Сучасне вугільне підприємство уявляє собою складний технологічний комплекс, що забезпечує видобуток, транспортування та відвантаження вугілля споживачам. При цьому для досягнення максимальних показників продуктивності підприємства збільшують потужності приводу гірничої техніки, що в свою чергу викликає збільшення витрат на електроенергію. Збільшення електроспоживання гірською промисловістю зумовлено не тільки абсолютним зростанням виробництва, але і якісними змінами технології, ускладненням гірничо-геологічних умов видобутку вугілля, впровадженням природоохоронних заходів. На сьогоднішній день, подорожчання електроенергії змушує різні підприємства, у тому числі і шахти, більш економно та раціонально використовувати енергетичні ресурси. Для цього на шахтах впроваджуються різні автоматизовані системи контролю та обліку електроенергії (АСУ ТП «Електропостачання»). Дані системи призначені для контролю та обліку електроспоживання технологічними установками, а також для видачі «порад» на відключення енергоємних установок з метою виключення перевитрати електроенергії шахтою. Проте, згідно з Правилами безпеки у вугільних шахтах, Правилами технічної експлуатації електроустановок, не всі установки шахти можна відключати. Тому перевитрата електроенергії при впровадженні зазначених АСУ ТП існує. У роботі пропонується поряд з використанням АСУ ТП «Електропостачання» використовувати систему оперативно-диспетчерського управління, яка в режимі реального часу забезпечує при виникненні перевитрати електроенергії переведення роботи енергоємних технологічних установ в енергозберігаючий режим без порушення ходу технологічних процесів.

Частка промислового споживання електроенергії вугільними підприємствами України в окремих регіонах сягає 60-65%. На сьогоднішній день через багаторазове подорожчання електроенергії її частка в собівартості продукції різко зросла і становить 18-22%. Таким чином, для ефективної роботи енергоємного вугільного підприємства поряд з підвищенням продуктивності технологічних установок, потрібно зниження витрати електроенергії як окремими установками так і підприємством в цілому. Зниження витрати електроенергії, у тому числі і в період максимального навантаження на енергосистему, можна досягти або відключенням установок, або зміною режиму їх роботи. Однак, відповідно до Правил безпеки у вугільних шахтах не всі установки шахти можна відключати. Існуюча АСУ ТП «Електропостачання» тільки лише фіксує споживання електроенергії установками і підприємством в цілому. Тому розробка автоматизованої системи оперативно-диспетчерського управління, яка в режимі реального часу контролює витрату електроенергії і у випадку перевитрати забезпечує переведення режиму роботи енергоємних технологічних установок в енергозберігаючий режим, є актуальною темою.

Мета роботи - підвищення ефективності роботи вугільного підприємства шляхом зменшення енерговитрат в результаті обґрунтування параметрів контролю і способу енергозбереження при використанні системи автоматичного оперативно-диспетчерського управління.

Наукове завдання полягає у встановленні закономірностей енергозберігаючих режимів технологічних установок для визначення параметрів контролю, способів та алгоритмів зміни режимів їх роботи, завдяки чому розробка системи автоматичного оперативно-диспетчерського управління шахтою.

Для досягнення поставленої мети необхідно виконати наступні завдання дослідження:

• обґрунтування параметрів і способів контролю навантаження технологічних установок шахти;
• розробка математичних моделей режимів роботи енергоємних технологічних установок і дослідження їх на ЕОМ з метою розробки способів переведення роботи установок у енергозберігаючий режим;
• розробка технічних засобів автоматизації і структури системи автоматичного оперативно-диспетчерського керування, що забезпечує зменшення енерговитрат вугільного підприємства.

Навантаження на електропривід технологічних установок визначає витрату електроенергії даними установками. Існують різні способи визначення навантаження на валу електродвигуна: вимір моменту, вимірювання сили струму, вимірювання активної потужності, споживаної електродвигуном. У даній роботі для визначення навантаження на електропривід пропонується вимірювати активну потужність.

