RUS | UKR |
ENG
||
ДонНТУ |
Портал
магістрів ДонНТУ
Губка
Юрій Олександрович
Факультет комп'ютерних інформаційних технологій та автоматики
Спеціальність: Автоматизоване управління технологічними процесами
Науковий керівник: к. т. н., доцент Оголобченко Олександр Семенович
Реферат на тему випускної роботи
Обґрунтування параметрів системи автоматичного управління багатоступеневим водовідливом шахти в енергозберігаючому режимі
Вступ
        Водовідливні установки шахт і копалень є одними з найважливіших об'єктів, автоматизація процесів яких повинна забезпечити максимальну надійність відкачування води з гірських вироблень. Система автоматичного управління водовідливом, що враховує графік навантаження енергосистеми, перебуває під впливом безлічі обурюючих чинників, повний облік яких практично неможливий із-за ускладнення системи при відносно невеликому поліпшенні якості управління.
       Головними особливостями водовідливу глибоких шахт в даному аспекті є велика потужність установок і застосування ступінчастих технологічних схем.
       Ступінчастий водовідлив є складним гідравлічним комплексом, насоси якого перекачують шахтну воду з одного горизонту на інший горизонт і далі на поверхню шахти. На кожному горизонті обладналася насосна станція з потужними насосами і водозбірниками, куди поступає шахтна вода під натиском від насосних установок з розташованого нижче горизонту і самопливно з гірських вироблень. Сумарна потужність насосних установок складає в середньому 20% від встановленої потужності шахти і установки мають незалежний від технології здобичі графік роботи протягом доби. Тому насосні установки водовідливу можуть виступати регуляторами споживання електроєнергії в системі електропостачання підприємства, включенням - відключенням яких можливо понизити величину заявленої потужності підприємства, а також нерівномірність графіка навантаження енергосистеми. Економічна робота водовідливних установок гірських підприємств і раціональний режим їх електроспоживання в комплексі "енергосистема-споживач" істотно впливають на економіку підприємства і галузі в цілому.
Актуальність теми
       Нині існуючі способи управління водовідливом з урахуванням "пікових" навантажень [1] не можуть бути застосовані для управління багатоступінчастим водовідливом, оскільки не враховують деякі його специфічні особливості, зокрема пуск насосної установки розташованого нижче горизонту повинен здійснюватися у тому випадку, якщо місткість водозбірника насосної станції, куди перекачуватиметься вода, буде достатня для прийому води. Також відсутній збір і накопичення інформації про стан технологічних параметрів для оцінки якості функціонування об'єкту. Тому є актуальною розробка системи автоматичного управління насосними установками з урахуванням "пікових" навантажень на энергосистему підприємства, позбавленою цих недоліків.
Мета і завдання досліджень
       Мета роботи - вивчити динаміку припливів і методи їх визначення. На основі огляду літературних джерел досліджувати і обгрунтувати параметри, описати принцип дії, а також розробити алгоритм для пристрою автоматичного контролю припливу. На підставі алгоритму і принципу роботи синтезувати систему автоматичного управління ступінчастим водовідливом з урахуванням "пікових" навантажень на енергосистему підприємства, яка повинна задовольняти правилам технічної експлуатації, мати простоту в побудові.
1 Огляд розробок і досліджень
1.1Анализ технологічного процесу головного водовідливу як об'єкту автоматизації
       Водовідливні установки повинні забезпечувати надійне відкачування грунтової води з підземних вироблень при можливо менших експлуатаційних витратах. Відповідно до правил ПБ водовідливні установки мають бути обладнані апаратурою автоматизації. Автоматично діюча апаратура, що виконує операції замість машиністів насосів, забезпечує точність, безпомилковість і своєчасність цих операцій. Це дозволяє продовжити міжремонтні терміни за рахунок виключення випадків неодруженої роботи водовідливу і дає можливість економити значні засоби.
       Автоматизована водовідливна установка забезпечена блокуваннями, що запобіжуть: пуск агрегату при незалитому насосі, включення моторного приводу засувки до пуску насосного агрегату; останов агрегату до моменту повного закриття засувки; включення агрегату за відсутності води у водозбірнику, а також повторне включення насоса, що відключився, до усунення причини, що викликала його аварійне відключення.
