1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ТЕМЕ
1.1 Актуальность темы
Водоотлив горных предприятий является важным элементом всего комплекса горнотехнического оборудования, и его надежная работа во многом определяет бесперебойность и безотказность ведения горных работ по добыче полезных ископаемых.
Водоотливная установка – крупный потребитель электроэнергии (до 20 % общего расхода энергии), она относится к 1-й категории по надежности электроснабжения. Экономичная работа водоотливных установок горных предприятий и рациональный режим их электропотребления в комплексе «энергосистема-потребитель» существенно влияют на экономику предприятия и отрасли в целом [1].
Водоотливные установки должны обеспечивать надежную откачку воды из подземных выработок при возможно меньших эксплуатационных расходах. Для осуществления данных требований главные водоотливные установки должны быть полностью автоматизированы или управляться с помощью дистанционных и телемеханических систем.
Автоматически действующая аппаратура, выполняющая операции вместо машинистов насосов, обеспечивает точность, безошибочность и своевременность этих операций. Это позволяет продлить межремонтные сроки за счет исключения случаев холостой работы водоотлива и дает возможность экономить значительные средства. Экономическая эффективность автоматизации достигается за счет повышения эффективности и надежности использования оборудования путем контроля исправной работы в установившиеся и переходные периоды работы, снижения числа пусков и исключения холостого хода насосных агрегатов, выполнения технологических защит и др.
В настоящее время в горной промышленности большинство водоотливных установок автоматизировано с применением серийно выпускаемой аппаратуры. Одновременно с этим в эксплуатации находится много автоматизированных водоотливных установок, выполненных по индивидуальным проектам с использованием набора имеющейся на предприятии контактной и бесконтактной аппаратуры. Это объясняется как упадочным состоянием горной промышленности, так и разнообразием гидрогеологических и горнотехнических условий шахт, откачки кислотных шахтных вод и вскрытием глубоких горизонтов. Многие из ранее выпускаемых комплектов аппаратуры автоматизации водоотливных установок морально устарели и требуют применения современных технологий и технических решений.
Известно, что рабочий режим в координатах H–Q графически определяется точкой пересечения напорных характеристик насоса и трубопроводной сети. Отклонение режима от расчетного может произойти только вследствие изменения этих характеристик в процессе эксплуатации в результате повышенного износа оборудования при перекачке вод с включением твердого, кислых вод, «зарастании» элементов трубопроводной сети. Поэтому необходим постоянный автоматический контроль рабочих параметров и режимов работы насосных агрегатов.
Характеристика насоса в процессе эксплуатации может изменяться по разным причинам: подсасывание воздуха в подводящем трубопроводе, износ уплотнений на рабочих колесах, забивке всасывающего сечения рабочего колеса инородыми телами, увеличения сопротивления подводящего трубопровода и т.п.
Однако, какой бы ни была причина изменения характеристик, эффект во всех случаях оказывается одинаковым – напор насоса в зоне промышленного использования снижается. Заводом-изготовителем для каждого типа насоса устанавливается допустимый диапазон изменения его эксплуатационных параметров – зона промышленного использования насоса, а также предельное положение кривой его напорной характеристики относительно первоначальной, паспортной характеристики. При этом допускается снижение напорной характеристики насоса не более чем на 10% от номинальной, после чего эксплуатация насоса считается недопустимой и насос останавливают на ремонт (замену изношенных рабочих колес).
Вместе с тем, существующая базовая аппаратура управления водоотливной установкой не осуществляет контроль параметров изменения местоположения рабочей точки на напорной характеристики насоса и поэтому не обеспечивает его работу в зоне промышленного использования при объективном изменении указанных характеристик во время эксплуатации. Это приводит к непроизводительным затратам электроэнергии на водоотливе вследствие снижения рабочего давления в трубопроводной сети и соответствующего ему снижения КПД насоса, а также к возникновению явления кавитации в подводящем трубопроводе и в самом насосе.
Поэтому расширение функциональных возможностей существующей базовой аппаратуры автоматизации главной водоотливной установки за счет использования в ней принципиально новых методов и средств управления установкой в зоне промышленного использования насоса является актуальной темой.
Целью данной работы является повышение уровня автоматизации шахтного водоотлива за счет поддержания работы насосной установки в зоне промышленного использования насоса.
Основными задачами работы являются:
провести анализ процесса главного водоотлива шахты как объекта автоматизации;
провести анализ существующих способов управления насосной установки и выбрать наиболее целесообразный;
разработать математическую модели управления насосом в зоне промышленного использования;
провести исследование переходных переходных процессов при регулировании насосной установки по подаче;
разработать алгоритмизацию системы управления насосной установкой;
обосновать и разработать схемотехнические решения системы управления насосной установкой.
1.3 Научная новизна и практическая ценность
Научная новизна работы заключается в получении новых знаний в области управления насосной установкой и повышения эффективности ее работы.
Разработанная в результате исследований система управления шахтной водоотливной установки в зоне промышленного использования насоса в составе базовой аппаратуры ВАВ.1М позволит определить уставки управления насосом по подаче, сформировать соответствующие сигнализации, а следовательно, повысить надежность работы водоотливной установки, сократить затраты на электроэнергию, а также снизить количество аварийных ситуаций при эксплуатации водоотливных установок.
