Автоматика.
    Автоматизация.
        Электротехнические
            комплексы и системы.

УДК 681.51/54

КОМПЬЮТЕРИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ВОДООТЛИВНЫМ ХОЗЯЙСТВОМ УГОЛЬНЫХ ШАХТ
ПО КРИТЕРИЮ МИНИМУМА ЭНЕРГОЗАТРАТ

Бессараб В.И.

Системы водоотлива угольных шахт относятся к мощным потребителям электрической энергии. В зависимости от глубины разработки и водоносности горизонтов энергозатраты могут достигать до 20% общей энергоемкости предприятия. В среднем для шахт Донбасса на 1 т добытого угля необходимо откачать до 1 м³ воды [5]. Особенно острой является проблема водоотведения для старых шахт, где сеть водоотливного хозяйства имеет несколько стационарных установок на различных горизонтах, множество вспомогательных (участковых) станций и большую длину трубопроводной сети. Также существует необходимость автоматизации водоотлива шахт, которые закрываются на сухую консервацию.

В настоящее время вопросы комплексной автоматизации водоотливного хозяйства угольных шахт решены не в полной мере. Если для главных водоотливных установок имеются решения позволяющие осуществить локальное управление и дистанционный контроль за работой объекта, то в целом вопросы автоматизации комплекса водоотведения шахты с учетом минимизации энергопотребления к настоящему времени являются нерешенными.

Вместе с тем суточные графики электрических нагрузок энергосистем характеризуются значительной неравномерностью. Они, как правило, имеют два явно выраженных пика: утренний и вечерний (рис.1). Для энергосистем заблаговременно, поквартально (сезонно) устанавливают периоды максимума нагрузки в течение суток. Неравномерность потребления электрической энергии вызывает увеличение стоимости ее производства и передач, что в свою очередь, приводит к росту затрат потребителей энергии В настоящее время энергосистема обязывает предприятия снижать нагрузку в часы максимума Это приводит к определенным трудностям при выполнении производственных планов и снижению технико-экономических показателей деятельности предприятия. Поиски решения данной задачи привели к необходимости введения системы плавающих тарифов на электроэнергию, стимулирующих ее внепиковое потребление. При плавающем тарифе потребитель, заинтересованный в снижении издержек, принимает меры к уменьшению мощности, потребляемой в периоды максимума нагрузки энергосистемы, а в остальное время суток остается свободным в выборе режима работы.

На горных предприятиях мероприятия по созданию потребителей - регуляторов сводятся к организации выполнения технологических процессов с учетом установленных периодов максимума энергосистемы и к полному или частичному отключению энергоемких потребителей на периоды максимума. Примером такой системы является водоотливное хозяйство шахты.

Известно, что графики работы водоотливных установок носят циклический характер. Поэтому наличие технологических перерывов в работе, когда происходит заполнение водосборников, совмещается с периодами максимума нагрузки энергосистемы [1].

Процесс автоматизации водоотливных установок в соответствие с графиком нагрузки энергосистемы как правило осуществляют двумя методами: автоматического предпикового включения и автоматического управления производительностью при наличии избыточных гидравлических мощностей.

Рис. 1 Типовой суточный график нагрузки энергосистемы

Имеются технические решения (аппаратура автоматизации водоотливных установок ВАВ-1М), где реализованы алгоритмы частичного решения задачи внепикового управления водоотливом  [1]. Одним из основных факторов, не позволяющим достичь требуемых решений, являются отсутствие требуемых технических средств и подходов к реализации систем управления.

Водоотливное хозяйство шахты (рис. 2) является сложным объектом автоматизации, который характеризуется тесной взаимосвязью отдельных технологических процессов, большим количеством технических и технологических параметров, распределенностью в пространстве. Объект выступает многосвязным, многомерным, с распределенными параметрами.

Системы автоматического управления такими объектами могут быть одноуровневыми централизованными или многоуровневыми. В настоящее время для повышения эффективности управления объектами такого класса применяются многоуровневые системы автоматического управления, основанные на применении современных цифровых технологий.

