Система автоматичного управління комплексом головного водовідливу глибоких шахт

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 681.518.52:622.53

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

СИСТЕМА АВТОМАТИЧНОГО УПРАВЛІННЯ КОМПЛЕКСОМ ГОЛОВНОГО ВОДОВІДЛИВУ ГЛИБОКИХ ШАХТ

Спеціальність 05.13.07 - «Автоматизація процесів керування»

Червінська Наталія Володимирівна

Донецьк - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному вищому навчальному закладі «Донецький національний технічний університет» Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник:кандидат технічних наук, доцент Бессараб Володимир Іванович, ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», завідувач кафедри «Автоматика та телекомунікації», м. Донецьк.

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор Ткаченко Валерій Миколайович, Інститут прикладної математики і механіки НАН України, завідувач відділу «Теорія керуючих систем», м. Донецьк;

доктор технічних наук, професор Зубов Дмитро Анатолійович, Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля, професор кафедри «Системна інженерія», м. Луганськ.

Захист відбудеться «16» червня 2011 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д11.052.03 ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» за адресою: вул. Артема, 58, 8-й навчальний корпус (аудиторія 704), м. Донецьк, Україна, 83001.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» за адресою: вул. Артема, 58, 2-й навчальний корпус, м. Донецьк, Україна, 83001.

Автореферат розісланий «12 » травня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д11.052.03 кандидат технічних наук, доцент Г.В. Мокрий

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасні глибокі вугільні шахти є великими споживачами електроенергії. У зв'язку з цим технічні й організаційні заходи щодо зниження її вартості й регулювання рівномірності навантаження енергосистеми є актуальним питанням для кожного гірничодобувного підприємства.

У загальному технологічному процесі видобутку вугілля функціонування водовідливних установок є одним з найбільш енергоємних процесів (до 25% у загальношахтному обсязі споживання електроенергії). Важливою відмінною рисою функціонування водовідливу шахти є його графік роботи протягом доби, що не залежить від графіка основного технологічного процесу видобутку вугілля. У зв'язку з цим водовідлив може виступати для енергосистеми як споживач-регулятор. В умовах застосування диференційованих зонних і багатоставкових тарифів на електроенергію заходи щодо регулювання режиму роботи комплексу водовідливу дозволяють не тільки знизити електроспоживання гірничодобувного підприємства і регулювати графік навантаження енергосистеми, але й знизити витрати підприємства на споживану електроенергію. Одержання істотної економії за цією статтею витрат є можливим при застосуванні заходів щодо зсуву робочих режимів водовідливних установок із зон з більш високим тарифом (пікового споживання електроенергії) у зони з більш низьким тарифом (позапікового споживання).

У даний час водовідливні установки глибоких шахт Донбасу являють собою складні територіально розподілені комплекси, що складаються з декількох вузлів: дільничних, проміжних і головних водовідливів. Кожен такий вузол оснащується системою автоматичного управління, що тією чи іншою мірою задовольняє вимогам, пропонованим до управління водовідливними установками. Однак використовувані принципи побудови систем управління не враховують динаміку припливу й взаємозв'язок між окремими вузлами комплексу водовідливу шахти в цілому, і не дозволяють реалізувати суміщення режимів роботи комплексу водовідливу із позапіковими режимами енергоспоживання шахти, тобто проблема комплексної автоматизації водовідливного господарства шахти до теперішнього часу не вирішена. Одним з основних факторів, що не дозволяють досягти необхідних рішень, є використовувані в даний час технічні засоби й підходи до реалізації систем управління.

Таким чином, задача розробки систем автоматичного управління комплексом водовідливу, які б ураховували взаємозв'язок окремих вузлів комплексу водовідливу, передбачали можливість прогнозування величини припливу в шахту й дозволяли підвищити ефективність функціонування комплексу водовідливу у взаємозв'язку з системою контролю енергоспоживання шахти є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до тематичного плану Донецького національного технічного університету за темами НДР ДонНТУ Н-15-05 «Сучасні методи дослідження динамічних процесів у системах контролю управління й телекомунікацій» і Д-3-06 «Теорія синтезу цифрових систем керування водовідведенням вугільних шахт за критерієм мінімізації енерговитрат» (№ д/р 0106U002277).

Метою роботи є зниження витрат шахти на споживану електроенергію за рахунок розробки системи автоматичного управління комплексом головного водовідливу, що дозволить зменшити нерівномірність навантаження енергосистеми шахти й забезпечити синхронність роботи окремих ділянок водовідливу.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні основні задачі дослідження:

1. Дослідити особливості функціонування багатоступеневих водовідливних установок різних технологічних схем з погляду графіків їхньої роботи, енергоспоживання й величини припливів.

2. Вибрати концепцію побудови моделі й провести формалізацію параметрів об'єкта, що забезпечує універсальність її застосування. Розробити імітаційну математичну модель комплексу водовідливу, яка б відбивала взаємозв'язок окремих технологічних ділянок комплексу шахтного водовідливу й дозволяла виконувати прогнозування величини припливу. Провести моделювання об'єкта, перевірити адекватність моделі.

3. Розробити алгоритми управління головним і дільничним водовідливами, що забезпечують їх позапікове електроспоживання з використанням сучасних методів теорії дискретно-подієвих систем. Оцінити якість розробленого алгоритму управління.

4. Удосконалити структуру системи управління комплексом водовідливу глибоких шахт із урахуванням розроблених алгоритмів управління. Провести моделювання, дослідження та оцінку якості розробленої системи управління для різних реальних технологічних схем.

5. Оцінити економічну ефективність запропонованих рішень.

Об'єкт досліджень - система автоматичного управління комплексом головного водовідливу глибоких вугільних шахт.

Предмет досліджень - методи аналізу й синтезу ієрархічних систем автоматичного управління розподіленими в просторі технологічними комплексами.

