Пермский государственный технический университет Р

Работа добавлена на сайт samzan.net:

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Пермский государственный технический университет»

Р.А. Сажин

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство

Пермского государственного технического университета

2009

УДК 622.6

        С14

Рецензенты:

кандидат технических наук  И.Я. Сальников, 

( ЗАО «Энергосервис» )

кандидат технически наук, доцент  

(Пермского государственного технического университета)

Сажин Р.А.  

С            Автоатизаця технологических процессов горного произоства:    учеб.

         пособие  /

Р.А. Сажин. − Пермь: Изд-во Перм. гос.  техн. ун-та, 2009. −   с.

ISBN 

Рассмотрены вопросы, связанные с принципами работы и устройства систем для автоматизации технологических процессов горного производства. Для каждой технологической операции этого производства представлен анализ  структур автоматических систем как в аналоговом так и цифровом исполнении. Приведены структуры алгоритмов управления этими операциями для устройств цифрового исполнения.

Предназначено для студентов очного и очно-заочного  отделений горно-нефтяного факультета по специальностям «Электропривод и автоматизация технологических установок и комплексов» .

УДК 622.6

                                                                                                                                  

ISBN  978-5-88151-972-8                       ©  ГОУ ВПО  «Пермский государственный

                                                                     технический университет», 2009

 

ВВЕДЕНИЕ

Техническое перевооружение горного производства включает в себя не только внедрение нового высоко производительного технологического оборудования, но и  привязку его к современным средствам автоматического управления, основу которых составляют микропроцессорные системы. Поэтому развитие средств автоматизации (в том числе и цифровых) в настоящее время является ключевым звеном научно технического прогресса не только в горнодобывающей отрасли, но и во всей производственной сфере страны.

В основу работы большинства автоматических систем заложены типовые принципы взаимодействия структурных элементов автоматики на исполнительные устройства технологического оборудования, изучив которые можно не только разобраться в принципе работы любой автоматической системы, но и успешно создавать новые, более совершенные их образцы.

Целью этого учебного пособия является знакомство студентов  с  основными принципами автоматизации, со структурным и функциональным устройством средств автоматизации основных технологических операций горного производства.

1. ЭТАПЫ АВТОМАТИЗАЦИИ

Автоматизация технологических процессов горного производства предусматривает следующие этапы:

1.  Частичную автоматизацию;
2.  Комплексную автоматизацию;
3.  Полную автоматизацию.

  

На этапе частичной автоматизации горного производства предусматривается перевод на автоматическое управление отдельных технологических машинами или установок. Примером такого этапа автоматизации является автоматическое управление отдельным комбайном, конвейером или вентилятором.

На следующем этапе комплексной автоматизации этого производства предусматривается перевод на совместное автоматическое управление комплекса технологических машин. Например: автоматическое управление добычным технологическим комплексом, состоящим из комбайна, призабойного конвейера и призабойной крепи.

Полная автоматизации производства предполагает автоматизацию всех процессов, входящих в производственный технологический цикл. Этот этап автоматизации реализуется на основе  применения средств вычислительной техники и микропроцессорных устройств. В горной промышленности по ряду объективных причин полная автоматизация пока не применяется. В других отраслях промышленности например в легкой и пищевой полностью автоматизированные производства уже существуют.

2. ЗАДАЧИ АВТОМАТИЗАЦИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Автоматизация технологических процессов предполагает решение следующих задач по управлению технологическими процессами:

1.  Автоматическую сигнализацию о состоянии объекта управления;
2.  Автоматический контроль параметров объекта управления;
3.  Автоматическую защиту объекта управления;
4.  Автоматический пуск или останов (в том числе и дистанционный) объекта управления;
5.  Автоматическое регулирование параметров объекта управления.

2.1.Системы автоматической сигнализации

Системы автоматической сигнализации предназначены для дистанционной передачи информации о состоянии объекта управления. Такая система имеет следующую структуру:

                 

ОУ – объект управления.

ВЭ – воспринимающий элемент.

ИУ – исполнительное устройство.

       

Информация с объекта управления поступает на воспринимающий элемент, который преобразует ее в сигнал и передает его на исполнительное устройство, регистрирующего через этот сигнал состояние объекта управления. Примером такой системы может быть телемеханическая система дистанционной передачи сигнала  на пульт диспетчера о  работе или простое технологического оборудования.

1.   Системы автоматического контроля

Системы автоматического контроля предназначены для контроля уровня одного или нескольких параметров объекта управления. Структура системы автоматического контроля следующая:

                  

ОУ – объект управления.

ИП – измерительный преобразователь.

ИУ - исполнительное устройство.

          

Информация с объекта управления поступает на исполнительный преобразователь (датчик), который преобразует ее в аналоговый сигнал и передает его на исполнительное устройство, регистрирующего через сигнал уровень состояния объекта управления.

Примером такой системы может быть телемеханическая система дистанционного контроля уровня добытого полезного ископаемого в бункерах.

1.  Системы автоматической защиты.

Системы автоматической защиты предназначены для поддержания в заданном пределе уровня одного или нескольких параметров объекта управления. Система автоматической защиты имеет следующую структуру:

ЗС – задающий сигнал

ЭС – элемент сравнения

УУ – устройство управления

 

Информация с объекта управления поступает на исполнительный преобразователь (датчик), а с него на  элемент сравнения, куда одновременно подается задающий сигнал предельного уровня контролируемого параметра. Если уровень сигнала датчика (или измерительного преобразователя) будет выше величины задающего сигнала, то  на устройство управления подается сигнал, формирующий управляющее воздействие на объект управления.   Примером такой системы может быть система автоматической защиты от перегрузки электросетей или перегрузки привода любой технологической установки.

1.  . Системы автоматического пуска и останова объекта управления.

Эти системы предназначены для автоматического пуска или останова объекта управления.     Автоматический пуск или останов объекта управления может осуществляться по сигналам с датчика (измерительного преобразователя) или от  воспринимающего элемента.  Структура такой системы выглядит следующим образом:

Автоматический пуск объекта управления в такой системе производится по сигналу датчика (измерительного преобразователя) или с помощью пусковой кнопки (воспринимающего элемента),  который формируется и подается на устройство управления для управляющего воздействия на объект управления. Аналогично может быть произведен автоматический останов объекта управления.   Примером такой системы может быть система автоматического пуска или останова компрессора при поддержании заданного давления в ресивере.

1.  Системы автоматического регулирования объектов управления.

Системы автоматического регулирования объектов управления предназначены  для поддержания заданно характера изменения во  времени  или от другого аргумента параметров работы объектов управления. Структура такой системы зависит от алгоритма управления объектом. Для аналоговых систем эта структура определяется ее алгоритмом, в то время как в цифровых системах эта структура постоянна и  типична для большинства таких систем.

Пример: регулирование давления в нефтяном пласте производится нагнетанием жидкости в этот пласт через скважину. Структура аналоговой системы автоматического управления в этом случае зависит от алгоритма управления этим процессом.

1.  ТРЕБОВАНИЯ К СИСТМАМ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОЦЕССОВ ГОРНЫХ РАБОТ

Системы автоматизациитехнологических процессов в горнодобывающей промышленности должны довлетврять следующим требованиям.

1.  Режим работы системы автоматического управления должен соответствовать режиму работы технологического оборудования подлежащего автоматизации.
2.  Системы автоматизации технологических  процессов горно-добычных работ должны иметь степень взрывозащиты соответствующую категорийности горных работ.
3.  Системы автоматизации технологических  процессов горно-добычных работ должны быть совместимы по энергии питания с основным технологическим процессом.
4.  Технологические процессы, подлежащие автоматизации не должны содержать ручных  операций или операций, которые не поддаются автоматизации управления.
5.  Органы управления технологическим оборудованием, подлежащего автоматизации должны быть приспособлены для применения типовых исполнительных элементов систем автоматики.
6.  Системы сбора и обработки информации  при автоматизации технологических  процессов горно-добычных работ должны иметь степень точности достаточную для поручения необходимого результата.
7.  Оснащение технологических  процессов системами автоматизации должно быть экономически целесообразным при выполнении работ в сложных горных условиях.

Автоматизация производственных процессов всегда связана с управлением этими процессами, поэтому первоначально рассмотрим несколько основополагающих понятий, связанных с управляющим процессом.

4.  ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ АВТОМАТИКИ

4.1. Элементы процесса управления

Автоматизация любого процесса всегда связана с управлением этим процессом с помощью воздействия определенных средств на объект управления.

Управление  -  это целенаправленное воздействие на  объект управления с целью получения желаемого результата. Принципиально структура одного из видов управления показана на рис. 1.

Рис.1. Структура системы управления объектом.

               

При любом виде управления всегда существует некоторый результат этого управления, который формируется на выходе объекта управления. Для получения этого результата  на вход объекта управления подается управляющее воздействие, которое в свою очередь формируется устройством управления. Часть этого результата в виде информации возвращается обратно на устройство управления через канал обратной связи. Обратная информационная связь необходима для уточнения величины управляющего воздействие на объект и для контроля за состоянием этого  объекта. Информация в системе управления может быть представлена в форме сигнала, который может быть; управляющим, задающим, возмущающим и корректирующим.  Объект управления и устройство управления подвергаются воздействию со стороны внешней среды в форме внешнего воздействия.   Это воздействие, как правило, всегда ухудшает результат управления.

4.2. Функциональные структуры систем управления.

Способ формирования управляющего воздействия на объект управления определяет вид управления, которое  по этому признаку может быть:

•  Ручным;
•  Автоматическим;
•  Автоматизированным.

4.2.1.. Ручное управление

При ручном управлении управляющее воздействие на объект управления производится непосредственно  человеком  через его мускульное воздействие или через технические устройства,  усиливающие это воздействие.     Структура этого вида  управления показана на рис. 2.

Если мускульного воздействия человека достаточно для управления объектом то человек-оператор (субъект управления) пропорционально формирует это воздействие своим мускульным усилием. И наоборот, если  величина  сопротивления управлению объектом превышает мускульные возможности субъекта, то в системах ручного управления используются различного типа усилители мускульного воздействия, с помощью которых он в форме управляющего воздействия воздействует на объект управления.

Рис.2. Структура системы ручного управления объектом.

Пример: Использование только мускульного усилия ног велосипедиста  достаточно для торможения велосипеда и совершенно не достаточно для торможения подобным образом автомобиля. Поэтому для торможения автомобиля используют вакуумные усилители тормозного усилия, создаваемого  ногой  водителя,

4.2..2. Автоматическое управление.

При автоматическом управлении управляющее воздействие на объект управления  производится автоматическим управляющим устройством, работающем по  заданному алгоритму без всякого участия человека.  В этом случае по каналу обратной связи устройство управления получает  информацию о результате управления и состоянии объекта управления, на основе которой по заданному алгоритму формируется величина этого воздействия.

По способу формирования управляющего воздействия автоматические устройства управления бывают двух типов:

1.  Работающие по принципу компенсации отклонения результата управления;
2.  Работающие по принципу компенсации внешнего возмущения на объект управления.

4.2..2.1. Структура устройства автоматического управления, работающего  по принципу компенсации отклонения результата управления.

          Структура устройства автоматического управления, работающего  по принципу компенсации отклонения результата управления, представлена на Рис.3. В таких устройствах задающий сигнал сравнивается с информацией (сигналом), полученной по каналу обратной связи о результате управления или о состоянии объекта управления.   В случае рассогласования  этой информации элемент сравнения вырабатывает сигнал коррекции,  который по заданному алгоритму воздействует пропорционально этому отклонению на источник внешней энергии с целью формирования  необходимой  величины  и  направления управляющего воздействия на объект управления. Так как информация о результате управления в виде сигнала через канал обратной связи вновь поступает на вход системы управления, то такие системы всегда замкнуты.

Рис.3.   Структура системы автоматического управления, работающего  по принципу компенсации отклонения результата управления.  

Пример: В системе автоматического управления скоростью движения подъемного сосуда шахтной подъемной установки всегда замеряется фактическая скорость подъема. Если по какой то причине эта скорость будет больше заданной, то уменьшается возбуждение подъемного электродвигателя или производится торможение барабана подъемной машины.

4.2.2.2. Структура устройства автоматического управления, работающего  по принципу компенсации внешнего возмущения на объект управления.

Структура устройства автоматического управления, работающего  по принципу компенсации внешнего воздействия на объект управления, представлена на рис. 4.   В таких устройствах информация о внешнем  воздействии на объект управления поступает на элемент коррекции,  который по заданному алгоритму формирует сигнал управления,  воздействующий на источник внешней энергии с целью формирования  необходимой  величины  и  направления управляющего воздействия на объект. Так как информация о результате управления не поступает на вход системы управления, то такие системы всегда разомкнуты.

Рис.4.  Структура устройства автоматического управления, работающего  по принципу компенсации внешнего возмущения.

         Пример: В системе автоматического поддержания температуры городской теплосети всегда замеряется температура окружающей среды. С понижением температуры наружного воздуха температура теплоносителя в этой сети пропорционально повышается для поддержания постоянной температуры в отапливаемых помещениях. И наоборот.

4.2..3. Автоматизированное управление.

Автоматизированное управление (рис.5) относится к комбинированному, человекомашинному способу управления, при котором управляющее воздействие на объект производится автоматическим управляющим устройством,  работающему по заданному алгоритму без участия человека  до  тех  пор, пока объект управления аботает в пределах заданного режима.

Если же под действием   внешней среды режим работы объекта управления

Выходит за рамки заданных значений то в работу вступает субъект управления ( оператор) , который при этом выполняет одно из de[ возможных действий.

Он прежде всего корректирует величину задающих сигналов  или алгоритм управления. Если эти действия субъекта не дают необходимого результата то он управляет объектов вручную.  После выхода из аварийной ситуации дальнейшее управление  объектом снова производится в автоматическом режиме.

         Рис. 6. Структура системы автоматизированного управления объектом

Аварийная ситуация требует от оператора перехода  действий, связанных с вводом  новых уровней задающих сигналов или с корректировкой  алгоритмов управления. Примером автоматизированной системы может быть система управления самолетом.

На этапе взлета  управление самолетом производится пилотом в ручном режиме. Как только самолетом будут достигнуты заданная высота, направление и скорость полета,  пилот переводит его управление в автоматизированный режим, который выполняется автопилотом. При этом пилот по приборам только наблюдает за параметрами полета. В случае аварийной ситуации пилот корректирует задающие сигналы системы автоматики или в критической ситуации переходит на ручной режим управления, т.е. отключает автопилот. При посадке самолета меняется алгоритм управления, поэтому в этом случае автопилот переводится в режим автоматической посадки самолета.

5. ЭЛЕМЕПНТЫ ТЕОРИИ РАБОТЫ ДИСКРЕТНЫХ АВОМАТОВ

Большинство систем автоматического управления в своем составе имеют элементы, которые работают в режиме «включено-выключено» по сигналам поступающим от соответствующих датчиков. Такие системы принято назвать дискретными автоматами. Описание свойств и состояния этих автоматов производится наукой называемой «Теория работы дискретных автоматов».

5.1.Характеристика дискретного автомата.

Дискретный автомат – это абстрактное управляющее устройство дискретного действия с некоторой постоянной структурой. Наглядно дискретный автомат можно представить как некоторый материальный объект (прямоугольник или ящик (рис.6)), на входе которого последовательно появляются импульсные  входные сигналы, в результате действия которых последовательно меняется внутреннее состояние этого автомата, а на его выходе так же последовательно возникают соответствующие выходные сигналы, являющиеся результатом управления.

                            Рис.6 Структурная схема дискретного автомата

Совокупность всех входных сигналов дискретного автомата называется его входным алфавитом. Пусть в нашем случае этот алфавит задается следующей совокупностью символов:

X = {x1,x2,x3,x4,x5,x6, ... xn}

(1)

     

Совокупность всех выходных сигналов дискретного автомата называется его выходным алфавитом. В нашем случае этот алфавит задается следующей совокупностью символов:

Y = {y1,y2,y3,y4,y5,y6, ... yn}

(2)

     

Совокупность всех сигналов внутренних состояний дискретного автомата называется алфавитом его внутренних состояний. Пусть в нашем случае этот алфавит задается совокупностью следующих символов:

A = {a1,a2,a3,a4,a5,a6, ... an}

(3)

    

Промежуток времени между двумя последовательными состояниями дискретного автомата называется его рабочим таком. В момент смены такта меняется как внутреннее состояние автомата, так  и величина сигнала на его выходе.

Если продолжительность такта определяется только длительностью входного сигнала, то такой режим работы дискретного автомата называется асинхронным. Если продолжительность такта определяется внешним источником (генератором тактовых импульсов), то такой режим работы дискретного автомата называется синхронным. Если такт входного сигнала формируется автоматом, а такт его внутреннего состояния внешним источником, то такой режим работы дискретного автомата называется  согласованным.

5.2.Формальные языки описания дискретных автоматов.

Для описания работы дискретного автомата используются следующие языковые средства:

1.  Таблицы переходов (функции δ);
2.  Таблицы выходов(функции λ);
3.  Графы переходов;
4.  Граф - схемы алгоритмов;
5.  Логические схемы алгоритмов.

5.2.1.Таблица переходов (функция δ)

Внутренне состояние дискретного автомата в конкретный момент времени описывается табличной функцией, смысловое содержание которой представлено в табл. 1.

                                                            Таблица 1

	а1	а2	а3	а4	Смысл этой таблицы состоит в том, что некоторый дискретный автомат последовательно за четыре такта получает на свой вход сигналы: Х1;Х2;Х3;Х4.
Х1	а1	а3	-	а1
Х2	-	а1	а1	а2
Х3	а4	-	а2	а3
Х4	-	-	-	а2

Этот дискретный автомат может произвольно принимать четыре возможных внутренних состояния: а1,а2,а3,а4. Согласно этой таблице при действии сигнала Х1 автомат из состояния а1 остается в этом же состоянии, но из состояния а2 переходит в состояние а3 , а из состояния а4 возвращается в состояние а1. В этом такте состояние а3 автомата безразлично, т. к. из него возможен переход в любое другое состояние. Согласно этой таблице аналогично объясняются переходы состояний автомата в последующих тактах.

5.2.2. Таблица выходов (функция λ )

Таблицей выходов каждому внутреннему состоянию дискретного автомата на соответствующем такте задается величина выходного сигнала.  В общем случае это описывается табличной функцией λ[a(t),x(t)], смысловое содержание которой представлено в табл. 2.

                                                                                         Таблица 2

	а1	а2	а3	а4	Смысл этой таблицы состоит  в том,  что за четыре входных такта Х1;Х2;Х3;Х4 дискретный автомат формирует конкретный входной сигнал при соответствующем
Х1	y1	y3	-	y4
Х2	-	y1	y1	y2
Х3	y4	-	y2	y3
Х4	-	-	-	y4

внутреннем его состоянии : а1,а2, а3,а4.

Согласно  табл. 2 при действии сигнала Х1 на выходе автомата при его внутреннем состоянии а1 формируется сигнал y1, а в состоянии а4 этот автомат выдает сигнал y4. Состояние а3 в этом такте безразлично.

Для описания работы дискретного автомата с помощью графа строится обобщенная таблица переходов, в которой объединяется содержание двух предыдущих таблиц.

                                                             Таблица 3

	а1	а2	а3	а4	Таблица 3 иллюстрирует принцип этого объединения. Такая таблица является основой для построения графа переходов. Если в таблице 3 не все клетки заполнены
Х1	а1/y1	а3/y3	-	а1/y4
Х2	-	а1/y1	а1/y1	а2/y2
Х3	а4/y4	-	а2/y2	а3/y3
Х4	-	-	-	а2/y4

    

(определены),   то такой автомат считается не полностью определенным или частичным.

5.2.3.Построение графа переходов дискретного состояния автомата.

     

Для наглядности принципа последовательности функционирования автомата строятся графы, состоящие из системы вершин и ребер направлений. Каждая вершина графа соответствует конкретному его внутреннему состоянию. Ребро графа указывает направление перехода автомата из одного состояние в другое.

На  рис.7 приведен граф автомата, описанного таблицей 3. Произвольно расставив вершины состояний автомата: а1, а2, а3, а4 согласно таблицы 3 обозначим ребрами направления перехода автомата из одного состояния в другое. Так в такте Х1 автомат  из состояния а1 вновь приходит в это состояние.  Ребро такого направления (исходящего и входящего в одну и туже вершину) называется петлей. Далее в этом же такте из вершины а2 ребро направляем в вершину а3, а из вершины а4 в вершину а1 и так далее о каждому такту. В итоге получим результирующий граф переходов, представленный на рис.7. Этот граф может быть представлением одной из форм  алгоритма  работы дискретного автомата. За начало этого алгоритма принимается та вершина графа, из которой только выходят ребра, и нет в ней входящих ребер. Аналогично за конец алгоритма принимается та вершина графа, в которую только входят все ребра, и нет в ней выходящих ребер.

                           Рис 7.  Граф переходов состояний автомата.

        

5.2.4. Граф-схемы алгоритмов

          Последовательность функционирования дискретного автомата мажет быть представлена в виде структурного алгоритма через его граф схему. Основу граф-схемы алгоритма составляют структурные блоки или операторы структуры, которые могут быть следующими:

1.  Начала, конца;
2.  Ввода, вывода;
3.  Линейными (или следования);                   
4.  Ветвления;
5.  Цикла;
6.  Подпрограммными.

Рассмотрим принцип построения граф-схемы алгоритма на примере фрагмента алгоритма работы автоматического регулятора температуры, представленного на рис.8.  После ввода задающих параметров, определяющих верхнюю и нижнюю границу  регулирования температуры, производится опрос датчика температуры. Если нижняя граница заданного температурного диапазона будет ниже фактической температуры, то алгоритм переключается на повторный опрос датчика (так реализуется петля графа). Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока при нажатии на кнопку «пуск» не выполнится условие «да». После чего произойдет переход на включение нагревателя.  Продолжение алгоритма будет аналогичным, только контроль в этом случае будет происходить по верхней границе температурного диапазона, при превышении которого произойдет переход к выключению нагревателя

                              

                                Рис.8. Алгоритм работы регулятора температуры.

5.2.5. Логические схемы алгоритмов.

                   Функциональная последовательность работы дискретного автомата мажет быть структурно представлена в виде логической блок схемы. Рассмотрим принцип построения таких схем на примере защитной автоматики, представлено- го на рис.9.     

Рис.9. Логическая блок-схема системы защиты.

При появлении единичного сигнала хотя бы на одном из входов Х2 или Х3 или логического нуля на входе Х1 элемента   «ИЛИ-НЕ»  переводит его выходной сигнал в нулевое состояние, в результате чего пусковое реле «Р» отключается.

5.3.Структурный синтез дискретных автоматов как систем управления.

Для структурного синтеза дискретного автомата выберем нижний  уровень системы управления шахтного водоотлива. Функциональная структурная схема этой системы представлена на рис.10.

Рис.10. Функциональная схема системы управления шахтного водоотлива.

На этой схеме приняты следующие обозначения:

БЗ –    Блок задержки времени;

ДПЗз –  Датчик положения задвижки (закрыто);

ДПЗо  -  Датчик положения задвижки (открыто);

t1    -    Время заливки насоса ;

t2    -    Время набора производительности насосом;

УУ  -   Устройство управления насосом;

ДН  -   Двигатель насоса;

ЗУ  -   Устройство заливки насоса;    

ПЗ  -   Привод задвижки;

Н   -   Насос;

З   -   Задвижка.

С верхнего уровня управления этой системы на вход устройства управления поступает сигнал «пуск» (или «стоп»), который одновременно запускает блок задержки времени. Этот блок последовательно  выдает два временных сигнала. Первый сигнал «t1» регистрирует время заливки насоса, второй сигнал «t2» регистрирует время разгона привода насоса. Входные сигналы датчиков ДПЗз и ДПЗо фиксируют положение задвижки «З» (открыто или закрыто). Один из выходных сигналов устройства управления включают устройство заливки насоса «ЗУ», а другие приводы главного насоса «ДН»  и задвижки «ПЗ». Положение задвижки. контролируется датчиком положения

задвижки «ДПЗ».

Рис.11. Упрощенная схема системы управления шахтного водоотлива.

Тактовое состояния входных сигналов в этой системе отражено в табл. 3.

Пояснение содержания таблицы 3  Цикл управления насосом шахтного водоотлива состоит из восьми тактов. В такте Х0 система находится в состоянии ожидания приема с верхнего уровня управления сигнала «пуск». Сигналы t1 и t2 в этом такте находятся на безразличном уровне, так как таймеры не запущены. Сигнал датчика ДПЗ0 имеет нулевой  уровень, потому что задвижка закрыта, а  

сигнал датчика ДПЗз имеет наоборот единичный  уровень.  Эти сигналы не меняют своего состояния в течение пяти тактов, пока задвижка остается закрытой. В такте Х1 на вход «пуск/стоп» устройства управления приходит единичный пусковой сигнал, который остается таким в течении последующих шести тактов.

                                                                                Таблица 3.

	Пуск/ /стоп	t1	t2	ДПЗо	ДПЗз	После получения этого сигнала блок задержки времени запускает заливочное устройство и таймер t1, поэтому на этом  входе первоначально появляется нулевой сигнал запуска таймера. На следующем такте Х2 таймер t1 выдает единичный сигнал прекращения заливки насоса.
Х0	0	-	-	0	1
Х1	1	0	-	0	1
Х2	1	1	-	0	1
Х3	1	-	0	0	1
Х4	1	-	1	0	1
Х5	1	-	-	1	0
Х6	1	-	-	1	0
Х7	х	-	-	0	1

На такте Х3 блок задержки времени запускает таймер t2 , который контролирует время запуска двигателя главного насоса. На этом такте и далее параметр t1 переходит уже в безразличное состояние. На такте Х4 заканчивается переходной процесс пуска двигателя насоса поэтому параметр t2 переходит на единичный уровень.

На такте Х5 насос переходит на рабочий режим откачки воды, поэтому система управления включает привод задвижки на открытие, в результате чего параметры ДПЗ0 и ДПЗз противоположно меняются, а вход t2 становится безразличным. Такт Х6 является основным рабочим тактом. Сигналы этого такта остаются такими же, как и в предыдущем такте. Одновременно в этом такте производится контроль работоспособности системы управления. В случае появления аварийного сигнала система управления переходит на такт Х7, на котором закрывается задвижка и выключается привод насоса, в результате чего параметры ДПЗ0 и ДПЗз снова противоположно меняются.

Состояние выходных сигналов системы управления  представлено в табл. 4.

                           

                               Таблица 4

	ЗУ	ДН	ПЗо	ПЗз
Y0	0	0	0	0
Y1	1	0	0	0
Y2	0	1	0	0
Y3	0	1	1	0
Y4	0	0	0	1

                                                                          

Пояснение содержания таблицы 4       При действии выходного сигнала Y0 (нулевое состояние системы) все устройства водоотлива отключены.

При появлении выходного сигнала Y1 включается заливочное устройство остальные устройства пока отключены. Выходной сигнал Y2 выключает заливочное устройство и включает двигатель главного насоса. Сигнал Y3 открывает задвижку при работающем приводе насоса, а сигнал Y4 закрывает задвижку и отключает привод насоса.

Для построения графа алгоритма системы управления шахтного водоотлива построим таблицу 5, в которой объединим содержание двух предыдущих таблиц..

                    Таблтца 5

	а1	а2	а3	а4	а5	а6	Список внутренних состояний а1 – начальное состояние; а2 – заливка насоса; а3 – включение двигателя        насоса; а4 – включение привода        задвижки и  работа        насоса; а5 –  нормальная работа
Х0	а1/ Y0	а1/ Y0	а1/ Y0	а6/ Y4	а6/ Y4	а6/ Y4
Х1	а2/ Y1	а2/ Y1	-	-	-	а6/ Y4
Х2	-	а3/ Y2	-	-	-	а6/ Y4
Х3	-	-	а3/ Y2	-	-	а6/ Y4
Х4	-	-	а4/ Y3	-	-	а6/ Y4
Х5	-	-	-	а4/ Y3		а6/ Y4
Х6	-	-	-	а5/ Y2	а5/ Y2	а6/ Y4
Х7	-	-	-	-	-	а1/ Y4

                                                                                                 насоса с открытой

                                                                                                 задвижкой;

                                                                                         а6  –  выключение привода

                                                                                                 насоса и закрытие

                                                                                                 задвижки.

Пояснение содержания таблицы 5. Во время такта Х0 система находится в состоянии ожидания, при этом любая попытка включения привода в состояниях а4 , а5, а6 вызывает появление сигнала Y4.обеспечивающего возврат В такте Х1 из начального состояния система переходит в состояние заливки насоса и находится в этом состоянии в течение следующего такта. В такте Х3 включается привод главного насоса. После его в такте Х4 при работающем насосе производится включение привода задвижки. В этом состоянии система находится весь следующий такт Х5. Такт Х6 является основным тактом работы насоса при открытой задвижке. Такт Х7 является режимом работы насоса при аварии, при котором закрывается задвижка и выключается привод насоса, после чего система  переходит к начальному состоянию.  

Далее на основе таблицы 5 строим граф алгоритма управления по выше изложенной методике.  Общий вид этого графа представлен на Рис.12.

шахтного водоотлива, который представлен на Рис.12.

