Реферат по теме
выпускной работы

Содержание

Введение
Актуальность темы
1. Описание технологического процесса проветривания тупиковой выработки
2. Цель, функции и задачи САУ
3. Концепция САУ ТП проветривания тупиковой выработки угольной шахты
4. Проектирование САУ
5. Текущие результаты работы
Выводы
Литература

Введение

В настоящее время уровень аварийности и производственного травматизма на угольных предприятиях остается достаточно высоким, несмотря на его некоторое снижение за последние несколько лет. Отсюда следует, что применяющиеся в настоящее время средства контроля и управления процессом проветривания не всегда обеспечивают надежную и эффективную защиту [1].

Таким образом, важнейшим направлением в сфере автоматизации технологических процессов в угольной промышленности является создание комплексных общешахтных систем управления, обеспечивающих оперативное принятие оптимальных управляющих решений на различных иерархических уровнях, прогноз развития опасных ситуаций, поддержание рационального режима работы контролируемых объектов, сокращение вынужденных простоев оборудования и повышение уровня безопасности ведения горных работ.

Эти обстоятельства обосновывают актуальность разработки системы адаптивного управления частотно-регулируемым асинхронным электроприводом вентилятора местного проветривания с применением правил нечетких множеств, реализующей одновременно регулирование состава рудничной атмосферы с целью обеспечения безопасности горных работ и регулирование производительности вентилятора с целью обеспечения энергосбережения.

Таким образом, целью разработки является повышение эффективности процесса проветривания шахтной подготовительной выработки за счет усовершенствования системы автоматического управления вентилятором местного проветривания, что позволит повысить безопасность и эффективность ведения горных работ.

Актуальность темы

При проведении подготовительных выработок на газовых шахтах с помощью проходческих комбайнов возможно выделение метана сверх допустимых норм по Правилам безопасности, что является небезопасным для трудящихся, снижает производительность средств механизации, существует возможность загазирования, что может привести к возникновению аварийной ситуации. Одним из способов предотвращения аварийных ситуаций, стабилизации режимов работы средств механизации в подготовительной шахтной выработке является управление процессом проветривания. Существующие системы автоматического проветривания угольной шахты чаще всего используют неоптимальные режимы работы, поэтому разработка гибкой (адаптивной) системы автоматического управления вентилятором местного проветривания является актуальной темой исследования на сегодняшний день.

1. Описание технологического процесса проветривания тупиковой выработки

Процесс проветривания подготовительной выработки газовой угольной шахты является важным технологическим процессом, который обеспечивает подачу в забой достаточного количества воздуха для работы трудящихся и нормализацию параметров рудничной атмосферы при увеличении концентрации метана сверх допустимых норм по правилам безопасности в угольных шахтах. В соответствии с требованиями проветривание подготовительных выработок газовой угольной шахты запрещается проветривать за счет общешахтной диффузии, исключая тупики длиной до 6м, примыкающие к стволам. Проветривание подготовительных шахтных выработок должно производиться с помощью вентиляторов местного проветривания (ВМП). Для проветривания подготовительных шахтных выработок используются осевые и центробежные вентиляторы, с электрическим и пневматическим приводами, в специальном исполнении для шахт, опасных по газу и пыли. Наибольшее применение нашли осевые вентиляторы серии ВМ. Для проветривания выработок большой длины используются и центробежные вентиляторы, например, вентиляторы ВМЦ‐6, ВМЦ‐8, ВМЦГ‐7, имеющие большую подачу (до 20 м³/c) и развивающие высокое давление (до 600‐900 кПа). Воздух в забой подается по вентиляционному трубопроводу диаметром до 800мм [2].

Схемы проветривания тупиковых выработок за счет общешахтной депрессии приведены на рис.1.

При проветривании выработок с помощью вентиляторов местного проветривания применяют следующие способы вентиляции: нагнетательный, всасывающий и комбинированный.

Нагнетательный способ проветривания – наиболее распространен. Достоинство его заключается в том, что проветривание призабойного пространства осуществляется деятельной струей свежего воздуха, выходящего из трубопровода с большой скоростью. По Правилам безопасности на газовых угольных шахтах конец трубопровода должен располагаться на расстоянии от забоя <8 м, а в негазовых и рудных шахтах – на расстоянии <12 и <10 м соответственно.

