Русский  English
ДонНТУ  Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Системи провітрювання великих сучасних шахт є досить складними комплексами гірських споруд і установок, покликаних забезпечити безпечну і продуктивну роботу гірників. Без ефективної її роботи неможливо реалізувати основний технологічний процес видобутку вугілля. Тому систему вентиляції можна віднести до найважливішого технологічного процесу вугільних шахт, метою якого є забезпечення життєдіяльності та комфортних умов роботи гірників і ліквідація небезпечної концентрації метану в рудничної атмосфері.

Роботи в галузі автоматизації управління провітрюванням шахт на системній основі інтенсивно ведуться великою кількістю дослідників, починаючи з 60–х років. Виконані за цей час теоретичні дослідження та експерименти дозволили отримати важливі практичні результати. Були розроблені і випробувані в шахтних умовах ряд підсистем автоматизованого контролю та управління провітрюванням вугільних шахт.

Завдання автоматизованого керування вентиляцією включає в себе ряд взаємопов'язаних подзадач за визначенням потрібного за газовим фактором дебіту повітря на ділянці та відпрацювання оптимальним чином витрат повітря на видобувних дільницях. При цьому на метанообільності ділянках під бажаним якістю процесів управління розуміється насамперед забезпечення умов безпеки – обмеження концентрації метану в процесі регулювання на безпечному рівні. В силу того, що відповідно до правил безпеки перерозподіл витрати повітря супроводжується зупинкою гірничих робіт, найважливішою якістю алгоритмів керування є також мінімізація часу відпрацювання необхідних дебітів повітря і, отже, зменшення часу простоїв ділянок.

1. Математичний опис аерогазодинамічних процесів

Газодинамічні процеси у вентиляційній мережі виїмкових дільниць вугільних шахт визначаються сукупністю дебітів газу з супутника (рис.1.1), з грудей розроблюваного пласта (рис.1.2) та їх взаємодією з повітряним потоком у виробках і пористої середовищі виробленого простору [1,2]. У загальному випадку кожен з цих елементів і вентиляційна мережу ділянки представляють систему з розподіленими параметрами, і несталі перехідні процеси по газу в мережі описуються складними рівняннями руху метаноповітряної суміші в приватних похідних [2]. Математична модель руху метаноповітряної суміші ділянки є найбільш точної і відіграє визначальну роль для дослідження і встановлення фізичної сутності нестаціонарних процесів по газу. Однак в завданнях управління може бути використана простіша модель в силу того, що гранична частота метановиділення в лаві (рис.1.2) і пластів-супутників (рис.1.1), які представляють основні обурення щодо газу на ділянці, є надзвичайно низькою і не перевищує ωмгр≈0.001с-1 [3]. Робоча смуга частотної характеристики моделі ділянки по газу є досить вузької, що дозволяє не враховувати розподіленість аерогазодинамічних параметрів ділянки в математичній моделі ділянки як об'єкта управління. У зв'язку з цим, для інтерпретації динамічних властивостей ділянки як об'єкта управління цілком обгрунтовано використовувати схему з повним перемішуванням метану і повітря уздовж руху метаноповітряної суміші, яка при низькому темпі збурень по газу з достатньою для практики точністю еквівалентна розподіленим в просторі газодинамическим процесам у вентиляційній мережі виробленого простору ділянки. Зауважимо, однак, що усереднені динамічні характеристики спрощеної математичної моделі ділянки із зосередженими параметрами повинні бути досить точними з позиції систем управління по газу і адекватно відображати ті динамічні властивості газодинамической моделі ділянки, які здатні помітним чином впливати на стійкість і поведінку системи управління з газовому фактору. Зважаючи на складність проведення шахтних дослідів на кожному конкретному виїмковій ділянці з метою ідентифікації їх газодинамічних параметрів, крім того, практично важливо визначити в моделі конкретний фізичний зміст газодинамічних параметрів та методику їх розрахунку без проведення спеціальних шахтних експериментів – за значеннями штатних або легко вимірюваних в процесі проведення гірничих робіт гірничотехнічних параметрів вентиляційної мережі ділянки.

