Автоматизированная система управления водоотливной установки

Содержание

Введение 7

1 Общие сведения 9

1.1 Научная новизна и практическая ценность 9

2 Шахтная водоотливная установка как объект автоматизации 11

2.1 Регулирование работы насосов 15

2.2 Обоснование направления автоматизации процесса главного

водоотлива шахты 17

2.3 Алгоритмизация разрабатываемого устройства 19

2.4 Обоснование и разработка схемотехнического решения

устройства автоматизации 22

2.4.1 Построение структурной схемы усовершенствованной

аппаратуры ВАВ.1М 22

2.4.2 Разработка структурной схемы проектируемого устройства 23

2.5 Разработка математической модели управления насосом

в зоне промышленного использования 26

2.6 Исследование переходных процессов при регулировании

насосной установки по подаче 28

3 Охрана труда 30

3.1 Меры безопасности при эксплуатации системы выбросов угля и газа 30

3.2 Анализ вредных производственных факторов, воздействующих

на оператора КИП и А 32

3.3 Методы и средства защиты оператора КИП и А от

вредных производственных факторов 33

3.4 Требования пожарной безопасности к производственным помещениям 34

4 Промышленная экология 35

4.1 Оценка воздействия различных видов производства на

окружающую среду 35

4.2 Влияние деятельности шахты на окружающую среду 37

4.2.1 Воздушный бассейн 37

4.2.2 Земельные ресурсы 37

4.2.3 Породные отвалы 37

4.2.4 Геологическая среда 37

4.3 Охрана окружающей среды на шахте 38

4.3.1 Охрана воздушного бассейна 38

4.3.2 Охрана водных ресурсов 40

5 Экономика 42

Заключение 48

Список использованной литературы 49

Введение

Водоотлив горных предприятий является важным элементом всего комплекса горнотехнического оборудования, и его надежная работа во многом определяет бесперебойность и безотказность ведения горных работ по добыче полезных ископаемых.

Водоотливная установка – крупный потребитель электроэнергии (до 20 % общего расхода энергии), она относится к 1-й категории по надежности электроснабжения. Экономичная работа водоотливных установок горных предприятий и рациональный режим их электропотребления в комплексе «энергосистема-потребитель» существенно влияют на экономику предприятия и отрасли в целом.

Водоотливные установки должны обеспечивать надежную откачку воды из подземных выработок при возможно меньших эксплуатационных расходах. Для осуществления данных требований главные водоотливные установки должны быть полностью автоматизированы или управляться с помощью дистанционных и телемеханических систем.

Автоматически действующая аппаратура, выполняющая операции вместо машинистов насосов, обеспечивает точность, безошибочность и своевременность этих операций. Это позволяет продлить межремонтные сроки за счет исключения случаев холостой работы водоотлива и дает возможность экономить значительные средства. Экономическая эффективность автоматизации достигается за счет повышения эффективности и надежности использования оборудования путем контроля исправной работы в установившиеся и переходные периоды работы, снижения числа пусков и исключения холостого хода насосных агрегатов, выполнения технологических защит и др.

В настоящее время в горной промышленности большинство водоотливных установок автоматизировано с применением серийно выпускаемой аппаратуры. Одновременно с этим в эксплуатации находится много автоматизированных водоотливных установок, выполненных по специальным проектам с использованием набора имеющейся на предприятии контактной и бесконтактной аппаратуры. Это объясняется как упадочным состоянием горной промышленности, так и разнообразием гидрогеологических и горнотехнических условий шахт, откачки кислотных шахтных вод и вскрытием глубоких горизонтов. Многие из ранее выпускаемых комплектов аппаратуры автоматизации водоотливных установок морально устарели и требуют применения современных технологий и технических решений.

Известно, что рабочий режим в координатах H–Q графически определяется точкой пересечения напорных характеристик насоса и трубопроводной сети. Отклонение режима от расчетного может произойти только вследствие изменения этих характеристик в процессе эксплуатации в результате повышенного износа оборудования при перекачке вод с включением твердого, кислых вод, «зарастании» элементов трубопроводной сети. Поэтому необходим постоянный автоматический контроль рабочих параметров и режимов работы насосных агрегатов.