Методи дослідження. При побудові моделі, алгоритмів управління і синтезі структури системи автоматичного управління комплексом головного водовідливу використовувались: метод системного аналізу, методи сучасної теорії автоматичного управління дискретно-подієвих систем на основі Max-Plus алгебри, теорія графів і мереж Петрі, методи математичного моделювання й прогнозування, методи й алгоритми координації багаторівневих ієрархічних систем. Вірогідність результатів досліджень забезпечується коректністю постановки завдання, системним підходом при викладі наукових положень, коректним використанням математичного апарата й комп'ютерного моделювання, а також відповідністю практичних результатів й основних теоретичних положень.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Уперше розроблена дискретно-подієва математична модель комплексу водовідливу шахти в базисі Max-plus алгебри, яка відбиває часовий взаємозв'язок функціонування окремих технологічних модулів водовідливу, що дозволяє формалізувати процеси аналізу й синтезу в просторі параметрів стану.

2. Одержала подальший розвиток методика синтезу алгоритму автоматичного дискретно-подієвого управління комплексом шахтного водовідливу, яка враховує часовий взаємозв'язок режимів роботи окремих технологічних модулів, що дозволяє скоротити час роботи водовідливу в години пікового навантаження енергосистеми шахти.

3. Одержала подальший розвиток методика побудови багаторівневих ієрархічних систем управління комплексом шахтного водовідливу, що відрізняється від відомих сполученням алгоритмів дискретно-подієвого управління позапіковим споживанням електроенергії на верхньому рівні й дискретно-безперервного управління локальними підсистемами на нижньому.

4. Одержав подальший розвиток алгоритм безітераційної координації локальних систем управління окремими ділянками водовідливу шахти з використанням прогнозування припливу в водозбірники, що забезпечує синхронність та циклічність роботи комплексу водовідливу в стаціонарних і нестаціонарних режимах.

Практичне значення отриманих результатів:

1. Розроблено програмний комплекс і методику моделювання, що дозволяють досліджувати динаміку роботи водовідливних установок для різних алгоритмів управління, в тому числі позапікового управління електроспоживаням, з урахуванням прогнозу величини швидкості припливу в шахту.

2. Розроблено програмне забезпечення, що реалізує алгоритм позапікового управління комплексом головного водовідливу як дискретно-подієвим об'єктом, орієнтоване на застосування сучасних обчислювальних засобів.

3. Запропоновано типову структуру і комплекс технічних засобів для реалізації розподіленої системи управління комплексом головного водовідливу, орієнтовані на застосування сучасних засобів автоматизації і промислових мережних технологій.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто розроблена імітаційна дискретно-подієва математична модель комплексу водовідливу шахти й окремих технологічних модулів у вигляді графових моделей і в базисі Max-Plus алгебри; прогнозна модель швидкості припливу в шахту; дворівнева система управління комплексом водовідливу як дискретно-безперервним об'єктом; алгоритм управління головним водовідливом; алгоритми управління дільничними водовідливами. Всі основні наукові положення й результати дисертаційної роботи, що виносяться на захист, отримані автором самостійно.

Апробація результатів роботи. Робота пройшла апробацію на наступних конференціях: XIV міжнародна конференція з автоматичного управління «Автоматика-2007», м. Севастополь, 10-14 вересня 2007 р.; XV міжнародна конференція з автоматичного управління «Автоматика - 2008», м. Одеса, 23-26 вересня 2008 р.; XVI міжнародна конференція з автоматичного управління «Автоматика - 2009», м. Чернівці, 23-26 вересня 2009 р.; на Міжнародному семінарі Eurotalent-Fidjip 2009, Франція, м. Ромийі-сюр-Сен, 14-24 жовтня 2009); XVII міжнародна конференція з автоматичного управління «Автоматика - 2010», м. Харків, 26-29 вересня 2010 р.

Результати дисертаційних досліджень повідомлені, обговорені й одержали схвалення на наукових семінарах кафедри «Автоматика й телекомунікації» Донецького національного технічного університету. Публікації. За результатами наукових досліджень опубліковано 10 наукових праць, у тому числі 5 у наукових виданнях, затверджених ВАК України, 1 у закордонному виданні (Франція) і 4 у тезах доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів і висновку, викладених на 183 сторінках машинописного тексту, з них 133 сторінки основного тексту, ілюстрованого 52 рисунками. Робота містить 5 таблиць, список використаної літератури з 153 найменувань і 4 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі роботи «Сучасний стан питання. Мета й задачі дослідження» розглядається комплекс шахтного водовідливу як об'єкт управління. Досліджено особливості технологічного процесу водовідливу, основні схеми, за якими може бути реалізований головний водовідлив. Проаналізовано послідовність технологічних операцій одного циклу роботи водовідливної установки. Виконано аналіз добових і річних графіків навантажень енергосистем. Проведено аналіз існуючої тарифної сітки оплати спожитої електроенергії для промислових підприємств. Виконано огляд існуючих методів позапікового управління навантаженням, рішень з автоматизації водовідливу, систем керування, виявлені основні задачі, що вимагають автоматизації або вдосконалення. Обґрунтовано прийнятий напрямок розробок, мета й задачі дослідження.

У результаті аналізу графіків електроспоживання шахти й навантаження енергосистеми виявлено їхній нерівномірний характер з вечірнім і ранковим піками й зоною зниженого навантаження між ними. Показано, що в умовах існуючої системи оплати споживаної електроенергії для промислових підприємств заходи щодо зсуву робочих режимів водовідливу в зони зниженого навантаження дозволять не тільки вирівняти графік добового електроспоживання підприємства, але й істотно знизити витрати на електроенергію. Дослідження технологічних схем водовідливу глибоких шахт Донбасу показало, що найпоширенішими схемами організації головного водовідливу є схеми із проміжним водозбірником й «насос у насос». При цьому потужність насосів головного водовідливу в порівнянні з дільничними, як правило, в 3-5 разів вища. У зв'язку із цим розробка методів позапікового управління саме цієї групи насосів є найбільш важливим й актуальним завданням. Детальний аналіз характеристик апаратури ВАВ.1М, що застосовується в даний час на гірничодобувних підприємствах України для автоматизації водовідливних установок, показав, що субблок позапікового споживання електроенергії, присутній у її структурній схемі, дозволяє реалізувати алгоритм позапікового управління тільки для однієї ділянки без урахування її зв'язку з іншими ділянками комплексу водовідливу.

