книги / Рудничная аэрология

является изменение содержания газа в воздухе Ас, а управляющим воздействием — изменение расхода воздуха Q, то, зная переда­ точную функцию и используя обратное преобразование Лапласа, можно найти Ас как функцию времени t при заданном измене­ нии (?•

Большую роль в автоматизации управления вентиляцией шахты

передаточную функцию объекта. Например, если переходный процесс содержания газа в воздухе описывается функцией с (t), то передаточная функция объекта по каналу «расход воздуха — содержание газа» W определяется с помощью преобразования Лапласа — Карсона:

сю

(XXIV.13)

о

где р = ш — комплексная переменная; i = Y ~ U 0 — круго­ вая частота процесса изменения содержания газа в воздухе.

Неучет переходных процессов может привести к нарушению вентиляции объекта, поскольку в первый период переходного про­ цесса увеличение расхода воздуха вызывает не уменьшение со­ держания газа, как можно было ожидать по статической харак­ теристике (XXIV.И), а его увеличение.

§ 130. СБОР ИНФОРМАЦИИ ОБ ОБЪЕКТЕ УПРАВЛЕНИЯ

Поступающая в управляющую машину информация должна отвечать определенным требованиям. Прежде всего она должна

от условий в шахте и от типа САУП к контролируемым параметрам относятся содержание вредностей в воздухе (обычно газов), скорость движения (расход) воздуха в выработках, разность давлений воздуха (депрессия). Знание этих параметров позволяет рассчитать количество поступающих в воздух вредностей, утечки воздуха, аэродинамическое сопротивление выработок.

Весьма важно, чтобы информация полностью х а р а к т е ­ р и з о в а л а к а к ш а х т у в ц е л о м , т а к и о с н о в ­ н ы е ее э л е м е н т ы . Выполнение этого требования обес­ печивается правильным размещением датчиков контролируемых параметров в сети выработок.

Места расположения датчиков в сети выработок зависят от набора контролируемых параметров, систем разработки, особен­ ностей природных и горнотехнических условий. Датчики дол­ жны ограничивать элементы вентиляционной сети с различной динамикой выделения вредностей (например, очистные забои,

вентиляционные штреки участков и т. п. ). На выемочном участке угольной шахты датчики содержания метана следует располагать на исходящей из очистной выработки струе и на исходящей струе участка; на пластах, опасных по внезапным выбросам; датчики необходимо устанавливать также у электрических распредпунктов на поступающей струе (рис. 226 и 227).

участке угольной шахты при сплош ­ ной системе разработки:

Д — датчики содержания метана; ПП — передвижная подстанция

Р ис. 227. Располож ение датчиков содерж ания метана на выемочном участке угольной шахты при стол­ бовой системе разработки

В тупиковых выработках угольных шахт датчики содержания метана следует располагать в призабойной зоне, у передвижной подстанции и у устья выработки (см. рис. 226).

Весьма важно правильно расположить датчик в поперечном сечении выработки. При этом надо учитывать неравномерность распределения значения контролируемого параметра в сечении. Датчик должен располагаться в области сечения, где это значе­ ние наиболее неблагоприятно (например, самое высокое содер­ жание метана, пыли и т. п.). Если в этой области установить дат­ чик нельзя, его нужно расположить возможно ближе к ней, а при анализе показаний датчика следует учитывать отличие его по-

казаыий от наиболее неблагоприятного значения контролируемого параметра. Если значение контролируемого параметра постоян­ но л сечении, место расположения датчика можно выбрать произ­ вольно. По данным МакНИИ, при средней скорости воздуха не менее 0,7 м/с содержание метана в конце вентиляционных штре­ ков выемочных участков угольных шахт постоянно.

