Automatyczne urządzenie przeładunkowe URB/ZS-3

Transkrypt

1 5 CUPRUM Czasopismo Naukowo-Techniczne Górnictwa Rud nr 4 (81) 2016, s Automatyczne urządzenie przeładunkowe URB/ZS-3 Krzysztof Krauze 1), Waldemar Rączka 1), Jarosław Konieczny 1), Marek Sibielak 1) 1) Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Streszczenie W referacie przedstawiono cel budowy i sposób automatyzacji urządzenia do rozbijania brył. Przeprowadzono analizę konstrukcji i sformułowano założenia projektowe oraz wymagania dla systemu automatycznego sterowania urządzeniem. Następnie zaproponowano rozwiązanie obejmujące układ wstępnego oczyszczania kraty i układ sterujący wysięgnikiem z hydraulicznym młotem udarowym. Do identyfikacji parametrów urobku przeanalizowano szereg metod wizyjnych oraz laserowych i radarowych. Opracowano i zaimplementowano algorytmy dla poszczególnych modułów automatycznego systemu sterowania młotem udarowym. Wykonano prototypowy system automatycznego sterowania młotem udarowym. Słowa kluczowe: maszyny górnicze, robotyzacja, sterowanie, automatyzacja Automatic ore loading point URB/ZS-3 Abstract The paper presents the purpose of the construction and method of automation of equipment breaking solids (URB). An analysis of the structure and formulating design assumptions was made for the system of automatic control device. Then it proposed a solution which includes the initial cleaning of the screen and arm control system with a hydraulic hammer. To identifying the parameters of excavated material analyzed a number of methods of video, laser and radar were made. Algorithms for the individual modules of the automatic control system striking hammer were developed and implemented. The prototype of automatic control system of arm with hydraulic hammer was made. Key words: mining machinery, robotics, control, automation Wstęp W kopalniach KGHM Polska Miedź S.A. minerał użyteczny transportowany jest za pomocą samojezdnych maszyn górniczych, a następnie przenośnikami taśmowymi do przyszybowych zbiorników retencyjnych i skipami na powierzchnię. Przeładunek ze środków odstawy nieciągłej na ciągłe systemy transportowe odbywa się w punktach przeładunkowych, zwanych popularnie kratami. Urobek w tym miejscu jest klasyfikowany na dwie frakcje nadziarno i podziarno. Pozostający na kracie urobek poddawany jest procesowi kruszenia za pomocą hydraulicznych młotów udarowych. Proces czyszczenia kraty z urobku trwa od kilku do kilkunastu minut. Obecnie w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A. zlokalizowanych jest około 250 punktów przesypowych. Operator młota narażony jest na oddziaływanie szeregu niekorzystnych czynników, dlatego konieczne jest odsunięcie miejsca pracy operatora od źródła zagrożeń z użyciem zdalnego sterowania. Urządzenie URB/ZS-1 umożliwia stero-

