CC BY
16
--© С.З. Шкундин, B.B. Стучилин,
A.B. Воронцов, С.И. Буянов, 2015
УДК 50.43.17: 59.31.31
С.З. Шкундин, В.В. Стучилин, А.В. Воронцов, С.И. Буянов
АВТОМАТИЗАЦИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ШАХТ РФ
Рассмотрены вопросы автоматизации современного метрологического обеспечения угольных шахт РФ. Подробно показан процесс создания автоматизированной аэродинамической установки для поверки и калибровки анемометров с расширенным диапазоном скоростей. Представлены методы выбора оптимального аппаратного обеспечения для аэродинамических установок с учетом максимальной необходимой скорости газовоздушного потока. В качестве альтернативы использования персональных компьютеров для организации человеко-машинного интерфейса предложено использование промышленных программируемых логических контроллеров. Отдельно рассмотрены особенности калибровки и поверки шахтных анемометров, а также вопросы расчета параметров основных узлов аэродинамических установок.
Ключевые слова: аэродинамическая установка, акустический анемометр, поверка, калибровка, автоматизация, центробежный вентилятор, программируемый логический контроллер, аппаратно-программный комплекс, информационно-измерительная система.
В настоящее время в России активно ведется добыча полезных ископаемых, в том числе и на угольных шахтах.
Шахтная атмосфера представляет собой смесь атмосферного воздуха и газов, выделяющихся в шахте, которая заполняет горные выработки. Основные составляющие шахтной атмосферы: кислород, азот, углекислый газ, так же в ней могут присутствовать ядовитые и взрывоопасные газы. В связи с этим задача контроля вентиляции в шахте получает большую актуальность. Возникает потребность установки в шахтах современного вентиляционного оборудования, которое позволило бы обеспечить безопасность ведения горных работ. Одним из приборов контроля шахтной вентиляции является анемометр, который представляет собой электронный прибор, определяющий скорость воздушного потока [1].
Эксплуатация анемометров, равно как и других измерительных приборов, сопряжена с калибровкой и регулярным прохождением поверки, которые являются длительным рутинным операциями. При зрительной сверке показаний и ручном внесении их в таблицу результатов, сотрудниками могут допускать ошибки, которые серьезно влияют на качество поверки и точность показаний поверенных приборов. Устранить большую часть подобных ошибок возможно автоматизировав подобные операции.
Более 30 лет назад в лаборатории средств аэрометрического контроля Московского государственного горного университета под руководством профессора Шкундина С.З. была разработана аэродинамическая установка, совмещавшая в себе источник потока (вентилятор) и образцовый анемометр [2].
Данная установка обеспечивала диапазон скоростей от 0,1 м/с до 20 м/с. На момент разработки не существовало эффективной технологии управления асинхронными электродвигателями, поэтому в конструкции был применен коллекторный электродвигатель. Применение коллекторного электродвигателя в составе аэрометрической установки создает ряд трудностей. В первую очередь они связаны с недостаточным диапазоном оборотов, в котором можно регулировать коллекторный электродвигатель, что, в свою очередь, приводит к недостаточности диапазона создаваемых установкой скоростей. Для достижения нижней границы диапазона скоростей конструкторы установки были вынуждены применить электрически управляемые заслонки, которые создавали дополнительную утечку и позволяли изменять соотношение потока, получаемого вентилятором из канала трубы и из заслонок. Однако, применение заслонок усложняет конструкцию и методику поверки, а главное, увеличивает погрешность установки, так как утечки через заслонки весьма нестабильны. Кроме того такую конструкцию сложно автоматизировать.
Появление частотных преобразователей кардинально изменило ситуацию. Они позволяют регулировать обороты асинхронного электродвигателя в диапазоне 1:500, что позволяет обеспечить требуемый (и даже более широкий) диапазон скоростей без применения заслонок.
Возрастающие требования к шахтным анемометрам, потребность в измерении скорости метана на выходе дегазационных скважин, выдвинули новые требования к аэродинамическим установкам. Уже сейчас некоторые модели анемометров работают в диапазоне до 50 м/с и намечается тенденция к его дальнейшему расширению [3]. Таким образом, было принято решение представляется о разработке аэродинамической установки, работающей в расширенном диапазоне скоростей (от 0,1 м/с до 60 м/с).