К достоинствам нагнетательного способа проветривания относится и то, что в призабойное пространство (где имеет место максимальное газовыделение и находятся люди) поступает свежий воздух, что облегчает создание безопасных условий труда. По мере движения воздуха от забоя к устью в него выделяется из поверхности выработки газ. Содержание газа в исходящем потоке непрерывно повышается вплоть до выхода воздуха в выработку, проветриваемую за счет общешахтной депрессии.

Если подача нагнетательного вентилятора, установленного на сквозной выработке, больше расхода подаваемого по ней воздуха, то часть исходящего воздуха будет вновь засасываться вентилятором и направляться по трубопроводу в забой. Такое явление носит название рециркуляции воздуха. Для предотвращения рециркуляции Правила безопасности предписывают устанавливать вентилятор на расстоянии >10 м от устья проветриваемой выработки. При этом подача вентилятора должна быть <70% расхода воздуха, движущегося по сквозной выработке.

Недостаток нагнетательного способа проветривания заключается в том, что при ведении взрывных работ ядовитые газы взрыва движутся по выработке. Поэтому люди могут войти в выработку только тогда, когда содержание ядовитых газов в ней в пересчете на условную окись углерода составляет 0,008% по объему.

Схема проветривание выработок нагнетательным способом с использованием вентилятора местного проветривания показана на рис.2.

Всасывающий способ проветривания применяется на угольных и рудных шахтах, не опасных по газу. Достоинство его заключается в том, что несвежий воздух отводится из призабойного пространства по трубопроводу, а так как свежий воздух поступает к забою по выработке, то большая ее часть незагазована. Эффективность проветривания выработки всасывающим способом зависит от расстояния между концом всасывающего трубопровода и забоем. По мере увеличения этого расстояния в призабойной части образуется застойная зона и продолжительность проветривания выработки резко возрастает.

Основной недостаток этого способа проветривания заключается в трудности выдерживания расстояния от забоя, так как конец трубопровода находится в зоне разлета кусков породы и вероятность его повреждения весьма высокая.

Схема проветривание выработок всасывающим и нагнетательно-всасывающим способом показана на рис.3.

Комбинированный (нагнетательно-всасывающий) способ проветривания чаще применяется при скоростной проходке на негазовых шахтах. В нем сочетаются достоинства нагнетательного способа (активное перемешивание газов в призабойной зоне) и всасывающего (ограниченный объем проветривания). При комбинированном способе проветривания используется один или два вентилятора. В случае использования одного вентилятора он работает вначале на всасывание, а после удаления высококонцентрированного газового облака из забоя по трубопроводу в исходящую струю вентилятор переключается на нагнетание. При использовании двух вентиляторов основной вентилятор устанавливается вблизи устья выработки (на расстоянии >10 м) и работает на всасывание. Второй вентилятор (вспомогательный) снабжается коротким нагнетательным трубопроводом и устанавливается в выработке вблизи забоя. Подача нагнетательного вентилятора должна быть на 20‐30% меньше количества воздуха, которое поступает во всасывающий трубопровод. Для предотвращения распространения газового облака в сторону устья иногда в выработке на расстоянии 30‐50м от забоя устанавливается перемычка [2].

2. Цель, функции и задачи САУ

Цель – экономия расходов на электроэнергию и обслуживание вентилятора местного проветривания, продление срока службы системы вентиляции проходческой выработки за счет внедрения адаптивной системы автоматического проветривания проходческой выработки.

Функции, которые должна выполнять САУ вентилятором местного проветривания:

Функции управления:
⁃ автоматизированный контроль и управление в реальном масштабе процессом подачи свежего воздуха в тупиковую выработку;
⁃ автоматизированное частотно-регулируемое управление вентилятором местного проветривания, в том числе резервированным;
⁃ непрерывный контроль скорости воздуха в трубопроводе у забоя тупиковой выработки;
⁃ непрерывный контроль уровня запыленности в проходческой выработке.

Защитные функции:
⁃ автоматическое снятие напряжения с электрооборудования тупиковой выработки при нарушении ее нормального режима проветривания;
⁃ сигнализация о аварийных ситуациях

Информационные функции:
⁃ выдача информации о состоянии проветривания тупиковой выработки, работе вентиляторов и др.;
⁃ архивирование информации;
⁃ дистанционная передача показаний от датчиков к управляющему контроллеру;
⁃ интеграция в систему управления в качестве аппарата управления контролируемого пункта.

