Основы построения оптимальных систем автоматического управления проветриванием подземных рудников

УДК 622.4:681.51

Ю.В. Круглов, канд. техн. наук, ст. науч. сотр.

(Россия, Пермь, Горный институт УрО РАН),

Л.Ю. Левин, канд. техн. наук, ст. науч. сотр.

ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОВЕТРИВАНИЕМ ПОДЗЕМНЫХ РУДНИКОВ

Изложен подход к построению систем оптимального автоматического управления проветриванием шахт ирудников.

Ключевые слова: вентиляция, автоматическое управление, оптимизация, шахта, система.

Эффективное решение задач вентиляции современных подземных горнодобывающих предприятий немыслимо без широкого использования средств промышленной автоматизации, вычислительной техники и методов математического имитационного моделирования аэрогазодинамиче-ских процессов, происходящих в подземных рудниках. Увеличение объемов добычи руды и вызванное им увеличение потребности рабочих зон в свежем воздухе, разрастание вентиляционных сетей и использование систем управляемой рециркуляции, повышение требований к сбалансированному распределению воздушных масс между сегментами вентиляционных сетей и другие факторы делают управление воздушными потоками в вентиляционных сетях крупных рудников исключительно сложной задачей, эффективное и экономически целесообразное решение которой в рамках жестких требований к безопасности ведения горных работ представляется трудноосуществимым без использования средств автоматического управления.

Случаи использования средств автоматического и автоматизированного управления проветриванием подземных рудников в настоящее время весьма редки. Основная функция подобных систем, действующих на горнодобывающих предприятиях,— контроль параметров проветривания и в лучшем случае дистанционное ручное управление вентиляционными устройствами (вентиляторными установками и средствами отрицательного регулирования). Современный уровень развития горного производства предъявляет более высокие требования к системам управления вентиляцией рудников. Главнейшими требованиями являются:

1) обеспечение безопасности ведения горных работ;

2) экономическая эффективность;

3) отказоустойчивость и надежность.

Обеспечение безопасности ведения горных работ включает в себя быструю реакцию системы управления на изменение параметров провет-

ривания (концентрация токсичных и горючих газов, снижение количества свежего воздуха на участках вентиляционной сети и пр.) и автоматический перевод ее в режим, позволяющий привести параметры системы вентиляции в допустимые рамки.

Экономическая эффективность системы обеспечивает работу вентиляционных устройств (вентиляторные установки, регуляторы расходов воздуха и пр.) в режиме, позволяющем свести энергетические затраты на проветривание рудника к минимально возможным значениям.

Отказоустойчивость и надежность автоматической системы проветривания обеспечивают непрерывное, логически последовательное и удовлетворяющее предыдущим требованиям проветривание рудника как в случае выхода из строя отдельных компонентов системы, так и в аварийных ситуациях (например, при подземных пожарах).

Поскольку вентиляционные сети рудников являются в каждом случае индивидуальными, разработка конкретной оптимальной системы автоматического управления проветриванием требует решения комплекса задач, связанных с оптимальным выбором мест установки и типов регуляторов расходов воздуха, выбором способа регулирования производительности вентиляторных установок, определением динамических характеристик вентиляционной сети рудника, расчетом параметров рециркуляционных установок, оценкой экономической эффективности и целесообразности внедрения системы, расчетом ее надежностных характеристик, моделированием поведения системы в аварийный ситуациях и множеством других вопросов.

Все вышеперечисленные обстоятельства указывают на необходимость разработки совокупности математических алгоритмов, программных средств и практических методов построения оптимальных систем автоматического управления проветриванием подземных рудников, позволяющих эффективно и в полном объеме решать поставленные выше задачи управления вентиляцией рудников.

Управление воздушными потоками в вентиляционных сетях рудников может осуществляться следующими способами:

1) регулированием режима работы вентилятора главного проветривания (частотное регулирование, регулирование углом установки лопаток рабочего колеса);

2) регулированием частоты вращения шахтных подземных вспомогательных установок, работающих в режиме управляемой рециркуляции.

Цель автоматического оптимального управления воздухораспреде-лением в рудниках состоит в эффективном проветривании рабочих зон с максимальной экономией энергетических затрат на проветривание. Управляющий алгоритм автоматической системы управления проветриванием должен работать с использованием принципа оптимального управления

воздушными потоками в сети. Критерием оптимальности управления явля-ется минимизация мощности, потребляемой вентилятором главного проветривания (ВГП) и вспомогательными подземными вентиляторными рециркуляционными установками, работающих на главных направлениях. При этом расходы воздуха в рабочих зонах не должны быть меньше рас -четных (требуемых) значений. Эта цель достигается путем выбора соответствующего режима работы ВГП (частота вращения и угол установки лопаток) и оптимальной частоты вращения вспомогательных установок. Если в вентиляционной сети установлены автоматические вентиляционные ворота, (рис. 2), алгоритм выбирает их оптимальное положение, при этом устраняются «перекосы» (дисбаланс) в воздухораспределении.

