Содержание к диссертации
Введение
1. Оценка уровня безопасности при эксплуатации взрывозащищенного оборудования на угольных шахтах 9
1.1. Влияние эксплуатационных свойств взрывозащищенного электрооборудования на уровень травматизма на угольных шахтах 9
1.2. Анализ существующих методов оценки уровня безопасности эргатических систем 12
1.3. Особенности условий эксплуатации взрывозащищенных аппаратов 21
1.4. Обзор и классификация существующих методов технической диагностики 29
1.5. Выводы по главе и задачи исследования 35
2. Информационный подход к оценке безопасности эксплуатации технических систем 37
2.1. Значение информационного ресурса в технической системе 37
2.2. Оценка и повышение структурной части информационного ресурса технических систем 41
2.3. Информационный подход к оптимизации структуры технических систем 54
2.4. Оценка насыщенности технических систем оперативной информацией и определение оптимального значения их информационного ресурса 64
2.5. Выводы по главе 70
3. Оценка и повышение безопасности эксплуатации взрывозащищенного пускателя серии ПВИ 71
3.1. Оценка информационного ресурса имеющегося взрывозащищенного пускателя серии ПВИ 71
3.2. Повышение информационной насыщенности взрывозащищенного пускателя ПВИ-125 78
3.3. Выводы по главе 88
4. Взрывозащищенный пускатель с повышенной информационной насыщенностью 89
4.1. Общий принцип действия и функциональная схема 89
4.2. Пульт дистанционного управления 93
4.3. Максимальная токовая защита и защита от перегрузки 96
4.4. Защита от утечек 98
4.5. Блок управления и диагностики 101
4.6. Блок контакторной катушки 113
4.7. Блок питания магнитного пускателя 114
4.8. Магнитный пускатель с повышенной информационной насыщенностью, разработанный на базе ПВИ-125 116
4.9. Выводы по главе 117
Заключение 118
Литература 119
Приложения 128
1. Исследование системы из семи элементов 129
2. Программа расчета зависимости среднего значения ранга матрицы смежности от числа связей в технической системе 137
3. Программа оптимизации структуры технических систем 140
4. Расчет зависимости показателя насыщенности оперативной информацией от показателя смежности для оптимизированной схемы ВЗП 150
5. Исходный текст программы работы БУД 156
6. Принципиальная электрическая схема взрывозащищенного пускателя с повышенной информационной насыщенностью 163
7. Общий вид разработанного взрывозащищенного пускателя 164
8. Реализация результатов работы 166
9. Ориентировочный расчет экономической эффективности от внедрения взрывозащищенного пускателя с повышенной информационной насыщенностью 172
- Анализ существующих методов оценки уровня безопасности эргатических систем
- Информационный подход к оптимизации структуры технических систем
- Повышение информационной насыщенности взрывозащищенного пускателя ПВИ-125
- Блок управления и диагностики
Введение к работе
Актуальность работы. Особенностью эксплуатации взрывозащищенных аппаратов является присутствие в воздушной среде метана и угольной пыли. При этом вероятны их опасные концентрации. В этих условиях появление источника зажигания может привести, к возникновению взрывов (вспышек) метана. По статистический данным около 35% взрывов метана и угольной пыли на шахтах России происходит из-за нарушения защитных свойств электрооборудования.
Это означает, что технические условия и технология изготовления взрывозащищенного электрооборудования не обеспечивают все возрастающие требования к надежности и безопасности его эксплуатации. Основные средства обеспечения безопасности при эксплуатации взрывозащищенных коммутационных аппаратов (взрывонепропицаемые оболочки, искробезо-пасные цепи и всевозможные блокировки) обладают недостаточной надежностью. Используемые в схемах управления взрывозащищенными коммутационными аппаратами устройства выполнены на устаревшей элементной базе и также обладают низкой надежностью и недостаточным быстродействием. Средства технической диагностики взрывозащищенных аппаратов недостаточно развиты, и при их разработке и изготовлении практически не учитывается человеческий фактор. Вследствие этого при отказе защитных устройств и устройств управления обслуживающий персонал затрачивает на поиск неисправности около 60% от времени восстановления. Естественно, это приводит к увеличению простоя забоев, снижению добычи, производительности труда и возрастанию вероятности возникновения опасных ситуаций.
Один из путей повышения безопасности и надежности взрывозащищенных аппаратов - создание для них схемы управления со встроенной диагностикой, которая позволила бы уменьшить время поиска неисправности. Это требует разработки нового подхода к оценке безопасности эксплуатации взрывозащищенных аппаратов. Следовательно, определение новых критериев оценки безопасности эксплуатации взрывозащищенных аппаратов и разработка на основе этих критериев метода оценки и повышения безопасности их эксплуатации, позволяющего, в конечном счете, повысить безопасность горных работ, является актуальной задачей.
