CC BY
116
СЕМИНАР 6
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -
2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© Д.В. Зедгенизов, 2001,
УДК 621.3.078: 622.44
Д.В. Зедгенизов
ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ШАХТНОГО ВЕНТИЛЯТОРА
О
сновная цель функционирования автоматизированных систем управления проветриванием опасных по газу угольных шахт - стабилизация концентрации метана (мета-носодержания) в исходящих из очистных и подготовительных выработок вентиляционных струях на допустимом по правилам безопасности уровне. Угольная шахта может быть представлена состоящей из двух существенно разно-инерционных объектов: аэродинамического и газодинамического [1]. Система автоматического управления (САУ) вентилятором главного проветривания (ВГП) может быть построена по двух-контурному принципу с внутренним контуром слежения за требуемым расходом воздуха, подаваемого вентилятором в шахту и внешним контуром стабилизации метаносодержания (рис. 1).
Цель статьи - анализ динамических режимов, возникающих в контуре регулирования производительности шахтного вентилятора главного проветривания, при действии управляющего (и^) и возмущающего (ДR) воздействий.
Система автоматического управления внутреннего контура должна обеспечить изменение
производительности ВГП (расхода воздуха, подаваемого в шахту) с требуемым быстродействием и качеством переходного процесса для компенсации возмущений, возникающих в аэро- и газодинамическом объектах. Исследованиями [ 2] установлено, что верхняя существенная граничная частота спектра возмущения (ДR) не превышает 0,5 рад/с, а полоса пропускания вентиляционной сети по управляющему воздействию лежит в пределах 0-1 рад/с. Следовательно, постоянная времени аэродинамического объекта по возмущающему воздействию ^ > 12,5 с.
Обработка показаний самопис-
А
цев концентрации метана лавы 5 -7-22 шахты «Распадская» позволила установить граничную частоту возмущающего воздействия газодинамического объекта ЮГР о = 0,0052 рад/с. Поэтому постоянная времени газодинамического объекта по возмущающему воздействию Тв > 1200 с, что согласуется с данными, приведенными
в [1, 2].
Оценим влияние возмущений аэрогазодинамического объекта на электропривод ВГП. Инерционные свойства системы «синхронный электродвигатель - вентилятор» характеризуются электромеханической постоянной времени ТМ ва,
которая может быть вычислена по формуле:
Тм ва^Е*®0 ^вх /Мвх=0,16 с,
(1)
где Jz = Jcд + Jвгп = 380 + 1200 = 1580 кг*м2 - суммарный момент инерции вентиляторного агрегата, ю0 - синхронная частота вращения электродвигателя, МВХ, SВХ -соответственно, момент и скольжение при вхождении электродвигателя в синхронизм.
Постоянные времени аэрогазодинамического объекта по возмущающим воздействиям относятся к электромеханической постоянной времени вентиляторного агрегата как: Тя / Тм ва = 78,
То / Тм ва = 7500. (2)
Полученные соотношения говорят о существенной разнотемпо-вости процессов в электроприводе ВГП и аэрогазодинамическом объекте шахты. Значительный суммарный момент инерции вентиляторного агрегата способствует сохранению устойчивости электромеханической системы к возмущениям по валу (импульсы давления воздуха на ВГП при выбросах угля и газа и взрывах метана) и по питающей сети (колебания напряжения на двигателе при пуске мощных потребителей и коротких замыканиях). Моделирование системы «синхрон-ный электродвигатель - вентилятор» по уравнениям Парка - Горева показало, что длительность электромагнитных и электромеханических переходных процессов синхронного электродвигателя при реальных параметрах возмущающих воздействий значительно меньше времени переходных аэродинамических процессов.
Таким образом, динамические процессы электропривода ВГП можно не учитывать по сравнению с инерционностью аэрогазодинамического объекта при исследованиях САУ ВГП.
Наиболее эффективным способом изменения производительно-
Рис. 1. Структурная схема САУ ВГП: иЗС, иЗд - сигнал задания по метану и воздуху; иС, ид - сигнал от обратной связи по метану и воздуху; иУ - сигнал управления исполнительным механизмом; 0 - угол установки лопаток рабочего колеса; Нв, дв - давление и производительность вентилятора; Ддк. - приращение расхода воздуха, вызванное возмущающим воздействием ЛR (изменением аэродинамического сопротивления выработок); д® - фактический расход воздуха; Сд, С® - метано-
содержание по воздуху и фактическое; ЛCG - приращение метаносодержания, вызванное возмущающим воздействием ДG (метановыделением); WиМ (р), WВm (р) - передаточные функции исполните3])ного механизма и вентилятора; WА (р), WR (р),- передаточные функции аэродинамического объекта по управлению и возмущению; Wг (р), WG (р) - передаточные функции газодинамического объекта по управлению и возмущению; WдQ (р), WдС (р) - передаточные функции датчиков расхода воздуха и метаносодержания; УУС, УУд - устройства управления (регуляторы) газодинамического и аэродинамического контура
сти шахтного вентилятора с точки зрения эксплуатационной экономичности, относительной начальной стоимости и надежности является поворот на ходу лопаток рабочего колеса (ЛРК) [3, 4]. При этом вентилятор вращается с постоянной скоростью синхронным электродвигателем, а регулирование угла установки лопаток осуществляется исполнительным механизмом.
