Aktuální vydání

celé číslo

07

2020

Řízení distribučních soustav a chytrá města

Měření a monitorování prostředí v budovách a venkovním prostředí

celé číslo

Automatizace kolesového rypadla

Automa 7/2000

Ing. Antonín Prokop, Ing. Vlastimil Braun,
COMPAS Automatizace s. r. o., Žďár nad Sázavou

Automatizace kolesového rypadla

Článek je věnován automatizaci kolesového rypadla KU 300/30 pro povrchovou těžbu hnědého uhlí v severočeské pánvi, jak ji realizovala společnost COMPAS Automatizace. Mezi světové výrobce kolesových rypadel patří také významný český strojírenský podnik – akciová společnost UNEX, Uničov. Jsou nastíněny funkce jednotlivých agregátů stroje i požadované řídicí funkce a posléze je popsáno použité technické řešení založené na automatizačních prostředcích firmy Siemens, včetně komunikačního protokolu Profibus.

Kolesová rypadla patří k největším samostatným strojům. Článek pojednává o automatizaci kolesového rypadla pro povrchovou těžbu hnědého uhlí v Severočeské hnědouhelné pánvi. Celková modernizace tohoto stroje na specializovaném montážním místě trvala jeden rok. Po komplexních zkouškách rypadlo pracuje v nepřetržitém provozu. Při modernizaci rypadla byl použit řídicí systém Simatic S7-400, distribuovaný systém vstupů/výstupů (dále I/O) a operátorské panely OP37, vše propojené komunikačním systémem Profibus. Ve výběrovém řízení zvítězilo řešení s použitím moderní koncepce řízení včetně úplné diagnostiky navržené společností COMPAS Automatizace ze Žďáru nad Sázavou. Na základě úspěšné realizace řídicího systému, popsané v následujícím textu, získala společnost COMPAS další kontrakt na vybavení podobného stroje, který je v současné době před dokončením.

Obr. 1. Obr. 2.

1. Stručný popis kolesového rypadla
Kolesové rypadlo se skládá z tzv. horní a spodní stavby (obr. 1). Spodní stavbu tvoří podvozek složený ze šesti tzv. housenic, jež jsou rozmístěny po dvojicích do trojúhelníku. Přední dvojice housenic je řiditelná a je opatřena hydraulickým válcem s možností vykonat zdvih vyrovnávající podélný sklon rypadla. Součástí spodní stavby je i kabelový buben, určený k navíjení a odvíjení přívodního napájecího kabelu. Ten musí být při pojezdu stále napnutý, aby nemohl být poškozen.

V horní stavbě rypadla jsou umístěny rozvodny vysokého a nízkého napětí a rovněž je tam zázemí pro posádku stroje. Dále jsou součástí horní stavby kolesový výložník s kolesem, nakládací výložník a řídicí výložník, nesoucí kabinu řidiče. Celá tato horní stavba se bez omezení otáčí v plném rozsahu 360°. Všechny výložníky je možné nezávisle zvedat kladkostroji nahoru a dolů. Kolesový výložník lze vysunout. Nakládací výložník se otáčí nezávisle na zbytku horní stavby. Od kolesa je těžené uhlí dopravováno pásovými dopravníky přes celé rypadlo až na konec nakládacího výložníku, kde je předáno na dálkovou pásovou dopravu.

Součástí stroje dále jsou pomocná zařízení jako čerpadla, mazací lisy, kompresory, osvětlení, vytápění, klimatizace atd.

Obr. 3. Obr. 4.

2. Použité technické řešení
Řídicí systém rypadla je vytvořen na bázi PLC Simatic S7-414 s decentralizovanými vstupy a výstupy systému ET200M, stejnosměrných měničů a tří barevných grafických ovládacích panelů OP37. Všechny části řídicího systému jsou propojeny sběrnicí Profibus. Tato datová sběrnice je zdvojená. Pro hlavní vedení jsou využity optické kabely a pro záložní vedení klasické metalické kabely. Schéma řídicího systému je na obr. 2, což je zároveň jedno z diagnostických zobrazení systému.

