Система управления электроприводами приточно-вытяжной вентиляции обогатительных фабрик

- © В.Н. Фащиленко,

С.В. Варфоломеев, 2015

УДК 622:621.31

В.Н. Фащиленко, С.В. Варфоломеев

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ ПРИТОЧНО-ВЫТЯЖНОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ОБОГАТИТЕЛЬНЫХ ФАБРИК

Рассмотрена модель системы управления приточно-вытяжной. Поставлены основные задачи и требования, предъявляемые к промышленным системам вентиляции. Разработаны структура и алгоритм работы системы управления. Ключевые слова: электрический привод, нечеткая логика, приточно-вытяжная вентиляция.

Обогатительная фабрика является энергоемким технологическим комплексом, в котором используются дробильно-сортировоч-ные, гравитационные, промывочные, флотационные технологии и процессы магнитного обогащения полезного ископаемого. Каждая стадия технологического процесса сопровождается выбросами вредных веществ в рабочую (технологическую) зону, таких как пыли и газы, а также сопровождается повышением влажности в процессе переработки сырья.

Современная система приточно-вы-тяжной вентиляции на обогатительных фабриках должна не только поддерживать санитарные нормы, предъявляемые государственными нормативными документами и создавать комфортные условия для персонала на рабочих метсах, но и технически справляться с критическими и аварийными ситуациями, возникающими в ходе технологических процессов.

Основная сложность в создании и реализации такой системы заключается в многочисленности факторов влияющих на микроклимат технологической зоны и безопасность рабочего персонала. Особенно, когда изменение одного фактора приводит к изменению другого, либо изменение фак-

торов не связанных между собой, но которое может привести к возникновению опасных ситуаций, из-за чего возникает необходимость в изменении режима работы системы посредством исполнительных механизмов.

Основным исполнительным механизмом в системе вентиляции, работа которого непосредственно влияет на состояние системы в целом, является электропривод приточных и вытяжных вентиляторов. Регулирование, которого позволяет не только поддерживать нормальные условия состояния микроклимата в технологической зоне, но и предотвращать или устранять опасные условия состояния внутрипроизводственной атмосферы.

Основными факторами, которые влияют на состояние микроклимата технологических помещений, являются температура (£), влажность воздуха (ф), скорость движения подаваемой воздушной массы (у), концентрация вредных примесей в воздухе рабочих зон (К), а так же давление (Р), искусственно создаваемое в результате работы приточных и вытяжных вентиляторов. Если изменение температуры и влажности воздуха в основном протекает постепенно и без резких колебаний, что подразумевает под собой спокойный режим работы

Рис. 1. Структурная схема управления системой вентиляции обогатительной фабрики

системы, то изменения содержания вредных примесей в воздухе рабочей зоны и их предельно-допустимой концентрации (ПДК) спрогнозировать не представляется возможным. Тогда к работе системы возникает требование минимизации времени регулирования переходного процесса, так как ПДК зависит не только от ведения технологических процессов предусматривающих выбросы вредных веществ (ВВ) в воздух рабочей зоны и от проводимых ремонтных работ, но и от возможных аварийных ситуаций на производстве.

При изменении факторов микроклимата необходимо учитывать их соотношение с нормально-допустимыми значениями и скорости их изменения.

Следует отметить, что области допустимых значений параметров состояния воздуха технологической зоны, могут не совпадать друг с другом во времени. Когда значение параметров выходят за оптимальные или допустимые пределы, возникает задача оценки текущего состояния и управления системой.

Задача управления заключается в обеспечении нормальных условий

прибывания в рабочей зоне, удолетворяющих государственные стандарты (ГОСТ) и санитарные правила и нормы (СанПиН), при минимизации затрат электроэнергии системы «электропривод-вентилятор-калориферная установка».

Особенность задач заключается в том, что условия определяются вектором параметров размерностью т х п, где: т - типы параметров; п - точки измерения [1].

На рис. 1 можно выделить отдельные области множества значений, определяющих качество состояния рабочей зоны, границы которых размыты, что требует, для построения системы управления объектом, применения основ теории нечетких множеств [2, 3]. Для различных зон необходимы различные законы регулирования.