Рис.12. Граф переходов состояний системы управления шахтного водоотлива.

Этот граф имеет шесть вершин устойчивых состояний, на каждой из которых имеется петля циклового ожидания события, среди которых :

х0/у0 – (а1) ожидание нажатия кнопки пуск;

х1/у1 – (а2) ожидание окончания заливки насоса;

х3/у2 – (а3) ожидание окончания набора производительности насоса;

х5/у3 – (а4) ожидание окончания переключения задвижки (на открытие);

х6/у2 – (а5 ) работы насоса в  нормальном режиме и ожидание окончания

                    этого режима;

(х0 х1 х2 х3 х4 х5 х6 х7)/у4 – (а6) ожидание окончания переключения

                                                         задвижки (на   закрытие).

На основе этого графа строим алгоритм автоматической работа насоса

5.4  Алгоритм работы насоса водоотлива.

Имя вершины графа
а1
а2
а3
а4
а5
а6

                                     

                       Рис.13. Алгоритм управления насосом шахтного водоотлива.

Представленный на  рис. 13. алгоритм управления насосом шахтного водоотлива совмещен с вершинами графа, представленного на рис. 12.  Насос шахтного водоотлива, как дискретный автомат, после запуска этого алгоритма находится  в состоянии а1, в котором все выходные сигналы обнулены и в ожидании нажатия кнопки «пуск» он переходит на петлевой цикл опроса состояния этой кнопки. Пока эта кнопка не нажата этот цикл продолжается.

После нажатия копки «пуск» автомат переходит в состояние а2, в котором производится запуск таймера t1, а так же включение заливочного насоса. Если же заливочный насос не включился то происходит возврат в состояние а1, т.е. в исходное состояние этого автомата. При запуске заливочного насоса таймером t1 производится контроль времени заданного на заливку насоса с учетом состояния пусковой кнопки. При проверке этих условий алгоритм снова находится в петлевом цикле в течении  времени t1 (это петля при вершине а2). По  истечении этого временного отрезка происходит выход из петлевого цикла в состояние а3.

В этом состоянии (вершина а3) происходит включение привода  рабочего насоса и одновременное выключение заливочного насоса. Кроме того, в этом состоянии включается таймер t2, который контролирует время включения привода асоса. В случае если одного из этих включений не произошло, то снова происходит возврат к вершине а1, т.е. в исходное состояние автомата.. По  истечении этого временного отрезка происходит выход автомата из петлевого цикла в состояние а4. В этом состоянии при работающем двигателе рабочего насоса производится включение привода  задвижки на открытие. Если же в этом случае  задвижка не откроется или остановится двигатель рабочего насоса, то произойдет переход автомата  в состояние а6, в котором обнуляются все его выходные сигналы и он снова перейдет в начальное состояние ожидания пуска.  При нормальной же работе указных приводов и полного открытия задвижки происходит переход автомата в следующее состояние а5, в котором отключается привод открытой задвижки при работающем двигателе рабочего насоса.

Состояние а5 является основным рабочим состоянием насоса шахтного водоотлива. Оно продолжатся до тех пор, пока не будет подана команда «стоп» или пока не сработают аварийные датчики. Если это произойдет, то автомат переходит  в состояние а6, в котором происходит закрытие задвижки и выключение привода насоса, после чего автомат переходит в состояние а1, т.е. в режим ожидания при нулевых значениях выходных сигналов.

1.  МИКРПРОЦССОРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

           Современные микропроцессорные системы автоматического управления технологическими процессами выполняются на основе микроконтроллеров, которые могут быть встроенными непосредственно в технологическое оборудование или объединяться в распределительные промышленные сети для управления  конкретным технологическим процессом

В отличие от аналоговых систем автоматики, структура которых  определяется структурой алгоритма управления, микропроцессорные (цифровые) системы автоматики имеют постоянную структуру, а их функциональное назначение определяется только программой (алгоритмом) управления.

6.1.  Структура микропроцессорных систем

Несмотря на разное конструктивное исполнение, все микропроцессорные системы автоматического управления имеют общую внутреннюю структуру (рис. 14).

Основой любой микропроцессорной системы управления является микропроцессор, или вычислитель, предназначенный для обработки дискретных цифровых сигналов и команд управления.  Как основной структурный блок этой системы, микропроцессор связан со всеми остальными структурными блоками через систему трех шин. Шиной в микропроцессорной системе называют пучок проводов для передачи сигналов определенного назначения. Таких шин в  микропроцессорной системе как минимум три. Среди них шина адреса (ША), шина данных (ШД) и шина управления (ШУ).

Шина адреса служит для передачи адреса обращения микропроцессора к другим периферийным структурным блокам.  По шине данных в параллельном коде осуществляется двусторонний обмен цифровыми сигналами между микропроцессором и другими структурными блоками. Шина управления служит  для передачи команд от микропроцессора к структурным блокам и обратно. Совокупность  указанных шин носит название системной шины микропроцессорной системы и служит для связи микропроцессора с периферийными модулями различного назначения. Системная шина выполняется по международному   стандарту  и называется шиной ISA.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) служит для хранения отлаженного алгоритма управления объектом или для хранения мало меняющейся цифровой информации, используемой в управлении объектом. Микропроцессор может только считывать информацию из ПЗУ.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) служит для хранения любой информации, используемой в управлении объектом, в том числе и для хранения программ управления объектом. ОЗУ имеет двустороннюю связь с микропроцессором. ПЗУ и ОЗУ непосредственно связаны  по системной шине ISA с микропроцессором, в то время как остальные структурные блоки связываются с ним через дешифратор внешних устройств (ДВУ), который позволяет им поочередно подключаться к микропроцессору. К внешним устройствам относятся программируемый параллельный интерфейс (ППИ) (адаптер параллельной связи), программируемый таймер (ПТ) и  последовательный интерфейс (ПосПИ) (адаптер последовательной  связи).    

                

      Рис.  14. Структура микропроцессорной системы управления

 

Программируемый  параллельный  интерфейс служит для связи микропроцессора с дискретными или аналоговыми объектами управления, в качестве которых могут быть датчики или исполнительные устройства объектов управления.

Программируемый таймер служит для управления объектами с помощью микропроцессора в функции времени.

Программируемый последовательный интерфейс служит для передачи в последовательном коде цифровых сигналов к объектам управления или к другим микропроцессорным системам, расположенным на значительном расстоянии от микропроцессора. Двусторонняя (дуплексная) передача сигнала по линии последовательной связи осуществляется по некоторым правилам, которые называют протоколом передачи данных.

6.2.  Структура микропроцессора

Микропроцессор (рис. 15) состоит из следующих структурных блоков:

─ внутренней шины;

─ регистров общего назначения;

─ арифметико-логического устройства (АЛУ);

─ буфера шины адреса;

─ буфера шины данных;

─ устройства управления и синхронизации;

─ регистра команд.

            Рис. 15.  Структура микропроцессора

Для связи между собой структурных блоков микропроцессора предназначена внутренняя шина.

Регистры общего назначения (РОН) содержат регистр адреса; программный счетчик; указатель стека; оперативные парные регистры: W Z; D C. D  E, H  L,мультиплексор.

В состав АЛУ входят буфер и аккумулятор для промежуточного хранения исходной цифровой информации; арифметико-логическое устройство; регистр признаков.

Регистр адреса служит для промежуточного хранения адреса обращения микропроцессора к конкретному  структурному блоку системы. Этот адрес в регистр заносится перед посылкой его в шину адреса.

Программный счетчик служит для формирования адреса обращения к ячейкам памяти, в которых хранятся команды программы управления микропроцессорной системы. При выполнении очередной команды алгоритма управления объектом содержание счетчика увеличивается автоматически на единицу, если этот алгоритм линейный.

Стеком называют часть оперативной памяти, в ячейки которой последовательно записывают оперативную информацию. При записи этой информации указатель стека автоматически увеличивается на число заполненных при записи ячеек памяти.  И наоборот, при считывании информации из стека его ячейки последовательно очищаются, а указатель стека уменьшается на число таких очищенных ячеек.

Кроме того, для хранения оперативной информации служат парные оперативные регистры общего назначения W и Z, B и C, D и E, H и L,  обращение к которым осуществляется через мультиплексор. Часть этих регистров предназначена для хранения адресной части команд,  в то время как  их исполнительная часть хранится в регистре команд.

Назначение каждого из элементов микропроцессора приведем в процессе описания принципа его работы.

6.2.1.  Принцип работы микропроцессора при обработке команд

Перед началом работы микропроцессора в его программный счетчик автоматически заносится адрес первой команды программы управления работой микропроцессорной системы. Этот адрес через регистр адреса передается в буфер шины адреса, из которого он затем выставляется на шине адреса. Одновременно на шине управления устройством управления и синхронизации выставляется команда «Чтение», при исполнении которой из ПЗУ или ОЗУ побайтно в шину данных пересылаются составные части этой команды.

 Команда управления микропроцессорной системой состоит из двух частей:  признака действия команды, который пересылается в регистр команд, и двух адресов этой команды, которые пересылаются в программно недоступные регистры общего назначения W и Z. В регистре команд  исполнительная часть команды управления делится на ряд мелких команд, которые называются машинными циклами. Каждая из команд может содержать от 4 до 10 машинных циклов. Последовательностью машинных циклов производится непосредственное управление работой  микропроцессора. Регистр команд через устройство управления и синхронизации формирует внешние команды, которые направляются в шину управления. После исполнения  очередной команды при линейном алгоритме программный счетчик автоматически увеличивает свое содержание на единицу, в результате чего происходит естественный переход  к следующей команде программы управления микропроцессором.  Если обрабатываемая команда является командой ветвления, то в регистр адреса пересылается содержание регистра общего назначения W, в котором находится адрес перехода к следующей команде.

6.2.2.  Принцип работы микропроцессора при обработке цифровых сигналов

            

Обработка цифровых сигналов производится в арифметико-логическом устройстве микропроцессора. Это устройство может обрабатывать одновременно два цифровых сигнала. Для этой цели по командам машинного цикла последовательно сначала из регистра W, а потом из регистра Z в буфер шины адреса направляются адреса хранения этих сигналов. Одновременно на шине управления устройством управления и синхронизации микропроцессора выставляется команда «Чтение», по которой через шину данных в буфер шины данных пересылается  сначала один, а затем и другой цифровой сигнал. Затем эти сигналы из буфера так же последовательно пересылаются для промежуточного хранения вначале в буфер АЛУ, а затем в его аккумулятор.  В АЛУ методом арифметического сложения и логических сдвигов по командам машинных циклов производится совместная обработка этих сигналов. Цифровой результат обработки сигналов направляется для хранения в аккумулятор, при этом в регистре признаков устанавливаются признаки (или флаги) этого результата. К числу этих признаков (флагов) можно отнести: положительность или отрицательность цифрового результата, его четность или нечетность, равенство или неравенство его нулю и т. д. Эти признаки (флаги)  используются командами ветвления для организации условия ветвления алгоритма. Для того чтобы полученный результат не был потерян при выполнении последующей команды, его необходимо переслать из аккумулятора в  один из регистров общего назначения или в ячейку памяти ОЗУ.

           

6.3.    Программируемый параллельный интерфейс,

параллельные  порты  микропроцессорных систем

Программируемый параллельный интерфейс (ППИ) (адаптер параллельной связи)  служит для связи микропроцессора с дискретными или аналоговыми объектами, в качестве которых могут быть датчики аналогового или дискретного типа или аналогичные исполнительные устройства. Этот структурный блок работает независимо от микропроцессора по собственной программе, представленной в виде управляющего слова.

Программируемый параллельный интерфейс (рис.16.) связан с микропроцессором через систему трех шин: шину адреса ША (по адресным входам А0, А1), шину данных ШД (по  входам D0, …, D7) и  шину управления ШУ (по  входам Чт, Зап, Сб). Вход В/К (выбор кристалла) используется для  включения чипа (микросхемы) в работу через сигнал дешифратора внешних устройств. Связь параллельного интерфейса (ППИ) с внешними устройствами производится через цифровые  дискретные выходы, которые группируются побайтно в порты (по восемь в одном порте, например  В0, В1,…, В6, В7). Для ввода сигналов с аналоговых датчиков в эти порты встраиваются  аналого-цифровые преобразователи, а для передачи сигналов к аналоговым исполнительным устройствам − цифроаналоговые преобразователи.

Рис. 16. Структура связей ППИ с микропроцессором  и внешними устройствами

Внутренняя структура программируемого параллельного интерфейса показана на рис.17. Все структурные элементы этого интерфейса связаны внутренней шиной, к которой с одной стороны примыкают буфер шины данных, устройство управления и регистр управления, а с другой стороны буферы портов.

Рис.17. Структура связей ППИ с микропроцессором  и внешними устройствами.

Буфер шины данных предназначен для промежуточного хранения цифровых сигналов перед их передачей в шину данных или во внутреннюю шину ППИ. В качестве этих сигналов могут  быть команды управления для самого ППИ или цифровые сигналы, предназначенные для  передачи внешним устройствам, или сигналы, снимаемые с внешних устройств.

В регистре управления хранится управляющее слово, которое является программой для управления работой ППИ. Исполнение этой программы производится устройством управления с учетом команд поступающих от микропроцессора через шину управления. Буферы портов служат для непосредственного подключения к ним периферийных устройств в виде датчиков или приводов исполнительных устройств.

       Обращение микропроцессора к внутренним структурным блокам ППИ производится через комбинацию адресных входов А0 и А1. Структура этой комбинации представлена в  табл. 6.

                                                 Порты параллельного интерфейса могут  неза-

                       Таблица 6       висимо работать   как  на ввод, так и  на  вывод   ин-

                                                 формации.   При работе конкретного порта на вывод

А0	А1	Блоки ППИ	цифрового сигнала этот сигнал  направляется микропроцессором по команде «Запись» через шину данных   в   буфер   данных   ППИ,   из   которого   в соответствии с комбинацией адресных входов этот сигнал направляется в соответствующий порт.
0	0	Порт А
1	0	Порт В
0	1	Порт С
1	1	Регистр управления

Если этот порт содержит ЦАП, то цифровой сигнал преобразуется на выходе порта в аналоговый. При отсутствии ЦАП в порте выходной сигнал остается дискретно-цифровым. На выходе порта сигнал остается постоянным до тех пор, пока буфер порта  не будет обнулен или пока новый сигнал не поступит в него из буфера данных.

Работа конкретного порта при вводе сигнала происходит следующим образом. По команде  «Чтение», которая поступает от микропроцессора по шине управления, сигнал аналогового датчика кратковременно поступает через АЦП в буфер порта, откуда по внутренней шине он передается в буфер шины данных, а затем   по шине данных в микропроцессор. После этого буфер порта обнуляется в ожидании приема нового сигнала по новой команде «Чтение».

Сигналы дискретных датчиков подключаются к конкретному разряду (каналу) буфера порта без АЦП и вводятся аналогичным способом.

 

6.4.  Программируемый таймер

Программируемый таймер (ПТ) в микропроцессорных системах применяется для управления объектами в функции времени. Как правило, в микропроцессорных системах эти устройства применяются для обработки импульсных сигналов. Все структурные элементы этого устройства работают независимо от микропроцессора по собственной программе, представленной в виде управляющего слова.                  

Программируемый таймер (рис. 18) связан с микропроцессором аналогично программируемому параллельному интерфейсу, т.е. через шину адреса (ША) со входами А0, А1,  шину данных (ШД) со входами D0 ,…, D7  и   шину управления (ШУ) со входами Чт, Зап,  Сб. Вход В/К используется для  включения чипа (микросхемы) в работу через сигнал дешифратора внешних устройств. Связь программируемого таймера с объектами управления производится через выходы двоичных счетчиков.

      

 Рис. 18. Структура связей ПТ с микропроцессором  и объектами управления

Основу программируемого таймера составляют двоично-десятеричные вычитающие счетчики, в которые исходный числовой параметр заносится изначально при установке временного параметра. Этот параметр уменьшается на единицу за каждый тактовый импульс, подаваемый независимо в каждый счетчик.  Таймер оснащается несколькими счетчиками, которые работают независимо друг от друга по собственным программам, представленным в виде отдельных управляющих слов.

Обращение микропроцессора к внутренним структурным блокам ПТ производится через комбинацию адресных входов А0 и А1. Структура этой комбинации  представлена в табл. 7.

                                                                                                                       Таблица 7

Все структурные элементы про-граммируемого таймера связаны внут-ренней шиной, к которой примыкают буфер шины данных, устройство управления   и    регистр   управления     и	А0	А1	Блоки ПТ
	0	0	Счетчик  00
	1	0	Счетчик  01
	0	1	Счетчик  02
	1	1	Регистр управления

двоично-десятеричные вычитающие счетчики.

Внутренняя структура программируемого таймера  представлена на рис.19.

Буфер шины данных предназначен для промежуточного хранения цифровых сигналов перед их передачей в шину данных микропроцессора или во внутреннюю шину ПТ. В качестве этих сигналов могут  быть управляющие слова (программы) для каждого из счетчиков ПТ или сигналы исходного или текущего состояния этих счетчиков. Работа всех структурных блоков программируемого таймера происходит под управлением устройства управления.  

В регистре управления хранится управляющие слова (программы) для каждого счетчика. Исполнение этих программ производится устройством управления с учетом команд поступающих от микропроцессора через шину

    Рис. 19.  Внутренняя структура программируемого таймера ПТ.

управления.         

Каждый из счетчиков программируемого таймера имеет один выход и два входа.   На один из этих входов подаются тактовые импульсы, которые за каждый такт уменьшают содержание счетчика на единицу (для некоторых типов таймеров тактовый импульс единично увеличивает числовое содержание счетчика). На другой вход счетчика подается импульс разрешения счета, который является командой разрешения на работу конкретного счетчика.

Выход каждого из счетчиков связан с объектом управления. Выходной сигнал счетчика может принимать состояние нуля или единицы в зависимости от его числового состояния и режима работы.

В качестве этих сигналов могут  быть управляющие слова (программы) для каждого из счетчиков ПТ или сигналы исходного или текущего состояния этих счетчиков. Работа всех структурных блоков программируемого таймера происходит под управлением устройства управления.

В регистре управления хранятся управляющие слова (программы) для каждого счетчика. Исполнение этих программ производится устройством управления с учетом команд, поступающих от микропроцессора через шину управления.

6.5.   Программируемый последовательный интерфейс,

                     последовательные  порты  микропроцессорных систем

Обмен информацией в параллельном коде через параллельные порты (интерфейсы) может быть успешно осуществлен только внутри микропроцессорной системы. Обмен информацией между микропроцессорными системами по этому принципу требует большого количества проводов, так как каждый разряд числового сигнала должен передаваться по отдельному проводу. Кроме того, этот процесс требует дополнительных проводов для передачи  сигналов согласования приема и передачи числовых символов.

Проблема обмена информацией между двумя или несколькими микропроцессорными системами с минимальным количеством проводов  успешно решается при применении последовательного кода (способа) передачи цифровых сигналов. По этому принципу в двухпроводной линии связи (ЛС) последовательно появляются цифровые двоичные символы с заданной разрядностью. Эти символы отображаются в сигнале в виде наличия или отсутствия импульсов заданной амплитуды и частоты. Для реализации такого способа передачи цифровой информации применяются устройства, которые называются последовательными интерфейсами (последовательными портами).

Последовательный программируемый интерфейс (порт)  (ПосПИ) как структурный блок микропроцессорной системы работает независимо от самого микропроцессора по собственной программе, представленной в виде управляющего слова. Связи ПосПИ с управляющим микропроцессором через систему шин  или  с другим микропроцессором по линии связи показаны на рис.20.

Рис. 20   Структура связи  ПосПИ с управляющим микропроцессором   и  с

                 другим микропроцессором

Последовательный интерфейс связан с микропроцессором только через шину данных (ШД) и   шину управления (ШУ). Причем в шину управления введены дополнительные связи для управления работой модема. Вход В/К используется, как и в предыдущих устройствах, для  включения чипа   (микросхемы) в работу через сигнал дешифратора внешних устройств.

С абонентной микропроцессорной системой данная система соединяется по системе линий связи ЛС, в которой выделяются две линии – линия передачи данных и линия синхронизации этой передачи.  Данная  схема ПосПИ представляет синхронную систему последовательной передачи данных, в которой обе микропроцессорные системы взаимно согласуются по частоте обмена цифровой информацией. Принцип работы такой системы рассмотрим на

примере структуры, представленной на рис21..

Рис.21.  Внутренняя структура программируемого последовательного

             интерфейса .

Все структурные элементы последовательного интерфейса ПосПИ связаны внутренней шиной, к которой с одной стороны примыкают буфер шины данных, регистр управления и регистр управления модемом, а с другой к этой шине подсоединены регистры сдвига приемо-передатчика. Буфер шины данных предназначен для промежуточного хранения цифровых сигналов перед их передачей в шину данных всей системы или при приеме из нее сигнала на внутреннюю шину ПосПИ. По команде «запись» (Зп) этот интерфейс пересылает в буфер данных сигналы из системной шины данных или аналогично по команде «чтение» (Чт) посылает в эту шину сигналы  из буфера шины данных. Регистр управления связан с системной шиной управления по следующим входам:

ТИ – тактовая частота системы;

Чт  – команда «чтение»;

Зп  – команда «запись»;

С/Б – команда «сброс»;

Д/У – команда , указывающая на тип передаваемых данных (данные или

          команда управления);

В/К – команда включения ЧИПа (микросхемы) в работу.

Регистр управления модемом последовательного  интерфейса связан с системной шиной управления по следующим входам:

DSR –  сигнал готовности передатчика к передаче данных;

DTR –  сигнал запроса  на прием информации;

RTS –   сигнал готовности к приему информации;

CTS –   сигнал разрешения передачи информации.

Передача информации в линию связи производится сигналом «TD», который появляется на выходе регистра сдвига передатчика. В свою очередь передатчик согласует свою работу с приемником противоположного последовательного порта через сигналы:

TxRDY – сигнал готовности передатчика принять символ данных от процессора  

                в    шину данных;

TxE –      сигнал «буфер шины данных пустой»;

TxC –      сигнал синхронизации передатчика с приемником.

Прием  информации из линии связи в регистр сдвига приемника производится сигналом «RD». В свою очередь приемник согласует свою работу с передатчиком противоположного последовательного порта через сигналы:

RxRDY – сигнал готовности приемника передать символ данных процессору

                через   шину данных;

RxC –      сигнал синхронизации приемника с передатчиком.

Выше изложенная структура последовательного интерфейса относится к интерфейсам синхронного действия, в которых обе микропроцессорные системы согласованы  по тактовому сигналу.  Структура синхронной взаимосвязи двух микропроцессорных систем показана на рис.22.

Рис.22    Структура синхронной взаимосвязи двух микропроцессорных систем

Принцип взаимной передачи информации по этой схеме состоит в следующем. Ведущий микропроцессор по уровню сигналов TxRDY и TxE опрашивает состояние передатчика и буфера шины данных, после чего выставляет на шине данных цифровой сигнал,  одновременно с этим подает на шину управления команду «запись». По этой команде сигнал из шины данных запишется в буфер этой шины последовательного порта 1 (ведущего микропроцессора), после чего последовательный порт (интерфейс) этого микропроцессора работает уже независимо от него по собственной программе (управляющему слову). При заполнении из буфра данных регистра сдвига передатчика этого порта сигналом данных формируется команда DSR, которая передается на вход CTS последовательного порта 2 (ведомого микропроцессора).  Если регистр сдвига последовательного порта 2 пуст, то он формирует обратную команду RTS, которая передается на вход DTR последовательного порта 1. В результате этого становится возможной передача данных по каналау TD или RD в линии связи и приемник последовательного порта 2 включается в работу.

Регистр сдвига этого микропроцессора по каналау TD последовательно заполняется битами данных цифрового сигнала (рис.21) с тактовой частотой. TxС ведомого микропроцессора. При полном заполнении этого регистра формируется сигнал RxRDY, по которому микропроцессор 2 приостанавливает выполнение всех операций, не связанных с приемом этого сигнала из линии RD и перходит на связь  с его последовательным портом.

По этой же команде содержимое регистра сдвига приемника последовательного порта 2 пересылается в его буфер данных, из которого по  команде «чтение» оно переносится через шину данных в микропроцессор 2 для дальнейшей обработки.

Таким образом, передатчик последовательного порта 1 ведущего микропроцессора  всегда согласован в работе с приемником последовательного порта 2 ведомого  микропроцессора, так же как буферы системных шин обеих портов согласованы в этой работе. При достижении этой согласованности порты синхронно с одинаковой тактовой частотой сигналов TxС и RxС совершают обмен информацией по перекрестным каналам TD и RD.

Структура информационног кадра при передаче  по  каналам каналам TD и RD  выглядит следующим образом. (рис.23).

Рис. 23.   Структура кадра передачи  инфромации по каналам  последовательной

                связи.

Информация в линии связи передается побитно. В период паузы в линии связи всегда устанавливается уровень логической единицы, что снижает в этот период вероятность появления помех. Признаком начала передачи данных является переход сигнала в течение периода одного такта с высокого уровня на низкий. Такой информационный импульс называется стартовым битом, после которого следует последовательная совокупность битов данных информационного сигнала (обычно по числу импульсов кратному восьми). В конце информационных битов следует бит проверки  четности, за которым следуют стоповые биты, фиксирующие конец кадра передачи данных. После этого в линии связи вновь наступает период паузы.

Работа последовательного интерфейса (порта) в синхронном режиме связана с определенными недостатками, главным из которых является необходимость тактовой согласованности  передающего (ведущего) и принимающего (ведомого) микропроцессоров, что не всегда возможно.

Устранение этого недостатка возможно при использовании  асинхронного принципа последовательной передачи данных, суть которого состоит в том, что в процессе передачи данных оба микропроцессорных устройства (ведущий и ведомый) осуществляют взаимопроверку состояния приемопередатчиков. В случае опережения в работе одного из этих микропроцессоров подается команда на прерывание (остановку)  его работы или переключение его на другие программные операции до тех пор, пока смежный (медленный) микропроцессор не сравняется с ним по тактовым операциям в процессе передачи данных. В этом режиме оба микропроцессора могут работать на разной тактовой частоте, но обязательно с взаимопроверкой согласованности результата. Структура асинхронного, программируемого, последовательного интерфейса (порта) типа UART (Универсальный асинхронный ридер-транслятор) показана на рис.24.

Рис.24.       Структура асинхронного, программируемого, последовательного

                    интерфейса    (порта) типа UART.

 

В отличие от структуры последовательного интерфейса (порта), изображенной на рис.22. в этой структуре введено устройство логического управления портом, которое предназначено для контроля согласованности в работе двух смежных, последовательных портов (ведущего и ведомого). К этому устройству подключаются каналы контроля  асинхронной связи с входными сигналами: DSR и DTR, RTS и CTS,  которые перекрестно соединяются в двух микроконтроллерах по схеме, представленной на рис.25,а.

Устройство управления UART содержит несколько регистров, позволяющих контролировать заполняемость регистров сдвига приемо-передатчика в процессе обмена данных. Если по запросу сигнала DTR будет подучен сигнал DSR нулевого уровня, свидетельствующий о неготовности к работе принимающего (ведомого) порта, то ведущий порт формирует команду OUT1 на прерывание работы своего микропроцессора по передаче данных.

 

Рис.25. Структура связи двух микропроцессорных систем по асинхронному

            варианту.

Работа  этого микропроцессора переключается на выполнение других операций, не связанных передачей данных и возобновляется только тогда, когда принимающий порт будет готов к приему сигнала, т.е. только тогда, когда сигнал DSR достигнет единичного уровня.  Данный способ последовательной передачи данных относится к физическому протоколу типа RS-232. Однако существуют и другие типы последовательных портов (интерфейсов) с физическими протоколами такими как: RS-422, RS-485,  «токовая петля».

Особенностью физического протокола (интерфейса) RS-485 является то, что для передачи информации по линии связи в последовательном коде для него нужно всего четыре (а иногда и два)  провода типа «витая пара». При этом одна из этих пар используется для передачи информации, а другая – для подвода питания к микропроцессорным устройствам, соединенным линией связи. Схема соединения двух микроконтроллеров по интерфейсу RS-485 представлена рис.25,б. Последовательные порты интерфейса RS-485 работают только в асинхронном режиме и оснащаются соответствующей системой UART.

Микропроцессорные системы различных производителей могут связываться между собой через асинхронные, последовательные порты различным образом. Многообразие схем соединения микропроцессорных систем через последовательные порты значительно усложняет задачу их объединения  в единую автоматизированную систему. Для успешного решения этой проблемы были разработаны специальные стандарты такого объединения, которые были названы протоколами связи.

Протоколом связи микропроцессорных систем через последовательные порты называется  правила и соглашение между этими системами по способу передачи информации через их последовательные порты.

Физический уровень этого протокола определяет количество проводов в шине соединения,  способы стыковки  шины с последовательным портом, номинальный уровень импульсных сигналов в шине, типы разъемов и кабелей.

Сетевой уровень протокола определяет формат способа передачи данных, алгоритм управления последовательным интерфейсом. К числу современных протоколов последовательной связи относятся: CAN, Profibus, Modbus,  Ethernet. Каждый из протоколов характеризуется определенным физическим интерфейсом, который может быть реализован в формате: RS-232, RS-422, RS-485, а также в формате  «токовая петля».