Математическая модель исследуемого объекта может быть записана в следующем виде:
Wим(р) = Wвгп(p) = ™А(Р) =
®(Р) _Ки
иУ(р) р
нв(р) + Н0(р) 0(р)
дв(р)
= К 0 К.
Нв(р) + Но(р) Т.р + 1
WR(p) =
ДQR(p) К
WдQ(p) =
ДК-(р) TRP + 1 ид(р)
-= Кд
д®(р) д
где
Ким, К0, Ка, Ка и Кд - коэффициенты усиления исполнительного механизма, вентилятора, аэродинамического объекта по управлению, возмущению и датчика расхода воздуха; ТА, - постоянные времени объекта по управляющему и возмущающему воздействиям.
Первая система автоматического управления поворотным на ходу ВГП была создана в 1964 году Н. Н. Петровым. Большой вклад в развитие теории и практики управления проветриванием
внесли Ф.А. Абрамов, И.М. Мес-тер, В.А. Святный и др. По мере развития ТАУ постоянно совершенствовались методы анализа и синтеза систем автоматического регулирования, в т.ч. методы анализа и синтеза САУ ВГП шахт [5, 6].
Применение в качестве исполнительного механизма серийного однооборотного устройства (пускатель бесконтактный реверсивный, асинхронный короткозамк-нутый электродвигатель и редуктор) предопределяет релейный закон управления иУ и на современном этапе позволяет синтезировать систему автоматического регулирования производительности шахтного вентилятора по методу скользящих режимов [7, 8]. Основа метода заключается в локализации возмущения и его парировании путем управления исполнительным механизмом на основе оценки производных выходной координаты исследуемого контура
(произ-водительности вентилятора).
Регулятор синтезируется с учетом требований к качеству переходных процессов. Определяющими факторами при выборе структурной схемы системы автоматического регулирования являются технические требования к переходным процессам координат исследуемого контура, а также принятый метод синтеза, способный обеспечить выполнение этих требований с учетом специфики объекта управления.
Любые требования, предъявляемые к динамическим режимам исследуемого контура можно было бы реализовать при бесконечно большой скорости перемещения ЛРК, «мгно-венном» регуляторе и безынерционном контуре управления. Однако, в силу ограниченности ресурса управления и наличия инер-ционностей качественное регулирование производительности ВГП при действии возмущений является достаточно сложной задачей. Исходя из предположения о практически неограниченном быстродействии собственно регулятора, предельно достижимая скорость переходных процессов будет определяться ресурсом управления и величиной максимальной постоянной времени в тракте управления.
Эти соображения, а также специфика исполнительного механизма поворота ЛРК и объекта управления позволили предъявить следующие требования к переходным процессам выходной величины исследуемого контура:
• отсутствие статической ошибки регулирования (ошибка определяется только погрешно-
Рис. 2. Переходные процессы аэродинамического контура при скачке управляющего воздействия
Рис. 3. Переходные процессы аэродинамического контура при скачке возмущающего воздействия
стью измерения датчика производительности вентилятора и точностью задания сигнала управления);
• максимальное перерегулирование выходной координаты С < 20 %;*
• максимальное время переходного процесса по управлению t П = 30 с, по возмущению - не более 40 с.
Переходные процессы, возникающие в контуре регулирования производительности при скачке управляющего воздействия, показаны на рис. 2. Время переходного процесса составляет 35 с, а перерегулирование не превышает 3 %.
Изменение площади эквивалентного отверстия шахты, вызванное открыванием вентиляционных дверей, движением транспорта, подъемных сосудов и т.п., приводит к колебанию расхода воздуха в выработках. Компенсация подобных возмущений режима проветривания показана на рис. 3. Скачкообразное изменение
аэродинамического сопротивления приводит к апериодическому изменению приращения расхода воздуха При этом умень-
шение расхода воздуха в выработках компенсируется исполнительным механизмом путем увеличения угла установки лопаток рабочего колеса. Время переходного процесса при этом не превышает 30 с, перерегулирование составляет 7 %.
