CC BY
40
УДК 004.622.4
Л.А. Бахвалов, И.В. Баранникова, А.Т. Агабубаев
АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОВЕТРИВАНИЕМ
Проведен анализ современных систем автоматического управления проветриванием (САУП). Рассмотрены основные проблемы метанообильных шахт в России. Показаны общие характеристики и функции, которым должны отвечать современные САУП. Показана структура САУП, также подробно описаны составляющие части, входящие в состав структуры. Приведена схема технического обеспечения САУП, дающая полную картину, реализации на физическом уровне системы проветривания. В рамках вывода, авторами было предложено одно из направлений развития САУП.
Ключевые слова: система автоматического управления проветриванием, метано-обильные шахты, вентиляция угольных шахт, функциональная структура, программное обеспечение, техническое обеспечение.
Известно, что в России около 70% газообильных шахт, большая доля из которых приходится на Кузнецкий бассейн. Несмотря на все проводимые мероприятия, снижающие риск возникновения аварийных ситуаций, данный регион уверено «лидирует» на фоне других областей добычи угля по их количеству. За последние пять лет на территориях шахт «Кузбасса» произошло свыше 25 чрезвычайных ситуаций, повлекших за собой гибель около 150 чел.
Не смотря на бурное развитие технологий в горной области, вопрос о безопасности рабочего процесса горняков остается актуальным. Анализируя причины, приводящие к аварийным ситуациям, можно смело выделить основной фактор — взрыв метана. На метано-обильных шахтах данная проблема стоит на первом месте в списке проблем безопасности. Данный фактор представляет собой повышение метановыделения в
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-7-0-22-28
шахтную атмосферу, затрудняющий рост нагрузки на забой и освоение более глубоких горизонтов.
В большинстве случаев причинами взрыва на метанообильных объектах являются системы вентиляции, которые имеют недостатки в технической реализации своей работы. Проблема с проектированием систем проветривания, в итоге приводит к концентрации газа (метана) в трудно проветриваемых участках шахт. В случае ситуации, с несвоевременной выкачки, может произойти взрыв или серия взрывов, приводящие к большим материальным и финансовым потерям. Последствия приводят к полной остановке работы на участках выработки угля, а также к гибели рабочего персонала.
Ключевой проблемой угольной промышленности является метан. Без решения данной проблемы, не возможно свести к минимуму количество аварийных ситуациях на объектах по добыче
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 7. С. 22-28. © Л.А. Бахвалов, И.В. Баранникова, А.Т. Агабубаев. 2017.
угля. Проблема с метаном не дает возможности реализации безопасной и эффективной работы на угольных шахтах. Отсюда следует, что важнейшая роль в нормализации шахтной атмосферы ме-танообильных угольных шахт состоит в обеспечении безопасности ведения горных работ, создании нормальных климатических условий труда шахтеров принадлежит шахтной вентиляции [1].
Главной задачей вентиляции угольных шахт является обеспечение достаточным количеством воздуха всех рабочих мест и путей перемещения в подземных выработках, с целью сокращения до приемлемого уровня состава метана в атмосфере. Содержание метана не должно превышать (недопустимая концентрация):
• поступающая на выемочный участок, в очистные выработки, к забоям тупиковых выработок и в камеры — более 0,5%;
• исходящая струя крыла шахты — более 0,75%;
• исходящая из очистной или тупиковой — более 1%;
• места взрывных работ — до 1%;
• местное накопление — более 2%.
В современных шахтах рабочие объекты делятся на выемочные участки, которые имеют обособленное проветривание. Это позволяет проветривать свежим воздухом все забои, а также в случае взрыва или пожара на одном из участков, ядовитые газы не поступают в другие забои. При естественном распределении воздуха по параллельным направлениям количества воздуха, поступающего на участки, часто не соответствуют действительным потребностям. Для решения проблемы регулирования или перераспределения воздуха необходима автоматическая система, которая позволит проводить баланс чистого воздуха по участкам.
Система автоматического управления проветриванием (САУП) шахты предназ-
начена для централизованного контроля концентрации метана и расхода воздуха в горных выработках и автоматического управления поступлением воздуха на шахту и его распределения между выемочными участками, путем соответствующих воздействий на вентилятор главного проветривания и подземные регуляторы расхода воздуха, в целях поддержания необходимого вентиляционного режима [1].
