Система автоматичного управління багатоступінчатими водовідливними установками шахт

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

«Система автоматичного управління багатоступінчатими водовідливними установками шахт»

05.13.07 - Автоматизація технологічних процесів

УДК 681.518.52:622.53

Федюн

Роман Валерійович

Донецьк - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Бессараб Володимир Іванович,

завідувач кафедри "Автоматика і телекомунікації" Донецького національного технічного університету, м. Донецьк.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Ульшин Віталій Олександрович, завідувач кафедри "Комп'ютеризовані системи" Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля, м. Луганськ;

кандидат технічних наук Стаднік Микола Іванович, заступник директора з наукової роботи Донецького державного науково-дослідного проектно-конструкторського і експериментального інституту комплексної механізації шахт "ДОНДІПРОВУГЛЕМАШ", м. Донецьк.

Провідна установа: Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, кафедра "Автоматизація виробничих процесів", м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться "4" липня 2002 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К11.052.03 Донецького національного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, корп. 1, ауд.201.

С дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького національного технічного університету за адресою : 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, корп. 2.

Автореферат розісланий "3" червня 2002 г.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К11.052.03 кандидат технічних наук, доцент Мокрий Г.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток і функціонування енергетики України неможливо без ефективної роботи вугільної промисловості. В даний час у вугільній галузі України спостерігається тенденція розробки усе більш глибоких горизонтів шахт. Це інтенсифікує всі технологічні процеси гірничого підприємства, у тому числі і процес водовідливу. Збільшення глибини розробки веде до підвищення притоків та висоти водопідйому. Указані фактори приводять до виникнення проблеми водовідливу глибоких шахт.

Аналіз існуючих технологічних схем водовідливу глибоких шахт показав, що найбільш перспективною є схема багатоступінчатої водовідливної установки послідовно включеними насосами з режимом роботи "насос у насос". Застосування даної технології дозволяє значно знизити капітальні й експлуатаційні витрати на створення й експлуатацію водовідливу в порівнянні зі схемою ступінчатого водовідливу з проміжними водозбірниками. Застосування ступінчатого водовідливу з режимом роботи "насос у насос" обмежується відсутністю ефективної системи автоматичного управління, без якої експлуатація даної технологічної схеми водовідливу не ефективна, і деякою мірою не безпечна.

Сучасні системи автоматичного управління насосними установками не дозволяють одержати необхідну якість і надійність управління багатоступінчатими водовідливними установками. У силу специфіки багатоступінчатого водовідливу з послідовно включеними насосами, існуючі методи побудови систем не розглядають об'єкт управління - багатоступінчату водовідливну установку як взаємозалежну структуру за технологією і режимом роботи. Тому використовувані принципи побудови систем управління не враховують факт взаємного впливу ступіней різних горизонтів.

Таким чином, виникає проблема дослідження впливу багатозв'язності і багатомірності на динаміку і якість об'єкта і системи управління і створення таких систем автоматичного управління, які б враховували ці особливості, і дозволяли підвищити ефективність функціонування багатоступінчатого водовідливу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до тематичного плану Донецького національного технічного університету по темі НДР Н-3-2001 "Розробка методів автоматизованого проектування цифрових систем контролю, управління і телекомунікацій".

Метою роботи є розробка системи автоматичного управління багатоступінчатою водовідливною установкою вугільної шахти для підвищення ефективності функціонування водовідливу за рахунок оптимізації його режимів роботи.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити основні задачі:

- дослідити технологічні особливості багатоступінчатих водовідливних установок вугільних шахт які працюють за гідравлічною схемою "насос у насос" і розробити математичну модель багатоступінчатої водовідливної установки з відцентровими секційними насосами в ступені для побудови та дослідження системи управління об'єктами даного класу;

- виконати аналіз перехідних процесів у багатоступінчатій водовідливній установці, що працює за гідравлічною схемою "насос у насос", і формалізувати модель об'єкта управління методом простору станів;

- розробити методику синтезу алгоритму оптимального управління об'єктами даного класу з використанням сучасних методів, які застосовуються в цифрових системах автоматичного управління багатомірними багатозв'язними об'єктами;

- розробити структуру технічної реалізації розподіленої системи управління водовідливом на основі мережних методів взаємодії пристроїв системи. Дослідити вплив характеристик телекомунікаційної мережі на параметри системи управління багатоступінчатим водовідливом;

- провести моделювання, дослідження та оцінку якості системи.

Об'єкт досліджень - багатоступінчаті водовідливні установки вугільних шахт із послідовно включеними насосами - технологічна схема "насос у насос". водовідливна установка вугільна шахта

Предметом досліджень виступають багатомірні багатозв'язні системи автоматичного управління багатоступінчатим водовідливом вугільних шахт.

Методи дослідження. В роботі використані методи сучасної теорії автоматичного управління, простору станів, оптимального управління, математичної статистики, теорії планування та обробки результатів експерименту, математичного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів.

1.Запропоновано нову модель багатоступінчатої водовідливної установки, яка працює за принципом "насос у насос" та відрізняється від відомих тим, що багатоступінчатий водовідлив розглядається як багатомірний об'єкт управління з урахуванням зв'язності параметрів кожного ступеня та відображає технологічні збурювання реально присутні в гідравлічному тракті водовідливу.

2.Розроблено принцип представлення багатоступінчатого водовідливу як багатомірного багатозв'язного об'єкта управління в просторі параметрів стану, який є подальшим розвитком цього методу для об'єктів даного класу.

3.Запропоновано метод синтезу багатомірної багатозв'язної системи автоматичного управління багатоступінчатим водовідливом на основі узагальненого квадратичного критерію якості з урахуванням розробленого параметричного ряду вагових коефіцієнтів критерію для зони промислового використання відцентрових насосів, що застосовуються на шахтних водовідливах.

