Степанін Аркадій Олександрович

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 1.1 Гідравлічна характеристика закриваючихся шахт м.Донецька
• 1.2 Загальна характеристика погружной водовідливної установки
• 2. Формалізація об'єкта управління
• 3. Мета і функції САУ
• 4. Основні вимоги користувача до розроблюваної САУ
• 5. Аналіз існуючих систем автоматизації водовідливу
• Висновки
• Перелік посилань

Введення

В даний час дуже гостро стоїть проблема закриття вугільних шахт – як економічно неефективних, так і тих, що відпрацювали всі запаси вугілля. Однак не завжди ліквідації шахти можна починати відразу з її фізичного закриття. Підземні води з ліквідованої шахти після її затоплення можуть мігрувати в сусідні шахти (якщо вони пов'язані з ліквідованими гірничими роботами), або виходити на поверхню. Існуючі на сусідніх діючих шахтах водовідливні комплекси, як правило, не здатні прийняти істотно збільшений приплив води. Щоб не затопити діючі шахти, потрібна реконструкція їх водовідливних комплексів або будівництво нових водовідливів.

Експлуатація водовідливних комплексів шахт, що закриваються, має свої особливості і відмінності, які необхідно враховувати при автоматизації даного технологічного процесу.

Принципова відмінність водовідливних комплексів шахт, що закриваються від працюючих в тому, що вони мають невеликий (в порівнянні з величиною припливу) обсяг водозбірника. Це призводить до необхідності організації роботи погружной водовідливної установки з регульованою подачею для стабілізації рівня води в водозбірнику–робота «на приплив». З відомих способів регулювання подачі відцентрових насосів–дросселированием напірного трубопроводу і зміною обертів приводного двигуна найбільш економічним виявляється другий спосіб, який реалізується за допомогою перетворювачів частоти.

Ще однією особливістю даного об'єкта є застосування заглибних насосів з необхідністю контролю підпору насосів і виключення їх роботи «на суху».

Необхідність розробки системи автоматичного управління зануреними насосами водовідливу пов'язана, по–перше, з необхідністю організації роботи водовідливу «на приплив», у–друге, з необхідністю управління водовідливної установкою в перехідних режимах для виключення гідравлічних ударів і кидків тиску, в–третє, з нездатністю існуючих систем автоматичного управління водовідливом забезпечити всі необхідні функції по контролю і управлінню занурювальним водовідливним комплексом в умовах шахт, які закриваються.

Таким чином, мета розробки – підвищення ефективності погружной водовідливної установки за рахунок розробки системи автоматичного управління, що дозволить продовжити термін служби технологічного обладнання, підвищити надійність і безпеку, а також зменшити експлуатаційні витрати на процес водовідливу ліквідованих вугільних шахт.

Досягнення поставленої мети можливе за рахунок глибокого дослідження даного об'єкта управління, розробки і реалізації необхідних алгоритмів управління з використанням сучасної елементної бази програмованих логічних контролерів і спеціалізованих телекомунікаційних мереж для взаємодії елементів САУ.

1. Актуальність теми

1.1 Гідравлічна характеристика закриваючихся шахт м.Донецька

Колишня шахта №9 «Капітальна» розташована на території Пролетарського району міста Донецька, в даний час шахта ліквідована.

Заглибна водовідливні установка розташована на колишній основний проммайданчику шахти №9 «Капітальна». Найближчими промисловими об'єктами є шахти колишнього шахтоуправління «Червона Зірка».

Загальний приплив води за даними вивчення і обстеження шахт Будьонівського і Пролетарського районів м.Донецька склав по шахті №6 «Червона Зірка»–260м³/год, №9 «Капітальна» – 340м³/год і їм. 60 – річчя Радянської України - 280м³/год.

Шахти №9 « Капітальна », №6 « Червона Зірка », №12 «Похила», «Лівенка–Заперевальна» і їм. 60–річчя Радянської України пов'язані між собою системою гірських виробок, які при їх затоплення утворюють єдиний водний басейн.

На підставі гідропрогнозов щодо можливої активізації процесу зрушення гірських порід і земної поверхні прийнятий наступний варіант забезпечення гідрогеологічної та екологічної безпеки поверхні.