2 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА НА СЕГОДНЯШНИЙ ДЕНЬ
Анализ литературных источников [2, 4, 3, 5, 6] показывает, что в настоящее время разработанные устройства управления насосами в зоне их промышленного использования отсутствуют. Вместе с тем, известны теоретические основы построения таких устройств. Так, в работе [9*] разработан блок формирования команд управления насосной установки в зоне промышленного использования. Магистрантами моей кафедры (Лавриненко Д.В. и Лисицын Д. А.) проведены весомые исследования в области управления насосной установки. В работах магистров (Гавриленко А. Б. и Маер А. А.) приведены сведения о выборе гидравлических защит насосных установок и средствах, обеспечивающих эти защиты. Разработаны также средства гашения волновых и вибрационных процессов) в трубопроводных системах. В работе [1] содержатся указания по определению диапазонов подач наиболее распространенных насосов в зонах промышленного использования.
Работы [2, 3, 6*, 7*] посвящены теоретическим вопросам влияния различных факторов на изменения характеристик насосов и трубопроводной сети, способам регулирования насосов по подаче, а работа [8*] – сравнению способов регулирования. Выбору средств контроля основных параметров и преобразователей сигналов посвящены работы [2, 5]. В статье [11*] представлены принцип действия и преимущества прибора ПКП1 – автомата управления задвижками, на которые не устанавливаются концевые выключатели. В работе [13*] рассмотрено назначение, состав, функции и принцип действия автоматизированной насосной станции нового поколения АСВ-1-15-3 с использованием регулируемого электропривода.
Применяемые в настоящее время комплексы и средства автоматизации шахтных водоотливных установок имеют ряд существенных недостатков, в частности они выполнены с применением устаревшей элементной базы, ограничивающей функциональные возможности аппаратуры. Надёжность и безопасность работы водоотлива снижается также за счет частых отказов релейных и полупроводниковых элементов вызванных нестабильностью их работы и быстрым износом контактных групп.
Поэтому в качестве базовой аппаратуры для автоматизации главной шахтной водоотливной установки рационально использовать аппаратуру ВАВ.1М, поскольку она наиболее полно удовлетворяет техническим требованиям, предъявляемым к насосным установкам, а также, в отличие от других аппаратур, выполнена на базе интегральных микросхем.
3 ОБЗОР ИМЕЮЩИХСЯ И ПЛАНИРУЕМЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
3.1 Шахтная водоотливная установка как объект автоматизации
Объектом исследования является насосная установка главного водоотлива шахты. Она представляет собой комплекс энергомеханического оборудования (насосы, их приводные двигатели, трубопроводы с арматурой), который служит для откачки подземных вод из горных выработок. Главную водоотливную установку располагают в районе околоствольного двора [7].
Насосная установка главного водоотлива шахты, технологическая схема которой приведена на рисунке 3.1, состоит из приемного колодца 1; подводящего трубопровода 2, оборудованного приемной сеткой ПС и обратным клапаном ОК; насоса 3; нагнетательного трубопровода 4 с обратным клапаном ОК, регулировочной задвижкой ЗР с приводом ПЗ и двумя концевыми выключателями, один из которых (КВЗ) контролирует закрытое состояние задвижки, другой (КВО) – открытое её состояние; расходомера переменного перепада давления Р, установленного на подводящем трубопроводе; манометра М, установленного на нагнетательном патрубке насоса.
В насосной камере размещаются насосные агрегаты, трубопроводы с арматурой, пускорегулирующие аппараты, аппаратура автоматизации и контрольно-измерительные приборы. Водосборник служит для сбора и осветвления воды, которая через ходок и приемный колодец поступает во всасывающий колодец [8].
Главная водоотливная установка в соответствии с требованиями правил безопасности оборудуется не менее чем тремя насосными агрегатами, а по стволу прокладываются не менее двух нагнетательных трубопроводов. Каждый насос и нагнетательный трубопровод включаются в работу поочередно, каждый из них рассчитан на откачку нормального суточного притока, и только при повышенном притоке (весной, осенью) предусматривается одновременное включение двух насосов и трубопроводов.
Рисунок 3.1 – Технологическая схема насосной установки главного водоотлива шахты
В насосной камере трубопровод закольцован и оборудован распределительными задвижками, что образует коллектор. С помощью этих задвижек каждый из насосов может работать на один из напорных ставов или на оба става в параллель.
К основному оборудованию водоотливной установки относятся насосы, электродвигатели, подводящий и напорный трубопроводы. На входе в подводящем трубопроводе монтируется приемное устройство, которое состоит из предохранительной сетки и приемного клапана. Последний предназначен для удержания воды в насосе и подводящем трубопроводе при его заливке перед пуском. В напорном трубопроводе монтируются задвижки и обратный клапан, который предотвращает обратный ход воды и опорожнение трубопровода при остановке насоса [9].
В практике водоотлива горных предприятий преимущественное применение нашли центробежные высоконапорные секционные насосы ЦНС с подачей 40-1000 м3/ч и напором 900-1300 м при частоте вращения 1475-2950 мин-1. Количество секций насосов от 2 до 8-10.