       Найбільш поширеними схемами водовідливу при одночасній розробці двох або декількох горизонтів являються наступні: вода поступає із забоїв і виробленого простору, по периметру гірських вироблень збирається у водовідливні канавки, по яким безнапірним потоком, через попередній відстійник, прямує у водозбірник. З водозбірників і нижніх горизонтів, вода насосами по трубопроводу напірним потоком піднімається на верхній горизонт, де розташовується головна водовідливна установка, що відкачує воду на поверхню, і зливається у водовідливну канавку. Тут вода по водовідливній канавці через попередній відстійник поступає у водозбірник і через засувку протікає в приймальний колодязь, звідки насосами, по трубопроводу піднімається на поверхню і прямує в очисні споруди.
       З цього виходить, що шахтна вода віддаляється з гірських вироблень потоками: безнапірним - самопливним водовідливом, і напірним - по трубопроводах, насосними установками.
       Самопливний водовідлив здійснюється по канавках, проведених по грунту вироблень, геометричний ухил яких дорівнює необхідному гідравлічному. Вода на поверхню або на верхній горизонт піднімається по трубопроводах і за допомогою насосних установок.
       Напірний водовідлив здійснюється водовідливними установками, до складу яких входять насос, привід-електродвигун, що підводить (всмоктуючий) і напірний (нагнітальний) трубопроводи з відповідною арматурою.
       Автоматизована водовідливна установка має бути забезпечена блокуваннями, що запобіжуть, : пуск агрегату при незалитому насосі, включення моторного приводу засувки до пуску насосного агрегату; останов агрегату до моменту повного закриття засувки; включення агрегату за відсутності води у водозбірнику, а також повторне включення насоса, що відключився, до усунення причини, що викликала його аварійне відключення.
       Схемою автоматизації водовідливної установки мають бути передбачені наступні види защит, що викликають аварійний останов, : при зниженні або втраті продуктивності; при перегріванні підшипників; при зникненні напруги або к. з. в ланцюгах управління. Продуктивність кожного насосного агрегату, температура підшипників, а також положення засувок на трубопроводі (для установок із заглибленими камерами), що підводить, повинні контролюватися безперервно.
1.2 Критичний огляд технічних рішень по автоматизації технологічного процесу головного водовідливу
        Для автоматизації процесу головного водовідливу існує різна апаратура: УАВ, ВАВ, ВАВ.1М.
       Апаратура типу УАВ призначена для автоматичного управ-ления водовідливними установками шахт вугільної і гірничорудною про-мышленности. Апаратура дає можливість управляти водоотлив-ными установками, обладнаними кількістю насосних агрегатів до шістнадцяти з низьковольтними і високовольтними асинхронними двигунами з короткозамкнутим і фазним роторами, а також син-хронными двигунами (з використанням в кожному конкретному слу-чае типових магнітних станцій).
       Апаратура ВАВ, виконана у вибухозахищеному виконанні, дозволяє автоматизувати водовідливні установки, що містять до дев'яти насосних агрегатів і обладнані високовольтними або низ-ковольтными асинхронними двигунами з короткозамкнутим ротором. Апаратура ВАВ побудована за блоковим принципом і зібрана на багато-контактних герметизованих реле у поєднанні з полупроводнико-выми елементами.
       На даний момент існує вдосконалена апаратура ВАВ.1М. Залежно від умов застосування і комплектності постачання апаратура виготовляється в трьох модифікаціях: ВАВ.1М, ВАВ.2.1М, ВАВ.3.1М.
       Апаратура ВАВ-1М застосуються для автоматизації водовідливних установок в умовах вугільних шахт небезпечних по газу і пилу, а такі раптовим викидам вугілля, породи і газу. Датчики рівня, продуктивності, тиску, апарат БУН-1М встановлюються в шахті у водовідливній камері, табло сигнальне водовідливу CTB - 1M встановлюється на поверхні шахти в приміщенні диспетчерського пункту.
Функції:
       Апаратура ВАВ-1М забезпечує:
        - автоматичне управління насосами по рівню води у водозбірнику;
        - автоматичне, дистанційне і місцеве управління роботою насосів;
        - автоматичну заливку насоса і зміну часу заливки;
        - автоматичну заміну насоса, відключеного через несправність резервним насосом;
        - циклічність роботи насоса;
        - послідовність запуску і зупинки насоса при паралельній роботі;
        - заборона пуску несправного насоса;
        - заборона пуску насоса на час максимуму енергоспоживання;
        - облік часу роботи насосів;
        - відображення сигналів диспетчерові про рівень води, роботу насосів, несправність установки, час початку і закінчення максимумів енергоспоживання, подача звукової сигналізації;
        - роботу насоса з керованими засувками і без них;
        - наступні види защит :
           а) захист від перегрівання підшипників;
           б) гідравлічний захист по витраті води;
           в) заклинювання засувки;
           г) неможливість повторного пуску несправного насосного агрегату без втручання обслуговуючого персоналу;
        - види сигналізації :
           а) про живлення табло СТВ і БУН - світлова;
           б) про роботу насосів - світлова;
           в) про тривалість часу роботи насосів (тільки на СТВ) - цифрова візуальна;
           г) про несправність насосних агрегатів - світлова;
           д) про рівень води у водозбірнику.