Принимая во внимание идеологию АСУ, можно сделать вывод о том, что структуру системы автоматического управления проветриванием можно разделить на две части: функциональную и обеспечивающую.
Для представления функциональной структуры необходимо рассмотреть ряд функций, выполняемых системой автоматического управления проветриванием:
• сбор и контроль информации о состоянии параметров шахтной атмосферы и технических средств системы;
• анализ состояния проветривания и расчета управляющих воздействий;
• отображение информации о состоянии проветривания и информации о работе САУП;
• отработка управляющих воздействий техническими средствами САУП [2].
Исходя из функциональных требований к системе автоматического управления проветриванием, функциональную часть можно представить с помощью двух модулей:
• информационный;
• управляющий.
На рис. 1 представлена функциональная структура САУП, данная структура была разработана при работе над методами и алгоритмами автоматическим проветривание угольных шахт [1].
Обеспечивающая часть — совокупность программных и технических средств обеспечения системы автоматического управления проветриванием.
Информационный модуль
Регистрация скорости воздуха на выемочных участках с помощью ИСВ и ввод информации на ЭВМ Отображение информации на дисплее оператора САУП о концентрации метана, расходе воздуха на участках
Регистрация концентрации метана на выемочных участках с помощью ДМТ и ввода информации в ЭВМ Отображение информации о состоянии технических средств САУП на экране дисплея оператора САУП
Контроль положения штор РРВ с помощью датчиков ДПРРВ. Ввод информации в ЭВМ Запись информации об аэрогазодинамической обстановке в память ЭВМ
Контроль режимов ВГП: подача вентилятора, депрессия, частота вращения. Ввод информации в ЭВМ Формирование протоколов об аэрогазодинамической обстановке на АЦПУ
Контроль состояния каналов связи, датчиков. Контроль за срабатыванием АГЗ. Ввод информации в ЭВМ Ведение архива об аэрогазодинамической обстановке и работе САУП в память ЭВМ
Рис. 1. Функциональная структура САУП
Управляющий модуль
Предварительная обработка (фильтрация, сглаживание,
контроль, сжатие) оперативной информации
Анализ состояния проветривания, анализ состояния САУП, анализ состояния АГЗ
Формирование сообщения для отображения на дисплее диспетчера САУП состояния данной системы
Расчет управляющих воздействий в режиме автоматического управления
Прогноз состояния САУП при реализации выбранного
режима управления. Формирование сообщений на экран диспетчера САУП
Выбор диспетчером САУП режима управления системой: ручной или автоматический
Отработка управляющих воздействий на РРВ и РВГП в ручном режиме управления
Отработка управляющих воздействий на РРВ и РВГП в автоматическом режиме управления
Формирование протокола работы САУП на АЦПУ
Контроль за отработкой управляющих воздействий РРВ и РВГП
Техническое обеспечение представляет собой комплекс технических средств, на нижнем уровне которого находятся средства отбора информации. Средством отбора информации являются датчики измеряющие концентрацию метана и скорость воздуха, на участках ведущие выработку, в том числе ведется отбор информации по депрессии и по производительности вентиляторной установки. Практика показывает, что данные параметры имеют больший приоритет в реализации функции контроля, нежели другие, поскольку изменение, на небольшие значения, одного из выше перечисленных параметров введут к нестабильной ситуации на участке выработки.
Технические средства, необходимые для контроля указанных параметров в настоящее время выпускаются серийно,
соответствуют требованиям ГСП и имеют аналоговый унифицированный токовый сигнал. Так, для измерения концентрации метана могут быть использованы датчики метана аппаратуры «Метан» — ДМТ-1 или ДМТ-5 [3]. Непрерывный контроль расхода воздуха может быть осуществлен с помощью преобразования тахометрического ПТ измерителя скорости и направления движения воздуха типа ИСНВ. Датчики устанавливаются стационарно на исходящей струе каждого добычного участка и шахты в целом, в соответствии с правилами безопасности [4].
Структура технического обеспечения системы автоматического управления проветривания представлена на рис. 2: • ВГП — вентилятор главного проветривания;
Рис. 2. Структура технического обеспечения САУП
• РРВ — регулятор расхода воздуха;
• ШВС — шахтная вентиляционная сеть;
• УВК — управляющий вычислительный комплекс;
• ПД — программный диспетчер;
• ОСРВ — операционная система реального времени;
• НМД — накопитель на дисках.
