Донецкий Национальный Технический Университет
Пекарь Владимр Иванович
Тема : Разработка алгоритмов восстановления сигналов контроля технологических параметров гидротранспортной установки.
Специальность: Системы Управления и Автоматика
Автореферат магистерской выпускной работы
Руководитель работы:Широков Ю.Д.
г.Донецк 2002г.
E-mail:pekarv@ukrtop.com
Гидротранспорт, несмотря на то, что является наиболее молодым видом транспорта и широкое распространение получил в последние десятилетия, на сегодняшний день, почти во всех развитых странах мира успешно функционирует во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства.
Уголь в перспективе будет занимать ведущее положение в мире как источник электрической и тепловой энергии, поскольку его ресурсы на Земле многократно превышают суммарные ресурсы нефти и газа вместе взятые. Одним из приоритетных технологических направлений, позволяющих существенно расширить масштабы и область применения угля, является использование водоугольного топлива.
Транспортировка которого на большие расстояния по трубопроводам разгружает железнодорожный транспорт, а возможность его сжигания в топках котлов электростанций без предварительного обезвоживания и сушки создаст условия для замещения им дефицитных и более дорогих нефтяных топлив и позволит снизить образование и выбросы в атмосферу загрязняющих веществ.Углепроводы, по сравнению с железнодорожным транспортом, обладают рядом преимуществ: непрерывностью и равномерностью потока, постоянством (усреднением) качества доставляемого продукта, независимостью работы от условий погоды и отсутствием негативного влияния на окружающую среду и потерь при транспортировании. Кроме того, они обладают значительной пропускной способностью при небольшом количестве обслуживающего персонала и высоким потенциалом автоматизации транспортных и погрузочно-разгрузочных операций.
В в е д е н и е.
Для обеспечения потребности народного хозяйства в тепловой и электрической энергии в стране создана мощная система централизованного тепло- и энергоснабжения потребителей, ориентированная в основном на использование традиционного органического топлива (угля, нефтепродуктов и природного газа).
В последние десятилетия в топливно-энергетическом балансе энергетики страны подавляющая доля (более 70 %) принадлежала природному газу и мазуту. В настоящее время, в связи со значительной выработкой основных месторождений и истощением запасов нефти и газа, а также роста на них цен, как на мировом, так и на внутреннем рынке начинается период снижения добычи этих видов энергоресурсов и как, следствие, возрастание роли твердого топлива в топливно-энергетическом балансе страны. Увеличение потребления угля для производства тепловой и электрической энергии связано с необходимостью ускоренного проведения работ по переводу тепловых электростанций и районных котельных с природного газа и нефтепродуктов (мазута и др.) на уголь с организацией пылевидного сжигания его в топках котлов, что весьма сложно.
Такая работа сопряжена с большими капиталовложениями и длительной остановкой котлов электростанций и котельных на реконструкцию.
Кроме того, сжигание угля в пылевидном состоянии существенно ухудшает экологическую обстановку в районах его использования. Для улавливания вредных веществ, выбрасываемых с продуктами сгорания угля ("летучей золы", оксидов серы и азота, монооксида углерода, бенз(а)пирена и др.) требуется установка весьма дорогостоящего оборудования, существенно увеличивающего себестоимость вырабатываемых видов энергии.
Быстро решить объективно возникшую проблему в энергетике можно переведя тепловые электростанции на новое конкуренто способное экологически чистое водоугольное топливо (ВУТ) созданное российскими исследователями. Технология его производства, хранения, транспортировки и использования успешно прошла опытно-промышленную проверку и все необходимые стадии инженерно-технологического опробования и освоения.
С о с т о я н и е п р о б л е м ы.
Исследовательские и опытно-промышленные работы по производству, хранению, транспортировки и использованию ВУТ (в те годы - водоугольных суспензий) были начаты в 1959г. в СССР впервые в мире, с целью разработки технологий утилизации угольных шламов и использования углей, добываемых гидравлическим способом. С 1959 по 1975 годы эти работы проводились по специальным Постановлениям Совета Министров СССР.
