Н И Стадник - Управление мехатронными горными машинами - страница 1

Страницы:
1  2 

УДК 622.232

Н.И. Стадник (д-р техн. наук) Донецкий национальный технический университет

 

УПРАВЛЕНИЕ МЕХАТРОННЫМИ ГОРНЫМИ МАШИНАМИ

Обоснованы новые подходы в решении вопроса построения систем управления мехатронными горными машинами.

Ключевые слова: управление, мехатронные объекты, декомпозиция функ­циональных требований.

 

Проблема и ее связь с научными и практическими задачами.

В Украине разработано горно-шахтное оборудование нового по­коления, отвечающее современным требованиям [1, 2, 3]. Высокий уровень технических параметров, значительное расширение функ­циональных возможностей машин, требования к повышению безо­пасности их эксплуатации объективно привели к значительному по­вышению в их составе удельного веса информационных компонент и устройств силовой электроники.

Постановка задачи. Вместе с этим оснащение горных машин многофункциональными системами автоматизированного управления нового поколения с высоким уровнем диагностики, с целью повыше­ния эффективности использования машин, надежности эксплуатации, снижения трудоемкости обслуживания и повышения безопасности работы стало важной практической задачей.

Изложение материала и результаты. Новый уровень требо­ваний привел к превращению горных машин из электромеханических систем в мехатронные, характеризующиеся тем, что машины органи­чески содержат «интеллектуальную» составляющую. Последнее об­стоятельство играет весьма существенную роль при формировании функционального состава требований систем автоматизации.

Задача разработки системы управления заключается в синтезе функциональной структуры и на ее базе - аппаратной и программной структуры с учетом наличия «интеллекта» в составе мехатронных модулей. Комплекс технических средств управления, как сложная система, должен проектироваться, используя системный подход, сущность которого состоит в комплексном рассмотрении всех частей системы и объекта управления (мехатронного модуля). На рис.1 представлена структурная схема мехатронного модуля - комбайна

 

©   ■ Стадник Н.И., 2012

(М), включающего систему управления (С). Модемы (Мод 1) и (Мод 2) обеспечивают обмен информации между информационной компо­нентой мехатронного модуля (ИМ) и внешней системой управления (ИС), а также гальваническую развязку.

М


Им


С


Ис


 

 

1

 

2

 


 

 

 

 

3


 

 

 

 

4


 

 

 

 

 

...

Мод 2 ж-

т         

Мод 1

Рис. 1. Структурная схема мехатронного модуля:


 

1       2       3      4      ... n

Т = {ТМ, ТС}.

Процедура декомпозиции множества требований на подмноже­ства ТМ и ТС является наиболее ответственным и трудоемким этапом в процессе проектирования, т.к. она определяет структуру системы управления, а, следовательно, ее надежностные, стоимостные, экс­плуатационные, технологические и др. свойства. Наиболее целесооб­разной представляется структура, при которой информационная ком­понента мехатронного модуля (Им) выполняет полный состав функ­циональных требований и через собственный интерфейс связана с пе­риферийными устройствами, входящими в состав системы управле­ния (Ис). Однако реализовать на практике такой подход зачастую не­возможно из-за ограничений по габаритам, встраиваемых в меха-тронные объекты элементов систем управления, недостаточной ис-кробезопасной мощности существующих источников питания при сравнительно большой мощности, потребляемой известными микро­контроллерами, ограниченной скоростью передачи информации по существующим линиям связи и т.п. В связи с тем, что в настоящее время формальные способы такой декомпозиции находятся в стадии разработки, эта задача решается эвристическим методом с присущи­ми ему достоинствами и недостатками.

Учитывая сказанное, изложим суть подхода. Все элементы мно­жества требований ТМ разделим на подмножества по функциональ­ной ориентации. Полный функциональный вектор мехатронного мо­дуля:

Т-М _       м    ^ м  ^  м    ^ м    ^   м і
1          {ly ,   l , Іб   ,   чс ,   '-и   , ...},

где іум, t/, ^м, t/, іим подмножества функций соответственно: управления, контроля, блокировки, сигнализации, информации и др.

Каждое подмножество состоит из единичных функциональных операторов т:

t м = { т м    т м}

1у        \ [1]у1 , ■■■  [2]уг /

t м = {т м т м}
4с       \           • Licy /

t м = {т   м       т м}

 

 

Полный функциональный вектор для системы управления:

Тс = {t с, t с, t с, t с, t с, ... }

и подмножества функциональных операторов:

ty       { tyi , ••• tyz }

 

 

 

 

 

В табл. І представлена таблица соответствия (смежности) мно­жеств функциональных требований объекта управления и системы управления. Функциональные операторы, составляющие множество требований, характеризуются наличием или отсутствием необходи­мости реализации в объекте или системе управления. Если i-е требо­вание подлежит реализации, то оператор t=1, в противном случае t=0. Множество единичных операторов представляет собой функ­циональный вектор.

ТаблицаІ - Таблица смежности

Множество функциональных операторов

По управлению:

1уІ"- Lyz _c c

м

 

По контролю:

м

 

тку'

По блокировкам:

ТбІ... Тбх

ТбІ... Тбх' По сигнализации:

мм тсІ... тс1

тсІ... тсГ

м

По информации:

м

 

І-


 

Реализация функциональных операторов

Мехатронный объект (М)

Система управления (С)

І

 

0

0

 

І

І

 

0

0

 

І

І

 

0

0

 

І

0

 

І

0

 

І

0

 

І

0

 

І

и т.д. по всем функциональным требованиям.