Цель работы - разработка метода оценки и повышения безопасности эксплуатации взрывозащищенных аппаратов и создание на основе данного метода образца взрывозащищенного пускателя нового уровня.
Идея работы состоит в выборе показателей, позволяющих оценить безопасность эксплуатации взрывозащищенных аппаратов и разработке с их использованием метода, позволяющего не только оценить, но и повысить безопасность их эксплуатации.
Основные научные положения.
1. Показатель смежности и показатель насыщенности оперативной ин-
формацией позволяют оценить информационную насыщенность взрывоза-щшценных аппаратов, определяющую безопасность их эксплуатации.
2, Алгоритм оптимизации структуры технических систем обеспечивает повышение информационной насыщенности взрывозащищенных аппаратов.
Методика исследования. Для анализа структуры систем и ее влияния на представленные в работе показатели использовались элементы системного анализа.
При реализации алгоритма оптимизации структуры технических систем применялся язык программирования Turbo Pascal 7.0, а для проведения вычислительного эксперимента использовалась среда Mathlab 52.
Для управления микроконтроллером, который установлен в блоке управления и диагностики, применялся язык программирования Assembler для серии MSC-51.
Научная новизна заключается:
-
в разработке информационного метода оценки и повышения безопасности эксплуатации взрывозащищенных аппаратов;
-
в разработке алгоритма оптимизации структуры технических систем, обеспечивающего повышение информационной насыщенности взрывозащищенных аппаратов;
-
в разработке схемы управления взрывозащшценного пускателя, которая имеет повышенную информационную насыщенность.
Практическая ценность работы состоит в разработке схемы управления взрывозащшценного пускателя, которая позволяет повысить его информационную насыщенность, а следовательно, безопасность эксплуатации. Кроме того, разработанная схема управления позволяет уменьшить время поиска неисправности в пускателе и сократить, за счет этого, продолжительность простоев.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением в процессе исследований вычислительных экспериментов на ЭВМ, элементов теории графов и теории матриц, а также натурными испытаниями взрывозащищенного пускателя с разработанной схемой управления в лабораторных условиях КузГТУ и промышленных условиях шахты им. Волкова ОАО "Угольная компания" "Северокузбассуголь".
Реализация результатов работы. Разработанный в диссертации метод позволил создать и внедрить на шахте им. Волкова ОАО "Угольная компания" "Северокузбассуголь" образец взрывозащищенного пускателя с повышенной информационной насыщенностью.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на первой международной научно-практической конференции "Наукоемкие технологии угледобычи и углепереработки", в октябре 1998г., г.Кемерово, на научно-производственной конференции "Системы и средства автоматизации", в октябре 1998г., ^Новокузнецк, на второй международной научно-практической конференции "Безопасность жизнедеятельности в угольных
регионах", в ноябре 1998г., г.Кемерово. а также на ежегодных научно-технических конференциях Кузбасского государственного технического универсшета в І997 - І999 гг. Ка торгово-промышленной выставке "Кузнецкая ярмарка" в 1999г. разработанный пускатель был награжден малой золотой медалью.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано девять печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 118 страницах машинописного текста, содержит 34 рисунка, 17 таблиц, список литературы из 100 наименований и девять приложений.
Анализ существующих методов оценки уровня безопасности эргатических систем
Основные направления безопасного применения электроэнергии в шахтах традиционно решаются по отдельности, т.е. методы и средства их практической реализации основаны на различных критериях взрыво- , искро- и электробезопасности. При этом принятые технические и организационные меры по обеспечению безопасности в рассмотренных трех направлениях могут складываться из различных частных решений. Однако, не исключая важности и необходимости отдельного решения, указанных аспектов, необходимо отметить, что безопасное применение электричества в шахтах должно рассматриваться комплексно. Поэтому нужно найти такое системное решение проблемы, которое соответствовало бы всем этим направлениям и, по возможности, состояло бы из одного обобщенного критерия. Согласно этому в ИГД им. А.А. Скочинского разработаны научные и инженерные основы безопасной электрификации шахт, опасных по газу и пыли [85].
Под комплексной электробезопасностью в дальнейшем будем понимать [85, 86]:
а) предупреждение образования электрических разрядов, способных воспламенить окружающую пыле- или газовоздушную смесь;
б) предупреждение травмирования людей электрическим током.
В работах выполненных в ИГД им. А.А. Скочинского, условие обеспечения комплексной электробезопасности математически выражается следующей зависимостью: откл tpa у 1 1) где tpa - время развития аварии в системе электроснабжения; tomm - время отключения или энергетической изоляции места повреждения в системе от источников питания [87]. За абсолютную величину tpa, в зависимости от конкретных условий принимается ее минимальное значение при наибольшей опасности развития аварии.