Последовательный физический интерфейс RS-232 – это промышленный стандарт для последовательной двунаправленной асинхронной передачи данных

действующей на максимальном расстоянии до 20 м. Вследствие побитовой формы передачи данных по линии связи  скорость этой передачи ограничена,

поэтому устройства, обслуживающие последовательные (СОМ) порты по этому виду протокола постоянно контролируют процесс передачи данных. Скорость такой передачи измеряется в бодах (количество бит за 1 сек). Стандартные скорости равны 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600 и 19200 бод.  Для передачи по каналу связи нулевого символа напряжение меняется в диапазоне от +3 до +12 В , а для единичного символа это напряжение меняется от – 3 до – 12 В. Приемо–передатчики связаны между собой кабелями со стандартными 25 или 9 штырьковыми разъемами по схеме, представленной на рис.25.

IBM совместимый компьютер может иметь до четырех последовательных (СОМ) портов, выполненных на последовательных интерфейсах по протоколу RS-232.. Девяти штырьковые разъемы СОМ портов RS-232. имеют следующую нумерацию и назначение (Таблтца 12)

                                                                          Таблица 12

Номер контакта	Наименование по стандарту	Направление сигнала	Назначение контакта разъема
1 2 3 4 5 6 7 8 9	DCD TD RD DTR GND DSR RTS CTS RI PROT	Вход Вход Выход Выход Вход Выход Вход Вход	Обнаружение информационного сигнала Принимаемые данные Передаваемые данные Готовность порта 1 к обмену данными Заземление по сигналу Готовность внешнего устройства (порт 2) Запрос на передачу данных Порт очищен для передачи Индикатор звонка Защитное заземление

Аналогично устроен асинхронный приемопередатчик UART по протоколу RS-485.

6.6.   Программируемые контроллеры

Микропроцессоры являются не только основой персональных ЭВМ, но и на их основе стали развиваться специальные управляющие устройства, которые получили название  контроллеров. Контроллеры  пришли на замену релейных систем автоматики и телемеханики. Эти устройства назывались программируемыми логическими контроллерами  (ПЛК).

Для первых ПЛК контроллеров было характерно наличие в их структуре устройств, предназначенных для обработки только дискретных входных сигналов и  формирования релейных выходных сигналов. Эти контроллеры обладали достаточно высоким быстродействием, небольшим объемом оперативной памяти и слаборазвитым программным обеспечением. Поэтому первоначально эти контроллеры использовались как цифровые системы телемеханики.

Чуть позже на основе микропроцессорных систем были созданы контроллеры, которые заменили аналоговые регуляторы. Эти контроллеры получили название  распределенных систем управления  (РСУ). В состав этих систем входил набор технических средств, позволяющих автоматизировать управление целыми технологическими процессами.

        Первоначально ПЛК и РСУ развивались независимо друг от друга, не перекрывая  областей своего применения. Однако со временем в состав ПЛК были введены устройства, позволяющие вести обработку аналоговых сигналов. Это расширило область их применения. Возможности ПЛК еще более возросли с внедрением программных средств, позволяющих им осуществлять диспетчерское управление, сбор и обработку данных. Такие программы получили название SCADA–систем. Внедрение этих программных средств позволило ПЛК контроллерам внедрится в область использования распределенных систем, что повысило их конкурентную способность, и  заставило разработчиков РСУ внедрять в свои системы устройства обработки дискретных сигналов. Все это только способствовало успешному развитию обеих типов контроллеров.

Многообразие контроллеров обоих типов, поставляемых на рынок различными производителями, выявило еще одну проблему, которая заключалась в невозможности построения систем управления из компонентов этих систем, полученных от разных производителей, т.к. они не поддавались взаимной привязке. Выход из этой ситуации был найден при создании открытых систем, в основу которых был положен принцип использования стандартных элементов, узлов, протоколов связи и  программного обеспечения. Такая стандартизация позволила многим производителям специализироваться  на выпуске отдельных стандартных компонентов открытых систем, что повысило конкуренцию на рынке этих компонентов, а значит, обеспечило снижение их цены и привело к повышению  качества.

6.6.1.  Структура распределенной системы управления.

В течение многих лет системы управления строились по централизованному типу, в котором имелось одно мощное управляющее вычислительное устройство со связью с объектами и огромное количество кабелей, с помощью которых подключались датчики и исполнительные устройства. Такая структура диктовалась большой ценой на компьютерные устройства. В результате снижения этой цены и повышения стоимости кабельной продукции возникла необходимость изменить структуру систем цифрового управления. Так появились первые цифровые промышленные сети.

Информационный обмен в промышленных сетях строится по одному из трех принципов. Первый принцип ведущий–ведомый, в котором ведущее устройство последовательно опрашивает ведомые, а они в свою очередь выполняют переданные им команды. Второй принцип клиент–сервер заключается в том, что узел клиент запрашивает данные, а узел  сервер их пересылает. Третий принцип поиск заключается в том, что некоторый узел должен постоянно получать информацию от другого узла без дополнительного запроса. При этом в первом варианте данные посылаются циклически с определенным интервалом времени, а во втором случае они пересылаются только при их изменении.

Современные открытые, распределенные системы управления строятся через промышленные сети по уровневому типу. Архитектура такой системы показана на рис.26.

Рис.26. Уровневая архитектура распределенной микропроцессорной системы

             управления

В этой сети выделяются следующие уровни:

управления производством;

управления технологическим процессом;

автоматизации технологических машин и устройств;

опроса датчиков и управления исполнительными устройствами.

На уровне управления производством с помощью системы Internet  развернута глобальная   информационная сеть, через которую администрация предприятия получает и передает информацию отраслевого типа, кроме того, она получает и обрабатывает международные финансово–экономические и конъюнктурные данные.   

На уровне управления технологическим процессом в системе управления развернута    информационная сеть, с помощью которой объединяются локальные серверы и рабочие станции для обмена информации по принципу клиент–сервер. Задача этой части сети состоит в обеспечении визуализации основных параметров производства, построения отчетов и архивации данных.  На этом же уровне  производится обмен информации между компьютерами, концентраторами  и серверами. Обычно на этом уровне обмен информации происходит по высокоскоростному протоколу Ethernet. На этом же уровне могут быть установлены автоматизированные рабочие места АРМы для специалистов.

Связь этого уровня с нижестоящими уровнями часто производится через концентраторы. Концентратором считается контроллер типа РСУ с высокой вычислительной мощностью, способный обрабатывать десятки тысяч переменных. В SCADA–системах концентраторы применяются для организации обмена данными между контроллерами промышленной сети.    

Сети, обеспечивающие обмен информации между контроллерами, датчиками и исполнительными устройствами, называются промышленными сетями. Они работают по принципу ведущий–ведомый и составляют уровень управления технологическим процессом.  В состав промышленных сетей могут входить контроллеры с  локальным и распределенным вводом/выводом.

Под локальным способом ввода/вывода понимают такой способ ввода/вывода сигналов, при котором модули, обеспечивающие этот процесс, размещаются в одном устройстве с центральным процессором. Эти модули через систему слотов связаны с процессором по системной шине типа ISA или PCI.  Слот – это стандартный разъем, предназначенный для стыковки модулей с системной шиной и расположенный на слотовом шасси.       Так как количество

слотов в устройстве всегда ограничено, то в конструкции этих контроллеров предусматриваются технические средства, предусматривающие возможность расширения числа пристыкованных модулей. Один из вариантов структуры локального контроллера  со слотовой  связью показан на рис 27,а.

 Под распределенным способом ввода/вывода понимают такой ввод/вывод информации, при котором модули ввода/вывода приближены к периферийным устройствам (датчикам и исполнительным механизмам), а управляющие контроллеры находятся на более высоком уровне и на значительном удалении от периферийных устройств.  При этом типе промышленной сети ведущий контроллер всегда связан с  несколькими ведомыми модулями. Ведущий контроллер называется мастером, а ведомые модули – слейвами.  Связь  типа мастер–слейв осуществляется по двухпроводной линии связи на длину 1200 -1500 метров по физическому протоколу RS-485. Если длина этой линии превышает указанный диапазон, то в нее включают повторители интерфейса (усилители сигнала). Структура сети такого типа показана на рис.27,б.

Для обмена информацией между контроллерами, расположенными на большом расстоянии друг от  друга   (десятки километров),   используют сети удаленного доступа.

          Рис.27. Типы распределенных сетей управления

Системы удаленного ввода/вывода  (доступа) строятся  из контроллеров или модулей соединенных по принципу ведущий–ведомый.  При этом ведущий модуль располагается на верхнем уровне сети или в каркасе управляющего контроллера. Ведомый контроллер (или модуль) располагается на удаленном расстоянии и связывается с ведущим контроллером по специальной линии связи. Для того чтобы энергия информационного сигнала не затухала в канале связи, его модулируют (накладывают на несущий сигнал, который обладает значительно большей энергией), а затем его вновь отделяют от несущего сигнала (демодулируют) в ведомом контроллере. Этот процесс происходит в специальных устройствах, которые называются модемами (модуляторы–демодуляторы). По такой схеме ведущий модуль может поддерживать несколько ведомых модулей. Информация в контроллерах удаленного ввода/вывода формируется по принципам асинхронного обмена через порты интерфейса RS-485. Схема сети удаленного ввода/вывода показана на рис.27,в.

На самом нижнем уровне микропроцессорной системы управления к модулям нижнего уровня  подключаются датчики и исполнительные устройства (внешние устройства). Такое подключение может осуществляться двояко: через параллельные или последовательные порты этих модулей. Параллельные порты модулей нижнего уровня обеспечивают непосредственное подключение аналоговых или дискретных внешних устройств. При этом каждый из таких устройств требует, как минимум, пары проводов для подключения. При большом количестве внешних устройств увеличивается не только расход монтажного провода, но и возрастает сложность компоновки и монтажа этих устройств.

Устранение этого недостатка  стало возможным при использовании в структуре промышленной сети полевых шин. Полевая шина – это разновидность промышленной сети нижнего уровня, которая позволяет  использовать дву- жильный монтажный кабель специального профиля для подключения через последовательный порт  принимающего модуля до 62 внешних устройств. При этом питание, опрос и выдача команд для этих устройств производится по одному и тому же кабелю. Внедрение полевых шин стало возможным только тогда, когда внешние устройства стали интеллектуальными, т.е. в структуру этих устройств были введены микропроцессоры, позволяющие преобразовывать аналоговые сигналы в цифровые. Это позволило по полевой шине передавать цифровую информацию в последовательном коде. Полевые шины строятся на основе специального протокола – AS интерфейса.

Полевая шина на основе AS–интерфейса может иметь только одно ведущее устройство (мастер) и до 62 ведомых устройств (слейвов). При опросе датчиков или исполнительных устройств ведущий модуль циклически опрашивает каждый из них, при этом на весь опрос затрачивается около 5-10 мс. Вариант организации полевой шины показан на рис.26.

6.6.2. Программное обеспечение распределенной системы управления

Успешному внедрению промышленных логических контроллеров (ПЛК) способствовало появление программного обеспечения, получившего совместно с ПЛК название SCADA-система. Для этих систем строятся программы  двух уровней. На верхнем уровне это программные пакеты, которые управляют потоком информации в промышленной сети, оперируя при этом десятками тысяч имен переменных (тегов). На нижнем уровне это программы-драйверы для устройств нижнего уровня промышленной сети, которые называются ОРС-серверами. Основная задача   ОРС-серверов состоит  в привязке состояния конкретных переменных (тегов) пакетов программ верхнего уровня к параметрам конкретных внешних устройств.   SCADA-системы могут работать только в определенной операционной среде. Основной средой для них  считается Windows в разных версиях.

Разработчики SCADA-систем выставили на рынке множество программных пакетов верхнего уровня, среди которых InTouch фирмы Wonderware; GENESIS32 фирмы Iconis; WinCC фирмы Simens; iFIX фирмы  Intellution.

Среди программ ОРС-серверов преобладает  универсальный пакет Universal OPC фирмы Fastwel.  В то же время и другие разработчики представили  для пользователей подобные продукты. Например, фирма Advantech разработала PCLS-OPC/ADM   ОРС-сервер для модулей серии ADAM. ОРС-серверы позволяют создавать дополнительные программы-драйверы для оборудования, которое не внесено в библиотеки  стандартных ОРС-серверов. Для написания этих приложений применяют языки высокого уровня, такие как: Visual Basic, Visual C,   C и C++.  Но чаще всего в стандартном ОРС-сервере обновляется его библиотека, в которую с помощью  одного из вышеуказанных языков вносится новое оборудование.

7. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ВЫЕМКИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

7.1.  Задачи и особенности автоматизации выемочных работ

Технологические процессы горного производства связные с его спецификой требуют от систем автоматического управления выполнения следующих задач.

1.  Обеспечение минимальных энергетических затрат добычи полезного ископаемого.
2.  Обеспечение своевременной и безопасной передвижки призабойной крепи.
3.  Вывод обслуживающего персонала на безопасное расстояние от забоя лавы (это задача минимум) или переход на безлюдную выемку (это задача максимум).

7.2.  Требования к системам автоматизации выемочных работ

Системы автоматического управления  технологическим процессом выемки полезного ископаемого должны обеспечивать.

1.  Автоматическую подачу предупредительного звукового сигнала перед запуском комбайна или добычного комплекса.
2.  Автоматическое поддержание нагрузки на режущем органе выемочной

    машины.

1.  Автоматическую остановку подачи выемочной   машины. при встрече ее с препятствием на машинной дороге.
2.  Автоматический реверс направления движения выемочной   машины на конечных участках лавы.
3.  Обеспечение согласованного режима работы с системой автоматической передвижки призабойной крепи.
4.  Обеспечение согласованного режима работы с системой автоматического контроля газового состояния лавы.
5.  Автоматическое отключение приводов резания и подачи выемочной  машины при аварийной ситуации.

7.3.  Варианты и функциональные  схемы  автоматического  поддержания нагрузки на приводе выемочной машины  

Принципиально существуют два варианта автоматизации  поддержания нагрузки на приводе выемочной машины.  

1.  Вариант, при котором  оптимальная нагрузка на приводе выемочной машины поддерживается изменением только изменением скорости ее подачи на забой (минимальный вариант).
2.  Вариант, при котором  оптимальная нагрузка на приводе выемочной машины поддерживается одновременным изменением, как скорости подачи, так и скорости режущего исполнительного органа (максимальный вариант). Однако этот вариант значительно сложней предыдущего для практической реализации, поэтому в настоящее время он реализован только для выемочных машин с раздельным приводом.

Оба вариант автоматизации поддержания нагрузки на приводе выемочной машины обеспечивают  вариацию следующих параметров ее рабочего цикла.

•  Vp - скоростью резания полезного ископаемого;
•  Vп - скоростью подачи выемочной машины;
•  Po - эффективной мощностью резания полезного  ископаемого.

В свою очередь минимальный вариант автоматизации  выемочных работ делится на следующие разновидности:

•  стабилизацию скоростей;
•  экстремальный вариант;
•  стабилизацию мощности;
•  двойной экстремальный вариант.

7.3.1 Вариант стабилизации скоростей

При этом варианте соотношения основных параметров рабочего цикла выемки полезного ископаемого следующие :

                                      Vp = const; Vп = const; Pon = var;

Этот вариант можно реализовать  завышением мощности привода выемочной машины. Он эффективен только для выемки пластов полезного ископаемого  мало меняющихся по крепости и мощности залегания.

При этом варианте соотношения основных параметров рабочего цикла выемки полезного ископаемого следующие:

                                        Vp = var; Vп = const; Pon = min;

Структурная схема этого варианта представлена на рис.28.

В схеме этого варианта введены следующие обозначения:

Рэф зад –  заданное значение эффективной мощности  привода;

У           –  усилитель;

РЭ         –  регулирующий элемент;

Пр ИО  –  привод исполнительного органа;

Dм        –  датчик мощности.

Рис.28. Структура экстремального варианта автоматизации поддержания

            нагрузки на приводе выемочной машины.

Этот вариант обеспечивает постоянную производительность выемочной машины, но ее работа осуществляется с постоянным недогрузом по мощности привода, а следовательно и по производительности.

Применение этого варианта поддержания нагрузки на приводе выемочной машины целесообразно для выемочных машин с раздельными приводами основных механизмов.

7.3.3.  Вариант стабилизации мощности

Соотношения основных параметров рабочего цикла выемки полезного ископаемого при этом варианте следующие:

Vp = var; Vп = const; Pon = const;

Структурная схема этого варианта представлена на рис.29.  Этот вариант обеспечивает полное использование установленной мощности привода выемочной машины.

Рис.29.  Структура системы автоматизации поддержания  нагрузки на приводе

             выемочной машины в варианте стабилизации мощности.

В схеме этого варианта введены следующие обозначения:

ПрП –  привод подачи;

К      –  комбайн;

Dр    –  датчик скорости резания.

    

Применение этого варианта обеспечивает полное использование мощности приводов выемочной машины, но он не обеспечивает оптимальности режимов ее работы. Наибольшее применение этот вариант нашел для автоматизации выемочных работ на пластах малой мощности не требующей большой энерго- вооруженности комбайнов. В самом упрощенном виде он был использован для автоматического поддержания нагрузки на приводе врубовой машины «Урал –33».

7.3.4.  Двойной экстремальный вариант

 

Этот вариант обеспечивает одновременное управление по двум параметрам, один из которых, как правило, является приоритетным. Примером реализации такого варианта является схема управления, представленная на рис.30.

Рис.30.  Структура системы автоматизации поддержания  нагрузки на приводе

             выемочной машины в двойном экстремальном варианте.

В этой схеме представлены два контура управления: один из них управляет  эффективной мощностью двигателя, а второй  скоростью подачи выемочной машины. При этом первый контур является приоритетным по сравнению со вторым контуром.  Этот вариант применяется в основных системах автоматического поддержания нагрузки горных машин, таких как САДУ-2 и ИПИР-3М.

7.4.  Автоматизация поддержания нагрузки в варианте стабилизации мощности на приводе врубовой машины «Урал–33» с  электро-гидравлическими подающим механизмом.

Врубовая машина «Урал –33» в свое время применялась для создания врубовой щели в нижней части угольных пластов, которая облегчала последующее разрушение этого пласта буро-взрывным способом. Эта машина имела общий электропривод для режущего органа и гидравлической подающей части. Принципиальная схема автоматического управления этой машиной представлена на рис.31.

Датчиком нагрузки на приводе этой машины является трансформатор тока ТТ, включенный в  одну из фаз силовой сети  питания ее электродвигателя. Между двумя другими фазами этой сети включен трансформатор напряжения ТН, формирующий опорный сигнал и играющий роль задающего элемента системы, относительно которого настраивается вся система автоматики. Оба сигнала подаются на соответствующие выпрямительные мосты В1 и В2.

 

Рис.31.  Принципиальная схема автоматического поддержания нагрузки на

             приводе врубовой машины «Урал-33»

Выпрямительные мосты В1 и В2 входят в состав элемента сравнения системы,  которая настраивается таким образом, чтобы при равенстве сигналов ТН и ТТ транзисторные ключи Т1 и Т2 находились бы в закрытом состоянии. При этом исполнительные электромагниты ЭМ1 и ЭМ2 должны находятся в обесточенном состоянии.

В случае перегрузки двигателя выемочной машины сигнал с трансформатора тока ТТ будет превышать задающий сигнал, в результате чего откроется транзистор Т1 и включит через свою эммитерно - коллекторную цепь электромагнит ЭМ1, воздействие которого на регулятор скорости подачи приведет к снижению этой скорости, а следовательно и к снижению нагрузки на двигателе.

В случае недогрузки двигателя выемочной машины на элементе сравнения будет преобладать задающий сигнал, что аналогично приведет к включения электромагнита ЭМ2, а следовательно к соответствующему увеличению скорости подачи и нагрузки на двигатель машины.

Принципиальная схема автоматического поддержания нагрузки на приводе врубовой машины, представленная на Рис.31. Эта схема реализует аналоговый вариант регулятора нагрузки.

Более современный, микропроцессорный (цифровой), вариант такого регулятора показан на рис.32. Основу такого регулятора составляет микропроцессорный контроллер с портами параллельного ввода-вывода или микропроцессорные модули с аналогичными портами.

Датчик нагрузки (трансформатор тока) подключен на один из каналов порта аналогового ввода. Трансформатор напряжения исключен из этой схемы, так как в нем нет необходимости в силу того, что цифровой задающий сигнал вводится в оперативную память контроллера, а элементом сравнения в нем является арифметическо-логическое устройство АЛУ. Кнопки «ПУСК» и «СТОП» подключены к соответствующим каналам порта дискретного ввода.

Рис.32.  Принципиальная схема автоматического цифрового регулятора нагрузки

             на приводе врубовой машины.

Исполнительные электромагниты ЭМ1 и ЭМ2 , воздействующие на регуляторы скорости подачи машины, подключаются к соответствующим каналам порта дискретного вывода. Взаимодействие всех элементов этой системы в процессе регулирования нагрузки на приводе машины определяется алгоритмом и написанной на его основе рабочей программой, которая хранится в памяти микроконтроллера. Структура этого алгоритма показана на рис.33.

После запуска этого алгоритма в цикле опрашивается состояние кнопки «Пуск», при нажатии которой происходит переход к циклическому процессу работы регулятора. В начале этого цикла опрашивается датчик нагрузки (трансформатор тока), после чего фактическая нагрузка двигателя сравнивается с заданной. При равенстве этих нагрузок происходит циклический возврат к опросу датчика тока. При неравенстве этих сигналов в зависимости от их соотношения происходит включение электромагнитов ЭМ1 или ЭМ2. Возврат к очередному циклу работы регулятора происходит после анализа состояния кнопки «Стоп». Если эта кнопка нажата, то цикл работы прекращается и происходит останов всего алгоритма.

Рис.33. Алгоритм поддержания нагрузки на приводе врубовой машины

Автоматизация поддержания нагрузки на приводе выемочных машин в режиме двойного экстремального варианта.

Двойной экстремальный вариант автоматического поддержания нагрузки на приводе выемочных машин является основным структурным вариантом  устройства серийной аппаратуры типа  САДУ-2 и ИПИР-3М.

7.5.1.Система поддержания нагрузки на приводе выемочной машины  помощью аппаратуры  САДУ-2

Автоматическая система поддержания нагрузки на приводе выемочной машины типа САДУ-2 выпускается серийно в аналоговом варианте. Структура этой системы представлена на рис.34.

       Рис. 34. Структурная схема аппаратуры САДУ-2.

В аппаратуре САДУ-2 заложено два контура регулирования: по току двигателя выемочной машины и по скорости ее подачи на забой, причем первый контур имеет больший приоритет над вторым.

Принцип работы аппаратуры состоит в следующем. Если ток нагрузки двигателя не превышает заданного значения, то в этом случае работает контур регулирования скорости подачи выемочной машины на забой.  Фактическое значение этой скорости фиксируется датчиком скорости ДС и сравнивается на элементе сравнения ЭС1 с величиной его заданного значения. В случае превышения фактической скорости над заданным ее значением сигнал элемента сравнения перекидывает триггер Т2 в единичное состояние. Этот сигнал через нормально замкнутый контакт ЭР электронного реле включает электромагнит ЭМ1. Сигнал с этого электромагнита поступает на элемент сравнения ЭС2 где преобразуется в сигнал, который смещает положение золотника в сторону увеличения производительности гидронасоса ГН, который в свою очередь увеличивает скорость вращения гидромотора ГД, а следовательно возрастает и скорость подачи комбайна. Это увеличение продолжается до тех пор, пока фактическая скорость подачи не сравняется с заданной. При превышении скорости подачи выше заданного уровня триггер Т2 переходит в нулевое состояние, поэтому электромагнит ЭМ1 отключается и золотник перемещается в сторону снижения производительности насоса, значит и уменьшения скорости подачи.

При перегрузке двигателя выемочной машины в работу вступает контур управления нагрузкой на двигателе. При этом сигнал датчика нагрузки ДН будет превышать величину задающего сигнала на элементе сравнения ЭС3, в результате чего сигнал на выходе этого элемента перекинет триггер Т1 в единичное состояние. Этот триггер включит одновременно электромагнит ЭМ2 и электронное реле ЭР. Это реле разомкнет свой контакт в контуре управления скоростью подачи и тем самым выключит его из процесса управления, а электромагнит ЭМ2 будет перемещать золотник в сторону снижения производительности насоса и снижать скорость подачи до тех пор пока нагрузка на двигатель не достигнет заданного значения. Когда это произойдет триггер Т1 размыкает реле ЭР и в работу снова включается контур управления скоростью подачи.

Принцип управления, заложенный в аппаратуре САДУ-2, может быть реализован в микропроцессорном варианте с использованием микроконтроллера. Схема микропроцессорного варианта аппаратуры САДУ-2 представлена на рис.35.

Рис. 35.  Схема микропроцессорного варианта аппаратуры САДУ-2

Основу такой аппаратуры составляет микропроцессорный контроллер или микропроцессорные модули с аналогичным портом ввода и с портами дискретного ввода-вывода. К порту дискретного ввода подключены кнопки «пуск» и «стоп», а к порту аналогового ввода подключены датчик нагрузки ДН и датчик скорости ДС. К порту дискретного вывода подключены  исполнительные электромагниты ЭМ 1 и ЭМ2. Взаимодействие всех элементов этой системы в процессе автоматического  управления определяется алгоритмом, структура которого показана на рис.36.

Как и в предыдущем алгоритме, после его запуска первоначально в цикле опрашивается состояние кнопки «пуск», при нажатии которой происходит переход к циклическому процессу работы этой микропроцессорной системы. Так как контур регулирования нагрузкой двигателя является приоритетным, то  в начале этого цикла опрашивается состояние датчика нагрузки (трансформатора тока), после чего фактическая нагрузка двигателя сравнивается с заданной ее величиной, которая считывается из памяти микроконтроллера. Если фактическая нагрузка будет превышать заданную то происходит переход к оператору включения электромагнита ЭМ2, в результате чего уменьшается скорость подачи и величина тока двигателя.

 

        Рис.36. Алгоритм работы аппаратуры САДУ-2.

В противном случае происходит переход контуру регулирования заданной скорости подачи. С этой целью опрашивается датчик скорости ДС и его показания сравниваются  с заданной величиной этой скорости также находящейся в памяти контроллера. В случае равенства этих сигналов никаких изменений в системе не происходит,  и алгоритм автоматически переходит на повторение нового цикла. При неравенстве этих сигналов происходит включение одного из электромагнитов в зависимости от того, какой из сигналов при этом сравнении преобладает. Далее перед переходом на очередной цикл управления происходит анализ состояния кнопки «стоп». Если эта кнопка нажата, то цикл работы прекращается в противном случае цикл управления продолжается.

.

7.5.2.   Система поддержания нагрузки на приводе выемочной машины  помощью аппаратуры  ИПИР-3М

Аппаратура ИПИР-3М это импульсный пропорционально-интегральный регулятор нагрузки на приводе выемочной машины. Она  выпускается серийно в аналоговом варианте. Структура этого устройства представлена на рис.37.

Регулятор ИПИР-3М импульсного типа.  Как и аппаратура САДУ-2 он содержит два  контура управления. Один из них является контуром управления по мощности двигателя, другой по скорости подачи машины на забой. Как и в предыдущем случае, первый контур имеет наибольший приоритет.

Задающий и фактический сигналы по нагрузке двигателя подаются на элемент сравнения ктического и заданного тока нагрузки двигателя сигнал с элемента сравнения С1, который формирует два выходных сигнала импульсного типа. Первый импульсный сигнал появляется в том случае, если ток нагрузки двигателя будет превышать заданное значение. Этот сигнал подается на первый широтно-импульсный преобразователь ШИМ1, который  преобразует сигнал положительного рассогласования в широтно-модулированный импульсный сигнал. Ширина импульса этого преобразователя пропорциональна величине положительного рассогласования между заданным и фактическим током нагрузки. Сигнал с ШИМ1 через логические элементы И-НЕ и релейный элемент (ключ К1), импульсно подается на логический ключ И второго контура управления.    При отрицательном рассогласовании фактического и заданного тока нагрузки двигателя сигнал с элемента сравнения С1 подается на ШИМ2 , работающего по такому же принципу как и ШИМ1. Выходной сигнал этого модулятора импульсно включает релейный ключ А4, который через блок логики управляет исполнительными электромагнитами.

Контур регулирования скорости подачи содержит  элемент сравнения С2, предназначенный  для сравнения заданной и фактической скорости подачи  комбайна. Причем сигнал от задающего устройства поступает через логический ключ И, на который одновременно подается с ключа К1 импульсный сигнал положительного рассогласования токовой нагрузки двигателя. Вторым входным сигналом элемента сравнения С2 является сигнал с датчика скорости  ДС. Сигнал этого датчика включает одновременно релейный ключ К4, который регистрирует направление перемещения выемочной машины.