4.Запропоновано спосіб реалізації систем автоматичного управління розподіленими об'єктами даного класу, який є подальшим розвитком методів побудови розподілених систем управління на основі мережних технологій взаємодії технічних засобів системи з однозначним визначенням швидкісних параметрів телекомунікаційної мережі для об'єктів такого класу.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Розроблено програмний комплекс і методику моделювання, що дозволяють досліджувати динамічні процеси в багатоступінчатій водовідливній установці по різних каналах управління і збурення, виконати формалізацію розробленої моделі на основі методу простору станів.

2. Запропоновано методику синтезу алгоритму оптимального управління об'єктами даного класу, яка орієнтована на застосування сучасних засобів обчислювальної техніки.

3. Розроблено комплекс програмного забезпечення і запропонована методика дослідження динаміки цифрових багатомірних, багатозв'язних систем автоматичного управління водовідливними установками вугільних шахт.

4. Розроблено програмний комплекс і методику моделювання процесів обміну даними в телекомунікаційній мережі, яка використовується для автоматизації багатоступінчатої водовідливної установки.

5. Вироблено рекомендації з реалізації розподіленої системи автоматичного управління багатоступінчатим водовідливом на основі мережних технологій. Запропоновано типову структуру комплексу технічних засобів для реалізації розподілених систем управління об'єктами даного класу. Сформульовано науково-обґрунтовані вимоги по швидкодії телекомунікаційної мережі.

Особистий внесок здобувача. Усі основні положення і результати дисертаційної роботи, що виносяться на захист отримані автором самостійно.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційних досліджень повідомлені, обговорені й одержали схвалення на кафедрі "Автоматика і телекомунікації" Донецького національного технічного університету (1999 - 2001рр); на 5-ом міжнародному молодіжному форумі "Радіоелектроніка і молодь у XXI столітті" (Харківський державний технічний університет радіоелектроніки, м. Харків 2001р.); на I-й Всеукраїнській науково - технічній конференції аспірантів та студентів "Автоматизація технологічних об'єктів та процесів. Пошук молодих" (м. Донецьк, 2001 р.); на Міжнародній науково - технічній конференції "Комп'ютерні технології в науці, освіті і промисловості" (Національна гірнича академія України, м. Дніпропетровськ, 2001р.); на Міжнародній конференції з управління "Автоматика - 2001" (Одеський державний політехнічний університет м. Одеса, Україна, 2001 р.); на VI Міжнародній конференції "Контроль і управління в складних системах (КУСС-2001)" (м. Вінниця, 2001р.).

Публікації. За результатами дисертації опубліковані 12 друкованих праць, у тому числі 8 у наукових виданнях, рекомендованих ВАК України і 4 у тезах доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів і висновку, викладених на 150 сторінках машинописного тексту, ілюстрованого 64 рисунками. Робота містить 7 таблиць, список використаної літератури з 138 найменувань і 7 додатків.

ЗМІСТ РОБОТИ

В вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульована мета, перераховані основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі розглянуті можливі технологічні схеми водовідливу глибоких шахт та їх особливості, викладена характеристика технологічного процесу водовідливу як об'єкта автоматичного управління, проведено аналіз існуючих систем автоматичного управління багатоступінчатими водовідливними установками, обґрунтовано прийнятий напрямок розробок, мета і задачі досліджень.

Водовідлив глибоких шахт може бути реалізований по різних технологічних схемах: прямий водовідлив з горизонту безпосередньо на поверхню; ступінчатий водовідлив із проміжними водозбірниками; ступінчатий водовідлив з послідовно з'єднаними насосами, розташованими на різних горизонтах. Аналіз особливостей даних технологічних схем водовідливу, їх достоїнств і недоліків показує, що найбільш перспективною технологічною схемою водовідливу глибоких шахт є схема ступінчатого водовідливу з послідовно включеними насосами - схема "насос у насос".

Режим роботи багатоступінчатої водовідливної установки обумовлюється робочими режимами окремого її ступеня. Стан i-го ступеня в даний момент часу описується наступним вектором:

де Qi - продуктивність i-го ступеня водовідливу; Hi - напір i-го ступеня водовідливу; HПi - напір на вході в насосну станцію (підпір); HГi - геодезична висота нагнітання i-го ступеня; Ni - потужність i-го ступеня водовідливу; зi - коефіцієнт корисної дії i-го ступеня водовідливу; QП- годинний приток шахти; r - густина рідини; Di - діаметр трубопроводу i-го ступеня; Li - довжина трубопроводу i-го ступеня; ai - гідравлічний опір трубопроводу i-го ступеня; Qзрі - витрата води на зрошення.

Елементи вектора розділені на три групи - умовно постійні, збурювальні та управляючі. Умовно постійні параметри є технічною характеристикою ступеня водовідливу і на їх основі розраховуються постійні часу та коефіцієнти передачі елементів водовідливу. До управляючих перемінних об'єкта управління віднесені параметри, які можна цілеспрямовано змінювати в процесі водопідйому і за допомогою яких підтримується заданий режим роботи, такими перемінними є . Вектор збурювальних параметрів має наступний вид . В багатоступінчатій водовідливній установці існують наступні збурювальні впливи: змінювання напірної характеристики насосів в процесі експлуатації (зміна Hi); змінювання напірної характеристики трубопроводів в процесі експлуатації (зміна ai ); змінювання густини рідини r; годинний приток шахти QП; витрата води на зрошення Qзрі.

В даний час на вугільних підприємствах Донбасу одержало поширення використання насосів головної водовідливної установки шахти для подачі води на добувні і підготовчі вибої для систем зрошення комбайнів. Відбір води на зрошення Qзр є збурюванням для водовідливної установки і становить не більш 20-25 % від продуктивності водовідливної установки. Інтенсивність даного впливу, що збурює, обумовлюється кількістю добувних і прохідницьких ділянок на шахті, а також режимом їхньої роботи. Перераховані збурення можна замінити еквівалентним змінюванням напору Hi і наявністю відбору води на зрошення Qзрі.