Для електроспоживачів шахт, які розташовані на поверхні підприємства є різні датчики навантаження і прилади для обліку витрати електроенергії. Для підземних ж електроспоживачів у даний час не існує серійно випускаємих технічних засобів контролю витрат електроенергії. Проблема полягає в тому, що кількість первинних датчиків у комутаційних пристроях електроприводу споживача недостатньо, щоб реалізувати стандартні схеми вимірювання активної потужності, споживаної електроприймачем, підключеним до трифазної електричної мережі шахти. Так, високовольтні підземні електроустановки шахти, наприклад, насосні установки головного водовідливу, підключаються до електричної мережі за допомогою спеціальних комплектних розподільчих пристроїв (КРУ), як правило, типу КРУВ-6, які містять два трансформатора струму I_A та I_C і один трансформатор напруги U_AC[1].

На рис. 1 наведена векторна діаграма струмів і напруг у контрольованій шахтній трифазній мережі з ізольованою нейтраллю.

З діаграми можна побачити, що при множенні сигналів, відповідних напрузі U_AC і одному з векторів I_A або I_C при чисто активному навантаженні мережі між цими векторами існує кут зсуву фаз φ. Аналіз векторної діаграми показує, що після вирахування векторів струмів I_C і I_A маємо вектор I_C-I_A, який за модулем дорівнює , а кут зсуву фаз між цим вектором і вектором напруги при чисто активному навантаженні дорівнює нулю. Тому вимірювання миттєвого значення трифазної активної потужності можна здійснити як P=3·P_ф=3·U_AC·(I_C-I_A). Даний метод перетворення трифазної потужності можна застосовувати при несиметрії трифазної напруги до 2%.

Найбільш енергоємними установками на шахті є головна водовідливна установка, магістральний стрічковий конвеєр, головна вентиляторна установка головного провітрювання. Дані установки відносяться до так званих споживачів-регуляторів. Отже, для зменшення перевитрати електроспоживання шахти необхідно змінювати режими роботи магістральних конвеєрних ліній, головних вентиляторних установок і головних водовідливних установок. При цьому якщо для розрахунків за електроенергію використовується двоставковий тариф, що включає плату за заявлений максимум, то особлива увага при вирішенні проблеми приділяється обмеженню електроспоживання у період найбільших електричних навантажень в мережах енергопостачальної організації. Застосування зонного тарифу змушує підприємства також знижувати споживання електроенергії в періоди доби, де ставка за її оплату найбільша. При цьому необхідно відзначити, що на шахтах, де СР виконують роль регуляторів навантажень в години максимумів енергосистеми, але не використовуються для вирівнювання власних графіків навантажень в інші періоди доби, їх нерівномірність між максимумами виростає і в ряді випадків потрібно збільшувати пропускну здатність окремих елементів системи електропостачання щоб уникнути їх перевантаження, додаткових втрат електроенергії та зниження надійності електропостачання [3].

Стрічковий конвеєрний транспорт шахти за своїм технологічним призначенням є транспортним об'єктом, обслуговуючим очисні вибої і, отже, питання про регулювання режимів роботи конвеєрів має реальний сенс тільки у співставленні з інтенсивністю забійного вантажопотоку. Управління за критерієм «мінімальні питомі енерговитрати» може бути досягнуто за рахунок забезпечення в процесі роботи конвеєрної лінії найбільш вигідне, з міркувань економії електроенергії, співвідношення параметрів – «рівень завантаження стрічки – величина швидкості стрічки», не обмежуючи при цьому продуктивність вибою. Так як шахтні вантажопотоки характеризуються великою нерівномірністю і періодами відсутності надходження вантажу, викликаними технологічними простоями видобувних машин, то потрібне регулювання швидкості стрічки [4].

У принципі існує два способи регулювання режиму роботи конвеєра: безперервний і дискретний [2].