При построении систем управления распределенными объектами используются два подхода. Классический подход к автоматизации сложных распределенных объектов предусматривает подключение каждого датчика к центральному контроллеру отдельным высококачественным кабелем. Это же относится и к подключению исполнительных органов. Альтернативой описанному подходу, являются системы автоматического управления, построенные с использованием промышленных шин - fieldbus.

Переход на fieldbus-технологию обеспечивает улучшение качества, снижение затрат и  повышение эффективности  конечной  системы.  Каждое  устройство  может  выполнять функции управления, обслуживания и диагностики. Это существенно увеличивает эффективность системы в целом и снижает затраты по ее сопровождению. Таким образом, на современном этапе развития систем автоматизации при построении систем управления водоотливным хозяйством угольных шахт необходимо ориентироваться на использование телекоммуникационных сетей класса fieldbus.

В традиционном представлении многомерные системы управления рассматриваются в виде некоторого набора аппаратуры, которая создает инфраструктуру для реализации расчетного алгоритма управления. Многомерные системы управления, которые применяются при реализации САУ водоотливного хозяйства шахты во внепиковых режимах, имеют множественные точки съема данных и точки физического воздействия (точки подключения датчиков и исполнительных механизмов (насосов) к объекту управления), которые разнесены в пространстве на значительные расстояния. Эта изначально присутствующая распределенность в пространстве диктует целесообразность реализации многомерных систем в виде архитектуры с распределенным алгоритмом управления. Распределение алгоритма управления между множеством активных устройств в пространстве требует построения архитектуры, существенно отличающейся  от структуры типа - центральный контроллер/дистанционные датчики и исполнительные механизмы (master/slave), широко распространенную в промышленных телекоммуникационных сетях.

Распределение алгоритма управления между множеством отдельных процессоров фактически предполагают организацию распределенной вычислительной сети с конечным числом программируемых процессоров (CLC), реализующих общий алгоритм управления водоотливом и объединенных единой телекоммуникационной шиной.

Если m датчиков формируют вектор измерений  и n исполнительных органов формируют вектор управления , то очевидно, что для реализации такой системы с сосредоточенным алгоритмом управления необходимо n + m пар условных проводов, или при реализации алгоритма в системе на основе промышленной шины n + m виртуальных каналов во временной последовательности каждого цикла управления ТЦУ. То есть за цикл управления системы на шине формируется минимум n + m временных интервалов (тайм - слотов) во время которых осуществляется считывание значений датчиков τиз и выдача управляющих значений τуп .

Для определения временных характеристик процессов обмена данными в сети Profibus разработана коммуникационная модель [4] взаимодействия технических средств сети, с использованием которой выполнено моделирование процессов обмена данными и определены числовые значения тайм-слотов, а также интервалы возможных изменений величин τиз и τуп при реализации алгоритма внепикового управления водоотливом шахты.

Запаздывание в системе управления может располагаться на входе модели или на ее выходе.

Запаздывание по входу описывается следующими уравнениями в пространстве состояний:

,

где       d₁ - величина запаздывания на входе объекта управления.

Запаздывание по выходу:

,

где       d₂ - величина запаздывания на выходе объекта управления.

Запаздывание, включенное в матрицы системы Ф и Н:

                                      (1)

.

Способ введения запаздывания (по входу или выходу) зависит от технологической структуры реального объекта управления. По отношению к объекту управления сеть Profibus вносит следующие задержки: по каналам измерения - запаздывание по выходу; по каналам управления - запаздывание по входу.

Оценка влияния длительности цикла управления ТЦУ на изменение динамических показателей системы выполняется согласно следующей методике:

- пересчитана модель дискретной системы с новым периодом дискретности Td = TЦУ;

- введены новые матрицы динамики Фd и управления Нd, учитывающие наличие дополнительных переменных состояния, согласно (1);

- с использованием методики и разработанных программных средств в дискретной системе получены циклограммы и переходные процессы в системе управления;

- относительное отклонение полученных временных отметок циклограмм и переходных процессов e от процессов для "идеальной" системы при тех же параметрах модели динамики с учетом запаздывания в каналах исследовались в диапазоне изменения Ту / Т = 0.1 - 0.4.

