Моделирование и расчет калориферной установки шахты как объекта автоматизации

Министерство образования РФ 
Санкт-Петербургский государственный горный институт 
(технический университет)

 

 

ДОПУСКАЕТСЯ К ЗАЩИТЕ

            Зав. кафедрой проф. Проскуряков Р.М.

             

«        »                                            2003 г.

 

КВАЛИФИКАЦИОННАЯ ВЫПУСКНАЯ 
РАБОТА

 

 

Академическая степень: БАКАЛАВР

 

 

НАПРАВЛЕНИЕ:  551300 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии»  

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

ТЕМА:  Моделирование   и   расчет  калориферной  установки шахты как объекта 

            автоматизации.

 

 

 

АВТОР:    студент гр. ЭР-99-1     Серов Р.Ю. 

РУКОВОДИТЕЛЬ:                доц. Семенов М.А. 

РЕЦЕНЗЕНТ:                         доц. Алексеев В.В. 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2003

 

Министерство образования  РФ

Санкт-Петербургский  государственный горный институт 
(технический университет)

 

 

 

 

КВАЛИФИКАЦИОННАЯ ВЫПУСКНАЯ 
РАБОТА

 

 

Академическая степень: БАКАЛАВР

 

 

Направление:  551300  «Электротехника, электромеханика и электротехнологии»

 

ЗАДАНИЕ

 

Студенту           Серову Р.Ю. группы                        ЭР-99-1 

 

1. Тема:  Моделирование и расчет калориферной установки шахты как объекта 

             автоматизации.

 

2. Исходные данные: взяты для условий шахты “Ленинградская” ОАО “Ленинградсланец”

 

3. Содержание пояснительной записки: 

1. Моделирование калориферной установки по двум каналам управления.
2. Выбор датчиков давления и температуры, и регулирующих блоков.
3. Выбор схемы САУ , расчет регулятора и компенсирующего устройства.
4. Оценка показателей качества и устойчивость системы.
5. Реализация управления калорифером с применением НЦУ.

 

4. Перечень графического  материала:

1. Функциональная схема калориферной установки
2. Моделирование калориферной установки по двум каналам управления
3. Структурная схема системы управления калорифером с применением НЦУ

 

 

 

Срок окончания                       25 июня 2003 г. 

Руководитель                           доц. Семенов М.А. 

Заведующий кафедрой            проф. Проскуряков Р.М. 

 

 

 

Задание выдал доц.   Семенов  М.А.   12 февраля 2003 г.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Аннотация

В данной работе рассматриваются  математические модели калориферной установки  при стабилизации температуры воздуха, подаваемого в шахту с использованием двух методов регулирования. Первый метод заключается в регулировании количества воздуха, проходящего через калорифер, второй – в регулировании теплоносителя, проходящего через секции.

Разработана структура  системы управления для первого  метода, дана оценка устойчивости и  качества регулирования, выбраны элементы, реализующие структуру, а также  предложена система автоматического регулирования с непосредственным цифровым управлением.

Пояснительная записка  содержит 37 страницы машинописного  текста и включает 10 рисунков.

 

Abstract

In the given activity the mathematical models calorifers of the installation are esteemed at stabilization of temperature of air given to mine with usage of two methods of regulation. The maiden method is encompass byed regulation of quantity of air passing through a calorifer, second - in regulation of heat carrier passing through sections.

The structure of a system of control for the maiden method is designed, the estimation of stability(immunity) and regulator performance is given, the members realising frame are selected and also the automatic control system with direct numerical control is offered.

The explanatory slip contains 37 pages of the printed text, powers up 10 figures.

 

Введение

Для предотвращения обмерзания ствола, подъемных сосудов и канатов, а также создания нормальных климатических  условий для работающих людей  воздух, подаваемый в шахту в холодное время года, подогревается в калориферных установках. В технологической схеме калориферных установок шахт обычно используют водяной и паровой калориферы.

В настоящее время для автоматизации  калориферных установок большинство  шахт оснащаются комплектной аппаратурой  типа АКУ-3, которая позволяет формировать двухконтурную систему автоматического регулирования. В одном контуре регулирования осуществляется поддержание температуры воздуха в стволе путем изменения соотношения горячего и холодного воздуха, а в другом контуре регулирования поддерживается на постоянном уровне температура теплоносителя на выходе из калорифера путем изменения его расхода через калорифер.

В данной работе рассматриваются  два контура регулирования температуры, и дается их математическое описание. Предложена система НЦУ калориферной установки. Осуществлен выбор регулятора и компенсирующего устройства. Дана оценка устойчивости и качества регулирования

 

1. Описание калориферной  установки

Шахтная калориферная установка,  предназначенная для подогревания подаваемого в шахту воздуха в зимний период, входит как составная часть в систему проветривания. В настоящее время на шахтах в основном используются безвентиляторные калориферные установки, в которых воздух через секции проходит под действием общешахтной депрессии.

Рис.1. Схема калориферной установки

Условные обозначения: 1 – задвижка;

                                             2 – электродвигатель задвижки;

                                             3 – электродвигатель ляды;

                                             4 – калорифер;

                                             5 – ляда;

                                             6 – ствол шахты

                                             7 – датчик температуры воздуха в стволе

Холодный наружный воздух засасывается в шахту через секции калорифера 4, установленные в один ряд для уменьшения сопротивления. Он нагревается до температуры  t_под и поступает по вентиляционному каналу  к стволу 6. Здесь нагретый воздух смешивается с холодным воздухом (температура t_х) поступающим через заборную будку. Вследствие этого непосредственно в шахту поступает воздух с температурой t_см, которая должна быть согласно требованию ПБ не ниже  +2^ОС. Измерение этой температуры производится датчиком 7.

