Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вентиляции негазовых угольных шахт и методов управления 15
1.1. Анализ современного состояния проветриванием негазовых угольных шахт 15
1.2. Исследование существующих методов управления проветриванием негазовых шахт и их классификация 37
1.3. Постановка задачи. Методы исследования управлением проветриванием негазовых шахт 46
1.4. Выводы по главе 1 63
2. Разработка и исследование высокоэффективных методов и моделей управления проветриванием негазовых шахт 64
2.1. Исследование моделей систем управления для развивающихся шахт 64
2.2.Математическая модель многоуровневой системы с переменной структурой 72
2.3. Методика определения параметров системы. Разработка приближенных методов и алгоритмов преобразования вентиляционных сетей с переменной структурой 78
2.4. Анализ и выбор методов реализации алгоритмов преобразования при определении уравнивающих параметров вентиляционных соединений 84
2.5.Математическое моделирование взаимосвязанности воздушных потоков в вентиляционной сети с переменной структурой 87
2.6.Выводы по главе 2 94
3. Выбор и анализ алгоритмов реализации разработанных методов и моделей управления проветриванием негазовых шахт 96
3.1. Выбор алгоритмов построения приближенных вентиляционных соединений 96
3.2. Анализ алгоритма построения обобщенной структурной схемы системы управления в автоматизированном режиме 100
3.3. Анализ особенностей программной реализации разработанных алгоритмов 106
3.3. Выводы по главе 3 109
4. Практическая реализация разработанных методов и алгоритмов управления 111
4.1.Разработка структуры системы управления проветриванием негазовых шахт 111
4.2. Разработка системы вентиляции негазовых шахт как объект управления 121
4.3.Методика комплексного расчета системы управления воздухораспределением на примере шахты «Садкинская» 126
4.4.Выводы по главе 4 151
Заключение 153
Литература 156
Приложение 170
- Исследование существующих методов управления проветриванием негазовых шахт и их классификация
- Анализ и выбор методов реализации алгоритмов преобразования при определении уравнивающих параметров вентиляционных соединений
- Анализ алгоритма построения обобщенной структурной схемы системы управления в автоматизированном режиме
- Разработка системы вентиляции негазовых шахт как объект управления
Исследование существующих методов управления проветриванием негазовых шахт и их классификация
При анализе выявлено, что существующая система управления проветриванием угольной шахты Восточного Донбасса базируется на результатах маршрутного контроля мастерами участка вентиляции и техники безопасности (ВТБ) и системе телеметрического контроля рудничной атмосферы, фиксирующих сбои в нормальной работе вентиляционной системы. Решения по регулированию вентиляционной системы принимаются после фиксирования этих сбоев. Маршрутный контроль носит эпизодический характер и поэтому он не всегда успевает своевременно выявить возможные аварийные ситуации. Телеметрический контроль не охватывает весь комплекс горных работ и также как и маршрутный контроль не может своевременно выявить аварийные кратковременные отказы в системе проветривания, особенно носящих локальный характер, приводящих к слоевым и местным загазованиям. В последнее время именно такие локальные загазования стали причинами трагедий, произошедших на шахтах отрасли.
В этих условиях возрастает роль технических разработок по оперативному проветриванию шахты. С развитием вычислительной техники стало возможным создавать, накапливать и обновлять базы данных по рудничной аэрологии, систематизировать и анализировать их. На основе данных баз появилась возможность решать задачи по проектированию рудничной аэрологии, оперативному управлению проветриванием, по дегазации, по противопожарной защите и пылевзрывозащите, разработать позиции плана ликвидации аварии и решать другие задачи противоаварийной защиты шахты. Созданные математические аппараты, для решения вышеуказанных задач, позволяют прогнозировать аварийные отказы функционирования системы проветривания и заблаговременно разработать и организовать технические решения по предотвращению аварийных ситуаций. Возможность прогнозирования аварийных ситуаций позволяет перейти на новый метод управления проветриванием, уйдя от метода фиксации свершившегося события. Совместная автоматизация технологических процессов и производственной деятельности достигается в процессе объединения всех функций управления глубин создания целостной системы.
