Monitoring elektromechanicznych koparek wydobywczych dla kopalń odkrywkowych

Jako rozwiązanie stworzony został SiAMFlex, w pełni funkcjonalny, specjalizowany system monitorujący poziomy wibracji i naprężeń przy użyciu platformy CompactRIO i oprogramowania LabVIEW firmy National Instruments. Aplikacja monitorująca na bazie CompactRIO pozwala zdefiniować najlepsze do analizy okresy pomiarowe oraz optymalizować stosunek sygnału do szumu.

Elektromechaniczne koparki wydobywcze potrafią jednorazowo załadować 100 ton rudy. Łączna moc nominalna wynosi ok. 3 MW.

Elektromechaniczne koparki do odkrywkowych prac wydobywczych są ogromnymi, ruchomymi, niestacjonarnymi maszynami, służącymi do ładowania ciężarówek przewozowych, które transportują rudę z miejsc wydobycia do zakładów przetwórczych. Zwykle stosunek liczby koparek do ciężarówek wynosi ok. 1 do 12, tym samym nieprzewidziane unieruchomienie którejś z koparek bezpośrednio wpływa na spadek produkcji. Stąd też elektromechaniczne koparki są klasyfikowane jako maszyny krytyczne.

W koparkach elektromechanicznych trudne do zastosowania okazały się tradycyjne sposoby monitorowania warunków pracy oraz techniki przewidywania uszkodzeń ze względu na brak odpowiednich algorytmów analizy oraz wyposażenia pomiarowego, a także z uwagi na silnie zakłócone środowisko pracy tych maszyn. Tradycyjna analiza drgań wykonywana konwencjonalnymi przyrządami jest oparta na transformacie Fouriera przy założeniu stałej prędkości obrotowej. Założenie takie nie jest odpowiednie dla koparek, dlatego należy znaleźć inne rozwiązanie tego problemu.

Pilna potrzeba przejścia od reaktywnej i prewencyjnej strategii utrzymania maszyn do strategii opartej na przewidywaniu doprowadziła do stworzenia zaawansowanego systemu elastycznego monitoringu SiAMFlex. Na początku była to inicjatywa prof. Pedro Saavedra z University of Concepción w Chile, która rozpoczęła się od badań nad opracowaniem algorytmu analizy drgań, odpowiedniego dla sygnałów pochodzących z elektromechanicznych koparek. Po opracowaniu algorytmu należało zaimplementować tę technikę jako podstawowy element systemu ciągłego monitoringu. Obecnie SiAMFlex jest wspierany i na bieżąco rozwijany przez CADETECH, aby utrzymać kompletny i spójny sposób zarządzania jednostkami mechanicznymi i strukturalnymi oraz zapewnić odpowiednie narzędzia do analizy.

System monitoringu składa się z urządzeń pokładowych, pokładowego serwera, komputerów i bezprzewodowej sieci urządzeń. W skład pokładowego wyposażenia koparek wchodzą:

• system CompactRIO z NI cRIO-9014, czyli 8-slotowym sterownikiem zintegrowanym z obudową
• moduł NI 9233 do pomiaru drgań moduł
• NI 9237 do pomiaru dynamicznych naprężeń
• moduł NI 9422 do precyzyjnych, tachometrycznych danych wysokiej rozdzielczości
• moduł NI 9205 sygnałów dodatkowych, pochodzących z różnych punktów pomiarowych umieszczonych na koparce
• akcelerometry piezoelektryczne zamontowane na głównych elementach obrotowych koparki (silnikach i skrzyniach biegów)
• zestaw do pomiarów naprężeń montowany na głównych elementach struktury koparki enkodery inkrementalne na głównych silnikach zestaw urządzeń bezprzewodowych
• zestaw filtrów sieciowych.

System CompactRIO pobiera jednocześnie sygnały od akcelerometrów, enkoderów oraz mierników naprężeń. Poziomy sygnałów drgań oraz naprężeń są w sposób ciągły monitorowane oraz porównywane z poziomami ostrzegawczymi oraz alarmowymi, co stanowi pierwszy wskaźnik powstającego problemu. W przypadku ostrzeżenia lub alarmu sygnały są okresowo zapisywane w odstępach czasu zdefiniowanych przez użytkownika. Jeśli to nastąpi, aplikacja monitorująca systemu CompactRIO wyszukuje najlepsze okresy pomiarowe do przeprowadzenia analizy oraz optymalizuje stosunek sygnału do szumu. Przy takim podejściu dane są gromadzone regularnie w predefiniowanych odstępach czasu, aby kontrolować mechaniczne zmiany w maszynie oraz są rejestrowane w razie wystąpienia nagłego zdarzenia. W obu przypadkach dodatkowe sygnały z systemu kontroli koparki są przechowywane jako referencja (próbka wzorcowa), a także dają możliwość dokonania potencjalnych poprawek.

Uzyskane dane są tymczasowo przechowywane na wewnętrznym dysku flash systemu CompactRIO i następnie automatycznie przesyłane bezprzewodowo do serwera. Tam dane są przetwarzane, porównywane z bardziej złożonymi parametrami ostrzeżeń i alarmów oraz zapisywane w bazie danych. Jeśli bezprzewodowy dostęp do serwera jest niemożliwy, użytkownik może się połączyć i ręcznie przenieść dane za pomocą krótkiego bezprzewodowego połączenia punkt–punkt (użytkownik musi podejść blisko do koparki i ustanowić połączenie), połączyć się kablem ethernetowym lub po prostu włożyć pendrive do portu USB sterownika CompactRIO, na który dane zostaną automatycznie załadowane. Po przetworzeniu i zapisaniu danych, użytkownik ma możliwość wizualizacji, analizy, ręcznego przetwarzania oraz zarządzania trendem na serwerze oraz na każdym komputerze z dostępem sieciowym do bazy danych. Całe oprogramowanie konfiguracji, transferu danych, przetwarzania, wizualizacji i analizy zostało stworzone w środowisku LabVIEW.

Od kwietnia 2008 r. dziewięć koparek jest ciągle monitorowanych przez SiAMFlex na terenie czterech różnych kopalń odkrywkowych w Chile, z których dwie kopalnie miedzi zaliczają się do największych na świecie. Oprócz systemów ciągłego monitoringu, CADETECH wykonał kilka przenośnych przyrządów, które nie korzystają z systemu SiAMFlex. Jeden z nich jest zbudowany na bazie sterownika NI CompactDAQ, inny korzysta z CompactRIO i dotykowego panelu komputerowego NI TPC-2006 służącego do konfiguracji w pełni autonomicznego, 16-kanałowego urządzenia, które odpowiada za analizę drgań.

Daniel Ramírez
CADETECH S.A.
Chile
tel. +56 41 2621500

source: CADETECH