Разработка энергосберегающей системы автоматического управления проветриванием рудников

УДК 622.45-52

Б.П. Казаков, д-р техн. наук, зав. лаб.,

РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОВЕТРИВАНИЕМ РУДНИКОВ

Представлена разработка САУП рудников на основе минимизации нагрузки на главную вентиляционную установку. Изложена математическая структура алгоритма управления с анализом каждого из этапов. На основе результатов численного эксперимента показано, что ожидаемая экономия энергии после внедрения САУП может составлять 50 % и более.

Ключевые слова: управление, аэродинамические сопротивления, депрессия вентилятора, рециркуляция, оптимальное регулирование, отрицательные регуляторы, минимизация мощности.

С каждым годом вентиляционные сети подземных рудников становятся все более сложными и разветвленными. Фронт очистных работ постепенно удаляется от шахтных стволов, что усложняет доставку свежего воздуха в рабочие зоны. На удаленных участках шахтных полей всё чаще ощущается нехватка свежего воздуха, при этом горные работы продолжают развиваться, к шахтному полю прирезаются новые участки, и соответственно потребность рудников в воздухе возрастает. Увеличение производительности главных вентиляторных установок (ГВУ) не даёт необходимого эффекта, т.к. при этом возрастают внешние и внутрируд-ничные утечки воздуха, энергетические затраты на проветривание рудников резко возрастают, появляется перекос в воздухораспределении между участками: на одни участки воздуха поступает больше требуемых значений, на другие - меньше. Резерв увеличения производительности главных вентиляционных установок на многих рудниках отсутствует, т. к. работают они на предельных режимах. В настоящее время на калийных и каменно-соляных рудниках ведутся активные работы по внедрению систем рециркуляционного проветривания, способствующих доставке свежего воздуха в трудно проветриваемые зоны шахтных полей. Рециркуляционное проветривание становится особенно эффективным при его использовании в составе систем автоматического управления проветриванием, которые позволяют снизить энергетические затраты на проветривание при одновременной сбалансированной доставке воздуха в рабочие зоны в необходимом количестве. В настоящее время на многих горнодобывающих предприятиях ведутся работы по внедрению автоматизированных систем

контроля параметров проветривания и систем автоматического управления воздухораспределением.

По мнению ряда исследователей [1] наиболее эффективной для решения задач рудничной вентиляции является централизованная система автоматического управления проветриванием (САУП), предназначенная для своевременного и быстрого реагирования на недопустимые изменения расходов воздуха и концентраций вредностей в нём и устранения возникающих проблем имеющимися в распоряжении системы средствами регулирования воздухораспределения. Главным звеном централизованной САУП является управляющая вычислительная машина (УВМ) [2], функции которой заключаются в приёме информации о параметрах сети и составе рудничной атмосферы, решении сетевой нелинейной задачи оптимального регулирования и определении управляющих воздействий и выдачи их на исполнительные органы с целью обеспечения требуемого перераспределения расходов воздуха в сети. Под «оптимальным регулированием» подразумевается не просто обеспечение всех участков рудника необходимым количеством воздуха, а обеспечение воздухом при минимальных затратах энергии, под которыми, как правило, принято понимать минимизацию нагрузки на главную вентиляционную установку.

Анализ работ, посвященных управлению воздухораспределением в рудничных вентиляционных сетях, позволяет выделить два основных подхода к решению задач управления [3]. Первый подход основан на том, что, исходя из имеющейся математической модели рудничной вентиляционной сети, находятся аэродинамические сопротивления ветвей и напоры вентиляторов, обеспечивающие экстремум выбранного критерия при заданных ограничениях. При этом не используется текущая информация о реальных расходах воздуха в ветвях. Впервые подобные задачи были рассмотрены в работах Цоя С.В., Абрамова Ф.А. и других ученых [1, 4, 5], где была дана математическая постановка и предложен алгоритм решения задачи оптимального воздухораспределения по критерию минимума мощности, затрачиваемой на продвижение воздуха по выработкам. В работе [4] задачу оптимального воздухораспределения по минимуму мощности предлагается решать методами линейного программирования и поконтурной оптимизации. Несмотря на значительные успехи в решении задачи оптимизации по критерию минимума мощности применение разработанных алгоритмов для оперативного управления распределением воздуха в системах автоматического управления затруднительно, т. к. в алгоритмах не используется информация с датчиков [6]. К недостаткам методов линейного программирования следует отнести также их медленную сходимость. Второй подход к созданию алгоритмов управления воздухораспределением основан на считывании информации с датчиков расходов воздуха в ветвях сети [7, 8]. Несмотря на общность подходов к решению задач управления вентиляци-