У даній роботі пропонується використовувати дискретне регулювання лінійної швидкості стрічки, що дозволяє знизити споживання електроенергії на 5-21% в порівнянні з нерегульованим приводом. При цьому необхідно використовувати регулятор швидкості стрічки конвеєра, який забезпечує при перемиканні роботи конвеєра з одної швидкості на іншу таку зміну частоти обертання привідного електродвигуна, при якому відсутні небезпечні динамічні навантаження на стрічку, що підвищує надійність конвеєрної установки. У роботі вироблено моделювання САР в середовищі Micro-CAP для вибору автоматичного регулятора швидкості стрічки конвеєра і визначення його параметрів. В якості вихідного параметра прийнята швидкість стрічки, величина якої може бути виміряна з достатньою точністю.

На рис. 2 подані перехідні процеси САР швидкості стрічки при зміні режиму роботи конвеєра з використанням різних законів регулювання.

Аналіз перехідних процесів дозволив зробити висновки (рис. 2):

• при використанні І-регулятора отримані наступні параметри системи: перерегулювання σ = 7,7%; час перехідного процесу t_п.п = 0,8с, які не відповідають настройці регулятора на технічний оптимум;
• при використанні ПІ-регулятора отримані наступні параметри системи: перерегулювання σ = 8,5%; час перехідного процесу t_п.п = 0,62с, які також не відповідають настройці регулятора на технічний оптимум;
• при використанні ПІД-регулятора отримані наступні параметри системи: перерегулювання σ = 2,8%; час перехідного процесу t_п.п = 0,12с, які відповідають настройці регулятора на технічний оптимум.

Отже, в даній САР необхідно використовувати ПІД-регулятор.

На вугільному підприємстві в режимі регулятора навантаження енергосистеми доцільно організувати роботу насосних установок водовідливу, які характеризуються вільним циклічним графіком роботи в часі і великою енергоємністю.

Згідно з Правилами безпеки у вугільних шахтах головні водовідливні установки повинні відкачати максимальний добовий приплив води за 20 годин. Головні водовідливні установки відносяться до тих установок, які можна вимкнути без збитків виробництву при наявності вільної ємності водозбірника достатнього обсягу для прийому води з гірських виробок на період відключення водовідливу. Застосування відомих способів регулювання насосів (дроселювання потоку води, впуск повітря у всмоктуючий трубопровід, зміна частоти обертання насоса) для умов шахтного водовідливу з метою зниження витрат електроенергії недоцільно, зважаючи на незначну глибину регулювання та інших факторів. Необхідно організувати роботу насосної установки таким чином, щоб відкачування води з водозбірника здійснювалася в тимчасових зонах з найменшою вартістю електроенергії та не здійснювалася в період максимальної вартості електроенергії або в період максимального навантаження на енергосистему [6].

Зсув навантажень водовідливних установок з періодів максимуму навантаження енергосистеми на інший час доби призводить до зниження навантажень, що беруть участь в максимумі енергосистеми, і до економії значних сум у сплаті за електроенергію для гірських підприємств.

Залежно від принципу створення умов, що забезпечують внепіковое споживання енергії водовідливом, умовно можна виділити наступні два методи автоматичного управління: автоматичного предпікового включення та автоматичного управління за наявності надлишкових гідравлічних потужностей [5].

У даній роботі для зміни режиму роботи головної водовідливної установки в період максимального навантаження на енергосистему був прийнятий спосіб примусового включення зі ступінчастим регулюванням подачі, так як він відрізняється високою точністю і надійністю організації роботи водовідливу і рекомендується для управління потужними водовідливними установками.

Вентиляторні установки на гірничих підприємствах необхідні для провітрювання гірських виробок і підтримання в них комфортних та безпечних умов праці шляхом створення атмосферних умов, при яких склад, швидкість переміщення і температура повітря відповідали б вимогам ПБ [9].

Згідно з Правилами безпеки у вугільних шахтах головні вентиляторні установки не можуть бути вимкнені, можливе тільки їх регулювання.

