Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Содержание

Введение

В силу ограниченного пространства и большой глубины в подземных горных выработках имеют место тяжелые условия работы горнорабочих. Это приводит к ухудшению производительности труда, здоровья рабочих, повышению риска травм и аварий, а также ограничивает возможности проведения производственных процессов.

Поэтому, одним из важнейших звеньев сложной технологической системы шахты, является процесс вентиляции шахтных выработок, целью которого является поддержание нормальной атмосферы в шахте – обеспечение необходимого притока свежего воздуха, обеспечение допустимых концентрация метана в шахтной атмосфере. Технологические установки, выполняющие данные функции, – это вентиляторы главного проветривания.

Экономичность и устойчивость работы вентилятора главного проветривания (ВГП) шахты зависит от параметров вентиляционной сети: общего аэродинамического сопротивления, необходимого количества воздуха, подаваемого в шахту для проветривания, естественной тяги сети и др. Эти величины совместно с техническими характеристиками вентилятора определяют рабочий режим последнего.

Именно поэтому, разработка и исследование системы автоматизированного управления процессом проветривания угольной шахты имеет большое экономическое значение. Это будет способствовать повышению эффективности и интенсивности технологических процессов, а, следовательно, и работы шахты в целом.

1. Актуальность темы

Задача автоматизации проветривания шахт сводится к подаче и распределению по выработкам такого количества воздуха, при котором обеспечивается заданная производительность забоев, соблюдаются требования правил безопасности и санитарно–гигиенических норм и поддерживаются оптимальные режимы вентиляторных установок.

Особенности подземной технологии выемки полезных ископаемых выдвигают эту задачу в ряд наиболее сложных проблем горного дела. От надежной, безотказной работы системы проветривания полностью зависит безопасность, а зачастую и жизни людей, работающих в шахте. Также в горной отрасли на привод вентиляторов, обслуживающих шахту, уходит до 8 – 10% электроэнергии расходуемой всей шахтой.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Основная задача проектирования состоит в разработке и исследовании системы автоматизированного управления процессом проветривания угольной шахты, которая обеспечит устойчивую работу этого объекта. Регулярная настройка вентилятора на параметры сети должна осуществляться с интервалом от нескольких часов до нескольких суток. Такое управление нуждается либо в постоянном контроле со стороны обслуживающего персонала, либо во внедрении автоматизированной системы слежения и стабилизации производительности вентилятора.

Таким образом, целью магистерской диссертации является повышение эффективности работы вентиляторной установки главного проветривания шахты, обеспечение надежного, устойчивого и экономичного проветривания горных выработок при минимальном отклонении от заданного режима путем разработки и внедрения устройства управления производительностью вентиляторной установки с настройкой на максимальный КПД.

Разрабатываемое устройство должно соответствовать следующим требованиям:

3. Обзор исследований и разработок

3.1 Анализ ВУГП как объекта автоматизации

К вентиляторным установкам главного проветривания (ВУГП) принадлежат вентиляционные установки, обслуживающие всю шахту или ее часть (крыло, блок, панель).

ВУГП шахт представляют собой турбомашины – лопастные машины, в которых приращение удельной энергии транспортируемого воздуха происходит в результате силового взаимодействия лопаток вращающегося рабочего колеса с обтекающим их потоком. Оборудованны, как правило, двумя вентиляторами – рабочим и резервным [1]. Вентиляционная установка оснащается комплектом электрооборудования и различных вспомогательных механизмов: лебедками переключения ляд, спрямляющими и направляющими аппаратами, электромагнитным тормозом вентилятора, маслонасосом для смазки подшипников (на больших вентиляторах) и т.п [2].

Рисунок 1 – технологическая схема вентиляторной установки главного проветривания с центробежным вентилятором

Рисунок 1 – технологическая схема вентиляторной установки главного проветривания с центробежным вентилятором

На рисунке 1 приведены следующие условные обозначения: 1 – перекрывающая ляда; 2 – обводной канал; 3,8 – переключающие ляды; 4,7 – ляды дифузоров; 5,6,9,11 – лебедки для перестановки ляд; 10 – всасывающая будка; 12 – атмосферная ляда; 13 – главный канал.