Затоплюються гірничі виробки шахт №9 «Капітальна», №6 «Червона Зірка» і пов'язані з ними шахти №9 «Капітальна», №2, №6 «Капітальна», №12 – 18, №12 «Похил » до позначки +30м. Проектний рівень затоплення підтримується за допомогою водовидачі насосами з вертикальних стволів шахт №9 «Капітальна», №6 «Червона Зірка». При цьому прогнозні притоки складуть: в шахту №9 «Капітальна» – 340м³/год, в шахту №6 « Червона Зірка » – 150м³/год.

При затопленні гірничих виробок шахти ім. 60 – річчя Радянської України можливий максимальний перетікання води з шахти « Ливенская – Заперевальна », №12 «Похила», №12 – 18 в шахту №6 «Червона Зірка» складе 140м³/год, а сумарний приплив 150+140 = 290м³/год.

При обмежену пропускну здатність гідросвязей між шахтами ім. 60 – річчя Радянської України і №6 «Червона Зірка» можливе накопичення шахтних вод в південних виробках шахти ім. 60 – річчя Радянської України вище рівня перетікання (відм. +10м) з подальшим нерегульованим за величиною і часу перетіканням води в басейн шахт №6 «Червона Зірка» і №9 «Капітальна» і обсязі 650 тис.м³. При цьому очікується тимчасове підняття рівня затоплення гірничих виробок зазначених шахт до позначки +35м, тобто на 5м вище допустимого. Тому рівень затоплення необхідно підтримувати на позначці +10м, щоб створити компенсаційний обсяг прийому води з шахти ім. 60–річчя Радянської України.

1.2 Загальна характеристика погружной водовідливної установки

Очікуваний водоприток по шахті №9 «Капітальна» – 340м³/год. Геодезическая высота нагнетания – 176,5 м.Технологічна схема погружной водовідливної установки шахти №9 «Капитальная»приведена на рис.1.

Відмітка верхнього робочого рівня +10м, нижнього робочого рівня +9м, відмітка критичного аварійного рівня +30м, мінімальний рівень води в водозбірнику 6м (виходячи їх умови стійкої безкавітаціоной роботи заглибних насосних агрегатів АНПШ 375–240 [1]).

Відповідно до вимог «Правил безпеки у вугільних шахтах»[2] для відкачування вищевказаного припливу в скіповому стволі встановлено три заглибних насосних установки типу АНПШ 375–240: два агрегати–робочих, один–резервний, відкачка проводиться по 3м напірним трубопроводами діаметром 273×11,4 підвішеним в стовбурі (рис.1).

Пуск і зупинка насоса проводиться згідно з інструкцією по експлуатації заглибного насосного агрегату заводу – виготовлювача. У робочому положенні насосний агрегат повністю занурений у воду. Для захисту насосного агрегату від кавітації при неприпустимому зниженні рівня води, мінімальний рівень води в водозбірнику встановлюється на позначці +6м. Таким чином, з урахуванням всіх особливостей і обмежень, відмітка рівня +10м - відповідає верхньому рівню, при досягненні якого здійснюється запуск погружной насосної установки; відмітка +9м - нижній рівень, при досягненні якого здійснюється зупинка погружной насосної установки; +30м - аварійний, критичний рівень, при досягненні якого здійснюється запуск другої погружной насосної установки; відмітка +6м - мінімально допустимий нижній рівень води в водозбірнику, необхідний для стійкої безкавітаціоной роботи заглибних насосних агрегатів АНПШ 375–240 (рис.1)

Згідно з інструкцією на експлуатацію погружного насосного агрегату заводу–виготовлювача[1] оптимальним режимом роботи агрегату є тривалий режим без зупинок, за умови експлуатації в робочому діапазоні подач агрегату.

