Українська  English
ДонНТУ  Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Проведение работ в шахте или руднике, создание комфортных условий в подземных выработках зависят от работы системы проветривания, включающую в себя вентиляционную сеть, вентиляторную установку главного проветривания, калориферные установки, вентиляторы местного проветривания, средства контроля состояния рудничной атмосферы.

1. Актуальность темы

В настоящее время под автоматизацией вентиляторных установок понимают дистанционное управление вентиляторами и устройствами реверсирования струи воздуха и осуществление контроля работы установки. Аппаратура автоматизации должна выполнять следующие функции: регулирование производительности вентиляторов; автоматическое включение резервного вентилятора при отключении рабочего; повторный пуск при восстановлении исчезнувшего питающего напряжения; реверс вентиляционной струи [1].

Прогресс современной горнодобывающей и угольной промышленности выдвигает ряд новых требований к вентиляционным системам шахт и рудников. Интенсификация технологических процессов подземной добычи полезных ископаемых, увеличение скорости подвигания очистных забоев вызывают повышенный приток вредных выделений в рудничную атмосферу, более стремительное изменение структуры вентиляционной сети и аэродинамического сопротивления горных выработок. Проведение добычных работ на все больших глубинах также приводит к увеличению выделения газов и ухудшению климатических условий за счет увеличения отдачи тепла в атмосферу горных выработок от окружающих пород [2].

Таким образом, тема магистерской работы является актуальной

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Цель исследования – повышение эффективности технологического процесса проветривания горных выработок путем разработки системы автоматизированного управления распределением воздушных потоков в системе вентиляции шахт.

Основные задачи исследования:

  1. анализ системы вентиляции шахт как объекта автоматизации;
  2. анализ существующих разработок по автоматизации вентиляционнй сети шахты;
  3. разработка математической модели автоматизированного управления;
  4. разработка структурной и функциональной схем системы автоматизированного управления, алгоритма ее работы;
  5. разработка принципиальной схемы системы автоматизированного управления, создание макета.

3. Технологический процесс проветривания горных выработок как объект мониторинга и управления

В шахтную вентиляционную сеть входят горные выработки и сооружения, по которым движется воздух, а также выработки, вентиляционные сооружения и выработанное пространство, через которые просачивается воздух в таком количестве, которое оказывает влияние на проветривание шахты [3].

Проветривание шахты осуществляется путем создания воздушного потока в сети горных выработок. Принятое направление воздушных потоков в сети определяет схему проветривания шахты и отдельных ее участков. В настоящее время на большинстве шахт применяется центральная схема проветривания со всасывающим способом, при котором вентилятор в устье ствола, выдающего воздух, создает разрежение необходимое для движения воздуха. На рисунке 1 приведен фрагмент системы проветривания горных выработок шахты [4].

Главные вентиляторные установки, вентиляторы местного проветривания, шахтная вентиляционная сеть, регулируемые и нерегулируемые вентиляционные устройства, калориферы, кондиционеры составляют систему проветривания.

Из атмосферы воздух по подающему стволу ПС (клетьевой ствол) поступает в шахту. При необходимости его подогревают с помощью калорифера К (в зимнее время). В околоствольном дворе струя разветвляется и по откаточным штрекам поступает в западное и восточное крыло. Дебит воздуха по выработкам изменяется с помощью регулируемых вентиляционных устройств РВУ. Они устанавливаются в кроссингах, обходных вентиляционных выработках и представляют собой регулируемые дроссельные устройства. Так как схема проветривания симметрична, то проследим за движением воздушной струи только по восточному крылу. Пройдя третье регулируемое вентиляционное устройство РВУ3, струя разветвляется: часть воздуха поступает в восточную лаву №1, а часть – в бремсберг. Определенное количество воздуха, поступающего в бремсберг, используется для проветривания забоя промежуточного штрека с помощью вентилятора местного проветривания ВМП. Отработанный воздух собирается на восточном вентиляционном штреке ВШ и через вентиляционный ствол (или скиповый ствол) Ш с помощью главной вентиляторной установки ВУ выбрасывается в атмосферу.

