Автоматизированная система управления тоннелепроходческой машиной
|
Аннотация
ВВЕДЕНИЕ 8
1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ОПИСАНИЕ
ОБОРУДОВАНИЯ 10
1.1 Способы разработки грунта, проходки тоннелей и производства работ ... 10
1.2 Описание проходческих комбайнов, алгоритма их работы 17
1.2.1 Щитовые проходческие комбайны 19
1.2.2 Проходческие комбайны избирательного действия 21
1.3 Цель и задачи автоматизации, требования к системе автоматизации 30
1.4 Обзор существующих вариантов автоматизации технологического
процесса 32
1.4.1 Обзор производителей тоннелепроходческих комбайнов 32
1.4.2 Обзор компаний, занимающихся автоматизацией горнодобывающей
техники 34
1.4.3 Обзор статей и научных работ 41
1.4.4 Подведение итогов обзора существующих вариантов автоматизации
технологического процесса 44
1.5 Разработка архитектуры систем автоматизации 44
Выводы по главе 1 45
2 РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ .... 46
2.1 Разработка модели системы автоматизации 46
2.2 Выбор технических средств автоматизации 46
2.2.1 Изучение технических ограничений в условиях работы 46
2.2.2 Выбор типа и модели используемых датчиков 47
2.2.3 Описание работы датчиков LiDAR 47
2.2.4 Обзор производителей датчиков LiDAR 56
2.2.5 Описание требований к лидару 63
2.2.6 Выбор используемой модели лидара 63
2.2.1 Выбор обрабатывающего устройства 67
2.2.8 Выбор ПЛК 70
2.2.9 Выбор коммутатора 72
2.3 Разработка структурной схемы автоматизации 73
2.4 Разработка функциональной схемы автоматизации 74
2.5 Разработка алгоритма управления и программного обеспечения системы
автоматизации 75
2.5.1 Протокол передачи данных датчика LiDAR 75
2.5.2 Изучение записанных данных 78
2.5.3 Изучение SDK LSLIDAR 81
2.5.4 Анализ передаваемых данных 85
2.5.5 Определение положения корпуса комбайна 89
2.5.6 Передача данных с ПК на ПЛК 97
2.6 Моделирование типового технологического режима 99
2.6.1 SDK 99
2.6.2 Модуль lidar_data_processor.cpp 100
2.6.3 Модуль modbus_sender.cpp 103
Выводы по главе 2 105
3 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ 107
3.1 Расчет сметы капитальных затрат 107
3.2 Расчет расходов на содержание и эксплуатацию оборудования 110
3.2.1 Расчет годовой суммы амортизации 110
3.2.2 Расчет прочих затрат 111
3.3 Расчет прибыли и показателей рентабельности 111
3.4 Расчет срока окупаемости проекта 113
3.5 Сводная таблица технико-экономических расчетов 115
Выводы по главе 3 116
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 118
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 120
ПРИЛОЖЕНИЯ 123
ПРИЛОЖЕНИЕ А 123
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 124
ПРИЛОЖЕНИЕ В 125
ВВЕДЕНИЕ 8
1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ОПИСАНИЕ
ОБОРУДОВАНИЯ 10
1.1 Способы разработки грунта, проходки тоннелей и производства работ ... 10
1.2 Описание проходческих комбайнов, алгоритма их работы 17
1.2.1 Щитовые проходческие комбайны 19
1.2.2 Проходческие комбайны избирательного действия 21
1.3 Цель и задачи автоматизации, требования к системе автоматизации 30
1.4 Обзор существующих вариантов автоматизации технологического
процесса 32
1.4.1 Обзор производителей тоннелепроходческих комбайнов 32
1.4.2 Обзор компаний, занимающихся автоматизацией горнодобывающей
техники 34
1.4.3 Обзор статей и научных работ 41
1.4.4 Подведение итогов обзора существующих вариантов автоматизации
технологического процесса 44
1.5 Разработка архитектуры систем автоматизации 44
Выводы по главе 1 45
2 РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ .... 46
2.1 Разработка модели системы автоматизации 46
2.2 Выбор технических средств автоматизации 46
2.2.1 Изучение технических ограничений в условиях работы 46
2.2.2 Выбор типа и модели используемых датчиков 47
2.2.3 Описание работы датчиков LiDAR 47
2.2.4 Обзор производителей датчиков LiDAR 56
2.2.5 Описание требований к лидару 63
2.2.6 Выбор используемой модели лидара 63
2.2.1 Выбор обрабатывающего устройства 67
2.2.8 Выбор ПЛК 70
2.2.9 Выбор коммутатора 72
2.3 Разработка структурной схемы автоматизации 73
2.4 Разработка функциональной схемы автоматизации 74
2.5 Разработка алгоритма управления и программного обеспечения системы
автоматизации 75
2.5.1 Протокол передачи данных датчика LiDAR 75
2.5.2 Изучение записанных данных 78
2.5.3 Изучение SDK LSLIDAR 81
2.5.4 Анализ передаваемых данных 85
2.5.5 Определение положения корпуса комбайна 89
2.5.6 Передача данных с ПК на ПЛК 97
2.6 Моделирование типового технологического режима 99
2.6.1 SDK 99
2.6.2 Модуль lidar_data_processor.cpp 100
2.6.3 Модуль modbus_sender.cpp 103
Выводы по главе 2 105
3 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ 107
