PL220081B1 - Układ do ciągłego monitoringu stanu wytężenia ustrojów nośnych maszyn górnictwa odkrywkowego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do ciągłego monitoringu stanu wytężenia ustrojów nośnych maszyn górnictwa odkrywkowego, przede wszystkim koparek wielonaczyniowych i zwałowarek taśmowych, umożliwiający ocenę tego stanu zarówno w zakresie wytrzymałości zmęczeniowej jak i wytrzymałości doraźnej oraz wczesnego ostrzegania o możliwości wyczerpania się zasobu trwałości zmęczeniowej jak i przekroczenia warunku wytrzymałości doraźnej.

Ciągły monitoring stalowych ustrojów nośnych został dotychczas zastosowany na szeroką skalę do oceny stanu technicznego konstrukcji mostów. Charakteryzuje się on ciągłym pomiarem, rejestracją, analizą i oceną mierzonych wielkości oraz wysyłaniem sygnałów o przekroczeniu stanów alarmowych do odpowiednich służb nadzoru obiektu.

Jak dotąd nadal nie jest rozwiązany problem prognozowania dalszego bezpiecznego czasu eksploatacji ustrojów nośnych mostów. Najczęściej mierzonymi wielkościami są odkształcenia konstrukcji, zmiany szerokości dylatacji, wydłużenia lub skrócenia elementów, osiadanie podpór i przyczółków, przechyły i wychylenia elementów konstrukcji, częstotliwość i amplituda drgań. Do pomiarów wielkości dodatkowych należy zaliczyć pomiary temperatury ustroju nośnego i otoczenia, siły i kierunku wiatru, nasłonecznienia i opadów. Ze względu na odmienny charakter pracy i obciążeń ustrojów nośnych mostów będących budowlami statycznymi o równomiernych i z reguły nieprzekraczających normatywnych cyklach obciążeń zmiennych, nie można zastosować systemów monitorujących tam zainstalowanych do ustrojów nośnych maszyn górnictwa odkrywkowego.

Z publikacji: Kowalczyk M., Sobczykiewicz W.: Sterowanie intensywnością obciążeń eksploatacyjnych konstrukcji nośnej. Górnictwo Odkrywkowe nr 6. Wrocław 2009 oraz Kowalczyk M.: Wykorzystanie zasobu trwałości zmęczeniowej spawanych konstrukcji nośnych maszyn górnictwa odkrywkowego. Górnictwo Odkrywkowe nr 3-4, Wrocław 2007 znany jest układ sterowania intensywnością obciążeń eksploatacyjnych konstrukcji nośnej. Zasadniczym zadaniem powyższego układu jest bieżąca modyfikacja parametrów siłowych koparki decydujących o wartościach i rozkładzie naprężeń w ustroju nośnym, w celu zapewnienia pożądanej trwałości projektowej w zakresie wytrzymałości zmęczeniowej.

Układ ten składa się z tensometrycznych czujników pomiarowych rozmieszczonych w 12 punktach referencyjnych ustroju nośnego koparki, połączonych ze wzmacniaczami pomiarowymi i przetwornikami analogowo-cyfrowymi, które z kolei połączone są ze sterownikiem koparki, a ten połączony jest z układami sterującymi napędów koła czerpakowego, obrotu nadwozia i zwodzenia wysięgnika koła czerpakowego. Sygnały z czujników pomiarowych, po odpowiednim wzmocnieniu i przetworzeniu na postać cyfrową, wprowadzane są do sterownika, w którym wyznaczane jest rzeczywiste obciążenie ustroju nośnego.

Układ ten nie pozwala na określenie pozostałego zasobu trwałości zmęczeniowej tr do wystąpienia uszkodzenia elementów monitorowanego ustroju nośnego.