Для рішення поставлених завдань із урахуванням взаємозв'язку й взаємовпливу різних елементів об'єкта зроблено його розбивання на типові технологічні модулі (ТМ): дільничний водовідлив, водовідлив проміжних горизонтів і головний водовідлив. З погляду задач позапікового управління виділені основні параметри ТМ: керовані - час вмикання t_вкл і вимкнення t_откл насосних установок, продуктивність Q, напор H; збурення - величина годинного припливу q у водозбірники.

Аналіз функціонування об'єкта показав, що його робота характеризується послідовністю операцій, які носять як дискретний, так і безперервний характер. Динаміка деяких із цих процесів визначається скінченням інтервалу часу, а інших - настанням конкретних подій, які відповідають початку або закінченню певного процесу й виникають у дискретні моменти часу. Інтервали між настанням подій не завжди однакові й можуть носити випадковий характер. На основі аналізу зроблено висновок, що комплекс шахтного водовідливу може бути віднесений до дискретно-подієвого класу (DES - Discrete Event Systems) і для реалізації позапікового управління об'єктом класичні методи в безперервному й дискретному часі не застосовні.

Запропоновано використовувати методики моделювання й синтезу управління, орієнтовані на дискретно-подієве й дискретно-безперервне управління. Дискретно-подієве передбачає управління часовими параметрами послідовності операцій водовідливу з метою досягнення заданого показника якості, а дискретно-безперервне - траєкторією руху підсистем у керованих локальних інваріантах в ієрархічних системах управління шахтним водовідливом.

Проведені дослідження підкреслюють актуальність питання й обґрунтовують тему дисертаційного дослідження. На основі виконаного аналізу визначено напрямок розробок і сформульовані мета й завдання дослідження.

У другому розділі «Математичне моделювання й експериментальне дослідження динамічних процесів в об'єкті управління» розроблено математичні моделі всіх ТМ на основі опису їхніх графів синхронізації в Max-plus алгебрі, розроблено принцип організації моделі комплексу водовідливу з урахуванням різних схем його реалізації. Розроблено прогнозну модель швидкості припливу в шахту. Проведені експериментальні дослідження динаміки об'єкта в реальних умовах експлуатації. Виконано моделювання об'єкта управління в різних режимах і перевірка адекватності розроблених моделей.

На першому етапі розробки математичної моделі для кожного ТМ отримано графову структуру за допомогою апарата мереж Петрі. Позиції й переходи між ними описують основні технологічні операції процесу водовідливу. На наступному етапі на основі цього математичного апарата побудовано графи синхронізації для дільничного водовідливу, водовідливу проміжних горизонтів, головного водовідливу, організованого за схемою «насос у насос» (рис.1-2).



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1. Граф синхронізації для дільничного водовідливу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2. Граф синхронизації для водовідливу проміжного горизонту

У графі синхронізації рис. 1 основні позиції й переходи являють собою наступні події й умови: s₁ - заповнення водозбірника; t₁ - водозбірник заповнений до певного рівня, можна увімкнути насосну установку; s₂ - водозбірник заповнений, готовність до відкачки; t₂ - початок запуску насоса; s₃ - вмикання насосної установки водовідливу; t₃ - насосну установку увімкнено, початок відкачки; s₄ - відкачка води з водозбірника; s₅ - вимкнення насосної установки; t₅ - насосна установка вимкнена; s₆ - готовність насосної установки до пуску.

Проаналізовано структуру й поведінку графів синхронізації. Показано, що їх математичний опис є можливим на основі Max-Plus алгебри, при цьому канонічна форма опису динаміки поведінки об'єкта в часі має такий вигляд:

(1)

де A - матриця динаміки; x - вектор стану - являє собою опис розвитку системи в часі, кожен його елемент x_i фіксує момент часу маркірування (включення) позиції s_i. Даний математичний опис представляє динаміку об'єкта в подійно-часовому аспекті за умови його роботи за заздалегідь установленим постійним графіком, тобто коли час заповнення водозбірників і час роботи насосів у кожному циклі постійні або можуть бути визначені за установленим принципом (наприклад, при роботі комплексу водовідливу за принципом «максимум-мінімум рівня»).

Показано, що для графа синхронізації елемента водовідливу доцільним є застосування керованих переходів, що відповідають пуску насосних установок. Для графа синхронізації водовідливу з керованими переходами форма опису динаміки поведінки в Max-Plus алгебрі виглядає в такий спосіб:

.(2)

Вплив зовнішніх логічних умов маркірування задається за допомогою вектора управління u=[u₁…u_p]^T, до складу якого входять моменти спрацьовування керованих переходів графа синхронізації. Матриця входу B визначає, які позиції графа синхронізації знаходяться в післяобласті керованих переходів, матриця виходу C визначає кінцеві позиції циклу роботи ТМ. Вектор виходу y визначає час закінчення k-го циклу роботи водовідливної установки.

Проведено аналіз кожного з вузлів s₁,…, s_n графа синхронізації з метою визначення методики точного розрахунку відповідних елементів матриці A, виділено чотири типи позицій, однакових для графів всіх ТМ: заповнення водозбірника, увімкнення насоса, відкачка, вимкнення насоса. Для кожного типу позицій отримані точні величини та формули розрахунку відповідних часів маркування. При розрахунку часу заповнення водозбірника істотним моментом є прогноз значення швидкості природного припливу в нього. Величину припливу у водозбірник, у загальному випадку, можна розділити на 2 складові: 1) природний приплив із шахтних виробітків й 2) приплив, що надходить із водозбірників інших горизонтів (нижніх - за допомогою перекачування або верхніх - безнапірним способом). Величина природного припливу на тривалому інтервалі є нестаціонарною величиною й залежить від множини факторів. Однак на інтервалі в кілька діб, як правило, величина нормального припливу води в шахту, змінюється незначно. У зв'язку із цим, прогнозна модель повинна бути адаптивною й відносно простою. Для рішення завдання прогнозування величини припливу в кожен водозбірник розроблені й досліджені математичні прогнозні моделі на основі методів експонентного згладжування, Хольта й ковзної середньої. Статистичні дані, необхідні для побудови адекватної прогнозної моделі, були отримані в результаті експерименту з дослідження динаміки швидкості припливу для різних ділянок ГП «Шахтоуправління «Південнодонбаське №1».