3.1 Расчет сметы капитальных затрат 107
3.2 Расчет расходов на содержание и эксплуатацию оборудования 110
3.2.1 Расчет годовой суммы амортизации 110
3.2.2 Расчет прочих затрат 111
3.3 Расчет прибыли и показателей рентабельности 111
3.4 Расчет срока окупаемости проекта 113
3.5 Сводная таблица технико-экономических расчетов 115
Выводы по главе 3 116
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 118
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 120
ПРИЛОЖЕНИЯ 123
ПРИЛОЖЕНИЕ А 123
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 124
ПРИЛОЖЕНИЕ В 125
Тоннелепроходческий комбайн - это специальная машина для проходки горных пород при строительстве подземных сооружений и горных выработок различного назначения. Он разрушает горные породы механизированным способом, погружает отработанные породы в транспортные средства, выполняет вспомогательные операции. Существуют разные типы тоннелепроходческих комбайнов в зависимости от типа поверхности, сечения тоннеля и способа разрушения забоя. Например, некоторые комбайны оснащены гидромолотом и ковшом для проходки мягких пород и пород средней твердости с изменяющейся геологией, а другие - роторным или стреловидным исполнительным органом. Тоннелепроходческие комбайны применяются для прокладывания тоннелей различного назначения, например, для метро, железных дорог, водопроводов, электрокабелей. Они обладают преимуществом перед буровзрывным способом тем, что не слишком затрагивают окружающий грунт и позволяют скорее добиться ровных стенок будущего тоннеля. Однако они также имеют недостатки, такие как высокая стоимость и трудности с транспортировкой к месту работ.
Автоматизированная система управления тоннелепроходческим комбайном (АСУ ТПК) - это комплекс технических и программных средств, позволяющих осуществлять контроль и регулирование параметров работы комбайна в автоматизированном режиме. АСУ ТПК дает следующие преимущества:
• повышение производительности и качества проходки тоннелей за счет оптимизации скорости и нагрузки на разрушающий орган, а также поддержания заданной траектории движения комбайна;
• снижение затрат на обслуживание и ремонт комбайна за счет своевременного выявления и устранения неисправностей, а также защиты от перегрузок, перегревов и других аварийных ситуаций;
• улучшение условий труда операторов за счет сокращения физической и психологической нагрузки, а также повышения безопасности работы в сложных геологических условиях;
• уменьшение вмешательств человека и риска при проходке туннелей, особенно в опасных условиях;
• повышение производительность и эффективность процесса проходки туннеля за счет оптимизации скорости проходки, мощности и давления проходческого комбайна в зависимости от горных пород;
• экономия времени и денег от умения потребности в съемке, маркировке и ручной коррекции профиля туннеля.
Цель данной выпускной квалификационной работы - разработка системы позиционирования комбайна в тоннеле с целью создания автоматизированной системы управления исполнительным органом комбайна. Для решения поставленной цели планируется выполнение следующих задач:
• изучение техпроцесса проходки тоннелей тоннелепроходческим комбайном;
• обзор существующих вариантов автоматизации;
• выбор типа датчиков для позиционирования;
• подбор всего оборудования для сбора цельной системы;
• написание программы, соединяющей все части системы;
• выполнение технико-экономической расчёты.
Автоматизированная система управления тоннелепроходческим комбайном (АСУ ТПК) - это комплекс технических и программных средств, позволяющих осуществлять контроль и регулирование параметров работы комбайна в автоматизированном режиме. АСУ ТПК дает следующие преимущества:
• повышение производительности и качества проходки тоннелей за счет оптимизации скорости и нагрузки на разрушающий орган, а также поддержания заданной траектории движения комбайна;
• снижение затрат на обслуживание и ремонт комбайна за счет своевременного выявления и устранения неисправностей, а также защиты от перегрузок, перегревов и других аварийных ситуаций;
• улучшение условий труда операторов за счет сокращения физической и психологической нагрузки, а также повышения безопасности работы в сложных геологических условиях;
• уменьшение вмешательств человека и риска при проходке туннелей, особенно в опасных условиях;
• повышение производительность и эффективность процесса проходки туннеля за счет оптимизации скорости проходки, мощности и давления проходческого комбайна в зависимости от горных пород;
• экономия времени и денег от умения потребности в съемке, маркировке и ручной коррекции профиля туннеля.