Опыт решения вентиляционных задач показывает, что управление воз-духораспределением в шахтной сети, чаще всего носит локальный характер, при котором необходимо контролировать не все расходы, а только часть из них. Естественным является то, что в подобных случаях незачем рассматривать всю сеть, а имеет смысл заменить ее некоторым аналогом меньшей размерности, который включал бы только контролируемые объекты проветривания. В тоже время, существующие способы упрощения и преобразования шахтных вентиляционных схем не позволяют строить такого рода целенаправленные модели, которые были бы подобны исходным и сохраняли свои свойства в широком диапазоне изменения условий функционирования шахтных вентиляционных систем. Разработка теоретических основ построения указанных моделей в практическом приложении дает возможность оперативно и с меньшими трудовыми затратами решать разного рода задачи по управлению проветриванием негазовых шахт.
Оперативный контроль параметров рудничной атмосферы в автоматизированной подсистеме управления проветриванием совмещается с обработкой информации при расчете статистических характеристик, на основе которых определяются необходимые расходы воздуха [10, 11]. Накопление долговременной информации присуще САПР при создании справочных данных. Эти данные используются при реконструкции шахты и выработке нового проекта вентиляции. Затем после расчета в условиях САПР потоко-распределения воздуха оценивается точность результатов нового вентиляционного режима, выполняются контрольные наблюдения и корректируются управляющие воздействия в подсистеме АТМОС.
Интеграция автоматизированных подсистем управления и проектирования вентиляции шахт осуществляется по следующим направлениям:
- функциональное, т.е. единство цели и критериев;
- организационное (рациональное сочетание возможности персонала и ЭВМ в человеко-машинном комплексе);
- программное (взаимосвязь моделей алгоритмов, операционных систем и прикладных программ);
- информационное (единая система накопления и обработки информации);
- техническое (организация многомашинных комплексов, сети ЭВМ).
Для интегрированной системы (ИС) вентиляции присущи характерные особенности. Во-первых, при непрерывном управлении вентиляцией информационные потоки подвергаются параллельной обработке, данные поступают в управляющий вычислительный комплекс одновременно с нескольких датчиков аппаратуры контроля атмосферы и управляющие воздействия направляются сразу на определенное число исполнительных механизмов. В то время, как в условиях САПР обработка информации ведется поэтапно во времени, схемы проветривания создаются последовательно, а именно: сначала для выемочного участка, затем для вентиляционного, а потом для всей шахты. Следовательно, существует непрерывный процесс управления и дискретный процесс проектирования.
Во-вторых, в связи с большим количеством информации и значительностью дискретного процесса проектирования, по сравнению с управлением, то подсистему автоматизированного проектирования схем проветривания шахт можно считать статическим объектом. Тогда как для непрерывного процесса управления, такое положение принять нельзя.
Указанные особенности определяют существование математических моделей управления и проектирования. В непрерывном процессе при некоторых упрощающих предположениях оптимизационная задача управления сводится к некоторой задаче линейного программирования [8, 109]. А в случае дискретного проектирования даже при введении всех допустимых упрощающих предположений задачи оптимального проектирования разрешима при достаточно сложной математической модели методами нелинейного целочисленного программирования [7, 126]. Поэтому задачи синтеза вентиляционных сетей описываются экономико-математической моделью [117].
Следует отметить, что сравнительно большое внимание уделяется задачам автоматизированного управления в интеграции двух подсистем. Это обусловлено тем, что управление вентиляцией является одной из важнейших задач, от качественного решения ее во многом зависят технико-экономические показатели проветривания шахты.
Управление проветриванием шахты ориентировано на качественную сторону обработки информации, тогда как проектирование схем проветривания направлено на количественную. Интеграция двух автоматизированных подсистем составляет диалектическое единство двух современных направлений. Оперативные данные получаются непосредственно в подсистеме АМОС, которые используются при реконструкции вентиляции в условиях САПР.