Число датчиков в шахте определяется местами их расположе­ ния в сети выработок и числом контролируемых объектов. На вы­ бор числа датчиков влияет также принцип конструирования систем управления. Если используется обычный (статический) метод расчета воздухораспределения в сети, исходные данные для него должны давать датчики расхода воздуха и давления. При этом число датчиков расхода будет равно числу независимых контуров, а число датчиков давления — числу узлов в сети минус единица. Если же для управления вентиляцией исполь­ зуются участковые системы автоматического регулирования (САР) (см. § 132), для их функционирования нужны только датчики

последующими опросами). Интервал этот должен быть достаточно коротким, чтобы успеть обеспечить возвращение на допустимый уровень ^параметра, значение которого превысило этот уровень. В то же время он не должен быть очень мал, чтобы датчик изме­ рял достаточно ощутимые изменения параметра, величина которых выше точности измерения датчика.

В конечном счете максимально допустимый интервал опроса датчика зависит от скорости изменения во времени измеряемого па­ раметра и амплитуды этого изменения. Интервал опроса датчиков метана в угольных шахтах зависит от характера производственного процесса на участке, средней величины газовыделения, колебаний дебита воздуха и атмосферного давления в выработках, места рас­ положения датчика в сети выработок. Для выемочных участков

ступают в управляющую вычислительную машину (УВМ), яв­

информации, времени ее обработки в УВМ, времени срабатывания

системы телемеханики и времени переходного процесса. Вклю­ чение в цикл регулирования времени переходного процесса вы­ звано тем, что САУП должна реагировать на установившиеся (непереходные) значения параметров атмосферы, соответствую­ щие статической характеристике объекта (XXIV.И). Поскольку длительность переходных процессов может быть велика, время цикла регулирования может стать настолько большим, что САУГ! потеряет свою оперативность. С этой целью весьма важна раз­ работка методов управления, исключающих переходные процессы или уменьшающих их длительность.

Важным этапом обработки информации является принятие решения об управляющем воздействии. При этом решаются следующие вопросы:

1 ) является ли зафиксированное изменение значения контро­

Рассмотрим решение этих вопросов на примере управления содержанием метана в исходящей струе выемочного участка угольной шахты путем изменения расхода воздуха (канал упра­ вления «расход воздуха — содержание метана»).

Пггть имеем некоторый процесс изменения содержания ме­ тана во времени с (t). Если при этом содержание метана не превос­ ходит некоторого допустимого значения сд, необходимость в упра­ вляющем воздействии не возникает. Следовательно, любое зна­ чение содержания, меньшее сд, в УВМ может не учитываться. Если, однако, датчик зафиксирует значение с>сд, необходима оценить опасность такого содержания метана. При этом возможны два подхода к решению вопроса.

При первом подходе устанавливается некоторое превышение Дсрег («уставка») допустимого значения сд, в пределах которога

воздуха) подается лишь в случае, когда содержание метана пре­ вышает уровень сд + Дсрег (отрезок ВС на рис. 228, а).

Величина Дсрег зависит от абсолютного значения сд (чем боль­ ше сд, тем меньше Дсрег), надежности САУП и др.

При втором подходе также принимается некоторая уставка Дсрег (в общем случае отличная от рассмотренной выше Дсрег). Но если в предыдущем случае при текущем значении содержания сг^сд + Дсрег регулирование не производилось, то сейчас регу­ лирование при’с ^ сд + Дсрег возможно. Решение о том, произ­ водить или не производить регулирование, в этом случае прини­ мается в зависимости от степени превышения текущим содержа­ нием допустимого уровня (т. е. в зависимости от Ас = с — сд) и от длительности этого превышения т. Так, в схеме рис. 228, б

регулирование вентиляции не производится при выбросе теку­ щего содержания с за допустимый уровень сд на участках АВ и CD, так как эти выбросы невелики по амплитуде и длительности. Однако выброс на участке EF уже требует регулирующего воз-

сд + Дсрег, необходимо немедленное вмешательство САУП или авто­ матической газовой защиты (участок правее точки G на рис. 228,6).

Степень опасности выброса содержания за уровень сд пред­ лагается оценивать по величине площади, ограниченной кривой c(t) и уровнем сд (заштрихованные участки на рис. 228,6): если площадь S равна или больше некоторого критического значения £кр, регулирование (или отключение электроэнергии) необходимо,

тана на уровне сд, по данным измерений она может достигать 0,1% СН4/мин.