2 Короткий виклад власних результатів, наявних до моменту завершення роботи над авторефератом
2.1 Способи автоматичного виміру припливів води
        Відомі декілька способів визначення і прогнозування шахтних припливів води [1], що базуються на ста-тистических даних і стокообразующих чинниках, кожен з яких може давати результати з певною точ-ностью, Проте ці результати - імовірнісного харак-тера, а самі методи не можуть бути реалізовані апаратурно для автоматизації процесу.
Дослідження способів виміру припливу показали, що найбільш прийнятним як відносно точності ав-томатических вимірів, так і технічній реалізації яв-ляется метод, заснований на визначенні припливу по объе-му води V, що накопичилася у водозбірнику за визначений
період часу Т :
       де Q(t) - водоприплив в період заповнення водозбірника.
       У шахтних умовах немає практичної можливості вимірювати безпосередньо об'єм води. Проте його величи-ну можна визначити, знаючи рівень води у водозбірнику, щоб потім розрахувати приплив. При цьому слідує учиты-вать, що в загальному випадку площа горизонтального перерізу S водозбірника змінюється по його висоті, і що одним і тим же об'ємам води на різних висотах водозбірника со-ответствуют неоднакові значення різниці верхнього і нижнього рівнів води.
       При постійних значеннях величини S по глибині водо-сборника середнє і миттєве значення припливу опреде-лятся по формулах:
                                                                                 
,
       де різниця рівнів води у водозбірнику за час його заповнення.
       Визначення миттєвих значень припливу по формулі (3) на перший погляд здається досить простим. Проте слід враховувати, що водозбірники шахт - це гірські вироблення великої довжини зі значною площею горизонтального перерізу. Тому, навіть великі припливи при-водять до незначних відхилень рівня води, вимір яких практично ускладнено.
Пристрій автоматичного визначення припливу води може розроблятися на основі рівняння (2). При цьому можливі два способи визначення припливу : за часом заповнення водою частини водозбірника між двома фіксованими рівнями (при =const):
і за величиною перепаду рівнів води у водозбірнику за фіксований період часу(= const):
где и   -- постійні величини.
       У розглянутих способах визначення припливу води величини и рекомендується вимірювати в період заповнення водозбірника. Проте ці ж величини можна вимірювати і при працюючій насосній установці. Для такого випадку можна записати:
Qн - продуктивність водовідливної установки;
- різниця рівнів води у водозбірнику за час роботи водовідливної установки.
Можна визначати приплив на підставі вимірів, проведених в період заповнення водозбірника і частково в період роботи водовідливної установки. Виходячи з рівнянь (5) і (6) і з урахуванням показності кожного з вимірів, отримуємо:
       Отримане рівняння дозволяє синтезувати систему автоматичного контролю припливу.
2.2 Спосіб автоматичного управління шахтним ступінчастим водовідливом з урахуванням "пікових" навантажень в системі електропостачання підприємства
       Технологічна схема двоступінчатого водовідливу c розміщенням технічних засобів системи автоматичного управління приведена на малюнку 1. Нині насосна установка водовідливу автоматизується спеціальною апаратурою автоматичного управління, наприклад типу ВАВ.1М або подібною до неї, яка здійснює управління водовідливною установкою залежно від рівня води у водозбірнику [2]. Додатково до технічних засобів існуючої апаратури автоматичного управління (АУН) насосна установка оснащується аналоговим датчиком рівня води (ДУ) у водозбірнику і витратоміром (Р), встановленим на нагнітальному трубопроводі насосної станції (див. малюнок 1). Пристрої підключаються до реєстратора параметрів (РЕП), який передає інформацію для аналізу в комп'ютер ПК на пульт гірського диспетчера, а також для візуалізації роботи водовідливної установки як регулювальника - споживача електроенергії. Комп'ютер підключається до апаратури автоматичного управління насосною установкою для здійснення команд на включення - відключення насосної установки.
Спосіб управління ілюструється тимчасовою діаграмою роботи, представленої на рисунку 2. Припустимо у водозбірники А і б поступає випадковий приплив води (см прямі ab, hi відповідно).