За результатами моделювання було обрано модель на основі методу Хольта.

(3)

де - прогнозне значення швидкості припливу, d - період прогнозу, б₁, б₂ - параметри адаптації, a_t, b_t - коефіцієнти адаптивного поліному першого порядку. Модель на основі даного методу прогнозування показала найменшу помилку 2,4%. За допомогою розробленої прогнозної моделі можна одержати величину тривалості заповнення кожного водозбірника шахти в поточному циклі. Ця величина разом зі значеннями тривалості операцій пуску, відкачки й зупину насосів вноситься в матрицю динаміки A.

Виконано математичний опис графів синхронізації всіх ТМ на основі виразу (2). Оскільки функціонування системи має циклічний характер, матрицю A розбито на дві: і , таких що . Відповідно до цього, некерована система представлена в наступному виді:

технологічний водовідливний установка багатоступеневий

(4)

а керована у вигляді:

,(5)

де , .

Для графа синхронізації ТМ дільничного водовідливу матриця A має наступну структуру: , , , , , , інші елементи матриці , матриця , матриця .

Показано, що аналіз періодичного характеру функціонування шахтного водовідливу як замкнутої дискретно-подієвої системи може бути проведений шляхом знаходження власного числа л матриці M і власного вектора , які характеризують періодичність повторення поводження системи в часі. Залежно від власного вектора визначається також кількість циклів, через яке досягається сталий стан системи.

Проведено моделювання й аналіз поводження простих графів синхронізації всіх ТМ із різними початковими маркуваннями й умовами спрацьовування керованого переходу. Показано, що граф синхронізації для комплексу шахтного водовідливу, організованого за комбінованою схемою, може бути отриманий шляхом сполучення розроблених графів ТМ, кожний з яких при необхідності може бути скоректований на задану кількість ступенів (проміжних водозбірників).

У якості базового для моделювання і дослідження прийнятий об'єкт із трьома дільничними водозбірниками на різних горизонтах і головним водовідливом, організованим за комбінованою схемою з використанням проміжного водозбірника й схеми «насос у насос». На рис. 3 наведено діаграму Гантта для вільного режиму роботи системи (відповідно до виразу (4)), отриману шляхом моделювання для 3 циклів роботи базового об'єкта.

Рис. 3 відбиває роботу комплексу водовідливу за принципом «мінімум-максимум рівня». При цьому робота насосів головного й дільничного водовідливів (позиції s₃, s₁₀, s₁₇, s₂₄, s₂₉) не синхронізована й частково або повністю доводиться на пікові періоди навантаження енергосистеми (затемнені зони на графіку). Застосування керування в розробленій моделі дозволить задавати графікові роботи комплексу водовідливу таке поводження, щоб насосні установки головного водовідливу не включалися в періоди пікового навантаження енергосистеми.

Адекватність розроблених моделей (прогнозної й дискретно-подієвої) підтверджена експериментальними дослідженнями динаміки водовідливу ГП «Шахтоуправління «Південнодонбаське №1». Відмінність результатів експериментальних даних і результатів моделювання не перевищує 7%.

Таким чином, розроблена математична дискретно-подієва модель дозволяє досліджувати динаміку роботи комплексу водовідливу, організованого за різними технологічними схемами, і може бути використана для синтезу алгоритму управління комплексом водовідливу з урахуванням позапікового електроспоживання.

У третьому розділі «Cинтез алгоритму управління комплексом головного водовідливу» розглянуто задачі розробки алгоритмів управління головним водовідливом відповідно до вимог його роботи в періоди позапікового навантаження енергосистеми, алгоритмів управління дільничним водовідливом, і водовідливом проміжних горизонтів, а також вирішена задача взаємозв'язку цих алгоритмів.

Аналіз застосовуваних методів позапікового управління водовідливом показав їхню неефективність для задачі управління комплексом водовідливу на основі розробленої моделі, оскільки вони не враховують взаємозв'язок водовідливів різних ділянок і головного водовідливу.

Рис. 3. Діаграма Гантта для вільного режиму роботи водовідливу

Аналіз застосовуваних методів позапікового управління водовідливом показав їхню неефективність для задачі управління комплексом водовідливу на основі розробленої моделі, оскільки вони не враховують взаємозв'язок водовідливів різних ділянок і головного водовідливу.

Синтез алгоритму управління комплексом шахтного водовідливу виконано з використанням методів дискретно-подієвого управління за заданними показниками якості й засновано на описі графа синхронізації відповідно до співвідношення (5). Ідея синтезу алгоритму управління комплексом водовідливу складається у формуванні такого вектора управління u для кожного ТМ, що забезпечує роботу насосних установок головного водовідливу в періоди позапікового навантаження енергосистеми. Для реалізації цієї ідеї попередньо визначається кількість робочих насосів N_min, що забезпечить відкачку всього добового припливу шахти за час позапікового навантаження.

Структура дискретно-подієвої системи зі зворотним зв'язком описується рівняннями:

,(6)

де и - матриці, що визначають закон управління ТМ. Елементи цих матриць визначаються виходячи з умов маркування позицій графа синхронізації: для матриці при завданні умови щодо поточного циклу, для матриці - щодо попереднього циклу.

Визначено логічні умови спрацьовування переходів при синтезі алгоритму управління головним водовідливом. Оскільки час початку й закінчення періодів пікового навантаження енергосистеми, а також їхня кількість (як правило, два) є відомими, логічні умови можуть бути задані в такий спосіб:

1. Моменти маркування позицій графа синхронізації, що відповідають часу вмикання й вимкнення насосів головної водовідливної установки не повинні перебувати в проміжках , тобто маркування позицій графа синхронізації в k-му циклі, що відповідають вмиканню й вимкненню насосів головної водовідливної установки, повинно відбутися не раніше, ніж закінчення періоду пікового навантаження на попередньому кроці й не пізніше, ніж початок періоду пікового навантаження на k-му кроці .