Для реализации сформулированных функций САУ, необходимо решить такие задачи:
⁃ изучить тупиковую выработку угольной шахты как объект управления. Сформулировать цель и функции САУ вентилятором местного проветривания;
⁃ осуществить обзор и анализ современных способов управления ВМП. Предложить вариант концепции САУ ВМП;
⁃ получить математическую модель тупиковой выработки и ВМП, а также провести разработку алгоритмов управления системой вентиляции с учетом особенностей угольных шахт;
⁃ сформулировать требования к техническим средствам САУ и разработать функциональную схему автоматизации, комплекса технических средств;
⁃ сформулировать требования к охране и безопасности труда при монтаже и эксплуатации разработанной САУ вентилятором местного проветривания.

3. Концепция САУ ТП проветривания тупиковой выработки угольной шахты

При разработке автоматической системы управления вентилятором местного проветривания одним из важнейших этапов синтеза системы является анализ процесса проветривания как объекта управления, т.е. выявление структуры процесса, определение входных и выходных переменных, нахождение математических зависимостей между входными и выходными переменными рассматриваемого технологического агрегата.

Технологические параметры – физико‐химические величины, которые характеризуют состояние объекта управления (например, температура, давление, частота вращения и др.). Кроме технологических параметров, объекты управления характеризуются возмущающими и управляющими воздействиями. Воздействия – факторы, изменяющие состояние технологического процесса в объекте управления [3].

Обычно из технологических параметров выбирают основные, наиболее полно характеризующие состояние процесса, величиной которых можно управлять с помощью специальных технических средств. Такие параметры называются регулируемыми.

Возмущающие воздействия (нагрузки) – факторы, изменение которых носит случайный, трудно прогнозируемый характер. К таким факторам относятся, например, температура наружного воздуха, колебания напряжения в электросети и др.

Управляющие воздействия – воздействия на объект управления, осуществляемые специальными техническими средствами или оператором с целью компенсации влияния возмущающих воздействий или изменения режимов работы объекта управления.

Анализируя приведенные выше способы проветривания тупиковых выработок, можно сделать вывод, что эффективнее и экономически выгоднее нагнетательный метод проветривания проходческой выработки [4]. С учетом вышесказанного, выделим основные регулируемые переменные технологического процесса:
⁃ концентрация газа метана и пыли в забое выработки и на исходящей струе.

Управляющим воздействием является:
⁃ скорость движения воздуха в выработке.

Основным возмущающим воздействием является:
⁃ выделение газа и пыли из горных пород при проходческой деятельности.

Таким образом, схема технологического процесса проветривания тупиковой выработки как объекта управления имеет вид, представленный на рис 4.

Данный анализ позволит поставить задачу на управление рассматриваемым объектом и построить систему автоматического управления вентилятором местного проветривания угольной шахты. Для формализации концепции построения данной системы, рассмотрим и проанализируем существующие системы управления технологическим процессом проветривания тупиковой выработки, с точки зрения определения их достоинств и недостатков. Такой анализ позволит обосновать выбранное решение по автоматизации, которое повысит качество и эффективность процесса проветривания тупиковой выработки угольной шахты.

При управлении сложным объектом, таким как тупиковая выработка, функционирующая в условиях нестационарности, широкое применение нашли регуляторы, реализующие классические ПИ‐ или ПИД‐законы регулирования. Современные контроллеры зарубежных и отечественных производителей: Ремиконт, Овен, Сименс, Микрол и т.д., как правило, для управления объектом реализуют метод Зиглера‐Никольса.[5] Следует отметить, что данный метод предполагает вывод объекта в область автоколебаний, за счет перехода на П‐закон и грубого варьирования коэффициента усиления Kр. Однако, проветривание тупиковой выработки угольной шахты не допускает автоколебаний системы управления. Таким образом, задача нахождения оптимального метода настройки регуляторов остается открытой. В последнее время широкую популярность находят нечеткие модели и алгоритмы управления. Нечеткое управление основано на использовании не столько аналитических или теоретических моделей, сколько на практическом применении знаний квалифицированных специалистов, представленных в форме лингвистических баз правил. Нечеткое управление эффективно в случаях недетерминированности параметров объектов, когда существует определенный опыт экспертов по управлению и настройке автоматизированной системы регулирования (АСР).[6] Теория нечеткой логики позволяет использовать знания специалистов - наладчиков с целью улучшения процессов управления и оказания помощи (супервизорный режим) по настройке типовых регуляторов. Исходя из вышесказанного, задача создания метода адаптации ПИД‐регулятора, реализующего опыт наладчиков, становится актуальной [7,8].