Фрагмент системы проветривания горных выработок шахты

Рисунок 1 – Фрагмент системы проветривания горных выработок шахты

Процентное содержание метана в горных выработках контролируется датчиками метана ДМ. Место их установки и максимальное процентное содержание метана регламентируется Инструкцией по системе аэрогазового контроля в угольных шахтах (РД 05-429-02).

Следует иметь ввиду, что процентное содержание метана является главным, но не единственным критерием при определении количества воздуха, подаваемого в различные забои шахты. Большое значение имеют скорость воздуха в горных выработках, а соответственно пылеобразование. Контроль подачи воздуха в выработки осуществляется датчиками ДКВ. Количество воздуха, поступающего в места наибольшей интенсивности работы, должно быть не меньше некоторой величины Qmin, регламентируемой Правилами безопасности в угольных шахтах. Величина Qmin не является постоянной величиной и зависит от характера смены (добычная или ремонтная), эффективности средств пылеподавления, объема буровзрывных работ и пр. Для контроля за Qmin при малых выделениях метана система проветривания должна быть дополнена датчиками количества воздуха ДКВ с их установкой в местах наибольшей интенсивности работ.

Регулируемым параметром системы управления является количество воздуха, подаваемого в забой, а возмущающими воздействиями – процентное содержание метана, количество вредных газов, выделяющихся при буровзрывных работах, интенсивность пылеобразования и пр.

Повышение эффективности проветривания газовых угольных шахт может осуществляться по двум направлениям:

  1. увеличение сечений горных выработок, переход к более рациональным схемам вентиляции, при которых выделяющийся из различных источников метан в системе горных выработок разбавляется обособленными воздушными потоками. Основным препятствием решения проблемы является необходимость проведения дополнительных выработок, что связано с экономическими расходами. Кроме того, увеличение скорости движения воздуха в определенных местах выработок может привести к ухудшению условий труда по причине запыленности рабочего места.
  2. оперативный контроль и управление вентиляционным режимом. Эффективность достигается за счет повышения выносной способности каждого кубического метра воздуха, подаваемого в горные выработки, при минимуме приведенных затрат.

Процесс проветривания шахты строго регламентируется Правилами безопасности в угольных шахтах [5] и другими нормативными документами. В нормальном режиме система проветривания должна осуществлять подачу и распределение по выработкам такого количества воздуха, которое в соответствии с правилам безопасности в угольных шахтах (ПБ) требуется для обеспечения комфортных и безопасных условий труда горнорабочих, обеспечения заданной производительности забоев при существующих параметрах рудничной атмосферы: газовыделении, пылеобразовании, выделении тепла и влажности, при оптимальных режимах работы вентиляторных установок.

В процессе проведения горных работ непрерывно изменяется протяженность горных выработок, а вместе с ней и их аэродинамическое сопротивление. Это приводит к тому, что происходит отклонение фактического расхода воздуха от требуемого в большую или меньшую сторону, что недопустимо по правилам безопасности. Следовательно, необходимо разработать автоматизированную систему управления технологическим процессом проветривания горных выработок таким образом, чтобы она осуществляла перераспределение потоков воздуха. Проблема перераспределения потоков воздуха была рассмотрена Завадской Татьяной Владимировной в статье Блочно-ориентированная модель системы многосвязного управления воздухораспределением в шахтной вентиляционной сети [6].

Выемочные участки являются основными объектами проветривания на угольных шахтах. В зависимости от нагрузки на выемочный участок необходимо обеспечивать его соответствующим количеством воздуха. Поэтому и возникает необходимость в перераспределении потоков воздуха [7,8]. Структурная схема подключения САУ к системе проветривания выемочного участка (СПВУ) показана на рис.2, а структура САУ – на рис.3.

Структурная схема автоматизированной СПВУ

Рисунок 2 – Структурная схема автоматизированной СПВУ

Структура системы управления потоком воздуха в ветви

Рисунок 3 – Структура системы управления потоком воздуха в ветви: 1 – определитель Δ Q; 2 – релейный усилительный элемент; 3 – двигатель; 4 – редуктор; 5 – регулирующий орган; 6 – СПВУ (объект); 7 – датчик[7,9,10]

При уменьшении аэродинамического сопротивления R/ начинает работу двигатель, который осуществляет передвижение регулирующего органа, уменьшается угол его установки α, разница между фактическим и требуемым расходами Δ Q растет и расход воздуха Q в данной ветви увеличивается. При увеличении R/ двигатель работает в обратном режиме, α увеличивается, и расход воздуха Q уменьшается. Такой принцип перераспределения и был взят за основу при разработке автоматизированной системы управления технологическим процессом проветривания горных выработок.