В 1970- 1973 годах на шахте им. Абакумова в г. Донецке (Украина) была построена промышленная установка по производству и сжиганию ВУТ из каменноугольных шламов производительностью 60 000 т/год. Но в постоянную эксплуатацию установка не была введена, в связи с реконструкцией углеобогатительной установки шахты и увеличении зольности шламов с 30 до 50 %, на что установка рассчитана не была.
В 1965 - 1975 гг. в СССР по Государственным программам был выполнен большой цикл работ по созданию технологий производства ВУТ из бурых углей. Но работы были приостановлены в связи с ориентацией энергетики страны на жидкое (нефтяное) и газообразное топливо.
Второй этап интенсивного развития работ по созданию новых композиций ВУТ, технологий его производства и использования в СССР начался в 1980- 83 г., в связи решением о строительстве первого в мире энергетического комплекса "Белово - Новосибирская ТЭЦ-5" по производству и сжиганию ВУТ производительностью три млн. т в год ( по сухому углю) с трубопроводом протяженностью 262км. За рубежом работы по созданию ВУТ из каменных углей были начаты в конце 70-х годов с целью замены в энергетике жидкого нефтяного топлива.
В настоящее время исследовательские и опытные работы ведутся в Швеции, Германии, США, Италии, Японии, Китае и ряде других стран. Создано несколько международных фирм по производству водоугольного топлива, в том числе фирмы "Карбогель" и "Флюидкарбон" (Швеция), "Сларри техник. Инкорпорейшин", "Атлантик Корпорейшин" (США), "Хитачи" (Япония), "Снампроджетти" (Италия) и др.
SystemView - моделирование динамических систем
Пакет SystemView представляет собой мощную интегрированную среду проектирования с почти неограниченными возможностями внешне сохранившую красочность и привлекательность детского конструктора. Только из кубиков, подобных знаменитому Lego, можно строить не домики для кукол, а модели широкополосных систем связи, использующих сложные цифровые сигналы, например, QAM64, анализировать их поведение в различной помеховой и шумовой обстановке или проектировать сверхбыстродействующие цифровые сигнальные процессоры (DSP) с конечной реализацией на программируемых вентильных матрицах (FPGA).
Пользовательский интерфейс программы прост в обращении и интуитивен. Основу пакета составляет базовый модуль SystemView Professional Edition, к которому подключаются различные специализированные библиотеки, обеспечивающие проектировщиков моделями почти всех необходимых функциональных блоков. В случае, если уже имеющаяся модель по каким-либо соображениям не устраивает разработчика, у него есть возможность создать собственную пользовательскую модель, опирающуюся на оптимальные с его точки зрения математические выкладки.
Системы могут иметь сколь угодно сложную иерархическую структуру, реализованную на основе метасистем (подсистем). Ряд метасистем может быть скомпилирован в пользовательские функциональные блоки или даже целые библиотеки.
Совместно с базовым модулем поставляется набор дополнительных библиотек:
Communications Library - содержит различные модели узлов телекоммуникационного оборудования (кодеров и декодеров, модуляторов и демодуляторов), а также моделей канала с учетом многолучевости и замираний;
DSP Library - содержит все необходимое для моделирования цифровых сигнальных процессоров (с плавающей точкой и бит-истинных). Большинство блоков имеет прототипы для реализации на программируемой логике;
RF/Analog Library - включает большое число моделей различных радиотехнических устройств, используемых для моделирования трактов аналоговой обработки сигналов;
Logic Library - содержит все необходимое для построения и отладки цифровых логических схем;
CDMA/PCS Library - включает модели устройств, используемых в современных системах персональной связи, в том числе и с кодовым разделением каналов;
Digital Video Broadcasting (DVB) Library - объединяет модели функциональных блоков, используемых в аппаратуре цифрового телевизионного вещания;
Английская компания EnTegra (партнер компании Elanix) предлагает собственные наборы дополнительных библиотек: Adaptive Filter Library, содержащую модели устройств, используемых при построении адаптивных фильтров, и 3GPP FDD Library, которая в комплекте со стандартным набором Communication Desing Suite образует мощный пакет проектирования мобильных систем третьего поколения 3G Design Studio.