Найкращою, ефективної та економічної є робота погружного водовідливу в режимі безперервної відкачки води - «робота на приплив» з відповідним регулюванням подачі насосних агрегатів. Для умов погружного водовідливу шахти №9 «Капітальна» необхідність даного режиму роботи також обумовлена ??невеликим обсягом води, яка може поміститися в водозбірнику між відмітками верхнього і нижнього рівня. Обсяг води між відмітками верхнього і нижнього рівнів становить всього 20% від годинного припливу. Таке співвідношення між обсягом водозбірника і величиною припливу при класичному управлінні занурювальним водовідливом в функції рівня води в водозбірнику призведе до дуже частих пусків і зупинок насосного агрегату, що негативно відіб'ється на роботі водовідливної установки (більше 70% відмов виникають в момент пуску насосів).

На вимогу заводу–виготовлювача заглибних насосів[1] при організації водовідливу по схемі періодичної роботи агрегатів необхідно збільшувати тривалість циклу безперервної роботи агрегату, експлуатуючи його при менших значеннях витрати в межах робочого діапазону. При цьому необхідно врахувати, що число включень погружного насосного агрегату не повинна становити більше 3х на добу з інтервалом не менше 60хв. Роботу агрегатів завжди необхідно завершувати в штатному режимі (на закриту засувку на напірному трубопроводі).

При пуску погружного насосного агрегату засувка на нагнітальному трубопроводі повинна бути закрита. Після успішного запуску насосного агрегату (після того як натиск на виході насосного агрегату досягне номінального значення), засувка плавно відкривається, причому під час відкриття засувки не повинно спостерігатися закидів тиску (напору). Таким чином, запуск і зупинку заглибних насосних агрегатів необхідно здійснювати на закриту засувку.

При роботі водовідливної установки необхідно контролювати її основні технологічні парводы в водосборнике.

аметри: подачу, натиск, рівень води в водозбірнику.

2. Формалізація об'єкта управління

На функціонування погружного водовідливу впливають ряд параметрів погружной насосної установки, що визначають її поточний стан [3–4]: Q(t)–подача погружной насосної установки; H(t)–напір (тиск) погружной насосної установки; H_В(t)–вакуумметричний висота всмоктування (підпір на вході в насосний агрегат); H_Г–геодезична висота нагнітання; η–коефіцієнт корисної дії насосної установки; n–частота обертання валу насоса; d_В–діаметр усмоктувального трубопроводу; d_Н–діаметр нагнітального трубопроводу; l_В–довжина всмоктувального трубопроводу; l_Н–довжина нагнітального трубопроводу; a_В–гідравлічний опір всмоктуючого трубопроводу; a_Н–гідравлічний опір нагнітального трубопроводу; h_У(t)–величина рівня води в водозбірнику; Q_П(t)–годинний приплив в шахти.

Вишерассмотренние змінні і параметри погружной насосної установки взаємопов'язані через рівняння напірних характеристик насоса і нагнітального трубопроводу [3–4]. Рівняння напірної характеристики погружной відцентрової насосної установки записується в наступному вигляді вид [5–6]:

де H₀ –натиск насоса, який створюється при закритій засувці; Q - подача (продуктивність) насоса; А, В, - постійні коефіцієнти для обраного типу насоса (визначаються за довідником).

Уравнение напорной характеристики нагнетательного трубопровода, как правило, можно представить в виде [3–4]:

где H_Г –геометрична висота підйому води (для даного об'єкту дорівнює геодезичної висоті нагнітання–176,5м); ΔH_Ф–фактична втрата напору в трубопроводі.

Робочий режим погружной насосної установки визначається спільною роботою насосного агрегату і нагнітального трубопроводу і його можна визначити аналітичним або графічним рішенням системи рівнянь напірної характеристики насосного агрегату і напірної характеристики нагнітального трубопроводу. Точка перетину характеристик (точка А) (рис.2) визначає робочий режим погружной насосної установки. Тут же наводиться крива ККД насоса і допустимої вакуумметричного висоти всмоктування Н_В.

Робочий режим відцентрової насосної установки повинен відповідати умові бескавитационной роботи H_B < H_Bp. У розглянутої погружной водовідливної установки стійка бескавитационной робота насосної установки залежить виключно від величини рівня води в водозбірнику h_У і забезпечується його (рівня) необхідним підтриманням.

Для розглянутої погружной водовідливної установки керованими змінними є: рівень в водозбірнику h_У і натиск на виході насосного агрегату H.