2. Власне число л матриці системи M повинно дорівнювати тривалості між початком періодів пікового навантаження енергосистеми.

Оскільки періоди максимуму навантаження енергосистеми в зимовий і літній час можуть варіюватися, друга логічна умова при синтезі алгоритму управління головним водовідливом доповнюється однією з наступних умов: а) якщо тривалість між початком періодів пікового навантаження дорівнює 12 годинам, циклічність графа синхронізації с повинна дорівнювати 1; б) якщо проміжки між початком періодів пікового навантаження неоднакові (наприклад становлять 11 й 13 годин), циклічність с повинна дорівнювати 2.

Алгоритм управління технологічними модулями водовідливу проміжних горизонтів і дільничних водовідливів припускає синхронізацію їхньої роботи з роботою головного водовідливу. Для цього розраховується мінімальна кількість циклів K_ц роботи відповідного насоса за період позапікового навантаження енергосистеми. При цьому для проміжних водозбірників до природного припливу додається обсяг перекачуваної в них води з нижніх горизонтів.

Показано, що за умови відмінності K_ц від одиниці хоча б для одного із ТМ, необхідне перетворення графа синхронізації комплексу водовідливу з використанням апарата вкладених мереж Петрі.

Для отриманого графа синхронізації комплексу водовідливу вирішено задачу взаємозв'язку розроблених алгоритмів управління ТМ. Для комплексу водовідливу, що складається з d технологічних модулів, будується загальна матриця системи графа синхронізації:

(7)

Аналогічним способом знаходяться матриці , і для всієї системи.

Моделювання роботи комплексу водовідливу з використанням розроблених алгоритмів представлено у вигляді діаграм Гантта й графіків перехідних процесів, які відбивають часові інтервали між настанням певної події в поточному й попередньому циклах. На рис. 4 представлено графік перехідного процесу для ТМ головного водовідливу для позиції графа синхронізації, що відповідає вмиканню насосних установок (позиція s₂₄). На графіку показано, як через 2 цикли об'єкт виходить у сталий режим роботи при нульових початкових умовах. Графік перехідного процесу для неоднакових інтервалів між піковими періодами навантаження енергосистеми представлений на рис. 5.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Графік перехідного процесу з



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Графік перехідного процесу з

Розглянуто проблему визначення стартового управління u(1). Цей вектор повинен на першому кроці забезпечити таке управління, щоб система вийшла в сталий стан за мінімальну кількість циклів. Показано, що стартовий вектор управління може бути розрахований у такий спосіб:

,(8)

Тоді ТМ водовідливу після другого циклу переводиться у власний стан:

(9)

Проведений аналіз впливу збурень на роботу системи показав, що основним збуренням для системи є приплив, вплив якого може бути врахований в такий спосіб:

.(10)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Матриця E описує, на яких позиціях графа синхронізації може виникати збурення (позиції, що відповідають заповненню водозбірників), вектор z(k) містить часові точки затримки або прискорення процесу у зв'язку зі збуренням в k-му циклі. На рис. 6 представлено графік перехідного процесу з урахуванням впливу збурень. При впливі збурення (збільшенні припливу в один з дільничних водозбірник) система не виходить зі сталого стану (позиція s₂₃). ТМ дільничного водовідливу, на який діяло збурення, через 2 цикли повертається в сталий стан (позиція s₃).

Проведено дослідження керованої системи для базового об'єкта з використанням розроблених алгоритмів. На рис. 7 представлена діаграма Гантта, що відбиває роботу насосів базового об'єкта для трьох циклів роботи системи.

На рис. 7 відбито процеси заповнення головного, дільничних і проміжних водозбірників (позиції s₁, s₈, s₁₅, s₂₂, s₂₇) і роботи відповідних насосів (позиції s₃, s₁₀, s₁₇, s₂₄, s₂₉, s₃₃). Проведено дослідження алгоритмів управління для реальних технологічних схем глибоких шахт, які підтверджують можливість застосування даних алгоритмів для позапікового управління водовідливом.

Рис.7. Діаграма Гантта функціонування керованої системи

Таким чином, розроблені алгоритми дискретно-подієвого автоматичного управління всіма ТМ водовідливу забезпечують роботу насосів головного водовідливу в години позапікового навантаження енергосистеми й можуть бути використані при побудові розподіленої ієрархічної системи керування комплексом головного водовідливу.

У четвертому розділі «Розподілена ієрархічна система управління комплексом головного водовідливу як дискретно-безперервним об'єктом» запропонований варіант побудови розподіленої ієрархічної системи управління комплексом головного водовідливу й алгоритм координації, використовуваний у дворівневій системі управління.

Для технологічного об'єкта комплексу шахтного водовідливу розглядається дворівнева ієрархічна система управління, що має одну підсистему верхнього рівня (координатор) і N підсистем нижнього рівня. Верхній рівень забезпечує координацію між локальними системами управління (ЛСУ C_i) на основі прийнятих глобальних показників якості, поточного аналізу збурень та реалізує алгоритм дискретно-подієвого управління позапіковим споживанням електроенергії. Нижній рівень (безпосереднє управління фізичними параметрами) вирішує локальні завдання управління технологічними модулями M_i як дискретно-безперервними об'єктами. Дискретні переходи реалізуються локальними координаторами, безперервне управління -регуляторами r^(k). Таким чином, виділяється координатор верхнього рівня і локальні координатори. Узагальнена структура дворівневої ієрархічної системи управління комплексом шахтного водовідливу представлена на рис. 8.

ЛСУ повинні забезпечувати рішення наступних основних завдань: обробка інформації, що надходить від координатора верхнього рівня, автоматичний пуск насосів з контролем заливання й відкриття засувок, управління перехідним процесом запуску установки, управління стаціонарним режимом водовідливу, контроль і діагностика робочих параметрів водовідливної установки в цілому.