Характеристика насоса в процессе эксплуатации может изменяться по разным причинам: подсасывание воздуха в подводящем трубопроводе, износ уплотнений на рабочих колесах, забивке всасывающего сечения рабочего колеса инородными телами, увеличения сопротивления подводящего трубопровода и т.п.

1 Общие сведения

Целью данной работы является повышение уровня автоматизации шахтного водоотлива за счет поддержания работы насосной установки в зоне промышленного использования насоса.

Основными задачами работы являются:

- провести анализ процесса главного водоотлива шахты как объекта автоматизации;

- провести анализ существующих способов управления насосной установки и выбрать наиболее целесообразный;

- разработать математическую модели управления насосом в зоне промышленного использования;

- провести исследование переходных процессов при регулировании насосной установки по подаче;

- разработать алгоритмизацию системы управления насосной установкой;

- обосновать и разработать схемотехнические решения системы управления насосной установкой [3].

Научная новизна работы заключается в получении новых знаний в области управления насосной установкой и повышения эффективности ее работы.

Разработанная в результате исследований система управления шахтной водоотливной установки в зоне промышленного использования насоса в составе базовой аппаратуры ВАВ.1М позволит определить:

- уставки управления насосом по подаче;

- сформировать соответствующие сигнализации;

- повысить надежность работы водоотливной установки;

- сократить затраты на электроэнергию;

- снизить количество аварийных ситуаций при эксплуатации водоотливных установок.

Применяемые в настоящее время комплексы и средства автоматизации шахтных водоотливных установок имеют ряд существенных недостатков.

В частности они выполнены с применением устаревшей элементной базы, ограничивающей функциональные возможности аппаратуры.

Надёжность и безопасность работы водоотлива снижается также за счет частых отказов релейных и полупроводниковых элементов вызванных нестабильностью их работы и быстрым износом контактных групп.

Поэтому в качестве базовой аппаратуры для автоматизации главной шахтной водоотливной установки рационально использовать аппаратуру ВАВ.1М [12].

Поскольку она наиболее полно удовлетворяет техническим требованиям, предъявляемым к насосным установкам, а также, в отличие от других аппаратур, выполнена на базе интегральных микросхем.

Однако, какой бы ни была причина изменения характеристик, эффект во всех случаях оказывается одинаковым – напор насоса в зоне промышленного использования снижается.

Заводом-изготовителем для каждого типа насоса устанавливается допустимый диапазон изменения его эксплуатационных параметров – зона промышленного использования насоса, а также предельное положение кривой его напорной характеристики относительно первоначальной, паспортной характеристики.

При этом допускается снижение напорной характеристики насоса не более чем на 10% от номинальной, после чего эксплуатация насоса считается недопустимой и насос останавливают на ремонт (замену изношенных рабочих колес).

Вместе с тем, существующая базовая аппаратура управления водоотливной установкой не осуществляет контроль параметров изменения местоположения рабочей точки на напорной характеристики насоса и поэтому не обеспечивает его работу в зоне промышленного использования при объективном изменении указанных характеристик во время эксплуатации.

Это приводит к непроизводительным затратам электроэнергии на водоотливе вследствие снижения рабочего давления в трубопроводной сети и соответствующего ему снижения КПД насоса, а также к возникновению явления кавитации в подводящем трубопроводе и в самом насосе.

Поэтому расширение функциональных возможностей существующей базовой аппаратуры автоматизации главной водоотливной установки за счет использования в ней принципиально новых методов и средств управления установкой в зоне промышленного использования насоса является актуальной темой [12].

2 Шахтная водоотливная установка как объект автоматизации

Объектом исследования является насосная установка главного водоотлива шахты. Она представляет собой комплекс энергомеханического оборудования (насосы, их приводные двигатели, трубопроводы с арматурой), который служит для откачки подземных вод из горных выработок.

Главную водоотливную установку располагают в районе околоствольного двора [4].

