книги из ГПНТБ / Местер, И. М. Автоматизация контроля и регулирования рудничного проветривания

устройства АГЗ аппаратуры АМТ-3 осуществляется вручную персо­ налом участка. При нажатии на специальную кнопку в датчике АМТ-3 имитируется стандартный сигнал, соответствующий эталон­ ному повышенному значению концентрации метана. При этом про­ веряются показания прибора и одновременно факт срабатывания АГЗ (отключение силового коммутационного аппарата). Такой ме­ тод проверки из-за субъективности является несовершенным. Кроме того, непрерывное увеличение количества датчиков (датчики ско­ рости (расхода) воздуха будут в ближайшее время такими же обяза­ тельными, как и датчики концентрации метана, появятся новые автоматические датчики на кислород, СО и т. д.), обусловливает поиск принципиально новых, более эффективных методов контроля неисправностей. В данном случае применительно к совершенствуе­ мой аппаратуре АГЗ, предусматривающей датчики скорости (расхода) воздуха и двухфакторное срабатывание по концентрации и скорости воздуха, этот контроль может быть полностью автоматизирован. Для этого в датчиках необходимо предусматривать специальные реле, имитирующие эффект нажатия кнопки, команды на срабатывание которых вырабатываются УВМ и передаются для исполнения по ли­ нии телемеханики.

В ответ УВМ воспринимает два сигнала — стандартный сигнал, который сравнивается машиной с эталоном-уставкой, и сигнал о срабатывании участкового автомата (или пускателя). По этим при­ знакам УВМ судит о степени исправности аппаратуры и тракта передачи информации и регистрирует результаты контроля.

Алгоритм (см. и. 10 табл. II.4) основан также на принципе ин­ тегральной оценки отклонений и отличается от алгоритма (см. п. 9) тем, что текущие сглаженные значения х (п) заменяются соответст­ вующими уставками С3 (п) или Q3 (п) на данном такте процесса регу­ лирования.

Как видно из данных, приведенных в главе I, статистическая структура контролируемых процессов весьма неоднородна, а пара­ метры нестационарное™ изменяются в широких пределах в зависи­ мости от конкретных горно-геологических и производственно-тех­ нических факторов [71].

По указанным причинам интервал дискретности Ат, являющийся одним из основных параметров, входящих в алгоритмы централизо­ ванного контроля и определяющих качество обработки информа­ ции и загрузку УВМ, должен быть переменным в зависимости от статистических свойств, контролируемых процессов и заданной точ­ ности обработки. С этой целью в работе [71] рекомендуется пери­ одически уточнять величину Дт по результатам анализа контроль­ ных наблюдений, выполняемых обслуживающим персоналом в про­ цессе работы системы.

Ниже предлагается более рациональное решение, обеспечива­ ющее автоматическую самонастройку параметра Дт в зависимости от статистических свойств контролируемых процессов, основанное на принципе «сжатия» информации [72].

131

Допустим, что в контролируемом случайном процессе X (t) бесконечной длительности с ограниченным спектром нас интере­ сует спектр частот в интервале от 0 до согр. На длительном интервале

относительная ошибка измерения величины х, т. е. гomin = Ах/хтах). Допустим теперь, что спектральный состав процесса изменился и в нем уже не присутствуют частоты выше со*гр (со*гр < согр), но

мы по-прежнему квантуем процесс х (t) с прежним интервалом Ат. Количество информации, соответствующее изменившемуся процессу С* (if), при прочих равных условиях

I* = ~ i o g m l (Ат*>Ат).

Бесполезная информация при квантовании процесса х* (t) с ив* тервалом Ат

(11.89)

Для того чтобы получать при измерении процесса х* (t) только максимальное количество полезной (с наших позиций) информации, необходимо, очевидно, принять интервал квантования Ат *, но со­ хранить заданную ошибку измерения (т*0 — т0), так как уменьшение этой погрешности за счет увеличения т0 при измерении сигнала I (t) не может заметно повысить общую точность измерения контро­ лируемого процесса при сравнительно высокой погрешности датчиков контроля параметров рудничной атмосферы, работающих практи­ чески в режиме индикаторов (г0 = 10 н- 20%), а не измерительных устройств. При этих предпосылках переменное значение Ат* полу­ чается благодаря следующему. Периферийные устройства УВМ (например, вычислительный комплекс ВК в УВМ «Днепр» [73]) производят первичную обработку информации, поступающей от датчиков, с интервалом Атт іП и заданным квантом различимости т0. В начале каждого интервала опроса Аттіп проверяется неравенство