Для вновь проектируемых и строящихся вентиляторных установок применяются различные схемы реверсивных устройств [3]. На рисунке 2 представлена работа вентилятора на нагнетание, при такой схеме верхняя ляда всасывающей будки и ляда диффузора подняты, а нижняя ляда будки опущена. Воздух из атмосферы через всасывающую будку поступает к вентилятору и нагнетается через диффузор и обводной канал в шахту.

Рисунок 2 – Схемы реверсирования вентиляционных установок; 1 – всасывающая будка, 2 – дифузор

Рисунок 2 – Схемы реверсирования вентиляционных установок; 1 – всасывающая будка, 2 – дифузор
(анимация: 18 кадров, задержка между кадрами 0,4с, 190кб)

3.2 Аппаратура автоматизации ВУГП

Аппаратура управления, автоматизации и контроля шахтной вентиляторной установки – это комплекс сложных, работающих совместно систем, дополненный вспомогательными устройствами и механизмами [4]. Системы работают в постоянно меняющихся комбинациях с определенной заданной последовательностью [5].

Основная задача регулирования проветривания шахты состоит в поддержании заданного количества воздуха в шахтной вентиляционной сети путем изменения производительности вентилятора в соответствии с потреблением определенного объема воздуха.

Для этого шахты оснащают вентиляционным оборудованием, способным обеспечить шахту воздухом, чтобы рабочий персонал мог свободно, без недостатка кислорода, выполнять производственный процесс добычи полезного ископаемого и для разжижения вредностей подачей свежего воздуха в выработки.

В качестве базовой принята аппаратура УКАВ–М [6], которая обеспечивает возможность автоматизированного управления шахтными вентиляторами главного проветривания при соблюдении всех нормативов безопасности.

Аппаратура УКАВ–М предназначена для автоматического управления шахтными вентиляторами главного проветривания с различными типами вентиляторных агрегатов и их электроприводов, обеспечивает различные виды управления и режимы работы, а также контроль, защиту и сигнализацию состояния вентиляторных установок. Имеет несколько типоисполнений, различающихся по следующим признакам: тип привода (синхронный, асинхронный, двухдвигательный асинхронный, синхро–асинхронный); наличие или отсутствие вспомогательных приводов; количество ляд.

3.3 Структурная схема системы автоматизации ВУГП шахты

Разработана структурная схема системы автоматизации вентиляторной установки главного проветривания технологического процесса проветривания шахты, которая показана на рисунке 3.

Рисунок 3 – структурная схема системы автоматизации вентиляторной установки главного проветривания

Рисунок 3 – структурная схема системы автоматизации вентиляторной установки главного проветривания

На рисунке обозначено: Д – датчики; УУВ – устройство управления производительностью ВУГП; ИУ – исполнительное устройство; САР – система автоматического регулирования по производительности; О – оператор (машинист) шахты; ПК1 – промышленный компьютер оператора шахты О; ПК2 – промышленный компьютер диспетчера шахты; МС – мнемосхема диспетчера шахты.

Регулирование центробежных вентиляторов осуществляется за счет аэродинамического регулирования или путем регулирования скорости вращения вала вентилятора [7]. В основном в системах автоматизации проветривания регулирование производительности ВУГП осуществляется путем изменения угла установки лопаток направляющего аппарата [8]. Этот способ основан на использовании явления закручивания потока воздуха перед рабочим колесом, являясь наиболее простым, и не требующим дополнительных затрат [9]. Несмотря на то что, как правило, этот способ используют при небольших диапазонах изменения производительности, он является оптимальным и применяется в данной работе.

3.4 Алгоритм автоматического управления производительностью ВУГП

Алгоритм работы устройства управления производительностью ВУГП представлен на рисунке 4.

На начальном этапе работы устройства в блоке 2 осуществляется опрос датчиков производительности, депрессии, и угла установки лопаток направляющего аппарата. Далее в блоке 3 полученная информация обрабатывается.

После выдержки времени осуществляемой в блоке 5, в блоке 6 производится вычисление угла установки лопаток НА, при котором требуемая подача воздуха вентилятором будет равна фактической подаче [10]. Если отклонение угла установки НА лежит в пределах 1% (блок 7), то регулирование не требуется и цикл завершается, если же отклонение лежит в более широком диапазоне, то об этом информируется диспетчер шахты (блок 8).

