RUS | UKR | ENG || ДонНТУ | Портал магистров ДонНТУ


Магистр ДонНТУ Губка Юрий Александрович

Губка Юрий Александрович

Факультет компьютерных информационных технологий и автоматики

Специальность: Автоматизированное управление технологическими процессами

Научный руководитель: к. т. н., доцент Оголобченко Александр Семёнович


Материалы по теме выпускной работы:Об авторе | Библиотека | Отчет о поиске | | Лазер


Реферат по теме выпускной работы

Обоснование параметров системы автоматического управления многоступенчатым водотливом шахты в энергосберегающем режиме

Введение

        Водоотливные установки шахт и рудников являются одними из важнейших объектов, автоматизация процессов которых должна обеспечить максимальную надёжность откачки воды из горных выработок. Система автоматического управления водоотливом, учитывающая график нагрузки энергосистемы, находится под воздействием множества возмущающих факторов, полный учёт которых практически невозможен из-за усложнения системы при относительно небольшом улучшении качества управления.
       Главными особенностями водоотлива глубоких шахт в рассматриваемом аспекте являются большая мощность установок и применение ступенчатых технологических схем.
       Ступенчатый водоотлив представляет собой сложный гидравлический комплекс, насосы которого перекачивают шахтную воду с одного горизонта на другой горизонт и далее на поверхность шахты. На каждом горизонте оборудуется насосная станция с мощными насосами и водосборниками, куда поступает шахтная вода под напором от насосных установок с  нижерасположенного горизонта и самотеком с горных выработок. Суммарная мощность насосных установок составляет в среднем 20% от установленной мощности шахты и установки имеют независимый от технологии добычи график работы в течение суток. Поэтому насосные установки водоотлива могут выступать в качестве потребителей регуляторов в системе электроснабжения предприятия, включением – отключением которых возможно снизить величину заявленной мощности предприятия, а также неравномерность графика нагрузки энергосистемы. Экономичная работа водоотливных установок горных предприятий и рациональный режим их электропотребления в комплексе «энергосистема-потребитель» существенно влияют на экономику предприятия и отрасли в целом.

Актуальность темы

       В настоящее время существующие способы управления водоотливом  с учётом «пиковых» нагрузок [1] не могут быть применены для управления многоступенчатым водоотливом, так как не учитывают некоторые  его специфические особенности, в частности пуск насосной установки нижерасположенного горизонта должен осуществляться в том случае, если ёмкость водосборника  насосной станции, куда будет перекачиваться вода, будет достаточна для приёма воды. Также отсутствует сбор и накопление информации о состоянии технологических параметров для оценки качества функционирования объекта. Поэтому является актуальным разработка системы автоматического управления насосными установками с учётом «пиковых» нагрузок на энергосистему предприятия, лишённой этих недостатков.

Цель и задачи исследований

       Цель работы – Изучить динамику притоков и методы их определения. На основе обзора литературных источников  исследовать и обосновать параметры, описать принцип действия, а также разработать алгоритм  для устройства автоматического контроля притока. На основании алгоритма  и принципа работы синтезировать систему автоматического управления ступенчатым водоотливом с учётом «пиковых» нагрузок на энергосистему предприятия, которая должна удовлетворять правилам технической эксплуатации, иметь простоту в построении.

1 Обзор разработок и исследований

1.1Анализ технологического процесса главного водоотлива как объекта автоматизации

