Автоматизация горных машин и установок

МИНИС Т Е РС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ
Кафедра энергетики и энергоэффективности  
горной промышленности
Ю.В. Шевырёв
О.М. Соснин
Н.Ю. Шевырева 
АВТОМАТИЗАЦИЯ ГОРНЫХ МАШИН 
И УСТАНОВОК
Учебник
Утверждено Методическим советом НИТУ «МИСиС»
Допущено Федеральным учебно-методическим объединением 
в сфере высшего образования по УГСН 21.00.00 «Прикладная 
геология, горное дело, нефтегазовое дело и геодезия»  
в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся  
по специальности 21.05.04 «Горное дело»
Москва  2019

УДК 
622.62.52(039) 
Ш37
Р е ц е н з е н т ы : 
д-р техн. наук, проф. ФГБОУ ВО «Московский политехнический университет» 
Г.Б. Онищенко; 
д-р техн. наук, проф. ФГБОУ ВО «Российский государственный университет  
нефти и газа имени И.М. Губкина» М.С. Ершов
Шевырёв Ю. В. 
Ш37	 	
Автоматизация горных машин и установок: учебник / 
Ю.В. Шевырёв, О.М. Соснин, Н.Ю. Шевырева. – М. : Изд. Дом 
НИТУ «МИСиС», 2019. – 320 с.
ISBN 978-5-906953-97-1
Изложены основные понятия автоматики, функции и структура АСУ ТП, 
методы синтеза и оптимизации систем управления, информационное обеспечение систем АСУ ТП, назначение и устройство программируемых контроллеров. Освещены принципы автоматизации горных машин и установок. Приведены примеры автоматизированных систем управления. 
Для студентов вузов, обучающихся по специальности 21.05.04 «Горное 
дело», (специализации «Электрификация и автоматизация горного производства»).
УДК 622.62.52(039)

Ю.В. Шевырёв,  
О.М. Соснин,  
Н.Ю. Шевырева, 2019
ISBN 978-5-906953-97-1

НИТУ «МИСиС», 2019
2

Содержание
ПРЕДИСЛОВИЕ........................................................................................7
ВВЕДЕНИЕ................................................................................................8
Перечень принятых сокращений.
...........................................................11
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ.
...............................14
1.1. Управление и автоматизация производственных процессов...... 14
1.2. Контроль параметров технологического объекта ....................... 19
1.3. Автоматизированные системы управления  
технологическими процессами............................................................. 32
1.4. Управляющие устройства и информационная структура  
систем автоматизации.
............................................................................ 35
1.5. Общие сведения об интегрированных системах управления 
производством ........................................................................................ 39
Контрольные вопросы.
....................................................................... 43
2. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ...............45
2.1. Общие положения ........................................................................... 45
2.2. Разомкнутые и замкнутые системы  
автоматического управления.
................................................................. 45
2.3. Система автоматического регулирования скорости 
электродвигателя..................................................................................... 50
2.4. Характер процессов управления в автоматических системах  
с отрицательной обратной связью.
........................................................ 56
2.5. Основные понятия о синтезе систем автоматического 
регулирования.
......................................................................................... 59
Контрольные вопросы.
....................................................................... 67
3. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА.
..............69
3.1. Статическая и динамическая оптимизация.................................. 69
3.2. Градиентные методы автоматической оптимизации................... 70
3.3. Оптимизация процесса бурения скважин .................................... 75
Контрольные вопросы.
....................................................................... 79
4. ЛОГИЧЕСКИЕ АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ЦИКЛОМ........................................................81
4.1. Задачи управления технологическим циклом.............................. 81
4.2. Элементы булевой алгебры.
............................................................ 82
4.2.1. Объекты булевой алгебры.
....................................................... 82
4.2.2. Логические операции и законы.
.............................................. 83
4.2.3. Булевы функции........................................................................ 86
3