Z publikacji Dudek D. Elementy dynamiki maszyn górnictwa odkrywkowego. Politechnika Wrocławska 1994, znany jest układ do pomiarów naprężeń od obciążeń dynamicznych, wywołanych procesem eksploatacji koparek kołowych, złożony z tensometrycznych czujników pomiarowych naklejonych na wybranych elementach ustroju nośnego połączonych ze wzmacniaczami pomiarowymi, które połączone są z przetwornikami analogowo-cyfrowymi, a te z kolei połączone są z komputerem typu PC. Sygnały z tensometrów po odpowiednim wzmocnieniu i zamianie z postaci analogowej na cyfrową wprowadzane są do komputera. W komputerze sygnały podlegają obróbce za pomocą specjalistycznego oprogramowania, są zapisywane na twardym dysku i odtwarzane przez użytkownika. Tak przetworzone i odtworzone sygnały są następnie analizowane przez użytkownika po zakończeniu cyklu pomiarów i na podstawie powyższej analizy wyciągane są wnioski dotyczące stanu wytężenia badanego ustroju nośnego. Pomiary realizowane są w ściśle określonych przedziałach czasowych, zwykle od kilku dni do kilku tygodni.

Układ ten pozwala tylko na bieżącą ocenę stanu wytężenia ustroju nośnego maszyny bez możliwości określenia pozostałego zasobu trwałości zmęczeniowej tr. Ponadto układ ten nie ma możliwości wysyłania sygnału o zaniku napięcia do komputera tak, aby przy dłuższym jego zaniku umożliwić komputerowi uśpienie procesów pomiarowych i zapisanie niezbędnych informacji do kontynuowania pracy po przywróceniu zasilania.

Wynalazek dotyczy układu do ciągłego monitoringu stanu wytężenia ustrojów nośnych maszyn górnictwa odkrywkowego w szczególności koparek wielonaczyniowych i zwałowarek taśmowych,

PL 220 081 B1 zawierającego tory pomiarowe, z których każdy tor składa się z mostkowego układu tensometrycznych czujników przyrostów naprężeń dynamicznych na wejściu, z wzmacniaczy sygnałów pomiarowych i przetworników analogowo-cyfrowych na wyjściu, a także z urządzeń indykacji wyników.

Istota wynalazku polega na tym, że układ ma cztery moduły, moduł pomiarowy, moduł obliczeniowy, moduł dystrybucji wyników i moduł zasilania. Moduł pomiarowy zawiera dobraną liczbę torów pomiarowych, których czujniki umieszczone są na wytypowanych elementach ustroju nośnego maszyny, zaś wyjście każdego toru połączone jest z procesorem komunikacyjnym, który za pomocą interfejsu przyłączony jest do modułu obliczeniowego. Moduł obliczeniowy składa się z jednostki obliczeniowej zawierającej połączone ze sobą wejściem i wyjściem, programator i człon obliczeniowy, którego wejście i wyjście połączone są z członem pamięci danych, a wyjście z interfejsem komunikacyjnym, połączonym z modułem dystrybucji wyników, utworzonym z wyświetlacza, sygnalizatora, modemu i karty sieci komputerowej.

Ze względu na możliwość przesyłania sygnałów sterujących komunikacją, korzystne jest gdy wyświetlacz, sygnalizator, modem i karta sieci komputerowej połączone są wyjściami z interfejsem komunikacyjnym, który z kolei jest połączony wyjściem z członem obliczeniowym, a ten połączony jest wyjściem z interfejsem komunikacyjnym i z procesorem komunikacyjnym modułu pomiarowego.

Korzystne jest, gdy moduł zasilania składa się z dopasowującego podstawowego zasilacza, wtórnym wyjściem połączonego z wejściami wszystkich trzech modułów, innym wyjściem z urządzeniem sygnalizacyjnym dołączonym do programatora oraz swym odrębnym wejściem i wyjściem z urządzeniem stabilizacji napięcia.