Основним керуючим впливом, що дозволяє цілеспрямовано впливати на керовані змінні h_У і H є подача Q погружной насосної установки. Існують різні технічні способи управління подачею погружного відцентрового насоса, аналіз і вибір яких буде виконано нижче.

На занурювальну водовідливну установку діють наступні впливи: зміна напірної характеристики насосів в процесі експлуатації; зміна напірної характеристики трубопроводів в процесі експлуатації (зміна α); зміна щільності рідини ρ; годинний приплив шахти Q_П;

Для даного об'єкту управління погружной водовідливної установки основним обуренням, максимально впливає і визначальним режим її роботи, є годинний приплив шахти Q_П. З урахуванням проведеного вище аналізу особливостей погружной водовідливної установки, отримана її узагальнена схема як об'єкта управління (рис.3)

3. Мета і функції САУ

Мета розробляється САУ – підвищення ефективності погружной водовідливної установки за рахунок розробки системи автоматичного управління, що дозволить продовжити термін служби технологічного обладнання, підвищити надійність і безпеку, а також зменшити експлуатаційні витрати на процес водовідливу ліквідованих вугільних шахт.

Для реалізації поставленої мети необхідно:

• отримувати інформацію про основні параметри, що характеризують занурювальну водовідливну установку: про рівень води в водозбірнику, про подачу кожної насосної установки, про напорі (тиску) на виході кожної насосної установки;
• виконувати реалізацію необхідних алгоритмів контролю і управління на підставі отриманої інформації про параметри погружной водовідливної установки;
• здійснювати видачу отриманих керуючих впливів на об'єкт управління – занурювальну водовідливну установку через відповідні виконавчі механізми САУ;
• виконувати необхідну взаємодію з оператором через елементи людино – машинного інтерфейсу.

Розробляється система автоматичного управління погружной водовідливної установкою вугільної шахти повинна виконувати наступні функції:

1) функції управління:

• управління рівнем води в водозбірнику;
• регулювання подачі заглибних насосних установок для роботи водовідливу в режимі безперервної відкачки води – «робота на приплив»;
• управління запуском і зупинкою насоса на закриту засувку;
• управління засувкою нагнітального трубопроводу при пуску і зупинці насосного агрегату;
• управління запуском допоміжного насосного агрегату при досягненні водою верхнього рівня і безперервну його роботу до нижнього рівня;
• управління запуском резервного насосного агрегату, якщо відмовив основний насос або він не справляється з припливом і вода досягла аварійного рівня;
  2) функції захисту:

• захист від переповнення водозбірника;
• аварійний останов насоса при зниженні або втраті подачі;
  3) иінформаційні функції:

• збір інформації про стан об'єкта управління з технологічних датчиків і передача її локального пристрою управління (контролера);
• сигналізація про аварійні ситуації;
• зв'язок локального пристрою управління (контролера) з пунктом оператора – диспетчера.

4. Основні вимоги користувача до розроблюваної САУ

Вимоги по функціональності:

• збір, обробка, розподіл інформації про поточний стан елементів погружной водовідливної установки;
• автоматичне керування насосним агрегатом і засувкою на нагнітальному трубопроводі;
• інформаційно – обчислювальні властивості, що реалізують алгоритми розрахунку керуючих впливів з використанням накопичення і необхідного усереднення інформації;
• реалізація алгоритмів сервісних функцій.

Вимоги по продуктивності:

• показники якості управління параметрами погружной водовідливної установки повинні бути не гірше, ніж у існуючих аналогічних систем і відповідати вимогам нормативних документів
• точність вимірювань і обчислень в розробляється САУ погружной водовідливної установкою повинна бути гірше, ніж у існуючих аналогів.

Вимоги по надійності:

• восстанавливаемость і ремонтопридатність в розробляється САУ погружной водовідливної установкою повинні бути не гірше, ніж у існуючих систем і відповідати вимогам нормативних документів.

