Русский. English
ДонНТУ. Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Проведення робіт в шахті або руднику, створення комфортних умов в підземних виробках залежать від роботи системи провітрювання, що включає в себе вентиляційну мережу, вентиляторну установку головного провітрювання, калориферні установки, вентилятори місцевого провітрювання, засоби контролю стану рудникової атмосфери.

1. Актуальність теми

В даний час під автоматизацією вентиляторних установок розуміють дистанційне керування вентиляторами і пристроями реверсування струменя повітря і здійснення контролю роботи установки. Апаратура автоматизації повинна виконувати наступні функції: регулювання продуктивності вентиляторів; автоматичне включення резервного вентилятора при відключенні робочого; повторний пуск при відновленні зниклої напруги живлення; реверс вентиляційного струменя[1].

Прогрес сучасної гірничодобувної та вугільної промисловості висуває ряд нових вимог до вентиляційних систем шахт і рудників. Інтенсифікація технологічних процесів підземного видобутку корисних копалин, збільшення швидкості посування очисних вибоїв викликають підвищений приплив шкідливих виділень в рудникову атмосферу, більш стрімка зміна структури вентиляційної мережі і аеродинамічного опору гірничих виробок. Проведення видобувних робіт на все більших глибинах також призводить до збільшення виділення газів і погіршення кліматичних умов за рахунок збільшення віддачі тепла в атмосферу гірничих виробок від навколишніх порід [2].

Таким чином, тема магістерської роботи є актуальною

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Мета дослідження – підвищення ефективності технологічного процесу провітрювання гірничих виробок шляхом розробки системи автоматизованого управління розподілом повітряних потоків в системі вентиляції шахт.

Основні завдання дослідження:

  1. аналіз системи вентиляції шахт як обʼєкта автоматизації;
  2. аналіз існуючих розробок з автоматизації вентиляційної мережі шахти;
  3. розробка математичної моделі автоматизованого управління;
  4. розробка структурної та функціональної схем системи автоматизованого управління, алгоритму її роботи;
  5. розробка принципової схеми системи автоматизованого управління, створення макета.

3. Технологічний процес провітрювання гірничих виробок як обʼєкт моніторингу та управління

У шахтну вентиляційну мережу входять гірничі виробки і споруди, по яких рухається повітря, а також виробки, вентиляційні споруди і вироблений простір, через які просочується повітря в такій кількості, яка впливає на провітрювання шахти [3].

Провітрювання шахти здійснюється шляхом створення повітряного потоку в мережі гірничих виробок. Прийнятий напрямок повітряних потоків в мережі визначає схему провітрювання шахти і окремих її ділянок. В даний час на більшості шахт застосовується Центральна схема провітрювання зі всмоктуючим способом, при якому вентилятор в гирлі стовбура, що видає повітря, створює розрідження необхідне для руху повітря. На малюнку 1 наведено фрагмент системи провітрювання гірничих виробок шахти [4].

Головні вентиляторні установки, вентилятори місцевого провітрювання, шахтна вентиляційна мережа, регульовані і нерегульовані вентиляційні пристрої, калорифери, кондиціонери складають систему провітрювання.

З атмосфери повітря по подавальному стовбуру ПС (клітьовий стовбур) надходить в шахту. При необхідності його підігрівають за допомогою калорифера К (в зимовий час). У навколоствольному дворі струмінь розгалужується і по відкочувальних штреках надходить в західне і східне крило. Дебіт повітря по виробкам змінюється за допомогою регульованих вентиляційних пристроїв РВП. Вони встановлюються в кросингах, обхідних вентиляційних виробках і являють собою регульовані дросельні пристрої. Так як схема провітрювання симетрична, то простежимо за рухом повітряного струменя тільки по східному крилу. Пройшовши третє регульоване вентиляційний пристрій РВП3, струмінь розгалужується: частина повітря надходить в Східну лаву №1, а частина – в бремсберг. Певна кількість повітря, що надходить в бремсберг, використовується для провітрювання забою проміжного штрека за допомогою вентилятора місцевого провітрювання ВМП. Відпрацьоване повітря збирається на східному вентиляційному штреку ВШ і через вентиляційний стовбур (або скіповий стовбур) Ш за допомогою головної вентиляторної установки ВУ викидається в атмосферу.