Следовательно, создание интегрированной автоматизированной системы вентиляции обусловлено динамичностью процесса проветривания, необходимостью наибольшего охвата параметров рудничной атмосферы, вентиляционных сооружений и глубины проработки технических решений. Такой комплексный подход вызван жизненным циклом ШВС, их готовностью к адекватному развитию в соответствии с технологией добычи угля, их способностью к перестройке в условиях АСУ ТП и САПР.
Анализ и выбор методов реализации алгоритмов преобразования при определении уравнивающих параметров вентиляционных соединений
Выполним анализ известных методов решения нелинейных систем уравнений (метод Ньютона, градиентный метод и метод итерации) применительно к рассматриваемому кругу задач. Как показали расчеты, применение метода Ньютона или итерации для построения приближённых соединений вентиляции оказывается не элективным. Их существенными недостаткам являются громоздкость выяснения вопроса сходимости процесса и невозможность задание начальных приближений, обеспечивающих требуемую быстроту сходимости вычислений. Использование градиентного метода так же не приводит к достижению поставленной цели. Обладая абсолютной сходимостью, процесс приближения к минимуму функции быстро замедляется по мере подхода к корню. В работе рекомендовано, как наиболее приемлемое, сочетание градиентного метода с методом Ньютона, для которого разработаны блок-схемы программ и программы расчетов.
Случайность выбора начальных приближений может привести к решению, содержащему положительные и отрицательные значения аэродинамических сопротивлений ветвей горных выработок моделирующего аналога. Последнее вполне допустимо, поскольку при математическом моделировании наличие отрицательных сопротивлений не снижает точности последующих расчетов. Однако, такого рода аналоги не приемлемы при использовании моделирующих приборов.
Разработан новый подход к решению рассматриваемых нелинейных уравнений, названный наш методом ограничений, который позволяет среди множества решений находить корни с положительными значениями искомых сопротивлений. Если ввести в рассмотрение контурные воздушные потоки, то система уравнений (2.24) может быть представлена в следующем виде.
Если в системе уравнений (2.25) неизвестный контурный поток qxk,k = l,L считать заданным, то система нелинейных уравнений приводится к линейному относительно rt,i = l,p виду. Возможность такой замены обу- сдавливается спецификой уравнений, описывающих вентиляционные сети, которая позволяет установить границы интервалов допустимых изменений каждого qxk,k = \,L.
Задача состоит из двух этапов. На первом этапе определяются допустимые интервалы изменения контурных потоков Ям ,k = \,L .На втором - осуществляется поиск положительных значений r,,i = 1,р дня каждого из выделенных интервалов изменения qxk,k = \,L.
Интервалы ограничений qA,k = \,L. находятся из тех уравнений системы (2.20), в которых свободный член равен нулю.
Поскольку в выбранном уравнении свободный член равен нулю, то слагаемые в условии (2.27) должны быть разных знаков. Исходя из этого, для каждого qxk,k = \,L. составляются две системы неравенств, решение которых относительно q yk — L. позволяет получить верхнюю и нижнюю границы допустимых изменений контурных потоков. Перебирая затем Чхк к = 1» с некоторым шагом, в пределах допустимых интервалов их изменения и, решая на каждом шаге линейную алгебраическую систему уравнений, находим положительные варианты сопротивлений сети-аналога.
Апробация разработанных методов и алгоритмов по упрощению вентиляционных схем шахт Восточного Донбасса и при построении расчетных схем угольных комбинатов «Ростовуголь» и «Гуковуголь» негазовых шахт показала их работоспособность и подтвердила правильность сделанных выводов. Диапазоны приближения исходной шахтной вентиляционной сети моделирующими аналогами охватывают, возможные в условиях производства, интервалы изменения аэродинамических параметров исследуемых объектов проветривания. Ошибка аппроксимации не превышает 10 %, причем, отклонения свыше 10 % наблюдаются лишь в вариантах максимально удаленных от базовых режимов.