ей конкретизация алгоритмов управления весьма многообразна и отличается как по математическим методам, так и по моделируемым механизмам.

Разработанный в лаборатории алгоритм управления моделирует работу системы отрицательных регуляторов с минимизацией нагрузки на ГВУ. Используемый в нём математический метод не является стандартным методом оптимизации (поиска экстремума), т.к. минимальное значение депрессии ГВУ достигается выходом на границы диапазонов декларируемых значений расходов воздуха и возможных значений отрицательных регуляторов. На рисунке изображена блок-схема алгоритма управляющей программы УВМ централизованной САУП, реализованной на произвольном количестве отрицательных и одном положительном (ГВУ) регуляторах. Критерием регулирования является минимизация нагрузки на ГВУ, а ограничителями - минимальные и максимальные значения расходов воздуха. Данный способ управления проветриванием с помощью отрицательных регуляторов основывается на многократном перерасчёте распределения воздуха в руднике при целенаправленном изменении значений сопротивлений отрицательных регуляторов с одновременным понижением депрессии ГВУ. Алгоритм реализован численно в программной среде Delphi, имеет современный пользовательский и графический интерфейсы и позволяет программировать управление вентиляцией в сетях произвольной сложности и размерности.

Блок-схема управляющей программы УВМ централизованной САУП

Структура алгоритма управления, представленного блок-схемой, имеет следующий вид.

1. в норме ? ».

Условие, определяющее активизацию процедуры управления при поступлении сигналов с датчиков расхода воздуха. Значения расходов воздуха запоминаются и сравниваются с предыдущими показаниями датчиков. Если изменения существенны, то режим ожидания сигнала с датчиков сменяется кратковременным режимом ожидания ввода данных с клавиатуры с дальнейшим запуском процедуры управления. Если изменения несущественны, то модуль управления не активизируется, и происходит возврат в режим ожидания сигнала с датчиков.

2. «Корректировка данных».

Во время режима ожидания ввода данных с клавиатуры оператор может приостановить работу модуля управления с целью корректировки величин аэродинамических сопротивлений выработок и напоров источников тяги в вентиляционной сети. После этой корректировки работа алгоритма продолжается с новыми данными. Следует заметить, что датчики сигнализируют только об изменении расходов воздуха, и ничего не говорят о причинах этих изменений. Причину (например, открытые или закрытые ворота, включенный или выключенный вентилятор) указывает оператор, корректируя данные в этом режиме. Если данные не скорректированы, то после кратковременного ожидания алгоритм управления запускается, но в интерактивном режиме, т.е. без расчёта. В этом режиме расходы воздуха не рассчитываются, а считываются с показаний датчиков.

Для нормальной работы алгоритма управления должны быть заданы (и корректироваться, по возможности, при изменении) следующие данные, характеризующие вентиляционную сеть:

N - количество отрицательных регуляторов;

J - количество ветвей с декларируемыми расходами воздуха;

АР - начальная депрессия ГВУ;

шах(АР) - максимально возможное значение депрессии ГВУ;

5Р - шаг по депрессии ГВУ;

Mr - массив границ диапазонов отрицательного регулирования и начальных положений регуляторов (шт^п); Rn; шах^п)) - п=1.Ж,

Mq - массив границ диапазонов декларируемых расходов воздуха (шт^; шах^)) -]=и

Это весь набор данных, необходимых для реализации алгоритма управления в интерактивном режиме. Все остальные данные о вентиляционной сети используются только в блоке расчёта Qj и необходимы в режиме расчёта. Поскольку структура расчётного блока в рамках данного алгоритма не рассматривается, то нет необходимости конкретизировать остальные характеристики вентиляционной сети.