Анализ переходных процессов, возникающих в системе управления под влиянием управляющих и возмущающих воздействий, позволяет утверждать, что предложенная математическая модель с достаточной точностью описывает объект управления, а синтезированный регулятор обеспечивает требуемое быстродействие и качество переходных процессов.
Специфической особенностью газодинамического объекта является ограничение максимальной скорости изменения расхода воздуха в выработках для исключе-
Рис. 4. Блок-схема алгоритма автоматического регулирования производительности вентилятора главного проветривания
ния всплесков содержания метана в исходящих струях. Для этого интервал времени между смежными ступенями регулирования по расходу воздуха глубиной не более 25 % не должен быть меньше длительности существования всплеска при резком изме- (4) нении расхода воздуха [1], которая составляет в среднем 3600 с, т.е.
ад = 0,25* д®
Л 3600 где д® - установившееся значение расхода воздуха до начала регулирования, м3/с.
Указанное ограничение на производную выходной координаты аэродинамического контура определяет темп изменения сигнала задания на уровне 0,000364 В/с. Такой низкий темп изменения не может быть физически реализован принятым типом исполнительного механизма. Исследования показали, что время работы исполнительного механизма при компенсации возмущения по метану составляет около 1000 с, что также не согласуется с возможностями выбранного типа механизма поворота ЛРК, т.к. он совершает один оборот за 160 с и имеет постоянную скорость вращения. Значительная инерционность газодинамического объекта накладывает ограничения на скорость изменения угла установки ЛРК. Необходимое малое быстродействие исполнительного механизма возможно реализовать несколькими путями, один из которых - ступенчатое изменение сигнала задания Шд, дискрета которого может быть выбрана по длительности «элементарного» переходного процесса по углу поворота лопаток. Исследования показали, что при таком способе
управления «эле-ментарное» приращение расхода воздуха не превышает 7 % от установившегося значения до регулирования, что позволяет обойти ограничение (4). Время работы исполнительного механизма на каждом такте управления составляет 25-50 с, пауза, соответственно, 150-175 с.
Таким образом, значительная инерционность газодинамического объекта накладывает ограничения на вид сигнала задания аэродинамического контура, что должно быть учтено при проектировании САУ ВГП с данным типом исполнительного механизма поворота лопаток рабочего колеса.
Автоматизированное управление проветриванием предполагает оперативное управление воз-духораспределением путем воздействия на участковые регуляторы расхода воздуха. Для компенсации аэрогазодинамических возмущений при недостатке ресурса управления в системе автоматического управления расходом воздуха в горных выработках в работу вступает САУ ВГП, изменяющая параметры проветривания шахты в целом. Поэтому алгоритмы управления проветриванием можно разделить на алгоритмы управления внутришахтным воздухо-распределением и алгоритмы управления главной вентиляторной установкой (ГВУ).
Анализ целого ряда источников позволяет сделать вывод о том, что основное внимание в них уделяется алгоритмам управления воздухораспределением в шахтных вентиляционных сетях. Описанные алгоритмы управления ГВУ приведены для вентиляторов с регулируемой частотой вращения рабочего колеса.
Внедрение осевых ВГП с поворотными на ходу ЛРК требует разработки новых алгоритмов контроля и управления такими вентиляторами.
Указанные алгоритмы управления главными вентиляторными установками с разработанными вентиляторами можно разделить на три группы: алгоритмы управления технологическим оборудованием всей ГВУ, алгоритмы автоматического регулирования производительности ВГП и алгоритмы регулирования возбуждения синхронного электродвигателя вентилятора.
Алгоритмы регулирования возбуждения синхронного электродвигателя подробно описаны в [9]. Поэтому рассмотрим алгоритм автоматического регулирования производительности ВГП с поворотными на ходу ЛРК.
Сигнал задания требуемой производительности ВГП формируется управляющей ЭВМ автоматизированной системы управления проветриванием по результатам анализа текущего воздухо-распределения в шахте. Сигнал задания требуемой производительности определяется по критерию обеспечения минимальной мощности, затрачиваемой на проветривание шахты. Задание на требуемую производительность поступает в контроллер САУ ВГП, где реализован синтезированный регулятор производительности вентилятора.