Обобщенная схема руху газу з супутника у вироблений простір розроблюваного пласта

Рис. 1.1. Узагальнена схема руху газу з супутника у вироблений простір розроблюваного пласта

Qмсп – дебіт метану з зруйнованої частини супутника через зону обвалення порід у вироблений простір лави

Обобщенная схема руху газоповітряної суміші у виробках і виробленому просторі виїмкової участка

Рис. 1.2. Узагальнена схема руху газоповітряної суміші у виробках і виробленому просторі виїмкової дільниці

Q – дебіт повітря на ділянці;
З – концентрація метану у вихідному струмені ділянки;
Qут – дебіт витоків повітря через вироблений простір;
Qл – витрата повітря у лаві;
Qпл – дебіт метану в лаву з грудей розроблюваного пласта;
Qмсп – дебіт метану з супутника;
Змут – концентрація метану в витоках повітря через вироблений простір;
Qмв – загальний дебіт метану з виробленого простору;
Qму – загальний дебіт метану у вихідному струмені ділянки.

Регульованою координатою ділянки в контурі управління по газу є концентрація метану в найбільш небезпечній по газу гірничій виробці ділянки, яка визначається правилами техніки безпеки. При відпрацюванні пласта, наприклад, прямим ходом, таким регульованим параметром є концентрація метану у вихідному струмені ділянки (рис.1.2). При розробці газодинамической моделі таких ділянок окрім виділення газу з грудей забою і супутників необхідно враховувати вміст газу в витоках повітря з виробленого простору (рис.1.2). Тому в загальному випадку повне математичний опис ділянки як об'єкта управління із зосередженими параметрами має включати систему диференціальних рівнянь газодинамічних процесів як у виробках, так і в витоках з виробленого простору.

Таким чином, основними проблемними питаннями побудови математичної моделі вентиляційної мережі ділянки як об'єкта управління по газу є розробка рівнянь перехідних процесів газодинаміки у виробках і виробленому просторі вентиляційної мережі ділянки.

Для обмеженого частотного діапазону зовнішніх збурень по газу можна вважати [1], що концентрація метану на всьому довжині виробок ділянки є однорідною, а інерційність газодинамічних процесів визначається в основному швидкістю перемішування повітря і газу у всьому обсязі гірничої виробки.

Для опису та аналізу динаміки процесів управління на виїмковій ділянці скористаємося розробленої наближеною математичною моделлю [4] процесів газовиділення з виробленого простору та зміни концентрації метану у вихідному струмені ділянки:

dqв/dt+(1/Tв)*qв=(1/Tв)*qсп+mU; (1.1)
k=Θл*qл+Θв*qв-G; (1.2)
dGз/dt=U; (1.3)
G(t)=Gз(t)+Gв(t); (1.4)

де: Gз – задане значення дебіту повітря на дільниці; Gв – обурення по повітрю, U – швидкість зміни витрати повітря на ділянці, прийнята в системі регулювання в якості керуючого впливу; Qм – дебіт метану на ділянці; G – відносна зміна витрати повітря на дільниці; q – відносна зміна дебіту метану на ділянці; Т – час однократного обміну повітря на дільниці; Q0, Q0м – номінальні значення відповідно витрати повітря і дебіту метану; С – концентрація метану у вихідному струмені ділянки. Звідси q(t)≥-1.