Проанализировав работу разработанной ранее системы, необходимо усовершенствовать систему контроля безопасности проведения тупиковых выработок для осуществления процессов управления и контроля. Внедрить в процессы управления методы нечеткой логики. Концепция САУ ТП проветривания тупиковых выработок угольной шахты представлена на рис. 5.

Концепция САУ заключается в поддерживании двух основных параметров атмосферы тупиковой выработки: концентрация метана и количество пыли. Замкнутая САУ состоит из двух главных обратных связей (далее ОС) – концентрация метана и количество пыли; и одной местной (корректирующей) ОС – скорость воздуха, подаваемого в выработку. Основные возмущающие воздействия системы – выделение газа метана и пыли при ведении горных работ.

4. Проектирование САУ

Реализация концепции САУ ТП проветривания тупиковых выработок угольной шахты, приведенной на рисунке 5 позволит достичь следующих результатов:
⁃повышение уровня безопасности рабочих в подземных горных выработках за счет улучшения проветриваемости тупиковых забоев;
⁃повышение производительности добычных механизмов и создание благоприятных климатических условий трудящихся в шахте;
⁃обеспечение требуемых показателей концентрации газа, скорости воздуха и количество пыли в рабочей зоне, за счет системы автоматического управления вентиляцией тупиковых выработок.

Ожидаемые результаты проекта имеют большую значимость для решения промышленных задач развития системы автоматического проветривания горных выработок. Внедрение новых и более надежных технологий значительно снизит количество несчастных случаев на производстве по добычи угля.

Данная система управления позволит исключить ошибки человека при контроле концентрации газа в тупиковых выработках. Показатели качества разрабатываемой системы на порядок выше, чем у используемых в данный момент системах. Уменьшение времени переходного процесса, а также точности измеряемой величины приведет к более оптимальным показателям загазированности и расходу воздуха в забое. Внедрение системы управления автоматическим проветриванием тупиковых горных выработок создает предпосылки для оптимизации существующих рабочих комплексов.

Специфика каждой конкретной системы управления определяется используемой на каждом уровне программно‐аппаратной платформой. Трехуровневая структура комплекса технических средств (КТС) САУ ВМП приведена на рис. 6.

Верхний уровень иерархии управления представляет из рабочую станцию оператора вентиляции, реализованное на базе офисного ПК.

Средний уровень иерархии управления, включает в устройства управления базе промышленного контроллера Овен ПЛК 200. На средний уровень управления локального контроллера поступает информация с устройств полевого уровня.

Полевой уровень строится на основе средств КИПиА, представленных датчиками концентрации метана, датчиками скорости воздуха, анализатором пыли, преобразователем частоты ЧВПВ [9,10] и исполнительным механизмом (ВМП). Основные средства управления объединены между собой каналами связи на основе стандарта Modbus RTU.

Алгоритм работы системы заключается в следующем:
⁃датчики полевого уровня (концентрации метана, пыли и скорости воздуха) измеряю соответствующие величины шахтной атмосферы и передают их в контроллер через устройство ввода/вывода по средствам витой пары(RS‐485) и интерфейса сети Modbus RTU;
⁃контроллер, в свою очередь, получает измеренные данные, обрабатывает их и передает их в рабочую станцию по средствам интерфейса USB для визуализации данных на мониторе диспетчера;
⁃ПЛК, на основе полученных данных с датчиков, по определенному (заложенному разработчиком системы) алгоритму, вырабатывает управляющее воздействие и отправляет его в сети Modbus RTU;
⁃устройство удаленного ввода/вывода перенаправляет данное управляющее воздействие из сети Modbus к преобразователю частоты;
⁃преобразователь частоты, в свою очередь, исходя из полученных данных, непосредственно управляет исполнительным механизмом (вентилятором местного проветривания), за счет которого изменяются показатели микроклимата в тупиковой выработке. Изменения происходят до тех пор, пока мы не получим таких показателей, которые будут удовлетворят Правилам безопасности ведения горных работ.

На основе структурной схемы комплекса технических средств разработаем функциональную схему системы (рис. 7)

На рис. 7 приведены следующие обозначения: Q – измерение концентрации; L – измерение количества пыли в воздухе; Т – дистанционная передача данных; I – индикация; S – измерение скорости/частоты; R – регистрация; C – регулирование; Y – преобразование; 1-2 – ВМП рабочий и резервный; ГП – главный пускатель.