Задача оценки безопасности труда является на данный момент наиболее актуальной проблемой производственной деятельности. Важность повышения безопасности при работе эргатических систем обусловила исследование различных аспектов этой проблемы. Особенно актуальной эта проблема становится сейчас, после особо крупных трагедий на шахтах Кузбасса [28].
В настоящее время к решению задачи обеспечения безопасности эксплуатации шахтного электрооборудования применяется подход, основанный на создании такого уровня безопасности (определяемого по сравнению с базовым образцом), который привел бы к максимальной экономической эффективности. Вполне очевидно, что экономически невыгодна как чрезмерно низкая, так и чрезмерно высокая стоимость обеспечения безопасности работ. В то же время простым наращиванием средств защиты, блокировок, дублированием элементов и блоков можно достичь лишь какого-то определенного, весьма далекого от максимального, уровня безопасности. Это объясняется тем, что усложнение технической части эргатической системы будет приводить к снижению ее надежности, что, в конечном счете, влияет и на безопасность. Переход к более современным, принципиально другим технологиям не всегда связан с увеличением затрат. А поэтому между безопасностью и экономической эффективностью существует сложная, не поддающаяся аппроксимации зависимость.
Сложность оценки безопасности эргатических систем, недостаточная изученность методологических основ безопасности обусловили выработку различных критериев безопасной эксплуатации (КБЭ), среди которых можно выделить вероятностно-статистические, экспертные (в сравнении с базовым образцом) и физические показатели.
При работе эргатических систем возможна реализация таких опасных событий, как взрыв или вспышка метана, электротравма, пожар. Причем все эти события различны по своей физической сущности. Кроме этого, надо отметить, что каждое из этих событий представляет собой совокупность отдельных составляющих. Максимальная величина вероятности каждого опасного события регламентирована стандартами [23, 24]. Естественно, опираясь на это, наибольшее распространение получили вероятностно-статистические КБЭ.
Одним из таких критериев, принятым, в частности, в работах [36-38], выполненных под руководством П. Ф. Ковалева, является коэффициент: К=Н0НЖУ, (1.2) где Н0ну и Н0су - среднее число аварий в новых и старых условиях соответственно (за новые условия принят вариант с использованием новой техники).
Для определения коэффициента К строится модель сложной системы "ВЗЭО - среда - средства защиты" в виде графа переходов из безопасных состояний в опасное, в котором реализуется опасное событие. Дифференциальные уравнения, описывающие поведение модели, позволяют рассчитать по известным из статистических наблюдений функциям и плотностям распределения величин времени нахождения в опасном и безопасном состояниях ВЗЭО, среды и средств защиты, вероятности переходов системы из одного состояния в другое, по которым затем определяются искомые значения Н. Так, наиболее простая формула, полученная для двухэлементной системы, представляется в виде: dq где d{d) - средняя продолжительность одного промежутка времени, когда ВЗЭО находится в опасном (безопасном) состоянии; q(q) - аналогичные промежутки времени, относящиеся соответственно к опасным и безопасным состояниям среды. Уменьшение коэффициента К будет косвенным образом свидетельствовать о повышении уровня безопасности в системе при эксплуатации новой техники.
При экспоненциальном распределении времени переходов системы из одного состояния в другое в работе [38] в качестве КБЭ используются: наработка до опасного состояния и среднее время нахождения ВЗЭО в опасном состоянии.
Большое количество работ посвящено построению и анализу моделей опасных событий, формализуемых с помощью функций алгебры логики, аргументами которых являются вероятности событий, сопутствующих аварии, при рассмотрении системы "машина - среда" [6, 8, 20, 32, 34, 36, 40, 51, 61, 79, 80, 82]. В работе [20] из определения вероятности появления опасного события аналитическим способом устанавливается объективное значение минимально допустимого уровня надежности шахтных электромеханических систем. Количественное определение уровня эксплуатационной надежности и безопасности применения электроэнергии в шахтах, исходя из анализа модели опасного события, сделано в работах [31, 32, 34, 40, 52, 79, 80, 82].
В последующих работах при создании модели опасного события рассматривается эргатическая система "человек - машина - среда" со встроенными моделями деятельности персонала [3, 4, 45, 53, 71]. В частности, в работе [45] в модель опасного события введена математическая модель деятельности человека в процессе ТОР ВЗЭО, а в качестве КБЭ принимается относительное изменение математического ожидания вероятности опасного события при изменении количественного и качественного составов забойного электрооборудования и интенсивности его эксплуатации. Таким образом, сделана попытка оценки человека не только как пассивной жертвы аварии, но и как активного участника создания предпосылок для реализации опасного события.