2 6 wanie młotem na odległość za pomocą pulpitu sterowniczego. Rozwiązanie to spełnia główne założenia, czyli zapewnia poprawę bezpieczeństwa i warunków pracy operatorów. Jednak nadal wymagany jest ciągły udział operatora w procesie rozładunku punktu przesypowego. Zwiększenie efektywności punktów przesypowych wymaga wykonania i wdrożenia w pełni automatycznego układu sterowania hydraulicznym młotem udarowym, przy jednoczesnym zastosowaniu układu do samooczyszczania kraty z podziarna. Na podstawie analizy układu URB/ZS-1, jego elementów składowych, funkcjonalności i zadań opracowano strukturę układu automatycznego oczyszczania kraty. Podstawą do opracowania struktury układu i jego zadań były przyjęte dodatkowe założenia: 80% zadania oczyszczania zostanie wykonane w cyklu automatycznym, ingerencja operatora będzie konieczna w 20% przypadków z użyciem zdalnego pulpitu, układ może być montowany na istniejących punktach przesypowych, co umożliwi szybkie stworzenie sieci punktów wyposażonych w układ automatycznego sterowania w razie awarii lub w przypadku konieczności ingerencji operatora będzie możliwość użycia układu zdalnego sterowania obecnie stosowanego w wersji URB/ZS-1. W związku z tym opracowano metodę, umożliwiającą samooczyszczenie się kraty wysypowej z urobku, stanowiącego podziarno oraz układ rozkruszania nadziarna. 1. Układ samooczyszczania kraty z podziarna Obecnie stosowane kraty nie mają układu samooczyszczania, co powoduje, że podziarno nie przesypuje się przez kratę, tworząc pryzmę. W dotychczasowym układzie pracy oddziałowego stanowiska przeładowczego rozgarnianiem pryzmy materiału zajmuje się operator, wykorzystując w tym celu młot hydrauliczny. Na podstawie wizji lokalnej oraz uwzględniając konstrukcję kraty przesypowej, opinii i wymagań użytkowników, opracowano szereg różnych koncepcji. Zaproponowano zastosowanie układu, który pozwoliłby bez udziału operatora i młota hydraulicznego na zmniejszenie ilości podziarna na kracie. Zaproponowano pięć koncepcji układów samooczyszczania kraty: drgania kraty w pionie, drgania kraty w poziomie, układ podnoszenie urobku z rozetą, układ podnoszonych łańcuchów, ruszt stały lub ruchomy dla krat nieprzejezdnych. Dla każdego z rozwiązań opracowano szczegółowo koncepcję oraz przedstawiono je w postaci modeli przestrzennych w programie do wspomagania projektowania inżynierskiego. Ponadto dla każdego z zaproponowanych rozwiązań podano istotne parametry techniczne ich podstawowych elementów. Każda z koncepcji została opracowana w taki sposób, aby możliwe było jej zastosowanie do obecnie istniejących rozwiązań krat bez konieczności wprowadzania zmian lub z nieznacznymi zmianami. Zaproponowane rozwiązania przeanalizowano szczegółowo oraz wybrane z nich poddano symulacjom komputerowym. W wyniku szczegółowej analizy obu koncepcji w aspekcie możliwości realizacji i skuteczności działania i uniwer-

3 7 salności podjęto decyzję o realizacji koncepcji kraty z drganiami poziomymi. Symulacja komputerowa, wykonana metodą elementów dyskretnych, wykazała, że drgania w płaszczyźnie poziomej zapewniają największą skuteczność oczyszczania w najkrótszym czasie. Rozwiązanie układu samooczyszczania kraty z drganiami poziomymi (rys. 1) polega na wprowadzeniu jej w drgania poziome z użyciem elektrowibratorów. Drgania kraty o właściwie dobranej amplitudzie i częstotliwości zapewnią szybkie oczyszczanie kraty z drobnego urobku, co w przyspieszy i uprości proces jej oczyszczania. Rys. 1. Układ napędu kraty W celu uzyskania drgań prostoliniowych za pomocą dwóch niezależnych elektrowibratorów musi wystąpić zjawisko samosynchronizacji, które polega na tym, że dwa jednomasowe wibratory bezwładnościowe, znajdujące się na wspólnej ramie i wprawiane w drgania osobnymi silnikami asynchronicznymi, w pewnych warunkach się samosynchronizują. Drugim rozwiązaniem jest zastosowanie wibratorów dwumasowych z synchonizacją wymuszoną. Trzecim sposobem wzbudzenia drgań jest zastosowanie napędu elektromagnetycznego. Rama wibracyjna dzięki posadowieniu na rolkach przemieszcza się swobodnie w poziomie, a do jej napędu wykorzystano dwa silniki wibracyjne (rys. 1). W celu zabezpieczenia i ograniczenia amplitudy drgań zaproponowano układ sprężynująco- -tłumiący, składający się z czterech sprężyn i odbojników elastomerowych. Dodatkowo, przeprowadzono symulację kraty obciążonej urobkiem i dobrano oraz zweryfikowano parametry sprężyn, tłumików oraz wibratora. Dla dobranych parametrów zaprojektowano model układu z zamontowanymi silnikami wibracyjnymi. Przewiduje się montaż wyżej opisanego rozwiązania do istniejących krat, wiąże się ono jednak z koniecznością niewielkiej modernizacji układu osłon. Wykorzystując narzędzia wspierające projektowanie prac inżynierskich, możliwe jest przeanalizowanie, na podstawie odpowiednich badań modelowych, skuteczności działania układów oczyszczania kraty w wybranych koncepcjach. W związku z tym opracowana została dokumentacja techniczna wybranego rozwiązania. Należy wyraźnie podkreślić, że zaproponowane rozwiązanie nie ma obecnie swojego odpowiednika, co czyni go w pełni innowacyjnym. Zaletami wybranego roz-