Рис.8. Структура дворівневої системи управління комплексом водовідливу

Кожна ЛСУ передбачає функціонування відповідно до двох груп критеріїв з різним пріоритетом. Перша група критеріїв, що мають вищий пріоритет, визначає безпеку роботи локального підпроцесу. Безпека всієї системи управління комплексом водовідливу гарантується в тому випадку, якщо гарантується безпека функціонування кожного локального підпроцесу. Група критеріїв безпеки для локальної підсистеми в загальному випадку представляється в такий спосіб: , , де V_верх.i і V_авар.i - відповідно верхній і аварійний рівні заповнення водозбірника. Перший критерій визначає безпеку режимів відкачки, другий - безпеку заповнення водозбірників. Друга група критеріїв має менший пріоритет і визначає ефективність верхнього рівня, тобто це критерії, які погоджуються із глобальними показниками якості.

В локальні координатори передаються агреговані показники роботи ЛСУ. Визначення координуючих впливів локальним дискретним координатором здійснюється за спрощеними моделями (абстракціями) локальних підсистем, що відбивають їхнє поводження. Дискретні абстракції описують як локальні об'єкти управління, так і застосовувані локальні регулятори.

Дискретні абстракції локальних підсистем дворівневої системи управління комплексом головного водовідливу складені як сукупність поведінок, і визначені як кортеж виду , де - множина станів абстракції; - множина регуляторів, що входять до складу локальної системи управління; - припустимі множини в дискретно-безперервному просторі станів локальної підсистеми; , - максимальні керовані інваріанти локальних підсистем, що відповідають припустимим множинам ; - перехідне відношення між станами дискретної абстракції; - матриця, що визначає множини регуляторів, за допомогою яких виконується перехід з i-го стану дискретної абстракції в j-й стан; - матриця, що визначає час переходу з одного стану в інше; - матриця, що визначає множини в просторі станів агрегату, яким гарантовано належить стан при переході з i-го стану дискретної абстракції в j-й за умови використання регуляторів R.

Локальний дискретний координатор у заданій послідовності здійснює перемикання регуляторів, яке виконується в певні моменти часу або при досягненні відповідним показником попереднього регулятора конкретного значення. Алгоритм перемикання регуляторів наведений на рис. 9.

Виділено задачі верхнього рівня системи управління комплексом головного водовідливу, основні з яких - дистанційний контроль поточного рівня й прогнозування швидкості припливу води до всіх водозбірників шахти, суміщення технологічних перерв роботи всіх водовідливних установок з періодами максимуму навантаження енергосистеми, узгодження роботи всіх водовідливних установок шахти, одержання інформації про аварійні режими.

Як показник якості координації верхнього рівня розглядається інтегральна квадратична оцінка близькості до оптимального режиму (глобальна цільова функція). Під оптимальним режимом для розроблювальної системи керування прийнятий такий графік роботи комплексу водовідливу, коли всі водовідливні установки працюють тільки в періоди позапікового навантаження енергосистеми. Показник якості визначається як:

,(11)

де P_ij(t), i=1, 2…N - потужність j-го насосу i-ої водовідливної установки; , - моменти початку та закінчення відкачки в період пікового навантаження j-м насосом i-ої локальної підсистеми в k-му циклі роботи; M_ij - кількість циклів роботи j-го насосу i-ої локальної підсистеми за добу; L_i - кількість насосів i-ої локальної підсистеми.

Про поточний стан локального модуля підсистема нижнього рівня повідомляє координаторові за допомогою вектора агрегованих показників якості (рис. 8), що визначається як:

.(12)

На основі показника V_i(t) координатор здійснює прогнозування зміни рівня води у водозбірнику i-ої локальної підсистеми. На основі показника Q_i(t) координатор здійснює прогнозування зміни рівня води у водозбірнику тієї локальної підсистеми, в яку здійснюється перекачування води з водозбірника i-ої локальної підсистеми.

Координатор визначає нові завдання для ЛСУ і тривалості переходів за допомогою вектора координуючих параметрів:

.(13)

Система управління верхнього рівня реалізує два основних режими роботи: перехідний і сталий з використанням відповідного алгоритму координації. У сталому режимі алгоритм координації полягає в завданні керованих інваріантів локальних підсистем, що забезпечують виконання глобального показника якості. Перехідний режим обумовлюється істотною зміною режимів роботи всього комплексу водовідливу, пов'язаним із впливом збурювань, зміною політики управління вищестоящими рівнями, або аварійними режимами. Система перемикається зі сталого режиму в перехідний, коли при визначенні графіка роботи водовідливу у позапіковий час на найближчу добу не можуть виконуватися основні технологічні вимоги до работи комплекса водовідливу (заповнення водозбірника на момент вмикнення вище рівня V_верх чи нижче однієї третьої V_верх). У цьому випадку залежно від напрямку зміни швидкості припливу (збільшення або зменшення) виконується перерахунок часу циклу для i-го насоса відповідно убік його зменшення, тобто , , або збільшення , , а також для насосів дільничного та проміжного водовідливу коректується час роботи насоса вищого горизонту (збільшується або зменшується відповідна величина Q_i).

До аварійних режимів функціонування розробленої системи віднесені режими, пов'язані із ситуаціями порушення її цілісності. Для аварійного режиму роботи системи запропоновано наступний алгоритм:

1. ЛСУ, з якою загублено зв'язок, перемикається в аварійний режим роботи: включення й вимикання насосів відбувається відповідно за верхнім і нижнім рівнями води у водозбірнику.

2. Координатор фіксує значення швидкості припливу q_ав на підставі останніх даних, що надійшли з рівнеміра даної ЛСУ.

3. За інформацією про швидкість припливу і режими роботи даної ЛСУ координатор перераховує час роботи насосів вищих горизонтів. При цьому вимога позапікової роботи може не виконуватися.