4.3. Синтез комбинационных логических схем.
.................................. 90
4.3.1. Составление логических формул.
........................................... 90
4.3.2. Схемная реализация релейно-контактных схем.
................... 99
4.3.3. Составление схем на логических элементах....................... 104
4.4. Синтез алгоритмов и схем последовательностных  
автоматов................................................................................................ 109
4.5. Типовые узлы и схемы последовательностных автоматов .......117
4.5.1. Виды запоминающих устройств............................................117
4.5.2. Триггеры ..................................................................................118
4.5.3. Регистры.
.................................................................................. 124
Контрольные вопросы.
..................................................................... 129
5. ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМ 
АВТОМАТИЗАЦИИ.
.............................................................................131
5.1. Принципы кодирования информации.
......................................... 131
5.2. Двоичные коды .............................................................................. 136
5.3. Передача информации по каналам связи.................................... 141
5.3.1. Промышленные информационные сети.............................. 141
5.3.2. Последовательные интерфейсы по стандартам  
RS232C и RS485.
............................................................................... 146
5.3.3. Защита информации от искажений...................................... 150
5.4. Организация обмена информацией в системах  
автоматизации .
...................................................................................... 151
5.4.1. Информационная структура АСУТП................................... 151
5.4.2. Информационные сети Ethernet............................................ 153
5.4.3. Структура физической среды Ethernet ................................ 156
5.4.4. Контроллерные и полевые сети............................................ 158
5.5. Диспетчерское управление в рамках АСУТП ........................... 160
Контрольные вопросы.
..................................................................... 163
6. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ КОНТРОЛЛЕРЫ.
.........166
6.1. Структура и конструкция ПЛК.
.................................................... 166
6.2. Стандартные языки программирования ПЛК............................ 171
6.3. Язык программирования LD.
........................................................ 175
6.4. Язык программирования FBD...................................................... 178
6.5. Язык программирования IL.......................................................... 183
6.6. Технические средства ввода и вывода сигналов в ПЛК .
.......... 187
6.6.1. Дискретные сигнальные модули.
.......................................... 187
6.6.2. Аналоговые сигнальные модули.
.......................................... 191
6.6.3. Станции распределенного ввода-вывода ЕТ200М ............ 194
Контрольные вопросы.
..................................................................... 196
4

7. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АСУТП .
.........................198
7.1. Основные задачи и принципы проектирования......................... 198
7.2. Этапы разработки и внедрения АСУТП.
..................................... 201
Контрольные вопросы.
..................................................................... 205
8. АВТОМАТИЗАЦИЯ ВОДООТЛИВНЫХ УСТАНОВОК.
.............206
8.1. Основные требования к автоматизации  
водоотливных установок...................................................................... 206
8.2. Средства автоматического контроля и управления.
................... 207
8.3. Автоматическое управление  
водоотливными установками.
.............................................................. 212
8.4. Автоматизация шахтного водоотлива на основе ПЛК.
.............. 219
Контрольные вопросы.
..................................................................... 221
9. АВТОМАТИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ПРОВЕТРИВАНИЯ  
ШАХТ И РУДНИКОВ...........................................................................222
9.1. Общие сведения............................................................................. 222
9.2. Автоматизация вентиляторов  
главного проветривания....................................................................... 223
9.3. Автоматизация контроля подачи воздуха вентиляторами 
местного проветривания...................................................................... 230
Контрольные вопросы.
..................................................................... 234
10. АВТОМАТИЗАЦИЯ КОМПРЕССОРНЫХ УСТАНОВОК.........235
10.1. Общие сведения........................................................................... 235
10.2. Основные принципы автоматизации компрессорных  
установок.
............................................................................................... 236
10.3. Пример схемы автоматизации  
поршневого компрессора..................................................................... 239
10.4. Автоматизация компрессорных станций на основе ПЛК....... 243
Контрольные вопросы.......................................................................... 246
11. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПОДЪЕМНЫХ УСТАНОВОК...................247
11.1. Принципы автоматизации  
подъёмных установок........................................................................... 247
11.2. Средства автоматизации подъемных установок.
...................... 250
11.3. Электропривод подъёмных установок...................................... 254
11.4. Автоматизация подъёмных установок на основе ПЛК........... 261
Контрольные вопросы.
..................................................................... 268
12. АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНВЕЙЕРНОГО ТРАНСПОРТА............269
12.1. Особенности автоматизации конвейерного транспорта.
......... 269
12.2. Средства автоматического контроля  
и защиты конвейерных установок...................................................... 271
5

12.3. Автоматизация конвейерных линий.......................................... 273
12.4. АСУТП конвейерных линий САУКЛ........................................ 276
Контрольные вопросы.
..................................................................... 280
13. АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ  
БУРЕНИЯ...............................................................................................282
13.1. Процесс бурения как объект автоматического  
управления ............................................................................................ 282
13.2. Структурная схема САУ процессом бурения.
........................... 284
13.3. Система автоматизированного управления процессом  
бурения «ПАРУС»................................................................................ 287
13.4. Автоматизация станков шарошечного бурения.
....................... 289
13.5. Информационно-диагностическая система станков 
шарошечного бурения ......................................................................... 294
Контрольные вопросы.......................................................................... 297
14. АВТОМАТИЗАЦИЯ ОДНОКОВШОВЫХ  
ЭКСКАВАТОРОВ..................................................................................298
14.1. Системы автоматического управления электроприводами 
основных механизмов одноковшового экскаватора.
......................... 299
14.1.1. Назначение, разновидности  
и механические свойства................................................................. 299
14.1.2. Экскаваторный электропривод по системе генератор–
электродвигатель .
............................................................................. 301
14.1.3. Экскаваторный электропривод по системе ТП-Д............. 303
14.1.4. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод.
... 306
14.2. Системы диагностики, контроля  
и учёта работы экскаватора.
................................................................. 307
14.3. Задачи автоматического управления технологическими 
процессами.
............................................................................................ 309
14.4. Интеллектуальный экскаватор .
.................................................. 310
Контрольные вопросы.
..................................................................... 315
Библиографический список................................................................. 316
6