Вимоги з безпеки:

• електротехнічне обладнання, елементи і пристрої автоматизації, засоби обчислювальної техніки повинні мати відповідні класи захисту;
• елементи системи автоматичного управління (датчики, виконавчі механізми, регулюючі органи, пристрої управління) повинні мати необхідний рівень вибухозахисту.

5. Аналіз існуючих систем автоматизації водовідливу

Всі існуючі системи автоматичного управління водовідливом мають загальний недолік – вони не враховують динамічних властивостей складових частин водовідливної установки і динамічних процесів, що відбуваються у них. [6–7].

Всі серійні системи автоматизації водовідливу будуються по дискретним схемами і здійснюють управління водовідливної установкою у функції рівня води в водозбірнику[6–7]. Аналіз існуючих систем автоматизації водовідливу вугільних шахт показав, що вони не забезпечують ефективне управління водовідливом в динамічних режимах роботи, крім того, не забезпечується можливість регулювання продуктивності насосної установки.

В даний час у вугільній промисловості для автоматизації водовідливів застосовуються системи автоматичного управління УАВ, ВАВ, ВАВ–1м. Апаратура ВАВ–1м є найбільш сучасною, з найбільшим набором виконуваних функцій. Тому розглянемо цю систему автоматичного управління [4].

Уніфікована вибухобезпечна апаратура автоматизації водовідливних установок ВАВ–1м призначена для автоматичного, дистанційного і місцевого управління головними водовідливними установками гірських підприємств. В апаратурі ВАВ–1м передбачено:

• автоматичне, дистанційне і місцеве управління роботою насосів, їх автоматична заливка перед пуском;
• автоматичний перехід на наступний насос при несправності робочого;
• циклічність роботи насосів, послідовність їх запуску і зупинки при паралельній роботі;
• заборона пуску несправного насоса;
• облік машинного часу роботи насосів;
• автоматичне керування приводом засувки;
• можливість автоматичного або ручного заборони пуску насосів на час максимуму енергоспоживання;
• індикація інформації про рівень води в водозбірнику, про роботу насосів і їх несправності з розшифровкою виду несправності, про машинному часу роботи кожного насоса.

Аналіз функціональних можливостей системи автоматизації ВАВ–1м показує відсутність функцій управління водовідливної установкою в динамічних режимах. Некероване протягом перехідних процесів призводить до різкого підвищення тиску, стрибків і пульсаціям тиску, а іноді і до гідравлічних ударів. Спільний вплив перерахованих явищ на проточну частину водовідливної установки викликає інтенсивний знос обладнання водовідливу, що знижує довговічність, надійність, безпеку даного технологічного процесу.

Крім того, система ВАВ–1м не провадить регулювання подачі насосного агрегату для «роботи на приплив», що має важливе значення для даного об'єкту управління – погружной водовідливної установки.

Для управління зануреними насосами нафтовидобувних і вугільних підприємств ВАТ «УКРЭЛЕКТРОАППАРАТ» розробило пристрій серії КУПНА–700[3].

Пристрій КУПНА–700Ш(В) призначене для управління і захисту насосних установок потужністю до 700 кВт, які застосовуються для відкачування води зі стовбурів ліквідованих або закритих шахт.

КУПНА забезпечує роботу насосної установки в режимах «ручний» та «автоматичний» з управлінням з диспетчерського пункту. Пристрій здійснює весь необхідний набір захистів, облік електроенергії, управління у функції рівня води в водозбірнику, світлову сигналізацію, автоматичне захисне відключення[7].

Аналіз функціональних можливостей пристрою купно показав, що основні функції щодо захисту і управління відносяться до приводного електродвигуна насоса (контроль активної потужності електродвигуна, контроль струму електродвигуна, значення коефіцієнта потужності установки, захист і контроль параметрів роботи електродвигуна, контроль опору ізоляції системи«кабель–двигун»). До самого насосного агрегату відноситься функція пуску і зупинки насоса в залежності від рівня води в водозбірнику.