Для их определения вводим следующие понятия:

Т - область допустимых температур воздуха рабочей зоны, в интервале 1 п

А <1ТТ < В;

п 1=1

где А( и Б( - нижние и верхние допустимые значения по температуре, ус-тановленых по СанПиН 2.2.4.548-96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений» [4];

С - область ПДК вредных веществ в воздухе, в интервале

1 п

А < п ТС < В;

п 1=1

где Ас и Вс - нижние и верхние допустимые значения по концентрации ВВ. При условии, установленным ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитар-

но-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны» [5], что сумма концентрации всех веществ:

К1 К2 К

-+-+ ...+-^ <1

ПДК1 ПДК2 ПДКп ;

ф - область допустимого содержания относительной влажности воздуха, в интервале

Д„ <1 Уф, < Бф ;

ф п ^ ф;

111=1

где А и В - нижние и верхние до-

ф ф „

пустимые значения относительной влажности, установленых по СанПиН 2.2.4.548-96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений»;

Р - область допустимого давления в рабочей зоне, в интервале

1 п

Ар < - УР < Бр ;

пи

где АР и ВР - нижние и верхние допустимые значения по давлению в рабочей зоне, установленых по СанПиН 2.2.4.548-96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений».

На структурной схеме представлен блок управления (БУ), состоящий из нечеткого контроллера (НК) и регуляторов: Рк - регулятор калориферной установки (К); Рп1 и Рп2 - регуляторы электроприводов приточного (ЭП1) и вытяжного вентилятора (ЭП2). На входы БУ поступет информация о текущем состоянии объекта управления системы вентиляции и микроклимата технологической зоны. Параметры воздуха рабочей зоны, где t - температура, Спдк - предельно-допустимая концентрация вредных веществ в воздухе рабочей зоны, Р - создаваемой давление и ф - относительная влажность воздуха, представлены в виде областей допустимых значений.

Анализируя значения параметров, мы выводим функции принадлежно-

сти для каждой области и их весовое значение. Для этого в блоке управления используется контроллер на базе нечеткой логики.

В блоке нечеткого контроллера числовые значения параметров переводятся в лингвистические переменные. Путем фазификации - преобразованием множества значений аргумента в некоторую функцию принадлежности, создается база правил. Далее кооперируя нечеткие логические выводы, формируется база законов регулирования и в зависимости от функции принадлежности выбираются нужные законы управления, которые реализуются с помощью регуляторов. Регуляторы вырабатывают сигналы задания на исполнительные механизмы, тем саммы переводя их на требуемый режим работы.

При построении базы для каждого закона регулирования в зависимости от изменяемого параметра, параметрам необходимо присваивать свой весовой коэффициент, который позволит определить наиболее значимый режим работы в зависимости от условий изменения факторов. Как пример можно рассмотреть совпавшее по времени отрицательное изменение температур от оптимальных и положительное изменение ПДК ВВ в воздухе рабочей зоны от минимального содержания. В таком случае закон регулирования зависимый от ПДК ВВ примет весовую характеристику большую, чем закон, связанный с изменением температуры. Данное условие позволяет первоначально выполнить задачу поставленную перед блоком управления, пренебрегая в определенное время одним фактором, но вывести в нормальное состояние другой фактор, определенный как более важный или опасный. Если понижение температуры в рабочей зоне несет менее опасный характер, то повышение содержания вредных веществ в воздухе

Рис. 2. Диаграмма общего состояния температуры рабочей зоны

Рис. 3. Изменения подачи вентиляторной установки в зависимости от состояния ПДК ВВ и температур

рабочей зоны, может представлять опасность не только для жизни человека, но и для производственного комплекса в целом.

Далее на рис. 2 и 3 изображены диаграммы, которые были построены в програмной среде MATLAB на основе значений параметров, полученных экспериментальным путем.

На рис. 2 приведена диаграмма общего состояния температуры рабочей зоны. Для ее построения использовался програмный пакет Fuzzy Logic Toolbox.

В исследовании рассматривалось возможное состояние температур в четырех равноудаленных точках помещения, и все возможные значения

были внесены в блок редактора общих свойств системы (Р1Б-редактор). Затем были выведены логические условия общего состояния температур для всех возможных значений в каждой точке и построена диаграмма общего состояния температур.