В качестве электропривода насоса водоотливных установок в основном применяются асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором и реже – асинхронные с фазным ротором. Для насосов типа ЦНС применяются электродвигатели с короткозамкнутым ротором в нормальном исполнении единой серии А и АТ. А для водоотливных установок, которые работают во взрывоопасных условиях, применяют электродвигатели серий МА, КО, ВАО мощностью до 1600 кВт и серии «Украина» мощностью до 630 кВт на напряжение 6000 В.
В зависимости от подачи водоотливные установки оборудуются трубопроводами диаметром от 100 до 400 мм при откачке воды под давлением 1-10 МПа. В качестве водоотливного трубопровода используются стальные бесшовные горячекатаные трубы по ГОСТ 8732-72 с наружным диаметром 25-820 мм при толщине стенок 2.5-7.5 мм.
Один из главных параметров, определяющих устройство водоотливной установки, выбор насоса, продолжительность и цикличность его работы, – значение водопритока в горные выработки и его динамика в процессе эксплуатации предприятия. Вода в горные выработки поступает непрерывно, ее количество зависит от площади горных работ, водообильности вмещающих пород, поверхностных источников и т.п.
Как известно, наиболее агрессивна к металлу кислотная вода, поэтому водоотливная установка оборудуется насосами, трубопроводом и запорной арматурой в кислотостойком исполнении. Кроме того, вода содержит твердые взвеси, которые благодаря осветвлению воды частично оседают в виде ила, а около 40% их удаляется рабочими насосами, что вызывает интенсивный и преждевременный износ последних.
К основным параметрам, характеризующим работу насосной установки, относятся [10]:
напор Нн (м) – удельная энергия, сообщаемая насосом жидкости;
напор при нулевой подаче Н0 (м) – напор насоса при закрытой задвижке, установленной у напорного патрубка насоса;
вакуумметрическая высота всасывания Hвак (м) – высота всасывания, определяемая по вакуумметру;
допустимая вакуумметрическая высота всасывания Hвак.доп (м) – высота, при которой обеспечивается работа насоса без изменения его основных технических параметров;
температура подшипников t;
нормальный приток воды в шахту Qн.п (м3/ч) – объем жидкости, поступающей в водосборник в единицу времени;
мощность на валу насоса N (кВт) – мощность, потребляемая насосом.
Работа главной водоотливной установки характеризуется шестью механическими характеристиками, четыре из которых являются индивидуальными характеристиками насоса (кривые давления, КПД, мощности и кавитации) и две – характеристики подводящего и нагнетательного трубопроводов. Любая из перечисленных характеристик может изменяться в зависимости от технологических и эксплуатационных условий на водоотливе.
Экономическая и надежная работа водоотливной установки во многом определяется условиями фактического режима работы насоса на внешнюю сеть, которые в процессе эксплуатации постоянно изменяются вследствие повышенного износа оборудования при перекачке вод со взвесями, кислых вод, «зарастании» элементов трубопроводной сети. Как уже было отмечено ранее, рабочий режим в координатах H-Q графически определяется точкой пересечения напорных характеристик насоса и трубопроводной сети.
Учитывая, что ухудшение рабочих параметров происходит в результате совокупной перемены характеристик насоса и трубопровода, для определения рабочей точки необходим контроль как минимум двух параметров: подачи и напора. В период эксплуатации по ряду причин происходит отклонение режима работы насосов от нормального, при этом изменяется подача и давление. Важнейшим показателем является изменение подачи.
Чтобы работа насоса была экономичной, его режим должен быть в пределах рабочего участка характеристики, ограничиваемого значениями КПД:
ηдоп = (0,85-0,95)⋅ηmax
где ηmax – максимальное значение КПД. На рисунке 3.2 приведен график изменения напорных характеристик насоса и трубопроводной сети, где Q, H – текущее значение соответственно подачи и напора; Hм = f (Q), Hc = φ (Q) – соответственно графики напорных характеристик машины (насоса) и трубопроводной сети; О – рабочая точка; Q0, Q1 и Q2(H0, H1 и H2) – соответственно рабочая, минимальная и максимальная подача (напор) насоса в рабочей зоне. Заштрихованный прямоугольный треугольник, катеты которого проведены через точки 1 и 2, определяет зону промышленного использования насоса. Правая граница этой зоны (точка 1) ограничивает работу насосной установки по условию возможного возникновения кавитационных режимов, а левая (точка 2) – недопустимым снижением КПД.
Рисунок 3.2 – График изменения напорных характеристик насоса и трубопроводной сети
Однако обеспечение режима в пределах рабочего участка характеристики является необходимым, но недостаточным условием для эффективной работы насоса. Следует также учитывать возможность возникновения кавитации в потоке жидкости, движущемся по всасывающему трубопроводу, подводу и на входе в рабочее колесо насоса.
Кавитацией называют переход локальных объемов жидкости в парогазовое состояние и обратно в результате резких колебаний местных давлений жидкости.
Обусловлена кавитация локальным понижением давления ниже критического вследствие больших скоростей течения жидкости или звуковой волной.
Кавитационные пузырьки, образованные локальным понижением давления жидкости, при повышении давления резко захлопываются. Причем процесс образования и роста полостей происходит относительно медленно, тогда как схлопывание протекает со сверхзвуковой скоростью, порождая ударную волну. При захлопывании пузырьков давление, достигающее десятков и даже сотен тысяч атмосфер, настолько резко возрастает (как при взрыве), что поверхности твердых тел, находящихся в зоне кавитации, не выдерживают и подвергаются разрушению.