Принцип действия установки заключается в создании в аэродинамической трубе воздушного потока, который воздействует на измерительный преобразователь поверяемого средства измерений, устанавливаемого в измерительном участке установки (см. рис. 1).
Установка состоит из механического модуля, частотного преобразователя и блока электронного управления. Механический модуль состоит из вентилятора, рабочей камеры, сопла, изготовленного по профилю проф. Витошинского, станины, защитного кожуха [4].
Достижение и поддержание заданной скорости потока осуществляется блоком электронного управления. Блок элек-
тронного управления выполняет расчет необходимой скорости вращения асинхронного двигателя, управляет частотным преобразователем, обеспечивая, таким образом, точность и стабильность скорости потока воздуха.
Установка имеет открывающуюся рабочую камеру для установки анемометров с габаритными размерами до 100 мм.
Конструкция установки может включать в себя встроенный анемометр. В этом случае точное значение скорости потока отображается на индикаторе блока управления [5]. Внешний вид установок показан на рис. 2.
Основные метрологические и технические характеристики установки представлены в табл. 1.
Рис. 2. Внешний вид аэродинамической установки
Таблица 1
Характеристики аэродинамической установки
Наименование параметра Значение параметра
Диапазон воспроизведения скорости воздушного потока (V), м/с от 0,1 до 60
Пределы допускаемой абсолютной погрешности при измерении скорости, м/с ± (0,015 + 0,015^
Диапазон температур окружающей среды, °С от 10 до 30
Диапазон атмосферного давления, кПа от 84 до 106,7
Относительная влажность воздуха при температуре до 35 °С (без конденсации влаги), %, не более 90
Окончание табл. 1
Наименование параметра Значение параметра
Диаметр рабочей камеры, мм 100
Потребляемая мощность от сети переменного тока напряжением 380 В и частотой 50 Гц, В-А, не более 2000
Габаритные размеры (длина х ширина х высота), мм, не более: 3000х800х800
Масса, кг, не более 200
Средний срок службы, лет 10
Средняя наработка до отказа, ч, не менее 15000
Наиболее сложной задачей, от решения которой в значительной степени зависит успех разработки, является правильный выбор вентилятора, способного обеспечить максимальную скорость. Прежде чем приступить к выбору вентилятора, необходимо определить требуемый расход и компрессию [6]. Зная внутренний диаметр установки, легко определить расход по следующей формуле:
Q = D j (1)
где V- скорость потока (V = 60 м/с); D - внутренний диаметр воздуховода (D = 100 мм).
Таким образом, требуемый расход воздуха Q = 0,47 м3/с= = 28,3 м3/мин.
Компрессия должна быть не менее суммарной депрессии воздуховодов установки. Депрессию можно вычислить аналитически, однако, более точный и надежный метод определения депрессии это моделирование будущей установки при помощи методов вычислительной газодинамики (см. рисунок 3). Этот метод дает наиболее близкие к реальности результаты и позволяет учесть сложную геометрию объектов.
В качестве среды моделирования был выбран инструмент Flow Simulation, входящий в пакет программ SolidWorks. Этот пакет совмещает в себе простоту использования и широту возможностей, а также возможность использовать всю мощь среды геометрического моделирования SolidWorks.
Рис. 3. Распределение скоростей в аэрометрической установке
Рис. 4. Распределение давлений в аэрометрической установке
Рис. 5. Нагрузочные характеристики вентиляторов
1,2
1,1
0,9
0,8
0,7
0,6
/
10
20
30
40
Рис. 6. Калибровочная кривая аэродинамической установки
- » ♦ « > ф 4
50 60 70
В результате проведенного моделирования была определена искомая депрессия, которая составила приблизительно 2,4 кПа (см. рис. 4).
Следовательно, необходимо подобрать вентилятор с расходом не менее 28 м3/мин и компрессией не менее 2,4 кПа при данном расходе. Такие величины компрессии крайне трудно обеспечить при помощи осевого вентилятора, поэтому выбор пал на центробежные. Из всего многообразия выпускаемых центробежных вентиляторов наилучшим образом данным требования удовлетворяют вентиляторы серии HDR 16TFU фирмы «Electror». При наложении требуемой рабочей точки на нагрузочные характеристики (см. рис. 5) вентиляторов данной серии видно, что модель HDR 16TFU-105/3 полностью обеспечивает необходимые величины расхода и компрессии с небольшим запасом.