Рисунок 1 - Технологічна схема двоступінчатого водовідливу c розміщенням технічних засобів системи автоматичного управління
       Досягши води у водозбірнику А верхнього рівня hВУ відбувається вимір поточного рівня води у водозбірнику б датчиком ДУ2 і передача цієї інформації через реєстратор РЕП в комп'ютер ПК. Якщо рівень води у водозбірнику б достатній для прийому води в об'ємі V1+ Vприт2, то в комп'ютері ПК формується дозволяючий сигнал для включення апаратурою АУН1 насосної установки Н1, яка перекачує воду у водозбірник Б. Насосна установка включається і у водозбірнику А рівень води зменшується (пряма bc на малюнку 2). Відповідно приплив води у водозбірник Би збільшується (пряма ik ). Подача Q1 насосної установки Н1 фіксується в реєстраторі РЕП і передається в комп'ютер ПК. Досягши нижнього рівня води НУ у водозбірнику А насосна установка Н1 автоматично відключається апаратурою АУН1. Після цього очікується приплив води до фіксованого проміжного рівня hпр1=0,2*hВУ, за час tприт0, 2. На підставі отриманих даних визначається приплив води Qприт1 у водозбірник А по формулі:
                            
       де Vоткач0, 2, tоткач0, 2 - об'єм води фіксованого рівня hпр1 і час відкачування води фіксованого рівня, визначувані витратоміром р1 і таймером відповідно в процесі відкачування води з водозбірника А; tприт0, 2 - час припливу води до фіксованого рівня у водозбірнику А.
       Аналогічно виконуються розрахунки величини припливу Qприт2 для умов роботи насосної установки Н2.
Якщо під час роботи насосної установки Н1 вода у водозбірнику б досягає верхнього рівня ВУ(см точка k), апаратура АУН2 автоматично включає в роботу насосну установку Н2, яка відкачує воду на поверхню шахти (см прямі ki, im).
       На підставі даних про початкове знаходження поточного рівня води і фіксованого рівня води ВУ у водозбірнику б визначається об'єм води між цими рівнями.
       Рисунок 2 - Тимчасова діаграма роботи двоступінчатого водовідливу з урахуванням "пікових" навантажень в системі електропостачання шахти
(Анімація: об'єм - 129 КБ; розмір - 773x739; кількість кадрів - 23; затримка між кадрами - 50 мс, к-ть циклів повторення - нескінченна)
       У комп'ютері виконується прогнозування включення насосних установок Н1 і Н2 до початку "піку" навантаження в системі електропостачання з метою звільнення місткостей водозбірників А і б для прийняття води під час "пік" тобто визначається тимчасова точка включення насосної установки Н1 (точка d). Це відбувається шляхом порівняння часу заповнення водою водозбірника А з часом "пік". Якщо умова не виконується, то включення насосної установки Н1 не відбувається, якщо ж виконується, то комп'ютер ПК формує сигнал управління в апаратуру АУН1 для передчасного включення насосної установки Н1. Одночасно в комп'ютері ПК здійснюється прогноз величини вільної місткості водозбірника б для прийняття води з водозбірника А, не переповнившись. Якщо умова не виконується, примусово по команді від комп'ютера ПК апаратурою АУН2 включається насосна установка Н2, яка звільняє від води водозбірник Би для прийняття води з водозбірника А. При настанні часу "пік" навантаження в системі електропостачання насосна установка Н2 відключається. Далі цикл управління повторюється відповідно до приведеного алгоритму.
Висновок
       У роботі описані основні теоретичні положення по способах автоматичного контролю припливу. На підставі аналізу цих даних був описаний принцип роботи такої системи, а також створений алгоритм автоматичного контролю притоку. Цей алгоритм застосований для створення і опису принципів роботи системи автоматичного управління ступінчастим водовідливом з урахуванням "пікових навантажень" на енергосистему підприємства.
       Вирішено завдання непрямого контролю припливу, яка дозволяє спрогнозувати масу води, що поступила в кожен окремий водозбірник, а також використовувати дані водопритоку для передачі на диспетчерський пульт з метою оцінки ефективності роботи водовідливу.
       Також планується провести математичний опис системи і принципу управління і отримані результати змоделювати для перевірки адекватності запропонованих технічних рішень.
       При написанні цього реферату магістерська робота ще не завершена. Дата остаточного завершення роботи : 1 грудня 2011 року. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отриманий у автора або його наукового керівника після вказаної дати.
Перелік посилань
       
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.