В зависимости от условий значение SKp изменяется от 0,0015 до 0,163% СН4 • ч.

Величина управляющего воздействия (расхода воздуха) опре­ деляется по статической характеристике (XXIV.11). Если в ней положить с0 = сд, а с принять равным содержанию метана, при котором нужно производить регулирование, то величина Q в вы­ ражении (XXIV.11) будет равна увеличению расхода воздуха, необходимому для приведения содержания с к допустимому уровню сд. Зная передаточную функцию объекта, можно опреде­ лить, какой расход воздуха необходимо подать на объект, чтобы увеличение содержания газа при переходном газодинамическом процессе не превысило заданную величину.

Если в результате расчетов возникнет необходимость увеличить расход воздуха на объекте, то нужно решить, как это сделать и какое влияние увеличение расхода воздуха окажет на сосед­ ние объекты.

Если на рассматриваемом объекте имеется регулятор, необхо­ димо прежде всего оценить, какой прирост расхода воздуха можно получить, открывая этот регулятор (имеется в виду отрицательный регулятор). Расчет ведется методами, изложенными в главе XII. Если этот прирост достаточен для целей регулирования, положение регуляторов на других объектах (ветвях вентиляционной сети) можно не изменять. Если даже при полном открытии регулятора на рассматриваемом объекте прирост расхода воздуха оказывается недостаточным, необходимо частично закрыть регуляторы на со­ седних параллельных ветвях, вначале на близрасположенных, затем на более удаленных (взаимное влияние ветвей тем слабее, чем большим сопротивлением они разделены, т. е. чем они дальше отстоят друг от друга). Закрытие регуляторов можно производить лишь до тех пор, пока на объектах, где они расположены, содер­ жание метана не повысится до допустимого предела. Когда регу­ ляторы на всех ветвях шахты оказываются закрыты до минимально допустимых пределов, а расход воздуха на рассматри­ ваемом объекте все еще не достиг требуемого уровня, необхо­ димо использовать возможность увеличения подачи воздуха в шах­ ту за счет форсирования работы главного вентилятора. Если и это не помогает, следует принять меры к снижению газовыделения на участке регулирования (снижение нагрузки на очистной за­ бой, дегазация и др.).

Из теории шахтных вентиляционных сетей (см. главу VIII) известно, что изменение сопротивления одной из ветвей сети вы­ зывает перераспределение воздуха во всей сети. Это в свою оче-

редь вызовет изменение содержания газа в атмосфере горных выработок, в том числе в некоторых выработках в сторону уве­ личения. Поэтому изменение расхода воздуха в процессе управ­ ления хотя бы в одной ветви должно сопровождаться оценкой газовой ситуации во всех остальных ветвях. Для этого нужно знать повое (после регулирования) распределение воздуха по выработкам сети, иными словами, необходимо произвести ее рас­ чет. Методы расчета вентиляционных сетей изложены в главе VIII.

Расчет распределения воздуха во всей сети для крупных шахт может оказаться весьма сложной задачей даже для ЭВМ. Для ее облегчения учитывают отмеченное выше свойство умень­ шения взаимного влияния ветвей с увеличением расстояния между ними. Поэтому в ряде случаев оказывается возможным производить расчет не всей сети шахты, а лишь отдельных ее об­ ластей, включающих объекты регулирования (например, только вентиляционной сети крыла). При этом перебирают возможные варианты регулирования в пределах только той области, которая включает объект регулирования. И лишь в случае, когда возможности выполнить требуемое регулирование в пределах этой области оказываются исчерпанными, обращаются к одной из соседних областей (второе крыло и т. п.).

Из изложенного следует, что для автоматического управления вентиляцией шахты в вентиляционной сети последней необходимо иметь определенный резерв расхода воздуха и резерв в величинах поперечных сечений выработок (чтобы увеличение расхода не вызвало превышения допустимых скоростей воздуха).