Zasadniczym zadaniem układu według wynalazku jest ocena stanu wytężenia ustrojów nośnych maszyn górnictwa odkrywkowego w zakresie wytrzymałości zmęczeniowej na podstawie ciągłego monitoringu wielkości naprężeń dynamicznych oddziaływujących na te ustroje. Przesłanką do takiego podejścia jest fakt, że ze względu na brak możliwości uwzględnienia rzeczywistych wartości i częstości występowania obciążeń dynamicznych ustrojów nośnych maszyn górnictwa odkrywkowego na etapie projektowania, które to obciążenia często przekraczają kilkukrotnie wartości normatywne, głównie ze względu na pracę maszyn górnictwa odkrywkowego, a szczególnie koparek wielonaczyniowych, w tak zwanych utworach trudno urabialnych, jedynym sposobem określenia wartości i charakteru przebiegu tych naprężeń jest ich bezpośredni pomiar na badanym ustroju nośnym. Ponieważ mamy tu do czynienia z naprężeniami dynamicznymi o wartościach ponadnormatywnych, które są głównym źródłem powstawania pęknięć zmęczeniowych elementów ustrojów nośnych, stąd też dla w miarę precyzyjnej i dokładnej oceny tego zjawiska korzystne jest prowadzenie ciągłego monitoringu stanu wytężenia powyższych ustrojów nośnych. Wobec powyższego układ według wynalazku umożliwia ciągły pomiar i rejestrację wartości naprężeń dynamicznych, zliczanie zmęczeniowych cykli zmiennych, wyznaczanie ich widm amplitud i na tej podstawie wyznaczenie całkowitej liczby cykli do wystąpienia uszkodzenia zmęczeniowego, a następnie przeliczenie ich na trwałość resztkową tr, wyrażoną w efektywnych godzinach pracy maszyny.

Jak widać z powyższego układ według wynalazku zapewnia możliwość określenia trwałości resztkowej tr, to jest pozostałego zasobu trwałości zmęczeniowej, do wystąpienia uszkodzenia. Według przeprowadzonego rozeznania dotychczas możliwość taka nie została określona nie tylko w odniesieniu do stalowych ustrojów nośnych maszyn górnictwa odkrywkowego, ale stalowych ustrojów nośnych jakichkolwiek maszyn.

Układ pozwala ponadto na określanie dotychczasowych cykli naprężeń obciążających ustrój nośny przed rozpoczęciem jego monitoringu, według tak zwanej tablicy widma obciążeń pierwotnych, co umożliwia określenie trwałości resztkowej tr w stosunku do maszyn już eksploatowanych. Jest to bardzo istotne ponieważ ocena wytrzymałości zmęczeniowej jest szczególnie ważna dla maszyn poddanych długoletniej eksploatacji, ze względu na znacznie większą możliwość wyczerpania ich potencjału eksploatacyjnego i wystąpienia awarii konstrukcji w stosunku do maszyn nowych. W istniejących dotychczas układach monitoringu stalowych ustrojów nośnych nie ma możliwości oceny wytrzymałości zmęczeniowej wstecz, możliwość taka istnieje dopiero od momentu zainstalowania systemu, co w praktyce eliminuje ich przydatność dla maszyn dotychczas eksploatowanych, jakie stanowią przeważającą większość, szczególnie w kopalniach górnictwa odkrywkowego.

Dzięki układowi możliwe jest także przetwarzanie i analiza wyników pomiarów bezpośrednio na maszynie, w trybie on line, co w praktyce pozwala na szybką interwencję użytkownika w celu zapobieżenia uszkodzeniu ustroju nośnego, a w rezultacie przeciwdziałania powstaniu poważnych awarii i katastrof z zagrożeniem życia ludzkiego włącznie.

PL 220 081 B1

Powyższy układ posiada również zdolność do równoczesnego monitoringu ustrojów nośnych w zakresie bieżącej oceny wytrzymałości doraźnej, pozwalając na wczesne ostrzeganie o możliwości przekroczenia jej dopuszczalnej wartości. Umożliwia to natychmiastowe podejmowanie działań zapobiegawczych awariom ustroju nośnego na skutek przekroczenia wytrzymałości doraźnej poprzez sygnalizację alarmową przesyłaną do użytkownika i obsługi maszyny. Ponadto pozwala na otrzymywanie przez użytkownika maszyny informacji o różnorodnych lokalnych przekroczeniach dopuszczalnego poziomu wytrzymałości doraźnej ustroju nośnego na przykład podczas różnego rodzaju kolizji maszyn ze skarpą, czy poszczególnymi zespołami roboczymi.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, stanowiącym schemat blokowy układu.

