Алгоритмическое и аппаратное обеспечение бортовой информационной системы шагающего драглайна

УДК 622.232.271

Вин Зо Хтэй, Л.Д. Певзнер, И.О. Темкин

АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ БОРТОВОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ШАГАЮЩЕГО ДРАГЛАЙНА

Аннотация. Приведены результаты разработки алгоритмического и аппаратного обеспечения бортовой информационной системы шагающего экскаватора драглайна. Алгоритмическое обеспечение бортовой информационной системы, включает процедуры: определения моментов смены технологических состояний драглайна, измерения или вычисления временных параметров текущего экскаваторного цикла, массы породы в ковше, энергетические затраты на выполнение цикла, текущие и интегральные характеристики технологического процесса. Осуществлено распознавание текущего состояния экскаваторного цикла с использованием продукционных правил, на основе результатов дискретных измерений значений токов главных приводов, длин канатов, угла поворота и их производных по времени. Приведены схемы аппаратного обеспечения БИС, фрагмента структуры информационной базы.

Ключевые слова: бортовая информационная система, алгоритмическое обеспечение, аппаратное обеспечение.

DOI: 10.25018/0236-1493-2019-02-0-190-196

Шагающий экскаватор драглайн — мощная потенциально высоко эффективная дорогостоящая горная машина. Проблема повышения ее эксплуатационной эффективности может быть решена путем создания бортовой информационной системы [1, 6, 7], которая позволит автоматически, оценивать в темпе реального времени характеристики и показатели технологического процесса экскавации, вырабатывать целесообразные рекомендации направленные на повышение эффективности работы машиниста, формировать отчетные документы о результатах и качестве работы бригады.

Технологический процесс экскавации шагающего драглайна представляет собой циклическую последовательность операций: черпание, отрыв груженого ковша от забоя, транспортирование на раз-

грузку, разгрузка и транспортирование порожнего ковша на черпание.

Математическая модель оценки эффективности работы драглайна включает процедуры: определения моментов смены технологических состояний процесса экскавации драглайна, измерения или вычисления временных параметров текущего экскаваторного цикла, массы породы в ковше, геометрические характеристики разрабатываемого забоя и отвала, энергетические затраты на выполнение цикла и интегральные характеристики технологического процесса. Возможны различные варианты реализации данной модели.

Информационной базой для определения элементов математической модели оценки эффективности работы драглайна являются текущие измерения зна-

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2019. № 2. С. 190-196. © Вин Зо Хтэй, Л.Д. Певзнер, И.О. Темкин. 2019.

чении следующих параметров: токов в якорных цепях трех главных приводов, длин канатов подъема и тяги, угла поворота платформы, энергетических затрат, времени на выполнение элементов технологического цикла экскавации.

Распознавание текущего состояния экскаваторного цикла осуществляется с использованием продукционных правил, на основе результатов дискретных измерении значении токов главных приводов, длин канатов, угла поворота и их производных по времени. Прямые непрерывные измерения якорных токов фильтруются низкочастотным фильтром с последующей дискретизацией, непрерывные функции длин канатов и угла поворота преобразуются в числовые последовательности для последующеи цифровои обработки и использовании в процедуре распознавания.

В простейшем случае идентификация текущего состояния технологического процесса выполняется на основе базовых логических высказываний:

• А1 — якорный ток привода подъема положителен ¡.(^ > 0;

• А2 — якорный ток привода тяги положителен /2(^ > 0;

• В1 — длина каната подъема уменьшается sgn I = ) = -1;

Л

В2 — длина каната тяги уменьша-

ется sgn

/2ю =

= -1

• С. — якорный ток привода подъема меньше известной величины )| < а±;

• С2 — якорный ток привода тяги меньше известной величины |/2(Г)| < а2;

• О — ковш попадает в зону саморазгрузки — координаты положения ковша пересекают кривую саморазгрузки;

Р. — нет изменения длины подъе-

ма

[4 т ]=0; • Р2 — '

[12м ] = о.