За базовий об'єкт прийнята триступенева водовідливна установка (ТВУ). Така кількість ступенів є мінімально необхідною для повного описання характеристик і властивостей об'єктів даного класу.

Аналіз існуючих систем автоматизації водовідливу вугільних шахт показав, що вони не забезпечують ефективного управління водовідливом у динамічних режимах роботи. Крім того, ці системи управління не враховують факт взаємного впливу ступенів різних горизонтів у досліджуваній технологічній схемі водовідливу. Усе це приводить до підвищеного зносу технологічного устаткування, значному зниженню його терміну служби і надійності. Таким чином, для нормальної безпечної роботи багатоступінчатого водовідливу необхідна розробка системи автоматичного управління, яка б забезпечувала безаварійне встановлення стаціонарного режиму, і компенсувала дію різних технологічних збурювань.

Багатоступінчата водовідливна установка є розподіленим об'єктом управління: її технологічне устаткування розташоване на різних горизонтах - розподілено в просторі. Ефективне управління об'єктами даного класу може бути забезпечено застосуванням розподіленої системи управління. Це приводить до необхідності розробки способу реалізації розподілених систем управління для об'єктів даного класу.

Зазначені обставини характеризують актуальність питання і є обґрунтуванням теми дисертаційної роботи. Проведений аналіз дозволив визначити напрямок розробок і сформулювати мету та задачі досліджень.

В другому розділі виконаний аналіз можливих способів управління робочим режимом насосної установки; розроблена модель триступеневої водовідливної установки, що працює за схемою "насос у насос"; проведені експериментальні дослідження динамічних процесів водовідливної установки в реальних умовах експлуатації; виконана перевірка адекватності розробленої моделі ступеня водовідливу; здійснене моделювання перехідних процесів в об'єкті управління в різних режимах.

У результаті аналізу особливостей функціонування ТВУ прийняті наступні керовані (вихідні) координати - напір на вході і виході трубопроводу ступеня: H1, H3, H5 - напір на вході трубопроводу, H2, H4, H6 - напір на виході трубопроводу ступеня (підпір на вході наступного ступеня). Управляючі (вхідні) координати - подача насоса ступеня: Q1, Q2, Q3. Існує кілька способів зміни подачі насосних установок гірничих підприємств. При розробці моделі об'єкта управління врахована можливість застосування двох способів управління - зміною частоти обертання приводного електродвигуна і дроселюванням нагнітального трубопроводу засувкою.

Питаннями динамічних явищ у трубопроводах в різних галузях промисловості займалися: І.А. Чарний, Г.М. Тимошенко, М.А. Картвелішвілі, Д.А. Фокс, І. Чермак, І. Заворка, В. Петерка та ін. Рух рідини в трубопроводі описується системою диференціальних рівнянь у частинних похідних. Математичний опис руху рідини в трубопроводі в частинних похідних дає результати, що складно використовувати для синтезу систем управління. У роботі виконаний перехід від моделі трубопроводу з розподіленими параметрами до моделі з зосередженими параметрами. На основі досліджень професорів Тимошенка Г.М., Чермака І., Заворки І., Петерки В. показано, що для шахтних водовідливних установок запропонований перехід до моделі трубопроводу з зосередженими параметрами коректен і модель трубопроводу i-го ступеня може бути представлена у вигляді чотириполюсника, що відображає його динамічні властивості. Застосування такої структурної схеми моделі трубопроводу обумовлюється обраними векторами вхідних і вихідних координат, а також використовуваними способами управління.

Вхідні перемінні моделі трубопроводу Q1, Q2 - подача на початку і наприкінці трубопроводу, вихідні перемінні Н1, Н2 - напір на початку і наприкінці трубопроводу .

На характер процесів у трубопроводі впливають граничні умови - насосний агрегат, що складається з приводного електродвигуна, відцентрового насоса, засувки. Аналіз особливостей функціонування насосної установки як формувача граничних умов для трубопроводу дозволяє одержати структурну схему моделі граничних умов трубопроводу.

Приведена модель граничних умов відображає сутність фізичних процесів у насосній установці, задовольняє прийнятій структурі трубопроводу і застосовуваним способам управління робочим режимом водовідливної установки.

Управляючі впливи UУЗ і UУ призначені для зміни подачі ступеня Qi, що входить у вектор управляючих перемінних . Управляючий вплив UУЗ (при способі управління - дроселюванням нагнітального трубопроводу засувкою) подається на ланку WЗ(p), що описує динамічні властивості засувки. Елемент моделі WЗС(p) описує вплив напірного трубопроводу на динаміку насоса і являє собою внутрішній гідравлічний зворотний зв'язок. Електромеханічні властивості приводного електродвигуна в розглянутій моделі формуються елементом WЕД(p). На вході електродвигуна - управляючий вплив UУ (при способі управління - зміною частоти обертання приводного електродвигуна), який є задатчиком частоти живильної напруги. Крім цього, на електродвигун діє збурювання у виді статичного моменту MС, який створюється насосом. Частота обертання вала двигуна w визначає напір насоса. Елемент WНТ(p) виражає динамічні властивості насоса в режимі холостого ходу. Робочий режим насосної установки визначається з урахуванням впливу напірного трубопроводу і засувки. Напірний трубопровід є навантаженням насоса і впливає на насос через напір Н1 у його початковому перерізі. Напір Н1 через гідравлічний зворотний зв'язок впливає на теоретичний напір насоса HТ, з урахуванням утрат напору в засувці HЗ. У результаті цього утворюється реальний напір насосної установки HН. Елемент WН(p) відображає динаміку гідравлічних процесів у насосній установці і здійснює перетворення напору насоса HН у його подачу QН. Крім цього, на вхід даної ланки робить вплив підпор, який є збурюванням на вході насоса HП. Подача у вхідному перерізі трубопроводу Q1 дорівнює подачі насоса QН (при відсутності добору води на зрошення Qзр).