4 Разработка алгоритма работы и схемных решений устройства автоматизации технологического процесса проветривания горных выработок

Разработанная система автоматизации осуществляет автоматизированное регулирование расхода воздуха в трех параллельных выработках. На рисунке 4 приведена блок-схема алгоритма регулирования расхода воздуха.

В процессе регулирования определяется состояние рудничной атмосферы в каждой выработке, в первую очередь отыскивается выработка с наибольшей недостачей воздуха. Затем определяется положение заслонки в данной выработке. В случае если заслонка закрыта или находится в нейтральном положение идет сигнал управления на ее открытие. При полностью открытой заслонке регулирование количества воздуха, поступающего в выработку с недостачей, осуществляется за счет перекрытия параллельных выработок, если в них имеется запас регулирования: избыток воздуха и открытое либо нейтральное положение заслонки. При отсутствии запаса регулирования в параллельных выработках и наличии недостаточного количества воздуха в регулируемой выработке производится увеличение общешахтного расхода за счет открытия направляющего аппарата.

В случае отсутствии выработки с недостачей воздуха и наличием выработки с избытком производится снижение общешахтного расхода за счет закрытия направляющего аппарата. После чего происходит перераспределение воздуха между параллельными выработками и появляется выработка с надостачей.

Для того, чтобы уменьшить число срабатываний вводится зона нечувствительности (5-10%) и задержка времени на перераспределение воздуха по выработкам после отработки сигнала управления исполнительным механизмом (заслонкой или направляющим аппаратом.)

Блок-схема алгоритма регулирования расхода воздуха

Рисунок 4 – Блок-схема алгоритма регулирования расхода воздуха

На рисунке 5 приведена структурная схема системы автоматизированного управления распределением воздушных потоков в системе вентиляции шахт. В трех параллельных выработках расположены измеритель скорости воздушного потока СДСВ 01.01.01-М, программируемый контроллер и вентиляционные двери. Сигнал с СДСВ 01.01.01-М поступает на ТХ9042. Питание ТХ9042 осуществляется блоком питания ПМ-6321/13,5-А.01. По интерфейсу RS-485 протоколу Modbus информация с ТХ9042 передается на программируемый логический контроллер ПЛК150-220, расположенный на пульте горного диспетчера. Также к ПЛК150-220 подключены СДСВ 01.01.01-М и преобразователь давления ПД150-ДИ10,0К-899-0,5-1-Р, расположенные на всасывающем канале, предназначенные для измерения скорости воздушного потока исходящей струи и создаваемого разряжения. Сенсорный панельный контроллер с Ethernet СПК107[М01] предназначен для визуализации и управления технологическим процессом проветривания горных выработок. СПК107[М01] связан с ПЛК150-220 при помощи сети Ethernet. Регулировка скорости и объема воздуха, поступающего в горные выработки, осуществляется путем воздействия ПЛК150-220 и ТХ9042 на направляющий аппарат вентилятора главного проветривания и вентиляционные двери.

Для коммутации силовых цепей приводного двигателя направляющего аппарата применяются промежуточные реле К1 и К2. Приняты реле JQX-12F 220В, 30А. Для обеспечения помехоустойчивости канала связи по интерфейсу RS-485 протоколу Modbus, связывающего поверхностный и подземные контроллеры, в конце линий установлены прецизионные резисторы MFR0W4 100 Ом 0,1% 0,25 Вт ТКС15 250.