Фрагмент системи провітрювання гірничих виробок шахти

Малюнок 1 – Фрагмент системи провітрювання гірничих виробок шахти

Процентний вміст метану в гірничих виробках контролюється датчиками метану ДМ. Місце їх установки і максимальний процентний вміст метану регламентується Інструкцією по системі аерогазового контролю у вугільних шахтах (РД 05-429-02).

Слід мати на увазі, що процентний вміст метану є головним, але не єдиним критерієм при визначенні кількості повітря, що подається в різні вибої шахти. Велике значення мають швидкість повітря в гірничих виробках, а відповідно пилоутворення. Контроль подачі повітря в виробки здійснюється датчиками ДКП. Кількість повітря, що надходить в місця найбільшої інтенсивності роботи, має бути не менше деякої величини Qmin, що регламентується Правилами безпеки у вугільних шахтах. Величина Qmin не є постійною величиною і залежить від характеру зміни (видобувна або ремонтна), ефективності засобів пилоподавлення, обсягу буропідривних робіт та ін. Для контролю за Qmin при малих виділеннях метану система провітрювання повинна бути доповнена датчиками кількості повітря ДКП з їх установкою в місцях найбільшої інтенсивності робіт.

Регульованим параметром системи управління є кількість повітря, що подається в забій, а збурюючими впливами – процентний вміст метану, кількість шкідливих газів, що виділяються при буропідривних роботах, інтенсивність пилоутворення та ін.

Підвищення ефективності провітрювання газових вугільних шахт може здійснюватися за двома напрямками:

  1. збільшення перетинів гірничих виробок, перехід до більш раціональних схем вентиляції, при яких виділяється з різних джерел метан в системі гірничих виробок розбавляється відокремленими повітряними потоками. Основною перешкодою вирішення проблеми є необхідність проведення додаткових виробок, що повʼязано з економічними витратами. Крім того, збільшення швидкості руху повітря в певних місцях виробок може привести до погіршення умов праці через запиленості робочого місця.
  2. оперативний контроль і управління вентиляційним режимом. Ефективність досягається за рахунок підвищення виносної здатності кожного кубічного метра повітря, що подається в гірничі виробки, при мінімумі наведених витрат.

Процес провітрювання шахти строго регламентується Правилами безпеки у вугільних шахтах [5] та іншими нормативними документами. У нормальному режимі система провітрювання повинна здійснювати подачу і розподіл по виробкам такої кількості повітря, яке відповідно до правил безпеки у вугільних шахтах (ПБ) потрібно для забезпечення комфортних і безпечних умов праці гірників, забезпечення заданої продуктивності вибоїв при існуючих параметрах рудникової атмосфери: газовиділення, пилеутворення, виділення тепла і вологості, при оптимальних режимах роботи вентиляторних установок.

У процесі проведення гірничих робіт безперервно змінюється протяжність гірничих виробок, а разом з нею і їх аеродинамічний опір. Це призводить до того, що відбувається відхилення фактичної витрати повітря від необхідної в більшу або меншу сторону, що неприпустимо за правилами безпеки. Отже, необхідно розробити автоматизовану систему управління технологічним процесом провітрювання гірничих виробок таким чином, щоб вона здійснювала перерозподіл потоків повітря. Проблема перерозподілу потоків повітря була розглянута Завадською Тетяною Володимирівною в статті Блочно-орієнтована модель системи багатозвʼязного управління повітророзподілом в шахтній вентиляційній мережі [6].

Виїмкові ділянки є основними обʼєктами провітрювання на вугільних шахтах. Залежно від навантаження на виїмковий ділянку необхідно забезпечувати його відповідною кількістю повітря. Тому і виникає необхідність в перерозподілі потоків повітря [7,8]. Структурна схема підключення САУ до системи провітрювання виїмкової ділянки (СПВД) показана на малюнку 2, а структура САУ & ndash; на малюнку 3.

Структурна схема автоматизованої СПВД

Малюнок 2 – Структурна схема автоматизованої СПВД

Структура системи управління потоком повітря в гілці

Малюнок 3 – Структура системи управління потоком повітря в гілці: 1 – визначник Δ Q; 2 – релейний підсилювальний елемент; 3 – двигун; 4 – редуктор; 5 – регулюючий орган; 6 – СПВД (обʼєкт); 7 – датчик[7,9,10]

При зменшенні аеродинамічного опору R/ починає роботу двигун, який здійснює пересування регулюючого органу, зменшується кут його установки α, різниця між фактичною і необхідною витратами Δ Q зростає і витрата повітря Q в даній гілці збільшується. При збільшенні R/ двигун працює у зворотному режимі, α збільшується, і витрата повітря Q зменшується. Такий принцип перерозподілу і був узятий за основу при розробці автоматизованої системи управління технологічним процесом провітрювання гірничих виробок.