Насосная установка главного водоотлива шахты, технологическая схема которой приведена на рисунке 1, состоит из приемного колодца 1; подводящего трубопровода 2, оборудованного приемной сеткой ПС и обратным клапаном ОК; насоса 3; нагнетательного трубопровода 4 с обратным клапаном ОК, регулировочной задвижкой ЗР с приводом ПЗ и двумя концевыми выключателями, один из которых (КВЗ) контролирует закрытое состояние задвижки, другой (КВО) – открытое её состояние; расходомера переменного перепада давления Р, установленного на подводящем трубопроводе; манометра М, установленного на нагнетательном патрубке насоса.

В насосной камере размещаются насосные агрегаты, трубопроводы с арматурой, пускорегулирующие аппараты, аппаратура автоматизации и контрольно-измерительные приборы.

Водосборник служит для сбора и осветления воды, которая через ходок и приемный колодец поступает во всасывающий колодец. Главная водоотливная установка в соответствии с требованиями правил безопасности оборудуется не менее чем тремя насосными агрегатами, а по стволу прокладываются не менее двух нагнетательных трубопроводов [5].

Каждый насос и нагнетательный трубопровод включаются в работу поочередно, каждый из них рассчитан на откачку нормального суточного притока, и только при повышенном притоке (весной, осенью) предусматривается одновременное включение двух насосов и трубопроводов. В насосной камере трубопровод закольцован и оборудован распределительными задвижками, что образует коллектор. С помощью этих задвижек каждый из насосов может работать на один из напорных ставов или на оба става в параллель.

К основному оборудованию водоотливной установки относятся насосы, электродвигатели, подводящий и напорный трубопроводы. На входе в подводящем трубопроводе монтируется приемное устройство, которое состоит из предохранительной сетки и приемного клапана. Последний предназначен для удержания воды в насосе и подводящем трубопроводе при его заливке перед пуском. В напорном трубопроводе монтируются задвижки и обратный клапан, который предотвращает обратный ход воды и опорожнение трубопровода при остановке насоса.

В практике водоотлива горных предприятий преимущественное применение нашли центробежные высоконапорные секционные насосы ЦНС с подачей 40-1000 м3/ч и напором 900-1300м при частоте вращения 1475-2950 мин-1. Количество секций насосов от 2 до 8-10.

Рисунок 1 – Технологическая схема насосной установки главного водоотлива шахты

В качестве электропривода насоса водоотливных установок в основном применяются асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором и реже – асинхронные с фазным ротором. Для насосов типа ЦНС применяются электродвигатели с короткозамкнутым ротором в нормальном исполнении единой серии А и АТ. А для водоотливных установок, которые работают во взрывоопасных условиях, применяют электродвигатели серий МА, КО, ВАО мощностью до 1600 кВт и серии «Украина» мощностью до 630 кВт на напряжение 6000 В.

В зависимости от подачи водоотливные установки оборудуются трубопроводами диаметром от 100 до 400мм при откачке воды под давлением 1-10 МПа. В качестве водоотливного трубопровода используются стальные бесшовные горячекатаные трубы по ГОСТ 8732-72 с наружным диаметром 25-820мм при толщине стенок 2.5-7.5мм.

Один из главных параметров, определяющих устройство водоотливной установки, выбор насоса, продолжительность и цикличность его работы, – значение водопритока в горные выработки и его динамика в процессе эксплуатации предприятия.

Вода в горные выработки поступает непрерывно, ее количество зависит от площади горных работ, водообильности вмещающих пород, поверхностных источников и т.п. Как известно, наиболее агрессивна к металлу кислотная вода, поэтому водоотливная установка оборудуется насосами, трубопроводом и запорной арматурой в кислотостойком исполнении.

Кроме того, вода содержит твердые взвеси, которые благодаря осветлению воды частично оседают в виде ила, а около 40% их удаляется рабочими насосами, что вызывает интенсивный и преждевременный износ последних. К основным параметрам, характеризующим работу насосной установки, относятся [10]:

- напор Нн (м) – удельная энергия, сообщаемая насосом жидкости;

- напор при нулевой подаче Н0 (м) – напор насоса при закрытой задвижке, установленной у напорного патрубка насоса;

- вакуумметрическая высота всасывания Hвак (м) – высота всасывания, определяемая по вакуумметру;

- допустимая вакуумметрическая высота всасывания Hвак.доп (м) – высота, при которой обеспечивается работа насоса без изменения его основных технических параметров;

- температура подшипников t;

- нормальный приток воды в шахту Qн.п (м3/ч) – объем жидкости, поступающей в водосборник в единицу времени;

- мощность на валу насоса N (кВт) – мощность, потребляемая насосом.