Заключительным этапом разработки аэродинамической установки являлась калибровка с использованием эталонных средств измерения [7]. Калибровка установки осуществлялась при помощи трубки Пито и микроманометра МКВ-250-0.02 на диапазоне скоростей от 3 м/с до 60 м/с. На скоростях от 0,1 м/с до 3 м/с при помощи эталонного термоанемометра ЭА-70. На рис. 6 представлена калибровочная кривая, котороая затем была переведена в функцию и прошита в контроллер аэродинамической установки. В результате проделанной работы была созданы автоматизи-рованная аэродинамическая установка с расширенным диапазо-ном скоростей.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шкундин С.З. Физико-техническое обоснование акустического контроля скоростей газовоздушных потоков в системах обеспечения безопасности шахт. докторская диссертация. МГГУ. 1990.
2. Румянцева В.А. Совершенствование средств измерения аэродинамических параметров вентиляционных систем. Канд. дис. 2001.
3. Ушаков К.З., Бурчаков А.С., Пучков Л.А., Медведев И.И. Аэрология горных предприятий. -М: Недра, 1987.
4. Установка аэродинамическая А-02вм. Руководство по эксплуатации 4311-001-80705693-2013 РЭ.
5. Установка аэродинамическая А-02вм. Технические условия 4311001-80705693-2013 ТУ.
6. Нестеров А.Л. Проектирование АСУТП. - М: Издательство: ДЕАН, 2006 г.
7. Шишмарев В.Ю. Автоматика. - М: Издательство: Академия, 2008 г. н'.мз
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Шкундин Семен Захарович — доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой, shkundin@mail.ru,
Стучилин Владимир Валерьевич — кандидат технических наук, доцент, vladimir@stuchilin.com,
Воронцов Аркадий Викторович — ст. преподаватель, vorontsov.ark@gmail.com, Буянов Сергей Игоревич — ст. преподаватель, buyanovs@mail.ru, Горный институт НИТУ «МИСиС».
UDC 50.43.17: 59.31.31
AUTOMATIZATION OF THE RUSSIA COAL MINES SAFETY METROLOGY SUPPORT
Shkundin S., Head of Department of Information Systems, Ph.D, Professor, shkundin@mail.ru, Mining Institute, National University of Science and Technology "MISIS", Moscow, Russia.
Stuchilin V., associate professor, Department of Information Systems, Ph.D, associate professor, vladimir@stuchilin.com, Mining Institute, National University of Science and Technology "MISIS", Moscow, Russia.
Vorontsov A., lecturer, Department of Information Systems,, vorontsov.ark@gmail.com, Mining Institute, National University of Science and Technology "MISIS", Moscow, Russia. Buyanov S., lecturer, Department of Information Systems, buyanovs@mail.ru, Mining Institute, National University of Science and Technology "MISIS", Moscow, Russia.
Aspects of modern Russia coal mines anemometry metrology support are considered. The process of automated air dynamics installation for checking and graduation of anemometers with widened range is described in details. The methods for air metric installations hard ware support choice are presented with taking into consideration the velocity range maximum. As an alternative to PC for person-computer interface the usage of industry logical programmed controllers are offered. The peculiarities of checking and graduation for mines anemometers as well as main modules of air dynamics installation projecting are separately considered.
Key words: Air dynamics installation, acoustics anemometer, checking, calibration, automatization, centrifugal fan, programmed logical controller, apparatus-program complex, information-measurement system.
REFERENCES
1. Shkundin S.Z. Physical and technical substantiation for acoustics air gas flow rates control in coal safety support sistems. Dissertation, Moscow State Mining University. 1990.
2. Rumyanceva V.A. Perfection of the ventilation systems air dynamics parameters measurement. Dissertation, Moscow State Mining University. 2001.
3. Ushakov K.Z., Burchakov A.S., Puchkov L.A., Medvedev I.I. Aerology of mining enterprises. Publishing house: Nedra, 1987.
4. Air dynamics installation A-02vm, manual. 4311-001-80705693-2013 RE.
5. Air dynamics installation A-02vm, technical conditions. 4311-001-80705693-2013 TU.
6. Nesterov A.L. Technology process cad-cam projecting. Publishing house: Dean. 2006.
7. Shishmarev V.Y. Automation. Publishing house: Academy, 2008.
