Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Проветривания шахт и рудников опасных по газу и пыли является одним из самых важных обьектов автоматизации, так как при постоянно растущей степени механизации, интенсивностью введения горных работ, увеличении мощности и глубины шахт, которые сопровождаются значительным увеличением выделений в рудничной атмосферы вредных газов и пыли. Именно поэтому совершенствование и исследование автоматизированной системы управления вентилятором местного проветривания имеет большое экономическое значение.

1. Актуальность темы

Для обеспечения эффективной работы шахты нужно осуществлять своевременную автоматизацию технологических процессов с использованием современных систем автоматизации. Проведение подготовительных выработок связано с проявлением практически всех природных и производственных опасных факторов. Так, при проведении подготовительных выработок происходит до 35% взрывов метана и угольной пыли, 60% газодинамических явлений, более 9% экзогенных и эндогенных пожаров. Одним из направлений предотвращения указанных факторов является подача в подготовительную выработку требуемого количества воздуха в нормальном и аварийном режиме проветривания.[1]

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью разработки является повышение эффективности технологического процесса проветривания горных выработок путем разработки автоматизированной системы управления приводом вентилятора местного проветривания. Разрабатываемая система автоматизированного управления должна обеспечить контроль и управление процессом проветривания, как в нормальном, так и в аварийном режимах работы.

Основные задачи в рамках магистерской работы:

  1. анализ процесса проветривания шахтной подготовительной выработки как объекта автоматического управления;
  2. обзор существующих систем автоматического управления проветривания шахтной подготовительной выработки;
  3. Аналитическое исследование функциональных свойств вентиляционных установок при управлении проветривания подготовительной шахтной выработки;
  4. разработка математической модели автоматизированного управления;
  5. разработка структурной и функциональной схем системы автоматизированного управления, алгоритма ее работы;
  6. разработка принципиальной схемы системы автоматизированного управления.

Объект исследования: вентилятор местного проветривани.

Предмет исследования: разработка и исследование автоматизированной системы управления приводом вентилятора местного проветривани

3. Обзор исследований и разработок

3.1 Анализ вентилятора местного проветривания как объекта автоматизации

Проветривание тупиковых выработок шахт – это один из важнейших объектов автоматизации, так как возрастающая степень механизации добычи угля, увеличение мощности и глубины шахты сопровождаются значительным увеличением выделений в рудничную атмосферу опасных газов, пыли и тепла.

На рудниках и шахтах, опасных по газу, контроль содержания метана в шахтном воздухе является одним из основных условий обеспечения безопасности работ. При этом широкое использование электрической энергии и ведение взрывных работ обусловливают необходимость непрерывного и автоматического контроля содержания метана с передачей соответствующей информации диспетчеру шахты. Установка вентиляторов местного проветривания должна обеспечивать: непрерывную и бесперебойную подачу в подземные выработки необходимого количества воздуха; возможность регулирования производительности при наличии резерва ее не менее 20% от наибольшей подачи; переход с работы одного вентилятора на другой и при необходимости их совместную работу; возможность реверсирования вентиляционной струи не более чем за 10 мин при сохранении дебита не менее 60% от нормального; необходимый контроль параметров режима работы; устойчивую и экономичную работу при простоте и удобстве эксплуатации.[2]

Если тупиковая выработка проветривается с помощью ВМП, то они должны работать непрерывно – это распространяется на газовые и негазовые шахты. Для предотвращения повторного засасывания с помощью ВМП исходящего из тупиковой выработки воздуха (режим рециркуляции) вентилятор устанавливают в выработке, проветриваемой общешахтным вентилятором, не ближе 10 метров от устья проходимой тупиковой выработки.Проветривание тупиковых выработок может быть осуществлено двумя способами: за счет общешахтной депрессии, а также с применением параллельной вспомогательной выработки; установкой вентиляторов местного проветривания.В зависимости от условий проходки применяют нагнетательный, всасывающий и комбинированный способы вентиляции.Нагнетательный способ проветривания (рисунок 1) наиболее распространен.[3]