4 8 wiązania jest skuteczność procesu oczyszczania przy nieznacznej modyfikacji istniejącego rozwiązania punktu przesypowego (podniesienie osłon przesypu, zmiana mocowania podestów obsługi). Drugą zaletą jest możliwość współpracy z młotem hydraulicznym przy procesie samooczyszczania. Wadami rozwiązania jest przenoszenie drgań na konstrukcję nośną, podniesienie kraty względem dotychczasowych rozwiązań oraz nieznaczne skomplikowanie konstrukcji. Rozwiązanie będzie charakteryzowało się większą skutecznością, gdyż zostanie zwiększona pojemność zbiornika urobku zabudowanego pod kratą 2. Koncepcja rozkruszania nadziarna Na podstawie przeprowadzonych analiz cyklu pracy karty, czasu oczyszczania kraty, urobku zalegającego na kracie, i konstrukcji kraty sformułowano dwa algorytmy układu automatycznej pracy punktu przesypowego. Algorytm 1 powstał przy założeniu, że będzie dotyczył nowo budowanych punktów przesypowych polega on na wykorzystaniu układu samooczyszczania kraty (rys. 2a). Algorytm 2 opracowano, zakładając, że będzie się odnosił do już istniejących modernizowanych punktów przesypowych (rys. 2b). W tym przypadku nie ma układu samooczyszczania, a drobny urobek jest przegarniany za pomocą młota. W obu przypadkach natomiast po wykryciu nadziarna układ automatycznie rozkrusza go z użyciem młota hydraulicznego. Najważniejsza jest identyfikacja pryzmy urobku i jest to podstawowe zadanie układu automatycznego oczyszczania kraty. Bardzo ważny jest dobór sprzętu do tego zadania. Wynikiem jego realizacji ma być zidentyfikowany, zalegający na kracie urobek. Dostarczanie do układu sterowania danych w postaci cyfrowej o kształcie i położeniu pryzmy urobku lub o kształcie i położeniu nadziaren daje możliwość jego usunięcia. Dzięki wyposażeniu urządzenia URB w zespół do identyfikacji kształtu urządzenie to staje się ono de facto robotem, który w sposób autonomiczny wykrywa położenie urobku na kracie, a następnie podejmuje działania, mające na celu oczyszczenie kraty. Biorąc to pod uwagę, podjęto szereg prac koncepcyjnych, mających na celu sformułowanie wymaganych cech tego sprzętu. Uwzględniono: wyznaczony cel, warunki panujące na punktach przesypowych, rozmiary kraty, wysokość wyrobiska, rozmiar poprzeczek kraty oraz wymagania układu sterowania. Przyjęto następujące założenia: skaner musi dostarczać informacje o rozłożeniu urobku na kracie w postaci trójwymiarowej powierzchni, obrazującej rozkład urobku drobnego lub nadgabarytów, dane w postaci punktów muszą być podane w układach cylindrycznym, sferycznym lub kartezjańskim, rozdzielczość układu w kierunkach x, y, z 20 mm, czas skanowania całej kraty max 10 s, powtarzalność 20 mm, interfejs cyfrowy Ethernet stopień ochrony co najmniej IP54.

5 9 a) b) Rys. 2. Struktura układu SAM a) algorytm 1, b) algorytm 2 Przeprowadzono szereg prac koncepcyjnych, analiz i eksperymentów, w celu właściwego wyboru sprzętu pomiarowo-sterującego. Przeanalizowano układy wizyjne jedno- i wielokamerowe, sensory głębi, skanery 3D laserowy i radarowy. W wyniku przeprowadzonych analiz i eksperymentów wykazano, że do właściwej identyfikacji położenia urobku można użyć laserowego lub mikrofalowego skanera 3D. Opracowano układ pomiarowo-sterujący. Zaprojektowany układ zbudowano, zamontowano na URB i przetestowano wstępnie na powierzchni. Stanowisko badawcze przedstawiono na rys. 3.

