Automatyczne urządzenie przeładunkowe URB/ZS-3
Krzysztof Krauze1), Waldemar Rączka1), Jarosław Konieczny1), Marek Sibielak1)
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 rozwiąza-nie obejmujące układ wstępnego oczyszczania kraty i układ sterujący wysięgnikiem z hydrau-licznym 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. Wy-konano prototypowy system automatycznego sterowania młotem udarowym.
Słowa kluczowe: maszyny górnicze, robotyzacja, sterowanie, automatyzacja
Automatic ore loading point URB/ZS-3
AbstractThe 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 identi-fying 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 sys-tem 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 punk-tach 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 niekorzyst-nych czynników, dlatego konieczne jest odsunięcie miejsca pracy operatora od źró-dła zagrożeń z użyciem zdalnego sterowania. Urządzenie URB/ZS-1 umożliwia stero-
wanie młotem na odległość za pomocą pulpitu sterowniczego. Rozwiązanie to speł-nia główne założespeł-nia, czyli zapewspeł-nia poprawę bezpieczeństwa i warunków pracy operatorów. Jednak nadal wymagany jest ciągły udział operatora w procesie rozła-dunku punktu przesypowego. Zwiększenie efektywności punktów przesypowych wymaga wykonania i wdrożenia w pełni automatycznego układu sterowania hydrau-licznym młotem udarowym, przy jednoczesnym zastosowaniu układu do samoocz-yszczania kraty z podziarna.
Na podstawie analizy układu URB/ZS-1, jego elementów składowych, funkcjo-nalności 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
zdal-nego pulpitu,
układ może być montowany na istniejących punktach przesypowych, co umożliwi szybkie stworzenie sieci punktów wyposażonych w układ automa-tycznego sterowania
w razie awarii lub w przypadku konieczności ingerencji operatora będzie możliwość użycia układu zdalnego sterowania obecnie stosowanego w wer-sji 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 pod-ziarno 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 przedsta-wiono je w postaci modeli przestrzennych w programie do wspomagania projekto-wania inżynierskiego. Ponadto dla każdego z zaproponowanych rozwiązań podano istotne parametry techniczne ich podstawowych elementów. Każda z koncepcji zo-stała opracowana w taki sposób, aby możliwe było jej zastosowanie do obecnie istniejących rozwiązań krat bez konieczności wprowadzania zmian lub z nieznacz-nymi zmianami. Zaproponowane rozwiązania przeanalizowano szczegółowo oraz wybrane z nich poddano symulacjom komputerowym. W wyniku szczegółowej anali-zy obu koncepcji w aspekcie możliwości realizacji i skuteczności działania i
uniwer-salności podjęto decyzję o realizacji koncepcji kraty z drganiami poziomymi. Symu-lacja komputerowa, wykonana metodą elementów dyskretnych, wykazała, że drga-nia w płaszczyźnie poziomej zapewdrga-niają największą skuteczność oczyszczadrga-nia w najkrótszym czasie. Rozwiązanie układu samooczyszczania kraty z drganiami poziomymi (rys. 1) polega na wprowadzeniu jej w drgania poziome z użyciem elek-trowibratorów. Drgania kraty o właściwie dobranej amplitudzie i częstotliwości za-pewnią 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 elek-trowibratorów 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 dwu-masowych 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. Dodat-kowo, przeprowadzono symulację kraty obciążonej urobkiem i dobrano oraz zwery-fikowano 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, skuteczno-ści działania układów oczyszczania kraty w wybranych koncepcjach.
W związku z tym opracowana została dokumentacja techniczna wybranego roz-wiązania. Należy wyraźnie podkreślić, że zaproponowane rozwiązanie nie ma obecnie swojego odpowiednika, co czyni go w pełni innowacyjnym. Zaletami wybranego roz-
wiązania jest skuteczność procesu oczyszczania przy nieznacznej modyfikacji istnie-jącego rozwiązania punktu przesypowego (podniesienie osłon przesypu, zmiana mocowania podestów obsługi). Drugą zaletą jest możliwość współpracy z młotem hydraulicznym przy procesie samooczyszczania. Wadami rozwiązania jest przeno-szenie drgań na konstrukcję nośną, podniesienie kraty względem dotychczasowych rozwiązań oraz nieznaczne skomplikowanie konstrukcji. Rozwiązanie będzie cha-rakteryzowało 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 kra-ty, 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 punk-tów przesypowych – polega on na wykorzystaniu układu samooczyszczania kraty (rys. 2a). Algorytm 2 opracowano, zakładając, że będzie się odnosił do już istnieją-cych 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 rozkru-sza 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 urządze-nie to staje się ono de facto robotem, który w sposób autonomiczny wykrywa poło-żenie urobku na kracie, a następnie podejmuje działania, mające na celu oczysz-czenie 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 wyrobi-ska, rozmiar poprzeczek kraty oraz wymagania układu sterowania. Przyjęto nastę-pujące założenia:
skaner musi dostarczać informacje o rozłożeniu urobku na kracie w postaci trójwymiarowej powierzchni, obrazującej rozkład urobku drobnego lub nad-gabarytów,
dane w postaci punktów muszą być podane w układach cylindrycznym, sfe-rycznym lub kartezjańskim,
rozdzielczość układu w kierunkach x, y, z – 20 mm, czas skanowania całej kraty – max 10 s,
powtarzalność – 20 mm, interfejs cyfrowy – Ethernet
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 wizyj-ne jedno- i wielokamerowe, sensory głębi, skawizyj-nery 3D laserowy i radarowy. W wyni-ku przeprowadzonych analiz i eksperymentów wykazano, że do właściwej identyfi-kacji położenia urobku można użyć laserowego lub mikrofalowego skanera 3D. Opracowano układ pomiarowo-sterujący. Zaprojektowany układ zbudowano, zamon-towano na URB i przeteszamon-towano wstępnie na powierzchni. Stanowisko badawcze przedstawiono na rys. 3.
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-0737-2015.
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 przesy-powym.
Opracowano i zaimplementowane algorytmy dla poszczególnych modułów au-tomatycznego systemu sterowania młotem udarowym. Wykonano system automa-tycznego sterowania młotem udarowym.
Przeprowadzono badania laboratoryjne, a następnie stanowiskowe na rzeczywi-stym URB/ZS-1. Czynności te zweryfikowały przyjęte założenia oraz działania po-szczególnych modułów systemu. Przeprowadzone badania pokazały, że jest możli-we opracowanie automatycznego układu sterowania wysięgnikiem z młotem hydrau-licznym, działającym autonomicznie, ze zdalnym nadzorem operatora. W dalszych pracach zostaną przeprowadzone na powierzchni testy całego układu. Usunięte zostaną zauważone usterki.
Bibliografia
[1] Krauze K., Rączka W., Sibielak M, Konieczny J., Micek P., 2015, Stanowisko diagno-styczne 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 hydraulicz-nych. 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
ham-mers.
9th 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: proceed-ings of International Carpathian Control Conference. High Tatras, Podbanské May 23-26, 2000.
[6] Ziętkowski L., 2007, Badania rozspajania bloków skalnych i betonowych metodą elek-trohydrauliczną, 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 Ślą-skiej, nr 1043, Górnictwo, zeszyt 180, Gliwice.
[8] Korzeń Z., Sokolski M., 1992, Badania młotów hydraulicznych do aktywnego i udarowe-go wspomagania procesu roboczeudarowe-go narzędzi urabiajach w górniczych strugach dyna-micznych, 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 hydraulicz-nych. 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.