Нагнетательный способ применяется в выработках, где из стенок, кровли или почвы выделяются горючие или ядовитые газы, а также обескислороженный воздух. В остальных случаях можно применять любой способ проветривания. Достоинства этого способа заключаются в интенсивном перемешивании воздуха в призабойном пространстве и разбавлении его свежим воздухом поступающим из конца воздухопровода. Исходящая из забоя струя выходит по выработке к устью, захватывая по пути все вредные и взрывчатые газообразные примеси, выделяющиеся из стенок, кровли и почвы выработки. К достоинствамследует отнести и то, что возможно применение гибких (матерчатых прорезиненных и иных) трубопроводов, удобных в эксплуатации. [4]

Подача вентилятора не должна превышать 70% расхода воздуха в выработке в месте его установки, что обеспечит подсвежение исходящего потока воздуха из тупиковой выработки по участку выработки между ВМП и устьем тупиковой выработки при средней скорости движения воздуха не менее 0,15 м/с. Для повышения надежности и безопасности проветривания тупиковых выработок наряду с действующим устанавливается резервный ВМП с резервным питанием. Выполнение этих требований обеспечит безопасную работу ВМП.

Технологическая схема нагнетательного способа проветривания

Рисунок 1 – Технологическая схема нагнетательного способа проветривания
(анимация: 7 кадров, 5 циклов повторения, 129 килобайт)

При установке ВМП в выработках с исходящей струей воздуха, проветриваемых за счет общешахтной депрессии, концентрация метана перед вентилятором не должна превышать 0,5%. Не допускается установка ВМП с электрическими двигателями в выработках с исходящей струей воздуха на пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа, а также опасных по суфлярным выделениям метана. Это требование не распространяется на случаи применения в шахтах подземных установок кондиционирования шахтного воздуха с размещением на исходящих струях водоохладителей, оборудованных ВМП с электрическими двигателями. При этом должен осуществляться непрерывный автоматический контроль содержания метана перед ВМП с отключением всего электрооборудования при содержании метана 0,5 % и более. У каждого вентилятора должна устанавливаться информационная доска и информационный журнал, ее дублирующий, на которую записываются фактический расход воздуха в выработке в месте установки вентилятора, фактическая подача вентилятора, расчетный и фактический расхода воздуха в забое тупиковой выработки.

Тупиковые выработки длиной более 200 м, проводимые по угольному пласту в газовых шахтах III категории и выше, должны быть оборудованы резервными ВМП с электропитанием от отдельных подстанций (режим резервирования), а выработки длиной до 200 м допускается оборудовать резервными ВМП с электропитанием от резервного пускателя. Производительность резервного ВМП должны быть не менее производительности рабочего ВМП Для соединения рабочего и резервного вентиляторов с трубопроводом применяются металлические тройники с перекидным клапаном или отрезки гибких труб. В случае подсоединения вентиляторов к тройнику клапан может свободно перемещатся внутри камеры тройника за счет давления воздуха основного вентилятора, прижимаясь к патрубку резервного вентилятора и перекрывает его отверстие. При включении резервного вентилятора клапан перекрывает патрубок основного вентилятора. В случае соединения вентиляторов с помощью отрезков гибких труб при включении основного или резервного вентилятора соответствующий отрезок трубы наполняется воздухом, а второй отрезок трубы отжимается и перекрывает вход отрезка трубопровода выключенного вентилятора.

Вентилятор местного проветривания, осуществляющий проветривание выработок, должен работать непрерывно. В случае остановки ВМП или нарушения вентиляции необходимо прекратить работы в тупиковой части выработки, отключить напряжение с электрооборудования, работников немедленно вывести в проветриваемую выработку, а в устье тупиковой выработки должен быть установлен запрещающий знак. Возобновление работ разрешается после разгазирования выработки. Основным нарушением режима проветривания является загазирование выработки.