На основі математичного опису фізичних процесів в елементах моделі граничних умов отримані їх передатні функції. Модель ступеня ТВУ складається з моделі трубопроводу і моделі граничних умов.

Адекватність розробленої моделі ступеня водовідливної установки підтверджена експериментальними дослідженнями динамічних властивостей головної водовідливної установки ВАТ шахта Південно-Донбаська №1 (м. Вугледар, Донецька область). Технологічні параметри даної водовідливної установки відповідають характеристикам ступеня багатоступінчатого водовідливу. Обробка результатів експериментальних досліджень і даних моделювання показала, що відповідно до критерію Фішера динамічні процеси, отримані шляхом моделювання й експериментальні дані адекватні. Відмінність експериментальних даних і результатів моделювання не перевищує 10%.

Модель ТВУ створена з'єднанням моделей ступенів (рис.3). Вхідними впливами є сигнали управління на приводний електродвигун UУi і засувку UУЗi відповідного горизонту. Вихідними величинами є напір на вході трубопроводу Н1, Н3, Н5 і підпір на вході насоса H2, H4, H6.

Таким чином, розроблена модель ТВУ дозволяє досліджувати процеси в багатоступінчатих водовідливних установках у різних режимах роботи і може використовуватися при побудові системи автоматичного управління багатоступінчатими водовідливними установками шахт.

У третьому розділі розроблена модель об'єкта управління в просторі параметрів стану, обґрунтований критерій оптимальності для синтезу алгоритму дискретного управління об'єктом, зроблено синтез цифрової системи управління багатоступінчатою водовідливною установкою, розроблена методика вибору коефіцієнтів вагових матриць узагальненого критерію якості.

Система рівнянь, що описує динаміку багатоступінчатої водовідливної установки, з урахуванням умов зв'язності між ступенями представляється у векторно-матричній формі:

 (1)

(2)

де - вектор стану розмірністю (nґ1); - вектор виходу розмірністю (mґ1); - вектор входу розмірністю (rґ1); - вектор збурювальних впливів, розмірністю (lґ1); A - матриця динаміки об'єкта розмірністю (nґn); B- матриця входу об'єкта розмірністю (nґr); C - матриця виходу об'єкта розмірністю (mґn); D - матриця входу об'єкта розмірністю (mґr); W - матриця передачі збурювання розмірністю (nґl); n = 14, m = 6; r = 3; l = 3.

Для ТВУ визначені наступні вектори:

У якості перемінних стану обрані гідравлічні параметри перекачування - напір і подача в різних точках водовідливної установки: x1=HЗ1 - напір насоса першого ступеня; x2=QН1 - подача насоса першого ступеня; x3=HЗ2 - напір насоса другого ступеня; x4=QН1 - подача насоса другого ступеня; x5 - відображає взаємозв'язок між першим і другим ступенями; x6=H1 - напір на вході в трубопровід першого ступеня; x7=H2 - напір (підпір) на вході другого ступеня; x8=HЗ3 - напір насоса третього ступеня; x9=QН3 - подача насоса третього ступеня; x10 - відображає взаємозв'язок між другим і третім ступенями; x11=H3 - напір на вході в трубопровід другого ступеня; x12=H4 - напір (підпір) на вході третього ступеня; x13=Н5- напір на вході в трубопровід третього ступеня; x14=H6 - напір на виході з трубопроводу третього ступеня.

В даний час широке розповсюдження для автоматизації розподілених об'єктів отримали системи управління на основі телекомунікаційних мереж - промислових шин. Системи управління з такими пристроями є дискретними, рівняння (1), (2) для яких мають наступний вигляд:

,

.

Виходячи з вимог, що пред'являють до перехідних процесів у багатоступінчатих водовідливних установках, обґрунтований критерій синтезу алгоритму управління:

, (3)

де S - симетрична ненегативно визначена матриця вагових коефіцієнтів розмірністю (nґn); Q - симетрична ненегативно визначена матриця вагових коефіцієнтів перемінних стану розмірністю (nґn); R - симетрична позитивно визначена матриця вагових коефіцієнтів вхідних перемінних розмірністю (rґr). Для обраного базового об'єкта - ТВУ проведено синтез і оптимізація цифрової системи. На основі виразу для функції Гамільтона - Понтрягіна

отримано алгоритм оптимального управління

де Р - матриця розмірністю (nґn), яка визначається з матричного рівняння Ріккаті

.

Матриці К(Т) алгоритму оптимального управління дозволяють визначити матриці переходу станів замкнутої системи Ф*(Т) і одержати перехідні процеси по керованих координатах об'єкта управління.

Основні труднощі, із якими приходиться зіштовхуватися при рішенні задач синтезу алгоритму оптимального управління - вибір елементів вагових матриць Q, R у вираженні функціонала якості (3). Розроблені алгоритм і програма дослідження впливу коефіцієнтів qii матриці ваги Q на показники перехідних процесів у замкнутій системі управління ТВУ.

Для формування рекомендацій щодо вибору опорних значень елементів вагової матриці Q необхідно визначити такі параметри об'єкта управління, що характеризують динамічні процеси в досліджуваному об'єкті. Гірничо-гідрологічні параметри шахти - глибина водопідйому НГ і приток шахти QП визначають технологічну схему головного водовідливу, склад і параметри застосовуваного устаткування. Ці параметри (НГ і QП) є основними при проектуванні і реконструкції водовідливних установок. Дані характеристики (НГ і QП) визначають і конструктивні параметри водовідливу (довжина і діаметр трубопроводів, тип насоса і кількість його робочих коліс і т.д.), що впливають на динаміку даного об'єкта управління. Тому при дослідженні впливу коефіцієнтів матриці ваги Q на показники якості замкнутої системи управління вирішено за визначаючі параметри прийняти глибину водопідйому НГ і приток QП.