Speciální řešení bylo nutné použít pro komunikaci mezi horní a spodní stavbou. Vzhledem k otáčení rypadla kolem svislé osy nebylo možné použít kabely. Komunikace je tudíž vedena po systému sběračů a kroužků.

Napájení celého řídicího systému (Simatic S7-400, OP37) je chráněno proti výpadkům a kolísání zdrojem nepřerušovaného napájení (UPS).

Počet I/O řídicího systému je tento:

  • 520 digitálních vstupů,
  • 200 digitálních výstupů,
  • 70 analogových vstupů,
  • 4 analogové výstupy.

3. Ovládání
Celé rypadlo je ovládáno z kabiny řidiče. K přímému řízení je zde ovládací pult, ze kterého jsou pomocí několika ovládačů obsluhovány nejdůležitější funkce rypadla. Pro sledování stavu všech parametrů stroje a spouštění některých pomocných funkcí (mazání, chlazení) zde jsou dva ovládací panely OP37. Ty nahrazují dřívější velký počet ručkových měřicích přístrojů a světelných kontrolek. Třetí panel je umístěn přímo v rozvodně nízkého napětí a je určen spíše pro údržbu. Všechny tři panely OP37 jsou funkčně stejné, a proto je lze při poruše zaměnit.

Velmi důležitou funkcí řídicího systému je diagnostika. Obsluha může sledovat kolesové rypadlo prostřednictvím asi 60 grafických zobrazení a o poruchách ji informuje na 600 různých poruchových hlášení.

Obr. 5.

Zobrazení jsou rozdělena do tří úrovní. Nejvyšší úroveň zahrnuje tři zobrazení s nejdůležitějšími údaji potřebnými k ovládání stroje (např. obr. 3). Tato tzv. hlavní zobrazení jsou dále rozdělena podle funkce na zobrazení při těžbě a zobrazení při transportu.

Ve všech zobrazeních je použito stejného barevného značení. Červená barva značí poruchu, žlutá barva výstrahu (nejsou splněny potřebné podmínky provozu, jsou krátkodobě překročeny mezní hodnoty různých veličin) a zelená chod.

Hodnoty měřených veličin se zobrazují v číselné podobě i graficky v podobě sloupcových grafů.

Střední úroveň obsahuje sadu podrobnějších zobrazení funkčních skupin (např. obr. 4). V těchto zobrazeních je už větší počet údajů a je zde také možné nastavovat některé parametry stroje a spouštět pomocné funkce.

Nejnižší úroveň zahrnuje podrobná zobrazení s jednotlivými prvky, jako jsou jističe, stykače atd. – příklad je na obr. 5. V těchto nejpodrobnějších zobrazeních nejnižší hierarchické úrovně se také nastavují mezní hodnoty napětí, proudů, tlaků a rychlostí, které řídicí systém sleduje. Aby tyto nastavené hodnoty nemohl změnit kdokoliv, jsou proti přepsání chráněny heslem.

Zobrazení jsou rozdělena do osmi skupin:

  1. Napájení – sdružuje zobrazení sloužící ke  sledování a ovládání napájecích soustav celého rypadla, měření, ochran a okruhů nouzového vypnutí. Tato skupina zahrnuje také diagnostiku řídicího systému.
  2. Koleso – skupina řízení kolesa patří mezi nejdůležitější části. Obsahuje ovládání pohonu kolesa, mazání převodovky, mazání kolesa a hydrauliku otěrového prstence.
  3. Dopravní linka – skládá se z předního pásu, zadního pásu, předávacího pásu, nakládacího pásu a drtiče. Jednotlivé pásy se ovládají samostatně v tzv. ručním režimu nebo se ovládá celá linka jako jeden blok v tzv. automatickém režimu.
  4. Kolesový výložník – skupina určená k ovládání výložníku nesoucího koleso a jeho pohybů směrem nahoru, dolů, dopředu a dozadu. Zdvih kolesového výložníku je ovládán prostřednictvím měniče připojeného po sběrnici Profibus k řídicímu systému. Nejdůležitější stavy měniče a jeho poruchy jsou zobrazovány na panelu operátora. Rychlost zdvihu volí obsluha. O přesné poloze (hodnotách zdvihu a výsuvu) je obsluha informována číselně a graficky.
  5. Otáčení svršku – skupina sloužící k otáčení celého rypadla. Stejně jako zdvih kolesového výložníku je i pohon tzv. otoče realizován pomocí měniče. O přesné poloze stroje je obsluha informována z kruhového grafu a číselného údaje. Rychlost otoče volí obsluha. Dále tuto rychlost ovlivňují automatické korekce, jako např. regulace na konstantní obvodovou rychlost podle výsuvu, regulace podle napájecího proudu motoru kolesa nebo regulace srpkové ztráty, což znamená, že rychlost v rozmezí mezi 0° až 90° postupně roste. Předek rypadla (a tím i úhel 0° jako vztažnou hodnotu) je možné nastavit buď ve směru přední řiditelné housenice, nebo ve směru opačném.
  6. Pojezd a zdvih spodní stavby – funkční skupina určená k ovládání pojezdu celého rypadla ovládá pohon, mazání a rejdování šesti housenic, z nichž se podvozek skládá. Automaticky, pomocí hydraulického válce u přední housenice, je zde řízeno nastavování stroje do požadovaného náklonu. Pro pojezd stroje jsou velmi důležité hodnoty podélného a příčného sklonu (stále viditelné v horní části zobrazení), protože rypadlo se nesmí dostat do nebezpečného náklonu.
  7. Nakládací výložník – podobně jako s kolesovým výložníkem s ním lze pohybovat nahoru a dolů a otáčet nezávisle na celé horní stavbě, ale pouze v takovém rozsahu, aby nedošlo ke vzájemné kolizi.
  8. Poruchy – při vzniku jakékoliv poruchy se na obrazovce objeví okno s poruchovým hlášením (obr. 6). Kdykoliv lze na obrazovku vyvolat seznam všech poruch i seznam poruch jedné funkční skupiny. Všechny poruchové události jsou archivovány v paměti panelů OP37. Hlášení poruch lze také zaznamenat v podobě textového souboru na disketu a později analyzovat.

Obr. 6.

4. Závěr
Popsaná aplikace moderního řídicího systému při automatizaci kolesového rypadla patří mezi případy, kdy se v praxi podařilo realizovat komplexní automatizaci složitého velkostroje. Úspěchu bylo dosaženo především díky dobré spolupráci všech partnerů v řešitelském kolektivu s jasným podnikatelským záměrem, který jednoznačně směřuje k využití nejmodernějších trendů v oblasti průmyslové automatizace. Investor si je vědom mimořádných ekonomických přínosů řešení takto dovedeného do konce, a také je po náběhu výroby okamžitě inkasuje. Zároveň je třeba říci, že nezanedbatelnou úlohu při této zakázce sehrála i moderní koncepce spolehlivé řídicí techniky firmy Siemens, budované podle firemního konceptu plně integrované automatizace (Totaly Integrated Automation – TIA).

Od zahájení provozu kolesového rypadla v dole již uplynul více než rok. Podle zkušeností pracovníků byla tato rozsáhlá automatizace velmi úspěšná, neboť některá řešení se u investora stala vzorem pro další modernizace. Tato a další aplikace jsou také nabídkou společnosti COMPAS Automatizace našim podnikům při řešení automatizace různých strojů a technologických linek.

COMPAS Automatizace, a. s.
tel.: 0616/650 111
www.compas.cz