Для создания базы правил необходимой подачи воздушной массы в рабочую зону использовались значения ранее полученных условий состояния температур рабочей зоны и значения возможных ПДК ВВ в области рабочей зоны. Для исследования были взяты расчетные характеристики вентиляторной установки типа ВР-80-75 № 16 оснащенной частотно-регулируемым электроприводом с

Ввод параметров микроклимата (С:Т; Р;<|»

Фильтрация сигналов

{=1

I

Закон \ шровэнмя при минимальной 1]ДК" ВВ

Рис. 4. Програмный алгоритм работы блока управления

асинхронным электродвигателем типа 5АМ280М10 приводимым в действие от преобразователя частоты типа ДТУ71И045Н4 фирмы «Шнайдер электрик» [6].

По выведенной диаграмме, представленной на рис. 3, можно наблюдать характер изменения необходимой подачи воздушной массы в область рабочей зоны, в зависимости от

Рис. 5. Программный алгоритм работы блока управления

состояния параметров температуры и ПДК ВВ.

После построения базы правил и выведения логических условий со-

стояния исследуемых параметров, был разработан програмный алгоритм работы системы, приведенный на рис. 4 и 5.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Изерман Р. Цифровые системы управления: пер. с англ. - М.: Мир, 1984.

2. Бондарь Е.С., Гордиенко А.С., Михайлов В.А., Нимич Г.В. Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха / Под ред. Е.С. Бондаря. - Киев: ТОВ «Видав-ничий Будинок «Аванпост-Прим», 2005.

3. Решетняк С.Н. К вопросу использования фаззи-логики для управления электроприводами горных машин // Горный информационно-аналитический бюллетень. ОВ 4.

Электрификация и энергоэффективность. -2011. - С. 202 - 204.

4. ГОСТ 12.1.005. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.

5. СанПиН 2.2.4.548-96. Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений.

6. Фащиленко В.Н. Регулируемый электропривод насосных и вентиляторных установок горных предприятий: Учебное пособие. - М.: Изд-во «Горная книга», 2011.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_

Фащиленко Валерий Николаевич - доктор технических наук, профессор, e-mail: vnf48@mail.ru,

Варфоломеев Сергей Владимирович - аспирант, e-mail: wizup@mail.ru, МГИ НИТУ «МИСиС».

UDC 622:621.31

DRIVE CONTROL SYSTEM FOR SUCTION-AND-EXHAUST VENTILATION OF PROCESSING PLANTS

FashchUenko V.N., Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail: vnf48@mail.ru,

Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», Moscow, Russia,

Varfolomeev S.V., Graduate Student, e-mail: wizup@mail.ru,

Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», Moscow, Russia.

Under analysis is the model of control system for suction-and-exhaust ventilation. The key tasks and requirements for an industrial ventilation system are defined. The structure and algorithm of the control system operation are developed.

Key words: electric drive, fuzzy logic, suction-and-exhaust ventilation.

REFERENCES

1. Izerman R. Tsifrovye sistemy upravleniya: per. s angl. (Digital control systems: English-Russian translation), Moscow, Mir, 1984.

2. Bondar' E.S., Gordienko A.S., Mikhailov V.A., Nimich G.V. Avtomatizatsiya sistem ventilyatsii i kon-ditsionirovaniya vozdukha. Pod red. E.S. Bondarya (Automation of ventilation and air conditioning systems. Bondar E.S. (Ed.)), Kiev, TOV «Vidavnichii Budinok «Avanpost-Prim», 2005.

3. Reshetnyak S.N. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten'. Special issue 4. Electrification and energy efficiency. 2011, pp. 202-204.

4. Obshchie sanitarno-gigienicheskie trebovaniya k vozdukhu rabochei zony. GOST 12.1.005 (General sanitary requirements for air in working area. State Standart 12.1.005).

5. Gigienicheskie trebovaniya k mikroklimatu proizvodstvennykh pomeshchenii. SanPiN 2.2.4.548-96 (Sanitary requirements for microclimate in production areas. Sanitary Regulations and Norms SanPiN 2.2.4.548-96).

6. Fashchilenko V.N. Reguliruemyi elektroprivod nasosnykh i ventilyatornykh ustanovok gornykh pred-priyatii: Uchebnoe posobie (Adjustable electric drive for fan installations in mines. Educational aid), Moscow, Izd-vo «Gornaya kniga», 2011.