Очевидно, что количество воздуха, поступающего в шахту, G_общ = G_г + G_х , поэтому чем больше его пройдет через будку, тем меньше через калорифер G_г , но тем выше будет температура t_под. Следовательно, управляя значением G_х , за счет перекрытия канала лядой 5 можно изменить нагрузку калорифера и температуру t_под и ,следовательно, t_см. Подавая команды на исполнительный механизм ИМ-1 управления вентилем 1 на линии теплоносителя,  можно регулировать  нагрев  воздуха,  проходящего через калорифер при G_х = const. Теплоноситель (вода, пар), пройдя секции калорифера, поступает через коллектор в котельную. Давление в линии теплоносителя измеряется датчиком Д_р. Одновременно контролируют отходящий теплоноситель датчиком температуры , с тем чтобы избежать замораживания секций.

Следовательно, калориферную установку  можно рассматривать как объект с двумя каналами регулирования. Один канал это температура воздуха  в стволе – расход горячего воздуха, второй канал это температура  воздуха в стволе – расход холодного  воздуха.

 

2. Математическое  моделирование

2.1. Модель калориферной  установки при стабилизации температуры  воздуха, подаваемого в шахту,  путем регулирования количества  воздуха, проходящего через калорифер.

Примем:

G_общ – общий расход воздуха, поступающего в шахту, м³/c;

G_г – расход воздуха, прошедшего через калорифер, м³/c;

G_х – расход холодного воздуха, засасываемого в ствол для последующего смешивания с горячим, м³/c.

                                                                                                                           (1)

где       t_х – температура наружного холодного воздуха, ^oC;

t_под – температура подогретого воздуха после секции калорифера для смешивания с холодным воздухом, ^oC;

t_см – температура смешанного воздуха, поступающего в выработки шахты (выходной параметр ), ^oC.

Выражение (1) является уравнением материального  баланса для установившегося  режима  работы калорифера.

При изменении величины G_г, являющийся входной, материальный баланс сохраняется, а выражение (1) примет вид:

                                                                                                    (2)

где ΔG_г =ΔG_х – изменение расхода подогретого и холодного воздуха, м³/c.

Материальный баланс в переходном процессе можно сформулировать следующим образом: изменение количества воздуха, проходящего через калорифер, равно разности количества воздуха, поступающего непосредственно в шахту, и количества холодного воздуха, засасываемого в ствол, за одно и то же время, то есть

                                                                                   (3)

где  V_с.к. – объем смесительной камеры, включающий часть ствола и подводящий воздуховод из калорифера, где происходит смешивание холодного и горячего воздуха;

t – время.

 

 

Запишем выражение (3) в приращениях  при условии изменения выходного  параметра t_см

              (4)

Теперь вычтем (4) из (3) и при условии (2) запишем

                                                                                                

Введем, оператор Лапласа  и, выполнив преобразования, получим

                                                                                     (5)

Разделим обе части (5) на G_общ и определим передаточную функцию калорифера W(p)

                                                                            (6)

где      - передаточный коэффициент,

- постоянная времени калориферной  установки, с.

Учитывая, что величина t_х может иметь отрицательные значения, то разность t_х - t_пор при определении К_п нужно брать по модулю.

Поскольку калориферная установка  является инерционным объектом, введем в его передаточную функцию звено запаздывания е^-рτ

где      τ – время чистого запаздывания, с.

Величина τ представляет собой время с момента подачи регулирующего воздействия до начала изменения температуры t_см.

τ = τ₁ + τ₂ ,

где   τ₁ – время, необходимое для смешения воздушных потоков, определяемое условиями теплоотдачи, с.

τ₂ – время, требуемое для преодоления подогретым воздухом расстояния от секций, до места установки датчика в стволе, с.

 

Расчеты производим по данным ОАО ”Ленинградсланец”.

 – максимальная температура  холодного воздуха для условий  шахты Ленинградская  ОАО ”Ленинградсланец”.

 – температура подогретого  воздуха после секции калорифера  для смешивания с холодным воздухом, ^oC;

 – температура смешанного  воздуха, поступающего в выработки  шахты (выходной параметр), ^oC.

G_общ = 165 м³/с – общий расход воздуха, поступающего в шахту, м³/c;

ρ_{воздуха} = 1,284 кг/м³ – плотность воздуха при .

 – общий расход воздуха, поступающего в шахту;

 – определяется объемом  ствола от его устья до места  установки датчика температуры.  Диаметр  ствола равен  12 м.  Расстояние до места установки  датчика  равно  50 ÷.60 м. Кроме того, в объем V_C.K. входит объем канала от секций калорифера до ствола, а также дополнительный объем камеры, где происходит предварительная подготовка воздуха для подачи его в ствол.  Эта подготовка состоит из смешения подогретого до температуры 50 ÷ 60 ^ОС воздуха с холодным и доведения температуры смеси до величины t_под = 15^ОС. Затем воздух с температурой 15^ОС поступает в ствол для смешения его с холодным.

Определяем передаточный коэффициент  функции

Определяем постоянную времени калориферной установки

Величину τ выберем равной 28 с.

В результате имеем