По истечении 10 минут выполняется проверка, оптимально ли установлены лопатки НА (блок 9). При отсутствии необходимости регулирования непрерывно горит светодиод HL1, который начинает мигать в случае отклонения угла установки лопаток НА от оптимального значения (блок 10) [11]. При необходимости регулирования выполняется запрос диспетчеру шахты, который принимает решение о целесообразности изменения угла установки лопаток НА (блок 11). При подтверждении необходимости регулирования (блок 12), в блоке 13 проверяется, требуется увеличить или уменьшить угол.

Блоки 14,15 путем воздействия на кнопки обеспечивают включение двигателей НА для увеличения (кнопка SA2) или уменьшения (кнопка SA1) соответственно угла поворота лопаток направляющего аппарата, так же данные блоки включают в себя световую индикацию, информирующую о том в какую сторону необходимо повернуть лопатки НА. В блоке 16 осуществляется непосредственно поворот лопаток [12]. Если дальнейшие изменения не требуются – цикл завершается.

Рисунок 4 – Алгоритм работы устройства управления производительностью ВУГП

Рисунок 4 – Алгоритм работы устройства управления производительностью ВУГП

3.5 Структурная схема устройства автоматического управления производительностью ВУГП

В соответствии с алгоритмом работы разработали структурную схему устройства управления производительностью ВГП

Рисунок 5 – Структурная схема устройства управления производительностью ВУГП

Рисунок 5 – Структурная схема устройства управления производительностью ВУГП

На рисунке 5 приведены следующие условные обозначения: Q – датчики производительности ВУГП; h – датчик депрессии ВУГП; БВИ – блок ввода информации; МК – микроконтроллер; ПИУ – пульт индикации и управления оператора ВГП; БП – блок питания; ИП – источник питания; БВКУ – блок ввода команд управления; АПД – адаптер передачи данных; ИУ – исполнительные устройства; RS 485 – интерфейс; ПК1 – промышленный компьютер оператора ВУГП О; ПК2 – промышленный компьютер на пульте горного диспетчера.

Схема работает следующим образом. В БВИ сигнал с датчиков депрессии, производительности, и угла установки лопаток НА приводится к стандартному, так же осуществляется гальваническая развязка линии связи устройства с контактными датчиками. Информационный сигнал поступает на вход МК предназначенного для формирования сигналов управления внешними устройствами [13]. В микроконтроллере МК происходит обработка полученных данных с технологических датчиков в соответствии с прописанной программой. МК в соответствии с алгоритмом работы ВУГП подаёт сигналы регулирования на БВКУ. Этим блоком также обеспечивается гальваническая развязка внутренних цепей устройства с линиями связи ИУ. В качестве исполнительных устройств применяются реверсивные контакты пускателя направляющего аппарата.

ПИУ представляет собой световую индикацию, а именно 3 светодиода, а также кнопки Больше и Меньше обеспечивающие включение двигателей НА для увеличения или уменьшения соответственно угла поворота лопаток направляющего аппарата.

Питание устройства осуществляется при помощи БП – устройства, предназначенного для формирования уровня и качества напряжения, необходимого для питания составных блоков разрабатываемой аппаратуры. В качестве ИП принят блок питания типа БПУ.1М [14].

4. Обеспечение безопасной эксплуатации устройства автоматизации

Во время подготовки и проведения работ с устройством должны выполняться требования действующих Правил безопасности в угольных шахтах, Правил технической эксплуатации угольных шахт, Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей и Правил техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей, типовых инструкций по охране труда по профессиях, эксплуатационных документов и других нормативных документов по безопасности труда, действующих в области [15].

  1. Перед вводом в эксплуатацию устройства автоматизации ВУГП, обслуживающий персонал необходимо ознакомить с правилами использования аппаратуры.
  2. Запрещается разбирать, ремонтировать и регулировать элементы комплекта устройства, за исключением предусмотренных руководством по эксплуатации.
  3. Для проведения монтажно–наладочных работ устройства автоматизации допускаются лица, прошедшие специального подготовку и соответствующую квалификацию и допущены к работе с устройством.
  4. Эксплуатационный персонал, работающий с устройством, должен быть ознакомлен с устройством и правилами эксплуатации устройства, изложенные в руководстве по эксплуатации, а также с планом ликвидации аварий на шахте, где используется устройство.
  5. Санитарно–гигиенические условия в месте установки БАК должны соответствовать действующим нормам.