К загазированиям относятся все случаи превышения норм концентрации метана в поперечном сечении выработок в свету и в открытых, не заложенных породой или другими материалами куполах.

При отсутствии данных о фактической концентрации метана загазированными также следует считать:

Загазирования выработок разделяются на местные, слоевые и общие.

Местное загазирование – скопление метана в отдельных местах выработок, в том числе у буровых станков, комбайнов и врубовых машин, в открытых, не заложенных породой или другими материалами куполах, с концентрацией 2% и более.

Слоевое загазирование – скопление метана в виде слоя в выработках на участках длиной свыше 2 м с концентрацией 2% и более.

Общее загазирование – превышение нормы средней по сечению выработки концентрации метана.

По причинам возникновения загазирования могут быть аварийные и технологические.

К аварийным относятся загазирования, вызванные нарушением нормального проветривания (отказ ВМП, разъединение, отставание от забоев и порыв вентиляционных труб, разрушение вентиляционных сооружений и нарушение нормального режима их работы, завал и затопление выработок, забучивание углеспусков), отказом средств управления газовыделением (дегазации и др.), суфлярами, газодинамическими явлениями, исключая вызванные сотрясательным взрыванием, а также аварийным отключением источников энергоснабжения вентиляторов.

К технологическим относятся загазирования, обусловленные выбросами угля (породы) и газа при сотрясательном взрывании, а также повышенным газовыделением при ведении работ по предупреждению внезапных выбросов угля и газа (гидровымыв полостей в целиках угля и др.), при предварительном рыхлении, увлажнении, отбойке угля взрывным способом, выемке угля комбайнами, выгрузке угля из бункеров, обрушениями пород кровли в выработанном пространстве и плановыми остановками вентиляционных дегазационных и газоотсасывающих установок.[5]

Основными мерами предупреждения загазирований горных выработок являются:

Для эффективного использования производственных мощностей и улучшения условий труда необходима разработка эффективных методов и средств борьбы с рудничным газом и пылью, повышенной температурой и влажностью в горных выработках. Решение поставленной задачи возможно благодаря рациональному распределению поступающего в подземные выработки воздуха при непрерывном и надежном контроле основных параметров рудничной атмосферы. Разрыв гибкого трубопровода чаще всего происходит в результате пуска ВМП. Во избежание разрыва гибкого трубопровода при пуске ВМП комбинированный трубопровод допускается применять только совместно со специальным пускорегулирующим устройством, обеспечивающего плавное нарастание давления и расхода воздуха в трубопроводе при пуске вентилятора местного проветривания.

Нормированный срок службы различных типов трубопроводов изменяется в пределах 16–28 и 14–26 мес соответственно в сухих и обводненных выработках, в сырых – от 14 до 26 мес. При нарушении режима эксплуатации трубопроводов срок их службы уменьшается в 2 раза и более.

Поэтому для повышения надёжности гибких труб вентиляции необходимо обеспечить плавный пуск привода вентилятора. Выполнение плавного пуска с необходимой эффективностью возможно лишь при применении систем автоматического управления приводом вентилятора, в которых фактор субъективности, вносимый оператором, минимален.

Параметры проветривания тупиковых выработок предусмотривают два основных режима функционирования:

  1. нормальная работа основного (резервного) ВМП с непрерывным автоматическим контролем проветривания призабойной области;
  2. контроль и управление рабочим и резервным ВМП при их включении в штатном либо аварийном режимах.

Возможны следующие способы пуска ВМП с электрическим приводом:

  1. Импульсный пуск с использованием пускателей: длительность импульса в диапазоне от 1,5 до 3,0 секунд; длительность паузы между импульсами от 6 до 10 секунд; число импульсовот
  2. Плавный пуск при использовании частотных преобразователей: длительность разгона двигателя в диапазоне от 30 до 120 секунд.
  3. Прямой пуск резервного ВМП при отключении рабочего, осуществляется автоматически, без плавного заполнения воздуховода.

