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

Г л а в а II

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ РУДНИЧНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ

§ 5. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ (АСУ) ПРОВЕТРИВАНИЕМ

Современные высокомеханизированные действующие и вновь строящиеся шахты и рудники отличаются высокой концентрацией горных работ, а также интенсивным и случайным характером выде­ лений вредных примесей. В этих условиях все большее значение приобретают вопросы техники безопасности, уровень которой в зна­ чительной степени определяется качеством проветривания горных выработок. Однако существующие методы управления этим важным вспомогательным процессом не удовлетворяют предъявляемым к ним возросшим требованиям.

Необходимы более совершенные методы и средства управления проветриванием, предусматривающие максимальное использование возможностей технической кибернетики, так как рудничный венти­ ляционный комплекс современной газовой шахты, включающий регулируемые на ходу источники тяги, вентиляционную сеть, устрой­ ства для распределения воздуха между производственными участ­ ками, датчики контроля параметров рудничной атмосферы и аппа­ ратуру для сбора, передачи, обработки и представления информации, представляет собой сложную, так называемую большую систему.

Общими чертами, присущими большим системам, в частности рассматриваемому комплексу, являются [27, 28]:

1)наличие иерархии в структуре управления;

2)наличие двух взаимовлияющих потоков — материального и ин­ формационного;

3)наличие подсистем с явно выраженными локальными свой­ ствами;

4)существование глобального критерия оптимальности для си­ стемы в целом и аналогичных критериев для каждой подсистемы;

5)различная степень автоматизации отдельных процессов и аг­ регатов системы, что обусловливает значительную роль человека, органически входящего в состав системы в качестве одного из ее основных звеньев (симбиоз «человек — автомат»).

Глобальный критерий оптимальности может быть сформулирован следующим образом: «Обеспечение комфортных и безопасных условий труда, а также минимальной длительности простоев по условиям проветривания при минимальных затратах средств и времени на внедрение и эксплуатацию системы».

Получение количественной зависимости для этого критерия, пригодной для инженерных расчетов, представляет собой весьма сложную задачу. Рассмотрим этот вопрос применительно к одному из критериев, предложенных в работе [29].

С учетом основных составляющих числителя и знаменателя выражение для критерия оптимальности К (0) принимает следующий вид:

т

У - ^ К і У і

1

ущербу (потерям, убытку) от неупорядоченности производства при

ности і-того объекта, обусловленной неидеальностью управления;

1

мерные весовые коэффициенты, учитывающие значимость соответ­ ствующих факторов.

При подсчете знаменателя выражения (II.1) следует принять, хотя бы из чисто эвристических соображений, единые для данного вида производства весовые коэффициенты, разработать шкалу слож­ ности аппаратуры, методику определения Т и т. д. Числитель же представляет собой прямой эффект того или иного метода управления без учета затрат на его реализацию. Например, для системы управле­ ния распределением воздуха по горным выработкам этот эффект может быть установлен, исходя из следующих соображений.

Рассмотрим период времени Ту между очередными реконструк­ циями системы проветривания (прохождение нового вентиляцион­ ного ствола и дополнительных вентиляционных выработок, установка нового, более мощного вентилятора и т. д.).

Естественно предположить, что в течение этого периода имеется достаточный резерв в производительности ВГП и пропускной спо­ собности вентиляционной сети, однако по мере производства горных работ из-за изменения сопротивления выработок, колебаний газовыделения, запланированной добычи по участкам фактическое коли­ чество воздуха, подаваемого в каждый момент времени на тот или

52

иной участок, отклоняется от потребного, расчетного значения на знакопеременную величину AQt, являющуюся в общем виде слу­ чайной функцией времени.

При идеальном управлении AQ (t) равно нулю в любой момент времени. При отсутствии управления на всем интервале Ту суммар­ ный ущерб от неупорядоченности производства имеет две соста­ вляющие, первая из которых обусловлена прекращением производ­ ства, например из-за отключения электроэнергии на добычном уча­ стке метанообильной шахты при отрицательном значении AQ (t) (недостаток воздуха), а вторая обусловливает ущерб от перерасхода электроэнергии, переохлаждения обслуживающего персонала, по­ вышения выноса пыли и т. д. при положительном значении Д(? (t)' (избыток воздуха).