  

    Рис.37. Структурная схема аппаратуры ИПИР-3М

Сигнал положительного рассогласования с  элемента С2 подается на включение релейного ключа К2, а ключ К3 включается сигналом отрицательного рассогласования входного сигнала с элемента С2.  Сигналы с ключей  А4, К2, К3 и К4 одновременно подаются на блок логики, который по встроенному алгоритму включает исполнительные электромагниты ЭМ1 и ЭМ2. Эти электромагниты меняют величину скорости механизма подачи ПП выемочной машины. Скорость этой подачи регистрируется датчиком скорости ДС, а величина токовой нагрузки двигателя регистрируется трансформатором тока. Логика работы регулятора ИПИР-3М приведена в табл. 1.

                                                                                                                        Таблица 1.

Загрузка двигателя	Норма	Недогрузка	Перегрузка
Соотношение скоростей	Vз =Vф	Vз <Vф	Vз >Vф	Vз <Vф	Vз >Vф
	К4	1	1	1	1	1
	К2	0	1	0	Импульсы	0
	К3	0	0	1	0	Импульсы
	А4	0	Импульсы	Импульсы	0	0
Уменьшение	ЭМ1	0	1	0	Импульсы	0
Увеличение	ЭМ2	0	0	Импульсы	0	0

Согласно логике этой таблицы приоритетным параметром управления является загрузка двигателя, которая может быть: нормальной, недогруженной  и перегруженной.  Внутри каждого из этих вариантов загрузки двигателя различают еще вариант соотношения вторичного параметра регулирования - скорости подачи комбайна, которая в свою очередь  может превышать ее заданное или быть меньше этого значения.

При нормальных соотношениях обеих параметров блок логики отключает оба электромагнита, так как нет необходимости в их регулировании. При недогрузке двигателя и перегрузке по скорости регулятор постоянно снижает скорость подачи до тех пор, пока не сравняются ее фактическое и заданное значение. Если же скорость подачи при недогрузке двигателя ниже заданного значения, то регулятор импульсно (ступенчато) увеличивает  эту скорость. При этом на каждом импульсе увеличения скорости подачи проверяется степень токовой перегрузки двигателя. Это позволяет снизить возможность перегрузки двигателя при определенных значениях возрастающей скорости подачи. Как только появляется эта  перегрузка, регулятор прекращает увеличение скорости подачи комбайна.

 При перегрузке двигателя и превышении скорости подачи регулятор также импульсно снижает эту скорость до заданного значения нагрузки  и скорости. Если же при перегрузке двигателя скорость подачи ниже заданной, то регулятор не производит изменения скоростей. При этом со временем процесс нормализуется естественным способом.

Принцип управления, заложенный в аппаратуре ИПИР-3М, может быть реализован в микропроцессорном варианте. Схема микропроцессорного варианта аппаратуры ИПИР-3М представлена на рис.38.

     Рис. 38.  Схема микропроцессорного варианта аппаратуры ИПИР-3М.

Как и в предыдущем случае, основу такой аппаратуры составляет микропроцессорный контроллер или микропроцессорные модули с портом аналогового ввода и с портами дискретного ввода-вывода. К порту дискретного ввода подключены кнопки «пуск» и «стоп», а к порту аналогового ввода подключены датчики нагрузки «ДН» и скорости «ДС». К порту дискретного вывода подключены  исполнительные Электромагниты «ЭМ1» и «ЭМ2». Кроме того в этом микроконтроллере  (или модуле) использован порт встроенных таймеров-счетчиков, которые программно выдают импульсные сигналы, подаваемые через логические ключи «ИЛИ» совместно с дискретными сигналами для управления электромагнитами.

     Алгоритм управления этой системы в упрощенном варианте представлен на Рис.39.

         Рис.39. Алгоритм работы аппаратуры ИПИР-3М

После запуска этого алгоритма производится ввод заданных предельных значений тока нагрузки двигателя и скорости подачи комбайна. Затем происходит переход к циклическому процессу работы микропроцессорного регулятора. Последовательно производится опрос датчиков тока и скорости подачи комбайна.

Так как контур регулирования нагрузкой двигателя является приоритетным, то  в начале этого цикла фактическая нагрузка двигателя сравнивается с заданной ее величиной, которая считывается из памяти микроконтроллера. Если фактическая нагрузка не будет превышать заданной, то происходит переход к оператору проверки равенства фактической и заданной скоростей подачи комбайна. В случае выполнения этого условия происходит возврат на начало этого цикла (к опросу датчиков), в противном случае производится проверка условия неравенства этих скоростей. При этом, если фактическая скорость подачи комбайна не будет превышать заданную, то включается режим импульсного увеличения этой скорости, до тех пор пока заданная скорость не сравняется с фактической.

В случае превышения фактической скорости подачи комбайна над заданной включается режим постоянного уменьшения этой скорости до заданной величины. Импульсный режим уменьшения не нужен, так как  этом случае нет опасности перегрузки двигателя. Только в случае перегрузки двигателя и превышении фактической скорости подачи над заданной  это снижение происходит в импульсном режиме.

 

1.  АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПЕРЕДВИЖКИ РИЗАБОЙНОЙ КРПИ

Передвижная призабойная крепь (рис. 40.) служит для временного поддержания призабойного пространства лавы на период выемки полосы полезного ископаемого. В процессе выемки полезного ископаемого комбайн 1 перемещается вдоль лавы по ставу конвейера 2. После выемки и погрузки с этой полосы полезного ископаемого, отбитого исполнительным органом 7 комбайна 1, остается незакрепленное призабойное пространство, кровлю  которого необходимо поддержать для предотвращения ее преждевременного обрушения. С  этой  целью к груди  забоя  первоначально    перемещаются только козырьки 6

       

         Рис. 40. Расположение секций крепи на разрезе и на плане добычной лавы

секций призабойной крепи, временно поддерживающие кровлю до тех пор, пока сами секции  не будут передвинуты на освободившуюся призабойную часть лавы.  Это перемещение начинается с некоторым отставанием по мере перемещения комбайна. Когда комбайн переместится на 2-5 секций по сигналу датчика положения комбайна начинает перемещается к груди забоя призабойный конвейер 2. Это перемещение выполняется с помощью гидродомкратов 3, закрепленных к основаниям 5 секций крепи. При этом перемещении секции крепи с помощью гидроцилиндрв 4 находятся в рабочем (распертом) состоянии.

После передвижки конвейера срабатывает датчик положения конвейера и затем  производится сброс давления со стоек крепи и домкратом 3 она подтягивается к передвинутому конвейеру в новое положение. Выдвижные козырьки 6 секций становятся при том в исходное положение. Передвижка этих секций может быть последовательной или в шахматном порядке.

8.1.Требования к системам автоматизации передвижки призабойной крепи

Системы автоматической передвижки призабойной крепи должны обеспечивать:

1.  Автоматическую последовательную или  шахматном порядке передвижку секций крепи с отставанием в 2-5 секций.
2.  Автоматический останов комбайна при отставании передвижки крепи на заданное  расстояние или в случае возникновения опасности наезда исполнительного органа комбайна на верхняк крепи.
3.  Автоматическое прекращение передвижки секции в случае приближения верхняка крепи к исполнительному органу комбайна.
4.  Аварийную сигнализацию в случае потери распора между двумя рядом стоящими секциями, а также в случае посадки  стойки крепи на «жесткую» или «заякоривании» секции при передвижке.
5.  Цифровую индикацию номера передвигающейся секции.
6.  Опрос состояния всех датчиков секций по выбору оператора.

8.2.  Способы автоматической передвижки призабойной крепи

При автоматической передвижке призабойной крепи применяют два способа этой передвижки:

1.  Способ передвижки секций по принципу «десятков-единиц ».
2.  Способ «групповой» передвижки секций.

       Схемы автоматической передвижки секций призабойной крепи приведены на рис. 41.

8.2.1. Способ передвижки секций по принципу «десятков-единиц »

Основой аппаратуры для автоматической передвижке секций крепи по способу «десятков-единиц» (рис.41а) является блок управления БУ. На выходе этого блока формируется управляющий сигнал, положительная полярность которого подключаются через контакты «десятков» (Д0. Д1 и т.д.)  на катушки управляющих реле соответствующего десятка.

Рис. 41.    Схемы автоматической передвижки секций призабойной крепи а –  по

                принципу «десятков-единиц », б – по групповому  принципу .

Отрицательная же полярность этого сигнала через контакты  «единиц» (Е1, Е2, Е3  и т. д) подключатся только к тем катушкам управляющих реле, которые включат секции данной единицы. Например, реле Р01, передвигающее первую секцию, подключено к контакту Д0 и Е1, а реле Р12, передвигающее двенадцатую секцию, подключено к контактам Д1 и Е2.

Таким образом, для последовательной передвижки секций по этой схеме первоначально включается реле соответствующего десятка, а затем последовательно блок управления включает реле единиц. В результате этого секции Р01, Р02 и Р03 последовательно перемещаются к груди забоя.

8.2.2. Способ групповой передвижки секций

При групповой передвижке секций крепи (рис.41б) положительная полярность выходного сигнала блока управления БУ напрямую подключена к соответствующей полярности реле управления всех секций крепи, а отрицательная полярность этого сигнала через контакты типа «группа» (Г1, Г2, Г3 и т. д) подключена на управляющие реле соответствующих групп секций. Поэтому при включении реле соответствующей группы (например: Г2) одновременно передвигаются все секций этой группы (в нашем примере  одновременно перемещаются секции группы  РГ2).  Таким образом, при групповой передвижке возможна одновременная первоначальная передвижка всех нечетных секций, а затем так же одновременная передвижка всех четных ––секции всей крепи могут делится на отдельные группы, которые перемещаются последовательно в «шахматном» порядке.

1.  Схема установки датчиков и исполнительных устройств на секции призабойной крепи

Схема установки датчиков и исполнительных устройств на секции призабойной крепи показана на рис.42. На этой схеме изображены следующие структурные элементы.

1.  –  козырек верхняка с приводом его передвижки;
2.  –  оградительный щит;
3.  –  несущий гидродомкрат;
4.  –  основание секции крепи;
5.  –  гидподомкрат передвижки секции (и конвейера);
6.  –  рама (став) призабойного конвейера;
7.  –  выемочный комбайн.      

Рис.42.    Схема установки датчиков и исполнительных устройств на  секции призабойной крепи.

Секция крепи своим основанием 4 связана через домкрат 5 со ставом призабойного конвейера 6. Оградительный щит 2 (верхняк) крепи  удерживает давление обрушенной породной массы кровли с определенным усилием, которое поддерживается гидродомкратом 3 и клапаном распора. Под действием усилия породной массы кровли этот гидродомкрат постепенно оседает до предельного значения при этом рабочая жидкость стравливается из него подопределенным давлением через клапан распора. В случае превышения предельной осадки гидродомкрата секция крепи окажется «зажатой» горной породой. Такой режим называют посадкой секции «на жесткую». Это аварийный режим, так как в этом случае, секция теряет возможность  к дальнейшей осадке, а значит и к   передвижке. Другой аварийный режим это «заякоривание» секции, который наступает при наезде секции на препятствие в процессе ее передвижки. В обоих случаях система автоматики должна предупреждать эти режимы.

Для регистрации состояния рабочих параметров секции крепи применяют следующие датчики:

Д1   –  контроль обнажения кровли;

Д2   –  контроль осадки гидродомкрата и посадки на «жесткую»;

Д3   –  контроль положения конвейера относительно секции крепи;

Д4  –  контроль положения комбайна относительно секции крепи.

Для выполнения операций цикла передвижки секции используются следующие исполнительные устройства:

П1  –  привод выдвижение козырька;

П2  –  клапан распора секции;

П3  –  клапан снятия распора несущего гидродомкрата;

П4  –  привод горизонтального перемещения секции или конвейера.

Микропроцессорные системы управления передвижкой призабойной крепи оказались наиболее эффективным средством автоматизации этого процесса. В этом случае все датчики и исполнительные устройства секции крепи подключаются к соответствующим портам микроконтроллера (или исполнительного модуля) нижнего уровня системы управления передвижкой этой крепи. Схема подключения датчиков и исполнительных устройств   секции крепи к микроконтроллеру (исполнительному модулю) нижнего уровня показана на рис.43.  

Рис. 43.  Схема подключения датчиков и исполнительных  устройств секции крепи к микроконтроллеру   нижнего уровня.

Все датчики секции крепи аналогового типа, поэтому они подключаются к порту аналогового ввода контроллера или модуля. В то время как приводы исполнительных устройств  дискретны,  поэтому они подключаются к порту дискретного вывода этого контроллера.

1.  Схема микропроцессорной распределенной системы управления передвижкой призабойной крепи

Управление передвижкой секций призабойной крепи осуществляют блоки управления, которые являются структурными элементами микропроцессорных систем.

Современные системы управления передвижкой призабойной крепи строятся на основе распределенных микропроцессорных сетей управления. Структура такой системы представлена на рис.44. На верхнем уровне этой сети  расположен головной компьютер диспетчерского пульта управления, который  связан  со структурными блоками  нижнего уровня через локальную сеть.

На нижнем уровне этой сети находятся блоки управления каждой секцией крепи, структурно встроенные в конструкцию каждой секции. Каждый блок управления соединяется с сетью управления через систему специальных кабельных соединений.

Между компьютером диспетчерского пульта и блоками управления секций в сети расположен  пост управления, представляющий собой микроконтроллер с выносным пультом управления.

Рис. 44. Структура распределенной микропроцессорной    сети управления.

Связь  головного микроконтроллера (пульта управления) с блоками управления секций крепи (модулями нижнего уровня) производится по двухпроводной линии связи и по физическому протоколу  RS-485.

С компьютером верхнего уровня пульт управления может быть связан по такому же протоколу, но для того чтобы избежать потерь информации в процессе ее передачи на значительное расстояние верхнего ровня используют повторители этого протокола (интерфейса).

Для автоматизации передвижки секций призабойной крепи промышленностью серийно выпускается аппаратура САУК-138М. в которую структурно входят посты управления секциями (блоки САУК-138М) и блоки управления этими секциями (модули RS20s). Блоки управления секциями RS20s это универсальные модули со встроенным  портом аналогового ввода и портом дискретного вывода. К порту аналогового ввода подключены датчики следующих типов:

СД10         – датчик осадки верхняка секции;

ДПС10      – датчик положения конвейера;

ДПМГ-2У – датчик положения комбайна;

СД10         – датчик передвижки козырька.

К порту дискретного вывода подключены исполнительные устройства перечисленные выше.

8.5. Алгоритм управления передвижкой призабойной крепью

Алгоритм управления передвижкой призабойной крепью состоит из двух частей:

•  Алгоритма управления крепью в процессе поддержания кровли лавы;
•  Алгоритма управления крепью в процессе ее передвижки к груди забоя,

8.5.1.Алгоритм управления крепью в процессе поддержания кровли лавы

Процессе управления поддержанием кровли выработанного пространства лавы выполняется контроллером верхнего уровня (например блоком САУК-138М) по алгоритму, который отслеживает всю ситуацию состояния крепи как в процессе поддержания кровли так и при передвижке каждой секции. Контроллером верхнего уровня  обеспечивается постоянный контроль за  состоянием соответствующего распора каждой секции крепи и своевременное оповещение диспетчера о  нарушении этого соответствия или об опасности посадки секции на «жесткую».  Эта аварийная ситуация возникает тогда, когда  поршень несущего гидродомкрата секции коснется задней стенки (торца) его гидроцилиндра. В этой ситуации шток гидроцилиндра теряет возможность  осевого перемещения, поэтому в этом случае гидродомкрат и секция  могут быть разрушены возрастающим давлением на щит обрушенной горной массы кровли пласта. Кроме того, в этом случае теряется возможность переместить  распертую секцию, поэтому  ее приходится терять или механически вырезать из этого «плена». Своевременное оповещение диспетчера о надвигающейся авариной ситуации (посадке на «жесткую») позволит своевременно принять необходимые меры для ее предотвращения.

Другая аварийная ситуация может возникнуть в случае несвоевременной передвижке секций крепи (преждевременной ли запоздалой). Поэтому алгоритм управления крепью на этом уровне должен своевременно отслеживать эту ситуацию, и в случае ее возникновения включить необходимую защиту, и также  своевременно информировать о ней диспетчера.

С этой целью алгоритм верхнего уровня управления крепью должен своевременно отслеживать по показаниям датчиков положение комбайна относительно каждой из секций крепи, величину обнажения кровли и степень отставания передвижки секций относительно исполнительного органа комбайна. Контроллер верхнего уровня должен передать команду соответствующему модулю нижнего уровня команду на начало передвижки очередной секции, которая выполняется  по алгоритму следующего уровня.

8.5.2.Алгоритм управления крепью в процессе ее передвижки

Управление крепью в процессе ее передвижки производится алгоритмом нижнего уровня, который выполняется микроконтроллерами (модулями) нижнего уровня для каждой секции в отдельности. Этот алгоритм должен обеспечивать последовательность выполнения всех операций цикла передвижки. Команда на начало передвижки секции поступает к микроконтроллеру от контроллера верхнего уровня , который управляет передвижкой всей крепи лавы в целом. По этой команде первоначально опрашивается состояние датчика, контролирующего расстояние исполнительного органа комбайна от верхняка передвигаемой секции.  Если это расстояние будет соответствовать заданному значению, то первоначально  включается привод П4 в сторону горизонтального перемещения конвейера.

При  срабатывании  датчика Д3 процесс этой передвижки заканчивается и   включается привод П2 клапана распора в направлении снятия распора секции и  по показаниям датчика Д2 контролируется  величина снятия распора секции. Как только распор исчезнет, включается привод П1 в направлении втягивания козырька и одновременно  включается  привод П3 горизонтального перемещения секции в направлении к конвейеру, при этом перемещение секции снова контролируется  датчиком Д3. Как только секция достигнет заданного положения относительно става конвейера приводы П1 и П3 выключаются и снова включается привод П2 в направлении распора секции, при этом величина распора контролируется датчиком Д2. Как только распор секции  достигнет заданного значения привод П2 выключается и микроконтроллер секции выдает на верхний уровень системы сообщение об окончании передвижки. Передвижка может быть прекращена, если секция при перемещении наезжает на какое-нибудь препятствие (этот процесс называется «заякориванием секции»). При «заякориванием секции» микроконтроллер секции выдает на верхний уровень сообщение о этой ситуации и об остановке передвижки секции.

1.  АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПРОХОДЧЕСКИХ РАБОТ

Для проведения подготовительных выработок на шахтах выполняются проходческие работы, которые могут обеспечиваться комбайновым или буровзрывным способами. Комбайновый способ проходки шахтных выработок применяется в том случае, если крепость разрушаемой породы не высока. При более высокой крепости породы шахтных выработок применяют буровзрывной способ проходки.

9.1.   Автоматизации работы проходческих комбайнов

1.  Требования к системам автоматизации проходческих комбайнов

Системы автоматического управления работой проходческих комбайнов должны обеспечивать:

1.  Автоматическое поддержание нагрузки на режущем органе проходческой машины.
2.  Автоматическое     программное   управление   траекторией    движения

         исполнительного органа проходческого комбайна.

1.  Дистанционное управление комбайном с выносного пульта управления.
2.  Автоматическое управление направленным движением комбайна в горной выработке или индикация его отклонения от заданного направления при ручном и дистанционном управлении.
3.  Автоматическая перегрузка отбитой породной массы из накопителя в транспортное средство при прерывной откатке породной массы.

Автоматизация поддержания нагрузки на приводе проходческого комбайна обеспечивается теми же средствами, что и для выемочных маши.

9.1.2.    Автоматизация управления траекторией движения рабочего органа проходческого комбайна.

Проходка горных выработок по слабым горным породам выполняется проходческими комбайнами с различным типом исполнительных органов. Эти исполнительные органы могут быть  стреловыми и буровыми. Проходческие комбайны  с буровым исполнительным органом за счет его кинематики обеспечивают проходку горных выработок с постоянной формой сечения, поэтому не требуют управления траекторией этого органа.

В свою очередь проходческие комбайны со стреловым исполнительным органом могут обеспечивать проходку выработок  любой формы сечения, а для этой цели они оборудуются исполнительными органами с регулируемой траекторией движения. Схема такого комбайна и траектория движения его исполнительного органа при проходке выработки трапециевидного сечения показана на рис. 45.  Для обработки забоя указанной формы сечения исполнительный орган этого комбайна (стрела) должен совершать угловые перемещения относительно забоя выработки, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости.  В действительности эти угловые перемещения совершаются этим органом относительно продольной оси комбайна. При этом в  вертикальной плоскости исполнительный орган перемещается на угол «α», а в горизонтальной  соответственно на угол «β».

Рис. 45. Сема проходки выработки трапециевидногосечения комбайном со

                       стреловым исполнительным органом.

Порядок обработки забоя исполнительным  органом при работе комбайна следующий. Первоначально фреза исполнительного органа комбайна перемещается в нижний или верхний угол выработки, после чего механизмом перемещения комбайна  он  внедряется в забой. После этого внедрения (в нижней части выработки) происходит горизонтальное перемещение фрезы. При этом постоянно контролируется угол β этого  перемещения стрелы.

При достижении заданной величины горизонтального отклонения стрелы исполнительного органа комбайна по данной (нижней) полосе обработки забоя, подается команда на ее вертикальное перемещение на следующую полосу. При этом так же контролируется величина углу α. Таким образом, при проходке выработки проходческим комбайном со  стреловым исполнительным органом присходит послойная обработка забоя  его фрезой с постоянным контролем заданных угловых параметров β и α.   

Описанный принцип управления траекторией движения стрелового исполнительного органа проходческого комбайна успешно был реализован только в микропроцессорном варианте системы автоматического управления. Структура такой системы показана на рис. 46.

   Рис. 46.  Структура системы автоматического управления траекторией

              исполнительного органа проходческого комбайна

Как и прежде, основу такой системы составляет микропроцессорный контроллер с портами аналогового и дискретного ввода, а так же  с портами дискретного и импульсного вывода. К порту дискретного ввода подключены кнопки «пуск» и «стоп», а к порту аналогового ввода подключены датчики Dα и Dβ углового перемещения исполнительного органа комбайна. К порту дискретного вывода подключены  исполнительные электрогидроклапаны ЭГК1, ЭГК2, ЭГК3, ЭГК4, с помощью которых происходит управление угловым положением исполнительного органа комбайна (ИОК). Для внедрения фрезы в забой  включают на заданное время привод механизма подачи комбайна (ППК). Время внедрения контролируется таймером контроллера.

Система работает по алгоритму, представленному на рис. 47.

 

    

   

Рис. 47. Алгоритм управления траекторией исполнительного органа проходческого комбайна

После запуска этого алгоритма производится ввод в память контроллера заданных значений угловых параметров положения исполнительного органа комбайна на каждой полосе обработки забоя и число полос обработки забоя этой фрезой., а так же времени работы привода подачи комбайна при внедрении в забой . Затем  параметру I  первоначально присваивается значение 1, это означает переход к очередной (первой) полосе обработки забоя. После этого производится включение на заданное время через таймерный порт привода подачи комбайна на забой, в результате чего фреза исполнительного органа внедряется в забой. Этот процесс продолжается до тех пор, пока фактическое время работы этого привода не сравняется с заданным. Как только это произойдет, привод подачи комбайна отключается и  алгоритм переходит к циклу управления положением фреза на заданно полосе обработки забоя.

В этом цикле первоначально производится опрос датчика Dβ . После этого показания датчика сравниваются с заданным значением параметра β на данной полосе обработки забоя.  Если отклонение Δβ (разность заданного и фактического значений этого параметра) окажется равным нулю, то происходит переход к опросу показаний датчика по следующему параметру α.   Если же отклонение Δβ не равно нулю, то включается один из электрогидроклапанов ЭГК1 или ЭГК2, управляющих перемещением в горизонтальной плоскости исполнительного органа комбайна в сторону зависящую от знака этой разности.  В этом цикле происходит цвозврат на опрос состояния датчика  Dβ  до тех пор, пока отклонение Δβ не будет равным нулю. Только после этого выключаются, включенные электрогидроклааны, и происходит переход к контуру аналогичного регулирования, но уже  по параметру α.  Как только и этот процесс закончится, то к параметру I добавляется единица, что означает переход фрезы исполнительного органа комбайна на следующую полосу обработки забоя.

В процессе каждого суммирования  параметра I  результат  сравнивается с числом обрабатываемых полос N. Если  суммарный параметр I окажется больше числа N, то это признак конца обработки забоя при данном внедрении в него фрезы исполнительного органа комбайна. Истинность этого условия переводит алгоритм к повторному внедрению фрезы в массив забоя, в результате чего цикл отработки забоя  продолжается.

  

   9.1.3.   Автоматизация управления вождением проходческого комбайна в заданном направлении.

Для автоматического вождения проходческого комбайна в заданном направлении применяют различные способы такого вождения. Мы рассмотрим только два из них:

•  Вождение комбайна по направлению лазерного луча;
•  Вождение комбайна по гирокомпасу.

9.1.3.1.  Автоматическое вождение   проходческого комбайна в заданном направлении по лазерному лучу.

Принцип  автоматического вождения проходческого комбайна по лазерному лучу показан на рис. 48а. Согласно этого принципа, источник лазерного излучения 1 подвешивается в верхней части выработки и ориентируется в заданном направлении с помощью геодезических приборов. Датчик 2, воспринимающий лазерное излучение,  устанавливается в верхней части корпуса комбайна. Этот датчик рис. 48б представляет собой щит с установленными на нем фотодиодами, воспринимающими лазерное излучение. Эти фотодиоды располагаются группами следующего назначения:

•  в центре щита устанавливается центральный фотодиод d5, который воспринимает только заданное направление луча, все остальные группы фотодиодов регистрируют отклонение комбайна от этого направления;
•  Фотодиоды осевой группы d1, d2, d3, d4 регистрируют отклонение луча от соответствующей оси.
•  Фотодиоды межосевой группы g1, g2, g3, g4 регистрируют отклонение луча попавшего на межосевую область щита, когда он не попадает ни на одну из его осей.

Рис 48.  Схема управления движением проходческого комбайна по лазерному

             лучу.

     

Система управления направленным вождением проходческого комбайна по лазерному лучу выполнена в двух контурном варианте. Один из этих контуров управления следит за положением луча на датчике (щите). Второй контур этой системы регулирует отклонение продольной оси комбайна от координатных осей датчика, ориентированного лазерным лучом в заданном направлении. Необходимость введения двух контурной системы связана с большой инерционностью управления положением комбайна относительно лазерного луча, поэтому гораздо легче ориентировать щит относительно этого луча, а систему управления пространственным положением комбайна проще ориентировать при этом относительно положения датчика (щита).

На рис. 48в. представлена структурная схема системы автоматического управления положением датчика (щита) относительно направления лазерного луча. Система выполнена в микропроцессорном варианте. К каждому каналу порта дискретного ввода подключена определенная группа фотодиодов. Так к каналу ввода In d0 параллельно подключены все фотодиоды групп d1 и g4, а к каналу ввода In d1 аналогично подключены фотодиоды групп d2 и g1 и т. д. Только к каналу In d4 единично подключен центральный фотодиод d5.

Попадание луча на  группу фотодиодов d1 и g4 вызывает появление единичного цифрового сигнала (в шестьнадцатиричной системе счисления это число 01), аналогично датчики группы d2 и g1 дают числовой сигнал 02, а группы d3 , g2 и  d4 , g3 дают в этой же системе счиления соответственно цифровые сигналы 04 и 08. Сигнал датчика d5 формирует цифровой код 10.

Каждый из каналов порта дискретного вывода включает привод перемещения щита в определенном направлении, причем сигнал фотодатчиков осевой группы включает привод щита таким образом, чтобы переместить луч лазера к центральному фотодиоду. Высвечивание фотодиодов межосевой группы вызывает включение тех приводов перемещения щита, которые сдвигают положение луча в сторону фотодиодов осевой группы. В результате реализации такого принципа включения приводов положение луча на щите последовательно смещается в сторону центрального фотодиода. Алгоритм управления перемещением датчика (щита) контроля направления движения проходческого комбайна показан на рис.49.

Рис 49 Алгоритм управления перемещением датчика контроля направления движения проходческого комбайна.

После запуска этого алгоритма  происходит опрос состояния порта дискретного ввода контроллера. Затем чрез условные команды производится анализ цифрового сигнала полученного из этого порта. Выполнение одного из условий состояния порта дискретного ввода контроллера включает провод соответствующего направления перемещения щита.

Только в случае попадания луча на центральный фотодиод d5 цикл опроса порта продолжается без изменений положения  щита. Если же порт дискретного ввода будет формировать цифровой сигнал, не удовлетворяющий выше перечисленным условиям, то на экране оператора появляется сообщение «Луч не попал на датчик», что означает выход луча за пределы поля щита или неспособность луча достичь этого поля. Эта ситуация требует ручного вмешательства в процесс управления и новой настройки системы.

Перемещение щита относительно продольной оси комбайна вызывает рассогласование сигналов первоначальной инструментальной настройки вторичного контура управления, который при этом стараясь свести это рассогласование к нулю ориентирует комбайн относительно согласованного положения щита. . Однако этот процесс очень инерционный, поэтому, за один цикл компенсации этого  рассогласования щит несколько раз может менять свое положение относительно направления лазерного луча.

9.1.3.2.  Автоматическое вождение   проходческого комбайна в заданном направлении по гирокомпасу.