Основні параметри насосів - напір Н і подача QН однозначно зв'язані з гірничо-гідрологічними параметрами шахти (НГ і QП). На основі аналізу поля водопритоків шахт Донбасу і можливостей насосів НСШ установлено, що в схемах ступінчатого водовідливу можуть застосовуватися наступні насоси: НСШ 200 - 90...450 (ЦНС 180 - 85...425), НСШ 320 - 144...720 (ЦНС 300 - 120...600), НСШ 410 - 91...1000 (ЦНСК 500 - 160...800).

З використанням розробленої програми виконано дослідження впливу коефіцієнтів матриці ваги Q на показники якості замкнутої системи управління для інтервалів зміни QП і НГ, що відповідають зонам промислового використання перерахованих насосів. Результати досліджень у вигляді залежності відносної зміни значення критерію якості при змінюванні коефіцієнта qii. Результати досліджень систематизовані в ряди вагових коефіцієнтів критерію якості в зонах промислового використання (припустимих інтервалах зміни параметрів QП і НГ) розглянутих насосів при дискретності змінювання параметра НГ, яка дорівнює напору одного робочого колеса даного насоса.

Методами моделювання підтверджені необхідні показники якості перехідних процесів по каналах управління, що розраховані з застосуванням цієї методики.

У четвертому розділі виконаний аналіз можливостей і особливостей використання існуючих телекомунікаційних мереж, застосовуваних для автоматизації технологічних процесів; розроблена модель обміну даними в телекомунікаційній мережі; проведено моделювання взаємодії елементів системи управління з використанням мережі Profibus, що дозволило установити значення часових затримок у системі по каналах контролю й управління; здійснене дослідження впливу часових затримок на показники якості замкнутої системи управління; сформульовані науково-обґрунтовані вимоги до швидкодії телекомунікаційних мереж, використовуваних для автоматизації розподілених об'єктів даного класу.

Вимірювальні засоби, виконавчі механізми і пристрій управління ТВУ розташовані на різних горизонтах - розосереджені в просторі. Для автоматизації таких об'єктів у даний час розроблений окремий клас телекомунікаційних мереж - fieldbus. На основі порівняльного аналізу можливостей найбільш поширених мереж даного класу (CAN, FIP, ASI, LON, Profibus, Interbus-S, HART, MicroLAN) установлено, що для автоматизації багатоступінчатої водовідливної установки вугільної шахти найбільш прийнятна технологія Profibus.

Стандартна топологія мережі Profibus - шина, тому в даний момент часу можливий обмін тільки між двома пристроями мережі. Управляючий пристрій УП послідовно опитує всі технологічні датчики ДН, потім послідовно видає керуючі сигнали на виконавчі механізми ВМ. Інший трафік у мережі Profibus не допустимо. Це приводить до виникнення часових затримок у каналах управління і контролю системи автоматичного управління багатоступінчатим водовідливом. Необхідно визначити тривалість цих затримок, щоб дослідити їхній вплив на систему управління.

Для визначення часових затримок розроблена модель телекомунікаційної мережі Profibus, яка реалізована мовою специфікацій ESTELLE. В основу моделі покладена структура протоколу Profibus відповідно до багаторівневої мережної архітектури ISO/OSI, а також особливості взаємодії рівнів протоколу. Самим верхнім рівнем, що є ініціатором усіх запитів, є рівень користувача (рис. 6). Потім посланий переходить з рівня на рівень, поступово перетворюючись і, в останньому підсумку, фізичної середи передачі досягають біти, які на прийомній стороні збираються в пакети, і т.д. аж до верхнього рівня. Пакет, що був посланий користувачем, потрапляє на розмітник запитів користувача (Direct Data Link Mapper - DDLM). DDLM по типу запиту, що прийшов до нього, відправляє запити на нижчій рівень. У параметрі запитів DDLM уже фігурують масиви даних перемінної довжини - L_sdu (сервісні пакети даних). L_sdu надходять на сервісний модуль канального рівня - FDL, який управляє переходом в усі стани і займається створенням пакетів з масиву даних. Готові пакети надходять на протокольний модуль рівня FDL, що передає їх на фізичний рівень (PHY) - в лінію зв'язку у вигляді бітів. Повідомлення, що надходять із лінії зв'язку, збирає в пакети протокольний модуль FDL, причому зборка пакетів реалізована з відстеженням не тільки початкових і кінцевих роздільників, але також і довжини контрольних байтів. При надходженні неправильних пакетів пакет ігнорується.

За результатами моделювання отримані часові діаграми роботи системи управління триступеневим і двоступеневим водовідливом з використанням технології Profibus, по яких визначені інтервали зміни часових затримок у каналах контролю й управління при існуючих технологічних параметрах багатоступінчатих водовідливних установок і припустимій швидкодії телекомунікаційної мережі.

Оцінка впливу реальних часових затримок у каналах контролю та управління на характер динамічних процесів у системі виконана в припущенні, що тривалість циклів виміру ТІ і видачі управління ТВУ кратні часу зв'язку з окремим ступенем і визначається кількістю ступенів. Час формування управління ТОБ при існуючій швидкодії сучасних ПЕВМ і мікроконтролерів мало в порівнянні з циклами зв'язку з насосними станціями і складає 2 - 3 % від тривалості циклу управління ТУ і при аналізі впливу часових затримок надалі не розглядалося:

.