В работе [71] КБЭ для системы "экипаж - летательный аппарат - средства наземного обеспечения по управлению полетом - внешняя среда" является вероятность безопасного полета, определяемая через условные вероятности событий, предшествующие аварии.
В работе [88] в качестве КБЭ используется средняя частота следования импульсов совпадения случайных потоков опасных состояний ВЗЭО, среды и опасных действий человека. При этом опасными являются только те импульсы совпадения, длительность которых больше или равна времени, необходимом для возникновения опасного события.
В работе [2] интегральным показателем взаимодействия человека с опасным потенциалом машины является степень риска, т.е. вероятность несчастного случая за определенное время.
Все вышеперечисленные исследования, использующие вероятностно-статистические КБЭ, сталкиваются с главной трудностью - необходимостью получения достоверной статистической информации об эксплуатации оборудования, по которой должны быть определены законы распределения случайных величин, например, времени нахождения всех типов ВЗЭО в каждом из рассматриваемых технических состояний [75]. От этого, в конечном счете, зависит погрешность расчета КБЭ. К недостаткам вероятностно-статистических КБЭ относится и невозможность расчета этого показателя для вновь проектируемого ВЗЭО. Традиционный прием определения КБЭ для такого оборудования по наличию в нем типовых блоков с известными в общем виде характеристиками неприемлем для качественно новых разработок.
Информационный подход к оптимизации структуры технических систем
Предложенные показатели, позволяющие объективно оценить структурную часть информационного ресурса ТС, дают возможность определить пути дальнейшего совершенствования топологии ТС.
Основой для структурного анализа ТС служит ее ориентированный граф, построенный по функциональной схеме ТС, в котором выделяют под первым номером объект управления (технологическую цепь, в частности для шахтного магнитного пускателя - контактор), и далее - периферийные элементы управления и защиты.
Граф ТС описывается с помощью МСВ Мс={ту}, позволяющей оценить структуру ТС: наличие КС, а также наличия ССК. КС позволяет определить работоспособность (исправность) элементов, входящих в данный контур, но не работоспособность (исправность) каждого элемента в отдельности. При тпи=1 в ТС существует контур с ССК, контролирующий работоспособность (исправность) г -го элемента. След (определение по [69]) МСВ Sp(MG) определяет общее количество ССК, максимальное число которых равно числу элементов ТС.
Безопасность эксплуатации шахтных ТС, согласно [46, 66], может определяться их информационной насыщенностью. Информационная насыщенность определяется двумя составляющими: структурной и оперативной. Следовательно, оптимальная с точки зрения безопасности структура ТС должна иметь максимальное количество структурной информации. Максимальное количество структурной информации, определяется оптимальной структурой ТС, которая, согласно проведенному анализу, должна обеспечивать выполнение условия А=\, что в большинстве случаев обеспечивается существованием в ТС в отдельности либо п ССК, либо п КС. Если в ТС присутствуют и ССК и КС, то для достижения максимального коэффициента смежности необходимо увеличить общее число контуров до величины большей п. При этом оптимальные значения коэффициентов следующие: fconm_ 2_ от_»з, т.е. на элемент ТС в среднем должно приходиться по три связи и два контура, данное соотношение обеспечивает дублирование связей самоконтроля контурными связями.
В реальных ТС с ограниченной надежностью элементов необходима избыточная структурная информация, что обеспечивается максимальным использованием контурных связей, причем ССК могут быть дублированы КС. Учитывая, что ССК эффективнее, первоначально ТС должна наполняться именно этими связями. При дальнейшем росте количества связей коэффициент смежности уменьшается: ТС перенасыщена структурной информацией.
В составе любой ТС можно выделить элементы, самоконтроль которых либо вовлечение в цепь КС технически трудновыполнимы либо нецелесообразны (взрывозащитный корпус, кнопка, элементарный датчик и др.). В связи с этим необходимо разбить все элементы ТС на две группы: простые и сложные. При наличии значительного количества простых элементов максимальное значение коэффициента смежности не всегда достижимо. Для повышения безопасности функционирования возможно дублирование связей простых элементов с другими элементами, другой путь - интегрирование нескольких элементов одного уровня иерархии в общий (при снижении количества элементов, нужно меньшее количество связей для достижения оптимальной структуры).
Целью оптимизации является достижение оптимальной с информационной точки зрения структуры ТС, оцениваемой показателем А. Таким образом в качестве критерия, по которому будет проводиться оптимизация, предлагается использовать максимальную насыщенность ТС структурной информацией (A=l, при наличии у каждого из элементов ТС ССК и КС с другим элементом, т.е. выполнении условия квт- 2, w—»3).