Выводы

В магистерской диссертации выполнен анализ режимов работы вентиляторной установкой главного проветривания. Было установлено, что данные объекты зачастую работают с повышенной производительностью, а, следовательно, с перерасходом электроэнергии; кроме того, непредвиденные нарушения вентиляционного режима нередко приводят к сбоям в технологическом процессе добычи полезного ископаемого. На основании проведенного анализа было разработано устройство автоматического управления производительностью вентиляторной установки главного проветривания шахты для автоматической подстройки «рабочей точки» вентилятора в соответствии с меняющими аэродинамическими условиями шахты. Результатом работы внедрения устройства автоматизации является повышение эффективности работы вентиляторной установки главного проветривания шахты, обеспечение надежного, устойчивого и экономичного проветривания горных выработок при минимальном отклонении от заданного режима.

При проектировании был разработан алгоритм, описывающий последовательность работы, выбрана базовая аппаратура автоматизации, разработаны схемотехнические решения устройства автоматизации, выдвинуты требования к безаварийной эксплуатации, а также обоснована экономическая целесообразность внедрения устройства автоматического управления производительностью ВУГП на шахте.

Во время написания данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2019 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Перечень ссылок

  1. Братченко, Б.Ф. Стационарные установки шахт/ Под общей ред. Б.Ф.Братченко. –М.: Недра, 1977. – 440с.
  2. Бабак, Г.А. Шахтные вентиляторные установки главного проветривания/ К.П. Бочаров, А.Т. Волохов. –М.:Недра,1982. – 295с.
  3. Богопольский, Б.Х. Автоматизация шахтных вентиляторных установок/ М.А. Левин, и др. Изд. 2–е, перераб. и доп. М.: Недра, 1976. – 232с.
  4. Волотковский, С.А Электрификация стационарных установок шахт/ С.А Волотковский, Д.К. Крюков., Разумный Ю.Т. Справочное пособие/ Под.общей ред. Г.Г. Пивняка –М.: Недра,1990 – 390с.
  5. Батицкий, В.А. Автоматизация производственных процессов и АСУ ТП в горной промышленности: учебник [для студентов вузов]./ Батицкий В.А., Куроедов В.И. Рыжков А.А. –М.: Недра, 1991. – 303с.
  6. Пучков, Л.А. Методы и алгоритмы автоматического управления проветриванием/ Л.А. Пучков, Л.А. Бахвалов – М.: Радио и связь,1992. – 228.
  7. Бедняк, Г.И. Автоматизация производства на угольных шахтах/ Г.И. Бедняк, В.А., Ульшин, В.П. Довженко и др. – К.: Техника, 1989. – 272с.
  8. Толпежников, Л.И. Автоматическое управление процессами шахт и рудников/ Л. И. Толпежников. – Москва: Недра, 1985. – 352 с.
  9. Ушаков, К.З. Аэрология горных предприятий/ под ред. К.З. Ушакова. –Москва, Недра, 1987. – 184 с.
  10. Гейер, В.Г. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки: Учебник для вузов/ В.Г. Гейер, Г.М. Тимошенко –Москва: Недра, 1987. – 304с.
  11. Кравченко, М.В. Опыт внедрения программного комплекса «Вентиляция шахт»/ М.В. Кравченко, Н.М. Кравченко// Уголь Украины. – 2003. – №2. – С. 26 – 28.
  12. Пашковский, П.С. Комплекс программ для решения задач проветривания шахт в нормальных и аварийных условиях/ П.С. Пашковский, М.В. Кравченко, Н.М. Кравченко, Б.В. Бокий// 10–я сессия Международного Бюро по Горной Теплофизике (14 – 18.02.2005 г.). – Гливице, Польша, 2005. – С. 56 – 74.
  13. Малькумов, Л.Г. Автоматизация технологических процессов угольных шахт/ Л.Г. Мелькумов, Н.Я. Лазукин, Б.Х. Богопольский, Р.Л. Розенберг. – Москва: Недра, 1973. – 352 с.
  14. Малиновский, А.К. Автоматизированный электропривод машин и установок шахт и рудников/ А.К. Малиновский. – Москва: Недра, 1987. – 280с.
  15. Правила безопасности в угольных шахтах [Электронный ресурс]: утв. приказом Гос. Комитета горного и тех. надзора ДНР и Министерством угля и энергетики ДНР 18.04.2016 г. № 36/208: ввод в действие 17.05.2016. – Донецк, 2016. – Режим доступа:https://doc.minsvyazdnr.ru. – Загл. с экрана.