Программное обеспечение обеих фирм ориентировано не только на разработчиков телекоммуникационного оборудования, но и на студентов, делающих первые шаги в освоении электроники. Для университетов имеются в наличии полнофункциональные версии со значительными скидками, а для самостоятельных работ поставляются еще более дешевые, но ограниченные версии. В рамках развития сотрудничества с университетами была выпущена книга Бернарда Скляра (Dr. Bernard Sklar) Digital Communications: Fundamentals and Applications, совместно с которой поставляется интерактивный учебник по цифровой связи и ограниченная версия SystemView. Аналогичное мультимедийное приложение для обучения основам цифровой обработки сигналов было разработана в Глазго (University of Strathclyde) профессором Робертом Стюартом (Robert W. Stewart).
Целью данной работы является разработка
алгоритмов восстановления сигналов контроля технологических параметров гидротранспортной установки.
Исследование производится на математической модели.
Гидротранспортирование — процесс перемещения твердых частиц или кусков горных пород в смеси с водой. Гидравлический транспорт осуществляется напорными (по трубам) или безнапорными (самотеком по трубам или желобам) потоками.
Принцип действия гидравлических устройств трубопроводного транспорта основан на передаче энергии несущей среды частицам твердых насыпных материалов для перемещения их по транспортным коммуникациям со сравнительно высокими скоростями, достигающими в системах гидротранспорта 4—5 м/сек и более. Движение по трубам смеси материала с водой (гидросмеси) происходит под действием разности давлений, образуемой с помощью перекачивающих агрегатов (машин-побудителей потока) — машин и аппаратов специальных конструкций, в качестве которых используются насосы для гидросмеси (углесосы, землесосы, поршневые насосы), загрузочные устройства в сочетании с обычными центробежными насосами, а также вакуум-насосы, струйные насосы и др.
Область рационального применения трубопроводного транспорта на горных предприятиях определяется горнотехническими условиями, возможностью сочетания его с другими гидромеханизированными работами, видом транспортируемого материала, возможностью экономичного обезвоживания.
Достаточно высокая технико-экономическая эффективность гидротранспорта достигается в технологически однородных процессах разработки (добыча) и переработки (обогащение) транспортируемого материала, на тех предприятиях, где возможно совмещение процесса транспортирования с другими технологическими процессами (водоотлив, обеспыливание, обогащение и др.). Применение гидротранспорта целесообразно для перемещения насыпных грузов в виде пылевидных. мелко- и крупнозернистых и мелкокусковых материалов.
Благоприятные условия для поточного гидротранспортирования полезных ископаемых от забоя до потребителя (обогатительные фабрики, ТЭЦ, коксохимические заводы и др.) создаются при разработке месторождений угля и рыхлых малоабразивных руд, особенно в условиях их значительной обводненности в пределах шахтных полей. При гидравлическом способе разработки полезных ископаемых, при гидромеханизированном способе производства вскрышных работ на карьерах гидротранспорт является составным звеном производственных комплексов. Гидравлический транспорт внедряется при современных способах механизации закладочных и заиловочных работ, при механизации разнообразных вспомогательных трудоемких процессов (очистка зумпфов и отстойников, отвод и складирование отходов производства, подача и размещение строительных растворов и др.).
В настоящее время гидротранспорт также широко применяется при вскрышных работах и удалении пород на открытых разработках многих полезных ископаемых (угля, руд черных и цветных металлов, глины, мела, известняка, песка, гравия и др.), при подземной и открытой добыче угля и некоторых руд гидравлическим способом, на обогатительных фабриках.
Необходимость моделирования гидротранспортных систем обуслевленна возможностью отказов некоторых датчиков и как следствие отсутствие информации о параметрах процесса у оператора. Для этого разрабатываются математические модели, которые реализуются различными средствами. Модели могут быть использованы в системах восстановления информации для получения теоретических оценок, неизвестных по разным причинам параметров.
Гидротранспортная установка является важным узлом гидротранспортной системы шахты.
Критерием эффективности управления является минимум расхода электрической энергии на единицу веса транспортируемого материала Э -> min.
Расход электрической энергии определяется необходимым потреблением воды на транспортировку угля до углесосной станции Qвзаб и дополнительным потреблением воды Qвдоп., идущим на промывку гидросистетемы после останова углесоса Qв= Qвзаб + Qвдоп.
Алгоритм управления станцией должен свести потери энергии к минимуму т.е. Эдоп -> min.