Левая часть неравенства исключает «промахи» (D > т0). Если условие (11.90) не выполняется, то значение х (п) воспринимается

как X (п — 1) и дальнейшей обработке не подвергается (не поступает в процессор ВК в условиях, описанных в [73]). Если на (п -j- г')-том такте это условие, наконец, выполняется, то оно поступает в про­

132

цессор и используется в соответствующих алгоритмах, приведенных

ненциального сглаживания. Для сохранения заданного коэффициента сглаживания а сг при переменном значении Ат (п) на каждом такте дальнейшей обработки информации определение очередного сгла­ женного значения осуществляется по значению а сг (п), скорректи­ рованному с учетом условия а сг (п + і) Ат {п -f і) = Г<°>, где Т $ представляет собой расчетное значение, определяемое не статисти­ ческими свойствами контролируемого процесса, а той частью его спектра, которая нас интересует с точки зрения использования информации при управлении. При этом текущее значение а сг опре­ деляется из соотношения а сг (га) = Г<°ѴАтт іП.

Величину Атт іп следует выбирать исходя из минимальной веро­ ятности потери полезной информации. Если о контролируемом про­ цессе нет достаточной априорной информации, то Атт іП= гтіпТя. Предполагается, что процесс нарастает скачком, а датчик описы­ вается приближенно апериодическим звеном первого порядка. Если известна граничная частота (огр контролируемого процесса, то

ДТ 'тІп ~ ^ тіп ® гр .

Естественно, что при выборе минимального шага квантования предполагается информационная согласованность всех устройств сбора, передачи и преобразования информации и прежде всего со­ ответствующее быстродействие ѵ системы телемеханики. В случае, когда этот параметр является ограничивающим, величина шага вы­

Следует отметить, что в алгоритме расчета среднестатистических данных за смену учитываются также только сглаженные значения контролируемого процесса, отстоящие на шаг Ат (га), используемый в алгоритме нестационарного экспоненциального сглаживания. Для того чтобы увеличить представительность выборки и учесть «вес»

каждой ординаты х (га), полученной с шагом Атт іП, значения х (га)

системы определяется, в первую очередь, достоверностью показаний датчиков контроля параметров рудничной атмосферы (ДКА). Термин «достоверность» при оценке функционирования ДКА является более общим, чем принятое в метрологии понятие точности. Под достовер­ ностью подразумевают степень соответствия выходной информации тем количественным характеристикам и их соотношениям, которые эта информация должна представлять. Разница между этими тер­ минами проявляется наглядно на следующем конкретном примере. Допустим, что количество проходящего в горной выработке воздуха измеряется с помощью точечного датчика (термоанемометрического или тахометрического). При уменьшении сечения выработки, в кото­ рой установлен датчик, например движущимся составом, показания

133

датчика возрастут, хотя его погрешность остается в норме. Между тем истинное значение количества воздуха не увеличилось, а, наобо­ рот, уменьшилось по сравнению с его значением до появления состава в данной выработке. Не рассматривая детально этого вопроса, отме­ тим, что повышение достоверности ДКА может быть достигнуто, в первую очередь, за счет введения избыточности, т. е. увеличением числа ДКА, контролирующих данный параметр, и использования кибернетических методов обработки получаемой от них избыточной информации, прежде всего для уменьшения случайной и системати­ ческой составляющих ошибки измерения.

В специфических условиях эксплуатации ДКА в наибольшей сте­ пени проявляется именно систематическая ошибка. Объясняется это тем, что при разработке датчиков принимают специальные меры по уменьшению влияния внешних мешающих параметров, расчетная зона колебаний которых заведомо шире фактического диапазона их изменения. При этом тарировку ДКА осуществляют на специальных заводских стендах, а последующую их поверку производят уже в про­ изводственных, менее приспособленных условиях, где незначитель­ ное смещение нуля может привести к заметной систематической по­ грешности.