6 10 Rys. 3. Stanowisko do badan urządzeń URB Finansowanie Praca dofinansowana przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju i KGHM Polska Miedź S.A. w ramach projektu CuBR/II/1/NCBR/2015, KGHM-BZ-U Podsumowanie W wyniku przeprowadzonych prac zaprojektowano i wykonano układ sterujący o budowie modułowej. Do identyfikacji parametrów urobku przeanalizowano szereg metod wizyjnych oraz laserowych i radarowych. Do dalszych prac wybrano skaner laserowy. Skaner laserowy przetestowano w kopalni na wybranym punkcie przesypowym. Opracowano i zaimplementowane algorytmy dla poszczególnych modułów automatycznego systemu sterowania młotem udarowym. Wykonano system automatycznego sterowania młotem udarowym. Przeprowadzono badania laboratoryjne, a następnie stanowiskowe na rzeczywistym URB/ZS-1. Czynności te zweryfikowały przyjęte założenia oraz działania poszczególnych modułów systemu. Przeprowadzone badania pokazały, że jest możliwe opracowanie automatycznego układu sterowania wysięgnikiem z młotem hydraulicznym, działającym autonomicznie, ze zdalnym nadzorem operatora. W dalszych pracach zostaną przeprowadzone na powierzchni testy całego układu. Usunięte zostaną zauważone usterki.

7 11 Bibliografia [1] Krauze K., Rączka W., Sibielak M, Konieczny J., Micek P., 2015, Stanowisko diagnostyczne do diagnostyki młotów udarowych. Mechanizacja, automatyzacja i robotyzacja w górnictwie: II Międzynarodowa Konferencja, Ustroń. [2] Krauze K., Pluta J., Podsiadło A., Micek P., 1996, Badanie ciężkich młotów hydraulicznych. Maszyny Górnicze, 14 nr 5/59. [3] Micek P., Pluta J., Podsiadło A., Sibielak M., 1996, Control and monitoring system of hydraulic testing machine. ASRTP '96 : proceedings of 12th international conference on Process control and simulation, September 10-13, 1996, Košice, Slovak Republic. [4] Krauze K., Pluta J., Podsiadło A., Micek P., 1997, Diagnostic tests of hydraulic hammers. 9 th International mining conference Control of process of raw materials' reclaiming and treatment. September 2-5, 1997, Slovakia. [5] Micek P., 2000, Modelling and hydraulic breaker simulation test. ICCC'2000: proceedings of International Carpathian Control Conference. High Tatras, Podbanské May 23-26, [6] Ziętkowski L., 2007, Badania rozspajania bloków skalnych i betonowych metodą elektrohydrauliczną, Rozprawa doktorska, AGH Kraków. [7] Hawrylak H., Korzeń Z., Sokolski M., 1989, Experimental Investigation of Dynamical Pheno-mena in Hydraulic Hammers In Mining Industry, Międzynarodowa Konferencja Naukowa Dynamika Maszyn Górniczych DYNAMACH 89, Zeszyty Politechniki Śląskiej, nr 1043, Górnictwo, zeszyt 180, Gliwice. [8] Korzeń Z., Sokolski M., 1992, Badania młotów hydraulicznych do aktywnego i udarowego wspomagania procesu roboczego narzędzi urabiajach w górniczych strugach dynamicznych, Napęd i Sterowanie Hydrauliczne, Rocznik 12, nr 11. [9] Korzeń Z., Sokolski M., 1982, Matematyczne modelowanie efektywności przekazywania energii wymuszenia udarowego w procesie rozbijania ponadwymiarowych brył skalnych, III Konferencja Naukowa Problemy Urabiania i Przeróbki Skał, Kraków. [10] Krauze K.: Laska Z., Szykowny K., 2000, Stanowisko diagnostyczne młotów hydraulicznych. Przegląd Mechaniczny, nr 20, Warszawa. [11] Sokolski M., Pieczonka K., 1980, Dyspozycyjna energia w procesie rozdrabniania brył skalnych udarem hydraulicznym, Zeszyty naukowe WSI w Opolu, Seria: Konferencje Mechanika, zeszyt nr 18, Opole.

8 12