P r z y k ł a d. Układ według przykładu przeznaczony jest do ciągłego monitoringu stanu wytężenia ustrojów nośnych koparek wielonaczyniowych i zwałowarek górnictwa odkrywkowego.

Składa się on z czterech modułów, pomiarowego modułu P, obliczeniowego modułu O, modułu dystrybucji wyników D i modułu zasilania Z.

Moduł pomiarowy P ma na wejściach czujniki pomiarowe PT1...PTn połączone przewodami z wzmacniaczami pomiarowymi PW1...PWn, wyposażonymi w przetworniki analogowo-cyfrowe A/C. Wzmacniacze pomiarowe połączone są za pomocą przewodów z procesorem komunikacyjnym PK, który połączony jest poprzez interfejs komunikacyjny PI z modułem obliczeniowym O. Czujniki pomiarowe PT1...PTn są zbudowane z mostkowych układów tensometrów oporowych usytuowanych na przekrojach elementów ustroju nośnego w wybranych punktach pomiarowych, które to tensometry mocowane są za pomocą specjalnych klejów, zabezpieczone przed wpływami atmosferycznymi i łączone przewodami z wzmacniaczami pomiarowymi. Pozostałe elementy modułu pomiarowego umieszczone są w odpowiednio dobranych obudowach o stopniu ochrony co najmniej IP54, oraz odpornych na drgania. Obudowy te są przykręcane za pomocą specjalnych obejm do elementów ustroju nośnego w pobliżu czujników pomiarowych.

Moduł obliczeniowy O składa się z członu obliczeniowego w tym przypadku komputera przemysłowego OP połączonego z członem pamięci OD i z interfejsem komunikacyjnym Ol. Komputer przemysłowy OP wyposażony jest w odpowiednie oprogramowanie podstawowe OPP i obliczeniowe OPO. Oprogramowanie podstawowe OPP jest to system uruchomieniowy i zarządzający procesami obliczeniowymi, przeznaczony do zarządzania systemem monitorowania. Oprogramowanie obliczeniowe OPO stanowi program przetwarzania danych pomiarowych.

Moduł dystrybucji wyników D składa się z wyświetlaczy DW, sygnalizatorów DS, modemów DM, kart sieci komputerowej DK, oprogramowania organizującego dostęp do danych.

Moduł zasilania Z składa się z dopasowującego zasilacza podstawowego ZT 230/24 V, urządzenia ZA podtrzymania napięcia 24 V oraz z sygnalizacyjnego urządzenia ZS przyłączonego do wejścia oprogramowania obliczeniowego OPO. Ponadto wyświetlacze DW, sygnalizatory DS, modemy DM i karty sieci komputerowej DK połączone są wyjściami z interfejsem komunikacyjnym OI, który z kolei jest połączony wyjściem z oprogramowaniem obliczeniowym OPO, które połączone jest wyjściem z interfejsem komunikacyjnym PI i procesorem komunikacyjnym PK. Powyższe połączenia służą do przesyłania sygnałów sterujących komunikacją i są zaznaczone na rysunku linią przerywaną, natomiast linią ciągłą zaznaczone są połączenia do przesyłania danych pomiarowych.

Działanie układu jest następujące.

Moduł pomiarowy P zbiera sygnały o wartościach i przebiegu naprężeń z czujników pomiarowych PT1...PTn, wzmacnia je i przetwarza na postać cyfrową a następnie przesyła do modułu obliczeniowego O. Moduł obliczeniowy O przetwarza dane pochodzące z modułu pomiarowego P za pomocą komputera przemysłowego OP zgodnie z algorytmami i programem obliczeniowym, przechowuje dane pośrednie w członie pamięci OD oraz generuje wyniki przetwarzania i wysyła je za pomocą interfejsu komunikacyjnego Ol do modułu dystrybucji wyników D.