Пристрій КУПНА не виконує наступні функції управління і контролю насосного агрегату:

• не провадиться регулювання подачі насосного агрегату для «роботи на приплив»;
• відсутність функції управління водовідливної установкою в динамічних режимах – плавний запуск і зупинка на закриту засувку;
• відсутня функція плавного відкриття і закриття засувки для виключення гідравлічних ударів і кидків напору;
• відсутність функцій контролю основних технологічних параметрів – подачі і напору насосної установки;

Розглянуті системи автоматичного управління водовідливними установками ВАВ–1м та КУПНА–700Ш(В) не виконують всіх необхідних функцій з контролю та управління погружной водовідливної установкою шахти №9 «Капітальна».

Висновки

Зроблен аналіз поргружной водовідливної установки вугільної шахти як об'єкта автоматичного управління.

За результатами виконаного аналізу здійснена формалізація об'єкта управління погружной водовідливної установки, сформульовані вимоги до розроблюваної системі автоматичного управління по виконуваних функцій контролю, управління і захисту, а також поставлені вимоги користувача до САУ.[9]

Існуючі системи автоматичного управління водовідливними установками вугільних шахт, в тому числі, розроблена для заглибних насосних установок система управління КУПНА–700Ш (В) не виконують всіх необхідних функцій з управління, контролю і захисту даного об'єкту управління – погружной водовідливної установкою. Тому розробка системи автоматичного управління погружной водовідливної установкою даний час в умовах великої кількості ліквідованих вугільних шахт є актуальною.

Перелік посилань

1. Указания по монтажу и применению в проектах систем шахтного водоотлива агрегатов насосных погружных шахтных АНПШ. Инструкция по эксплуатации АЭТА.062313.005.375.250ТО. ОАО Завод «Молот», 2010.– 40 с
2. Правила безопасности в угольных шахтах. Киев: ООО «ЛИГА ЗАКОН», 2010.– 185 с.
3. Гейер В.Г., Тимошенко Г.М. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки. М.: Недра, 1987.– 270 с.
4. Попов, В.М. Шахтные насосы (теория, расчет и эксплуатация). / В.М.Попов–М.: Недра, 1993.–224 с.
5. Автоматизация процессов подземных горных работ. // Под общей ред. Иванова А.А. – Киев; Донецк: Вища шк., 1987. – 327 с.
6. Grout I. Digital systems design with FPGAs / I. Grout.–Elsevier, 2008.–724 pp.
7. Zeidman B. Designing with FPGAs and CPLDs / B. Zeidman.–Elsevier, 2002.–224 pp.
8. Баранов С.И. Синтез микропрограммных автоматов (граф–схемы и автоматы) / С.И. Баранов.–Л.: Энергия, 1979.–232 с.
9. Глушков В.М. Синтез цифровых автоматов / В.М. Глушков.–М.: Государственное издательство физико–математической литературы, 1962.–476 с.
10. Компания ДЭП [Электронный ресурс]: офиц. сайт. – Электрон. дан. – Донецк, [2019]. – Режим доступа: http://dep.ru.
11. ООО Научно–производственное предприятие РУДПРОМАВТОМАТИКА [Электронный ресурс]: офиц. сайт. – Электрон. дан. – Кривой Рог, [2019]. – Режим доступа: http://www.rpa.ua/.
12. Бессараб, В. И. Управление шахтной водоотливной установкой в аварийных и аномальных режимах работы / В. И. Бессараб, Р. В. Федюн, В. А. Попов // Научные труды Донецкого национального технического университета. Серия: Вычислительная техника и автоматизация. Выпуск 106. – Донецк: ДонНТУ, 2006. – 220 с. – С. 26–33.
13. Бойко, Н. Г. Рудничные (шахтные) водоотливные и вентиляторные установки: конспект / Н. Г. Бойко; Н. Г. Бойко; ДонНТУ, Каф. Энергомеханические системы. – Донецк, 2009. – 168 с.
14. Карелин, В. Я. Кавитационные явления в центробежных и осевых насосах – Москва: Недра, 1975 – 353 с.
15. Автоматизация сложных электромеханических объектов энергоемких производств: учебное пособие для вузов / К. Н. Маренич [и др.]; К. Н. Маренич, С. В. Дубинин, Э. К. Никулин и др.; ГВУЗ ДонНТУ. – Донецк: ООО Технопарк ДонГТУ УНИТЕХ, 2015. – 237 с.