Блок-схема алгоритма автоматического регулирования производительности вентилятора приведена на рис. 4. Блок 1: выдача управляющей ЭВМ команды на контроллер САУ ВГП на разрешение автоматического регулирования производительности. Блок 2: активизация программных модулей загрузки программы автоматического регулирования производительности. Блок 3: проверка исправности каналов связи контроллера с датчиками производительности и давления вентилятора, а также с исполнительным механизмом поворота ЛРК. Блок 4: выработка кода прерывания по причине неисправности каналов связи. Выдача на сигнализацию информации о неисправности. Блок 5: выработка кода готовности системы к автоматическому регулированию. Блок 6: активизация программных модулей ввода сигнала задания требуемой производительности от управляющей ЭВМ. Блок 7: активизация программных модулей опроса датчиков производительности и давления ВГП. Блок 8: проверка равенства заданного (О З) и фактического (О Ф) значений производительности. Блок 9: активизация программных модулей расчета управляющих воздействий на исполнительный механизм поворота лопаток рабочего колеса. Блок 10: активизация программных модулей регистрации текущего состояния вентиляционного режима (Отж, НТЕК, ©ТЕК). Блок 11: активизация программных модулей вывода информации о состоянии вентиляционного режима. Блок 12: активизация программных модулей выдачи на управляющую ЭВМ сигнала об окончании автоматического регулирования. При поступлении аварийного сигнала работа алгоритма прекращается.
Программные модули расчета управляющих воздействий на исполнительный механизм поворота лопаток рабочего колеса реализу-
ют синтезированный закон управления с учетом ограничений на точку рабочего режима ВГП. Для обеспечения экономичной и устойчивой работы точка рабочего режима с координатами ОТЕК и Н ТЕК не должна выходить за пределы зоны экономичной работы.
Для автоматизации ГВУ выпускается набор релейно-контакторных станций ШГС, объединенных общим названием УКАВ-2. Большинство отказов аппаратуры УКАВ-2 происходит из-за неисправности реле управления и сигнализации, что свидетельствует о несовершенстве данной элементной базы. Кроме
того, системам на основе станций ШГС присущи все недостатки устройств с жесткой структурой: низкая надежность, большие затраты времени и средств на расширение и изменение функций, большой объем монтажных работ, невысокая ремонтопригодность и прочие.
Частично недостатки аппаратуры УКАВ-2 преодолены в выпускаемом с 1985 года комплектном устройстве УКАВ-М, управляющая часть которого выполнена на микросхемах малой и средней степени интеграции серии К155, а логика функционирования опреде-
ляется программой, записанной в запоминающем устройстве.
Более эффективно устройства с программируемой логикой реализуются на базе контроллеров, позволяющих уменьшить габариты, стоимость, потребляемую мощность и увеличить надежность аппаратуры автоматизации. Уменьшение количества элементов и са-
модиагностика состояния увеличивают ремонтопригодность системы.
Разработанная САУ ВГП обеспечивает выполнение функций аппаратуры УКАВ на качественно новом, микропроцессорном уровне с учетом специфики регулируемых на ходу поворотом лопаток рабочего колеса осевых ВГП.
Вывод: синтезированный по методу скользящих режимов алгоритм регулирования производительности шахтного ВГП с поворотными на ходу ЛРК обеспечивает экономичный и устойчивый режим работы вентилятора и позволяет реализовать автоматическое управление в условиях нестационарных вентиляционных сетей.
1. Абрамов Ф.А., Бойко В.А. Автоматизация проветривания шахт. - Киев: Наукова думка, 1967. - 310 с.
2. Ермолаев П.Н., Петров Н.Н., Кайгородов Ю.М., Пономарев П. Т. Частотные свойства шахтной вентиляционной сети как объекта автоматического регулирования // Автоматическое управление в горном деле. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР. - 1971. - С. 16 - 23.
3. Петров Н.Н., Зедгенизов Д.В. Управление воздухо-подачей для технологических нужд как источник энергосбережения // Промышленная энергетика. - 2000. - № 11. - С. 42 - 49.
4. Зедгенизов Д.В., Красюк А.М., Попов Н.А. Анализ способов регулирования режима работы тоннельных осевых вентиляторов // Метро. - 2000. - № 5 - 6. - С. 23 - 27.
5. Петров Н.Н., Ермолаев П.Н. Методы синтеза систем автоматического регулирования вентиляторов главного проветривания шахт (ВУГП) // Автоматическое управление
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
в горном деле. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР. - 1971. -С. 23 - 49.
6. Сарычев С.П., Петров Н.Н. Методы синтеза систем управления вентиляцией шахт при неполной информации об объекте // Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР. - 1989. - С. 145 - 152.
7. Уткин В.И. Скользящие режимы в задачах оптимизации и управления. - М.: Наука, 1981. - 368 с.
8. Востриков А.С. Синтез нелинейных систем методом локализации. - Новосибирск: НГУ, 1990. - 120 с.
9. Зедгенизов Д.В. Управление синхронным электроприводом главного вентилятора при автоматизации проветривания шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2000. - № 8. - С. 72 - 76.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