Оцінка впливу тривалості циклу управління ТУ на зміну динамічних показників системи виконується відповідно до наступної методики:

- перерахована модель дискретної системи з новим періодом дискретності Td = tiu;

- введені нові матриці динаміки Фd і управління Нd, що враховують наявність додаткових перемінних стану;

- с використанням методики і розроблених програмних засобів побудови перехідних процесів у дискретній системі отримані перехідні процеси в системі управління двоступеневим і триступеневим водовідливом;

- відносне відхилення e перехідних процесів в системі із затримками від процесів у "ідеальній" системі при тих же параметрах моделі динаміки досліджувалися в діапазоні зміни Ту / Т = 0.1 - 0.4.

Результати моделювання (для ТВУ) і відображають залежність відносного відхилення динамічних процесів реальної системи і "ідеальної" e від тривалості циклу управління Ту.

Таким чином, по отриманій у результаті моделювання залежності (рис.8) можна однозначно визначити вимоги до швидкісних параметрів телекомунікаційної мережі, які пред'являються системою управління багатоступінчатим водовідливом. Відносне відхилення e динамічних процесів у реальній системі від процесів у "ідеальній" при використанні мережі Profibus у системі управління триступеневою водовідливною установкою складає 7-8 % .

У п'ятому розділі виконана оцінка економічної порівнянності розглянутих схем водовідливу глибоких шахт, визначені економічні показники застосування технологічних схем багатоступінчатого водовідливу шахт, розрахована економічна ефективність застосування схеми багатоступінчатого водовідливу "насос у насос", приведені відомості про впровадження результатів роботи.

Аналіз економічних показників застосування системи управління показав, що ефективність її використання зростає при збільшенні глибини водопідйому і притока. Очікувана річна економія експлуатаційних витрат для триступеневої водовідливної установки становить 17200 грн., очікуваний річний економічний ефект - 73200 грн.

У висновку сформульовані наукові результати і практична значимість виконаної роботи.

У додатках приведені документи про використання результатів дисертаційної роботи, методика експериментальних досліджень динамічних характеристик водовідливної установки в промислових умовах; листінги програм, що реалізують алгоритми моделювання і таблиці допоміжних цифрових даних для розрахунку економічної ефективності.

ВИСНОВКИ

У дисертації дано теоретичне узагальнення і нове рішення наукової задачі автоматичного управління багатозв'язним багатомірним об'єктом - багатоступінчатою водовідливною установкою з послідовно включеними насосами (технологічна схема "насос у насос"). Створення системи автоматичного управління об'єктами даного класу дозволяє підвищити ефективність процесу водовідливу за рахунок застосування менш витратної технологічної схеми (схеми "насос у насос" замість схеми з проміжними водозбірниками), зниження витрати електроенергії, скорочення витрат на ремонт і обслуговування головної водовідливної установки.

За результатами роботи можна зробити наступні основні висновки:

1. Встановлено особливості динамічних процесів у багатоступінчатій водовідливній установці вугільних шахт, що працює за схемою "насос у насос", які дозволяють аналізувати властивості об'єктів даного класу як багатомірного багатозв'язного об'єкта, що виступає основою для побудови моделі ТВУ.

2. Розроблено комплексну модель багатоступінчатої водовідливної установки, що дозволяє досліджувати динамічні властивості об'єкта управління, визначити канали управління, установити вхідні і вихідні координати. Адекватність запропонованої моделі ступеня багатоступінчатої водовідливної установки підтверджена проведеними експериментальними дослідженнями в промислових умовах.

3. Запропоновано метод опису об'єктів даного класу в просторі параметрів стану, що дозволяє формалізувати процеси аналізу і синтезу системи управління, а також ефективно використовувати можливості сучасних обчислювальних засобів.

4. На основі загальної теорії синтезу дискретних систем управління з урахуванням особливостей динаміки багатоступінчатих водовідливних установок по основних каналах управління, розроблений метод синтезу алгоритму оптимального управління для об'єктів даного класу, що базується на апріорних конструктивних даних багатоступінчатої водовідливної установки та виключає варіювання коефіцієнтів ваги в узагальненому квадратичному критерії якості. Застосування даного методу дозволило поліпшити якість управління об'єктами даного класу. Використання алгоритму оптимального управління дозволяє поліпшити показники якості по керованих координатах на 20 - 25% стосовно водовідливних установок, які не оснащені розробленою системою управління.

5. Запропоновано принципи побудови розподілених систем управління об'єктами даного класу на основі мережних методів взаємодії технічних засобів системи управління. Розроблено модель телекомунікаційної мережі Profibus і виконані дослідження впливу особливостей протоколу обміну даними на якість процесів у замкнутій системі управління. У результаті досліджень отримані залежності якості динамічних процесів у замкнутій системі управління від тривалості затримок у каналах контролю й управління, які внесені телекомунікаційною мережею. На основі отриманих залежностей сформульовані вимоги до визначення швидкісних параметрів телекомунікаційної мережі, що використовується для автоматизації розподілених об'єктів даного класу.

6. Зроблено оцінку економічних показників застосування розробленої системи автоматичного управління, що підтвердила ефективність розроблених рішень. При реконструкції водовідливів глибоких шахт очікуваний річний ефект при застосуванні ТВУ, що працює за схемою "насос у насос" становить 73200 грн. Очікувана річна економія експлуатаційних витрат на утримування головної водовідливної установки становить 17200 грн.