Рассмотрим, как влияют разные составляющие погрешности датчика концентрации метана на достоверность контроля в аппара­ туре АГЗ. Сигнал, соответствующий истинному значению контроли­ руемой величины концентрации метана Сф, претерпевая различные преобразования в функциональных блоках аппаратуры АГЗ, иска­ жается, при этом происходит сложение истинного сигнала Сф с по­

место «пропуск цели». В обоих случаях производство несет ущерб. Для установления связи между вероятностью «пропуска цели» Рп.ц (или «ложной тревоги» Рлл) и аппаратурной погрешностью будем рассматривать Сф и ф как случайные величины с нормальным распределением и полагать, что уставка Сдоп задается достаточно

точно, т. е. АСдоп С Ф- Очевидно, максимальная оценка сверху искомых вероятностей

будет иметь место при отсутствии корреляции между выходным сиг­ налом аппаратуры и Сф.

Искомые вероятности могут быть найдены из следующих соотно­ шении:

Лі. ц3 j J % ,св(СфСв)<*Сф<гсв,

® ^ДОП

134

где і^сфсв (СфСв) — совместная плотность распределения величин

Сф и Св.

После ряда преобразований с учетом принятых допущений полу­ чаем искомые вероятности:

математическое ожидание контролируемой величины Сф, а я|) — си­ стематическую аппаратур­ ную ошибку, аСф и Оф со­ ответственно характеризуют случайную составляющую контролируемого параметра

и аппаратурной погрешности. Полученные зависимости позволяют численно оценить влияние систематической и случайной ошибок по вероятности Рл ти Рп ц при различных параметрах контролиру­ емого процесса С (і).

На рис. II.30 показана зависимость Рл т и Рп ц от і|) (ijj изменяется

135

На рис. 11.31 приведена зависимость Рл т и Рп ц от случайной

составляющей оф ошибки ф при оср = 0,2% СН4 и ф = 0, т. е. при нулевой систематической ошибке. Анализ кривых показывает сле­ дующее: вероятности Рл т и Р п ц при прочих равных условиях зна­

1) систематическая ошибка ф, характерная для термокаталити­ ческих датчиков метана, должна быть минимально возможной и иметь положительный знак;

2) достоверность функционирования АГЗ резко понижается

с увеличением Сср, т. е. в условиях труднопроветриваемых уча­ стков.

Для уменьшения погрешности ДКА должны быть приняты спе­ циальные меры по повышению технического уровня их обслуживания

вэксплуатационных условиях.

Взаключение рассмотрим вопросы выбора оптимальных пара­ метров передачи энергии от искробезопасных источников к удален­ ным ДКА, работающим в условиях взрывоопасной среды.

При заданных мощности Р 2 приемника (ДКА) и параметрах ли­ нии задача сводится к определению таких параметров передачи энергии, при которых мощность Р л на зажимах источника при нор­ мальном режиме работы была бы минимальной.

Так как длина линии передачи может доходить до 8—10 км, то ее следует рассматривать как линию с распределенными парамет­ рами.

В реальных условиях идеальное согласование линии с нагрузкой при передаче постоянным током можно выполнить только с помощью специального преобразователя постоянного тока в переменный с последующим трансформированием напряжения до требуемого уровня, определяемого схемой ДКА и условиями разделения цепей питания отдельных его узлов. Как известно, подобные преобразова­ тели функционируют нормально лишь при несоизмеримой с ними мощностью источника, в связи с чем более рациональной оказы­ вается передача на переменном токе повышенной частоты. Повыше­ ние частоты позволяет значительно уменьшить габариты ДКА, однако с ее ростом возрастают потери в линии передачи. Таким образом, при передаче переменным током оптимизируемыми параметрами являются эквивалентное сопротивление нагрузки, согласованное с линией, и частота питания.

Полагая, что согласующий и разделительный трансформатор питания ДКА имеет высокий к. п. д., пренебрегаем его реактанцем

иотносим потери в железе к сопротивлению нагрузки. При этих условиях к. п. д. передачи

136

где Р 2н — активная мощность нагрузки; S r — кажущаяся мощность источника;

Аналитическое исследование зависимости (II.93) весьма сложно, так как rjn является функцией двух комплексных переменных Z„

и у. Поэтому определение оптимальных условий передачи выпол­ няли численными методами. Для конкретного примера были приняты следующие исходные данные [118]: R о = 72 ом/км; L о = 0,6 мгн/км, Со = 0,08 мф/км. Индуктивность согласующего трансформатора при­ нималась равной 0,4 гн. Значения т]п определяли по зависимостям (11.93)—(11.96) при различных значениях 7?н и частоты питания /.