Задача оптимизации структуры ТС разбита на два этапа.
1. Оптимизация структуры системы с достижением максимального значения показателя смежности А при минимуме вводимых связей рв.
2. Оптимизация структуры системы с насыщением ее ССК и КС (квт- 2, к т- 3) при сохранении имеющегося значения показателя А, полученного после первого этапа оптимизации.
Этапы оптимизации и целесообразные значения топологических показателей, полученные на основе анализа систем, состоящих из трех и семи элементов, представлены на рис. 2.5, причем изменение показателя А представлено аппроксимирующей кривой, в реальном случае изменение А происходит дискретно.
Второй этап оптимизации структуры ТС можно разделить еще на два дополнительных этапа: насыщение системы ССК и насыщение ее КС. Эти этапы оптимизации могут выполняться как по отдельности, так и вместе.
Реализованный алгоритм оптимизации структуры ТС включает следующие действия.
1. Составление графа, отображающего функциональную схему ТС.
2. Запись на основе графа МСВ MG.
3. Определение значения ранга MG: если оно не максимально (не равно п), следует переход к оптимизации структуры ТС.
4. Деление всех элементов ТС на простые и сложные.
5. Исключение простых элементов.
6. Оценка влияния ССК на значение ранга MG.
7. Оценка влияния ОС между сложными связанными элементами (связанными элементами называются те, которые имеют лишь прямые связи).
8. Оценка влияния всех оставшихся непроверенных прямых связей на ранг MG.
9. На основании полученного на первом этапе оптимизации значения показателя смежности осуществляется переход ко второму этапу с использованием:
- насыщения ТС дополнительными ССК;
- насыщения ТС дополнительными КС;
- насыщения ТС дополнительными и ССК, и КС. Подробный алгоритм оптимизации представлен на рис. 2.6, 2.7, 2.8, 2.9, 2.10, 2.11. Алгоритм оптимизации разделен на основную часть, представленную на рис. 2.6, процедуру введения ССК (рис. 2.7), процедуру введения КС (рис. 2.8), процедуру введения дополнительных прямых связей (рис. 2.9), процедуру оптимизации введением дополнительных ССК (рис. 2.10), процедуру оптимизации введением дополнительных КС (рис. 2.11).
Повышение информационной насыщенности взрывозащищенного пускателя ПВИ-125
На основании анализа существующего ВЗП;, имеющего достаточно низкую информационную насыщенность, предлагается разработать новый ВЗП, обладающий повышенной информационной насыщенностью.
Для этого необходимо разработать новую структурную схему ВЗП, отличающуюся от имеющейся большим количеством структурной информации. Для повышения структурной части информационного ресурса ВЗП применим к его структурной схеме разработанный алгоритм оптимизации структуры ТС.
Проведем оптимизацию структурной схемы ВЗП без разделения элементов на простые и сложные. После выполнения первого этапа оптимизации по критерию максимального насыщения ТС структурной информацией при минимуме вводимых связей ориентированный граф и матрица смежности с рассчитанным для нее значением ранга представлены на рис. 3.2.
Согласно результатам проведенных исследований и результатам оптимизации по критерию насыщения ТС структурной информацией ориентированный граф, соответствующий структурной схеме ВЗП, как представлено на рис. 3.3. В полученной схеме на каждый из элементов ТС приходиться по три связи и два контура, как представлено в главе 2. Причем, все элементы данной схемы имеют ССК, дублированные КС, что повышает надежность при определении состояния каждого из элементов схемы. Приняв значения 1=\ бит, v/=10 с."1 и pj=l, предлагается построить характеристику зависимости b от А для данной структурной схемы, которая позволит наглядно указать оптимальное значение насыщенности оперативной информацией, а также и информационного ресурса. Результаты расчетов данной характеристики приведены в таблице приложения 4.
По результатам расчетов, приведенных в таблице приложения 4, построена зависимость Ъ от А для оптимизированной схемы ВЗП, приведенная нарис. 3.4.
При рассмотрении нарушений ТБ, приведенных в табл. 1.5, применительно к разработанной по рис. 3.3 схемы ВЗП, можно сделать вывод, что ни одно из них для нее неосуществимо, т.к. все блоки ВЗП обладают ССК и КС, что в случае отказа или отключения блока приведет к отключению контактора ВЗП, а следовательно, данный ВЗП обладает свойством неповреждаемости.