Способы 1 и 2 предусматривают плавное заполнение трубопровода воздухом для предотвращения гидроудара, а запуск по способу 3 осуществляется при отключении рабочего вентилятора в течение времени, не превышающего 10 с, что исключает возможность возникновения гидроудара. Однако при близкой для всех способов запуска эффективности по использованию ресурса вентиляционного оборудования способ 2 обеспечивает плавное увеличение подводимого к двигателю напряжения, что ведет к снижению пусковых токов и динамических нагрузок на электродвигатель, увеличивая срок его службы.

Система автоматического управления приводом вентилятора местного проветривания должна быть предназначена для эксплуатации в следующих условиях:[6]

  1. взрывоопасная, агрессивная окружающая среда;
  2. температура окружающего воздуха от +4° до +40° С;
  3. среднемесячное значение относительной влажности воздуха 100% при +20° С;
  4. значительная запыленность;
  5. повышенный абразивный износ рабочих поверхностей;
  6. стесненность рабочего пространства.

Основные функции, выполняемые автоматизированной системой управления приводом вентилятора местного проветривания:

  1. автоматическое управление приводом вентилятора;
  2. плавный пуск электропривода вентилятора местного проветривания (ВМП);
  3. контроль параметров работы электропривода ВМП;
  4. автоматический пуск резервного электропривода ВМП;
  5. контроль уровня концентрации метана в поступающем в тупиковую выработку воздухе;
  6. обеспечение связи с пультом горного диспетчера с помощью интерфейса связи RS 485, по протоколу ModBus.

3.2 Разработка алгоритма работы и схемотехнических решений устройства автоматизированной системы управления приводом вентилятора местного проветривания

Для повышения эффективности проветривания выработок необходимо автоматически управлять процессом проветривания в зависимости от текущих значений параметров рудничной атмосферы выработки, её загазирования, подачи воздуха в забой и работоспособности вентиляторов. На рисунке 2 разработан алгоритм работы автоматизированной системы управления приводом вентилятора.

Блок–схема алгоритма автоматического управления приводом ВМП

Рисунок 2 – Блок–схема алгоритма автоматического управления приводом ВМП

Описания блок–схемы алгоритма автоматического управления приводом ВМП:

Функциональная схема показана на рисунке 3. Системы автоматического управления приводом вентилятора местного проветривания является локальной системой автоматизации c выводом информации в систему УТАС через интерфейс связи RS–485.

Функциональная схема системы автоматического управления приводом вентилятора местного проветривания

Рисунок 3 – Функциональная схема системы автоматического управления приводом вентилятора местного проветривания

На рисунке 3 Обозначено: УКТВ–2–250– Устройство управления комплектное взрывозащищенное; КП– кнопочный пост; МСИ – местная световая индикация; БАУП – блок автоматизированного управления приводом; ДТ– датчик температуры; УО – устройство охлаждения; ДСВ –датчик скорости воздуха; АГЗ – датчик автоматической газовой защиты; ВМП – вентилятор местного проветривания

УКТВ–2–250 –Устройство предназначено для обеспечения дистанционного плавного управляемого пуска, управления приводом и отключения трехфазного асинхронного электродвигателя, эксплуатируемых в сетях переменного тока напряжением 660/1140 В с изолированной нейтралью трансформатора[7].

Устройство рассчитано для эксплуатации в условиях подземных шахтных выработок опасных по газу (метану) и угольной пыли, в климатических районах с умеренным, холодным и тропическим климатом.

Устройство совмещает функции пускателя и тиристорного регулятора. Устройство позволяет исключить переходные пусковые моменты в электродвигателе и значительно снизить динамические удары.