ПРЕДИСЛОВИЕ
Актуальность курса ««Автоматизация горных машин и установок» 
для будущих горных инженеров (специализация «Электрификация и 
автоматизация горного производства») определяется тем, что совершенствование технологических процессов при проведении горных 
работ невозможно без применения систем автоматического управления. Автоматизация позволяет увеличить производительность труда, 
повысить безопасность ведения горных работ, снизить расходы материалов и энергии, создать комфортные условия труда для рабочих, 
сократить затраты труда за счет высвобождения персонала, занятого 
ручным управлением различных машин и установок.
Поэтому современный горный инженер в области электрификации 
и автоматизация горного производства должен обладать знаниями, 
чтобы самостоятельно принимать грамотные решения: при эксплуатации существующих систем автоматизации горных машин и установок; при создании современных средств автоматики для горных машин и установок.
В учебнике рассмотрены основные понятия автоматики, методы 
синтеза и оптимизации систем управления, логические устройства 
управления технологическими циклами. 
Наряду с традиционными вопросами, излагаемыми в курсах автоматики, в данном учебнике рассмотрены основные принципы автоматизации на основе применения промышленных компьютеров 
(ПК) и программируемых логических контроллеров (ПЛК) в автоматизированных системах управления технологическими процессами 
(АСУТП), показаны их возможности при автоматизации горных машин и установок. Приведены основные сведения по информационному обеспечению АСУТП, назначению и устройству ПЛК.
В учебнике рассмотрена автоматизация стационарных установок, 
конвейерных линий, экскаваторов, процесса бурения. Выбор этих 
объектов диктуется тем, что они широко применяются при проведении различных горных работ. Изучение принципов автоматизации 
рассмотренных устройств позволит понять работу автоматических 
систем, используемых в других горных машинах и механизмах.
Освоение материала, изложенного в соответствующих разделах 
учебника, позволит горному инженеру самостоятельно оценивать 
возможности, которые дает внедрение конкретной системы автоматики в горном деле, самостоятельно разбираться по специальной литературе с возможностями, которые дает автоматизация при проведении 
горных работ.
7

ВВЕДЕНИЕ
Многие понятия техники возникли в эпоху эллинизма, завершающего эпоху истории Древней Греции (примерно с 300 до 30 г. до н. э.). 
К таким понятиям относятся: техника (искусство, мастерство), машина (нечто искусственное, придуманное), автомат (самодействующий). 
Несмотря на появление отдельных автоматических устройств 
в античные и средние века, они серьезного влияния на формирование 
техники и теории автоматического управления не оказали. Первое 
промышленное использование автоматических устройств началось 
в XVIII и XIX столетиях, в эпоху промышленного переворота в Европе. К важнейшим изобретениям этого периода относят: автоматический регулятор уровня воды в котле паровой машины, построенный 
в 1765 г. русским механиком И.И. Ползуновым; центробежный регулятор скорости паровой машины, на который в 1784 г. получил патент английский механик Дж. Уатт; первое программное устройство 
управления ткацким станком от перфокарты (для воспроизведения 
узоров на коврах), построенное в 1808 г. Ж. Жаккаром. Эти регуляторы открыли путь потоку изобретений принципов регулирования и 
регуляторов вплоть до середины XIX в.
Первые теоретические работы в области автоматического управления появились во второй половине XIX в., когда в промышленности получили широкое распространение регуляторы паровых машин 
и инженеры стали сталкиваться с трудностями при их подключении 
к паровым машинам. Регулятор «раскачивал» машину или вообще 
оказывался неспособным ею управлять. При теоретических исследованиях регулятор рассматривался отдельно от паровой машины, не 
учитывалось их взаимовлияние. Именно в этот период крупный русский ученый и инженер И.А. Вышнеградский выполнил ряд фундаментальных научных исследований, результаты которых он изложил 
в своих работах «Об общей теории регуляторов» (1876 г.) и «О регуляторах прямого действия» (1877 г.). Он впервые осуществил системный подход к проблеме, рассмотрев регулятор и машину как единую 
динамическую систему, что позволило дать общий методологический 
подход к исследованию самых разнородных по признакам действия и 
конструкции систем, заложить основы теории устойчивости, установить ряд важных общих закономерностей регулирования по принципу обратной связи. И.А. Вышнеградский является основоположником 
теории автоматического регулирования.
8