При проведенной оптимизации не учитывались свойства элементов ВЗП. Такие элементы, как взрывозащитная оболочка, кнопка "Стоп", датчики тока и утечки, а также и сам объект управления имеют элементарно простое строение, и для того, чтобы насытить их связями в соответствии с результатами оптимизации, придется добавлять в них дополнительные элементы, что может привести к резкому снижению их надежности. Поэтому предлагается рассматривать эти элементы как простые. Номера этих элементов на структурной схеме следующие: 1, 2, 7, 8, 10. В этом случае, после первого этапа оптимизации по критерию максимальной насыщенности структурной информацией при минимуме вводимых связей ориентированный граф ВЗП, соответствующий структурной блок-схеме со своей матрицей смежности, будет выглядеть, как представлено на рис. 3.5.
Для реализации системы, представленной на рис. 3.6, блокам 3, 4, 5, 9, 6 необходимо придать способность самоконтроля. Кроме реализации ССК необходимо сделать возможным передачу по ветвям схемы информации о состоянии каждого из этих элементов (на данный момент возможность передачи сигналов ограничена двумя состояниями "сработал" - "не сработал"). Предлагается передавать сигнал в закодированном виде, например, используя временной принцип управления. Таким образом, к блоку управления будут поступать от блоков 3, 4, 5, 9 три вида сигнала: "исправен", "срабатывание блока от внешних воздействий", "неисправен". Для реализации свойств самоконтроля самих блоков предлагается создать новые блоки 3, 4, 5, 6, 9. Для их создания необходимо воспользоваться электронной элементной базой. Блок управления предлагается реализовать на однокристальном микроконтроллере. Это даст возможность не только осуществить самоконтроль данного блока, но и придать гибкость алгоритму работы схемы управления пускателем, что позволит использовать данный блок управления практически без изменений для управления любой другой шахтной аппаратурой. Кроме возможности управления данный блок одновременно может осуществлять диагностику каждого из самоконтролируемых элементов схемы, используя обегающий контроль. Следовательно, реализации дополнительных устройств для диагностики как блоков, так и всего ВЗП, не требуется. Обегающий контроль предлагается осуществлять непрерывно, что даст возможность повысить вероятность правильного распознавания сигналов от блоков практически до 1. Использование модуляции при передаче сигналов от самоконтролируемых блоков позволяет передавать практически неограниченное количество сигналов об их состоянии. Например, БКИ можно придать способность не только осуществлять контроль сопротивления изоляции, но и отображать два уровня снижения ее сопротивления (по требованиям [63]) без дополнительных переключений.
Предлагается оценить информационный ресурс описанной здесь схемы управления ВЗП для сравнения его с информационным ресурсом схемы управления имеющегося ВЗП. Ориентированный граф, соответствующий структурной схеме нового ВЗП и соответствующая ему матрица смежности, приведены на рис. 3.7. Он состоит из следующих блоков: 1- объект управления, 2- датчики тока, 3 - максимальная токовая защита (МТЗ), 4 - блок защиты от перегрузки (ТЗП), 5 - блок защиты от утечек (БЗУ), 6 - датчик утечки, 7- блок управления и диагностики (БУД), 8 - пульт дистанционного управления, 9 - кнопка "Стоп", 10 - взрывобезопасная оболочка.
Они превосходят показатели, полученные для схемы имеющегося ВЗП, но их значения все же недостаточно высоки, учитывая, что оптимальные значения кст =3, а ксв =2. Это объясняется невозможностью полной оптимизации схемы управления ВЗП (наличием простых элементов). Поэтому оптимальным решением, скорее всего, будет не доработка имеющегося оборудования, а изначальная разработка нового, с использованием метода, изложенного в главе 2.
Учитывая, что новый ВЗП предполагается создавать на электронной элементной базе с использованием микропроцессорной техники, его быстродействие увеличено. Поэтому время определения технического состояния основных блоков равно 0,1с, а время, уходящее на проверку их состояния, -0,01 с. Для быстрооткрываемой крышки ВЗП и кнопки "Стоп" элементная база осталась прежней, и поэтому время определения их технического состояния будет неизменным.
Для блоков МТЗ, ТЗП, БЗУ, ПДУ и БУД нового ВЗП установлено не два состояния (сработал блок или не сработал), а три (добавлено определение неисправности самого блока). Для БЗУ необходимо определять еще четвертое состояние - срабатывание предварительной уставки.
Для определения состояния блоков МТЗ, ТЗП, ПДУ и БЗУ предлагается придать им свойства самодиагностики, что обусловливается наличием в структурной схеме нового ВЗП связей самоконтроля (ветви о, р, q, г, s, t на рис. 3.7). По связям самоконтроля передается только два состояния: "исправен" - "неисправен".
Результаты расчета количества оперативной информации для нового ВЗП приведены в табл. 3.5.