Кавитацию [11] сопровождает ряд нежелательных явлений:
эррозия материала стенок – образовавшиеся пузырьки пара, попадая в область повышенных давлений, мгновенно конденсируются, при смыкании окружающие пузырек частицы жидкости движутся ускоренно к центру пузырька, и при полном исчезновении пузырька эти частицы сталкиваются, создавая мгновенное местное повышение давления, которое может достигать больших значений. Такие давления на рабочих поверхностях каналов колеса приводят к сильным ударам, выщерблению, разъеданию материалов стенок;
повышение вибрации, которая приводит к быстрому изнашиванию подшипников;
быстрая коррозия рабочих органов насоса при выделении паров химически активной жидкости;
сужение проходного сечения подводящих каналов и полный срыв работы насосов при активном холодном кипении, что связано с выделением растворенных газов, в том числе и воздуха, из жидкости при прохождении ею области вакуума.
3.2 Регулирование работы насосов
Если при эксплуатации водоотливных установок не выполнены условия их нормальной работы (насосы дают подачу, отличную от заданной, или двигатель перегружен), то насосы необходимо регулировать.
Качество способов регулирования наиболее полно оценивается приведенными годовыми затратами на эксплуатацию конкретной установки с данным устройством.
Все способы регулирования [2, 3, 12] сводятся к изменению напорных характеристик машин и сети.
Регулирование центробежных насосов может производиться при постоянной окружной скорости и путем ее изменения.
В настоящее время наибольшее распространение в шахтной практике получили следующие два основные способы регулирования режима работы насоса: регулирование основной (запорной) задвижки и изменение числа оборотов вала агрегата.
Регулирование основной (запорной) задвижки на выходе из насоса (в начале напорной линии). Известно, что каждая насосная установка на выходе всегда должна иметь запорную задвижку. При полностью закрытой запорной задвижке может осуществляться пуск в работу насосной установки. Однако эта задвижка может использоваться как регулирующая для изменения подачи и напора в процессе эксплуатации. В случае открытия задвижки подача (Q) растет, но растет и потребляемая мощность, величина которой ограничена мощностью привода. При закрытии задвижки ухудшается гидравлический рабочий процесс самого насоса, в нем появляются (при малых расходах) обратные токи жидкости, вибрация и шум, а также нагрев всего агрегата и проточного тракта. Естественно, все эти отклонения, вызванные дросселированием выходной задвижки, влекут за собой потери энергии.
Изменение числа оборотов вала агрегата, что достигается путем применения специальных устройств (типа теристорных преобразователей частоты), позволяющих менять число оборотов вала электродвигателя. Этот способ значительно удорожает и усложняет обслуживание установки, но позволяет при новых числах оборотов сохранить подобие насосных характеристик, в которых изменение подачи, напора и мощности пропорциональны первой, второй и третьей степени изменения оборотов. При этом надо учитывать предельно допустимые значения Hmax, Nmax и Q max.
На данном этапе разработки при проектировании системы управления насосной установкой в зоне промышленного использования насоса в качестве способа регулирования в большей степени использовано дросселирование потока.
В дальнейшем планируется также спроектировать устройство управления насосной установкой в зоне промышленного использования насоса изменением скорости вращения вала двигателя насоса, сравнить их и выбрать наиболее целесообразный.
Однако уже первоначально можно утверждать, что наиболее эффективным и экономичным является второй способ управления. Применение частотно-регулируемого привода одним (или несколькими, при работе на разные водоводы) насосным агрегатом в большинстве случаев приносит дополнительную экономию электроэнергии за счет оптимальной работы системы двигатель-насос-трубопровод.
Одним из главных преимуществ использования регулируемого электропривода насосных агрегатов является возможность адаптации его характеристик к характеристикам гидравлической сети посредством выбора рациональной номинальной скорости вращения рабочего колеса, отвечающей основному режиму работы установки. При этом номинальная скорость может быть как выше, так и ниже стандартного значения. Большинство насосов и насосных станций работает или объективно должны работать с переменной производительностью. Гидравлические способы не экономичны и не дают возможности автоматизированного регулирования.
На рисунке 3.3 представлен анимированный рисунок регулирования работы насосов двумя способами: дросселированием потока и изменением скорости вращения вала двигателя насоса.
Рисунок 3.3 – Анимация регулирования работы насосов двумя способами: дросселированием потока и изменением скорости вращения вала двигателя насоса
(12 кадров, 8 циклов повторения)
3.3 Обоснование направления автоматизации процесса главного водоотлива шахты
Выбранная базовая аппаратура ВАВ.1М выполняет все основные требования к автоматизации водоотливной установки. Однако в ее функциональные возможности не входит поддержание насосной установки в зоне промышленного использования в условиях безкавитационной работы насоса. Поэтому одним из направлений усовершенствования системы автоматизации водоотливной установки является оснащение ее дополнительным устройством, выполняющим указанную функцию.