Работа главной водоотливной установки характеризуется шестью механическими характеристиками, четыре из которых являются индивидуальными характеристиками насоса (кривые давления, КПД, мощности и кавитации) и две – характеристики подводящего и нагнетательного трубопроводов. Любая из перечисленных характеристик может изменяться в зависимости от технологических и эксплуатационных условий на водоотливе.

Экономическая и надежная работа водоотливной установки во многом определяется условиями фактического режима работы насоса на внешнюю сеть, которые в процессе эксплуатации постоянно изменяются вследствие повышенного износа оборудования при перекачке вод с взвесями, кислых вод, «зарастании» элементов трубопроводной сети.

Как уже было отмечено ранее, рабочий режим в координатах H-Q графически определяется точкой пересечения напорных характеристик насоса и трубопроводной сети. Учитывая, что ухудшение рабочих параметров происходит в результате совокупной перемены характеристик насоса и трубопровода, для определения рабочей точки необходим контроль как минимум двух параметров: подачи и напора.

В период эксплуатации по ряду причин происходит отклонение режима работы насосов от нормального, при этом изменяется подача и давление. Важнейшим показателем является изменение подачи [6].

Чтобы работа насоса была экономичной, его режим должен быть в пределах рабочего участка характеристики, ограничиваемого значениями КПД:

ηдоп = (0,85-0,95)⋅ηmax, (2.1)

где ηmax – максимальное значение КПД.

На рисунке 2 приведен график изменения напорных характеристик насоса и трубопроводной сети, где Q, H – текущее значение соответственно подачи и напора; Hм = f (Q), Hc = φ (Q) – соответственно графики напорных характеристик машины (насоса) и трубопроводной сети; О – рабочая точка; Q0, Q1 и Q2 (H0, H1 и H2) – соответственно рабочая, минимальная и максимальная подача (напор) насоса в рабочей зоне.

Заштрихованный прямоугольный треугольник, катеты которого проведены через точки 1 и 2, определяет зону промышленного использования насоса. Правая граница этой зоны (точка 1) ограничивает работу насосной установки по условию возможного возникновения кавитационных режимов, а левая (точка 2) – недопустимым снижением КПД.

Рисунок 2 – График изменения напорных характеристик насоса и трубопроводной сети

Однако обеспечение режима в пределах рабочего участка характеристики является необходимым, но недостаточным условием для эффективной работы насоса.

Следует также учитывать возможность возникновения кавитации в потоке жидкости, движущемся по всасывающему трубопроводу, подводу и на входе в рабочее колесо насоса.

Кавитацией называют переход локальных объемов жидкости в парогазовое состояние и обратно в результате резких колебаний местных давлений жидкости. Обусловлена кавитация локальным понижением давления ниже критического вследствие больших скоростей течения жидкости или звуковой волной. Кавитационные пузырьки, образованные локальным понижением давления жидкости, при повышении давления резко захлопываются. Причем процесс образования и роста полостей происходит относительно медленно, тогда как схлопывание протекает со сверхзвуковой скоростью, порождая ударную волну [11].

При захлопывании пузырьков давление, достигающее десятков и даже сотен тысяч атмосфер, настолько резко возрастает (как при взрыве), что поверхности твердых тел, находящихся в зоне кавитации, не выдерживают и подвергаются разрушению.

Кавитацию сопровождает ряд нежелательных явлений:

- эррозия материала стенок – образовавшиеся пузырьки пара, попадая в область повышенных давлений, мгновенно конденсируются, при смыкании окружающие пузырек частицы жидкости движутся ускоренно к центру пузырька, и при полном исчезновении пузырька эти частицы сталкиваются, создавая мгновенное местное повышение давления, которое может достигать больших значений.