При разработке нового ВЗП предполагается использовать многократный обегающий контроль, что позволило повысить вероятность правильного определения технического состояния элементов в пути практически до 1. Результаты расчета насыщенности оперативной информацией нового ВЗП приведены в табл. 3.6.
Блок управления и диагностики
БУД разработан на основе однокристального микроконтроллера серии MSC-51, что дает большую гибкость алгоритму его работы. В имеющемся устройстве использован микроконтроллер 80С31ВН. Он не имеет внутреннего ПЗУ, что делает необходимым включение в схему отдельной микросхемы ПЗУ, однако это существенно упрощает отладку программы. Отечественным аналогом этого микроконтроллера является КР1830ВЕ31[7].
Микроконтроллер выполнен на основе высокоуровневой п-МОП технологии и выпускается в корпусе БИС, имеющем 40 внешних выводов. Для его работы требуется один источник электропитания +5В. Через четыре программируемых порта ввода-вывода микроконтроллер взаимодействует с окружающей средой в стандарте ТТЛ-схем с тремя состояниями выхода.
Корпус микроконтроллера имеет два вывода для подключения кварцевого резонатора, четыре вывода для сигналов, управляющих режимом работы микроконтроллера и восемь линий порта 3, которые могут быть запрограммированы пользователем на выполнение специализированных функций обмена информацией со средой [33, 76, 83].
Основу структурной схемы MSC-51 образует внутренняя двунаправленная 8-битная шина, которая связывает между собой все основные узлы и устройства: резидентную память, центральный процессор, блок регистров специальных функций, устройство управления и порты ввода-вывода. Его внутренняя структурная схема представлена на рис. 4.5.
Память данных (ОЗУ) предназначена для хранения переменных в процессе выполнения прикладной программы, адресуется одним байтом и имеет емкость 128 байт.
В составе средств микроконтроллера имеются регистровые пары с символическими именами: ТНО, TL0 и ТН1, ТЫ, на основе которых функционируют два независимых управляемых программно 16-битных таймера-счетчика событий.
Кварцевый резонатор, подключаемый к внешним выводам ХТАЫ(Х1) и XTAL2(X2), управляет работой внутреннего генератора, который в свою очередь формирует сигналы синхронизации.
Микроконтроллер предназначен для работы в диапазоне температур от -5 до +70С, что делает возможным его применение в шахтных условиях.
Упрощенная функциональная схема БУД приведена на рис. 4.6. Основными элементами схемы БУД являются: А1 - микроконтроллер, А2 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), A3 - входной мультиплексор, А4- дешифратор адреса входа, А5 - промежуточный регистр, А6 - выходной инвертирующий буфер, а также блоки А7-А11, состоящие из регистров индикации и одноразрядных индикаторов. Причем блок А7, код индикации которого принадлежит старшему разряду кода индикатора БУД, контролирует состояние ПДУ. Затем следует блок А8, код индикации которого контролирует МТЗ, код А9 - ТЗП, код А10 - БЗУ и код All (код младшего разряда ) -ТЗ.
При подаче напряжения на БУД происходит системный сброс А1 и последующее считывание им программы, записанной в ПЗУ А2. Выполняя программу, А1 дает команду на опрос входов A3. Частотные сигналы с входов A3 поочередно передаются к А1, где происходит их преобразование в цифровой код и последующий анализ. Коды анализа сигналов записываются в регистр А5. Данные коды имеют следующие значения: "0" - отсутствие частотного сигнала либо несовпадение значения частоты сигнала, полученного на входе A3, с заданным в ПЗУ; "1"- срабатывание защит (входы 2-5), либо сигнал "Стоп" от ПДУ (вход 1); "2"- нормальное состояние блоков защит (входы 2-5), либо сигнал "Пуск" от ПДУ (вход 1); "3"- срабатывание предупредительной уставки БЗУ. Блоки А7 - АН, соответствующие входам A3, выбираются с помощью дешифратора А4. Возможные коды индикатора БУД приведены в табл. 4.1.
В случае, когда сигналы на входах 2-5 соответствуют исправному состоянию и на входе 1 мультиплексора A3 появляется частота/ , А1, через буфер А6, подает команды F2 и ALL блоку КК. Сигнал ALL производит общее включение цепи катушки контактора, а сигнал F2 обеспечивает форсированное включение контактора. Производится включение контактора ВЗП. По окончании трех секунд с момента включения сигнал F2 снимается, a ALL остается, обеспечивая включенное состояние контактора. В случае срабатывания любого из блоков защит сигнал ALL снимается элементом А1, приводя к отключению катушки контактора. После устранения неисправности сигнал ALL опять появляется, но контактор не включается, так как отсутствует сигнал F2. Для повторного включения необходимо нажать кнопку "Стоп", а потом кнопку "Пуск" на ПДУ. При этом А1 обеспечивает выдачу сигнала F2.