Данная проблема может быть решена в случае применения принципиально новых технических средств и решений в схеме аппаратуры автоматизации – микропроцессоров и микро ЭВМ, математического программного обеспечения. Это объясняется гибкостью микропроцессорных систем, которая обеспечивает кардинальное расширение функциональных возможностей аппарата, особенно области информации, что способствует повышению уровня организации производства, бесперебойности работы машин в оптимальных режимах, повышению безопасности и надежности [13, [17].
Учитывая особенности условий эксплуатации, к разрабатываемому устройству предъявляются следующие технические требования:
искробезопасность входных и выходных цепей;
искробезопасность питания этого устройства;
гальваническая развязка между новыми блоками разрабатываемого устройства;
для возможности оперативного ремонта устройства предусмотреть наличие штеккерного разъема (можно использовать существующие у ВАВ.1М);
использование расходомера и манометра со стандартным электрическим аналоговым выходом (в отличие от ВАВ.1М);
использование как промышленных образов средств контроля (манометра со стандартным электрическим аналоговым сигналом, контактных датчиков положения рабочего органа регулировочной задвижки), так и разработанного мною аналогового расходомера.
К функциям, которые будут реализованы разрабатываемым устройством, можно отнести:
управляющие (открытие и прикрытие задвижки);
сигнальные (о неисправности насоса, об отключении насоса, о правой границе рабочей зоны, о левой границе рабочей зоны);
промежуточные (о положении задвижки).
Внедрение устройства управления насосной установки в зоне промышленного использования насоса позволит:
сэкономить потребляемую электроэнергию за счет уменьшения количества пусков и работы насосной установки на поврежденный трубопровод;
получать оперативную информацию о текущем состоянии коммутационных задвижек;
прогнозировать аварийные ситуации и, как следствие, своевременно ликвидировать аварии путем проведения соответствующих ремонтных работ, а также сэкономить часть средств на заработной плате и запасных материалах.
Итак, наиболее рациональным будет организация работы устройства под управлением микроконтроллера, т. к. приходится контролировать несколько различных параметров и работать с различными входными сигналами и выходными воздействиями.
Применим микроконтроллер AT90LS8535 фирмы Atmel, который относится к AVR-семейству 8-разрядных RISС-микроконтроллеров. Данные микроконтроллеры отличаются от подобных разработок большей скоростью работы, универсальностью, легким программированием и за счет большей скорости могут значительно удешевить готовую систему.
3.4 Алгоритмизация разрабатываемого устройства
Блок-схема алгоритма управления водоотливной установкой представлена на рисунке 3.4, где утолщенными линиями указан разрабатываемый блок управления насосной установкой в зоне промышленного использования насоса УНЗ и его взаимосвязь с остальными блоками алгоритма. Суть операций и логических условий указана в соответствующих блоках.
При разработке алгоритма работы разрабатываемого устройства принята следующая инициализация входных сигналов, промежуточных и выходных команд:
входные сигналы: Q ≤ Q1:=x1 – расположение Q левее правой границы рабочей зоны; Q ≥ Q2:=x2 – расположение Q правее левой границы рабочей зоны; H01 = 0,9H1 – уставка по нижней границе рабочей зоны; H02 = 0,9H2 – уставка по верхней границе рабочей зоны; H ≥ H01:=y1, H ≥ H02:=y2 – расположение H выше предельно допустимого значения; z1 – КВО находится в замкнутом положении; z2 – КВЗ находится в замкнутом положении;
сигнализация: C1:= задвижка в крайних положения; C2:= невозможность регулирования по H; C0:= отключение насоса;
функции управления: F1:= приоткрытие задвижки; F2:= прикрытие задвижки;
промежуточные функции: F0:= задвижка открыта; Fз:= задвижка закрыта; Fп:= задвижка в промежуточном положении.
Рисунок 3.4 – Блок-схема алгоритма управления водоотливной установкой
Граф состояний разрабатываемого устройства управления насосной установкой в зоне промышленного использования насоса УНЗ приведен на рисунке 3.5.
На основании разработанного алгоритма, логические функции управления, сигнализации, а также промежуточные функции имеют вид:
, Fп = z1⋅z2, 
;
, 
;
, C0 = C1+C2.
Рисунок 3.5 – Граф состояний разрабатываемого устройства
3.5 Обоснование и разработка схемотехнического решения устройства автоматизации
Построение структурной схемы усовершенствованной аппаратуры ВАВ.1М
На основании проведенных исследований, сформулированных задач управления, а также с учетом технических требований и принципов построения устройства автоматизации представим структурную схему аппаратуры автоматизации главной водоотливной установки ВАВ.1М, где утолщенными линиями указано разрабатываемое устройство управления насосной установкой в зоне промышленного использования насоса УНЗ и его взаимосвязь с остальными блоками (рисунок 3.6).
Рисунок 3.6 – Структурная схема усовершенствованной аппаратуры ВАВ.1М
Разработка структурной схемы проектируемого устройства
Структурная схема устройства управления насосной установкой в зоне промышленного использования насоса УНЗ приведена на рисунке 3.7, где приняты следующие обозначения: АД (ДД) – соответственно аналоговые (дискретные) сигналы; САС (СДС) – соответственно схема согласования аналоговых (дискретных) сигналов с микроконтроллером МК; БСИ – блок светоиндикации; БСВ – блок согласования микроконтроллера с исполнительным механизмом ИМ; УС – устройство сопряжения микроконтроллера с пультом диспетчера.