В первые десятилетия XX в. автоматика формируется как самостоятельная научная дисциплина. В это время в СССР и за рубежом 
были изданы первые монографии и учебники, в которых автоматические устройства различной физической природы рассматривались 
едиными методами.
Разработка и внедрение автоматических устройств и систем в горную промышленность начались в 30-х гг. прошлого столетия. В 1930 г. 
проф. В.Б. Уманский опубликовал статью «Автоматизация рудничного 
подъема с приводом от асинхронного двигателя». В 1933–1934 гг. на 
ряде крупных шахт вводится диспетчерское управление подземным 
транспортом. Под руководством проф. B.C. Тулина (1947 г.) была испытана первая автоматически управляемая подъемная машина.
Широкое внедрение автоматических устройств в горной промышленности началось в послевоенные годы. В 1953 г. был создан 
институт Гипроуглеавтоматизация, возглавлявший работы по автоматизации производственных процессов на предприятиях угольной промышленности. Были организованы институт Автоматгормаш, ВНИИЦветмет, Цветавтоматика, Институт горной механики и технической 
кибернетики им. М.М. Федорова и др.
К началу 1960-х гг. был налажен выпуск широкой номенклатуры 
средств горной автоматики. Для производства различной аппаратуры 
автоматизации шахт и рудников были созданы заводы «Красный металлист» (г. Конотоп), шахтной автоматики (города Днепропетровск, 
Прокопьевск, Макеевка), «Севкавэлектроприбор» (г. Нальчик) и др.
Отечественная промышленность добилась серьезных успехов 
в деле создания разнообразной аппаратуры автоматизации, применяемой на добывающих предприятиях. В качестве примера можно назвать ряд автоматических устройств, характеризующихся высокими 
эксплуатационными качествами и предназначенных для управления 
конвейерными линиями (АУК.1М), шахтными поездами (СТАРТ-1), 
водоотливными 
и 
вентиляторными 
установками 
(У
АВ, 
ВАВ, 
УКАВ-М, «МЕТАН»).
Вторая половина XX в. – период бурного развития электроники. 
Создание транзистора, тиристора, микропроцессора – все это привело 
к кардинальным изменениям в построении автоматических систем. 
Управляющие микроЭВМ стали неотъемлемой частью даже самых 
простых устройств.
С середины 1970-х гг. наряду с совершенствованием традиционных средств автоматики осуществляются работы по созданию авто9

матизированных систем управления технологическими процессами 
(АСУТП) для автоматического управления производственными процессами и сбора информации с целью ее анализа и последующего использования при управлении производством.
Современный период развития автоматических устройств в горной промышленности характеризуется массовым внедрением управляющих вычислительных машин (УВМ) на базе микропроцессорной 
техники и сетевых технологий в системах управления горных машин 
и установок, заменой релейно-контактных схем управления на ПЛК, 
применением микроконтроллеров для управления электроприводами 
горных машин и установок.
Более подробную информацию о выпускаемых автоматических 
устройствах для горных машин и установок можно получить на сайтах организаций-изготовителей этих устройств в Интернете, адреса 
которых приведены в табл. В.1.
Таблица В.1 
Адреса сайтов в Интернете организаций-изготовителей автоматических  
устройств для горных машин и установок
Предприятие
Сайт в Интернете
ООО «Электротехническая промышленная компания»
www.vniiep.ru 
ООО Компания «Объединенная Энергия»
www.jpc.ru
ЧАО «Донецкая инжиниринговая группа»
www.deg.com.ua
ОДО «Инстройсервис»
www.instroyservis.com
ЗАО «Промтех»
www.promtex.ru
ООО Научно-производственное объединение «Красный 
Металлист»
www.kemz.konotop.biz
ООО «ПП ШЭЛА»
www.shela71.ru
ООО «Днепропетровский завод шахтной автоматики, 
(ДЗША) » 
www.15717-ua.all.biz
АО «РУДОАВТОМАТИКА им. В.В. Сафошина»
www.rudoavtomatika.ru
ООО «Сименс»
www.siemens.com/ru
Компания ABB
http://new.abb.com/ru
Компания Schneider Electric
www.schneider-electric.ru
АО OMRON Corporation
https://omron.ru
FANUC Ltd
http://www.fanuc.eu/ru/ru
Allen-Bradley 
С 1985 г. часть корпорации Rockwell Automation
http://ab.rockwellautomation.com
10