После корректировки данных или в случае, если блок пройден без корректировки, ключ режима работы алгоритма управления п принимает значение 0, означающее первое вхождение в процедуру управления после

режима ожидания. После повышения депрессии значение ключа остаётся нулевым.

3. «Расчёт или считывание Qj».

Если при первом входе (п=0) в этот блок была проведена корректировка любых данных (не обязательно тех, которые указаны в пункте 2), от которых зависит распределение расходов воздуха в сети, то производится расчёт расходов Qj. Если никакой корректировки не было (интерактивный режим), то при первом вхождении (п=0) ничего не происходит, т.к. расходы Qj уже известны из показаний прервавших датчиков, режим ожидания. При последующих вхождениях в блок (п>0) в интерактивном режиме происходит следующее (по порядку):

посылаются сигналы регуляторам принять положения, соответствующие текущим значениям аэродинамических сопротивлений Rn;

ожидается устанавливание новых расходов Qj, соответствующих новым положениям регуляторов;

считываются с датчиков новые показания о Qj. В обоих режимах на выходе из блока - значения расходов воздуха Qj в выработках, где они имеют ограничения. В смысле результатов эти режимы идентичны.

Предусмотрены два режима работы управляющей программы -расчётный и интерактивный. В первом режиме воздухораспределение рассчитывается математически, во втором - подбирается на основании анализа показаний датчиков расхода. Система управления сама определяет, какой из модулей (расчётный или интерактивный) использовать для управления проветриванием рудника. Если информация о вентиляционной сети является достаточно полной и точной, то будет работать расчётный модуль, давая быстрые и точные результаты. Если информация не полна и не точна, то расчёт теряет смысл, поскольку результаты не будут соответствовать действительности. В этом случае в работу включается более медленный интерактивный модуль, когда УВМ, манипулируя регуляторами и считывая после этого показания датчиков, опытным путём определяет конфигурацию регуляторов для достижения минимальной депрессии ГВУ. Таким образом, при работе расчётного модуля информация о реальных расходах воздуха не нужна, поскольку предполагается, что они соответствуют расчётным значениям. Сигналом к запуску программы является в этом случае изменения топологии (новые выработки, участки и т.д.), сопротивлений (открытие-закрытие перемычек, ворот и т.д.) и источников тяги (естественная тяга, эжекторные установки и т.д.). При работе интерактивного модуля, напротив, основной обрабатываемой информацией являются расходы воздуха, остальное значение не имеет. Несмотря на кажущееся различие модулей, блок-схема у них одна и та же. Действительно, для второго модуля Qi - это данные для обработки, а для первого модуля -это промежуточные результаты расчёта для той же самой обработки, полу-

ченные по другим данным: сопротивлениям и напорам. Во втором модуле датчики сигнализируют об изменении расходов, в первом - в программу заносится информация о причинах этого изменения.

4. «Условие п £ 1».

п=0 - первое вхождение в процедуру управления;

п=1 - расчёт или считывание Qj после очередного уменьшения депрессии (5Р) или очередного расчётного изменения сопротивления одного из регуляторов (ДЯп) (при увеличении депрессии режим первого вхождения п=0 остаётся);

п=2..^+1) - поочерёдное изменение положения регуляторов для расчёта частных производных ЪQj|дRn ;

п=^2 - анализ полученных данных и решение, что делать дальше.

Если «Да», то следует проверка того, соответствуют ли рассчитанные или считанные с датчиков расходы воздуха допустимым значениям, если «Нет», то следует уточнение значения п (блок <^<N+2»).

5. «Цикл 7=1, J».

Если цикл выполняется до конца (все в норме), то - очередное понижение депрессии.

6. «Мт(^)<^<Мах(^)».