Рисунок 3.7 – Структурная схема разрабатываемого устройства УНЗ
Входными сигналами для данного устройства являются сигналы, поступающие от аналоговых датчиков АД: расходомера (установленного на подводящем трубопроводе), и манометра, установленного на напорном патрубке насоса, а также от дискретных датчиков ДД конечного положения запорного органа регулировочной задвижки (КВО и КВЗ).
Центральным блоком разрабатываемого устройства является блок микроконтроллера, к которому подключаются все остальные блоки. В состав данного блока входят: непосредственно микроконтроллер МК, схемы согласования входных сигналов САС (СДС), устройство сопряжения микроконтроллера с пультом диспетчера УС и блок согласования микроконтроллера с исполнительным механизмом БСВ.
Схемы согласования входных сигналов предназначены для формирования стандартных логических уровней для работы микроконтроллера, а также для гальванической развязки по питанию выходных цепей датчиков и входа микроконтроллера. В схеме согласования аналоговых сигналов САС использованы компараторы, предназначенные для сравнения сигналов, а дискретных СДС – оптроны, которые благодаря небольшим размерам получили широкое распространение при разработке различных устройств сопряжения.
Микроконтроллер МК серии АТ90S8535 (АTmega16) служит для обработки входных сигналов и формирования соответствующих команд управления положением задвижки.
Применим микроконтроллер AT90LS8535 фирмы Atmel, относящийся к AVR-семейству 8-разрядных RISС-микроконтроллеров.
Архитектура данного микроконтроллера включает 8кБ загружаемой флэш-памяти программ; 512 байт ОЗУ; 512 байт EEPROM; 32 линий ввода/вывода общего назначения; восьмиканальный десятиразрядный АЦП; программируемый универсальный последовательный порт; SPI последовательный порт для загрузки программ [15].
Загружаемая флэш-память на кристалле может быть перепрограммирована прямо в системе через последовательный интерфейс SPI или доступным программатором энергонезависимой памяти.
Микроконтроллеры AVR обладают следующими основными характеристиками:
очень быстрая гарвардская RISC-архитектура загрузки и выполнения большинства инструкций на протяжении одного цикла тактового генератора. При этом достигается скорость работы приблизительно 1 MIPS на МГц (MIPS – Millions Instructions per Second – миллион операций в секунду). Отсутствует внутреннее разделение частоты;
программы содержатся в электрически перепрограммируемой постоянной памяти программ FLASH ROM. Эта память может быть перепрограммирована до 1000 раз. Это облегчает настройку и отладку систем. Кроме того, возможность внутрисхемного программирования позволяет не вынимать микроконтроллер из целевой схемы в процессе программирования, что значительно ускоряет процесс разработки систем на основе этих микроконтроллеров;
система команд микроконтроллеров AVR сначала проектировалась с учетом особенностей языка программирования высокого уровня, что в результате позволяет получать после компиляции программ наиболее эффективный код, чем для других микроконтроллеров. Это способствует уменьшению полученного кода (в объеме памяти на кристалле) и увеличению скорости работы микроконтроллера;
микроконтроллеры AVR имеют 32 регистра, напрямую работающих с арифметико-логическим устройством (АЛУ). Это значительно уменьшает размер программ;
очень небольшое потребление энергии и наличие нескольких режимов (режим холостого хода (Idle Mode) и экономический режим работы со сниженным потреблением энергии (Power Down Mode));
наличие дешевых и простых в использовании программных средств (отладчик AVR-Studio, ассемблер Wavrasm, большое количество программаторов);
наличие перепрограммируемой постоянной памяти данных EEPROM, которая может быть перепрограммирована более 100000 раз.
Рассмотрим обозначение выводов микроконтроллера:
VCC – вывод источника питания; GND – земля; RESET – вход сброса. При удержании на входе низкого уровня в течение двух машинных циклов (если генератор работает), сбрасывает устройство; XTAL1 – вход инвертирующего усилителя генератора и вход внешнего тактового сигнала; XTAL2 – выход инвертирующего усилителя генератора; четыре 8-разрядные порта ввода-вывода (А, В, С, D);
SPI-интерфейс представлен входом данных (вывод микроконтроллера MOSI (РВ5), выходом данных (вывод микроконтроллера MISO (РВ6), входом тактовых импульсов (вывод микроконтроллера SCK (РВ7)).
Для запуска микроконтроллера в работу применяются специальные цепочки, приведенные на рисунке 3.8. Данные цепочки служат для обеспечения настройки контроллера на заданную тактовую частоту, а также для сброса контроллера по входу Reset. Согласно инструкции к контроллеру AT90S8535 он тактируется частотой 8МГц, формируемой элементами C2, C3, Z1.
В качестве кварцевого генератора используем генератор типа РК170БА-14БП-12000К, а емкости С2 и С3 для данного генератора примем типа КД-2-М47-33пФ [16].