7. Модель водовідливної установки, як багатомірного об'єкта з урахуванням зв'язності технічних і технологічних параметрів водовідливу; принципи представлення моделі водовідливної установки методом простору станів, орієнтовані на застосування сучасних засобів цифрової техніки; методика моделювання динамічних режимів роботи водовідливних установок шахт використані ВАТ "Автоматгірмаш ім. Антипова" при розробці проекту "Створити і впровадити комплекс технічних засобів контролю стану і захисту водовідливних установок і гідромагістралей". Принципи побудови моделі багатоступінчатої водовідливної установки, як багатозв'язного об'єкта; методика моделювання динамічних процесів водовідливних установок; структура зв'язності елементів багатоступінчатої водовідливної установки; алгоритм і програмна реалізація моделей багатоступінчатих водовідливних установок використані ВАТ "Дондіпрошахт" при розробці проектів ступінчатих водовідливних установок глибоких шахт (шахта Бутовка - Донецька, шахта Поченкова, шахта ім. В.І. Леніна).

9. Принципи моделювання процесів обміну інформацією в промисловій мережі Profibus, застосовуваної для автоматичного управління розподіленими об'єктами; комунікаційна модель протоколу обміну даними в промисловій мережі Profibus; принципи побудови і структура системи автоматичного управління розподіленими багатозв'язними об'єктами з використанням мережних методів взаємодії технічних засобів системи використані при розробці систем автоматичного управління розподіленими в просторі об'єктами державним підприємством "Науково-технічний центр проблем енергозбереження". Результати дисертації використовуються в навчальному процесі і науково-дослідній роботі кафедри "Автоматика і телекомунікації" ДонНТУ.

ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО НАСТУПНІ ПРАЦІ

1. Бессараб В.И., Федюн Р.В. Принципы моделирования динамических процессов в многоступенчатых водоотливных установках // Наукові праці ДонДТУ. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація, випуск12. Донецьк: ДонДТУ, ТОВ “Лебідь” - 1999. - С. 33 - 40.

2. Бессараб В.И., Федюн Р.В. Динамическая модель многоступенчатого водоотлива угольных шахт // Наукові праці ДонДТУ. Серія: Гірнича електромеханіка, випуск 16. Донецьк: ДонДТУ - 2000. - С. 19 - 25.

3. Бессараб В.І., Федюн Р.В. Дослідження багатоступінчатої водовідливної установки методом простору станів // Наукові праці ДонДТУ. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація, випуск 20. Донецьк: ДонДТУ, - 2000. - С. 16 - 22.

4. Бессараб В.И., Федюн Р.В. Синтез цифровых систем управления многоступенчатыми водоотливными установками угольных шахт // Наукові праці ДонДТУ. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація, випуск 25. Донецьк: ДонДТУ, - 2001. - С. 15 - 21.

5. Федюн Р.В. Принципы построения цифровых систем управления многоступенчатыми водоотливными установками угольных шахт. Сборник научных трудов НГА Украины № 11, том 2. Днепропетровск: РИК НГА Украины, 2001. - С. 22 - 26.

6. Бессараб В.І., Федюн Р.В. Моделювання режимів багатоступінчатого водовідливу вугільних шахт з використанням пакету MATLAB // Наукові праці ДонДТУ. Серія: Гірнича електромеханіка, випуск 27. Донецьк: ДонДТУ - 2001. - С. 29 - 34.

7. Бессараб В.И., Федюн Р.В. Автоматическое управление многоступенчатым водоотливом шахт // Матеріали міжнародної конференції з управління "Автоматика - 2001", 10 - 14 вересня 2001р., м. Одеса, Україна: в 2-х т. - Одеса, 2001. - Т.1. - С. 129 - 130.

8. Бессараб В.І., Федюн Р.В. Розробка моделі багатоступінчатої водовідливної установки вугільної шахти // Контроль і управління в складних системах (КУСС-2001). Тези доповідей шостої науково-технічної конференції м. Вінниця, 8-12 жовтня 2001 року. - Вінниця: УНІВЕРСУМ - Вінниця, 2001. - С. 204.

9. Федюн Р.В. Синтез алгоритма оптимального управления многоступенчатой водоотливной установкой угольной шахты // Автоматизація технологічних об'єктів та процесів. Пошук молодих. Збірник наукових праць I Всеукраїнської науково - технічної конференції аспірантів та студентів в м. Донецьку 15 - 16 травня 2001 р. - Донецьк, 2001. - С.231 - 233.

10. Федюн Р.В. Синтез цифровых систем автоматического управления многоступенчатыми водоотливными установками угольных шахт // Сборник научных трудов по материалам 5-го международного молодежного форума "Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке" 24 - 26 апреля 2001г. В 2-х частях: Часть 1. Харьков, 2001. - С. 70 - 71.

11. Бессараб В.И., Федюн Р.В. Оптимальное управление многоступенчатым водоотливом шахт // Труды Одесского политехнического университета: Научный и производственно-практический сборник по техническим и естественным наукам. - Вып. 3(15), 2001 г. - С.198 - 203.

12. Бессараб В.І., Федюн Р.В. Дослідження часових параметрів мережі PROFIBUS при реалізації САУ багатоступінчатими водовідливними установками шахт // Наукові праці ДонДТУ. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація, випуск 38. Донецьк: ДонДТУ - 2001. - С. 27 - 33.

Особистий внесок автора в публікаціях: [1] - аналіз технологічних особливостей багатоступінчатих водовідливних установок; [1,2] - структура зв'язності триступеневої водовідливної установки; [2] - розробка моделі граничних умов трубопроводу; [3] - формалізація моделі триступеневої водовідливної установки методом простору стану; [6,8] - розробка моделі багатоступінчатої водовідливної установки за технологічною схемою "насос у насос"; [4,7] - розробка алгоритму оптимального управління багатоступінчатою водовідливною установкою, [12] - розробка моделі телекомунікаційної мережі, дослідження впливу характеристик телекомунікаційної мережі на параметри системи управління багатоступінчатим водовідливом.

АНОТАЦІЯ

Федюн Р.В. Система автоматичного управління багатоступінчатими водовідливними установками шахт. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 - "Автоматизація технологічних процесів". - Донецький національний технічний університет, м. Донецьк, 2002 р.