Анализ алгоритма построения обобщенной структурной схемы системы управления в автоматизированном режиме
Методики расчета, изложенные во второй главе, на практике применимы в виде соответствующих алгоритмов и программ. Разработаем программу, выполняющие локальные преобразования вентиляционных схем произвольной сложности и предложим в качестве приближённого соединения использовать соединение по расчётной схеме, взяв за основу следующие алгоритмы. В общем случае процесс построения приближённых 2л-соединений можно обобщить следующей схемой.
1. Определяются, выносимые из исходной расчетной схемы, объекты проветривания и уточняются их аэродинамические сопротивления.
2. Выбирается типовая или конструируется новая структура приближённого 2п-соединения, к которому подсоединяются выносимые объекты проветривания.
3. Уточняются топологические характеристики приближённого аналога и определяется потребное количество базовых режимов для описания выбранной структуры.
4. По данным базисных режимов находятся расходы воздуха и депрессии для каждого вынесенного объекта проветривания. Базисные режимы могут быть получены путем расчета естественного распределения воздуха в исходной сети или по результатам замеров в шахте для каждого нового состояния вентиляционной системы,
5. Для каждого базисного состояния формируется система уравнений, описывающая выбранный аналог, после, чего все системы объединяются в одну замкнутую систему уравнений. Выбирается метод ее решения и определяются искомые сопротивления ветвей приближённого 2п-соединения.
Обобщая изложенное в главе 2.5, приходим к следующему алгоритму построения приближённого соединения.
1. Составляется расчетная вентиляционная схема шахты. На вентиляционном плане определяются участки, подлежащие преобразованию. Выделяются узлы, которые оконтуривают упрощаемый участок и одновременно являются вершинами соединения.
2. Рассчитывается или измеряется в условиях шахты первый базисный вариант, по данным которого:
а) определяются направления и расходы воздуха для выбранных узлов
б) находятся депрессии между узлами соединения.
3. В расчетной схеме или на участке реальной шахтной сети, неподвергаемой преобразованию, регулирующим выработкам (одной или нескольким) придаются новые значения сопротивлений. Производится определение второго базисного режима, по данным которого, аналогично пункту 2, находятся направления и численные значения расходов воздуха Й ,/=1,2,...,ЛГ и депрессий hy
4. Выбирается / -й базовый узел, для прилегающих ветвей которого согласно (2.33) вычисляются коэффициенты кц.\ и &,/J+1
5. Начиная с базового узла, по первому закону сетей составляется система уравнений вида (2.34), откуда определяются неизвестные потоки
6. По формуле (2.35) находятся искомые сопротивления ветвей при ближённого соединения Yij .
Если для ряда участков сложной вентиляционной схемы построить приближённые соединения, то, заменяя участки их аналогами в той или иной последовательности, можно получать различные варианты упрощенных моделей исходной сети. В случае развития вентиляционной системы во времени, упрощенная сеть остается эквивалентна исходной без перерасчёта. При появлении на участках, не подвергнутых преобразованию, новых выработок или ликвидации старых достаточно внести такие же изменения в расчётную схему аналога.
Структурная схема алгоритма программы представлена на рис. 3.1-3.3. Поясним содержание алгоритма поблочно. Блок под номером 1 предполагает заполнение рабочих массивов, содержащих значения L, S. Блок под номером 2 подразумевает после ввода значений L и S ввод числовых коэффициентов а [і, к] и Ь[к, /], соответственно блок №3 значение числовых констант Q[i] и h[i]. Эти значения величин вводятся с клавиатуры. Блок №4 служит для вычисления сопротивлений сети аналога, подробнее он описан в структуре приведенной на рис. 3.2-3.3 Блок №5 служит для расчета и вывода нанограммы. Далее на схеме представлен шестой блок — блок условного перехода, означающий конец расчетов или передачу управления блоку №1. При отрицательном ответе все значения, в том числе исходные обнуляются и расчеты проводятся заново, при положительном — выход.