4 Розробка алгоритму роботи і схемних рішень пристрою автоматизації технологічного процесу провітрювання гірничих виробок

Розроблена система автоматизації здійснює автоматизоване регулювання витрати повітря в трьох паралельних виробках. На малюнку 4 приведена блок-схема алгоритму регулювання витрати повітря.

В процесі регулювання визначається стан рудникової атмосфери в кожній виробці, в першу чергу відшукується виробка з найбільшою нестачею повітря. Потім визначається положення заслінки в даній виробці. У разі якщо заслінка закрита або знаходиться в нейтральному положення йде сигнал управління на її відкриття. При повністю відкритій заслінці регулювання кількості повітря, що надходить у вироблення з нестачею, здійснюється за рахунок перекриття паралельних виробок, якщо в них є запас регулювання: надлишок повітря і відкрите або нейтральне положення заслінки. При відсутності запасу регулювання в паралельних виробках і наявності недостатньої кількості повітря в регульованій виробці проводиться збільшення загальношахтної витрати за рахунок відкриття направляючого апарату.

У разі відсутності виробки з нестачею повітря і наявністю виробки з надлишком проводиться зниження загальношахтної витрати за рахунок закриття направляючого апарату. Після чого відбувається перерозподіл повітря між паралельними виробками і зʼявляється виробка з нестачею.

Для того, щоб зменшити число спрацьовувань вводиться зона нечутливості (5-10%) і затримка часу на перерозподіл повітря по виробкам після відпрацювання сигналу управління виконавчим механізмом (заслінкою або направляючим апаратом.)

Блок-схема алгоритму регулювання витрати повітря

Малюнок 4 – Блок-схема алгоритму регулювання витрати повітря

На малюнку 5 приведена структурна схема системи автоматизованого управління розподілом повітряних потоків в системі вентиляції шахт. У трьох паралельних виробках розташовані вимірювач швидкості повітряного потоку СДСВ 01.01.01-М, програмований контролер і вентиляційні двері. Сигнал з СДСВ 01.01.01-М надходить на ТХ9042. Живлення ТХ9042 здійснюється блоком живлення ПМ-6321/13,5-А.01. По інтерфейсу RS-485 протоколу Modbus інформація з ТХ9042 передається на програмований логічний контролер ПЛК150-220, розташований на пульті гірського диспетчера. Також до ПЛК150-220 підключені СДСВ 01.01.01-М і перетворювач тиску ПД150-ДІ10,0К-899-0,5-1-Р, розташовані на всмоктуючому каналі, призначені для вимірювання швидкості повітряного потоку вихідного струменя і створюваного розрядження. Сенсорний панельний контролер з Ethernet СПК107 [М01] призначений для візуалізації та управління технологічним процесом провітрювання гірничих виробок. СПК107[М01] повʼязаний з ПЛК150-220 за допомогою мережі Ethernet. Регулювання швидкості і обʼєму повітря, що надходить в гірничі виробки, здійснюється шляхом впливу ПЛК150-220 і ТХ9042 на направляючий апарат вентилятора головного провітрювання і вентиляційні двері.

Для комутації силових ланцюгів приводного двигуна направляючого апарату застосовуються проміжні реле К1 і К2. Прийняті реле JQX-12f 220В, 30а. Для забезпечення завадостійкості каналу звʼязку по інтерфейсу RS-485 протоколу Modbus, що звʼязує поверхневий і підземні контролери, в кінці ліній встановлені прецизійні резистори MFR0W4 100 Ом 0,1% 0,25 Вт ТКС15 250.