137

Г л а в а III

СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ РУДНИЧНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ

§ 9. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПОДЗЕМНЫМ СРЕДСТВАМ АВТОМАТИЗАЦИИ РУДНИЧНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ

Решение проблемы автоматизации контроля и регулирования рудничного проветривания в значительной степени зависит от того, насколько быстро будут разработаны и освоены простые и надежные датчики сбора информации о параметрах и компонентах рудничной атмосферы, средства регулирования воздушных потоков, а также средства централизации управления.

Трудности в разработке средств автоматизации рудничного про­ ветривания обусловлены чрезвычайно тяжелыми условиями эксплу­ атации приборов и устройств в подземных условиях шахт и рудников.

Условия эксплуатации

1. Датчики устанавливают в откаточных, вентиляционных, очист­ ных и подготовительных выработках.

2. В местах установки приемных устройств и датчиков могут производиться все операции, характерные для технологического цикла, осуществляемого на руднике или шахте.

3. Относительная влажность воздуха 98 ± 2%.

4.Температура воздуха от —5 до +35° С (для условий Крайнего Севера требования следует разрабатывать специально).

5.Запыленность воздуха до 50 мг/м3 для рудников и до 1000 мг/м3 для угольных шахт.

6.Содержание газов в атмосфере: S 02 до 0,0007% (кратковре­ менно до 0,3%); СО2 до 0,75% (кратковременно до 20%); СО до

0,008% (кратковременно до 0,5%); N 02 до 0,01% (кратковременно до 0,1%); О2 до 21%; СН4 для угольных шахт до 1% (кратковре­ менно до 2—3%).

7.Давление 101,3 ± 13,3 кн/м2.

8.Максимальная скорость движения воздуха до 20 м/сек.

139

Общие требования, предъявляемые к датчикам

1.Однозначная зависимость выходной величины от входной (отсутствие гистерезиса).

2.Стабильность характеристик во времени при длительной и не­

прерывной эксплуатации.

3.Взрыво- и искробезопасность для угольных шахт. Рудничное нормальное исполнение для рудников.

4.Простота в обслуживании и ремонте. Элементы, подлежащие профилактическому контролю, должны быть легкодоступными и

взаимозаменяемыми.

5.Возможность удобной и точной ориентировки датчика в вы­ работке, жесткое и легкосъемное закрепление.

6.Соединение с линией связи посредством быстроразъемного

соединения, обеспечивающего хороший электрический контакт.

7.Устойчивость к коррозии и герметичность, надежность защиты электрической схемы от влияния агрессивных газов, влаги, пыли.

8.Наличие унифицированного выхода.

9.Вибростойкость при частоте 25 гц с амплитудой 0,50 мм и при частоте 50 гц с амплитудой 0,25 мм в течение 2 ч.

10.Питание от сети переменного тока напряжением

36/127/220/380/660 в при возможных колебаниях —20 ч- +15% ча­ стотой 50 гц.

Общие требования, предъявляемые к подземным регуляторам расхода воздуха (РРВ)

1.Простота и разборность конструкции, позволяющая быструю установку, монтаж, демонтаж и транспортирование по выработкам.

2.Сохранение работоспособности при длительной эксплуатации на исходящих вентиляционных струях.

3.Обеспечение неизменности аэродинамического сопротивления исполнительного органа при выходе из строя элементов системы управления.

4. Обеспечение передачи информации на центральный пункт

остепени открытия исполнительного органа.

5.Конструктивное исполнение блоков РРВ, обеспечивающее удобство профилактического ремонта и эксплуатации.

Помимо общих требований, предъявляемых к датчикам и устрой­ ствам, разработан ряд специфических требований, обусловленных

их назначением. Ниже приведены краткие сведения об основных средствах автоматизации контроля и регулирования рудничного проветривания, разработанных в Советском Союзе и за рубежом.

§ 10. СРЕДСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ

Датчик для дистанционного измерения скорости движения воздуха является одним из главных элементов системы автоматического кон­ троля и регулирования распределения воздуха по горным выработкам.

140