При регулировании необходимо применять такие варианты, при которых расход энергии на вентиляцию был бы минималь­ ным. Из сказанного в главе XII следует, что это условие выпол­

принимает УВМ. Для этого должен быть составлен соответству­ ющий алгоритм управления, включающий оценку требуемых воз­ действий на каждом объекте управления в зависимости от газо­ вой ситуации и оценку их влияния на другие объекты шахты. При этом^применяемые решения должны обеспечить минимум рас­ хода энергии, необходимой для их реализации.

Изложенные выше принципы обработки информации сохра­ няются и при управлении вентиляцией по другим параметрам.

§ 132. СТРУКТУРА САУП ШАХТЫ

Основными элементами САУП шахты являются датчики пер­ вичной информации, управляющее устройство (многоканальный регулятор, управляющая вычислительная машина) и регулирую­ щие устройства в выработках.

Основными функциями САУП шахты являются: поддержание расхода воздуха в выработках на уровне, соответствующем вы­ делению вредностей; сигнализация о величинах контролируемых параметров в выработках (звуковая и световая); запись величин контролируемых параметров; отключение электроаппаратуры при опасных содержаниях взрывчатых газов в выработках.

САУП может работать либо в автоматическом режиме, когда все ее функции выполняются без вмешательства человека по за­ ранее составленному алгоритму, либо в режиме диспетчерского

управления, когда все или некоторые функции САУП выполня­ ются по команде оператора.

В предыдущем параграфе было отмечено, что управление вен­ тиляцией шахты может производиться с использованием пол­ ного расчета сети или расчета ее отдельных участков. Соответ­ ственно этому возможно применение централизованных или иерархических САУП.

Централизованные САУП основаны на расчетах сетей, изло­ женных в главе VIII. Для этого в УВМ должна поступать инфор­ мация о содержании вредностей, фактических расходах и давлении воздуха в выработках, а также о топологии сети. Схема такой САУП представлена на рис. 229.

Сигналы от всех датчиков Д1э Д2,...у Дп поступают в управ­ ляющую вычислительную машину УВМ, которая но специаль­ ному алгоритму обрабатывает получаемую информацию, выраба­ тывает управляющие воздействия и посылает их па регулирую­ щие органы РОг, Р 02,..., РОп регулирующих устройств, установ­ ленные в выработках.

Централизованные САУП требуют большого объема информа­ ции, соответственно этому большого числа Датчиков (см. § 130)у и значительного объема вычислений, пропорционального слож­ ности сети.

Иерархические САУП шахты более перспективны. Они состоят из ряда участковых систем автоматического регулирования (САР), связанных с общешахтной УВМ. Каждай САР функционирует независимо от остальных. Лишь в случае, когда возможности регулирования данной САР оказываются исчерпанными, всту­ пает в действие УВМ шахты, которая в таком случае может вы­

следуют команды на вентилятор главного проветривания ВГП или на изменения положения участковых РО. На рис. 230 не по­

зованного контроля и диспетчерского управления вентиляцией шахты им. 50-летия Октябрьской революции в Карагандинском бассейне. Система эта иерархическая, она состоит из подсистем авто­ матической газовой защиты (АГЗ) выемочных участков, подсисте­ мы управления проветриванием выемочных участков и подсистемы АГЗ и управления вентиляторными установками местного про­ ветривания подготовительных участков. Управление вентиля­ цией участков осуществляется блоками локальной автоматикиФункции каждой подсистемы и УВМ шахты указаны на рис. 231-

На рис. 232 представлена схема централизованного контроля и диспетчерского управления вентиляцией Дегтярского рудника.

Данная система состоит из пунктов контроля скорости дви­

Р и с. 231. Схема централизованного контроля и диспетчерского управления проветриванием шахты им. 50-летия Октябрьской революции

Диспетчерская

воздуха (РВц РВ2у ч Р В п)-Пункты СВ и КВ передают информацию на диспетчерский пункт контроля (ДПК), где она преобразуется в световые сигналы, воспринимаемые диспетчером. Устано­ вив отклонение от нормальной величины расхода воздуха по показаниям ДК11, диспетчер воздействует на PB через диспет­ черский пункт управления распределением воздуха (ДПУРВ) или на вентилятор главного проветривания (ВГП), приводя рас­