Структурная схема системы автоматизированного управления распределением воздушных потоков в системе вентиляции шахт

Рисунок 5 – Структурная схема системы автоматизированного управления распределением воздушных потоков в системе вентиляции шахт

Для подтверждения работоспособности разработанной системы был создан макет вентиляционной сети шахты, технологическая схема которого приведена на рисунке 6. Вентилятор 1 создает направленный поток воздуха, забираемый из атмосферы через входной патрубок 14, который распределяется по трем параллельным ветвям. Датчики скорости 2,5,8,11 осуществляют измерение скорости потока на входе в вентиляционную сеть и в параллельных ветвях соответственно. Заслоны 3,6,9,12 предназначены для изменения сопротивления вентиляционной сети и являются источником возмущающего воздействия. Установку требуемого сопротивления сети осуществляет программируемый логический контроллер ПЛК150-220 посредством воздействия на управляемые заслоны 4,7,10,13. Степень закрытия заслонов определяется резистивными датчиками положения 15-22. Давление воздуха измеряют преобразователи давления ПД150-ДИВ200П установленные на входе в вентиляционную сеть 23, в месте пересечения параллельных ветвей 24, 25 и на выходе из сети 26.

Технологическая схема макета вентиляционной сети шахты

Рисунок 6 – Технологическая схема макета вентиляционной сети шахты

Пульт управления диспетчера

Рисунок 7 – Пульт управления диспетчера (анимация: 6 кадров, 10 циклов повторения, 142 килобайт)

Выводы

На основе проведенного анализа, обзора литературных источников, изучения современного состояния элементной базы автоматизации вентиляторной установки главного проветривания, был обоснован алгоритм автоматизации и разработана структурная схема системы автоматизированного управления распределением воздуха в вентиляционной системе шахты, структурная и принципиальная схемы системы, которая позволяет осуществлять оперативное управление с пульта горного диспетчера, регулирование производительностью вентиляторной установкой главного проветривания и распределением объемов воздуха в трех капитальных выработках.

Для наглядной реализации работы разработанной системы автоматизации был изготовлен макет вентиляционной сети шахты, с помощью которого можно изучать процесс распределения потока воздуха в трех параллельных ветвях при изменении их аэродинамического сопротивления, обучать студентов выполнять программную реализацию регулирования.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2021 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Батицкий, В. А. Автоматизация производственных процессов и АСУ ТП в горной промышленности / В. А. Батицкий, В. И. Куроедов, А. А. Рыжков. – Москва : Недра 1991. – 303 с
  2. Толпежников, Л. И. Автоматическое управление процессами шахт и рудников. – М.: Недра, 1985. – 352 с
  3. Аэрология горных предприятий / К. 3. Ушаков [и др.]: Учебник для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1987. – 421 с.
  4. Конспект лекций по дисциплины Автоматизация технологических процессов и производств (для магистрантов очной и заочной форм обучения по направлению подготовки 15.04.04 Автоматизация технологических процессов и производств, магистерская программа Автоматизация технологических процессов и производств в горно-металлургической отрасли) / сост : А. С. Оголобченко. – Донецк : ДОННТУ, 2017. – 19с.
  5. Правила безопасности в угольных шахтах [Электронный ресурс] : утв. приказом Гос. Комитета горного и тех. надзора ДНР и Мин-вом угля и энергетики ДНР 18.04.2016 г. № 36/208 : ввод в действие 17.05.2016. – Донецк, 2016. – Режим доступа: http://mintek-dnr.ru/zue/pravila_bezopasnosti_na_ugolnykh_shakhtakh.pdf – Загл. с экрана
  6. Завадская, Т. В. Блочно-ориентированная модель системы многосвязного управления воздухораспределением в шахтной вентиляционной сети//Зб. наук. пр. Донецького національного технічного університету. – Донецьк: ДонНТУ. – 2008. – Вип.7(150) – 290 с.(сер.: Проблеми моделювання та автоматизації проектування)
  7. Абрамов, Ф. А. Моделирование динамических процессов рудничной аэрологии / Ф.  А.  Абрамов, Л. П. Фельдман, В. А. Святный – Киев: Наук. думка, 1981.
  8. Абрамов, Ф. А. Автоматизация проветривания шахт / Ф. А. Абрамов, В. А. Бойко – Киев: Наук. думка, 1967
  9. Святный, В. А. Моделирование аэрогазодинамических процессов и разработка систем управления проветриванием угольных шахт: дис. на соискание науч. степени док. техн. наук: 05.13.07 / В. А. Святный;– Донецк, 1985. – 440 с.
  10. Теория автоматического управления / Л. С. Гольдфарб [и др.] – Москва: Высшая школа, 1968.