Отримано показники якості верхнього рівня для розробленої системи автоматичного управління в сталих і перехідному режимах. На рис. 10 представлені графіки зміни рівня води у водозбірниках різних горизонтів (1-3 - дільничних, 4 - головного, 5 - проміжного), отримані шляхом моделювання системи, для базового об'єкту з виділенням періодів пікового навантаження енергосистеми.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.10. Графіки зміни рівня у водозбірниках

На рис. 11 представлено алгоритм координації верхнього рівня.

Для реалізації розробленої системи запропоновано комплекс технічних засобів на основі сучасних програмувальних логічних контролерів.

Таким чином, розроблена розподілена ієрархічна система управління комплексом водовідливу забезпечує синхронність і циклічність його роботи в різних режимах з використанням алгоритмів дискретно-подієвого управління позапіковим споживанням електроенергії на верхньому рівні й дискретно-безперервного управління локальними підсистемами на нижньому.

У п'ятому розділі - “Економічна ефективність запропонованих рішень. Впровадження результатів роботи”, виконане техніко-економічне обґрунтування ефективності розробленої системи управління комплексом головного водовідливу глибоких шахт, проведено розрахунок очікуваного економічного ефекту від впровадження системи управління водовідливом, наведені наукові й практичні результати роботи, які одержали впровадження в різних областях. Аналіз економічної ефективності розробленої системи показав, що її використання може забезпечити шахті економію витрат на електроенергію в розмірі 5,12%.



Рис.11. Алгоритм координації верхнього рівня

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-технічна задача підвищення ефективності функціонування комплексу водовідливу глибоких шахт шляхом управління головним водовідливом у взаємозв'язку з енергетичною системою підприємства.

За результатами досліджень сформульовані наступні висновки:

1. Виконано аналіз технологічного процесу водовідливу глибоких шахт із погляду позапікового управління електроспоживанням. Показано, що комплекс водовідливу в енергосистемі шахти може виступати споживачем-регулятором, при цьому доцільно розглядати його як багатозв'язний дискретно-подієвий об'єкт.

2. З використанням системного підходу об'єкт розбито на технологічні модулі, для кожного з яких побудовані графи синхронізації на основі апарата мереж Петрі, що описують циклічну послідовність процесів й операцій одного циклу роботи водовідливної установки.

3. На основі графів синхронізації розроблені дискретно-подієві моделі технологічних модулів у базисі Max-Plus алгебри, що представляють подійно-часовий опис циклу роботи кожного ТМ.

4. Отримано комплексну модель об'єкта як сукупність моделей технологічних модулів у базисі Max-Plus алгебри з урахуванням їх взаємозв'язку й взаємовпливу, що дозволило формалізувати аналіз і синтез багатозв'язної системи управління комплексом шахтного водовідливу на основі сучасних методів, орієнтованих на дискретно-подієве й дискретно-безперервне управління.

5. Розроблено алгоритми управління всіма технологічними модулями з використанням методики синтезу управління за заданими показниками якості на основі теорії управління дискретно-подієвих систем, які дозволяють скоротити час роботи водовідливу в години пікового навантаження енергосистеми шахти.

6. Розроблено багаторівневу систему автоматичного управління комплексом головного водовідливу, що сполучає алгоритми дискретно-подієвого управління позапіковим споживанням електроенергії й дискретно-безперервного управління локальними підсистемами, і дозволяє за рахунок координації роботи всіх ділянок шахти з використанням прогнозування припливу у водозбірники забезпечити сполучення робочого часу насосів головного водовідливу з періодами позапікового навантаження енергосистеми.

7. Проведено дослідження моделі об'єкта, адекватність якої підтверджена експериментальними дослідженнями в промислових умовах. Виконано оцінку економічної ефективності розробленої системи, які показали, що її використання дозволяє знизити витрати підприємства на споживану електроенергію на 5,12%.

8. Результати дисертаційного дослідження використані при розробці й впровадженні систем водовідливу шахти ім. Лютикова в рамках виконання договору із ГП «Укрвуглеторфреструктуризація» №219 і шахти Чорноморка за договором із ГП «Укршахтгідрозахист» № 259 АТЗТ «Науково-виробниче об'єднання «Хаймек», в інжиніринговій компанії ТОВ «Інпромтех» у розробці проектів автоматизації складних об'єктів і побудові розподілених систем управління. Результати дослідження також використаються в навчальному процесі кафедри «Автоматика й телекомунікації» ДВНЗ «Донецький національний технічний університет».

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Червинский В. В. Многоуровневая система управления комплексом водоотлива горнодобывающего предприятия / В. В. Червинский, В. И. Бессараб, Н. В. Червинская // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Випуск 15(130). - Донецьк : ДонНТУ, 2008. - 214с. - С. 53-58.

2. Червинская Н. В. Модель шахтного водоотлива как комплексного дискретно-непрерывного объекта / Н. В. Червинская, В. И. Бессараб, В. В. Червинский // Автоматика 2008: доклади XV міжнародної конференції з автоматичного управління, 23-26 вересня 2008 р. - Одеса : ОНМА. - 992 с. - С. 652-654.

3. Червинский В. В. Иерархическая двухуровневая система управления дискретно-непрерывным объектом / В. В. Червинский, В. И. Бессараб, Н. В. Червинская // Матеріали 14 міжнародної конференції з автоматичного управління «Автоматика-2007», м.Севастополь (Україна), 10 - 14.09.2007. - Ч.1 - Севастополь: СНУЯЕтаП, 2007. - 208 с. - С. 197-198.

4. Червинский В. В. Иерархическая двухуровневая система управления дискретно-непрерывным объектом / В. В. Червинский, В. И. Бессараб, Н. В. Червинская// Збірник наукових праць Севастопольського національного університету ядерної енергії та промисловості. - Севастополь: СНУЯЕтаП, 2008. - Вип. 1 (25). - 300 с. - С. 176-183.

5. Червинская Н. В. Моделирование процессов динамики комплекса шахтного водоотлива в базисе Max-plus алгебры / Н. В. Червинская, В. И. Бессараб, В. В. Червинский // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія «Обчислювальна техніка та автоматизація». Вип. 147 (30). - Донецьк: ДонНТУ, 2009. - 248 с. - С. 51-58.