Р2 — нет изменения длины тяги

Выполнение технологического процесса экскавации шагающим экскаватором драглайном происходит циклически, последовательной сменой «состояний»: 1 — «черпание», 2 — «отрыв» груженого ковша от забоя, 3 —«транспортирование груженого ковша» в отвал на разгрузку, 4 — «разгрузка ковша», 5 — «транспортирование порожнего ковша» в забой. Кроме этих основных производительных состояний технологический процесс содержит одно производительное состояния «шагание» и два не производительных состояния 8 — «простой» и «вспомогательные операции».

На основе базовых высказыванием синтезируем утверждения о текущем состоянии технологического процесса:

Состояние «черпание»: А2В2С2 ^ 1;

Достояние «отрыв ковша от забоя»: А1В1С1 ^ 2 ;

Состояние «транспортирование на разгрузку»: А1С1В2 ^ 3 ;

Состояние «разгрузка»: О ^ 4 ;

Состояние ^«транспортирование на черпание»: А2В2 ^ 5;

Состояние «останов»: Р±F2 8.

Однозначное распознание функционального состояния процесса экскавации позволяет вычислить технологические показатели процесса в требуемом месте и в требуемое время.

Математическая модель, характеризующая параметры забоя, отвала и трассы шагания, представляется совокупностью алгебраических и тригонометрических соотношений от координат К(х, у, х) ковша драглайна в неподвижной системе координат О.ХУХ, изображенной на рис. 1. Текущие декартовы координаты х(у№, г(§ положения ковша, определяются через вспомогательные координаты q(t), которые в свою очередь определяются через текущие длины канатов /±(Г), /2(Г).

^ -12 +12 [72-2

р = —2/Г^'ц = *12 - р

шшш

Рис. 1. Координатная система рабочего пространства драглайна Fig. 1. Coordinate system of operating space of dragline excavator

x = p cos 9 sin a + q cos a + a, y = p sin 9,

z = p cos 9 cos a - q sin a.

Знание текущих значений координат положения ковша позволяет определять реальные на текущий момент значения геометрических параметров вскрышного уступа и отвала.

Машинисты экскаватора выполняют предписания паспорта забоя по разным причинам не достаточно точно, что приводит к необходимости дополнительной переэкскавации. Снизить экономические потери от этих нарушений возможно на основе данных объективного мониторинга процесса разработки, путем измерения реальных значений геометрических параметров забоя и отвала, предписанных паспортом.

Энергетические и временные параметры, характеризующие эффективность технологического процесса экскавации определяются непосредственным измерением расхода электроэнергии и показаниям таймера. Текущие и усредненные

показателей эффективности процесса экскавации в виде оценок его текущей производительности позволяют машинисту улушить процесс управления.

Вычисленные текущие, средние и накопленные значения показателей хода и эффективности процесса экскавации сохраняются в базе данных, структура которой показана на рис. 2.

Техническая реализация бортовой информационной системы драглайна обеспечивается, как показано на рис. 3: датчиками тока 1,3,5; датчиками напряжения 2,4,6; датчиками длин канатов подъема и тяги 7,8; датчиком угла поворота 9; аналого-цифровыми преобразователями 10—15; — цифро-аналоговыми преобразователями 22,23,24; коммутаторами 16,21; процессором 17; монитором 18, средством беспроводной связи 25. Указанные средства обоснованно выбраны с учетом специфики эксплуатации их на борту, в особых климатических условиях открытых горных работ.

Основной задачей бортовой информационной системы экскаватора драг-

РК

Бригады экскаватора-драглайна

Код_Бригады экскаватора-драглайна

Иванов Сергей Михайлович (Бригада I) Смирнов Артем Геннадьевич (Бригада II) Кузнецов Денис Никитич (Бригада III) Код_Временные показатели