Структурна схема системи автоматизованого управління розподілом повітряних потоків в системі вентиляції шахт

Малюнок 5 – Структурна схема системи автоматизованого управління розподілом повітряних потоків в системі вентиляції шахт

Для підтвердження працездатності розробленої системи був створений макет вентиляційної мережі шахти, технологічна схема якого наведена на малюнку 6. Вентилятор 1 створює спрямований потік повітря, що забирається з атмосфери через вхідний патрубок 14, який розподіляється по трьох паралельних гілках. Датчики швидкості 2,5,8,11 здійснюють вимірювання швидкості потоку на вході у вентиляційну мережу і в паралельних гілках відповідно. Заслони 3,6,9,12 призначені для зміни опору вентиляційної мережі і є джерело обурюючого впливу. Установку необхідного опору мережі здійснює програмований логічний контролер ПЛК150-220 за допомогою впливу на керовані заслони 4,7,10,13. Ступінь закриття заслонів визначається резистивними датчиками положення 15-22. Тиск повітря вимірюють перетворювачі тиску ПД150-ДИВ200П встановлені на вході у вентиляційну мережу 23, в місці перетину паралельних гілок 24, 25 і на виході з мережі 26.

Технологічна схема макета вентиляційної мережі шахти

Малюнок 6 – Технологічна схема макета вентиляційної мережі шахти

Пульт управління диспетчера

Малюнок 7 – Пульт управління диспетчера (анімація: 6 кадрів, 10 циклів повторення, 142 кілобайт)

Висновки

На основі проведеного аналізу, огляду літературних джерел, вивчення сучасного стану елементної бази автоматизації вентиляторної установки головного провітрювання, був обґрунтований алгоритм автоматизації і розроблена структурна схема системи автоматизованого управління розподілом повітря у вентиляційній системі шахти, структурна і принципова схеми системи, яка дозволяє здійснювати оперативне управління з пульта гірничого диспетчера, регулювання продуктивністю вентиляторною установкою головного провітрювання і розподілом обсягів повітря в трьох капітальних виробках.

Для наочної реалізації роботи розробленої системи автоматизації був виготовлений макет вентиляційної мережі шахти, за допомогою якого можна вивчати процес розподілу потоку повітря в трьох паралельних гілках при зміні їх аеродинамічного опору, навчати студентів виконувати програмну реалізацію регулювання.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: червень 2021 року. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

  1. Батицкий, В. А. Автоматизация производственных процессов и АСУ ТП в горной промышленности / В. А. Батицкий, В. И. Куроедов, А. А. Рыжков. – Москва : Недра 1991. – 303 с
  2. Толпежников, Л. И. Автоматическое управление процессами шахт и рудников. – М.: Недра, 1985. – 352 с
  3. Аэрология горных предприятий / К. 3. Ушаков [и др.]: Учебник для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1987. – 421 с.
  4. Конспект лекций по дисциплины Автоматизация технологических процессов и производств (для магистрантов очной и заочной форм обучения по направлению подготовки 15.04.04 Автоматизация технологических процессов и производств, магистерская программа Автоматизация технологических процессов и производств в горно-металлургической отрасли) / сост : А. С. Оголобченко. – Донецк : ДОННТУ, 2017. – 19с.
  5. Правила безопасности в угольных шахтах [Электронный ресурс] : утв. приказом Гос. Комитета горного и тех. надзора ДНР и Мин-вом угля и энергетики ДНР 18.04.2016 г. № 36/208 : ввод в действие 17.05.2016. – Донецк, 2016. – Режим доступа: http://mintek-dnr.ru/zue/pravila_bezopasnosti_na_ugolnykh_shakhtakh.pdf – Загл. с экрана
  6. Завадская, Т. В. Блочно-ориентированная модель системы многосвязного управления воздухораспределением в шахтной вентиляционной сети//Зб. наук. пр. Донецького національного технічного університету. – Донецьк: ДонНТУ. – 2008. – Вип.7(150) – 290 с.(сер.: Проблеми моделювання та автоматизації проектування)
  7. Абрамов, Ф. А. Моделирование динамических процессов рудничной аэрологии / Ф.  А.  Абрамов, Л. П. Фельдман, В. А. Святный – Киев: Наук. думка, 1981.
  8. Абрамов, Ф. А. Автоматизация проветривания шахт / Ф. А. Абрамов, В. А. Бойко – Киев: Наук. думка, 1967
  9. Святный, В. А. Моделирование аэрогазодинамических процессов и разработка систем управления проветриванием угольных шахт: дис. на соискание науч. степени док. техн. наук: 05.13.07 / В. А. Святный;– Донецк, 1985. – 440 с.
  10. Теория автоматического управления / Л. С. Гольдфарб [и др.] – Москва: Высшая школа, 1968.