       Водоотливные установки  должны обеспечивать надёжную откачку грунтовой воды из подземных выработок при возможно меньших эксплуатационных расходах. В соответствии с правилами ПБ водоотливные установки должны быть оборудованы аппаратурой автоматизации. Автоматически действующая аппаратура, выполняющая операции вместо машинистов насосов, обеспечивает точность, безошибочность и своевременность этих операций. Это позволяет продлить межремонтные сроки за счёт исключения случаев холостой работы водоотлива и даёт возможность экономить значительные средства.
       Автоматизированная водоотливная установка снабжена блокировками, предотвращающими: пуск агрегата при незалитом насосе, включение моторного привода задвижки до пуска насосного агрегата; останов агрегата до момента полного закрытия задвижки; включения агрегата при отсутствии воды в водосборнике, а также повторное включение отключившегося насоса до устранения причины, вызвавшей его аварийное отключение.
       Наиболе распространёнными схемами водоотлива при одновременной разработке двух или нескольких горизонтов являются следующие: вода поступающая из забоев и выработанного пространства, по периметру горных выработок собирается в водоотливные канавки, по которым безнапорным потоком, через предварительный отстойник, направляется в водосборник. Из водосборников и нижних горизонтов, вода насосами по трубопроводу напорным потоком поднимается на верхний горизонт, где располагается главная водоотливная установка, откачивающая воду на поверхность, и сливается в водоотливную канавку. Здесь вода по водоотливной канавке через предварительный отстойник поступает в водосборник и через задвижку протекает в приёмный колодец, откуда насосами, по трубопроводу поднимается на поверхность и направляется в очистные сооружения.
       Из этого следует, что шахтная вода удаляется из горных выработок потоками: безнапорным – самотечным водоотливом, и напорным – по трубопроводам, насосными установками.
       Самотечный водоотлив осуществляется по канавкам, проведенным по почве выработок, геометрический уклон которых равен необходимому гидравлическому. Вода на поверхность или на верхний горизонт поднимается по трубопроводам; и с помощью насосных установок.
       Напорный водоотлив осуществляется водоотливными установками, в состав которых входят насос, привод-электродвигатель, подводящий (всасывающий) и напорный (нагнетательный) трубопроводы с соответствующей арматурой.
       Автоматизированная водоотливная установка должна быть снабжена блокировками, предотвращающими: пуск агрегата при незалитом насосе, включение моторного привода задвижки до пуска насосного агрегата; останов агрегата до момента полного закрытия задвижки; включения агрегата при отсутствии воды в водосборнике, а также повторное включение отключившегося насоса до устранения причины, вызвавшей его аварийное отключение
       Схемой автоматизации водоотливной установки должны быть предусмотрены следующие виды защит, вызывающие аварийный останов: при снижении или потере производительности; при перегреве подшипников; при исчезновении напряжения или к. з. в цепях управления. Производительность каждого насосного агрегата, температура подшипников, а также положение задвижек на подводящем трубопроводе (для установок с заглублёнными камерами) должны контролироваться непрерывно.

1.2Критический обзор технических решений по автоматизации технологического процесса главного водоотлива

        Для автоматизации процесса главного водоотлива существуют различные аппаратуры: УАВ, ВАВ, ВАВ.1М.[2]
       Аппаратура типа УАВ предназначена для автоматического управ­ления водоотливными установками шахт угольной и горнорудной про­мышленности. Аппаратура дает возможность управлять водоотлив­ными установками, оборудованными количеством насосных агрегатов до шестнадцати с низковольтными и высоковольтными асинхронными двигателями с короткозамкнутым и фазным роторами, а также син­хронными двигателями (с использованием в каждом конкретном слу­чае типовых магнитных станций).
       Аппаратура ВАВ, выполненная во взрывозащищенном исполнении, позволяет автоматизировать водоотливные установки, содержащие до девяти насосных агрегатов и оборудованные высоковольтными или низ­ковольтными асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. Аппаратура ВАВ построена по блочному принципу и собрана на много­контактных герметизированных реле в сочетании с полупроводнико­выми элементами.
       На данный момент существует усовершенствованная аппаратура ВАВ.1М. В зависимости от условий применения и комплектности  поставки аппаратура изготавливается в трех модификациях: ВАВ.1М, ВАВ.2.1М, ВАВ.3.1М.
       Аппаратура ВАВ-1М применятся для автоматизации водоотливных установок в условиях угольных шахт опасных по газу и пыли, а такие внезапным выбро­сам угля, породы и газа. Датчики уровня, производительности, давления, аппарат БУН-1М устанавливаются в шахте в водоотливной камере, табло сигнальное водоотлива CTB-1M устанавливается на поверхности шахты в помещении диспетчерского пункта.
Функции:

       Аппаратура ВАВ-1М обеспечивает:
        -автоматическое управление насосами по уровню воды в водосборнике;
        -автоматическое,дистанционное и местное управление работой насосов;
        - автоматическую заливку насоса и изменение времени заливки;
        -автоматическую замену насоса, отключенного из-за неисправности резервным насосом;
        -цикличность работы насоса;
        -последовательность запуска и остановки насоса при параллельной работе;
        -запрет пуска неисправного насоса;
        -запрет пуска насоса на время максимума энергопотребления;
        -учет времени работы насосов;
        -отображение сигналов диспетчеру об уровне воды, работе насосов, неисправности установки, времени начала и окончания максимумов энергопотребления, подача звуковой сигнализации;
        -работу насоса с управляемыми задвижками и без них;
        -следующие виды защит:
           а)защиту от перегрева подшипников;
           б)гидравлическую защиту по расходу воды;
           в)заклинивания задвижки;
           г)невозможность повторного пуска неисправного насосного агрегата без
       вмешательства обслуживающего персонала;
        -виды сигнализации:
           а)о питании табло СТВ и БУН – световая;
           б)о работе насосов – световая;
           в)о продолжительности времени работы насосов (только на СТВ) – цифровая визуальная;
           г)о неисправности насосных агрегатов – световая;
           д)об уровне воды в водосборнике.