архив- архив-

ные ные

данные данные

РК

Иванов Сергей Михайлович

FK

Код_Иванов Сергей Михайлович

1. Номер цикла

2. Масса породы, т

3. Длина черпания, м

4. Время, с

-черпания

- транспортирование

на разгрузку

- разгрузки

- транспортирование

на черпание

- цикла

5. Энергия, квт

- черпания

- транспортирование

на разгрузку

- разгрузки

- транспортирование

на черпание

- цикла (320) Код_Бригады экскаватора-драглайна

Смирнов Артем Геннадьевич

FK

РК

Код_Иванов Сергей Михайлович

1. Номер цикла

2. Масса породы, т

3. Длина черпания, м

4. Время, с

-черпания

- транспортирование

на разгрузку

- разгрузки

- транспортирование

на черпание

- цикла

5. Энергия, квт

- черпания

- транспортирование

на разгрузку

- разгрузки

- транспортирование

на черпание

- цикла

РК

К

Кузнецов Денис Никитич

Код_Кузнецов Денис Никитич

1. Номер цикла

2. Масса породы, т

3. Длина черпания, м

4. Время, с

-черпания

- транспортирование

на разгрузку

- разгрузки

- транспортирование

на черпание

- цикла

5. Энергия, квт

- черпания

- транспортирование

на разгрузку

- разгрузки

- транспортирование

на черпание

- цикла

Привода главных механизмов

РК

Привода главных механизмов

Код_Привода главных механизмов_

1. Ток подъема, А

2. Ток тяги, А

3. Ток поворота, А (100) Код_Геометрические показатели

РК

Геометрические показатели

FK

Код_Геометрические показатели

1. Высота разгрузки

2. Глубина черпания

3. Перепад высот

при движении на разгрузку

4. Перепад высот

при движении на черпание

5. Угол разворота платформы на разгрузку

6. Угол разворота платформы на черпание

7. Длина черпания

Код_Привода главных механизмов

Рис. 2. Фрагмент структуры информационной базы

Fig. 2. Fragment of information base structure

Рис. 3. Схема аппаратного обеспечения БИС

Fig. 3. Layout of on-board information system hardware support

OS ноября 2018 8:30 AM

Привода главных механизмов Ток подъема, А Ток тяги, А I 220~

253

Ток поворота, А 100

Опасные зоны

Растяжка

Переподъем | Перетяга

БРИГАДА I Иванов Сергей Михайлович

Текущие показатели

1. Номер цикла

2. Масса породы, т

3. Длина черпания, м

4. Время, сек -черпания

- транспортирование на разгрузку -разгрузки

- транспортирование на черпание -цикла

5. Энергия, квт

- черпания

- транспортирование на разгрузку -разгрузки

- транспортирование на черпание

- никла

Рис. 4. Пример экранного файла представления текущих показателей экскавации и степени безопасности работы

Fig. 4. Example of display of current excavation performance and operation safety

лайна является задача информирования машиниста о эффективности процесса экскавации на основе измеренных и вычисленных временных, энергетических и геометрических показателей. Важнейшей задачей информированности машиниста является задача представления ему данных о безопасности управления движением ковша драглайна в виде оценки степени удаленности от границ опасного приближения к голове и пяте стрелы, к зоне вокруг стреловой конструкции, а также визуализация значений токов главных приводов и степень их близости к стопорным значениям.

Границы безопасного рабочего пространства определяются соотношениями

'1 (г 12 (г 11 (г)+12 (г

где Р0, Р1, Р2, — конструктивные постоянные.

Степень приближения к границам опасных зон рабочего пространства изображается на экране монитора и при необходимости сопровождается звуком.

На рис 4. показан пример одного файла представления на экране монитора машиниста текущих показателей экскавации и степени безопасности работы. Необходимые преобразования данных, вычисления и представления на мониторе машиниста осушествляется программными средствами технологии SCADA.

Созданые БИС мощного шагающего экскаватора будут способствовать повышению его эксплуатационная производительности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Певзнер Л. Д. Автоматизированное управление мощными одноковшовыми экскаваторами. — М.: Изд-во «Горное дело», 2014. — 400с.

2. Knight P. F., Shank D. H. Dragline productivity improvements through short-term monitoring // Inst. Eng. Austral. 1990, № 3, pp. 100—103.

3. Ridley P., Corke P. Dragline automation // IEEE International Conference on Robotics and automation. 2001. Vol. 3. Pp. 3742—4747.

4. Носырев М. В. Расчет производительности экскаватора-драглайна // Известия вузов. Горный журнал. — 1988. — № 6.

5. Певзнер Л. Д. и др. Устройства для измерения координат движения ковша экскаватора-драглайна // Уголь. — 1996. — № 8. — С. 35—36.