Рисунок 3.8 – Схема микроконтроллера AT90S8535 с цепочками, служащими для обеспечения настройки на заданную тактовую частоту и сброса контроллера по входу Reset
Устройство сопряжения микроконтроллера с пультом диспетчера УС, в качестве которого используется промышленный интерфейс последовательной передачи информации RS-485, обеспечивает передачу полученных с микроконтроллера данных на ЭВМ диспетчера шахты. Эта информация может регистрироваться, сохраняться в памяти ЭВМ. При необходимости можно вызвать эту информацию на дисплей и при наличии уже специального обеспечения можно визуально просматривать работу насосной установки.
На выходе МК формируется сигнал малой мощности, недостаточный для воздействия на привод задвижки. Поэтому используем схему согласования по выходу данного блока БСВ, обеспечивающую временную задержку выходного сигнала и его усиление по мощности.
Блок светоиндикации БСИ предназначен для сигнализации о нештатных состояниях насосной установки. Согласование БСИ с МК не требуется, так как выходные порты МК обладают достаточной нагрузочной способностью для питания полупроводниковых светодиодов.
В качестве исполнительного механизма ИМ используется дросселирующий орган – задвижка, приводной шток которой оборудован двумя концевыми выключателями КВО, КВЗ, предназначенными для фиксации рабочего органа задвижки в крайних положениях с возможностью установки его в любом промежуточном положении по сигналам, поступающим с выхода формирователя управляющих команд – микроконтроллера разрабатываемого устройства [12].
Разработка функциональной схемы проектируемого устройства
На основании структурной схемы и стандартов ЕСКД [19, 20] составим функциональную схему проектируемого устройства (рисунок 3.9).
Рисунок 3.9 – Функциональная схема проектируемого устройства
На рисунке приняты следующие условные обозначения: Q (Н) – соответственно текущее значение подачи (давления); BQ (BP) – соответственно преобразователь расхода (давления) в напряжение; BХ – преобразователь перемещения рабочего органа задвижки в замыкание или размыкание контакта; VU – транзисторная оптопара; A1 – усилитель (компаратор); DD1 – формирователь стандартных логических уровней (логическая 1 и логический 0); DD2 – микроконтроллер; A2 – ключ-инвертор; Y – регулировочная задвижка; HL – светодиодный индикатор о состоянии объекта управления; DD3 – интерфейс RS-485 [13, 14].
3.6 Разработка математической модели управления насосом в зоне промышленного использования
В ходе исследований получена также математическая модель управления насосом в зоне промышленного использования дросселированием потока [18].
Располагая напорными характеристиками насоса Нм и сети Нс,
зависимостью,
по которой изменяется местное гидравлическое сопротивление ξ (зависящее от степени открытия затвора), а также характеристикой
подводящего трубопровода Нвак и кавитационной характеристикой насоса 
определим координаты рабочего режима и получим
график изменения напорных характеристик трубопроводной сети на границах рабочей зоны насоса (при разных геометрических
высотах водоподъема) в условиях безкавитационной работы установки, приведенный на рисунке 3.10.
Рисунок 3.10 – Графики: а) напорных характеристик трубопроводной сети при разных геометрических высотах водоподъема; б)
, Hвак в условиях безкавитационной работы установки
Построенные графики дают представление о значении подачи насоса при регулировании с помощью степени открытия затвора проходного вентиля x , а также соответствующее ему значение уровня воды в водосборнике h . Эти данные можно использовать для построения графиков изменения уровня воды во времени (рисунок 3.11).
Рисунок 3.11 – Графики изменения уровня воды в водосборнике: а) на левой границе рабочей зоны; б) на правой границе рабочей зоны
Итак, как видно из рисунка 3.10, работа насосной установки наиболее эффективна во втором случае (на правой границе рабочей зоны насоса), поскольку время (Tпр.гр=0,603 ч), за которое насос откачает воду с 1,1 до 2,151 м, меньше, чем время (Tлев.гр=17,741 ч), за которое насос откачает воду с 1,1 до 4,648 м.
Полученная математическая модель может быть в дальнейшем использована в блоке управления насосной установкой в зоне промышленного использования насоса для определения уставок управления подачей насоса.
3.7 Исследование переходных процессов при регулировании насосной установки по подаче
При эксплуатации водоотливных установок, особенно при большой высоте нагнетания, появляется опасность разрыва стенок нагнетательных трубопроводов из-за повышенных давлений вследствие появления гидравлического удара, вызванного изменением скорости движений воды.
Как показывают расчеты и подтверждают результаты натурных экспериментов, а также опыт эксплуатации, в шахтных водоотливных установках при гидравлических ударах возможно значительное повышение давления (до 4...5 МПа), в сравнение с рабочим. Это может вызвать порыв труб и потерю их продольной устойчивости на вертикальных участках, разгерметизацию фланцевых соединений, выход из строя арматуры и других элементов установки. Серьезную опасность представляет также колебательный характер изменения давления при гидроударах. В определенных условиях могут возникнуть резонансные явления, что особенно опасно для вертикального става. Исследованиями установлено, что спектр собственных частот колебаний отдельных элементов в значительной степени зависит от момента инерции сечения трубы, который в процессе эксплуатации из-за коррозии изменяется в широких пределах. По данным расчетов практически для любого водоотливного трубопровода в процессе его старения наступит момент, когда собственная частота совпадает с частотой колебаний давления при гидравлическом ударе. Для ликвидации этого нежелательного явления на водоотливных установках необходимо провести противоударные мероприятия [1].