Электрическая схема БУД представлена на рис.4.7. Основными элементами электрической схемы БУД являются: DD1 - однокристальный микроконтроллер, DD2.4 - Триггер Шмидта, DD3 - регистр-защелка младшего байта адреса, DD4 - ПЗУ, DD5 - входной мультиплексор, DD6 - дешифратор, DD7 - промежуточный регистр, DD8.1 - выходной инвертирующий буфер, DD9 - DD13 - регистры индикации, HG1-HG5 - светодиодные индикаторы, VT1, VT2 - выходные транзисторы.
При подаче напряжения на БУД элемент DD2.4 вырабатывает прямоугольный импульс, поступающий на вход RST элемента DDL Происходит начальный сброс и инициализация элемента DDL Элемент DD1, через порты РО и Р2 дает команду на считывание программы, расположенной в ПЗУ. При этом используется 16-разрядная адресация - старшие восемь разрядов адреса передаются через порт Р1 сразу на DD4, а младшие через порт РО подаются на DD4 через элемент DD3. Считанные данные от элемента DD4 поступают в порт РО элемента DDL Начинается выполнение программы. Сначала инициализируются таймеры-счетчики ТІ и ТО элемента DDL ТІ-как 16-битный таймер-счетчик, ТО - как счетчик внешних событий. Кроме этого, элемент DD1 выдает сигнал SCNm порта Р1, разрешающий считывание с входов DD5. По сигналам таймера 77 DD1 через порт Р1 выдает сигналы CNO, CN1, CN2 в порт SE мультиплексора, с помощью которых производится циклический последовательный опрос входов DD5. Сигналы, присутствующие на входе DD5, последовательно передаются с его выхода на вход счетчика ТО элемента DDL Таймер ТІ элемента DD1 также задает промежутки времени таймеру ТО для определения частоты входных сигналов мультиплексора DD5. Содержимое ТО по сигналу ТІ считывается и программно анализируется. Для каждого из пяти входов DD5 программно задается несколько диапазонов частот, соответствующих нормальной работе и различным неисправностям. Для всех этих диапазонов и входов заданы коды анализа сигналов. Нормальному режиму для входов 2-5 и состоянию "Пуск" для входа 1, соответствует код "2"; аварийному режиму для входов 2-5 и состоянию "Стоп" для входа 1 - код "1". Для четвертого входа, контролирующего состояние блока защиты от утечек, задано три диапазона: нормальный режим, аварийный режим и срабатывание предупредительной уставки, срабатыванию которой соответствует код "3". Несоответствию частоты полученного сигнала заданным диапазонам или отсутствию сигнала соответствует код "0". В процессе анализа определяется частота сигналов, поступивших на вход мультиплексора, и соответствие ее одному из заданных диапазонов для входа, с которого она была получена. После анализа сигнала его код, отображающий состояние соответствующего элемента БУД , записывается из порта Р0 DD1 в промежуточный регистр DD7. Адрес входа мультиплексора, из которого получен данный сигнал, передается из порта Р2 на вход дешифратора DD6. На выходе дешифратора появляется инверсный сигнал, который соответствует номеру входа DD5. Этот сигнал разрешает запись из промежуточного регистра DD7 в соответствующий регистр индикации. Регистр индикации DD9 соответствует входу 1, DD10 -входу 2 и т.д. Содержимое регистров индикации выводится на индикаторы HG1-5.
При наличии на входах 2-5 сигналов, соответствующих нормальной работе, и появлении на входе 1 сигнала "Пуск" (на всех индикаторах при этом высвечивается "2"), DD1 выдает сигналы F2 и ALL, которые из порта Р1, через инвертирующий буфер DD8.1 подаются на транзисторы VT1 и VT2. Транзисторы отпираются, обеспечивая включение герконовых реле К1 и К2, расположенных в блоке контактора. Герконовое реле К1 обеспечивает фор-сировку цепи катушки контактора, Х2-замыкание цепи катушки контактора. После прохождения 0,2с. сигнал F2 снимается и герконовое реле К1 отключается, но катушка контактора остается включенной через сопротивление форсировки Яф. В случае появления хотя бы на одном из входов DD5 аварийного сигнала ("1") либо отсутствии любого сигнала на входе DD5 ("0") происходит снятие сигнала ALL с порта PI DD1, что ведет к отключению К2, который обрывает цепь катушки контактора. Для повторного включения пускателя после устранения причины отключения (выдачи от DD1 сигналов F2 и ALL) необходимо сначала дать сигнал "Стоп" на вход 1, а лишь затем подавать сигнал "Пуск".
Соответствия частот и сигналов приведено в табл. 4.2.