Программное обеспечение САУП представляет совокупность общесистемных и прикладных программ. Особенностью программного обеспечения САУП является то, что при алгоритмической и программной реализации функциональной схемы САУП ряд функций объединен в одном программном модуле. Основным критерием такого объединения может служить критерий минимума обращения к внешним устройствам ЭВМ-датчикам, накопительным устройствам и исполнительным устройствам. Выполнение этого требования позволяет повысить быстродействие программного обеспечения [1].
Согласно [5], все совокупности программных модулей САУП разбиваются по группам на:
• программы и подпрограммы организации вычислительного процесса;
• функциональные программы, вызываемые периодически для реализации функций САУП;
• подпрограммы ввода и вывода;
• программы и подпрограммы контроля, тестирования, восстановления.
Главную роль в организации вычислительного процесса выполняет программный диспетчер, в его обязанности входит организация синхронизации вызовов программ и подпрограмм в соответствии с общесистемным алгоритмом управления. Также ведется контроль за распределением ресурсов вычислительной системы. Программное обеспечение САУП работает под управлением операционной системы ОСРВ, которая реализована совместно с диспетчером
памяти. Диспетчер устанавливает задачи в системе реального времени и инициализирует их посредством заданного интервала времени.
Проблема вентиляции метанообиль-ных шахт не теряет своей актуальности, с каждым годом технологии проектирования систем автоматического управления проветриванием совершенствуются. Разрабатываются новые алгоритмы контроля и управления проветриванием шахт, основным принципом данных алгоритмов является распознавание конкретной газовой ситуации, а также параметры подачи воздуха в горные выработки. На сегодня существуют две концепции управления [5]:
• активное регулирование (изменение производительности вентиляторных установок);
• пассивное регулирование (воздействие на вентиляционную струю с помощью РРВ (регулируемая решетка вентиляции).
При создании систем автоматического управления проветривания, необходимо уделять внимания на каждый проектируемый элемент, поскольку важна каждая составляющая часть такой сложной системы. Разработка математической модели и алгоритмов представляется собой важной интеллектуальной часть САУП, она позволяет определять возможности в управлении аэрогазодинамикой.
Несмотря на положение современных шахт, системы вентиляции которые находятся на должном уровне, между тем их интеллектуальная часть слаба и во многом не соответствует задачам оперативного управления.
Приемлемым вариантом было бы создание САУП на шахтах, которые базировались на своей интеллектуальной части и для усиления всей системы, техническая часть построена на современных системах контроля метана и скорости воздуха.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пучков Л. А., Бахвалов Л. А. Методы и алгоритмы автоматического управления проветривания угольных шахт. — М.: Недра, 1992. — 389 с.
2. Пучков Л. А., Бахвалов Л. А., Кравченко А. Г. Математическое обеспечение системы автоматического управления проветривания газовых шахт // Известия вузов. Горный журнал. — 1987. — № 9. — С. 103—107.
3. Карпов Е. Ф., Баренберг И. А., Басовский Б. И. Автоматическая газовая защита и контроль рудничной атмосферы. — М.: Недра, 1984. — 221 с.
4. Оголобченко А. С., Левицкий Д. А. 3-я международная научно-техническая конференция аспирантов и студентов (Донецк, 14—15 мая 2003 г.). — Донецк, 2003. — 14 с.
5. Бахвалов Л.А. Синтез алгоритмов адаптивного управления проветриванием метано-обильных угольных шахт: Дис. докт. техн. наук. — М., 1989. — 123 с.
6. Петров Н. Н., Зырянов С.А. Система автоматизированного управления проветриванием шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2009. — ОВ 13. — С. 9—15.
7. Пшонко О. М. Галкин В. С. Белишев А.А. Перспективы развития автоматизированных систем аэрогазового контроля и управления технологическим оборудованием шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2006. — № 11. — С. 328—333.
8. Пучков Л. А., Федунец Н. И., Потресов Д. К. Автоматизированные системы управления в горнодобывающей промышленности. — М.: Недра, 1987
9. Wang Y. J. A nonlinear programming for mine Uentilion network with natural splitting // International Jornal of Rock Mechanica and Mining Scirncez 2, 1984. PP. 43—41.
10. Songtan Lu. The nodal method for calculating ventilation network / Use Comput. Coal Ind.: Proc. 3-rd Conf.,Morgantoun. W. Ua. 28—30 July. 1986. Rotterdam: Boston. 1986. Pp. 89—96.