6. Win Zaw Htay, Pevzner L. D. Development of Information Model of the Scada system to Enhance the process of Working Excavator. International Academic Conference on Engineering, Technology and Innovations (IACETI2016), Beijing, China, pp. 9—10.

7. Вин Зо Хтэй, Певзнер Л. Д., Темкин И. О. Структура информационной системы шагающего драглайна // Уголь. — 2019. — № 1.

8. Springer Handbook of Auomation, Publisher: Springer, DOI 10.1007/978-3540-78831-7, 2009. Pp. 154—168.

9. Malafeev S. I., NovgorodovA.A.. Design and implementation of electric drives and control systems for mining excavators. Publisher: Russian Electrical Engineering. October 2016, Vol. 87, Issue 10, Pp. 560—565. ЕИЗ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Вин Зо Хтэй1 — аспирант, e-mail: winzawhtay.msmu@gmail.com, Певзнер Леонид Давидович — доктор технических наук, профессор, Российский технологический университет «МИРЭА», e-mail: lpevzner@msmu.ru.

Темкин Игорь Олегович1 — доктор технических наук, профессор, e-mail: igortemkin@yandex.ru. 1 НИТУ «МИСиС».

ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2019. No. 2, pp. 190-196.

Algorithmic and hardware support for on-board information system of walking dragline excavator

Win Zaw Htay1, Graduate Student,

e-mail: winzawhtay.msmu@gmail.com,

Pevzner L.D., Doctor of Technical Sciences, Professor,

MIREA — Russian Technological University,

e-mail: lpevzner@msmu.ru.

Temkin I.O.1, Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail: igortemkin@yandex.ru.

1 National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia.

Abstract. The outputs of the algorithmic and hardware support engineering for on-board information system of walking dragline excavator are described. The algorithmic support includes procedures of: determining state transition points in a dragline; measuring or calculating time parameters in the current excavation cycle, rock weight in the bucket, power input of cycle implementation, current and integral characteristics of the process flow. Current state of an excavation cycle is defined using condition-action rules based on discrete measurements of currents of main drives, cable lengths, rotation angle and their time derivatives. The layouts of hardware support of on-board information systems and a fragment of the information base structure are presented.

Key words: on-board information system, algorithmic support, hardware support.

DOI: 10.25018/0236-1493-2019-02-0-190-196

REFERENCES

1. Pevzner L. D. Avtomatizirovannoe upravlenie moshchnymi odnokovshovymi ekskavatorami [Automatic control of high-capacity single-bucket excavator], Moscow, Izd-vo «Gornoe delo», 2014, 400 p.

2. Knight P. F., Shank D. H. Dragline productivity improvements through short-term monitoring. Inst. Eng. Austral. 1990, No 3, pp. 100-103.

3. Ridley P., Corke P. Dragline automation. IEEE International Conference on Robotics and automation. 2001. Vol. 3. Pp. 3742-4747.

4. Nosyrev M. V. Raschet proizvoditel'nosti ekskavatora-draglayna [Capacity calculation for dragline excavator], Izvestiya vuzov. Gornyyzhurnal. 1988, no 6. [In Russ].

5. Pevzner L. D. Ustroystva dlya izmereniya koordinat dvizheniya kovsha ekskavatora-draglayna [Device for measuring coordinates of dragline excavator bucket movements], Ugol', 1996, no 8, pp. 35—36. [In Russ].

6. Win Zaw Htay, Pevzner L. D. Development of Information Model of the Scada system to Enhance the process of Working Excavator. International Academic Conference on Engineering, Technology and Innovations (IACETI2016), Beijing, China, pp. 9—10.

7. Vin Zo Khtey, Pevzner L. D., Temkin I. O. Struktura informatsionnoy sistemy shagayushchego draglayna [Structure of information system of walking dragline excavator]. Ugol'. 2019, no 1. [In Russ].

8. Springer Handbook of Auomation, Publisher: Springer, DOI 10.1007/978-3540-78831-7, 2009. Pp. 154—168.

9. Malafeev S. I., Novgorodov A. A. Design and implementation of electric drives and control systems for mining excavators. Publisher: Russian Electrical Engineering. October 2016, Vol. 87, Issue 10, Pp. 560—565.

A