Гирокомпасом называют прибор, предназначенный для измерения углового положения  каких либо объектов. В наше случае этим прибором можно замерять угловое отклонение траектории движения проходческого комбайна от заданного направления.

Чувствительным элементом гироскопа является вращающееся тело (волчек),  ось вращения которого сохраняет пространственное положение первоначальной раскрутки. Если это тело первоначально раскрутить, то его ось вращения всегда будет сопротивляться изменению ее первоначальной ориентации. Этот эффект заложен в принцип работы гирокомпаса.

Принцип  автоматического вождения проходческого комбайна по гирокомпасу показан на рис.50.

Рис. 50.  Схема вождения проходческого комбайна по гироскопу

Согласно этого принципа гирокомпас регистрирует угол α отклонения движения комбайна от заданного направления. Величин этого отклонения передается регулятору, который в точке А траектории движения комбайна сводит это рассогласование до нуля. Однако даже в случае нулевого рассогласования новая траектория движения комбайна окажется не на заданном, а на параллельном курсе. Эта ситуация не допустима при проведении горных выработок,  так как эти работы имеют жесткие допуски на отклонения от заданного направления, а при многократном регулировании без коррекции это отклонение суммируется и результат суммирования быстро выходит за рамки допустимого значения.

Чтобы избежать появления этой ситуации регулятор должен вводить коррекцию на параллельный курс. Для  этого из точки А он должен повернуть комбайн на угол β в сторону заданной траектории  OY. В момент пересечения комбайном этой траектории регулятор вновь должен повернуть комбайн на этот же угол, но уже в обратном направлении. Такой корректирующий маневр довольно сложен пока в практической реализации, поэтому изложенный способ.  автоматического вождения   проходческого комбайна в заданном направлении  пока не нашел широкого применения.

К достоинству этого способа автоматического вождения   комбайна нужно отнеси малую зависимость его от запыленности рабочего пространства в горной выработки, которая характерна  постоянно наблюдается в этом технологическом процессе. Эта запыленность снижает эффективность автоматического вождения   проходческого комбайна способом лазерного визирования.

1.  Автоматизации проходческих работ буровзрывным способом

Процесс проведения горных выработок буровзрывным способом состоит из нескольких операций таких как:

•  обуривание забоя в соответствии с паспортом бурения шпуров;
•  зарядка и взрывание этих шпуров;
•  погрузка и транспортировка отбитой горной массы.

Из всех перечисленных операций в настоящее время только  обуривание забоя может быть успешно автоматизировано. Обуривание забоя это операция, по которой в горном массиве пробуриваются (сверлятся) специальные отверстия (шпуры), в которые затем помещается взрывчатка. Бурение шпуров выполняют специальные машины, которые называют буровыми каретками.

Система автоматического управления буровой кареткой должна выполнять две функции:

•  автоматическую установку буровой машины в нужную точку забоя, которая определена паспортом буровзрывных работ;
•  автоматическое управление буровой машиной в процессе бурения шпура.

1.  Требования к системам автоматизации буровых машин

Системы автоматического управления работой буровых машин должны обеспечивать:

1.  Автоматическую установку буровой машины в нужной точке забоя в  соответствии с паспортом ведения буровзрывных работ.
2.  Автоматическое забуривание шпуров на соответствующих  режимах   бурения.
3.  Автоматический переход от режима забуривания на режим нормального  бурения на заданную глубину.
4.  Автоматическое  отключение подачи и ее реверсирование при достижении  заданной глубины бурения без отключения буровой    машины.
5.  Автоматическое  отключение всех приводов при установке буровой машины в исходное положение.
6.  Автоматическое  задание нового  очередного положения шпура.
7.  В случае необходимости обеспечение возможности перехода на ручное управление.
   1.  Автоматизация установки буровой машины в нужную точку забоя

Автоматическая установка буровой машины в нужную точку забоя в соответствии с  паспортом буровзрывных работ производится роботом манипулятором, который может быть установлен на самоходное шасси буровой машины или на шасси погрузочной машины. Схема такой установки показана на рис. 51.   На этой схеме к корпусу погрузочной машины 1 крепится робот- манипулятор 3, на котором устанавливается буровая машина 2.

Рис. 51.   Схема робота-манипулятора буровой машины, установленного  на

               шасси  погрузочной машины с помощью.

Робот манипулятор определяет положение буровой машины относительно груди забоя.  Для каждого положения буровой машины относительно груди забоя паспортом ведения буро-взрывных работ определяются  значения четырех параметров α1, β1, α2, β2.  Величина этих параметров определяет положение шпуров на плоскости (груди) забоя.

Параметры α1, β1 определяют угловое положение (в вертикальной α1 и горизонтальной β1 плоскости) корпуса манипулятора 3 относительно продольной оси буровой каретки (погрузочной машины 1). Параметры α2, β2 определяют в том же соответствии угловое положение продольной оси буровой машины 2 относительно  продольной оси манипулятора 3.

Система автоматического управления процессом установки буровой машины в нужной точке забоя реализуется в микропроцессорном варианте. Структура такой системы показана на рис.54.  Для управления роботом-манипулятором  предусмотрены два  модуля один из них модуль аналогового ввода, а другой   дискретного вывода. К модулю аналогового ввода подключены датчики углового положения Дα1, Дβ1 и  Дα2, Дβ2, а к модулю дискретного вывода подключены электрогидроклапаы ЭГК1, ЭГК2, ЭГК3, ЭГК4, ЭГК5, ЭГК6, ЭГК7, ЭГК8, управляющие гидроцилиндрами манипулятора. Работа модулей управления манипулятором  по установке буровой машины в нужную точку забоя определяется подпрограммой, входящей в состав общей программы управления работой буровой машины. Структура алгоритма этой подпрограммы  приведена на рис. 52.

Рис.52. Структура алгоритма подпрограммы управления роботом-манипулятором.

Первой командой этого алгоритма производится включение электрогтдроклапана ЭКГ1, который перемещает манипулятор, при этом меняется его угловое положение по параметру α1. Следующей командой  производится циклический опрос датчика Дα1, регистрирующего параметр α1. После чего определяется рассогласование Δα1 между фактическим и заданным значением этого параметра. В случае если параметр  Δα1 = 0 то происходит выключение всех работающих приводов и делается переход к той части алгоритма, в которой производится отработка  следующего углового параметра α2.  Если указанное отклонение не равно нулю, то в зависимости его от величины и знака включается соответствующий привод, перемещающий манипулятор в сторону уменьшения до нуля контролируемой  величины этого отклонения. При нулевом значении этого отклонения подпрограмма переходит к аналогичному регулированию следующих угловых параметров (β1, α2, β2).  После отработки всех заданных параметров происходит выход из этой подпрограммы и возврат в исходную программу управления работой буровой машины.

9.2.3.  Автоматизация управления  буровой машиной.

В состав буровой машины входят: ударник, вращатель и механизм подачи этой машины на забой с приводом этого механизма. Для удаления продуктов бурения (буровой мелочи) из шпура используется вода, которая подается в шпур через водяной кран по каналам в буровой машине. Для контроля параметров бурения используется система датчиков, а управление буровой установкой производится системой пускателей. Функциональная структура такой системы представлена на Рис.53

 Рис 53. Структура системы управления бурением шпуров.

. В ее состав входят следующие элементы:

   КВ      –  кран водяной;

ДКПВ –  датчик крана пуска воды;

ДИ1    –  датчик ударно-вращательных импульсов;

ДИ2    –  датчик импульсов привода подачи;

ДЗП    –  датчик заднего положения буровой машины;

ДПП   –  датчик переднего положения буровой машины;

ДЗб     –  датчик забуривания;

ПВ      –  пускатель подачи вперед;

ПН      –  пускатель подачи назад;

Пуд     –  пускатель ударника;

  ПВр    –  пускатель вращателя.

Принцип работы этой системы состоит в следующем: Перед пуском в работу буровой машины открывается водяной кран для подачи воды в шпур. Эта подача контролируется датчиком ДКПВ, только после срабатывания которого пускаются в работу ударник, вращатель и механизм подачи самой машины на забой. Первоначально эта подача выполняется в режиме забуривания, которая характеризуется малым усилием подачи. Продолжительность этого режима контролируется датчиком ДЗб. Как только сработает этот датчик, механизм подачи переключается на нормальную подачу. Процесс бурения шпура контролируется импульсными датчиками ДИ1 и ДИ2, и продолжается до тех пор, пока не сработает датчик ДПП. После его срабатывания, реверсируется подача буровой машины.  При этом для предотвращения заклинивания бурового инструмента ударник и вращатель не отключаются. Обратное движение бурового инструмента продолжается до срабатывания датчика ДЗП. При срабатывании этого датчика отключаются все приводы и перекрывается подача воды. Далее управление передается роботу-манипулятору для установки буровой машины в новое положение.

Система автоматического управления процессом бурения как и установки буровой машины реализуется в микропроцессорном варианте. Структура такой системы в общем виде  показана на рис.54.

    

Рис. 54. Структура микропроцессорной системы управления буровой машиной и ее манипулятором.

Эта система выполнена в модульном исполнении. Функциональные модули этой системы объединены с контроллером через системную шину (возможно применение шины типа «ISA»). Условно модули делятся на две группы. Модули первой группы обслуживают работу буровой машины, а модули другой группы обслуживают работу манипулятора.

В первой группе модулей для ввода сигналов датчиков используются модули импульсного и дискретного ввода, к которым соответственно подключены импульсные датчики и датчики контроля пука води, а так же  положения буровой машины относительно забоя. К модулям дискретного вывода подключены все пусковые устройства буровой машины. Все модули управляются с помощью внутренних команд, подаваемых контроллером через системную шину.  Общее управление процессом бурения шпуров производится программой, структура алгоритма которой представлена на рис. 55.

После запуска этого алгоритма  производится ввод в память контроллера расчетных угловых параметров положения манипулятора для каждого шпура в соответствии с паспортом ведения буровзрывных работ. Кроме того, одновременно вводится параметр N, равный числу буримых шпуров. Установка манипулятора начинается с первого шпура, поэтому параметру I -счетчику шпуров присваивается значение 1. После этого производится обращение к ранее описанной подпрограмме управления работой манипулятора, структура которой приведена на рис.52.

 

       Рис.55. Алгоритм общего автоматического управления  буровой машиной.

После выхода из этой подпрограммы производится обращение к другой подпрограмме, которая  управляет работой буровой машины. Структура этой подпрограммы приведена на рис.56. Выход из этой подпрограммы производится по окончанию рабочего цикла бурения очередного шпура, поэтому следующим оператором общего алгоритма параметр I. увеличивается на единицу, а это означает переход к следующему шпуру. Затем производится анализ суммарного значения этого параметра. Если суммарный параметр I окажется меньше числа N, то по этому условию производится циклический возврат к подпрограмме установки буровой машины к месту бурения очередного шпура, в противном случае дается команда  для остановки алгоритма, так как в этом случае забой будет полностью обурен

Для управления рабой буровой машины используется отдельная подпрограмма, структура алгоритма коорой показана на Рис.56. Первым оператором этой подпрограммы производится включение крана пуска воды, после чего в цикле опрашивается состояние датчика ДКПВ. Пуск буровой машины произойдет только тогда, когда датчик ДКПВ зарегистрирует наличие воды в ее каналах буровой машины. Только после срабатывания этого датчика следующим оператором алгоритма включаются ударник и вращатель, а двигатель подачи запускается в режим забуривания. В этом режиме работы обеспечивается минимальное усилие подачи бурового инструмента на забой.  После включения буровой машины производится циклический опрос датчика забуривания (ДЗ), который срабатывает только тогда, когда шпур достигнет заданной глубины забуривания.

                       Рис.56. Подпрограмма управления буровой машиной.

Срабатывание датчика ДЗ переключает работу привода подачи на рабочий режим, после чего бурение производится на максимальных режимах. В течении этого режима производится циклический опрос датчика ДПП. Как только шпур достигнет заданной глубины, датчик ДПП сработает, после чего выключается ударник и реверсируется подача без отключения вращателя. Вращение бурового инструмента при реверсе предотвращает его заклинивание.

При обратном движении бурового инструмента производится циклический опрос датчика заднего положения ДЗП. Он сработает только тогда, когда буровая машина вместе с буром возвратится в исходное положение. Срабатывание датчика ДЗП формирует команду на отключение всех приводов, что означает конец цикла работы буровой машины., Следующей командой алгоритма производится выход из подпрограммы и возврат в основную программу управления процессом бурения шпуров.

1.  АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА КОНВЕЙЕРНОГО  ТРАСПОРТА

В соответствии с технологией транспортировки полезного ископаемого конвейерным транспортом по шахтным выработкам шахтные конвейеры делятся на:

•  Стационарные;
•  Полустационарные;
•  Передвижные.

К стационарным относятся такие конвейерные линии, которые проложены по капитальным выработкам и срок службы их равен сроку службы этих выработок.

Полустационарные конвейерные линии прокладываются по участковым выработкам.  Срок службы их согласуется со сроком службы этих выработок.

Передвижные конвейерные линии прокладываются в местах сопряжения участковых транспортных щтреков с лавой.

По структуре конвейерные линии бывают не разветвленными и разветвленными. В линиях последнего типа выделяются конвейера главного направления  (магистральные)  и  конвейера  маршрутных  ответвлений  или        (маршруты).

Несмотря на различное назначение шахтных конвейерных линий к системам автоматического управления их работой предъявляются обще требования

10.1.  Требования к системам автоматизации конвейерного  транспорта.

Системы автоматического пралния конвейерными линиями должны обеспечивать:

1.  Обеспечение возможности управлении конвейерами в конвейерной линии с центрального пульта управления, с пункта загрузки конвейеров или в режиме местного управления каждым из конвейеров.
2.  Последовательный пуск конвейеров в порядке обратном направлению транспортирования груза.
3.  Автоматическую  подачу предупредительного звукового и светового сигнала перед запуском конвейерной линии, которая бы была отчетливо слышна  на всем ее протяжении конвейерной линии в течение не менее 5 сек .
4.  Включение каждого последующего конвейера в линии после установления рабочей скорости тягового органа предыдущего конвейера.
5.  Оперативное отключение конвейеров с пульта управления.
6.  Экстренное отключение и экстренное прекращение пуска любого конвейера с любой точки конвейерной линии.
7.  Автоматическое отключение всех конвейеров, транспортирующих груз на остановившийся конвейер, а для скребковых конвейеров остановку конвейера, на который транспортируется груз во избежании захвата оборвавшейся  цепи.
8.  Пуск любого маршрута с центрального пульта управления или с места загрузки конвейеров.
9.  Оперативную остановку части любого маршрута с центрального пульта управления или с места загрузки конвейеров без отключения конвейеров главного направления.
10.  Дозапуск части любого маршрута с центрального пульта управления или с места загрузки конвейеров без отключения конвейеров главного направления.
11.  Автоматическое, аварийное отключение привода конвейера при неисправности тягового органа, при затянувшемся пуске или снижении скорости рабочего органа ниже 75% от номинального значения.
12.  Блокировку от повторного дистанционного включения остановившегося конвейера с центрального пульта управления или при работе в режиме местного управления.
13.  Обеспечение возможности перевода на любой вид управления любого конвейера без нарушения режима автоматизации остальных конвейеров.

10.2. Принципы автоматизации пуска конвейерных  линий.

 

Автоматический запуск конвейерной линии может осуществляться  двумя способами:

•  Запуск каждого конвейера через установленный промежуток времени, который контролируется реле времени;
•  Запуск каждого последующего конвейера в линии, после того как предыдущий конвейер достигнет номинальной скорости своего тягового органа.

Второй способ запуска конвейерной линии более предпочтителен, т.к. степень загрузки конвейеров автоматически определяет продолжительность запуска всей линии. Технологическая схема запуска конвейеров по этому способу представлена на рис. 57.

Рис.57. Схема последовательного запуска конвейеров в режиме контроля скорости рабочего органа.

Команда на запуск конвейерной линии по этой схеме подается с пульта управления ПУ.  При этом формируются два сигнала. Один из них непосредственно подается на пускатель привода первого конвейера П1 а другой является общим для всех приводов конвейеров в линии. Только при наличии дух этих сигналов привод конвейера может быть запущен. Второй сигнал на запуск каждого последующего конвейера (кроме первого) поступает с реле скорости РС предыдущего конвейера, которое срабатывает только тогда, когда скорость рабочего органа этого конвейера превысит 75% от ее номинального значения. При аварийной остановке одного из конвейеров отключается его реле скорости, поэтому пропадает второй сигнал на пускателе привода последующего конвейера. Вследствие этого, он и все последующие конвейеры останавливаются. Принципиально этот способ автоматического управления используется в большинстве систем управления конвейерами, в том числе и в аппаратуре типа АУК.

10.3.  Структура и принцип работы системы автоматического управления конвейерной линией в аналоговом варианте

 

Структуру системы автоматического управления конвейерной линией в аналоговом варианте рассмотрим на примере аппаратуры типа АУК, которая показана на рис.58.  

Рис.58. Структурная схема аппаратуры автоматического управления конвейерной линией типа АУК.

В схему этой структуры введены следующие обозначения:

КП        – кнопка «пуск»;

ВПУ     – выносной пульт управления;

БС        – блок сигнализации звуковой;

ПУ       – пульт управления;

БУ        – блок управления;

П1,П2,…ПN – пускатели конвейеров;

Д1,Д2,…ДN – двигатели приводов конвейеров;

КВ        – конечный выключатель;

СЗ        – сирена звуковая;

ДЗ        – датчик заштыбовки (завала) конвейера;

ДС       – датчик скорости рабочего органа конвейера;

КТВ     – кабель-тросовый выключатель;

КСЛ     – датчик схода ленты;

ДМИ    – датчик магнитно-импульсный;

БКР      – блок концевого реле;

РВИ     – реле времени;

УКПС – устройство контроля проскальзывания ленты;

ЛС       – линия связи.

Структурно аппаратура АУК состоит из пульта управления ПУ к оторому подключены кнопки пусковые КП, выносной пульт управления ВПУ  и блок сигнализации БС.   Пульт управления через линию связи ЛС объединяет все блоки управления конвейерами. Блоками управления конвейеров БУ через соответствующие пускатели Пi  управляю приводами соответствующих конвейеров.

К каждому блоку управления подключаются датчики и исполнительные устройства.

Сирена звуковая включается блоком сигнализации перед запуском конвейерной линии. Датчики скорости генераторного типа ДС для ленточных конвейеров и магнитно-импульсный датчик ДМИ для цепных конвейеров контролируют скорость рабочего органа конвейеров. Датчик заштыбовки ДЗ останавливает привод конвейера в случае его завала грузом предыдущего конвейера. Аналогичное происходит при срабатывании датчика схода ленты КСЛ. Кабель-тросовые выключатели КТВ позволяют обеспечить аварийную остановку конвейерной линии с любой точки ее маршрута. Для этого необходимо натянуть трос, который разомкнет контакты этого датчика. Реле времени РВИ позволяет одному из конвейеров в линии запускаться с установленной выдержкой времени или аналогично отключатся. Устройство УКПС позволяет контролировать степень проскальзывания ленты по барабану. Для этой цели устройство сравнивает сигналы двух датчиков скорости ДС1 и ДС2. Один из них контролирует скорость барабана, а другой скорость ленты. В случае если разность между сигналами этих датчиков превысит заданное значение, устройство отключит провод конвейера.  

Конвейерная линия может запускаться с пульта управления пусковой кнопкой или с соответствующей кнопки выносного пульта управления Первым всегда запускается конвейер на разгрузочном пункте, а последним на загрузочном. Это предотвращает завал транспортируемым грузом неработающие конвейеры.

После того как при пуске скорость рабочего органа первого конвейера будет выше 75% от ее номинального значения по линии связи «ЛС» подается сигнал на запуск последующего конвейера. В случае аварийной остановки одного из работающих конвейеров в линии связи прерывается связь с блоками управления всех последующих конвейеров, и их приводы сразу останавливаются. Принцип работы аппаратуры АУК можно проследить на ее принципиальной схеме, представленной на рис.59.

При нажатии на  кнопку «пуск» к выпрямительному мосту этой схемы подключается обмотка управления реле К1, которое включается и своим контактом подает питание на блок реле времени БРВ. Это реле в свою очередь включает два  реле КТ и К2. Контактами реле К2 включается цепь питания блокf сигнализации БС, которое одновременно включает  звуковые сирены в блоках управления всех конвейеров.

      

Рис.59. Принципиальная схема аппаратуры АУК.

Одновременно контакты реле КТ переключают полярность сигнала в линии связи блоков управления конвейеров на «пусковой» режим. При этом катушка пускового реле К3 первого конвейера запитывается через диоды d1 и d4. При запуске контакты этого реле включают привод первого конвейера через пускатель КП1. Как только скорость рабочего органа этого конвейера достигнет величины 75% от номинального значения, датчик скорости ДС этого конвейера через пороговый элемент включит реле К4, которое своими контактами подаст по линии связи питание к пусковому реле К5 следующего конвейера. Этот конвейер и все остальные в этой линии будут запускаться по вышеизложенной схеме.

      После запуска последнего конвейера сработает концевое реле БКР, которое досрочно разомкнет цепь питания блока реле времени БРВ. Если этого не произойдет при затянувшемся пуске всей конвейерной линии, то  эта цепь разомкнется через заданное время таймером БРВ. При снятии напряжения с блока реле времени размыкаются реле КТ и К2, в результате чего прекратится подаче звукового сигнала, а полярность линии связи переключится на «рабочий» режим. 

      В этом режиме пусковые реле К3, К5, К7 останутся включенными через диоды d2, d3, d6, d7, d10, d11 поэтому приводы запущенных конвейеров так же остаются включенными.

       Если сработает защита какого-нибудь конвейера (сработает датчик ДЗ или КСЛ), то разомкнется цепь питания пускового реле этого конвейера и он остановится, и вместе с ним произойдет остановка всех последующих конвейеров.

       Останов конвейерной линии происходит и при нажатии кнопки «стоп», контакты которой обесточат линию связи, через которую запитаны пусковые реле всех конвейеров в этой линии.

Хотя аналоговые системы управления конвейерными линиями еще в достаточном количестве используются на горных предприятиях, но им на смену приходят микропроцессорные системы управления. Одной из таких систем является серийно выпускаемая аппаратура СУКЛ.

10.4.  Структура и принцип работы системы автоматического управления конвейерной линией в цифровом варианте

 

Структуру системы автоматического управления конвейерной линией в цифровом (микропроцесcорном) варианте рассмотрим на примере аппаратуры типа «САУКЛ», показанной на рис.60.

Рис. 60. Структурная схема аппаратуры автоматического управления конвейерной линией типа «САУКЛ».

Эта система строится по двух уравнемому типу. На верхнем уровне этой системы располагается пульт управления, который представлен управляющим компьютером, расположенном на диспетчерском пульте шахты. На нижнем уровне этой системы располагаются блоки средств автоматизации и электрооборудования для каждого конвейера конвейерной линии. Эти блоки расположены в подземных выработках в непосредственной близости от управляемых ими конвейеров. Блоки последовательно связаны между собой линией связи (ЛС), линией взаимоблокировки (ЛВБ) и телефонной линией (ТЛ). Связь верхнего и нижнего уровней этой системы производится через систему двух адаптеров:

•  адаптера пульта управления;
•  адаптера линии связи.

  

Адаптер пульта управления преобразует цифровой сигнал компьютера в  форму, приспособленную для передачи через  оптический канал, который проложен по оптоволоконному кабелю через ствол шахты к адаптеру линии связи, расположенному под землей на горизонте работы конвейерной линии. Адаптер линии связи обратно преобразует сигнал оптоволоконного кала  в форму протокола «токовая петля» и передает его к блокам автоматизации конвейеров по двухпроводной линии связи

Структура блока автоматизации и электрооборудования аппаратуры «САУКЛ» показана на рис.61.   

      Рис.61.   Структурная схема блока автоматизации и электрооборудования

                 аппаратуры «САУКЛ».

В эту схему введены следующие обозначения:

БУК      –  блок управления конвейером;

КМ       –  пускатель привода конвейера;

ДПБ     –  датчик проскальзывания барабана;

ДСкЛ   –  датчик скорости ленты;

МА      –  модуль аккустический;

ДА       –  датчик акустический;

МЗС     –  модуль защиты и сигнализации;

ДЗШ     –  датчик заштыбовки;

ЛСМЛ  –  линия связи модулей линейных;

МЛ       –  модуль линейный;

КСЛ     –  датчик схода ленты;

КТВ     –  кабель-троссовый выключатель;

Принцип работы этой системы управления конвейерной линией следующий: Сигнал на запуск конвейерной линии подается диспетчером с пульта управления (с компьютера верхнего уровня). Этот сигнал последовательно через оба адаптера передается в линию связи, где он одновременно воспринимается блоками управления всех конвейеров, но исполняется эта команда только конвейером у разгрузочного пункта, потому то в команде указан адрес этого конвейера. По этой команде блок управления этого конвейера запускает модуль акустический, который выдает звуковой предупредительный сигнал в течении заданного времени. По истечению этого времени через пускатель КМ запускается привод конвейера. При этом датчиком ДСкЛ контролируется  скорость рабочего органа конвейера. Как только эта скорость достигнет номинального значения, БУК по линии связи передает команду на верхний уровень о завершении запуска первого конвейера.

После этого компьютер верхнего уровня программно передает в линию связи очередную команду на запуск следующего конвейера, которая воспринимается уже только вторым конвейером и исполняется им аналогично. Таким образом, последовательно запускаются все конвейеры а линии.  

Аварийное отключение конвейера производится его блоком управления при срабатывании одного датчиков защиты, таких как КТВ, КСЛ, ДЗШ, ДСхЛ или ДПБ. При этом БУК этого конвейера по линии взаимоблокировки передает команду на одновременный останов конвейеров, транспортирующих груз на этот остановившийся конвейер.

Оперативный останов конвейерной линии производится по команде с компьютера верхнего уровня, при этом первым воспринимает эту команду конвейер у загрузочного пункта, который после своей остановки передает по линии взаимоблокировки команду «стоп» следующему конвейеру, который, остановившись, выполняет аналогичную команду для своего последующего конвейера и т.д. Таким образом, производится последовательный останов всей конвейерной линии.

10.5.  Структура алгоритма автоматического управления конвейерной линией в цифровом варианте

 

1.  АВТОМАТИЗАЦИЯ ПОДЗЕМНОГО  РЕЛЬСОВОГО ТАНСПОРТА

Транспортировка грузов по подземным шахтным выработкам может выполняться не только конвейерами, но и рельсовым транспортом с электровозной тягой. При этом системы автоматизации должны выполнять следующие задачи.

1.  Обеспечивать автоматический пуск и разгон рудничного поезда без пробуксовки ведущих колес локомотива (электровоза).
2.  Обеспечивать автоматическое регулирование скорости движения рудничного поезда в соответствии с профилем рельсового пути.
3.  Обеспечивать автоматическое торможение рудничного поезда при подаче команды «стоп» при минимальной величине тормозного пути.
4.  Обеспечивать безопасное движение рудничного поезда на опасных участках подземных рельсовых трассах.

Опасными участками подземных рельсовых трасс считаются такие их участки, на которых происходит встречное движение составов по одной колее. Опасные участки оборудуются светофорами и аппаратурой автоматической блокировки и сигнализации.  Схема расположения датчиков и аппаратуры световой сигнализации на опасном участке подземной рельсовой трассы показана на рис. 62.

Рис.62. Схема расположения датчиков и аппаратуры автоматической блокировки и сигнализации..

В эту схему введены следующие обозначения:

ДП  – датчик положения;

ДЗ   – датчик запроса;

ДО  – датчик отбоя.

Опасный участок подземной рельсовой трассы, по которому наблюдается  встречное движение шахтных поездов по одноколейному пути, оборудуется с обеих сторон стрелочными переводами, на каждом из которых устанавливается датчик положения ДП. Этот датчик фиксирует вход на стрелку опасного участка передней пары ходовых колес электровоза. За 15 метров от этих датчиков устанавливаются входные светофоры, которые одновременно загораются красным светом при срабатывании датчика положения ДП. Датчик запроса маршрута ДЗ устанавливается за 40 метров от входного светофора. При срабатывании этого датчика на свободном опасном участке подземной трассы переводятся все стрелки на выбранном маршруте. Датчик отбоя ДО устанавливается за выходной стрелкой выбранного маршрута на расстоянии длины рудничного поезда. Этот датчик срабатывает тогда, когда последняя вагонетка состава выйдет за пределы опасного участка. В этот момент ходовые колеса электровоза войдут в зону чувствительности этого датчика, и он сработает.

     Все перечисленные датчики входят в состав аппаратуры автоматизации и световой сигнализации стрелочных переводов. Эта аппаратура должна удовлетворять определенным требованиям.

11.1. Требования к системам автоматической блокировки и световой сигнализации  рельсового  транспорта

Системы автоматической блокировки и световой сигнализации  рельсового  транспорта должны обеспечивать:

1.  Автоматическое переключение зеленого сигнала светофора на красный при срабатывании  датчика положения.
2.  Автоматический перевод всех стрелок на выбранном маршруте при срабатывании датчика запроса, если выбранный маршрут свободен.
3.  Автоматическое переключение нормально горящего красного сигнала светофора на мигающий красный при срабатывании датчика запроса.
4.  Автоматическое включение мигающего зеленого сигнала светофора, если не все стрелки переведены на выбранном маршруте.
5.  Автоматическое переключение красного сигнала светофора на зеленый при срабатывании  датчика отбоя.