2. Розробка алгоритмів безпечного диспетчерського управління провітрюванням виїмкових дільниць

Загальна задача контролю та автоматизованого керування провітрюванням ділянок включає в себе ряд взаємопов'язаних задач з визначення стану вентиляційної мережі, регулювання режимів роботи вентиляторів головного провітрювання, перерозподілу повітря між головними виробками і оптимізації за критерієм безпеки режимів провітрювання видобувних ділянок [5,6,7]. При регулюванні ділянок по газовому фактору передбачається, що диспетчер на основі даних про поточний газовиділенні визначає оптимальний режим провітрювання дільниці по газу і формує відповідні цьому режиму завдання (уставки) по витраті і концентрації метану на вході виконавчого блоку (ІБ) регулятора витрати повітря, який під контролем і наглядом диспетчера відпрацьовує заданий розрахунковий (номінальний) режим провітрювання ділянки. При цьому в силу низькочастотного спектра збурень по газу при перекладі ділянки в бажане стан обурення щодо газу залишаються квазістаціонарними і розрахункове бажаний стан ділянки залишається незмінним у процесі диспетчерського управління. Природно, що для мінімізації часу відпрацювання штатного режиму провітрювання переведення ділянки в нове розрахункове стан доцільно здійснювати найкращим (оптимальним) за швидкодією чином, а за наявності на ділянці необхідних вентиляційних ресурсів, з обмеженням концентрації метану на безпечному рівні. Частковий можливої структури регульованих ділянок в шахтній вентиляційної мережі показаний на рис.2.1.

Структурная схема регульованих ділянок фрагмента тестової ШВС

Рис. 2.1. Структурна схема регульованих ділянок фрагмента тестової ШВС: ДQ – датчик витрати повітря; ДС – датчик концентрації метану; Qж1, Qж2 – бажаний витрата повітря на ділянках; R1', R2' – регульоване опір ділянки

Розробці ефективних способів відпрацювання на виїмкових дільницях бажаного дебіту повітря присвячено значну кількість робіт [8]. Однак у силу номінімально – фазового характеру перехідних процесів по газу на ділянках (наявності сплесків концентрації метану) і суттєвою інерційності газодинамічних процесів вирішення проблеми безпечного і ефективного маневрування дебітом повітря з метою встановлення необхідного рівня концентрації метану на видобувних дільницях все ще далеко від завершення.

Розробка нових підходів до встановлення бажаного витрати на метанообільності видобувних ділянках здійснювалася для умов контуру диспетчерського регулювання провітрюванням ділянок (рис.2.2).

Обобщенная структура контуру диспетчерського управління ділянкою по газу

Рис. 2.2. Узагальнена структура контуру диспетчерського управління ділянкою по газу

Основою блоку управління за газовим фактором є блок оптимального управління, побудований на основі даних про бажане (Gж) і поточному (G) витратах повітря, допустимому (kдоп), розрахунковому (номінальному) (kж) і поточному (K) рівні концентрації метану.

Метою регулювання є відпрацювання оптимальним за швидкодією заданого (бажаного) витрати повітря Gж і розрахункового штатного режиму по концентрації метану, тобто встановлення концентрації метану на штатному (номінальному) рівні (kж=kшт=0) при наявності обурює впливу по газу (наприклад, при qл≠0). При цьому для забезпечення безпечних умов праці шахтарів концентрація метану при наявності на ділянці необхідних вентиляційних ресурсів у процесі управління не повинна перевищувати деякого допустимого розрахункового рівня (kдоп).

Будемо припускати, що в розрахунковому (номінальному) режимі абсолютне значення концентрації метану Сшт=С0=0.75%, тобто підтримується на 25% менше гранично допустимого значення концентрації метану, рівного Здоп=1%. Таким чином, в процесі безпечного регулювання витрати повітря гранично допустиме відносне збільшення концентрації метану визначається рівнем kдоп=(1%-0.75%)/0.75%=0.33.

Зважаючи на значну інерційності газодинамічних процесів на ділянці бажаним якістю оптимального алгоритму управління є мінімізація часу відпрацювання заданого режиму провітрювання. Природно, що за наявності вентиляційних ресурсів необхідною умовою коректного управління є обмеження концентрації метану на безпечному рівні до kдоп=0.33 в перехідному режимі.

Для забезпечення найкращого за швидкодією управління відповідно до теоремою Фельдбаум про n інтервалах виїмкову ділянка, описуваний системою другого порядку (1.1–1.3), повинен мати максимально дві лінії оптимальних за швидкодією фазових траєкторій при гранично допустимих значеннях управління (U=±Um) і одне перемикання знака управління (точку реверса). Для формування моменту перемикання керуючого впливу побудуємо із заданого бажаного стану ділянки методом Позаднього руху лінії перемикання в фазовій площині Gk при максимально допустимих значеннях управління U=±Um [9].