Краткое изложение собственных результатов, имеющихся к моменту завершения работы над авторефератом

2.1 Способы автоматического измерения притоков воды

      Известно несколько способов определения и прогнозирования шахтных притоков воды [1], базирующихся на ста­тистических данных и стокообразующих факторах, каждый из которых может давать результаты с определенной точ­ностью, Однако эти результаты — вероятностного харак­тера, а сами методы не могут быть реализованы аппаратурно для автоматизации процесса. Исследования способов измерения притока показали, что наиболее приемлемым как в отношении точности ав­томатических измерений, так и технической реализации яв­ляется метод, основанный на определении притока по объе­му воды V, накопившейся в водосборнике за определенный период времени Т:
       где Q(t) — водоприток в период заполнения водосборника.
       В шахтных условиях нет практической возможности измерять непосредственно объем воды. Однако его величи­ну можно определить, зная уровень воды в водосборнике, чтобы затем рассчитать приток. При этом следует учиты­вать, что в общем случае площадь горизонтального сечения S водосборника изменяется по его высоте, и что одним и тем же объемам воды на разных высотах водосборника со­ответствуют неодинаковые значения разности верхнего и нижнего уровней воды.
       При постоянных значениях величины S по глубине водо­сборника среднее и мгновенное значения притока опреде­лятся по формулам:
                                                                                  ,
       где -разность уровней воды в водосборнике за время его заполнения .
       Определение мгновенных значений притока по формуле (3) на первый взгляд кажется довольно простым. Однако следует учитывать, что водосборники шахт — это горные выработки большой длины со значительной площадью гори­зонтального сечения. Поэтому, даже большие притоки при­водят к незначительным отклонениям уровня воды, изме­рение которых практически затруднено. Устройство автоматического определения притока воды может разрабатываться на основе уравнения (2). При этом возможны два способа определения притока: по времени заполнения водой части водосборника между двумя фик­сированными уровнями (при =const):
и по величине перепада уровней воды в водосборнике за фиксированный период времени (= const):
где и  -- постоянные величины.
       В рассмотренных способах определения притока воды величины и рекомендуется измерять в период запол­нения водосборника. Однако эти же величины можно из­мерять и при работающей насосной установке. Для такого случая можно записать:
Qн — производительность водоотливной установки; —разность уровней воды в водосборнике за время работы водоотливной установки. В принципе можно определять приток на основании измерений, проведенных в период за­полнения водосборника и частично в период работы водо­отливной установки.[4] Исходя из уравнений (5) и (6) и с учетом представительности каждого из измерений, получаем:
       Полученное уравнение позволяет синтезировать систему автоматического контроля притока.

2.2 Способ автоматического управления шахтным ступенчатым водоотливом с учетом «пиковых» нагрузок в системе электроснабжения предприятия

       Технологическая схема двухступенчатого водоотлива c размещением технических средств системы автоматического управления приведена на рисунке 1. В настоящее время; насосная установка водоотлива автоматизируется cпециальной аппаратурой автоматического управления, например типа ВАВ.1М или подобной ей, которая осуществляет управление водоотливной установкой в зависимости от уровня воды в водосборнике [7]. Дополнительно к техническим средствам существующей аппаратуры автоматического управления (АУН) насосная установка оснащается аналоговым датчиком уровня воды (ДУ) в водосборнике и расходомером (Р), установленным на нагнетательном трубопроводе насосной станции (см. рисунок 1). Устройства подключаются к регистратору параметров (РЭП), который передает информацию для анализа в компьютер ПК на пульт горного диспетчера, а также для визуализации работы водоотливной установки как регулятора - потребителя электроэнергии. Компьютер подключается к аппаратуре автоматического управления насосной установкой для осуществления команд на включение – отключение насосной установки. Способ управления иллюстрируется  временной диаграммой работы, представленной  на рисунке 2.  Предположим в водосборники А и Б поступает случайный приток воды (см. прямые ab hi соответственно)

