda J., Kasprzak J., Jegierski T.: Programowanie sterowników
PLC. Wydawnictwo J. Skalmierski, Gliwice, 1997 r.
Szymański Z.: Zastosowanie metod sztucznej inteligencji do
sterowania, monitorowania i diagnostyki górniczych maszyn
transportowych i urabiających. Napędy i Sterowanie 2008,
nr 45.
Szymański Z.: Nowoczesne, energooszczędne układy zasilania
górniczych maszyn urabiających i transportowych napędzanych
silnikami zintegrowanymi. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2004, nr 8.
Szymański Z.: Zastosowanie inteligentnych sterowników przemysłowych w układach automatyzacji maszyn górniczych. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 1998, nr 10.
Komputery przemysłowe Simatic S7. Dokumentacja TechnicznoRuchowa, Erlangen 2001 r (w j. angielskim).
Sterowniki PLC Simatic S7 i M7. Katalogi firmy Siemens Siemens 2003 r.
Recenzent: dr hab. inż. Z. Głowacz