Основные выполняемые функции:

  1. Возможность работы в режиме пускателя.
  2. Дистанционное управление от кнопочного поста.
  3. Защиту от токов короткого замыкания и перегрузки в отходящих силовых цепях.
  4. Нулевую защиту.
  5. Защиту при обрыве или при увеличении сопротивления заземляющей цепи между устройством и электродвигателем до величины более 50 Ом.
  6. Защиту от потери управления при замыкания проводов цепи дистанционного управления между собой или с заземляющим проводом.
  7. Защиту от самовключения устройства при кратковременном (не более 3 с) повышении напряжения питающей цепи до 150 % номинального.
  8. Проверку действия схем управления и цепей катушек контакторов без подачи напряжения в отходящее присоединение.
  9. Отключение устройства при исчезновении управляющих импульсов на силовых тиристорах
  10. Отключение устройства при потере импульса синхронизации в одном или нескольких каналах.
  11. Отключение устройства при срабатывании тепловой защиты тиристоров.
  12. Защиту устройства от обрыва фазы.
  13. Защиту от пробоя тиристоров.
  14. Автоматическое фазирование системы управления тиристорами относительно фаз питающей сети.
  15. Световую сигнализацию о срабатывании защит, блокировок и состоянии элементов схемы.

Структурная схема показана на рисунке 4. Системы автоматического управления приводом вентилятора местного проветривания является локальной системой автоматизации c выводом информации в систему УТАС через интерфейс связи RS–485.

Функциональная схема системы автоматического управления приводом вентилятора местного проветривания

Рисунок 4 – Структурная схема устройства блока автоматического управления приводом

На рисунке 4 обозначено: ДСВ – датчики скорости потока воздуха серии ТХ5921 предназначены для контроля скорости потока воздуха в вентиляционных туннелях, вытяжных трубах, АГЗ – автоматическая газовая защита на основе датчика метана ТХМ–2,8 применяется для определения уровня концентрации метана в воздухе, ДТ– датчик определения температуры тиристоров применяется цифровой датчик температуры DS18B20

Выводы

В результате выполнения исследовательской работы был проанализирован вентилятор местного проветривания как объект автоматизации. На основе проведенного анализа, обзора литературных источников были рассмотрены режимы работы,основные особенности и характеристики вентилятора местного проветривания угольной шахты.

Была сформулирована цель работы, которая заключалась в повышение эффективности технологического процесса проветривания горных выработок, а также сформулированы требования к системе автоматического управления.

В ходе анализа, приняв за основу эти требования была выбрана базовая аппаратура автоматизации, разработан алгоритм работы, предложены схемотехнические решения устройства автоматического управления приводом вентилятора местного проветривания для повышения эффективности процесса проветривания.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2021 года года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Александров С. Н. , Булгаков Ю. Ф. , Яйло В. В.  Охрана труда в угольной промышленности: Учебное пособие для студентов горных специальностей высших учебных заведений / Под общей ред. Ю. Ф. Булгакова. – Донецк: РИА ДонНТУ, 2007.– 516 с.
  2. Малиновский А. К. Автоматизированный электропривод машин и установок шахт и рудников / А. К. Малиновский. — Москва: Недра, 1987. — 280 с.
  3. Ивановский И. Г. ШАХТНЫЕ ВЕНТИЛЯТОРЫ / Учеб. пособие.— Владивосток: Изд—во ДВГТУ, 2003. — 196 с. илл. 86, табл. 7
  4. Голинько В. И. Вентиляция шахт и рудников: учеб. пособие / В. И. Голинько, Я. Я. Лебедев, О. А. Муха. — Д.: Национальный горный университет, 2012. — 266 с.
  5. Карпов И. Э. Автоматическая газовая защита и контроль рудничной атмосферы / Е. Ф. Карпов, И. Э. Биренберг, Б. И. Басовский.—Москва : Недра, 1984.—285 с
  6. 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://minsvyazdnr.ru
  7. Научно—производственное предприятие Макеевский завод шахтной автоматики.– Режим доступа : http://mzsha.inf.ua