Образующего единую структуру, которая моделирует исходную вентиляционную сеть и может соединяться с отдельными её ветвями или участками только в определенных, предназначенных для этого узлах. Применение программы для локальных способов преобразования является весьма эффективные при построении развивающихся вентиляционных схем с неясно выраженной топологией. Например, на негазовых шахтах, имеющих обширные зоны обрушений и завалов, где проведение депрессионных съёмок невозможно по вопросам безопасности или крайне затруднено в техническом исполнении, расчётные схемы следует строить с заменой таких зон приближёнными соединениями. Как показали исследования, ошибки приближения при изменении аэродинамических параметров в диапазонах, приемлемых для практики, не превышают 8 % по расходу воздуха в анализируемых объектах.
Имея достаточно простой интерфейс производит расчет сопротивлений вентиляционной сети аналога. Позволяет вывод результатов в виде графиков, в обычном и увеличенном масштабе.
В следующей главе предлагаемое программное обеспечение найдет применение при расчете параметров вентиляции негазовой шахты.
Разработка системы вентиляции негазовых шахт как объект управления
В современных условиях комплексной механизации и автоматизации производственных процессов уровень техники и методов управления подземными вентиляционными потоками заметно отстает от общего уровня развития угольного производства.
При изучении фактического состояния проветривания негазовых шахт ООО «Компания Ростовуголь» выявлено что, несмотря на обеспеченность шахт высокопроизводительными вентиляторными установками главного проветривания и в некоторой мере подземными вентиляционными средствами, распределение воздуха в вентиляционных сетях остается неудовлетворительным. Значительное число очистных блоков и рабочих мест недостаточно снабжается свежим воздухом. Это вызвано рядом факторов, затрудняющих рациональное распределение воздуха и создание необходимых вентиляционных режимов в очистных блоках и на рабочих местах.
Вентиляционные сети негазовых шахт ООО «Компания Ростовуголь» представляют собой самую различную взаимосвязанную топологическую структуру. В шахтной вентиляционной сети происходит постоянное перераспределение воздуха в связи с переходом подготовительных и очистных работ на новые горизонты, введением в эксплуатацию подготовленных к очистной выемке новых и погашением старых забоев. Потребность воздуха по отдельным выработкам постоянно изменяется, в связи с чем возникает задача принудительного распределения воздуха. Кроме того, большинство применяемых схем вентиляционных сетей характеризуются наличием аэродинамической связи между соседними очистными блоками, что в значительной мере затрудняет устойчивое регулирование распределения воздуха и даже допускает возможность последовательного проветривания блоков. Указанные недостатки схем вентиляционных сетей делают трудноуправляемым вентиляцию очистных блоков и шахты в целом. До настоящего времени нет достаточно обоснованных решений по вопросу регулируемости вентиляционных сетей с точки зрения степени взаимного влияния вентиляционных струй при регулировании воздухораспределения, а также отсутствуют какие -либо рекомендации по определению и выбору схем вентиляционных сетей, обеспечивающих надежность и стабильность проветривания.
Главными причинами, обуславливающими низкую эффективность проветривания подземных выработок, являются: недостаточная изученность вопросов распределения воздуха и в связи с этим устойчивости вентиляционных сетей, сравнительно большие утечки воздуха и аэродинамические сопротивления выработок, отсутствие надежных схем, проветривания и трудность осуществления схем с равномерным распределением воздуха, а также отсутствие проверенных, работоспособных и надежных дистанционных средств контроля и регулирования расхода воздуха. Очевидно, дальнейшее детальное изучение вопроса управляемости вентиляционных потоков является одной из основных задач, выдвигаемых практикой проветривания негазовых шахт.