Обобщение результатов моделирования показало, что удовлетворительное качество управления в системе, выполненной с использованием промышленной шины получается, если длительность цикла управления ТЦУ составляет не более 30 % от периода дискретности Т. Если же ТЦУ > 0,3×Т то возникает потеря качества управления за счет запаздывания в каналах измерения и управления.

Для расширения возможностей использования промышленных телекоммуникационных шин предложено разбиение сосредоточенного алгоритма управления, реализующего оператор управления G(z) на отдельные составляющие Gi(z), которые можно реализовать на локальных контроллерах интеллектуальных датчиков и исполнительных механизмов.

Компоненты вектора управления вычисляется как свертка оператора управления G(z) и вектора ошибки :

,

или в виде эквивалентного ряда:

,

где i = 1…n.

Каждая составляющая вектора управления рассчитывается на соответствующем контроллере, который управляет данным интеллектуальным исполнительным механизмом. В результате получаем модель системы, которая представлена на рисунке 3.

В этом случае slave-устройство датчика дополнительно вычисляет компоненту вектора ошибки e_i по задающему воздействию g_i и текущему измерению y_i. Для передачи g_i нужно m виртуальных сетевых каналов, эквивалентных циклу измерения в классической сосредоточенной схеме. Узел датчика в предлагаемой схеме соединяется со slave-устройствами исполнительных механизмов для передачи компоненты e_i. При этом используется тип соединения ”точка-многоточка”, т.е. за один тайм-слот i-я компонента вектора ошибки передается на все slave-устройства исполнительных механизмов.

Для оценки работоспособности предложенной схемы реализации многомерных алгоритмов управления для сетей Profibus выполнено моделирование телекоммуникационного взаимодействия при реализации алгоритма внепикового управления водоотливным комплексом угольной шахты.

При моделировании использована разработанная коммуникационная модель протокола Profibus [3], которая позволила выполнить исследования временных характеристик процессов обмена данными. В результате моделирования установлено, что по отношению к классическому алгоритму работы сети предложенный вариант реализации алгоритма позволяет сократить цикл управления на 15-20%.

Рис. 3 Многомерная система управления с распределенным алгоритмом на основе технологии Profibus

Выводы

1. Построение компьютеризированных систем внепикового управления водоотливным хозяйством угольных шахт значительно упрощается, если использовать специализированные телекоммуникационные сети класса fieldbus для их реализации.

2. Предложен принцип декомпозиции сосредоточенного многомерного алгоритма управления объектом к рассредоточенному виду с учетом особенностей и возможностей master и slave устройств сети Profibus.

3. С учетом возможностей протокола сети Profibus предложен специальный алгоритм телекоммуникационного обмена позволяющий уменьшить временной цикл управления водоотливом.

4. По результатам моделирования для алгоритма внепикового управления водоотливной установкой шахты получены результаты, подтверждающие сокращение цикла управления на 15-20% по отношению к классической реализации системы управления.

1.                 Повышение эффективности водоотливных установок: Учебное пособие / С.П. Шевчук – К.: УМК ВО, 1990. – 104 с.

2.                 Звягинцев А.М., Красников А.Л., Курносов Н.М., Долинин И.В., Скрыпников С.Н. Полевые шины fieldbus - новая перспектива в автоматизации управления технологическими процессами // Датчики и системы.- 1999.-№ 7-8.- С. 61-73.

3.                 Любашин А.Н. PROFIBUS - открытая шина для открытых технологий // PCWeek. - 1998. - № 8. - С. 12-17.

4.                 Чимишкян С.А. Распределенные алгоритмы управления. // Мир компьютерной автоматизации. 2000.- № 1.- с.26-30.

5.                 Ященко А.М., Коваль А.Н., Паламарчук Н. В., Антонов Э.И. Перспективы развития техники и технологии шахтного отлива.//Уголь Украины, №11, 1997 г. - с. 21 - 25.