Если это условие не выполняется, то происходит выход из цикла на блок условия «п=0». Если условие ни разу не нарушается, то цикл выполняется до конца.

7. «ДР=ДР-5Р».

Очередное понижение депрессии происходит, если при п<2 все Qj оказываются в норме. После этого понижения - очередной расчёт или считывание Qj. При этом режим первого вхождения отменяется (п=1).

8. «п=0».

Если при первом же вхождении (п=0) Qj оказываются не в норме, то депрессия поднимается, причём до тех пор, пока воздухораспределение не станет допустимым. Если вхождение не первое (п>0), то из всех «запредельных» ДQj выбирается максимальным по модулю и п=п+1.

9. «ДР=ДР+5Р».

Производится очередное повышение депрессии. Возможно только при первом вхождении (п=0). При повышении никакого регулирования не происходит, поэтому при неудачных начальных значениях сопротивлений регуляторы решений могут отсутствовать из-за того, что может быть достигнута максимально возможная величина депрессии ГВУ.

10. «ДР>шах(ДР)».

После очередного повышения депрессии проверяется, не превышен ли предел. Если «Да», то сигнал об аварии и «конец», если «Нет» - то очередной расчёт или считывание Qj.

11. «ДQг=max(ДQj)».

Если после очередного понижения депрессии ГВУ или изменения сопротивления одного из регуляторов сразу несколько расходов воздуха выходят за пределы допустимых значений, то из них выбирается расход с наибольшим выходом по модулю.

12. ««<N+2».

Уточнение режима. Если «Да», то проводится «вариация» очередного регулятора, если «Нет», то все данные для расчёта матрицы производных уже сформированы и можно переходить к анализу.

13. «Кп.1=Яп.1+ЬКп-1».

«Вариация» очередного регулятора. В режиме расчёта должен быть порядок 1/10 - 1/100 от сопротивления выработки, в которой установлен регулятор. В интерактивном режиме значение ЬЯп-1 должно быть существенно больше вплоть до полного закрытия или открытия регулятора.

14. «Цикл «=1 N у=1 /».

Цикл по всем регуляторам и всем расходам с целью формирования массива производных. После окончания цикла - сортировка массива.

15. « Б«. =—— ».

« ^п

Массив производных: по строкам - расходы, по столбцам - сопротивления.

I

16. «Сортировка массива по убыванию производных Бпу  Бщ ».

Элементы массива в каждом столбце сортируются в порядке убывания сверху вниз. Между столбцами никаких перестановок не происходит. Бщ - отсортированный массив. В нём в верхней строке стоят наиболее «действенные» производные, во второй - «меньше», в третей - «ещё меньше» и т.д. Необходимость такой сортировки обусловлена следующим сценарием процедуры управления. Для «ликвидации» «выходов QJ» в первую очередь используются наиболее действенные регуляторы «первого эшелона» (первой строки), затем, когда их возможности будут исчерпаны, подключается «второй эшелон» и т.д. Только такая очерёдность обеспечивает нормальную и относительно быструю сходимость процедуры управления.

17. «Цикл т=1Д».

После формирования отсортированного массива производных запускается циклическая процедура проверки предполагаемого шага по сопротивлению одного из регуляторов. Если выхода из цикла не происходит, то это означает, что регуляторы свои возможности исчерпали и не могут обеспечить допустимое воздухораспределение для последнего значения депрессии ГВУ.

18. «ДР=ДР+5Р».

Последнее понижение депрессии отменяется. Отменяются также последние изменения сопротивлений регуляторов.

DQi

19. « DRn ».

Г1т п

°mi

Расход воздуха с наибольшим выходом за пределы допустимого диапазона «загоняется в рамки» с помощью очередного наиболее действенного регулятора.

20. «Rn  min(Rn ) или max(Rn )».

пт пт пт

Если регулятор находится в одном из крайних положений и «желает сдвинуться» ещё дальше («Да»), то на данном этапе он свои возможности исчерпал, и на очереди следующий регулятор (очередной виток цикла т, если «Нет», то - следующая проверка.