Moduł dystrybucji wyników D umożliwia uzyskanie dostępu do informacji generowanych przez moduł obliczeniowy O użytkownikom systemu monitoringu oraz umożliwia nadzór nad całym systemem. Ponadto moduł dystrybucji wyników D wyprowadza informacje poprzez wyświetlacze DW lub sygnalizatory DS albo w postaci protokołów przez sieć komputerową lub telefonię komórkową.

Modemy DM i DK zapewniają wymianę danych przez powyższą sieć lub telefonię komórkową. Przekazywanie danych na odległość odbywa się poprzez moduł dystrybucji wyników D do aplikacji klienckiej w terminalu zewnętrznym.

PL 220 081 B1

Moduł zasilania Z dostarcza energię elektryczną z dopasowującego zasilacza podstawowego ZT 230/24 V do poszczególnych modułów układu. Napięcie wyjściowe 24 V stabilizowane jest za pomocą urządzenia podtrzymania napięcia ZA, niezbędnego przy wahaniu napięcia zasilania sieciowego lub chwilowych jego zaników. W przypadku długotrwałych przerw w dopływie energii elektrycznej, urządzenie sygnalizacyjne ZS wysyła sygnał o zaniku napięcia, co umożliwia modułowi pomiarowemu P uśpienie procesów pomiarowych i zapisanie niezbędnych informacji do kontynuowania pracy, po przywróceniu zasilania. Ponadto moduł zasilania Z zabezpiecza system przed przepięciami i fluktuacjami napięcia.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ do ciągłego monitoringu stanu wytężenia ustrojów nośnych maszyn górnictwa odkrywkowego w szczególności koparek wielonaczyniowych i zwałowarek taśmowych, zawierającego tory pomiarowe, z których każdy tor składa się z mostkowego układu tensometrycznych czujników przyrostów naprężeń dynamicznych na wejściu, z wzmacniaczy sygnałów pomiarowych i przetworników analogowo-cyfrowych na wyjściu, a także z urządzeń indykacji wyników, znamienny tym, że składa się z czterech modułów, modułu pomiarowego (P), modułu obliczeniowego (O), modułu dystrybucji wyników (D) i modułu zasilania (Z), przy czym moduł pomiarowy (P) zawiera dobraną liczbę torów pomiarowych, których czujniki (PT1...PTn) umieszczone są na wytypowanych elementach ustroju nośnego maszyny, zaś wyjście każdego toru połączone jest z procesorem komunikacyjnym (PK), który za pomocą interfejsu (PI) przyłączony jest do modułu obliczeniowego (O), składającego się z jednostki obliczeniowej (OP) zawierającej połączone ze sobą wejściem i wyjściem programator (OPP) i człon obliczeniowy (OPO), którego wejście i wyjście połączone są z członem (OD) pamięci danych, a wyjście z komunikacyjnym interfejsem (Ol), połączonym z modułem dystrybucji wyników (D), utworzonym z wyświetlacza (DW), sygnalizatora (DS), modemu (DM) i karty sieci komputerowej (DK).
2. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że wyświetlacze (DW), sygnalizatory (DS), modemy (DM) i karty sieci komputerowej (DK) połączone są wyjściami z interfejsem komunikacyjnym (OI), który z kolei jest połączony wyjściem z oprogramowaniem obliczeniowym (OPO), który połączony jest wyjściem z interfejsem komunikacyjnym (PI) i procesorem komunikacyjnym (PK).
3. 3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że moduł zasilania (Z) składa się z dopasowującego podstawowego zasilacza (ZT), wtórnym wyjściem połączonego z wejściami wszystkich trzech modułów (P, O, D), innym wyjściem z urządzeniem sygnalizacyjnym (ZS), dołączonym do programatora (OPP) oraz swym odrębnym wejściem i wyjściem z urządzeniem stabilizacji napięcia (ZA).