 

 

 

22І

На основании табл. 1 запишем матрицу генерального функцио­нального вектора для совокупности: мехатронный модуль - система управления (М+С):

T


 

ty1..

 

тс ..

т у1..

с

. тyz'

тк1..

 

тк1..

. тку'

тб1..

тм

тсб1..

. тсбх'

тм .

тс1.

. тм

тсс1.

. тссс1'

тм ..

ти1..

 

тси1..

. тсии'


 

 

 

RM + C


 

 

 

(1)

Используя матрицу (1), запишем выражения полного вектора

функциональных требований ТМ для мехатронного объекта (М) и для

С

Т системы управления (С).


 

 

 

 

(2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3)

Выражения (2) и (3) представляют собой функциональные мо­дули (ФМ) для интеллектуальной компоненты М и С, т.е. это множе­ства функциональных требований, подлежащих реализации в составе мехатронного объекта (ТМ) и системы управления (ТС).

Следующий этап проектирования состоит в определении соста­ва конструктивных модулей (КМ) системы, каждый из которых реа­лизует конечный набор функций определенного уровня и представля­ет собой функционально законченный элемент системы с отдельной конструктивной оболочкой. Основой для построения КМ являютсяодин или несколько функциональных векторов, входящие в состав

ФМ.

Формирование КМ осуществляется на основе агрегативно-декомпозиционного подхода, причем на начальных стадиях проекти­рования важно определить стратегию разработки конструктивов суб­блоков и оболочек, элементную базу, виды взрывозащиты и т.п.

Технической реализацией функционального вектора является субблок, характеризующийся площадью печатной платы Sc6 и объе­мом Vc6, которые определяются через удельные показатели, устанав­ливаемые статистическими исследованиями: площадь печатной пла­ты S-,; и объем оболочки V приходящиеся на один функциональный оператор (т). Эти величины будут различными для устройств, осно­ванных на аналоговом и цифровом способе обработки информации (для устройств на микропроцессорной и жесткой логике).

Возможности размещения технических средств реализации функционального вектора на выбранной печатной плате оцениваются путем сравнения и Sct (площадь печатной платы, принятая из стандартов), т.е. должно выполняться условие:      < Sct .

При формировании КМ в оболочках необходимо предусматри­вать специальные объемы под элементы, определяющие взрывозащи-ту (взрывозащищенная оболочка или искробезопасное исполнение) -Vj. Объем модуля в значительной степени определяется устройства­ми сопряжения, в т.ч. гальванической развязки входных сигналов, ко­торые в силу ряда специфических требований (работа в условиях больших утечек, искробезопасность исполнения, высокий уровень помех, невозможность использования многопроводных линий связи и т.п.) обладают заметными габаритами Л^ус.

Агрегатирование должно учитывать также и условия искробезо-пасности источников питания. На основе статистических данных не­обходимо определить уровень искробезопасной мощности (Зт, тре­буемой для реализации одного функционального оператора.

В настоящее время известны технически достижимые величины искробезопасной мощности: Qn < 60 Вт.

При выполнении условия:

Q < Qп (4)

ФМ совпадает с КМ и не подлежит разрыву. В противном случае не­обходимо переходить с вида защиты "искробезопасная цепь" на "взрывонепроницаемая оболочка". Последнее исполнение проигры­вает по массе и габаритам, но применимо в таких случаях. Возможенвариант и комбинированного исполнения, при котором часть функ­циональных векторов реализуется в «искробезопасном» конструк­тивном исполнении и часть - во «взрывозащищенном».

Поиск оптимального варианта агрегатирования производится на основании разработанного алгоритма при использовании методов комбинаторики. Для решения задачи поиска оптимального построе­ния всей системы комплекса технических средств алгоритм преду­сматривает рассмотрение всех вариантов построения структур и учи­тываются все ФМ, принадлежащие той или иной структуре. В таком случае будут учтены связи не только внутри ФМ, но и внутри струк­туры.

При декомпозиции ФМ необходимо учитывать и пространст­венное размещение модулей относительно объекта автоматизации. Это условие представляется весьма важным, например, для конвейе­ров и конвейерных линий, имеющих значительную пространствен­ную распределенность.

Важным вопросом, возникающим при разработке КМ, является выбор элементной базы. В настоящее время, как известно, может быть применена микропроцессорная элементная база и жесткая логи­ка. Контроллер имеет неизменную структуру и аппаратную реализа­цию при переменном программном обеспечении. В то же время при решении этих задач на жесткой логике переменной будет аппаратная часть. С учетом этого, на стадии разработки алгоритмов реализации ФМ с учетом затратных критериев, требуемого быстродействия, ис-кробезопасного исполнения и т.п., необходимо выбрать элементную базу.

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

Н И Стадник - Частотно-регулируемый электропривод ленточных конвейеров на базе самовентилируемых двигателей

Н И Стадник - Очистной механизированный комплекс как совокупность синергетически связанных многоприводных мехатронных агрегатов

Н И Стадник - Скребковый конвейер как мехатронный модуль

Н И Стадник - Экспериментальные исследования процесса автоматической очистки фильтра противотоком рабочей жидкости

Н И Стадник - Интегральная избыточность как критерий оптимизации функциональных структур систем управления