АНАЛИЗ РАБОТЫ СТАНЦИИ
Гидротранспортная установка может находиться в одном из трех состояний : разрегулирована S1, с заданной подачей углесосом гидросмеси Qтах (численное значение подачи определено типом углесоса и гидравлическим сопротивлением линии при снабжении его автоматическим всасывающим устройством типа УВ). Зарегулирована S2 с заданной подачей Qmin (расход воды при этом на порядок ниже расхода гидросмеси и выключен S3. Каждое состояние Si имеет свое время перехода Ti, в соседнее состояние.
Подача углесоса, кроме прямого измерения Q, может быть опрсделина косвенно (с погрешностью в пределах 10%), как по току двигателя так и по положению управляющих органов при наличии системы местной автоматизации, осуществляющей пограммное переключение режимов. В последнем случае идентификация состояния углесоса осуществляется наиболее просто.
Идентификация Si таким образом, определяет текущую инерционность системы .
Углесос работает в трех режимах: 100%-ом подача Qн и 10%-ом подача Qз и отключение.
В режиме подачи Qз углесос работает длительно при больших притоках Qп (Qп >500м3/ч) и небольшой промежуток времени – при Qп<500м3/ч из-за возможности возникновения забутовок всасывающего устройства в следствии завала его твердым материалом.
Поток гидросмеси является двухкомпонентным (твердая и жидкая компоненты (фракции)).
Для транспортировки твердой фракции необходимо обеспечить величину консистенции Кп=Qт /Qв = Кпmax при заданных объемах пульпы Qп = Qт +Qв.
Знание поведения потоков гидросмеси позволяет не только определять технологические параметры углесосной станции, но и эффективно осуществлять контроль и управление станцией.
Поток отказов и сбоев в работе устройств информационной системы приводи к нарушению режима функционирования участком гидросистемы.
При потере части информации из-за отказов датчиков, для ее восстановления могут быть использованы функциональные, логические и стохастические связи между параметрами информационными параметрами.
Система связей между основными информационными параметрами позволяет восстанавливать сигналы при отказах датчиков по показаниям исправных датчиков либо по функциональным зависимостям, либо путем прогнозирования.
Поток гидросмеси забоя формируется путем суммирования твердого и воды.
Входной поток гидросмеси в углесосную станцию формируется путем суммирования потоков гидросмеси забоев, и являются случайным по величине, длительностям пульсаций и структуре.
Анализ работы забоев показывает, что длительности работы и простоев комбайнов можно описать экспоненциальными законами распределений. Потребление воды забоем определяется технологическими параметрами транспортируемой массы (удельный вес, крупность), транспортной системы (гидравлический уклон, дальность, технологическими параметрами параметры желобов) , принятым способом управления, а также надежностью функционирования системы управления
Каждому потоку соответствуют статистические характеристики, которые можно определить только путем моделирования.
Исследование технологических объектов со случайными изменениями параметров наиболее эффективно на имитационных моделях, отражающих поведение объектов на определенных интервалах времени.
Т. к. имитационные модели не отражают реального времени протекания процессов, поэтому необходимо обеспечивать адекватность результатов моделирования реальным процессам. Критерием адекватности следует считать соответствие вероятностных характеристик сигналов модели и реального процесса. По этому критерию легко подобрать параметры модели: интенсивность входных сигналов и минимальное время моделирования.
Для моделирования динамической системы был использован анализирующий пакет SystemView.
По результатам моделирования можно сделать следующие вывод.
1.Потоки гидросмеси из забоев являются нестационарными процессами в различных сменах работы.
2.Потоки гидроеси являются стационарными для одной смены работы.
3.Нормированные корреляционные функции потоков описываются различными зависимостями вида: exp(-at); exp(-at)+cos(bt); exp(at)*cos(bt).
4.Параметры корреляционных функций a,b являются величинами переменными для различных реализаций.
5.Нормированная корреляционная функция суммарного потока описывается зависимостями вида: exp(-at); exp(-at)*cos(bt);1--at.
Чаще встречаются функции экспоненциальная и линейная.
Опробация работы: материалы работы были доложены на 2-й международной научно-технической конференции аспирантов и студентов " Автоматизация технологических обьектов и процессов. Поиск молодых " проходившей 25-26,04,2002г. в Донецком Национальном Техническом Университете