Висновки

Основні результати досліджень зводяться до наступного.

  1. Методами фазової площини розроблений новий логічний закон квазіоптимального за швидкодією дискретного управління провітрюванням ділянок при відпрацюванні бажаного кінцевого стану ділянки з обмеженням концентрації метану на розрахунковому допустимому рівні, що відрізняється тим, що блок формування керуючих впливів використовує ковзаючі режими.
  2. Показано, що при певних нештатних режимах провітрювання переведення ділянки в бажаний стан неможливий оптимальним чином без перевищення концентрацією метану розрахункового безпечного рівня.
  3. Методами математичного моделювання аерогазодинамічних процесів при диспетчерському безпечному регулюванні ділянок у керованій моделі шахтної вентиляційної мережі з розподіленими параметрами та використанні розроблених засобів програмної підтримки процесів диспетчерського регулювання витрат повітря підтверджена працездатність розроблених алгоритмів.

Подальші розробки пов'язані з впровадженням розробленого алгоритму управління в реальну систему управління провітрювання виїмкових дільниць вугільних шахт.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: зима 2014–2015 рр.. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік джерел

  1. Касимов О.И. Физическая сущность и некоторые закономерности переходных газодинамических процессов на выемочных участках шахт Донбасса / О.И. Касимов, И.Н. Попов. – В кн.: Аэродинамические процессы на выемочных участках угольных шахт. – Киев: ИТТ АН УССР, 1965. – С.3–8.
  2. Фельдман Л.П. Уравнения неустановившегося движения метано–воздушной смеси в выработках и выработанном пространстве участка. / Л.П. Фельдман. – В кн.: Разработка месторождений полезных ископаемых. – Киев: Техника, 1971, вып.22. – С.95–105.
  3. Петров Н.Н. Методы синтеза систем автоматического регулирования вентиляторов главного проветривания./ Н.Н. Петров, П.Н. Ермолаев, П.Т.Пономарев. В кн. «Автоматическое управление в горном деле». Сб. научных трудов. – Новосибирск ИГД СО АН СССР, 1971. – С. 23–49.
  4. Чередникова О. Ю. Синтез и исследование алгоритмов оптимального по быстродействию управления. – Донецк. 2013, ст.
  5. Назаренко В.И. Разработка и исследование системы диспетчерского управления проветриванием шахт методами математического моделирования.: Дис. канд. техн. наук. / Назаренко Виктор Иванович. – Донецк, 1974. – 222с.
  6. Автоматизированная система контроля и прогнозирования состояния рудничной атмосферы угольных шахт./ Лапко В.В. и др. Наукові праці Донецького державного технічного університету. Серія: Проблеми моделювання та автоматизації проектування динамічних систем, випуск 10: – Донецьк, ДонДТУ, 1999. – С. 253 – 258.
  7. Аппаратно–программный комплекс автоматизации контроля состояния рудничной атмосферы / [Святный В.А., Лапко В.В., Достлев Ю.С., Краснокутский В.А., Иванов А.Ю.] // Донбасс–2020: Наука и техника – производству: матер. науч.–практ. конф., 5–6 янв. 2002г..–Донецк : ДонНТУ, 2002. – С.163–173.
  8. Абрамов Ф.А. Моделирование динамических процессов рудничной аэрологии / Абрамов Ф.А., Фельдман Л.П., Святный В.А. – К.: Наук. думка, 1981. – 284 с.
  9. Воронов А.А. Основы теории автоматического управления. Часть 2. Специальные линейные и нелинейные системы автоматического регулирования одной величины. / А.А. Воронов. – М.: Энергия, 1966. – 325с.
  10. Черных И.В. Simulink: Инструмент моделирования динамических систем [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.matlab.exponenta.ru, вільний.