Все перечисленные требования реализуются в аппаратуре типа  «АБСС-1» или  «Нерпа».

11.2. Устройство и принцип работы аппаратуры АБСС-1

Аппаратура АБСС-1 автоматически управляет огнями светофоров и приводами стрелочных переводов. Структура этой аппаратуры показана на рис. 63. Эта аппаратура состоит из двух полукомплектов: передающего, который устанавливается на электровозе и приемного, который устанавливается на стрелочном переводе.   Передающий полукомплект устанавливается на электровозе и через приемопередатчик включает датчики запроса ДЗ. Эти же датчики могут быть включены вручную  непосредственно с места их расположения в приемном полукомплекте.

Приемный полукомплект состоит из устройства управления УУ, к которому непосредственно подключаются все группы датчиков. Этот блок управляет стрелками и огнями светофора в соответствии с выше изложенными требованиями через исполнительные механизмы ИМ. Выходные сигналы управления непосредственно воздействуют на исполнительные устройства ИМ, которые включают или выключают приводы стрелок и соответствующие огни светофоров.

      

        Рис.63.  Структурная схема аппаратуры АБСС-1.

11.3. Устройство и принцип работы аппаратуры «НЕРПА»

Аппаратура «НЕРПА» также как и аппаратура АБСС-1 автоматически управляет огнями светофоров и приводами стрелочных переводов. Кроме того, эта аппаратура предназначена для определения номера и направления движения электровоза по опасному участку.  Структура этой аппаратуры показана на рис.64.

Аппаратура «НЕРПА» состоит из двух полукомплектов: передающего и приемного. Передающий полукомплект (рис. 64а) устанавливается на электровозе.  В состав передающего полукомплекта входят генераторы стабильной частоты, часть из которых (1,2,3,4,5) предназначена для кодирования номера электровоза. Всего предусмотрено 25 комбинаций для кодирования таких номеров. Остальные генераторы фиксированной частоты (6,7,8,9) предназначены для управления стрелками и огнями светофоров. Для кодирования конкретного номера электровоза включается постоянно конкретная комбинация из пяти генераторов, а для выбора определенного маршрута включается один из генераторов остального  набора. Фиксированные частоты включенных генераторов этого типа подаются в смеситель. Смешанная частота затем подается на усилитель низкой частоты, и направляются в модулятор, где на смешенный спектр накладываются колебания высокой несущей частоты, возбуждаемых специальным  генератором ВЧ. Этот процесс называется модуляцией колебаний. Модулированные колебания вновь усиливаются и направляются в антенну А, расположенную на электровозе,  которая формирует волновой электромагнитный сигнал. Этот сигнал воспринимается антеннами приемного полукомплекта.

Приемный  полукомплект (рис. 64б) имеет две рамочные антенны А1 и А2, которые устанавливаются таким образом, чтобы сигнал с передающей антенны А электровоза  последовательно достигал каждую из них при его движении.

   Рис.64.  Структурная схема аппаратуры «НЕРПА».

Сигнал с первой приемной антенны усиливается и направляется в демодулятор, который выделяет из его спектра только низкочастотные колебания. Эти колебания усиливаются по низкой частоте и направляются в полосовые фильтры (фильтр1, фильтр2, фильтр3, и т.д.). Так как низкочастотный сигнал представляет собой смесь колебаний различной частоты, то полосовые фильтры выделяют из этой смеси только колебания той частоты, на которую они настроены. Полосовые фильтры настраиваются на частоты генераторов 1-9 передающего полукомплекта. При наличии в смешенном спектре соответствующих гармоник колебаний этих генераторов фильтры активизируют соответствующие триггеры Т1-Т9, которые в свою очередь через логические ключи И при наличии управляющего импульса  включают необходимые управляющие реле К1-К9.

       Сигналы с первой и второй приемной антенны одновременно подаются через усилители ВЧ1 и ВЧ2 на блок логики, который формирует сигналы управления логическими ключами И и сигналами обнуления триггеров. Кроме того, блок логики формирует сигнал Y, определяющий направление движения электровоза по опасному участку трассы.

Принцип формирования этого сигнала показан на схеме рис.64в. Параметры Х1 и Х2 это сигналы поступающие  на блок логики через усилители  с приемных антенн А1 и А2. Так как эти сигналы не одновременно поступают на приемные антенны, то при одном направлении движения электровоза вначале сигнал поступает на антенну А1, при этом параметр Х1 становится единичным, а параметр Х2 остается нулевым. Однако на вход логического ключа И этот параметр подается в инвертированном виде поэтому в этом случае на выходе блока логики параметр Y будет единичным. При обратном движении электровоза этот параметр равен нулю. Таким образом, по величине параметра Y система различает направление движения электровоза.

1.   АВТОМАТИЗАЦИ ШАХТНОГО ПОДЪЕМА

Транспортировка полезного ископаемого из забоя по подземным шахтным выработкам к рудничному стволу  выполняться конвейерным и рельсовым транспортом до подземного шахтного бункера. После чего на «дневную» поверхность оно доставляется шахтным подъемом.

Шахтные подъемные установки бывают двух типов:

•  Клетьевые ;
•  Скиповые.

       Клетьевые подъемные установки применяются для спуска-подъема людей и грузов, в то время как скиповые подъемные установки используются только для подъема  полезного ископаемого на «дневную» поверхность.  Команду для пуска клетьевой подъемной установки дает машинист этой установки, после чего процесс подъема клети производится в автоматическом режиме.  Автоматика останавливает клеть на выбранном «горизонте».

Скиповые подъемные установки работают только в автоматическом режиме, хотя присутствие машиниста в этом случае не исключается.  Машинист скиповой подъемной установки вступает в процесс управления в аварийной ситуации. В этом случае он режиме ручного управления выводит эту установку из аварийной ситуации.

Основные технологические элементы шахтной, скиповой подъемной установки показаны на рис.65.

Рис.65.  Схема установки датчиков в шахтной скиповой подъемной установке.

На этом рисунке представлены следующие элементы этой скиповой  установки:

I      –   двигатель подъема;

II     –   редуктор;

III    –   барабан;

IV   –   копровые блоки;

V    –   подземный бункер для полезного  ископаемого;   

VI    –   весовой дозатор подземного бункера;

VII   –   разгрузочные кривые;

VIII  –  процесс разгрузки скипа;

IХ    –   поверхностный бункер для полезного  ископаемого.  

Транспортировка  полезного ископаемого в этой установке производится в подъемном сосуде VIII, который называют скипом. Скип подвешен на подъемном канате, который наматывается на барабан III. Вращение барабана осуществляется от подъемного двигателя I через редуктор II. Подъемный канат от барабана к скипу проходит через отклоняющие (копровые) блоки IV. Полезное ископаемое из подземного бункера V автоматически загружается в скип через дозатор VI. На дневной поверхности разгрузка скипа в поверхностный бункер IХ производится автоматически  через донный люк скипа, при том донная часть скипа перемещается к поверхностному бункеру разгрузочными кривыми VII.

Для обеспечения автоматического режима работы шахтной скиповой подъемной установки она оснащается следующими основными видами датчиков:

1   –  тахогенератор двигателя подъема;

2   –  тахогенератор барабана;

3   –  датчик предельного износа колодок тормоза;

4   –  датчик контроля напуска каната;

5   –  датчик контроля пере подъема скипа;

6   –  датчик входа скипа в разгрузочные кривые;

7   –  датчик уровня полезного ископаемого в поземном бункере;

8   –  датчик уровня полезного ископаемого в поверхностном бункере;

9   –  датчик весовой загрузки дозатора;

10 –  датчик положения скипа при загрузке.

1.  Требования к системам автоматизации шахтного подъема.

Трбования к системам автоматизации шахтных подъемных установок делятся на три группы:

•  Обеспечение точного расчетного движения подъемных сосудов в соответствии с тахограммой  их движения в шахтном стволе.
•  Защита подъемной машины включением предохранительного торможения.
•  Блокировка пуска подъемной машины.

В рамках  обеспечения точного расчетного движения подъемного сосуда в шахтном стволе должны выполнятся следующие требования:

1.  Скорость подхода клети к приемной площадке и скорость выхода скипа из разгрузочных кривых не должна превышать 1 м/сек.
2.  Скорость перемещения груженого скипа в разгрузочных кривых не должна превышать 0,6 м/сек.

Защита подъемной машины включением предохранительного торможения должна выполнятся следующих случая:

1.  При пере подъеме сосуда на 0,5 м. выше уровня приемной площадки.
2.  При превышении на 15%. номинальной скорости подъема.
3.  При подходе сосуда к приемной площадке со скоростью выше чем 1,5м/сек    при спуске-поъеме груза  и  более 1 м/сек при спуске-подъеме людей.
4.  При провисании или напуске струны каната.
5.  При зависании сосуда в любом месте ствола.
6.  При недопустимом износе тормозных колодок.
7.  При снижении давления в цилиндрах предохранительного тормоза и сети питания тормозной системы.
8.  При исчезновении напряжения в цепях управления.
9.  При повреждении электронных ограничителей скорости.

Системы автоматизации шахтных  подъемных установок должны обеспечивать блокировку запрещающую:

1.  Включение подъемной машины после пере подъема или зависания сосуда в сторону увеличения пере подъема или напуска каната.
2.  Снятие предохранительного тормоза, если рукоятка рабочего тормоза не поставлена в положение «заторможено», а  рукоятка управления приводом подъемной машины не поставлена в нулевое положение.
3.  Работу подъема при открытом положении предохранительных решеток на приемных площадках.

1.  Принцип автоматического задания и контроля основных параметров работы шахтного подъема.

Для задания и контроля  точного расчетного движения подъемного сосуда в шахтном стволе    применяется аппаратура АЗК-1, структурная схема которой показана на рис.66.

  Рис 66. Схема аппарата задания и контроля (АЗК-1).

Аппарат состоит из системы редукторов, которые имеют общий привод от вала барабана. Функциональные возможности системы автоматического задания и контроля основных параметров шахтного построены в зависимости от длины каната, именно поэтому аппарат АЗК-1 кинематически связан с барабаном.

Программно скорость движения подъемного сосуда задается профильными  (ретрадирующими) дисками, которые приводятся во вращение отдельными редукторами. Программа движения подъемного сосуда сразу записана на два таких диска, Но при считывании они вращаются в разные стороны («Вперед» и «Назад»). Это объясняется тем, что при реверсе барабана реверсируется и вращение  программного диска, при этом программа, записанная только на одном диске, будет считываться в обратном порядке. Для того чтобы этого не произошло, эта программа реверсивно записывается на два диска, с каждого из которых она считывается при определенном вращении барабана.

Кроме того, парные диски сдвоены.  На одной из пар этих дисков задается скоростная программа рабочего режима, а на другой паре записан скоростной режим «ревизии ствола», которому ежесуточно подвергается  шахтная подъемная установка и все сопутствующие оборудование. Включение пары этих дисков происходит с помощью электромагнитной муфты ЭМ1 или ЭМ2.

Настройка системы по длине каната (по пути перемещения подъемного сосуда)  происходит от двигателя коррекции ДК через дифференциальный редуктор ДР. Эта настройка необходима после очередного ежегодной подстройки длины подъемного каната, которая происходит после обрубки его мерного куска для проверки прочности на разрыв. После этой обрубки длину каната восстанавливают за счет смотки с барабана запасных витков. Все это требует маневровых операций, которые выполняются двигателями коррекции.   Включение этих двигателей  производится через электромагнитные муфты ЭМ3 и ЭМ4.

Для повышения надежности контролирующие функции этого аппарата выполнены в дублированном варианте. Аппаратура, реализующая эти функции, кинематически через  дифференциальный ДР и раздаточный редуктор связана с подъемным бараном.  Раздаточный редуктор одновременно приводит в действие тахогенератор ТГр, два сельсина датчика СДу и СДо, а также этажный выключатель ЭВ.    

Тахогенератор ТГр совместно с тахогенератором подъемного двигателя ТГд  подключены на вход реле РКВ1, контролирующего  целостность кинематической цепи подъемной установки и аппарата АЗК1. В случае потери этой целостности (поломка шестерни, муфты  или вала редуктора подъемной машины) реле РКВ1 будет получать разные сигналы с тахогенераторов ТГр и ТГд. В результате этого оно разомкнется и своими нормально закрытыми контактами включит привод аварийного тормоза.

Сельсин датчик Сду приводит в действие указатель положения подъемного сосуда УПС (клети или скипа). Этот указатель непрерывно показывает машинисту подъемной машины положение подъемного сосуда в стволе шахты, в то время как другой указатель ЭВ показывает положение клети только на конкретном горизонте «этаже» шахты.

Сельсин датчик Сдо приводит в действие программные (ретродирующие) диски аппарата задания скорости в устройстве ЭОС2.

1.  Принцип автоматического включения предохранительного и рабочего торможения при защите подъемной машины

  

Автоматическое включение предохранительного торможения должно происходить в случаях, описанных выше приведенными требованиями. В частности это должно произойти, если скорость движения подъемного сосуда будет отличаться в обе стороны на 15% от заданного значения. Для контроля такой ситуации В аппарате АЗК-1 используют электронный ограничитель скорости ЭОС2 .   Электрическая схема этого устройства показана на рис.67.

  

              Рис. 67.  Схема электронного ограничителя скорости   ЭОС2.

Принципиально электронный ограничитель скорости состоит из двух датчиков скорости (тахогенераторов ТГ1 и ТГ2), двух задатчиков скорости (потенцитметров, движки которых перемещаются профильными дисками). Скорость вращения этих дисков задается сельсинами датчиками Сдо аппарата АЗК1. В состав ЭОС2 входят катушки двух реле Р1 и Р2. Каждое из этих реле запитаны от двух источников: соответствующего тахогенератора  задающего потенциометра. Причем эти источники напряжения включены встречно, поэтому пока фактическая скорость движения подъемного сосуда не отклоняется от заданной величины более чем на 15% реле Р1 и Р2 находятся в отключенном состоянии. Если же это условие нарушается, то одно из реле срабатывают и своими контактами разрывает цепь питания двигателя подъема, после чего двигатель отключается и одновременно включается предохранительный  тормоз.

     Тот же эффект наступает в случае разрыва хотя бы одной из цепей питания катушек реле Р1 или Р2, которые предназначены ля контроля  целостности цепей питания ограничителя скорости. В этом случае обесточится хотя бы одна из катушек двухкатушечного реле Р3, его контакты так же разомкнут цепь питания двигателя подъема и замкнут цепь питания предохранительного  тормоза.

Тормозная система  играет значительную роль в технологическом процессе работы шахтного подъема. Потому системы автоматизации этого подъема должны учитывать особенности работы этого устройства.  Основной особенностью этого устройства является то, что тормозная система шахтной подъемной машины работает в двух режимах: рабочем и аварийном.

Структурная схема привязки тормозной системы шахтной подъемной машины к системе автоматизации показана на рис. 68.

Барабан тормоза 1 подъемной машины ТПМ одновременно связан с барабаном этой машины и тахогенератором ТГ, замеряющим скорость подъема. Тормозной момент на барабане 1 создается за счет прижатия тормозных колодок 2 усилием груза 4, воздействующего на эти колодки через рычажную систему 3.

     Рис. 68.  Схема тормозной системы шахтной подъемной машины

Величина этого усилия может регулироваться встречным усилием гидроцилиндров ЦРТ и  ЦАТ.  Величина усилия этих гидроцилиндров зависит от величины давления рабочей жидкости, подаваемого через гидроусилитель 6.

Принцип автоматического поддержания рабочего тормозного момента следующий. Последовательность  изменения тормозного момента по пути перемещения подъемно сосуда программно записана на ретродирующем диске  РД. Этот диск, кинематически через АЗК-1 связанный с барабаном подъемной машины, перемещает движок потенциометра задатчика тормозного усилия ЗУ.

Выпрямительный мост этой системы выполнят роль элемента сравнения, сравнивая заданное значение тормозного усилия с фактической скоростью движения сосуда. В случае рассогласования этих параметров на выходе этого моста появляется сигнал, который подается на катушку КРТ рабочего тормоза. Это катушка создает магнитны поток,  с помощью которого якорь электромагнита изменяет зазор клапана 5 регулятора РД давления рабочей жидкости. Величина этого сигнала корректируется потенциометром обратной связи ПОС, учитывающего степень износа тормозных колодок 2.

Регулятор давления рабочей жидкости состоит из рабочего цилиндра 6, в котором помещен золотник 7. Этот золотник пружиной 8 прижимается к верхнему торцу рабочего цилиндра регулятора. В этом положении кольцевая проточка золотника совмещает рабочие каналы  цилиндров ЦРТ и  ЦАТ с  линией слива рабочей жидкости. Поэтому в этом положении  золотника давление в этих цилиндрах отсутствует, в результате чего на тормозные колодки воздействует максимальная величина усилия Q. Такой режим соответствует аварийному режиму тормозной системы.

В случае максимального зазора клапана 5 в регуляторе РД золотник 7 перемещается в нижнее положение, сжимая пружину 8. При этом рабочие каналы  цилиндров ЦРТ и  ЦАТ совмещаются с линией подачи рабочего давления, в результате чего воздействие усилия Q на тормозные колодки снимается, и система полностью растормаживается.

Регулятора давления  РД  программно может быть переведен    в режим регулирования тормозного усилия, при котором за счет изменения зазора   клапана 5 меняется величина разгрузки  усилия Q, а следовательно меняется величина тормозного момента.

При подходе груженого скипа к разгрузочным кривым возникает необходимость в регулировании скорости этого подхода. Эта скорость может регулироваться как за счет свободного выбега грузоподъемной системы, так и за счет включения  режима рабочего  торможения.  Сигнал для начала регулирования этой скорости формируется датчиком входа скипа в разгрузочные кривые. Этот датчик дискретного типа представляет собой нормально замкнутый контакт, который размыкается при его срабатывании. Структурная схема устройства автоматического включения регулятора скорости входа скипа в разгрузочные кривые показана на рис.69.

Рис. 69.   Схема устройства автоматического включения регулятора скорости

               входа скипа в разгрузочные кривые.

Это устройство предназначено для автоматической выдержки времени выключения привода подъемной машины поле срабатывания датчика входа скипа в разгрузочные кривые.  Дело в том, то при различной загрузке скипа (реально она не постоянна) замедление скипа при  свободном выбеге зависит от степени его загрузки. Чем больше эта загрузка тем меньше времени необходимо для его свободного выбега при подходе к разгрузочным кривым.

Устройство работает следующим образом. На блок пропорциональности нагрузки БПН подаются сигналы с трансформаторов тока ТТ1 и ТТ2 о токовой загрузке двигателя подъемной машины. Величина этого тока пропорциональна загрузке скипа. С выхода блока  БПН сигнал подается на вход блока выдержки времени БВВ, с помощью которого формируется временная задержка выключения  двигателя подъемной машины. На входе этого блока сигнал усиливается  магнитным усилителем МУ и через нормально замкнутый контакт К1 датчика входа скипа в разгрузочные кривые  подается на катушку К2, параллельно которой подключен конденсатор С. Степень зарядки этого конденсатора зависит от величины сигнала, формируемого на блоке БПН, а это значит от степени загрузки скипа. Поэтому, когда сработает датчик входа скипа в разгрузочные кривые  контакт К1 разомкнется, но  катушка К2 при этом будет питаться напряжением зарядки конденсатора С до тех пор пока конденсатор полностью не разрядится. Таким образом, блок выдержки времени удерживает в замкнутом состоянии  контакт пускового реле К2, который  через блок управления БУ включает пусковой контактор КМ двигателя подъемной машины. Только по истечении времени разрядки конденсатора С контакт пускового реле К2 разомкнет цепь питания контактора КМ, в результате чего двигатель подъемной машины обесточится и скип будет к разгрузочным кривым со скоростью свободного выбега.

Сигнал с блока пропорциональности нагрузки может быть подан на катушку КРТ регулятора давления РД устройства управления режимом рабочего тормоза. В этом случае степень загрузки скипа атоматчески будет определять величину тормозного момента в рабочего тормоза.

 

13.  АВТОМАТИЗАЦИЯ ШАХТНОГО ВОДООТЛИВА

Шахтные водоотливные установки предназначены для откачки на дневную поверхность воды, которая просачивается в шахтные выработки из вышележащих, естественных водонесущих породных пластов.   Подземные шахтные выработки проходятся с небольшим уклоном вверх от ствола, с таким расчетом, чтобы шахтные воды по специальным штрековым канавам всегда стекали бы к стволу. В нижней части шахтного ствола помещается водосборник, емкость которого выбирается из расчета максимального суточного водопритока. Шахтные водоотливные установки должны откачать этот водоприток за три часа своей непрерывной работы в ночное время, когда тариф на электроэнергию минимален.

13.1.  Требования к системам автоматизации шахтного водоотлива

Аппаратура автоматизации шахтного водоотлива должна обеспечивать:

1.  Автоматическую контролируемую заливку насосов перед запуском их в работу;
2.  Автоматическое включение в работу очередного насоса при достижении верхнего уровня воды в водосборнике и непрерывную его работу до тех пор, пока уровень воды в водосборнике не снизится до нижней отметки;
3.  Автоматический контроль за работающим насосом и аварийное его отключение, в случае если он не достиг заданной производительности или при  возникновении отказа в его работе (перегрев подшипников, короткое замыкание в приводе и т.д.);
4.  Автоматическое включение в работу резервного насоса при отказе в работе основного насоса или при недостаточной его производительности (когда уровень воды  в водосборнике растет и достигает повышенной  или аварийной отметки);
5.  Подачу звуковой и световой сигнализации на пульт диспетчера и машинное отделение о состоянии работы установки, аварийном уровне воды и отказах в работе насосов;
6.  Дистанционное включение насосной установки с пульта диспетчера и перевод его на ручное управление из машинного зала;
7.  Блокировку от повторного включения отказавшего насоса с пульта диспетчера;
8.  Автоматическое управление работой задвижек на трубопроводах.

13.2. Схема установки датчиков в автоматической системе  шахтного водоотлива.

Для автоматического управления системой  шахтного водоотлива он оборудуется многочисленными датчиками. Структурная схема водоотливной установки и расположения в ней датчиков показана на рис.70.         

    

Рис.70.   Схема установки датчиков в системе  шахтного водоотлива.

Шахтная водоотливная установка структурно состоит из многоступенчатого центробежного насоса I с приводом от электродвигателя V. Насосная установка расположена вблизи водосборника II, в  котором помещено всасывающее устройство III и заливочный насос IV. С помощью этого насоса создается первоначальное давление в напорной магистрали водоотливной установки. Напорный трубопровод соединен с насосом через задвижку VI, оснащенную электроприводом VII.

Для обеспечения автоматического режима работы шахтной водоотливной установки она  оснащается следующими типами датчиков:

1   – датчики температуры подшипников;

2   – датчик температуры обмотки двигателя;

3   – датчик давления воды;

4   – датчик положения задвижки «закрыто»;

5   – датчик положения задвижки «открыто»;

6   – датчик производительности насос;

7   – датчик нижнего уровня воды (ДНУ);

8   – датчик верхнего уровня воды (ДВУ);

9   – датчик повышенного уровня воды (ДПУ);

10 – датчик аварийного уровня воды (ДАУ).

Для автоматизации шахтного водоотлива используется серийная аппаратура аналогового типа. На шахтах чаще всего используется аппаратура следующих типов: ВАВ, УАВ и  АВН-1М. Эти аппаратные средства шахтного водоотлива изготовляются различными производителями, но имеют примерно одинаковое устройство. Принцип работы этой аппаратуры рассмотрим на примере аппаратуры типа УАВ

13.3. Структура и принцип работы

Аппаратура УАВ имеет модульную структуру и служит для автоматического управления насосами шахтной водоотливной установки. В этой установке есть модули основного и резервного насосов., Эта аппаратура может комплектоваться  модулями насосов повышенного и аварийного уровней. Структура аппаратуры  УАВ показана на рис. 71.

Каждый из модулей этой аппаратуры запускается соответствующим датчиком уровня воды в водосборнике. Так датчик верхнего уровня ДВУ включает  модуль основного насоса через пусковое реле верхнего уровня РУВ, которое в свою очередь включает реле повторения уровня РПУ. Таким образом, происходит запуск этого и аналогичных модулей этой аппаратуры.

Реле РПУ включает пускатель заливочного насоса IV и одновременно реле времени РВ. Заливочный насос работает до тех пор, пока давление воды в рабочей полости главного насоса не достигнет заданного уровня, или пока не сработает через заданный промежуток времени реле времени на его отключение.       После срабатывания датчика давления реле главного насоса РГН включает двигатель V этого насоса, после его  некоторое время оба насоса работают одновременно. После выключения через заданный промежуток времени с помощью реле времени заливочного насоса, реле РГН включает привод задвижки VII на ее открытие. Выключение этого привода происходит по сигналу датчика открытия задвижки. После отключения привода задвижки работает только привод главного насоса. Работа насоса в этом режиме происходит до тех пор, пока не сработает датчик нижнего уровня ДНУ воды в водосборнике

Рис.71. Структурная схема аппаратуры УАВ.

При срабатывании этого датчика включается реле РНУ, которое включает привод задвижки на закрытие и  запускает реле времени РВ. После того как сработает датчик «задвижка закрыта» реле времени через заданное время отключает реле РГН и привод главного насоса останавливается.

При работе главного насоса производится контроль температуры подшипников и рабочей обмотки приводного двигателя насоса.  В случае превышения заданного уровня этой температуры срабатывает реле защиты РЗ, которое производит отключение главного насоса в той же последовательности.

      

13.4.  Схема установки датчиков в автоматической системе  шахтного водоотлива.

8.    АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

В НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Автоматизация производственных процессов в нефтяной и газовой промышленности призвана обеспечить рост производительности труда, сокращение оперативного персонала при обслуживании технологического оборудования,  снизить трудоемкость оперативного управления и повысить его информативность.

Средства автоматизации, внедренные на нефтяных и газовых промыслах, позволили резко повысить производительность добычи  и снизить трудоемкость этого процесса.

Современные нефтяные и газодобывающие предприятия представляют собой сложные комплексы технологических объектов, рассредоточенных на больших площадях и в мало пригодных для проживания регионах страны. Отличительные особенности этих промыслов:

1.  непрерывность и однотипность технологического цикла;
2.  связь всех  технологических  объектов  месторождения  через   единый

нефтяной пласт;

1.  недостаток   информации  о   процессах,   происходящих   в   нефтяных

пластах;

1.  большая инерционность происходящих в нефтяном пласте процессов;
2.  непостоянство пластового притока  нефти или газа на месторождение;
3.  уникальность условий залегания и состава полезного  ископаемого  на

каждом месторождении.

Для добычи нефти и газа  последовательно применяют следующие технологические процессы :

1.  бурение скважин для вскрытия продуктивного пласта;
2.  транспортировку определенным способом нефти  или  газа  до  уровня

земной поверхности (технологический процесс добычи);

1.  первичную обработку (подготовку) добытого сырья;
2.  транспортировку нефти или газа по магистральным  трубопроводам к

потребителям или на переработку.

6.1. Автоматизация процесса бурения нефтяных или газовых скважин

Бурение скважин является трудоемким и капиталоемким, но необходимым процессом, без выполнения которого невозможна разведка и вскрытие нефтяных и газовых месторождений. Эффективность процесса  бурения скважин во многом зависит от его автоматизации, успешное внедрение которой определяется  использованием современных средств автоматики.

Основная трудность автоматизации бурения нефтяных или газовых скважин заключается в том, что информация о происходящих забойных процессах пока может быть получена только косвенным образом с помощью поверхностной аппаратуры, измеряющей реакцию узлов буровой установки на результат протекания этих процессов. Точность замера результата забойных процессов с помощью поверхностной аппаратуры не всегда достаточна для эффективного управления процессом бурения в автоматическом режиме.

Повысить точность этой аппаратуры можно путем использования сложных алгоритмов, учитывающих одновременно несколько косвенных параметров проявления забойного процесса. Однако это возможно при условии применения в управлении процессом бурения современных вычислительных устройств, в том числе и микропроцессорной техники.

Проходка нефтяных или газовых скважин может выполняться одним из двух возможных способов: роторным или турбинным.

Роторное бурение скважин (рис. 76) применяется на начальном этапе их сооружения, когда они бурятся по относительно слабым и геологически сложным породным горизонтам. При этом способе бурения вращение буровому долоту передается от  механизма вращения буровой установки  вращением буровой колонны.

Рис. 76. Технологическая схема роторного бурения скважин

Осевое усилие на долото создается частью веса буровой колонны, которая подвешивается с помощью вертлюга и канатной полиспастной системы на буровой вышке. Величина этого усилия регулируется тормозным моментом на барабане буровой лебедки. На этот барабан наматывается канат полиспастной системы подвески буровой колонны. Для удаления продуктов бурения из забойной части скважины во внутреннюю полость буровой колонны подается буровой раствор, плотность которого достаточна для выноса на земную поверхность продуктов разрушения забоя. Этот раствор подается под давлением, которое создается буровым насосом. После выноса на устье скважины продуктов бурения буровой раствор  очищается от них, дополнительно обрабатывается и вновь закачивается в скважину.    Для того чтобы при бурении стенки скважины не подвергались разрушению, они закрепляются специальными  трубами, которые  называют обсадными. Эти трубы на всей длине скважины соединяются в обсадную колонну.