Цель данной выпускной квалификационной работы - разработка системы позиционирования комбайна в тоннеле с целью создания автоматизированной системы управления исполнительным органом комбайна. Для решения поставленной цели планируется выполнение следующих задач:
• изучение техпроцесса проходки тоннелей тоннелепроходческим комбайном;
• обзор существующих вариантов автоматизации;
• выбор типа датчиков для позиционирования;
• подбор всего оборудования для сбора цельной системы;
• написание программы, соединяющей все части системы;
• выполнение технико-экономической расчёты.
В данной выпускной квалификационной работе была разработана система автоматического позиционирования тоннелепроходческого комбайна.
Были изучены: технологический процесса проходки тоннелей, принцип работы тоннелепроходческих комбайнов избирательного действия, условия их работы. Затем был проведён поиск существующих вариантов автоматизации.
Используя полученные знания, была составлена структурная схема, которая содержит: ПЛК, промышленный компьютер, промышленный коммутатор, 3 датчика LiDAR.
В качестве промышленного компьютера была выбран модель «ПК-2» (ЛЯЮИ.467444.020) российского производителя ПАО «ИНЭУМ им. И.С. Брука», главной отличительной особенностью которого является российский процессор 1891ВМ11Я (Эльбрус-1С+).
В качестве промышленного коммутатора будет использоваться также модель отечественного производителя, а именно КАМ-1008Н8 производителя «МОРИОН».
К сожалению, на текущий момент не существует российских датчиков LiDAR, способных удовлетворить требования к системе автоматизации. Поэтому это место будут занимать лидары китайского производителя LSLIDAR, модели N301-P.
Анализируя результаты сканирований, предоставленных LSLIDAR, было проведено исследование различных способов фильтрации поступающих данных, среди них был выбран наиболее удачный, метод фильтрации до двух стандартных отклонений. Также были рассмотрены варианты передачи обработанных данных с промышленного компьютера на ПЛК, выбор остановился на протоколе Modbus, так как его поддерживают большое количество моделей ПЛК.
После изучения всей информации и проведения тестов и отладок, используя SDK от LSLIDAR была написана программа на языке C++, использующая в себе все наработки из первоначального исследования и опыт программистов LSLIDAR. Каждая часть программы была протестирована на записях сканирований. Также была протестирована область программы, отвечающая за передачу данных по Modbus. На данный момент программа может считаться полностью рабочей.
В итоге получилась инновационная система, не имеющая аналогов, которая на этапе автоматизированной системы позволит увеличить точность обработки забоя до 5 см, увеличить эффективность тоннелепроходческого комбайна, уменьшить износ режущей части. На следующем этапе, когда удастся создать полностью автоматическую систему, станет возможным убрать оператора комбайна из тоннеля, что значительно уменьшит количество человеческих жертв и улучшит условия работы.
Были изучены: технологический процесса проходки тоннелей, принцип работы тоннелепроходческих комбайнов избирательного действия, условия их работы. Затем был проведён поиск существующих вариантов автоматизации.
Используя полученные знания, была составлена структурная схема, которая содержит: ПЛК, промышленный компьютер, промышленный коммутатор, 3 датчика LiDAR.
В качестве промышленного компьютера была выбран модель «ПК-2» (ЛЯЮИ.467444.020) российского производителя ПАО «ИНЭУМ им. И.С. Брука», главной отличительной особенностью которого является российский процессор 1891ВМ11Я (Эльбрус-1С+).
В качестве промышленного коммутатора будет использоваться также модель отечественного производителя, а именно КАМ-1008Н8 производителя «МОРИОН».
К сожалению, на текущий момент не существует российских датчиков LiDAR, способных удовлетворить требования к системе автоматизации. Поэтому это место будут занимать лидары китайского производителя LSLIDAR, модели N301-P.
Анализируя результаты сканирований, предоставленных LSLIDAR, было проведено исследование различных способов фильтрации поступающих данных, среди них был выбран наиболее удачный, метод фильтрации до двух стандартных отклонений. Также были рассмотрены варианты передачи обработанных данных с промышленного компьютера на ПЛК, выбор остановился на протоколе Modbus, так как его поддерживают большое количество моделей ПЛК.
После изучения всей информации и проведения тестов и отладок, используя SDK от LSLIDAR была написана программа на языке C++, использующая в себе все наработки из первоначального исследования и опыт программистов LSLIDAR. Каждая часть программы была протестирована на записях сканирований. Также была протестирована область программы, отвечающая за передачу данных по Modbus. На данный момент программа может считаться полностью рабочей.
В итоге получилась инновационная система, не имеющая аналогов, которая на этапе автоматизированной системы позволит увеличить точность обработки забоя до 5 см, увеличить эффективность тоннелепроходческого комбайна, уменьшить износ режущей части. На следующем этапе, когда удастся создать полностью автоматическую систему, станет возможным убрать оператора комбайна из тоннеля, что значительно уменьшит количество человеческих жертв и улучшит условия работы.