Проветривание негазовых шахт характеризуется принудительной подачей свежего воздуха с поверхности в шахту и естественным или принудительным распределением его по горным выработкам. Как известно, естественное распределение, за редким исключением, не удовлетворяет фактические потребности в свежем воздухе и не обеспечивает необходимые вентиляционные режимы в отдельных забоях и очистных блоках.
Поэтому в большинстве случаев прибегают к принудительному регулированию распределения воздуха между рабочими горизонтами, очистными блоками и отдельными выработками в зависимости от конкретных горногеологических условий. На негазовых шахтах для искусственного распределения воздушных потоков в вентиляционных сетях используются различные инженерно-технические средства положительного и отрицательного способа регулирования расхода воздуха. В качестве средств положительного регулирования распределения воздуха в подземных выработках используют вспомогательное проветривание. В большинстве своем это сложные агрегаты, характеризующиеся большой массой и размерами, интенсивным шумообразо-ванием, низким к.п.д, требующие внимательного квалифицированного ухода.
Современная практика искусственного поддерживания и регулирования вентиляционных режимов на рабочих местах и в очистных блоках требует создания новых более совершенных и экономичных конструкций дистанционно управляемых вспомогательных вентиляторов, регулируемых по производительности и напору, а также портативных электрических вентиляторов, обеспечивающих широкие диапазоны регулирования и необходимые режимы проветривания. В качестве средств отрицательного регулирования при принудительном распределении воздуха в горных выработках используются глухие перемычки с окнами и дверями, регуляторы расхода воздуха и др. Необходима отметить, что при всем многообразии существующих видов средств отрицательного регулирования расхода воздуха в действительности подавляющее большинство из них не отвечает современному уровню требований практики. В то же время, как показали результаты обследования шахт ООО «Компания Ростовуголь», большинство испытывают постоянную потребность в приобретении более совершенных и надежных в работе средств регулирования расхода воздуха.
В связи с этим возникает необходимость совершенствования существующих и создания новых, более перспективных средств отрицательного регулирования расхода воздуха, отвечающих возросшим техническим и эксплуатационным требованиям практики проветривания, задачам повышения оперативности распределения воздушных потоков и эффективности использования подаваемого для проветривания свежего воздуха.
Определяющими условиями эффективного управления воздухораспре-делением в сложной сети горных выработок являются непрерывное поступление на пульт управления диспетчера достоверной информации о режимах движения воздушных потоков, своевременное и четкое их перераспределение в соответствии с потребностью действующих забоев. Данные практики проветривания шахт ООО «Компания Ростовуголь» показывают, что постоянный контроль за динамикой распределения и регулирования расхода воздуха в вентиляционных сетях из-за отсутствия работоспособных датчиков контроля не ведется. Известные разработки средств контроля за распределением воздуха не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к приборам, предназначенным для работы в системах непрерывного дистанционного измерения в сложных горно-технических условиях шахт, поэтому применение их для этих целей весьма ограничено.
Важным моментом в технической реализации управления вентиляцией негазовых шахт является размещение регуляторов расхода воздуха в шахте. Идеальным с точки зрения устойчивости, по мнению М.А.Патрушева и Н.В.Карнауха [70] является размещение регуляторов непосредственно на объектах проветривания, для выемочных забоев это вентиляционный штрек. Вентиляционная ветвь, в которой устанавливается регулятор, по условиям устойчивости не должна быть определяющей: при уменьшении проходного сечения регулятора не должно происходить опрокидывание воздуха в диагональных ветвях сети, в том числе и в утечках. Как отмечалось в предыдущей главе для системы управления вентиляцией негазовой шахты функционально может выглядеть так, как показано на рис. 4.5. На рисунке Qo - количество воздуха, поступающее в шахту; Qe - количество воздуха на выходе шахты; Рш - регулятор шахтный; Оуш - объект управления - шахта; Дш - блок датчиков шахтный (расход воздуха, депрессия); Ув - компенсация возмущений, управляющие воздействия; Св - случайные возмущения горнотехнических условий; ЦДП - центральный диспетчерский пункт.