Дисертація присвячена рішенню актуальної наукової задачі - створенню системи автоматичного управління багатоступінчатими водовідливними установками вугільних шахт, які працюють за технологічною схемою "насос у насос". Дана система є багатомірною, багатозв'язною і побудована із застосуванням методів оптимального управління. Для дослідження динамічних процесів в об'єкті управління, а також формалізації задачі синтезу системи управління запропонована модель багатоступінчатої водовідливної установки з режимом роботи "насос у насос". При формуванні моделі враховані багатомірність та багатозв'язність даного об'єкта, можливі технологічні збурювання, а також застосування різних способів управління. Адекватність моделі підтверджена експериментальними дослідженнями, виконаними в промислових умовах. Установлено, що ефективне управління об'єктами даного класу можливо лише при побудові системи на принципах оптимального управління. Запропоновано цифровий багатозв'язний регулятор, синтезований на основі узагальненого квадратичного критерію якості. Багатоступінчата водовідливна установка відноситься до розподілених об'єктів управління, тому технічна реалізація системи управління виконана з використанням мережевих методів взаємодії технічних засобів системи. Виконано дослідження впливу телекомунікаційної мережі на показники якості системи управління і сформульовані науково-обґрунтовані вимоги до швидкодії застосованої мережі. У цілому запропонована система управління забезпечує характер перехідних процесів по каналах управління і виходу, що відповідає припустимим технологічним вимогам.

Ключові слова: багатоступінчата водовідливна установка, математична модель, метод простору станів, адекватність, критерій оптимізації, цифрове управління, багатозв'язний регулятор, телекомунікаційна мережа, розподілений об'єкт управління.

Федюн Р.В. Система автоматического управления многоступенчатыми водоотливными установками шахт. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - "Автоматизация технологических процессов". - Донецкий национальный технический университет, г. Донецк, 2002 г.

На основании теоретических и экспериментальных исследований в диссертационной работе предложено новое решение актуальной научной задачи - создание системы автоматического управления многоступенчатыми водоотливными установками угольных шахт, работающих по технологической схеме "насос в насос". Данная система является многомерной, многосвязной и построена с применением методов оптимального управления. Для исследования динамических процессов в объекте управления, а также формализации задачи синтеза системы управления предложена модель многоступенчатой водоотливной установки с режимом работы "насос в насос". При формировании модели учтены многомерность и многосвязность данного объекта, возможные технологические возмущения, а также применение различных способов управления. Адекватность модели подтверждена экспериментальными исследованиями, выполненными в промышленных условиях. Установлено, что эффективное управления объектами данного класса возможно лишь при построении системы на принципах оптимального управления. Предложен цифровой многосвязный регулятор, синтезированный на основании обобщенного квадратичного критерия качества. Многоступенчатая водоотливная установка относится к распределенным объектам управления, поэтому техническая реализация системы управления выполнена с использованием сетевых методов взаимодействия технических средств системы. Выполнено исследование влияния телекоммуникационной сети на показатели качества системы управления и сформулированы научно-обоснованные требования к быстродействию применяемой сети. В целом предложенная система управления обеспечивает характер переходных процессов по каналам управления и выхода, соответствующий допустимым технологическим требованиям. В работе решены следующие задачи:

1. Предложена новая модель многоступенчатой водоотливной установки, работающей по принципу "насос в насос", отличающаяся от известных тем, что многоступенчатый водоотлив рассматривается как многомерный объект управления с учетом связности параметров каждой ступени и отражающая технологические возмущения реально присутствующие в гидравлическом тракте водоотлива.

2. Разработан принцип представления многоступенчатого водоотлива, как многосвязного объекта управления в пространстве параметров состояния, являющийся дальнейшим развитием этого метода для объектов данного класса.

3. Предложен метод синтеза многосвязной, многомерной системы автоматического управления многоступенчатым водоотливом на основании обобщенного квадратичного критерия качества, учитывающий разработанный параметрический ряд весовых коэффициентов критерия для зоны промышленного использования центробежных насосов, применяемых на шахтных водоотливах.

4. Предложен способ реализации распределенных систем автоматического управления объектами данного класса, являющийся дальнейшим развитием методов построения систем управления на основе сетевых технологий взаимодействия технических средств системы с однозначным определением скоростных параметров телекоммуникационной сети для объектов такого класса.

Ключевые слова: многоступенчатая водоотливная установка, математическая модель, метод пространства состояний, адекватность, критерий оптимизации, цифровое управление, многосвязный регулятор, телекоммуникационная сеть, распределенный объект управления.

Fedyun R.V. System of automatic control by multistage draining plants of mines. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by speciality 05.13.07 - "Automation of the technological processes". Donetsk national technical university, Donetsk, 2002.

The thesis is devoted to the solution of the actual scientific problem - creation the system of automatic control by multistage draining plants of mines working on the technological schema "the pump in the pump". The given system is multivariate, multivariable and is constructed with applying methods of optimum control. For research of dynamic processes in controlled entity, and also formalising the task of synthesis a control system the model of a multistage draining plant with operational mode "the pump in the pump" is proposed. At forming model the possible technological perturbations, and also applying of different method of control are taken into account multivariate and multicohesion of the given entity. The adequacy to model is affirmed by experimental researches executed in industrial conditions. Is established, that effective controls entity of the given class it is possible only at constructing a system on principles of optimum control. The digital multivariable governor synthesised on a foundation of generalised quadratic criterion quality is proposed. The multistage draining plants is referred to distributed entities of control, therefore engineering implementation of a control system is executed with usage of network techniques. The study of influencing of a telecommunication network on indexes of quality of a control system is made and the scientific - reasonable demand on response rate of an applied network are formulated. As the a whole proposed control system ensures nature of transient phenomenon on control channels and exit applicable to the admissible technological requirements.