Рисунок 1 - Технологическая схема двухступенчатого водоотлива c размещением технических средств системы автоматического управления
       При достижении воды в водосборнике А верхнего уровня hВУ происходит замер текущего уровня воды в водосборнике Б датчиком ДУ2 и передача этой информации через регистратор РЭП в компьютер ПК. Если уровень воды в водосборнике Б достаточный для приема воды в объёме V1+ Vприт2 , то в компьютере ПК формируется разрешающий сигнал для включения аппаратурой АУН1 насосной установки Н1, которая перекачивает воду в водосборник Б. Насосная установка включается и в водосборнике А уровень воды уменьшается (прямая bc на рисунке 2). Соответственно приток воды в водосборник Б увеличивается (прямая ik ). Подача Q1 насосной установки Н1 фиксируется в регистраторе РЭП и передается в компьютер ПК. При достижении нижнего уровня воды НУ в водосборнике А насосная установка Н1 автоматически отключается аппаратурой АУН1. После этого ожидается приток воды до фиксированного промежуточного уровня hпр1=0,2*hВУ, за время tприт0,2. На основании полученных данных определяется приток воды Qприт1 в водосборник А по формулам:
                            
       где Vоткач0,2, tоткач0,2- объём воды фиксированного уровня hпр1 и время откачки воды фиксированного уровня, определяемые расходомером р1 и таймером соответственно в процессе откачки воды с водосборника А; tприт0,2 - время притока воды до фиксированного уровня в водосборнике А.
       Аналогично выполняются расчеты величины притока Qприт2 для условий работы насосной установки Н2 . Если во время работы насосной установки Н1 вода в водосборнике Б достигает верхнего уровня ВУ(см точка k), апаратура АУН2 автоматически включает в работу насосную установку Н2, которая откачивает воду на поверхность шахты (см прямые ki,im).
       На основании данных о начальном нахождении текущего уровня воды и фиксированного уровня воды ВУ в водосборнике Б определяется объём воды между этими уровнями.

       Рисунок 2 - Временная диаграмма работы двухступенчатого водоотлива c учетом «пиковых» нагрузок в системе электроснабжения шахты (Анимация: объем – 129kБ; размер – 773x739; количество кадров – 23; задержка между кадрами – 500мс,кол-во циклов повторения – бесконечное)
       В компьютере выполняется прогнозирование включения насосных установок  Н1 и Н2 до начала «пика» нагрузки в системе электроснабжения с целью освобождения ёмкостей водосборников А и Б для принятия воды во время «пика» т. е. определяется временная точка включения насосной установки Н1 (точка d). Это происходит путём сравнения времени заполнения водой водосборника А с временем «пика». Если условие не выполняется, то включение насосной установки Н1 не происходит, если же выполняется, то компьютер ПК формирует сигнал управления в аппаратуру АУН1 для преждевременного включения насосной установки Н1. Одновременно в компьютере ПК осуществляется прогноз величины свободной емкости водосборника Б для принятия воды с водосборника А, не переполнившись. Если условие не выполняется, принудительно по команде от компьютера ПК аппаратурой АУН2 включается насосная установка Н2, которая освобождает от воды водосборник Б для принятия воды с водосборника А. При наступлении времени «пика» нагрузки в системе электроснабжения насосная установка Н2 отключается. Далее цикл управления повторяется в соответствии с приведенным алгоритмом.

Заключение


       В работе описаны основные теоретические положения по способам автоматического контроля притока. На основании анализа этих данных был описан принцип работы такой системы, а также создан алгоритм автоматического контроля притока. Данный алгоритм применён для cоздания и описания принципов работы системы автоматического управления ступенчатым водоотливом с учётом «пиковых нагрузок на энергосистему предприятия.
       Решена задача косвенного контроля притока, которая позволяет спрогнозировать массу воды, поступившей в каждый отдельный водосборник, а также использовать данные водопритока для передачи на диспетчерский пульт с целью оценки эффективности работы водоотлива.
       Также планируется провести математическое описание системы и принципа управления и полученные результаты смоделировать для проверки адекватности предложенных технических решений.
       При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Дата окончательного завершения работы: 1 декабря 2011 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.

Перечень ссылок

        1.   Автоматизация электропотребления водоотливных установок / Г. И. Данильчук, С.П. Шевчук, П.К. Василенко.- К.: Техніка, 1981.-102с.
        2.     Шевчук С.П. Повышение эффективности водоотливных установок - К.: Техника, 1991. - 53с.
        3.    Леви Л. З. Прогноз максимальных водопритоков в горные выработки вероятностно-статистическими методами. М., Недра, 1973.
        4.    Автоматизация подземных горных работ / Под ред. Проф. А.А. Иванова – К.: Вища школа, 1987
        5.    Малеев В.Б., Малашкина В.А. Водоотлив и дегазация угольных шахт. – М.: Недра, 1995. – 208 с.
        6.    Ефстефиев А. В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы «Atmel», – М.: Додэка, 2004. – 558 с.
        7.    Попов В.М. Рудничные водоотливные установки. – 2-е изд. перераб. и доп. – М., Недра, 1983. – 304 с.
Об авторе || ДонНТУ || Портал магистров ДонНТУ