Можно считать, что первая составляющая ущерба пропорциональ­ на средней суммарной длительности Тср отрицательных выбросов

процесса AQ (t), а вторая составляющая в соответствии с выдвинутой в § (і гипотезой пропорциональна средней площади S cp. положитель­ ных выбросов. Следовательно,

соответственно от избытка и недостатка подаваемого на проветрива­ ние воздуха.

В случае, когда процесс Д@ (t) стационарный с нормальным1

времени изменяется AQ (t) при отсутствии управления, тем больше должна быть частота пу операций управления, направленных на введение процесса AQ (t) внутрь зоны нечувствительности ± б„/2' (отрицательная обратная связь по отклонению).

Величину ііу можно приближенно оценить по интенсивности

53-.

где R(fQ) — параметр, характеризующий корреляционные свойства процесса [см. (11.31)].

При этих предпосылках общее время, затрачиваемое на процесс управления

ного процесса перевода накопившегося за время паузы отклонения Д Q (t) внутрь зоны нечувствительности).

Остальные члены знаменателя выражения (II.1) в сумме пред­ ставляют собой обобщенную стоимость аппаратуры управления. Большая часть этой суммы, примерно 50%, приходится на аппара­ туру централизованного сбора, передачи и первичной обработки информации, целесообразность которой очевидна даже для условий негазовых шахт и рудников; 35—40% этой суммы приходится на аппаратуру дистанционного управления распределением воздуха по горным выработкам, включая РРВ, и лишь 10—15% приходится на аппаратуру автоматического управления (многоканальные регу­ ляторы или УВМ). Отсюда следует, что в случаях, когда оказывается

Это объясняется сложностью осуществления экстремального регули­ рования диспетчером-оператором даже цри небольшом количестве РРВ и одном ВГП. Так, например, специальные исследования этого вопроса на комбинированной физической модели, описанной в § 7 и 8 и дополненной устройствами для ручного управления, показали, что вывод системы в экстремальный режим выполняется квалифици­ рованным оператором в несколько раз медленнее, чем в автомати­ ческом режиме. Естественно, что при большом количестве РРВ и нескольких ВГП сложность диспетчерского управления значи­ тельно возрастет, а при недостаточной квалификации оператора такое управление окажется вообще невозможным, тем более, что в реальных условиях эксплуатации возмущения имеют случайный характер.

Втабл. II.1 приведена классификация различных методов вы­ полнения отдельных операций управления, а в табл. II.2 — воз­ можные методы и средства управления распределением воздуха, получающиеся при сочетании различных способов выполнения отдельных операций.

Втабл. II.2 режимы II — 1—В, II—2—В и II—3—В соответ­ ствуют случаю, когда подсчет потребного количества воздуха (рас­ чет уставок) и автоматизация распределения воздуха в соответствии

срассчитанными уставками осуществляется различными устрой­ ствами. Например, расчет уставок осуществляется с помощью общешахтной УВМ, а автоматическое распределение воздуха

54

2.Аналоговые пли цифровые вычислительные устройства;, исходная документация подготовляется и вводится вруч­ ную

4.Общепромышленные или специализированные УВМ. со­ пряженные с автоматической системой сбора информа­ ции, работающие в реальном масштабе времени (режим «Советчик диспетчера»)

4.УВМ, сопряженные как с автоматической системой сбора информации, так и с дистанционно управляемыми сред­ ствами исполнения решений

II—1—А; II—1—Б; Л —1—В 11—2—А; 11—2—Б; і 1—2—В 11—3—А; 11—3—Б; 11—3—В

с помощью специализированного управляющего устройства — мно­ гоканального регулятора.

Как видно из таблицы, возможны 14 вариантов управления. Сле­ довательно, в каждом конкретном случае необходимо провести сравнительный анализ по всем вариантам и остановиться на том из них, у которого величина К (0) окажется максимальной.

Основная трудность в использовании приведенной выше методики определения Ä'(0) заключается в отсутствии конкретных значений параметра fc(. в формуле (II.2), оцениваюіцего степень вредности

55.