Залежно від типу вентилятора можливі два способи регулювання режиму роботи установки:

• регулювання повороту лопаток направляючого апарату (відцентрові вентилятори) або повороту лопаток робочого колеса (осьові вентилятори);
• регулювання частоти обертання вентилятора шляхом зміни частоти обертання привідного електродвигуна [7]

Технічні засоби автоматизації та структура системи автоматичного оперативно-диспетчерського управління вугільним підприємством.

Рисунок 3 – Структурна схема пристрою виміру активної потужності ПВАП

На рис. 3 позначено: ТН – трансформатор напруги НОЛ.11-605; ТТ – трансформатор струму ТОЛК – 6-1; МК – мікроконтролер; УСО – блок узгодження; ЛЗ – лінія зв'язку.

Клас точності пристрою ПВАП склав 1,5%, що достатньо для технічного контролю витрат електроенергії споживачем.

Для изменения режима работы ленточного конвейера в работе предложена подсистема автоматического регулирования электропотребления ленточным конвейером, входящая в состав системы автоматического оперативно-диспетчерского управления шахтой.

На рис. 4 наведена структурна схема підсистеми автоматичного регулювання електроспоживання стрічковим конвеєром.

На рис. 4 прийняті наступні позначення: ЕОМ - промисловий комп'ютер, який входить до складу АСУ ТП «Електропостачання» і здійснює централізований контроль за витратою електроенергії енергоємними технологічними процесами і формує необхідні «поради» на зміну режиму роботи установок, у тому числі конвеєрних, для зменшення споживання електроенергії, якщо це технологічно можливо і не порушує вимоги правил безпеки. Пристрій КРОК - комплекс технічних засобів автоматичного контролю роботи очисного комбайна, який призначений для визначення режиму роботи добувними комбайнами: включений або виключений, працює під навантаженням або у холостому режимі, фіксує місцезнаходження комбайна в лаві [9]. Пристрій УКРК - мікропроцесорний пристрій коригування режиму роботи конвеєра, що взаємодіє з ЕОМ, пристроєм КРОК та автоматизованою конвеєрною установкою і формує значення уставки на регулятор швидкості стрічки конвеєра. Автоматизована конвеєрна установка це конвеєрна установка, яка оснащена апаратурою автоматизації. У цей час практично всі стрічкові конвеєрні лінії шахт автоматизовані, як правило, апаратурою АУК.1М, яка забезпечує централізоване управління процесами пуску-зупинки конвеєрів і автоматичний захист від розвитку аварії при виникненні аварійних ситуацій. На нашу думку, для управління конвеєрними установками необхідно застосовувати комп'ютерно-інтегровані системи автоматизації, які мають можливість координації роботи конвеєрного транспорту за допомогою ЕОМ і допускають розширення при необхідності складу технічних засобів, зокрема в нашому випадку, використання автоматичних регуляторів швидкості стрічки. Система САР - це прийнята система регулювання частоти обертання привідного електродвигуна конвеєра.

Таким чином, при прийнятті команди від ЕОМ про необхідність регулювання швидкості стрічки - перехід в енергозберігаючий режим, пристрій УКРК визначає завантаження стрічки вугіллям відповідно до режиму роботи комбайна і формує необхідну, економічно вигідну, уставку за швидкістю в САР. Система автоматичного регулювання переводить частоту обертання приводного електродвигуна на задану швидкість стрічки без небезпечних динамічних навантажень на стрічку.

Надалі планується розробка підсистеми керування головним водовідливом в години максимального навантаження на енергосистему, розробка математичних моделей режимів роботи енергоємних технологічних установок, моделювання різних режимів роботи шахтних технологічних установок.

Розробка засобів обліку електроенергії та засобів передачі інформації про стан технологічних установок шахти дозволить побудувати систему з використанням сучасної елементної бази, що, у свою чергу, підвищить швидкодію, точність і надійність системи автоматичного оперативно-диспетчерського управління.