Рис. 1. Конструкция автоматических вентиляционных ворот:

1 - анкерный блок с амортизатором; 2 - каркас двери;

3 - поворотная дверь срегулируемыми жалюзи;

4 - привод жалюзи и поворотной двери; 5 - калитка для прохода людей; 6 - герметизирующая перемычка;7- блок контроля иуправления

Опишем задачу оптимального управления воздухораспределения в вентиляционной сети рудника.

Дана расчетная вентиляционная сеть рудника:

О = {У,Б}

V = (у1,у2,...уп Б = (Ь1,Ь2,...Ьп

Я =

Р =( Р (Р1 )-Р2 () ,..Рп ( Рп ))Т

Ь1 = (^,^),.ьк * к

где О - граф сети, V - кортеж (упорядоченный массив) узлов, Б - кортеж ветвей, Я - вектор аэродинамических сопротивлений, Р - вектор напорных характеристик источников тяги; Ь1 - ветвь 1, начинающаяся в узле vj и заканчивающаяся в узле ук; Я1 - аэродинамическое сопротивление ветви /'; Р1 (01) - напорная характеристика источника тяги, установленного в ветви 1; п - число ветвей, т - число узлов сети.

Пусть ветвь с ВГП имеет номер К. Максимальную и минимальную частоту вращения рабочего колеса вентилятора (об/мин) обозначим через

Umax ,Umin 1

Пусть имеется вектор минимальных ограничений на расходы воздуха в ветвях (расчетные количества воздуха, устанавливаемые диспетчером на основании расчета количества воздуха, или уставки):

Qmin =

Роль данных ограничений на практике играют требуемые (расчетные) количества воздуха в ветвях сети. В процессе решения задачи выполняются условия на значения переменных - расходов воздуха в ветвях:

Qi > QminVi e1...n.

Оптимизация с учетом (1) - (3) должна производиться по критерию минимизации мощности, потребляемой ВГП и вспомогательными вентиляторными установками:

N = N

iGC

где N — целевой функционал, заданный суммой мощностных характеристик ВГП (зависимость мощности, потребляемой электроприводом, от объемного расхода воздуха в данной ветви) и вспомогательных вентиляторных установок.

Таким образом, задачу оптимального управления воздухораспреде-лением (1) - (4) можно сформулировать следующим образом. Необходимо определить частоту вращения рабочего колеса вентилятора ВГП u (об/мин), угол установки лопаток рабочего колеса а и частоту вращения рабочих колес вспомогательных вентиляторных установок UBcn0M =(uBcn0Mluвспом2...), а также положения автоматических вентиляционных ворот, при которых суммарная мощность, затрачиваемая на проветривание

рудника, будет минимальной; при этом расходы воздуха в ветвях должны либо соответствовать расчетным, либо превышать их, т. е. должны соблюдаться условия (3).

Алгоритм оптимального управления воздухораспределением должен обеспечивать минимизацию целевого функционала (4) и выбор вектора скоростей вспомогательных установок ивспом, частота вращения главного вентилятора и и угол установки его лопаток а, а также положения ворот при выполнении условий (3).

Выходными данными алгоритма оптимального управления воздухораспределением являются частота вращения рабочего колеса вентилятора ВГП и (об/мин), угол установки лопаток рабочего колеса а и частоты вращения колес вспомогательных вентиляторов ивспом, при которых мощность, затрачиваемая на проветривание рудника, будет минимальной; при этом расходы воздуха в ветвях должны либо соответствовать расчетным количествам воздуха, либо превышать их.

Алгоритм оптимального управления, укрупненная блок-схема которого приведена на рис. 2, работает следующим образом. Происходит считывание вектора 0 с датчиков, установленных в руднике, при этом сетевая модель (1) не учитывается, что позволяет алгоритму функционировать в режиме, не зависящем от точности определения аэродинамических сопротивлений ветвей Я, что значительно повышает надежность автоматической системы проветривания рудника.

Аэродинамические процессы в руднике носят стохастический характер, и сопротивления участков вентиляционной сети рудника могут меняться как скачкообразно, так и с небольшой скоростью:

Я = Я

Система оптимального управления проветриванием периодически должна решать задачу идентификации аэродинамических сопротивлений ветвей Я, однако обеспечить непрерывное соответствие информации об аэродинамических сопротивлениях ветвей их реальным значениям вряд ли возможно. Поэтому для плавного регулирования воздухораспределения необходим режим работы алгоритма оптимального управления, позволяющий независимо от точности параметров Я вырабатывать оптимальное управляющее воздействие на управляемые устройства системы: ВГП (выходная частота преобразователя частоты и угол установки лопаток рабочего колеса) и вспомогательные вентиляторные установки (выходная частота преобразователей частоты этих установок).

Рис. 2. Укрупненная блок-схема алгоритма оптимального управления воздухораспределением

Алгоритм, приведенный на рис. 2, позволяет достигать поставленной цели оптимального управления в кратчайшие сроки и с высокой точностью.

Y. Kruglov, L. Livin

Principals creating optimal systems of automatic control by mining ventilation Approach to creating systems of optimal automatic control by ventilating mines is described.

Key words: ventilation, automatic control, optimization, mine, system.

Получено 22.09.10