5. Текущие результаты работы

На основании разработанной концепции САУ вентилятора местного проветривания составлена структурная схема (рис. 8).

На рисунке 9 приведена структурная схема моделирования САУ вентилятором местного проветривания в Simulink.

Используя разработанную модель САУ в пакете Simulink (рис. 9) проведем исследование качества переходных процессов при изменении возмущающего воздействия.

В результате моделирования работы системы при действии возмущений, получены графики переходных процессов, которые приведены на рис.10…12.

Проанализировав полученные графики, можно сделать вывод, что разработанная система остается устойчивой и показатели качества переходных процессов удовлетворяют выдвинутым. Также из приведенных рисунков видно, что система с настройкой регуляторов методом нечеткой логики справляется быстрее с возмущающим воздействиям и не доводит систему до критических значений.

На момент написания реферата работа над магитерской диссертацией еще не закончена. Данельнйшие исследования будут посвящены разработке алгоритмов и изучению возможности применения фаззи‐логики и нейросетей в задачах настройки регуляторов.

Выводы

В работе выполнен анализ процесса проветривания тупиковой выработки как объекта автоматического управления. Проанализирован процесс управления системой проветривания тупиковых выработок опасных по газу и пыли шахт. Рассмотрены используемые в настоящее время системы, выделены их основные функции. Сформулированы основные функции разрабатываемой системы. Для реализации поставленных функций САУ, было предложено решить ряд задач. Выдвинуты требования к функциональности, производительности, надежности, безопасности и эксплуатации САУ проветривания тупиковых забоев. Представлено описание альтернативного варианта построения САУ вентилятором местного проветривания, основываясь на анализе применяемых на данный момент решений и фундаментальных принципах управления.

В результате анализа используемых на данный момент САУ вентилятором местного проветривания были выявлены основные преимущества и недостатки существующих систем. Для реализации поставленных задач, на основании выделенных достоинств, было принято взять за основу систему АПТВ. Составлена структурная схема САУ вентилятором местного проветривания. Разработаны математические модели элементов САУ. Разработана имитационная модель САУ в пакете MATLAB&SIMULINK. В качестве закона управления выбран ПИД‐регулятор для регулирования концентрацией газа метана, и ПИ‐регулятор для регулирования скорости воздуха, параметры которых настроены методом нечетких множеств. Проведен анализ полученные графики переходных процессов. Из полученных графиков видно, что разработанная система остается устойчивой и показатели качества переходных процессов удовлетворяют требованиям.

Литература

1. Шишов В.А. Современные технологии промышленной автоматизации./В.А. Шишов – Саранск: Изд‐во Мордов. ун‐та, 2007. – 250 с.

2. Правила безопасности в угольных шахтах: ПБ 05‐618‐03. - М., 2003.- 294 с.

3. С. Дасгупта, Х. Пападимитриу, У. Вазирани Алгоритмы./ С. Дасгупта и др. - McGraw Hill Education. – 2006. – 319 с.

4. Горная энциклопедия «Аа‐лава – Яшма»: Вентиляция шахты [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.mining-enc.ru/ - Загл. с экрана.

5. Математическое моделирование нестационарных процессов вентиляции сети выработок угольной шахты / [И.М. Васенин, Э.Р. Шрагер, А.Ю. Крайнов, Д.Ю. Палеев, О.Ю. Лукашов, В.Н. Костеренко]. – М. : Томский государственный университет, 2011. – 155‐163 с.

6. Автоматическое региулирование вентиляционных режимов угольных шахт: Уголь Донбасса [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://coal.in.ua/ - Загл. с экрана.

7. Денисенко В.В. ПИД – регуляторы: принципы построения и модификации. Часть 1 / В.В. Денисенко // СТА. – 2006. – №4. – С. 66‐74.

8. Денисенко В.В. ПИД – регуляторы: принципы построения и модификации. Часть 2 / В.В. Денисенко // СТА. – 2007. – №1. – С. 78‐88.

9. Пугачев Е.В. Модель системы автоматического мониторинга, прогнозирования и управления аэрогазовым режимом на угольных шахтах / Е.В. Пугачев, Е.В. Червяков, А.Е. Червяков [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://elibrary.ru – Загл. с экрана.

10. Берикашвили В.Ш. Электроника и микроэлектроника. Импульсная и цифровая электроника. Учебное пособие для СПО / В.Ш. Берикашвили // М. : Юрайт, 2021. – 244 с.