Для предотвращения недопустимых колебаний давления в шахтной практике используются два способа регулирования насосной установки по подаче – изменение скорости вращения вала двигателя насоса и дросселирование потока с помощью задвижки. Более подробная информация приведена в [3].
Для определения гидравлического удара используем приближенный графоаналитический метод расчета.
Проведем анализ колебаний давления при разных способах регулирования установки, состоящей из насоса ЦНС 300-120-600, трубопровода длиной L=612 м, диаметром d=0,229 м при геометрической высоте подъема Hг=612 м, результаты которого приведены на рисунках 3.12 и 3.13.
Рисунок 3.12 – Расчет колебаний давления при изменении скорости вращения двигателя насоса: а – графический расчет; б – изменение давления во времени
Рисунок 3.13 – Расчет колебаний давления при дросселировании потока: а – графический расчет; б – изменение давления во времени
Проанализировав полученные результаты, можно сделать вывод, что регулирование наиболее эффективно при изменении скорости вращения двигателя насоса, поскольку при этом способе прирост давления при первом полном отражении ударной волны (t=0,94 c) составляет Δp=0,76 МПа (при дросселировании потока – Δp=1,65 МПа), а также время затухания переходного процесса составляет tзат=1,5 с (при дросселировании потока – tзат=3 с).
В результате данной работы рассмотрена краткая характеристика процесса главного шахтного водоотлива. Произведен обзор существующих решений по решению данного вопроса. Проведен анализ существующих способов управления насосной установки и уже на первых стадиях разработки в качестве наиболее целесообразного выбрано частотное регулирование.
Спроектированы структурная и функциональная схемы (на современной элементной базе с использованием микроконтроллера АТ90S8535 (АTmega16), а также алгоритм работы устройства управления насосной установкой в зоне промышленного использования насоса дросселированием потока.
Разработана математическая модель данного способа управления, а также исследованы переходные процессы при регулировании насосной установки по подаче.
Использование разработанного устройства управления насосной установкой в зоне промышленного использования насоса дросселированием потока в составе аппаратуры ВАВ.1М позволит осуществлять контроль параметров изменения местоположения рабочей точки на напорной характеристики насоса, а следовательно, снизить непроизводительные затраты электроэнергии на водоотливе, уменьшить количество аварийных ситуаций, снизить трудоемкость обслуживания.
В дальнейшем планируется также спроектировать устройство управления насосной установкой в зоне промышленного использования насоса изменением скорости вращения вала двигателя насоса, сравнить их и выбрать наиболее целесообразный.
1. Повышение эффективности водоотливных установок: Учеб. пособие/С.П.Шевчук. – К.: УМК ВО, 1990. – 104 с.
2. Гейер В.Г., Тимошенко Г.М. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки: Учебник для вузов. – М.: Недра, 1987. – 304 с.
3. Попов В.М. Рудничные водоотливные установки. – 2-е изд. перераб. и доп. – М., Недра, 1983. – 304 с.
4. Стационарные установки шахт. Под общей ред. Б.Ф. Братченко. М.: Недра, 1977. – 440 с.
5. Алексеев В.В., Рудничные насосные, вентиляторные и пневматические установки: Учебн. пособие.-М.: Недра, 1983. – 381 с.
6. Тимошенко Г.М. Научные основы проектирования и эксплуатации насосных установок в переходных режимах. Киев; Донецк: Вища шк. Головное изд-во, 1986. – 127 с.
7. В.Я. Карелин Насосы и насосные станции – М.:Недра, 1979. – 376 с.
8. Н.Г. Картавый Стационарные машины. – М: Недра, 1981. – 327 с.
9. Малеев В.Б., Малашкина В.А. Водоотлив и дегазация угольных шахт. – М.: Недра, 1995. – 208 с.
10. Степанов А.И. Центробежные и осевые насосы: Пер. с англ. – 2-е изд. – М.: Машгиз, 1960. – 463 с.
11. В.Я. Карелин Кавитационные явления в центробежных и осевых насосах - М.:Недра, 1975 – 353 с.
12. Технические средства автоматизации в горной промышленности: Учебное пособие / В.И. Груба, Э.К. Никулин, А.С. Оголобченко. Под общей редакцией докт. техн. наук, проф. В.И. Грубы. – Киев: ИСМО, 1998. – 373 с.
13. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – 2-еизд., перераб.и доп. – М.:Энергоатомиздат,1988. – 304с.
14. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / С.В. Якубовский и др.; Под ред. С.В Якубовского. – М.: Радио и связь, 1987. – 496 с.15. Ефстефиев А. В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы «Atmel», – М.: Додэка, 2004. – 558 с.
16. Автоматизация подземных горных работ/ Под ред. проф. А. А. Иванова. – К.:Вища школа, 1987. – 328 с.
17. Толпежников Л.И. Автоматическое управление процессами шахт и рудников, – М: Недра, 1985. – 352 с.
18. Дейч А.М. Методы идентификации динамических объектов. – М.: Энергия, 1979. – 240 с.
19. ГОСТ 2.702-78. Правила выполнения электрических схем.
20. ГОСТ 19.003-80. Символы в схемах алгоритмов и программ.
Примечание: знак * означает, что материал по данной тематике размещен в библиотеке.