6. Червинская Н. В. Использование метода релаксации Лагранжа при синтезе алгоритмов управления дискретно-непрерывными объектами / Н. В. Червинская, В. И. Бессараб, В. В. Червинский // 16-а Міжнародна конференція з автоматичного управління «Автоматика-2009», м. Чернівці, 27_29.09.2009. Тези доповідей. Том 1. - Чернівці: ЧНУ ім. Ю. Федьковича, 2009. - С. 293-294.

7. Червинская Н. В. Использование аппарата Max-plus алгебры при описании объектов дискретно-непрерывного класса / Н. В. Червинская // Bulletin d'Eurotalent-Fidjip, 2009. - Volume 4. - France, Romilly sur Seine: Editions du Jipto, 2009. - ISSN 2101-5317. - 74 p. - P. 51-56

8. Червинская Н. В. Применение метода релаксации Лагранжа при синтезе алгоритмов управления дискретно-непрерывными объектами / Н. В. Червинская, В.И. Бессараб, В. П. Блощицкий // Вісник Східноукраїнського Національного університету імені Володимира Даля. Вип. 2(144). - Луганськ: СНУ ім. В.Даля, 2010. - 258 с. - С. 229-235.

9. Червинская Н. В. Распределенная система управления дискретно-непрерывным объектом / Н. В. Червинская, В. И. Бессараб // 17-а Міжнародна конференція з автоматичного управління «Автоматика-2010», м.Харків, 27_29.09.2010. Тези доповідей. Том 1. - Харків: ХНУРЕ, 2010. - 322 с. - С. 307-309.

10. Червінська Н.В. Алгоритм управління позапиковим електроспоживанням комплексу шахтного водовідливу / Н. В. Червінська, В. І. Бессараб, В. В. Червинський // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія «Проблеми моделювання та автоматизації проектування» (МАП-2011). Вип. 9 (179). - Донецьк: ДонНТУ, 2011. - 361 с. - С. 246-254.

Особистий внесок здобувача в публікаціях: [1] - розроблено структуру дворівневої системи управління комплексом шахтного водовідливу; [2] - розроблено структуру моделі; [3] - описано дискретно-безперервну систему; [4] - шахтний водовідлив описано як дискретно-безперервний об'єкт, розроблено алгоритм координації; [5] - описано об'єкт моделювання, побудовано модель, досліджено й проаналізовано поводження моделі в динамічних режимах; [6] - проведено аналіз методів синтезу алгоритму управління; [8] - розроблено структуру алгоритму; [9] - розроблено розподілену систему управління; [10] - розроблено алгоритми управління головним і дільничним водовідливами.

АНОТАЦІЇ

Червінська Н.В. Система автоматичного управління комплексом головного водовідливу глибоких шахт. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 - «Автоматизація процесів керування». - Державний вищий навчальний заклад «Донецький національний технічний університет», м. Донецьк, 2011 р.

У дисертаційній роботі запропоновано нове рішення наукової задачі автоматичного управління багатозв'язним багатовимірним об'єктом - комплексом водовідливу глибоких шахт у відповідності до вимог позапікового електроспоживання. Запропоновано дворівневу ієрархічну структуру системи автоматичного управління з використанням алгоритмів дискретно-подієвого управління позапіковим споживанням електроенергії на верхньому рівні й дискретно-безперервного управління локальними підсистемами на нижньому. Для синтезу системи автоматичного управління з використанням апарату мереж Петрі, методів теорії управління дискретно-подієвих систем і Max-plus алгебри розроблена математична модель об'єкта управління з урахуванням його декомпозиції на технологічні модулі. При розробці моделі враховано багатозв'язність об'єкту. Адекватність моделі підтверджена експериментальними дослідженнями, виконаними в промислових умовах. При синтезі алгоритмів управління враховано можливі технологічні збурювання. В алгоритм координатора як системи управління верхнього рівня закладено алгоритм безітераційної координації локальних систем управління окремими ділянками водовідливу шахти з використанням прогнозування припливу в водозбірники, що забезпечує синхронність та циклічність роботи комплексу водовідливу в стаціонарних і нестаціонарних режимах.

Розроблено структуру розподіленої системи управління на основі сучасних засобів автоматизації і промислових мережних технологій.

Ключові слова: технологічний процес водовідливу, дискретно-подієва система, дискретно-безперервна система, граф синхронізації, Max-plus алгебра, управління позапіковим енергоспоживанням, математична модель, розподілена система управління.

Червинская Н.В. Система автоматического управления комплексом главного водоотлива глубоких шахт. Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - «Автоматизация процессов управления». - Государственное высшее учебное заведение «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, 2011 г. В диссертационной работе дано новое решение научной задачи эффективного автоматического управления многосвязным многомерным объектом - комплексом водоотлива глубоких шахт в соответствии с требованиями внепикового электропотребления. Разработанная система автоматического управления является двухуровневой и построена с применением методов дискретно-событийного и дискретно-непрерывного управления. Для решения поставленной задачи разработки системы управления комплексом главного водоотлива предложена распределенная структура системы автоматического управления с локальными системами управления (ЛСУ) технологическими модулями и координатором, согласующим работу ЛСУ. Для синтеза системы управления разработана дискретно-событийная динамическая математическая модель объекта с использованием аппарата сетей Петри и Max-plus алгебры, описывающая поведение объекта во времени с учетом его декомпозиции на технологические модули. В основе функционирования координатора, являющегося ядром системы управления верхнего уровня, заложен алгоритм безытерационной координации локальных систем управления отдельными участками водоотлива шахты с использованием прогнозирования притока в водосборники. Разработан программный комплекс, позволяющий провести моделирование объекта управления с целью получения его динамических характеристик; прогнозирования скорости притока в участковые, промежуточные и главные водосборники; моделирование системы управления рассматриваемым технологическим процессом с целью оценки качества управления. Разработаны структура и алгоритм функционирования распределенной системы управления на основе современных технических средств и промышленных сетевых технологий. Проведено технико-экономическое обоснование применения разработанной системы управления комплексом главного водоотлива глубоких шахт.

...