Турбинное  бурение скважин (рис. 77) применяется при больших глубинах бурения.

Рис. 77. Технологическая схема турбинного бурения скважин

Особенностью технологии турбинного бурения  является то, что  буровая колонна в этом случае остается неподвижной, а вращение бурового долота  обеспечивается специальным устройством, которое называется турбобуром.  Турбобур находится в нижней части буровой колонны и с помощью встроенной в его конструкцию системы турбин преобразует давление бурового раствора в момент вращения долота, жестко связанного с этой системой. После выхода из турбобура буровой раствор омывает забой скважины и, как в предыдущем способе бурения, выносит продукты бурения на устье скважины. В остальном эта технология мало отличается от предыдущей.

Разновидностью турбобуров являются электробуры, которые оборудуются  асинхронными электродвигателями специальной конструкции, электроэнергия к которым подается по специальному кабелю, расположенному во внутренней полости труб буровой колонны. Момент от этого двигателя через редуктор передается буровому долоту.  Сложность этой конструкции состоит в том, что буровой раствор на забой скважины должен проходить через электродвигатель и редуктор.

6.1.1. Регулирование  параметров при бурении нефтяных или газовых скважин

Основной задачей системы автоматизации при бурении скважин является автоматическое регулирование независимых параметров, к которым относятся частота вращения долота,  оптимальная осевая нагрузка и необходимый расход бурового раствора. От соотношения этих параметров зависит скорость проходки скважины с учетом механических свойств буримых пород и фактической глубины бурения.

При роторном бурении частоту вращения бурового инструмента можно плавно изменять за счет применения асинхронного двигателя с частотным регулированием скорости вращения его якоря. Аналогично возможно менять величину подачи в скважину бурового раствора. Наиболее сложным является процесс регулирования оптимальной осевой нагрузки  на буровое долото и частоты его вращения при турбинном бурении, так как в этом случае  частота зависит от осевой нагрузки.

При ручном управлении процессом бурения скважины буровой мастер по показаниям приборов  с помощью тормоза буровой лебедки устанавливает расчетную для данной глубины бурения величину тормозного момента. При этом  на долото должна воздействовать такая часть веса буровой колонны, которая не превосходит  предельно допустимого усилия на долото. В процессе самого бурения скважины  происходит перераспределение веса буровой колонны, в результате чего возрастает нагрузка на талевую систему подвески буровой колонны и сокращается ее осевое воздействие на буровое долото.  Если осевое воздействие на долото достигнет нижнего предельного уровня, то эффективность бурения резко снизится, поэтому буровой мастер вынужден аналогичным способом снова устанавливать расчетную нагрузку на это долото.

При автоматическом управлении процессом бурения скважины система управления должна постоянно поддерживать  расчетную нагрузку на долото на всем интервале рейсового бурения. Автоматическая система управления процессом бурения имеет   двухконтурную структуру  (рис. 78).

Одним из контуров управления в этой системе является контур управления нагрузкой на долото. Этот контур имеет приоритет перед другим − контуром регулирования скорости подачи.

Регулирование скорости подачи долота и величины осевой нагрузки осуществляется через тормозную систему буровой лебедки. При этом выходной сигнал элемента сравнения 1 увеличивает тормозной момент этой лебедки, а сигнал элемента сравнения 2 его уменьшает. В случае, если нагрузка на долото не будет превышать заданного значения, контур управления скоростью бурения будет поддерживать эту скорость на установленном уровне, который является максимально возможным для данного рейсового участка скважины. Если же на этом участке бурения скважины нагрузка на долото при установленной скорости бурения окажется выше заданного значения, то контур управления этой нагрузкой уменьшит ее до установленного уровня, несмотря на то, что скорость бурения при этом меньше заданного значения.

Рис. 78.  Структура системы управления нагрузкой на долото при бурении

               скважины

В качестве основных датчиков для системы управления процессом бурения скважины используют: тахогенератор как датчик измерения скорости бурения и индикатор веса типа ГИВ-6 как датчик замера усилия на долоте. Тахогенератор соединен с валом двигателя буровой лебедки, а индикатор ГИВ-6 подвешивается на холостом (мертвом) конце талевого каната.

Датчик ГИВ-6 (рис. 79) состоит из системы трех роликов (блоков), которые огибает талевый канат 1. Блоки 2 жестко крепятся к раме датчика, а блок 3 закреплен на штоке гидроцилиндра 4, поэтому может  свободно перемещаться в осевом направлении.

    

       Рис. 79. Схема индикатора веса буровой колонны (датчик ГИВ-6)

При изгибе каната на  роликах (блоках) этого датчика происходит разложение усилия в канате на несколько составляющих, одна из которых K воздействует на шток поршня гидроцилиндра 4. Причем это усилие строго пропорционально натяжению каната. В результате этого воздействия в гидроцилиндре возникает давление рабочей жидкости, которое регистрируется датчиком давления 5. Таким образом, усилие в канате (вес буровой колонны) регистрируется в этом датчике через показания датчика давления.

Представленная на рис. 78 структура  автоматической системы управления процессом бурения нефтяных и газовых скважин реализована в аналоговых регуляторах, один из вариантов которых показан на рис. 80.

Рис. 80. Принципиальная схема регулятора подачи бурового долота

Датчиком давления в этой системе является электроконтактный манометр (ЭКМ), встроенный в конструкцию индикатора веса ГИВ-6. Задающий контакт этого манометра  устанавливается буровым мастером в положение, соответствующее весу буровой колонны на данном участке бурения скважины с учетом разгрузки на крюке талевой подвески осевым давлением, которое она оказывает  на буровое долото, т.е. он фиксирует заданное значение допустимой нагрузки на долото.

В зависимости от положения контактов этого манометра на базы транзисторов Т1 или Т2 через сопротивление R подается открывающий потенциал.

Заданное значение скорости бурения устанавливается потенциометром – задатчиком скорости, движок которого подключен к  одному из входов поляризованного реле Р1,, другой вход этого реле подсоединен к тахогенератору  (ТГ), связанному с валом буровой лебедки.

Электромагниты  ЭМ1 и ЭМ2 управляют гидроклапанами привода тормоза буровой лебедки, соответственно увеличивают или уменьшают на ней тормозной момент.

Принцип действия этого регулятора следующий.  Если нагрузка на долото не превышает установленного значения, то электроконтактный манометр устанавливает свои контакты в положение 1. Если при этом сигнал тахогенератора будет меньше значения задающего сигнала (скорость бурения меньше заданной), то поляризованное реле Р1 переключит свои контакты тоже в положение 1, в результате чего открывающий потенциал поступит на базу транзистора Т1. При открывании этого транзистора запитывается катушка реле Р2 , контакты которого включают электромагнит ЭМ1, в результате чего лебедка растормаживается, увеличивая осевую нагрузку на долото и соответственно увеличивая скорость бурения. Этот процесс продолжается, пока скорость бурения меньше заданного значения или нагрузка на долото  не превышает предельного значения.

В случае перегрузки по осевому усилию на  долото электроконтактный манометр устанавливает свои контакты в положение 2, в результате этого открывающий потенциал поступит на базу транзистора Т2.  При этом запитывается катушка реле Р3 , контакты которого включают электромагнит ЭМ2, в результате этого  лебедка затормаживается, сокращая нагрузку на долото. То же самое происходит в случае превышения заданной скорости бурения при допустимой нагрузке на долото. Сигнал тахогенератора будет больше значения задающего сигнала, поэтому поляризованное реле Р1 переключит свои контакты в положение 2. При этом открывающий потенциал снова поступит на базу транзистора Т2, что вызовет торможение лебедки и уменьшение скорости бурения.

Аналоговые регуляторы, подобно описанному, выполняют лишь функцию регулирования скорости бурения в соответствии с нагрузкой на долото. Попытки расширить функциональные возможности аналоговых регуляторов оказались малоэффективными.  Успешное решение этой проблемы стало возможным только на основе применения микропроцессорных устройств.

6.1.2. Микропроцессорная система управления процессом бурения нефтяных или газовых скважин

Использование микропроцессорных систем для управления процессом бурения позволило не только успешно решить проблему эффективного регулирования технологического процесса бурения скважин, но и обеспечить своевременную передачу и оперативную обработку информации о параметрах этого технологического процесса. Структура такой системы в упрощенном варианте показана на рис. 81.

Система автоматизированного управления бурением нефтяных и газовых скважин имеет многоуровневую структуру. На верхнем информационном уровне этой системы расположен компьютер оператора, связанный через информационную сеть с функциональными элементами нижележащих уровней.      Основное назначение элементов этого уровня системы − сбор и обработка информации о результатах бурения, а также сбор и архивирование информации об аварийных ситуациях, возникающих в процессе бурения скважин, управление скоростью бурения и величиной допустимой нагрузки на долото. Компьютер этого уровня связан со структурными элементами нижних уровней системы через последовательный порт по физическому протоколу RS-485.

      Рис. 81. Структура микропроцессорной системы автоматизированного

                    управления бурением нефтяных и газовых скважин

На уровне управления (нижний уровень) в этой системе расположен ПЛК локального типа, связанный по системной шине ISA с портами и модулями расширения. По этой шине процессор CPU контроллера передает портам и модулям расширения команды или получает от них цифровые сигналы для их дальнейшей обработки.

На самом нижнем (полевом) уровне расположены датчики и исполнительные устройства, подключенные к соответствующим портам самого контроллера или к портам модулей расширения.

На технологической схеме (см. рис. 77) буровой установки показан лишь минимальный набор датчиков и исполнительных устройств.   К ним относятся датчики: 1 − оборотов ротора, 2 − оборотов вала лебедки, 3 − числа ходов плунжера насоса, 4 − веса колонны ГИВ-6, 5 − усилия тормоза лебедки, 6 − скорости подачи долота, 7 − давления бурового насоса. В состав исполнительных устройств входят: 8 − частотный регулятор привода ротора, 9 − частотный регулятор двигателя бурового насоса, 10 − двигатель буровой лебедки.  Эти устройства подключены к соответствующим модулям управляющего контроллера.

Процесс управления бурением выполняется SCADA-программой, которая хранится в памяти ПЛК. С помощью программного пакета контроллером  на основе  сигналов датчиков регулируются: частота вращения ротора, количество  подаваемого в скважину бурового раствора, необходимое давление  бурового раствора.

На верхний уровень этот контроллер пересылает данные о фактическом состоянии элементов системы и об  уровне параметров технологического процесса бурения. Переданные на верхний уровень данные обобщаются в головном компьютере и архивируются  сервером этого уровня. Из этих данных особо выделяются сведения об аварийных ситуациях, которые также архивируются для последующего их анализа.

6.2. Автоматизация процесса добычи и первичной подготовки нефти

После вскрытия бурением скважин нефтеносных горизонтов и их обустройства оборудованием, необходимым для добычи нефти, начинается сам процесс добычи этой нефти.

Добыча нефти может осуществляться тремя способами: фонтанным, насосным и газлифтным. Независимо от способа добычи на устье скважины всегда устанавливают запорную аппаратуру и средства контроля давления как в рабочей колонне, так  и в выкидной линии, а при необходимости и в затрубном пространстве. Однако  при любом способе добычи нефти оборудование, установленное в скважине, должно работать в автоматическом режиме  без постоянного присутствия оперативного персонала.

Фонтанный способ добычи нефти применяется на начальной стадии разработки месторождения, когда уровень пластового давления достаточен для свободного выноса нефтегазовой смеси на устье скважины. При автоматизации этого способа добычи нефти кроме датчиков давления, установленных в рабочей колонне и  на выкидной линии, предусматривается установка отсекателя, автоматически перекрывающего выкидной трубопровод при возникновении в нем давления выше установленного значения или в случае его порыва.

Насосный  способ добычи нефти применяется тогда, когда пластовое давление снижается до уровня, недостаточного для свободного выноса нефти по рабочей колонне на устье скважины.  В этом случае для откачки нефти  применяют электропогружные и штанговые насосы.

При электропогружном способе добычи нефти насос со специальным электродвигателем, расположенный в скважине на уровне нефтеносного пласта, выносит нефть на устье скважины за счет создаваемого им дополнительного подпорного давления.

При выносе нефти на устье скважины дополнительное подпорное давление в рабочей колонне может создаваться штанговым насосом поршневого типа, возвратно-поступательное движение поршня которого осуществляется через систему штанг с помощью специальной установки (станка-качалки), установленной на  дневной поверхности.  При насосном способе добычи нефти устье скважины оборудуется так же, как и при фонтанном способе добычи.

При газлифтном способе добычи нефти дополнительное давление на жидкую фракцию нефтяного пласта может создаваться  попутным газом или воздухом, нагнетаемым под определенным давлением в затрубное пространство скважины. За счет этого  давления нефть достигает устья скважины.

Добыча и первичная подготовка нефти производится по следующей технологии (рис. 82).

Нефтяные скважины с различными способами добычи (1 − газлифтным, 2 − насосным, 3 − фонтанным) подсоединены к общему коллектору 4, из которого одна из скважин подключается к измерительному сепаратору (ИС).

После замера дебита в конкретной скважине нефть снова возвращается в общий коллектор. Для повышения эффективности последующего процесса первичной подготовки нефти ее нагревают (особенно в зимний период) в печи 5, а затем направляют в сепараторы 7 и 8. На этих установках происходит первичное отделение от исходной смеси газовой фракции, после чего газ поступает в газовую линию, а дожимная насосная станция 9 повышает давление  в линии жидкой фракции, связанной с концевым сепаратором 10. В концевом сепараторе происходит дальнейшее  отделение попутного газа в газовую линию.

После этого технологического процесса жидкая фракция направляется в установку  предварительного сброса воды 11, там происходит ее разделение на воду и нефть с частичным  выделением остатков газовой фракции. Из этой установки вода направляется в  установку  очистки  воды 18, а нефтяная фракция

в установке 12 подвергается дальнейшему обезвоживанию и обессоливанию за счет обработки химическими реагентами.   Эта установка  связана с газовой линией, куда поступает  отделившийся газ, а также имеет связь с линией отвода воды, которая направляется на очистку в установку 18.  По нефтяной линии эта установка связана с установкой 13, где происходит  извлечение легких углеводородных фракций, препятствующих нормальной транспортировке товарной нефти по трубопроводам.

Учет количества и качественного состава товарной нефти происходит в установке 14. При соответствии качества товарной нефти установленным требованиям она направляется по трубопроводу  на нефтеперерабатывающий завод.

     

     Рис. 82.Технология добычи и первичной подготовки нефти

Газовая линия этого технологического цикла связана с компрессорными станциями 15 и 16, одна из которых (16)  через распределительный пункт 6 нагнетает газ в скважины 1 с газлифтным способом добычи. Другая компрессорная станция  по трубопроводу 17 транспортирует газ на газоперерабатывающую установку.

Линия сброса воды после очистки на установке 18 направляет воду в водосборники (отстойники) 19 и 20, откуда кустовая насосная станция 21 закачивает ее в нагнетательные скважины 22, расположенные на периферии нефтеносного пласта.

6.2.1. Автоматизация группового замера дебита скважин

Автоматизированный замер дебита куста нефтяных скважин  осуществляется на групповой измерительной установке  «Спутник» (рис. 83), которая имеет несколько модификаций.

К кусту нефтедобывающих скважин эта установка подключается через систему трубопроводов 1, соединенных с  переключателем скважин многоходовым (ПСМ). Этот переключатель через переключающее устройство 3 подключает одну из скважин к измерительному сепаратору 5, а остальные скважины куста через сливную полость 2 соединяются с общим коллектором 12. Управляемые задвижки 4 регулируют потоки в измерительной и сливной магистралях.  Отсекатели 11 и 13  (обратные клапаны) предназначены для аварийного перекрытия коллектора и измерительной магистрали при аварийной ситуации, прежде чем сработают управляемые задвижки 4.

Измерительный сепаратор состоит из герметичной емкости 5, в которую через верхний патрубок 6 поступает газонефтеводяная смесь. В верхней части емкости расположен газовый патрубок 7, связанный с газовым клапаном 9, который управляется положением поплавкового регулятора 8. Нижний выходной патрубок емкости 5 соединен с расходомером 10.

При нижнем положении поплавка регулятора 8 клапан 9 открыт, поэтому газовая фракция из поступающей смеси свободно перетекает через него в общий коллектор 12. При этом внутри емкости 5 давление газа поддерживается на минимальном уровне, в результате чего жидкая фракция смеси свободно заполняет ее внутреннюю полость, уровень этой жидкости повышается до верхней отметки.

Рис. 83.  Функциональная схема установки «Спутник»

Когда этот уровень достигнет верхней отметки,  газовый клапан закрывается регулятором 8, в результате этого давление газа во внутренней полости емкости 5 повышается до предельного уровня. Под действием давления жидкая фракция  вытесняется через нижний патрубок и расходомер в общий коллектор 12.  Этот процесс продолжается до тех пор, пока уровень жидкости не достигнет нижней отметки. Если это произойдет, то газовый клапан 9 снова открывается и процесс наполнения емкости возобновляется.

Подключение конкретной скважины к измерительному сепаратору осуществляется через ПСМ (рис. 84).

Этот переключатель патрубками 11 соединяется с трубопроводами устьевой обвязки каждой скважины куста. В свою очередь, эти патрубки радиально расположены  в цилиндрическом  корпусе переключателя, во внутренней полости которого помещается полый изогнутый патрубок 9, жестко соединенный с поворотным механизмом переключателя. Этот механизм состоит из кулачкового храповика 7, жестко посаженного на  поворотном валу, на котором свободно вращается шестерня 8. Эта шестерня с одной стороны имеет связь с  храповиком 7 через его зубчатую нарезку, а с другой стороны эта шестерня через зубчатую рейку связана со штоком 5 поршня гидроцилиндра 4. Во внутреннюю полость гидроцилиндра подается рабочая жидкость от насосной установки 3. На поворотном валу также жестко закреплены два кулачковых диска 1 и 2, с помощью которых импульсно замыкаются контакты К1 и К2, предназначенные для автоматического управления ориентацией переключателя на конкретную скважину.

Рис. 84. Функциональная схема переключателя скважин многоходового (ПСМ)

При включении насоса 3 рабочая жидкость подается в гидроцилиндр 4, поршень которого, сжимая пружину 12, перемещает шток 5. Зубчатая нарезка (зубчатая рейка) на его конце входит в зацепление с шестерней 8. На торцевой поверхности этой шестерни имеются зубья с упорной косозубой нарезкой, которые входят в упорный контакт с подобными зубьями храповика 7. В результате этого при перемещении штока гидроцилиндра храповик вместе с шестерней поворачивается. Храповик 7 жестко связан с поворотным валом, одновременно являющимся осью поворота изогнутого патрубка 9.

При совместном повороте этой системы изогнутый патрубок при конечном положении поршня в гидроцилиндре устанавливается напротив отверстия очередного радиального входного патрубка 11. В этом случае устье очередной скважины через патрубки 11 и 10  соединяется с измерительным сепаратором. Все остальные радиальные патрубки, соединенные со скважинами, в это время сливают поступающую смесь в общий коллектор через патрубок 13.

При подключении очередной скважины к измерительному сепаратору один из кулачков диска 2 замыкает контакт К2, с помощью которого система автоматики регистрирует это подключение, а также считает количество последовательных поворотов.  При замыкании контакта К2 привод насоса останавливается и поршень гидроцилиндра 4 пружиной 5 возвращается в исходное положение, при этом торцевые зубья шестерни 8 проскальзывают по зубьям храповика 7 в обратном направлении, сжимая при этом пружину 6. При обратном движении поршня изогнутый патрубок 9 остается неподвижным совместно с храповиком.

Полный оборот изогнутого поворотного патрубка 9 фиксируется замыканием контакта К1, которое обеспечивается единственным кулачком диска 1.

Подключение скважин к измерительному сепаратору может быть последовательным или целенаправленным. Каждый из этих процессов управления автоматически выполняется по отдельному алгоритму.

Управление работой групповой измерительной установки осуществляется автоматизированной системой (рис. 85).

Рис. 85. Структура системы автоматизированного управления работой групповой измерительной установки

На верхнем информационном уровне этой системы расположен компьютер оператора, связанный через информационную сеть с функциональными элементами нижележащих уровней.  На уровне управления (нижний уровень) в этой системе расположен ПЛК локального типа, процессор CPU которого связан по системной шине ISA с портами и модулями расширения.

На самом нижнем (полевом) уровне расположены датчики и исполнительные устройства, подключенные к соответствующим портам модулей расширения. К модулю дискретного ввода подключены датчик положения газового клапана,  датчик верхнего уровня жидкости в измерительном сепараторе,  датчики   К1  и  К2  переключателя   скважин,   кнопка   К3 и кнопки  

I1 − I12,  с помощью которых производится постановка на замер конкретной скважины.

К модулю импульсного ввода подключают импульсный датчик, предназначенный для замера расхода  жидкой фракции смеси. Включение гидронасоса и задвижек на общем коллекторе и на линии замера производится с выхода порта дискретного выхода.

Работа  микропроцессорной системы управления процессом замера дебита скважин происходит по  алгоритму, представленному на рис. 86.

Рис. 86.   Структура алгоритма управления автоматизированной групповой

               замерной установкой

Алгоритм начинается с пуска привода насоса сигналом модуля дискретного вывода. В результате этого поршень гидроцилиндра 4 ПСМ начинает поворачивать храповик с изогнутым патрубком. Вместе с этим патрубком начинают вращаться и кулачковые  диски 1 и 2, которые соответственно включают контакты датчиков К1 и К2. Алгоритмом последовательно проверяются их срабатывания.

При срабатывании датчика К1 завершается полный оборот патрубка переключателя, поэтому счетчик переключений должен быть обнулен.

Дальнейшим ходом алгоритма проверяется положение датчика К2, который срабатывает только тогда, когда подвижный патрубок переключателя переместится на нужный угол поворота.  При каждом срабатывании  дискретного датчика К2 счетчик системы увеличивает свое содержание на единицу. После срабатывания счетчика на период  возврата поршня гидроцилиндра в исходное положение необходимо отключить привод насоса и включить в работу таймер. Возврат поршня под действием пружины 12 происходит в течение работы таймера.

Последовательность дальнейших операций определяется выбором соответствующей  подпрограммы. Этот выбор зависит от состояния тумблера (датчика) К3, т.е. от выбора режима замера.

Операции по замеру дебита скважины могут выполняться двояко: последовательным подключением скважин на замер и произвольным подключением одной из них по выбору оператора. Если переключатель К3 включен, то  скважины подключаются по выбору оператора, при этом алгоритм выполняет подпрограмму I, в противном случае скважины на замер подключаются последовательно и алгоритм выполняет только подпрограмму Q.

Подпрограмма Q   предназначена для непосредственного управления процессом замера дебита скважины.  Структура этой подпрограммы показана на рис. 87.

Рис. 87.  Структура алгоритма (подпрограммы)  замера дебита скважины

Алгоритм этой подпрограммы начинается с циклического опроса состояния газового клапана. Пока этот клапан открыт (ГК=0),  жидкая фракция, поступающая во внутреннюю полость сепаратора, постепенно заполняет ее до уровня верхней отметки. При достижении этого уровня происходит закрытие газового клапана, в результате этого давление во внутренней  полости сепаратора начинает повышаться и жидкая фракция вытесняется в коллектор.

Процесс вытеснения жидкой фракции продолжается вплоть до открытия газового клапана, которое наступает в момент достижения жидкостью уровня нижней отметки во  внутренней полости сепаратора. При выталкивании  в коллектор жидкая фракция проходит через датчик расхода, сигнал которого подается к модулю аналогового входа. Одновременно по  алгоритму вычисляется  расход этой фракции как произведение вытесняемого в общий коллектор ее объема и времени этого вытеснения.

Подпрограмма I предназначена для управления процессом выбора номера скважины, которую оператору нужно поставить на замер дебита.  Структура этой подпрограммы показана на рис. 88.

Переход к этой подпрограмме осуществляется включением оператором тумблера К3, подключенного к модулю дискретного ввода и регистрирующего вызов скважины с заданным номером  для подключения на замер. Одновременно оператор включает тумблер (с I1 по  In) той скважины, которую необходимо перевести на режим замера дебита.

 

Рис. 88.  Структура алгоритма (подпрограммы)  замера дебита скважины по

               выбору оператора

Подпрограмма I первоначально опрашивает содержание счетчика и сравнивает его с номером той скважины, которую поставил соответствующим тумблером оператор на замер. Это сравнение  идет в пределах от I1 до  In. При совпадении содержания счетчика с номером выбранной скважины происходит переход к подпрограмме Q, а затем и выход в основную программу.

6.2.2. Автоматизация технологического процесса первичной сепарации нефти

Технология первичной сепарации нефти (рис. 89) складывается из процесса ее подогрева до заданной температуры в печи 1 с последующим разделением ее на три фракции: нефть, газ и воду.

Подогрев исходной нефтегазовой смеси, которая поступает по трубопроводу 5 от автоматизированной групповой замерной установки (АГЗУ), производится в печи 1 за счет тепла горелок 3, в которых сжигается газообразное топливо в смеси с воздухом, поступающее по соответствующему трубопроводу.

Рис. 89. Структура технологического процесса первичной сепарации нефти  

Нагретая смесь  через циклон 7 поступает далее в герметичную полость сепарационной емкости 15, которая носит название буллита. В этой первичной полости буллита, на выходе циклона, исходная смесь разделяется на газовую и жидкую фракции.

Газовая фракция с помощью газового клапана 6, создающего  внутреннее давление,  вытесняется через него из буллита в трубопровод газовой линии 14. При этом газ проходит через соответствующий фильтр 8, который отделяет из него остаточный конденсат.

Жидкая фракция исходной смеси медленно стекает вниз по наклонным поверхностям 9. При этом от нее отделяется остаточная газовая фракция. Жидкая фракция скапливается в нижней части первичной герметичной полости буллита и внутренним давлением через отверстия выталкивается из нее в трубу 11, которая соединяет первичную герметичную  полость со вторичной. Эти полости разделены перегородкой 10. Во второй герметичной полости жидкая фракция отстоем разделяется на нефть и воду.

Нефть после отстоя отводится по трубе 13 в нефтяную линию, а вода по трубе 12 в линию сброса воды.

Технологический процесс первичной сепарации нефти контролируется автоматически с помощью первичных датчиков и исполнительных устройств, к которым относятся:

Р1 –   датчик давления топливного газа;

Р2 –   датчик давления в герметичной полости буллита;

Т1 –   датчик температуры смеси на входе буллита;

Т2 –   датчик температуры в герметичной полости буллита;

L1 –   датчик верхнего уровня нефтяной фракции;

L2 –   датчик верхнего уровня водяной фракции;

Q  –   датчик расхода воздуха, подводимого к  горелке;  

Z1 – Z3  – датчики положения задвижек соответствующих линий.

           

Управление технологическим процессом первичной сепарации нефти производится в автоматизированном режиме (рис. 90).

На верхнем информационном уровне этой системы расположен компьютер оператора, связанный через информационную сеть с функциональными элементами нижележащих уровней.

 

Рис. 90.   Структура системы автоматизированного управления работой

              установки первичной сепарации нефти

На уровне управления расположены управляющие контроллеры. Один из них управляет процессом первичной подготовки нефти, а другой процессом работы дожимной насосной станции (ДНС).

Первый из этих контроллеров является  контроллером локального типа. Он через процессор CPU связан по системной шине ISA с модулями расширения, к которым подключены соответствующие датчики и исполнительные устройства.

К модулю дискретного ввода подключены все кнопки управления процессом и датчики положения задвижек. Аналоговые датчики температуры и давления, а также датчики уровня и расхода подключены на вход модуля аналогового ввода. Выходные сигналы этой системы формируются модулем дискретного вывода, к которому подключены двигатели всех задвижек.

Работа  микропроцессорной системы управления технологическим процессом первичной сепарации нефти происходит по  алгоритму, часть которого представлена  на  рис. 91.

Рис. 91.  Часть структуры алгоритма  контроля уровня жидкой фракции

После запуска этого алгоритма и ввода  задающих сигналов производится опрос аналогового датчика уровня нефти во вторичной  камере буллита. Затем этот фактический уровень нефти  сравнивается с заданной величиной, и если он превысит это заданное значение, то  подается сигнал на открытие задвижки  в линии нефти. При этом в цикле типа «пока» производится опрос состояния задвижки до тех пор, пока она не откроется полностью. После открытия задвижки цикл опроса датчика ее положения прекращается и происходит возврат к опросу датчика уровня нефти в буллите.

Вследствие открытия задвижки этот уровень должен уменьшаться на заданное значение, поэтому  при сравнении заданного и фактического уровней ветвление алгоритма произойдет в направлении «нет».  После этого вновь опрашивается датчик положения задвижки, и если она открыта, то снова  подается  команда на ее закрытие.

На этом этап опроса датчика уровня нефти заканчивается, и алгоритм переходит  к опросу датчика уровня воды в буллите. Величина этого уровня регулируется  алгоритмом подобным образом.