21. « min(Rn ) < Rn + DRn < max( Rn )».

т т т т

Если предполагаемое изменение регулятора за пределами его возможностей («Нет»), то изменение устанавливается таким, чтобы регулятор полностью открылся, или закрылся. И в случае «Нет» с изменением, и в случае «Да» без изменения - следующая проверка.

22. «Цикл у=1, J».

Перебор по всем расходам с декларируемыми диапазонами. Если выхода из цикла не произойдёт, то проверка произведена, и делается расчётный предполагаемый шаг по сопротивлению одного из регуляторов.

23. «min(Qj) < Qj + DRnm < max(Qj)».

Проверка того, не выйдут ли значения расходов воздуха при очередном предполагаемом шаге по сопротивлению одного из регуляторов за пределы допустимых диапазонов. Если условие выполнено («Да»), то проверяется следующий декларируемый расход (шаг по j), если «Нет», то изменяет положение следующий регулятор (шаг по n).

24. «Rn-1=Rn-1+ARn-1».

Если все условия пройдены и предполагаемый расчётный шаг ARn-1 противоречий не вызывает, то он делается. Ключ режима сбрасывается n=1, и происходит возврат к блоку расчёта или считывания расходов.

Алгоритм протестирован и опробован на схеме сети калийного рудника БКПРУ-2 ОАО «Уралкалий». Анализ результатов расчёта показывает, что при удачной расстановке отрицательных регуляторов численное манипулирование их сопротивлениями позволяет снизить депрессию ГВУ более чем в 2 раза при сохранении нормативного воздухораспределения. Полученные результаты и их анализ подтверждают целесообразность и перспективность развития методов оптимального регулирования проветривания рудников как энергосберегающих технологий, на основе которых должна строится САУП. Оптимальное управление воздухораспределением реализовано численно в качестве отдельного модуля в программном комплексе «АэроСеть», созданном в лаборатории аэрологии и теплофизики Горного института УрО РАН [9].

Список литературы

1. Цой С. Автоматическое управление вентиляционными системами шахт. Алма-Ата: Наука, 1975. С. 336.

2. Абрамов Ф.А., Бойко В. А. Автоматизация проветривания шахт. Киев: Наукова думка, 1967. С. 312.

3. Бахвалов Л. А. Синтез алгоритмов адаптивного управления проветриванием метанообильных угольных шахт: дис. ... д-ра техн. наук. М., 1989.

4. Абрамов Ф. А. Рудничная аэрогазодинамика. М.: Недра, 1972.

5. Цой С., Цхай С. Электронно-вычислительная техника в вентиляционной службе шахт. Алма-Ата: Наука, 1966.

6. Пучков Л. А., Бахвалов Л. А. Методы и алгоритмы автоматического управления проветриванием угольных шахт. М.: Недра, 1992.

7. Тян Р. Б., Потемкин В. Я. Управление проветриванием шахт. Киев: Наукова думка, 1977.

8. Местер И. М. Расчет вентиляции шахт на персональных компьютерах методом самонастраиваемых обратных операторов // Изв. вузов. Горный журнал, 1989. № 3. С. 56 - 62;

9. Разработка программно-вычислительного комплекса АэроСеть для расчета вентиляционных сетей шахт и рудников / Ю.В. Круглов [и др.]// Материалы международного научного симпозиума «Неделя горняка - 2006». М.: Изд-во МГГУ, 2006.

B.P. Kazakov, A. V. Shalimov

DEVELOPMENT of ENERGY-SAVING AUTOMATIC CONTROL OF AERATION

MINES

Development of automatic system for control of aeration mines based on minimizing load on the main ventilation installation was shown. The mathematical structure of control algorithm with analyzing each of the stages was described. On the basis of the results of numerical experiment shows that the expected energy savings since the introduction of the automatic control of aeration mines could be 50 % or more.

Key words: management, aerodynamic resistance, depression fan, recycling, optimum control, negative regulators, minimization of power.

Получено 24.11.11