11. Wang Y. J. Uentilion network threy / Mine Uentilion and dir Conditioning 2-nd edn. New-York, 1981. Pp. 492—501.
12. Ueng T. H., Wang Y. J. Analisis of Mine Uentilation network Using Nonlinear Programming Technigues // International Jornal of Rock Mechanica and Mining Sciencez 3. 1984. Pp. 245— 252. ЕШЗ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Бахвалов Лев Алексеевич1 — доктор технических наук, профессор, e-mail: [email protected],
Баранникова Ирина Владимировна1 — кандидат технических наук, доцент, e-mail: [email protected],
Агабубаев Аслан Такабудинович1 — студент, старший лаборант, e-mail: [email protected], 1 НИТУ «МИСиС».
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 7, pp. 22-28.
UDC 004.622.4
L.A. Bahvalov, I.V. Barannikova, A.T. Agabubayev
REVIEW OF THE MODERN SYSTEMS OF AUTOMATED VENTILATION CONTROL
This article analyzes the modern systems of automatic control ventilation (ACSA). The main problems metanoobilnosti mines in Russia. Showing common characteristics and functions to be fulfilled by modern ACSA. Saupe shows the structure, as described in detail components of a part of the
structure. The scheme of logistics ACSA, giving a complete picture, the implementation of the physical layer ventilation system. As part of the withdrawal, the authors were invited to one of the directions of ACSA.
Key words: automatic control of ventilation, metanoobilnosti mines, ventilation of coal mines, functional structure, software, technical support.
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-7-0-22-28
AUTHORS
Bahvalov L.A.1, Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail: [email protected], Barannikova I.V1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: [email protected], Agabubayev A.T1, Student, Senior Laboratory Assistant, e-mail: [email protected],
1 National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia.
REFERENCES
1. Puchkov L. A., Bakhvalov L. A. Metody i algoritmy avtomaticheskogo upravleniya provetrivaniya ugol'nykh shakht (Methods and algorithms of automated ventilation control in coal mines), Moscow, Nedra, 1992, 389 p.
2. Puchkov L. A., Bakhvalov L. A., Kravchenko A. G. Izvestiya vuzov. Gornyy zhurnal. 1987, no 9, pp. 103-107.
3. Karpov E. F., Barenberg I. A., Basovskiy B. I. Avtomaticheskaya gazovaya zashchita i kontrol' rudnichnoy atmosfery (Automated gas protection and mine air control), Moscow, Nedra, 1984, 221 p.
4. Ogolobchenko A. S., Levitskiy D. A. 3-ya mezhdunarodnaya nauchno-tekhnicheskaya konfer-entsiya aspirantov i studentov, Donetsk, 14—15 maya 2003 g. (3rd international scientific-technical conference of students and postgraduates, Donetsk, May 14—15, 2003), Donetsk, 2003, 14 p.
5. Bakhvalov L. A. Sintez algoritmov adaptivnogo upravleniya provetrivaniem metanoobil'nykh ugol'nykh shakht (Synthesis of algorithms of adaptable ventilation control in coal mines with high concentration of methane), Doctor's thesis, Moscow, 1989, 123 p.
6. Petrov N. N., Zyryanov S. A. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2009. Special edition 13, pp. 9—15.
7. Pshonko O. M. Galkin V. S. Belishev A. A. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2006, no 11, pp. 328—333.
8. Puchkov L. A., Fedunets N. I., Potresov D. K. Avtomatizirovannye sistemy upravleniya v gorno-dobyvayushchey promyshlennosti (Automated control systems in mining industry), Moscow, Nedra, 1987.
9. Wang Y. J. A nonlinear programming for mine Uentilion network with natural splitting. International Jornal of Rock Mechanica and Mining Scirncez, 2, 1984, pp. 43—41.
10. Songtan Lu. The nodal method for calculating ventilation network. Use Comput. Coal Ind.: Proc. 3-rd Conf.,Morgantoun. W. Ua. 28—30 July. 1986. Rotterdam: Boston. 1986, pp. 89—96.
11. Wang Y. J. Uentilion network threy. Mine Uentilion and dir Conditioning, 2-nd edn. New-York, 1981, pp. 492—501.
12. Ueng T. H., Wang Y. J. Analisis of Mine Uentilation network Using Nonlinear Programming Technigues. International Jornal of Rock Mechanica and Mining Sciencez, 3. 1984, pp. 245—252.
A