6.2.3. Автоматизация работы дожимной насосной станции

Дожимная насосная станция (рис. 92) после первичной сепарации нефти обеспечивает ее переток к установкам дальнейшего технологического цикла и поддержание там необходимого давления.

Рис. 92. Технологическая схема работы дожимной насосной станции

Основу этой станции составляют центробежные насосы с самозаливкой, к которым нефть поступает из установки первичной сепарации или из резервных буллитов. Закачка нефти в насосы производится через фильтры, которые устанавливаются как на всасывающих, так и на выкидных магистралях этой системы.  Станция укомплектована всегда рабочим и резервным насосами Резервируют также фильтры и на ее выкидной магистрали. Включение в работу каждого из насосов или одного из фильтров на выкидной магистрали производится с помощью приводных задвижек, управляемых системой автоматики.

Система автоматизации управления работой  дожимной насосной станции не только обеспечивает поддержание заданного давления нефти на выкидной магистрали, но и производит своевременное переключение рабочей линии на резервную в случае выхода из строя рабочего насоса или закупорки одного из рабочих фильтров.  Для контроля рабочих параметров в технологической цепочке дожимной насосной станции  используют следующие технические средства:

DM1 – DM4 –  дифференциальные манометры;

P1, P3           –  датчики давления на входе насосов;

P2, P4           –  датчики давления на выходе насосов;

Z1 – Z6        –  приводы задвижек и датчики их положения;

F1 –  F4        –  фильтры на линии нефти.

Эта аппаратура подключается к соответствующим портам контроллера системы управления дожимной насосной станцией по схеме,  представленной на рис. 93.

К модулю (порту) дискретного ввода этого контроллера подключены, как и в предыдущем случае, кнопки управления и датчики положения задвижек. Аналоговые датчики давления и дифференциальные манометры подключены на вход модуля (порта) аналогового ввода. Двигатели всех задвижек и приводы насосов подключены к модулю (порту) дискретного вывода.

Рис. 93.   Структура нижнего уровня системы управления дожимной  насосной

               станцией

Алгоритм управления дожимной насосной станцией имеет сложную структуру, состоящую из нескольких взаимосвязанных подпрограмм. Основная программа этого алгоритма представлена на рис. 94.

По этому алгоритму после ввода величины задающих сигналов выполняется цикл ожидания нажатия кнопки «Пуск», после нажатия которой происходит автоматический выбор насоса № 1 и задвижки Z5  в качестве рабочего оборудования технологического цикла.  Этот выбор фиксируется присвоением  единичного значения константам N  и K.  По значению этих констант в дальнейшем  будет определен выбор направления ветвления в подпрограммах алгоритма.

Эти подпрограммы запускаются  основным алгоритмом сразу же после подачи команды на открытие задвижки Z1, соединяющей технологическую линию дожимной насосной станции с установкой первичной сепарации нефти. Первая из этих подпрограмм  «Пуск насосов» управляет процессом запуска рабочего (или резервного) насоса, а другая  подпрограмма «Контроль параметров» производит текущий контроль основных параметров технологического процесса и в случае их несоответствия заданным значениям осуществляет  переключения в технологической цепочке этого процесса.

Подпрограмма «Контроль параметров» запускается циклически на всем протяжении рабочего цикла этого процесса. Одновременно в этом цикле производится опрос кнопки «Стоп», при нажатии которой закрывается задвижка Z1. Затем, прежде чем остановить основную программу,  алгоритм запускает на выполнение подпрограмму «Останов насоса». По этой подпрограмме выполняются последовательные действия по остановке рабочего насоса.

По подпрограмме «Пуск насоса» (рис. 95) первоначально производится анализ содержания параметра N, которым определен номер рабочего насоса (соответственно N=1 для насоса № 1 и  N=0  для другого насоса). В зависимости от значения этого параметра алгоритм выбирает ветвь запуска соответствующего насоса. Эти ветви аналогичны по структуре, но отличаются только параметрами технологических элементов.

                 

  Рис 94. Алгоритм управления дожимной насосной станцией

Первой процедурой выбранной ветви этой подпрограммы производится опрос дифференциального датчика давления DM1, содержание которого определяет рабочее состояние соответствующего фильтра на входе  насосного агрегата. Показания этого датчика сравниваются с заданным предельным значением относительного давления на фильтре. При зашламованности фильтра (когда он требует  чистки) разность давлений на его входе и выходе будет превышать заданное значение, поэтому данная технологическая ветвь не может быть запущена в работу, и потребуется переход на запуск резервной линии, т.е. резервного насоса.

В случае нормального состояния фильтра его фактическое разностное давление меньше заданного, и алгоритм переходит к опросу датчика, контролирующего давление на входе выбранного насоса. Снова показания этого датчика сравниваются с заданным значением. В случае недостаточного давления на входе насоса он не сможет выйти на рабочий режим, поэтому он также не может быть запущен, а это  снова потребует перехода на запуск резервного насоса.

Рис. 95.  Структура подпрограммы «Пуск насоса»

В случае нормального значения давления на входе насоса   следующая команда подпрограммы запускает его, при этом параметру N присваивается соответствующее числовое значение, а дискретные датчики контроля запуска насоса контролируют этот процесс. После этого запуска опрашивается датчик, контролирующий давление на выходе запущенного насоса. В случае, если это давление окажется ниже заданного уровня, насос тоже не может работать в нормальном режиме, поэтому и этот случай требует запуска резервного насоса, но только после остановки запущенного насоса.

Если же заданное давление на выходе насоса достигнуто, то это значит, что он вышел на заданный режим, поэтому на следующем шаге алгоритм открывает задвижку, соединяющую выход насоса с линией выходных фильтров системы. Открытие каждой из задвижек фиксируется дискретными датчиками ее положения.

На этом подпрограмма запуска насоса выполнила свои функции , поэтому на следующем шаге производится выход из нее в основную программу, где затем производится запуск следующей подпрограммы «Контроль параметров» работающей системы.  Эта подпрограмма выполняется в цикле до тех пор,  пока технологический процесс не будет остановлен кнопкой «Стоп».

Структурно подпрограмма «Контроль параметров» идентична подпрограмме «Пуск насоса», однако имеет некоторые особенности (рис. 96).

         

                 Рис. 96. Структура подпрограммы «Контроль параметров»

В этой подпрограмме, как и в предыдущей, производится последовательный опрос тех же датчиков и сравниваются их показания  с заданными значениями контролируемых параметров. В случае их несоответствия подается команда на закрытие соответствующей задвижки и  на остановку соответствующего насоса, при этом параметру N присваивается значение, противоположное предыдущему. После всего этого производится запуск подпрограммы «Пуск насоса», по которой включается в работу резервный насос.

Если  все контролируемые параметры соответствуют заданным значениям, то, прежде чем выйти в основную программу, алгоритм проверяет состояние фильтров основной магистрали. Для этой цели запускается подпрограмма «Управление задвижками Z5 и Z6» (рис. 97), по которой в случае выхода из строя одного из этих фильтров включается в работу резервный фильтр.

   Рис. 97.   Структура подпрограммы «Управление задвижками Z5 и Z6 »

По этой подпрограмме через анализ значения параметра K в ней выбирается рабочая ветвь, по которой производится опрос дифференциального манометра работающего фильтра. В случае нормальной работы фильтра разность фактического давления между входом и выходом фильтра не будет превышать заданного значения, поэтому алгоритм по условию «да» выходит из подпрограммы без изменения структуры подключения элементов в магистрали.

В случае превышения этой разницей заданного значения алгоритм следует по условию «нет»,  в результате чего закрывается работающая задвижка и открывается резервная, а параметру N присваивается противоположное значение. После выполнения этого производится выход из этой подпрограммы в предыдущую, а из нее в основную программу.

Процесс контролируемого пуска рабочего насоса, а в случае его поломки запуска резервного производится алгоритмом автоматически. Аналогично осуществляется контролируемый запуск фильтров через включение задвижек в основной магистрали.

При нажатии на кнопку «Стоп» цикл непрерывного контроля за параметрами системы прекращается, закрывается задвижка, подключающая дожимную насосную станцию к сепарационной установке, и производится переход к подпрограмме  «Останов насоса» (рис. 98).

По этой подпрограмме на основе анализа параметра N выбирается одна из двух идентичных ветвей следования алгоритма. По ней алгоритмом первоначально подается команда на закрытие задвижки, установленной на выходе работающего насоса. После закрытия ее другая команда останавливает работающий насос. Затем новым анализом значения уже параметра K выбирается  ветвь алгоритма, по которой закрывается задвижка работающего магистрального фильтра, после чего алгоритм останавливает свою работу.

      

                          Рис. 98.  Структура подпрограммы «Останов насоса»

6.3. Автоматизация работы газоперекачивающей станции

В технологическом процессе работы газоперекачивающей станции используются турбокомпрессорные установки с приводом от газотурбинного двигателя. Технологическая схема такой установки показана на рис. 99. На схеме изображена только та часть газотурбинного двигателя, в которой расположена силовая газовая турбина.

Турбокомпрессорные установки имеют несколько ступеней сжатия. Первая ступень такого  компрессора через магистральную задвижку (ЗМ) засасывает газ из магистрального газопровода. Для повышения эффективности процесса сжатия газа его необходимо периодически охлаждать. Этот процесс выполняется в специальных теплообменниках, куда газ подается после каждой ступени сжатия.

В теплообменник наряду с газом по отдельному тракту подается охлаждающая  вода, которая нагревается  за счет температуры сжатого газа, отводя от него избыточное тепло. При охлаждении понижается давление газа, что повышает эффективность работы последующих ступеней его сжатия в турбокомпрессоре.  После выходной ступени сжатия  охлажденный газ подается через вторую магистральную задвижку в выходную магистраль.

Для нормальной работы такого компрессора необходимо смазывать под давлением все его трущиеся части, что обеспечивается системой принудительной смазки, в которой должно поддерживаться необходимое давление и температура масла. Давление и расход газа в магистральном газопроводе постоянно меняются, поэтому  необходимо постоянно регулировать производительность турбокомпрессора. В технологии работы турбокомпрессора предусмотрен вариант регулирования его производительности. По этому варианту избыточный объем сжатого газа на выходной ступени турбокомпрессора через вентиль В1 снова направляется на вход первой ступени.

   

   Рис. 99. Технологическая схема турбокомпрессорной установки

При определенных режимах работы турбокомпрессора может возникнуть такой случай, при котором производительность его  выходной ступени будет ниже, чем его производительность на входе. Такой режим работы турбокомпрессора является аварийным, так как при этом  может возникнуть срыв потока газа на рабочих лопатках выходной ступени. Такой режим работы компрессора называют помпажным. Режим помпажа считается аварийным, и система управления не должна его допускать. Для этой цели специальной заслонкой производится регулирование производительности входной ступени турбокомпрессора, а в случае возникновения явления помпажа в работу вступает противопомпажный клапан ПК, который сбрасывает часть газа в специальную емкость при этом временно увеличивая производительность на выходе компрессора.

В системе автоматизации турбокомпрессора установлены следующие датчики и исполнительные устройства:

Т1 – температуры газа на входе первой ступени;

Т2 – температуры газа  на входе второй ступени;

Т3 – температуры газа  на входе третьей ступени;

Т4 – температуры газа  на выходе турбокомпрессора;

Т5 – температуры масла в системе смазки;

Т6 – температуры подшипников компрессора;

Т7 – температуры воды в теплообменнике;

Р1 – давления газа на входе первой ступени;

Р2 – давления газа на входе второй ступени;

Р3 – давления газа на входе третьей ступени;

Р4 – давления газа на выходе турбокомпрессора;

Р5 – давления масла в системе смазки;

Р7 – давления воды в теплообменнике;

Q1 – расхода газа на входе турбокомпрессора;

Q2 – расхода газа на выходе турбокомпрессора;

ЗМ – задвижка газовая магистральная;

ЗВ – водяная задвижка;

В1 – вентиль, соединяющий выходную ступень с  атмосферой.

ЗВ является в этой системе регулятором расхода охлаждающей воды, изменение которого поддерживает заданную температуру на каждой ступени сжатия газа. Величина этой температуры регистрируется датчиками Т2, Т3, Т4.

Все датчики и исполнительные устройства системы автоматики турбокомпрессора подключены к соответствующим портам микроконтроллера, являющегося  основой этой системы управления. Структура этой системы показана на рис. 100.

    

  Рис. 100. Структура системы автоматизированного управления турбокомпрес-

                  сором

Эта система устроена по уровневому типу. На верхнем информационном уровне этой системы расположен компьютер оператора, связанный через информационную сеть с функциональными элементами нижележащих уровней. На нижнем уровне расположены управляющие контроллеры. Один из них управляет технологическим процессом работы турбокомпрессоров газоперекачивающей станции, а другой управляет работой приводного газотурбинного двигателя.

Система автоматики газотурбинного двигателя является встроенной и связана с управляющим контроллером турбокомпрессора через информационную сеть системы управления. Режим работы этого двигателя определяется нагрузкой на турбокомпрессор газоперекачивающей станции, поэтому он задается этим турбокомпрессором.

В теплообменник наряду с газом по отдельному тракту подается охлаждающая  вода, которая за счет температуры сжатого газа нагревается, отводя от него избыточное тепло. На многих газоперекачивающих станциях тепло охлаждающей воды используют для бытовых целей. За счет этого повышается общий КПД установки.

По алгоритму управления газоперекачивающей станцией после ввода величины задающих сигналов выполняется цикл ожидания нажатия кнопки «Пуск». После нажатия этой кнопки первоначально производится  опрос датчиков давления газа на входной и выходной магистралях. Только в случае необходимого перепада этого давления дается команда на запуск приводного газотурбинного двигателя газокомпрессорной установки. Этот запуск производится под управлением контроллера системы управления этого двигателя, и после выхода его на рабочий режим управление работой всей системы передается контроллеру газотурбинного агрегата.

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Мирский М.И. Рудничная автоматика/ М.И.Мирский. − М.:Недра, 1992. −376с.
2.  Системы и устройства автоматики для горных  предприятий  на основе микроэлектроники и микропроцессорной техники / Л.Г. Мелькумов [и др.]. − М.: Недра, 1992. − 452с.
3.  Угрюмов В.Г. Цифровая схемотехника: учеб. пособие /В.Г. Угрюмов.− 2-е изд. /  − СПб.: БХВ-Петербург, 2004. − 783с.
4.  Персональные ЭВМ и микроЭВМ. Основы организации:   справочник/ А.А. Мячев [и др.]. −   М.: Радио и связь,1991. − 317с.
5.  Питер А. Язык Ассемблера для IBM PC и программирования/ А. Питер −  М.: Высшая школа, 1992. − 253с.
6.  Андреев Е.Б. Технические средства систем управления технологическими процессами нефтяной и газовой промышленности: учеб. пособие./ Андреев Е.Б., Попадько В.Е; Рос. гос. ун-т нефти и газа им. И.М. Губкина −   М.:  Нефть и газ, 2005. − 270с.
7.  Храменков В.Г. Контроль и автоматизация технологических процессов при бурении геологоразведочных, нефтяных и газовых скважин: учеб. пособие/ В.Г. Храменков. − Тюмень: Изд-во Тюмен. гос.  политехн. ин-та, 2004. − 299с.
8.  Сажин Р.А. Элементы систем автоматики: конспект лекций/ Р.А. Сажин − Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2007. − 98с.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………….…..3

1.  УПРАВЛЕНИЕ И ЕГО ВИДЫ. .…………………..……………………………..3

1.1.  Ручное управление. .………………………………..………………………….4

1.2.  Автоматическое управление………………………..…………………………5

1.2. 1.  Устройства автоматического управления, работающие  по принципу

                 компенсации отклонения результата управления от заданной

                 величины…………………………………………………………………..5

1.2.2.  Устройства управления, работающие  по принципу компенсации

                 внешнего воздействия на объект управления…………………………..6

1.3. Автоматизированное управление…………………………………………….7    

2. ИНФОРМАЦИЯ  И ЕЕ РОЛЬ В УПРАВЛЕНИИ. .……………………….……..8

 2.1. Формы отображения информации …………………………………………..8

   2.2. Технические средства получения информации…………………………….10

3. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ…...11

  3.1. Классификация систем автоматического управления по выполнению задач

        управления……………………………………………………………………..11

  3.2.  Классификация систем автоматического управления по назначению……13

  3.3.  Классификация систем автоматического управления по принципу

         работы…………………………………………………………………………14

    3.3.1. Системы непрерывного и дискретного действия……………………….14

    3.3.2. Системы прямого и непрямого управления……………………………..15

3.3.3. Системы, работающие по принципу компенсации отклонения

         результата управления от заданной величины………………………….15

    3.3.4. Системы, работающие по принципу компенсации внешнего

              возмущения………………………………………………………………..16

    3.3.5. Статические и астатические системы автоматического управления….17        

4.  ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ……………………...…..19

4.1. Технические средства получения информации, или датчики ………..……19

4.1.1. Датчики     линейных   и  угловых   перемещений ..…………………….19

4.1.2. Датчики    уровня…………………………………………………………..27

4.1.3. Датчики скорости…………………………………………………………..30

4.1.4. Датчики усилия и момента………………………………………………...32

4.1.5. Датчики  температуры……………………………………………………..35

4.1.6. Датчики давления…………………………………………………………..37

4.1.7. Расходомеры………………………………………………………………..40

4.2.  Релейные элементы автоматики ……………………...……………………...42

4.2.1. Электромагнитные реле…………………………………………………...43

4.2.2. Пневматические реле……………………………………………………...46

4.2.3. Элекрогидравлические и механические реле  …………………………..46  

1.  . Источники внешней энергии, или усилители сигналов …...……………….47

4.3.1. Усилители электрических сигналов….………………………..…………47

4.3.2. Пневматический усилитель сигналов…………………………..………...52

4.3.3. Гидромеханический следящий усилитель сигналов  ...……………..…..52

4.4.  Исполнительные устройства……………………………………………..…..53

4.4.1.  Исполнительные двигатели вращения…………………………………..53

4.4.2.  Линейные исполнительные двигатели систем автоматики………….....59

5. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ

   АВТОМАТИЗАЦИИ   ..……………………………………………………….….61

5.1.  Логические элементы цифровой автоматики…………………………….....61

5.2.  Запоминающие  элементы цифровой автоматики………………………….62

5.2.1. Триггеры  …………………………………………………………………..62

 5.2.2. Регистры памяти……………………………………………………………65

5.3.   Двоичные счетчики……………………………………………………….....68

5.4.   Шифраторы…………………………………………………………………..69

5.5.   Дешифраторы………………………………………………………………..70

5.6.   Мультиплексоры……………...……………………………………………..71

5.7.   Распределители……………………………………………………………...72

5.8.   Сумматоры…………………………………………………………………..73

5.9.   Аналого-цифровой преобразователь………………………………………74

5.10. Цифроаналоговый преобразователь ………………………………………77

 5.11.  Элементы микропроцессорных систем.……………………   ….………...78

5.11.1. Структура микропроцессорных систем………….…………………….79

5.11.2. Структура микропроцессора ………………………………….…….….80

5.11.3. Запоминающие устройства микропроцессорных систем…….……….83

5.11.4.  Программируемый параллельный интерфейс, параллельные  

             порты   микропроцессорных    систем………………………….……...87

5.11.5.  Программируемый таймер………………………..…………….……...89

5.11.6.  Программируемый последовательный интерфейс,

              последовательные порты микропроцессорных систем……………..90

5.12.  Программируемые контроллеры………...………………………..…..…..94

5.12.1.  Структура распределенной системы управления……………….…....95

5.12.2.  Программное обеспечение распределенной системы управления  ...98

6.  АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В

    НЕФТЯНОЙ       И    ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ……………….... .99

6.1. Автоматизация процесса бурения нефтяных или газовых скважин……...99

6.1.1. Регулирование параметров при бурении нефтяных или газовых

         скважин…………….……………………………………………………..102

6.1.2. Микропроцессорная система управления процессом бурения

         нефтяных или газовых скважин…………..………………………….…106

6.2. Автоматизация процесса добычи и первичной подготовки нефти…….....107

6.2.1. Автоматизация группового замера дебита скважин………………...…109

6.2.2. Автоматизация технологического процесса первичной сепарации

              нефти………………………………………………………………….…..115

6.2.3. Автоматизация работы дожимной насосной станции……………..….118

6.3. Автоматизация работы газоперекачивающей станции…………..………..124

Список литературы  ……………………………………………………………….128

Учебное издание

Сажин Рудольф Алексеевич

ЭЛЕМЕНТЫ И СТРУКТУРЫ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Учебное пособие

Редактор и корректор

_______________________________________________________________

Подписано в печать 15.01.2008.  Формат 60х90/16.

Уч. печ. л.  Тираж     экз           Заказ № 3/2008

________________________________________________________________

Издательство

Пермского государственного технического университета.

Адрес: 614990,   г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113.

Тел. (342) 219-80-33.

нет

Ввод граничных параметров тмпературы

Выключение нагревателя

В этой схеме на вход логического элемента  «И» одновременно подаются три сигнала от датчиков контроля параметров некоторого объекта. Если сигналы датчиков Х2 и Х3 одновременно нулевые, а сигнал датчика Х1 единичен то  на выходе этого элемента  формируется единичный сигнал, который через транзисторный ключ удерживает пусковое реле «Р» объекта во включенном состоянии.

 На рис.11. представлен упрощенный вариант схемы системы управления шахтным водоотливом, которая будет использована как дискретная система управления этим процессом. На основе этой схемы построим табличные функции δ и λ , которые соответственно представим в таблицах 3, 4 и 5. 

Тзад>Tфакт

Опрос датчика температуры

Начало

EMBED Word.Picture.8  

да

Начало

Пуск насоса

Опрос датчика К1

К1 = 1

Выключение насоса. Включение таймера

Опрос таймера

Т= 1

Закрытие

задвижки Z2

Q =

Выключение таймера. Опрос датчика К3

нет

нет

нет

да

да

нет

нет

да

Cч =N NN

I = N

да

да

нет

Cч = 1

Опрос счетчика

I = 1

Подпрограмма

I =

да

Опрос датчика уровня воды

К3 = 1

Подпрограмма

Q =

нет

да

да

К2 = 1

Опрос датчика К2

Обнуление

счетчика

нет

да

Выключение таймера

Qi = V* T

нет

Конец

нет

Опрос датчика газового клапана

Z2 = 1

ГК = 0

Включение таймера

нет

да

Опрос датчика газового клапана

ГК = 1

да

нет

да

Опрос датчика уровня нефти

Нз.н>=Нз.ф

начало

Нз.н; Нз.в

да

Открытие задвижки Z2

Опрос датчика Z2

Опрос датчика Z2

Z2 = 0

нет

станов

насоса

Пуск насоса

Контроль параметров

Открытие задвижки Z1

P13,P23,P33,P43, DM13,DM23,DM33,DM43

да

нет

N =1 , K = 1

Опрос кнопки «Стоп»

да

нет

Стоп = 1

Закрытие задвижки Z1

Пуск = 1

Опрос кнопки «Пуск»

Начало

да

Пуск

насоса

Останов насоса 1

Останов насоса 2

да

нет

да

да

да

да

нет

да

Открытие задвижки Z4

Пуск насоса 2

N = 0

нет

Опрос датчика P3

P3 > P33

нет

Опрос датчика P1

P1 > P13

нет

Опрос датчика P4

P4 > P43

Опрос датчика P2

P2 > P23

нет

Опрос датчика DM2

DM2< DM23

нет

Опрос датчика DM1

DM1< DM13

Выход

Пуск насоса 1

N = 1

да

Закрытие задвижки Z4

Останов насоса 2

              N = 1

Пуск

насоса

Управление

задвижками 

Z5 и Z6

Выход

Закрытие задвижки Z3

Останов насоса 1

N = 0

да

нет

да

Закрытие задвижки Z5

да

Выход

да

да

нет

да

нет

Опрос датчика P3

P3 > P33

нет

Опрос датчика P1

P1 > P13

нет

Опрос датчика P4

P4 > P43

Опрос датчика P2

P2 > P23

нет

Закрытие задвижки Z6

Опрос датчика DM2

DM2< DM23

нет

Опрос датчика DM1

DM1< DM13

нет

нет

КОНЕЦ

Закрытие задвижки Z5

Открытие задвижки Z6

K = 1

да

нет

да

нет

нет

да

K = 1

да

нет

Опрос датчика DM4

DM4< DM43

нет

Опрос датчика DM3

DM3< DM33

K = 1

Закрытие задвижки Z5

Открытие задвижки Z6

K = 0

да

N = 1

Открытие задвижки Z3

N = 1

нет

да

Закрытие задвижки Z4

Выход

Закрытие задвижки Z3

N = 1

Остановка  насоса 2

Остановка  насоса 1

да

Пуск=1 ДПЗо = 1

Y4=1

Y2 = 1; Y3 = 0

да

нет

ДПЗо = 0; Y3 = 1

да

да

да

нет

Пуск=1 t2 = 1

Y2=0

t2 = 0; Y2 = 1

Пуск=1 t1 = 1

нет

нет

да

Y1=0

t1 = 0; Y1 = 1

нет

да

Пуск=0

да

нет

Кнопка «СТОП» нажата

Опрос копки «СТОП»

Y1=0; Y2=0; Y3=0; Y4=0

Где:

Y0 – нулевое состояние системы

Y1  -  заливка насоса

Y2 -  включение насоса,

       отключение заливки

Y3   - работа насоса и открытие

       Задвижки

 Y4  - отключение насоса и закрытие задвижки

       

начало

да

нет

Включение нагревателя

ДПЗз=1

нет

Y4=1

да

Y4=0

Включение  ЭМ2

Включение  ЭМ1

да

Р зад   >  Р факт

нет

EMBED Word.Picture.8  

нет

да

Р зад   =  Р факт

Опрос датчика Т.Т

да

нет

Кнопка «ПУСК» нажата

Опрос копки «ПУСК»

Р зад

НАЧАЛО

нет

да

Vзад   > V факт

Опрос датчика DC

КОНЕЦ

да

нет

Кнопка «СТОП» нажата

Опрос копки «СТОП»

Включение  ЭМ1

Включение  ЭМ2

да

Vзад   =  V факт

нет

нет

да

 Iзад   > I факт

Опрос датчика Т.Т

да

нет

Кнопка «ПУСК» нажата

Опрос копки «ПУСК»

Iзад , Vзад

НАЧАЛО

да

нет

нет

Vзад   = V факт

Импульсное

включение  ЭМ1

да

Vзад   > V факт

да

нет

Включение  ЭМ1

Импульсное

включение  ЭМ2

да

Vзад   <  V факт

нет

 Iзад   > I факт

Опрос датчика Т.Т, DC DC

Iзад , Vзад

НАЧАЛО

I <= N

нет

I = I + 1

Переход к регулированию по  «ai»

I = 1

Опрос датчика Da

Включение  ЭГК2

Включение  ЭГК1

Db > 0

Db = bi зад - bi факт

Выключение привода подачи через таймер

Включение привода подачи через таймер

Опрос датчика Db 

да

Db = 0

нет

нет

да

Т зад = Т факт

да

нет

I зад, ai зад, bi зад, Т,N ,зад

НАЧАЛО

да

НАЧАЛО

Опрос порта  дискретного ввода

нет

да

А = 01

Включение привода

в направлении    

А = 02

А = 04

А = 08

А = 10

нет

нет

нет

да

да

да

да

Включение привода

в направлении     

Включение привода

в направлении    

Включение привода

в направлении       EMBED Word.Picture.8  

Луч не попал на датчик

да

нет

нет

Da1 = 0

да

Опрос датчика D a1 i

Включение привода ЭКГ1

D a1  = a1 зад - a1 факт

Da1 > 0

Включение  ЭГК1

ЭГК1 = 1, ЭКГ2=0

Включение  ЭГК2

ЭКГ2 = 1, ЭКГ1 = 0

Выключение  ЭГК1 и ЭГК2

ЭКГ1 = 0, ЭКГ2 = 0

 Аналогичная установка по параметру  a2 i

Работают приводы ЭКГ3 и ЭКГ4

Аналогичная установка по параметру  b1 i

Работают приводы ЭКГ5 и ЭКГ6

Аналогичная установка по параметру  b2 i

Работают приводы ЭКГ7 и ЭКГ8

Выход из подпрограммы

КОНЕЦ

I = I + 1

Подпрограмма управления работой буровой машины

Подпрограмма управления работой манипулятора

I = 1

I <= N

да

нет

 a1i зад, b1i зад,

 a2i зад, b2i зад, N

НАЧАЛО

Выключение всех приводов, ПВ=0, Вна=0, КВ=0

Выход из подпрограммы

Опрос датчика ДЗП

ДЗП = 1

нет

да

Опрос датчика ДЗ

ДЗ = 1

нет

Выключение ударника, ПУ=0 и реверс подачи, ВНа=1

Включение подачи на забой в «рабочем»,  режиме  ВВп=1

Опрос датчика ДПП

ДПП = 1

нет

да

Включение ударника, ПУ=1 и вращателя, ПВ=1

Включение подачи на забой в режиме  «забуривания», ВВп=1

Включение крана пуска воды  КВ = 1

Опрос датчика ДКПВ

ДКПВ = 1

нет

да