57

К высшему уровню иерархии можно отнести устройства централи­ зованной передачи, обработки регистрации и представления инфор­ мации, а также выдачи решений диспетчеру (режим «Советчик дис­ петчера») или управляющих команд устройствам нижнего уровня иерархии, улучшающие качество работы локальных устройств

исистемы в целом, но не обязательные для ее нормального функцио­ нирования при наличии диспетчера. Устройства этого уровня иерар­ хии являются, как правило, общими для всех подсистем.

Ввиду большой размерности системы в целом и ответственности выполняемых функций диспетчер остается ее главным звеном, так как па него возлагается общий контроль функционирования системы

иответственность за принятие принципиальных решений по упра­ влению системой как в нормальных, так и в аварийных режимах.

Вданной главе приведены результаты исследований динамики процессов контроля и регулирования проветривания, а также обо­ снования целесообразности и технической реализуемости основных структурных и функциональных требований (табл. II.3), предъявля­ емых к подсистемам АСУ проветриванием.

§ 6. ОСНОВЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ВЕРОЯТНОСТНОЙ ГАЗОВОЙ ЗАЩИТЫ (АГЗ)

В последние годы па шахтах Советского Союза и за рубежом находит широкое применение аппаратура автоматического газового контроля и газовой защиты (АГЗ добычных и подготовительных участ­ ков газовых шахт). Внедрение этой аппаратуры позволяет значи­ тельно повысить безопасность труда и сократить штат газомерщиков.

Однако применение аппаратуры АГЗ в условиях добычных участков труднопроветриваемых газовых шахт приводит зачастую к неоправданным отключениям электроэнергии, подаваемой на участок. Это нежелательное явление объясняется тем, что в серий­ ной аппаратуре АГЗ типа АМТ практически отсутствует выдержка времени на срабатывание, в то время как процесс С (t) на исходя­ щей струе участка носит случайный характер (см. § 2) и отличается наличием различных по длительности к амплитуде выбросов1, пре­ вышающих допустимое по 1ІБ значение концентрации метана. Такие выбросы, если их длительность превышает незначительную выдержку времени аппаратуры АГЗ, вызывают отключение участка, даже если они кратковременны и невелики по амплитуде.

На рис. II.1, а показана примерная реализация случайного процесса С (t). Интервалы времени Дтг соответствуют времени, в течение которого аппаратура АГЗ не позволяет подавать электро­ энергию на участок.

Следовательно, выбросы длительностью Atx и Ат2 являются неопасными, и отключать участок не следовало бы. Выброс длитель-

1 Здесь и далее «выброс» применяется как термин статистической динамики, соответствующий понятию «всплеск», принятому в терминологии по горному делу.

58

ностыо Дт3 явно опасен, так как по характеру кривой С (t) видно,

что нарастание устойчивое и, следовательно, электроэнергию необ­ ходимо отключить.

Ложные срабатывания АГЗ можно избежать различными путями. Предлагается, например, повысить допустимую норму концентрации метана на исходящей струе из добычного участка [32] до 2 или даже 3% [33]. Однако, хотя такое решение вначале приведет к резкому уменьшению количества ложных срабатываний АГЗ, со временем вследствие интенсификации горных работ снова сложится такая же

х(Ѵ

Рис. II.1. Реализация случайного процесса C(t):

I — область допустимых значений параметров; I I — то же, ограниченно допустимых; I I I — недопустимых

ситуация, но уже при новой, возросшей норме допустимой колцентрации метана, при которой также будут происходить неоправданные отключения АГЗ и вновь станет вопрос о ее дальнейшем повышении.

Другой путь снижения количества ложных отключений АГЗ заключается в увеличении выдержки времени на срабатывание тср, в аппаратуре АГЗ [34, 35], Для определения оптимальной выдержки времени т(Ср должны быть установлены статистические характеристики выбросов случайного процесса С (t), в частности их частота, средняя длительность и законы распределения по длительности, площади и т. д. Должна быть также установлена вероятностная связь между этими параметрами и реальными процессами в контролируемых объектах.

Независимо от того, как будет осуществлена эта задача техни­ чески, непременным условием правильного ее решения является

59