Такие давления на рабочих поверхностях каналов колеса приводят к сильным ударам, выщерблению, разъеданию материалов стенок;

повышение вибрации, которая приводит к быстрому изнашиванию подшипников;

- быстрая коррозия рабочих органов насоса при выделении паров химически активной жидкости;

- сужение проходного сечения подводящих каналов и полный срыв работы насосов при активном холодном кипении, что связано с выделением растворенных газов, в том числе и воздуха, из жидкости при прохождении ею области вакуума.

2.1 Регулирование работы насосов

Если при эксплуатации водоотливных установок не выполнены условия их нормальной работы (насосы дают подачу, отличную от заданной, или двигатель перегружен), то насосы необходимо регулировать.

Все способы регулирования сводятся к изменению напорных характеристик машин и сети. Регулирование центробежных насосов может производиться при постоянной окружной скорости и путем ее изменения.

В настоящее время наибольшее распространение в шахтной практике получили следующие два основные способы регулирования режима работы насоса: регулирование основной (запорной) задвижки и изменение числа оборотов вала агрегата. Регулирование основной (запорной) задвижки на выходе из насоса (в начале напорной линии). Известно, что каждая насосная установка на выходе всегда должна иметь запорную задвижку.

При полностью закрытой запорной задвижке может осуществляться пуск в работу насосной установки. Однако эта задвижка может использоваться как регулирующая для изменения подачи и напора в процессе эксплуатации. В случае открытия задвижки подача (Q) растет, но растет и потребляемая мощность, величина которой ограничена мощностью привода.

При закрытии задвижки ухудшается гидравлический рабочий процесс самого насоса, в нем появляются (при малых расходах) обратные токи жидкости, вибрация и шум, а также нагрев всего агрегата и проточного тракта. Естественно, все эти отклонения, вызванные дросселированием выходной задвижки, влекут за собой потери энергии. Изменение числа оборотов вала агрегата, что достигается путем применения специальных устройств (типа теристорных преобразователей частоты), позволяющих менять число оборотов вала электродвигателя.

Этот способ значительно удорожает и усложняет обслуживание установки, но позволяет при новых числах оборотов сохранить подобие насосных характеристик, в которых изменение подачи, напора и мощности пропорциональны первой, второй и третьей степени изменения оборотов. При этом надо учитывать предельно допустимые значения Hmax, Nmax и Q max.

На данном этапе разработки при проектировании системы управления насосной установкой в зоне промышленного использования насоса в качестве способа регулирования в большей степени использовано дросселирование потока [8].

В дальнейшем планируется также спроектировать устройство управления насосной установкой в зоне промышленного использования насоса изменением скорости вращения вала двигателя насоса, сравнить их и выбрать наиболее целесообразный. Однако уже первоначально можно утверждать, что наиболее эффективным и экономичным является второй способ управления.

Применение частотно-регулируемого привода одним (или несколькими, при работе на разные водоводы) насосным агрегатом в большинстве случаев приносит дополнительную экономию электроэнергии за счет оптимальной работы системы двигатель-насос-трубопровод. Одним из главных преимуществ использования регулируемого электропривода насосных агрегатов является возможность адаптации его характеристик к характеристикам гидравлической сети посредством выбора рациональной номинальной скорости вращения рабочего колеса, отвечающей основному режиму работы установки.

При этом номинальная скорость может быть как выше, так и ниже стандартного значения. Большинство насосов и насосных станций работает или объективно должны работать с переменной производительностью. Гидравлические способы не экономичны и не дают возможности автоматизированного регулирования.

На рисунке 3 представлен анимированный рисунок регулирования работы насосов двумя способами: дросселированием потока и изменением скорости вращения вала двигателя насоса.

Рисунок 3 – Анимация регулирования работы насосов двумя способами: дросселированием потока и изменением скорости вращения вала двигателя насоса (12 кадров, 8 циклов повторения)

2.2 Обоснование направления автоматизации процесса главного водоотлива шахты

Выбранная базовая аппаратура ВАВ.1М выполняет все основные требования к автоматизации водоотливной установки [15] .

Однако в ее функциональные возможности не входит поддержание насосной установки в зоне промышленного использования в условиях безкавитационной работы насоса. Поэтому одним из направлений усовершенствования системы автоматизации водоотливной установки является оснащение ее дополнительным устройством, выполняющим указанную функцию. Данная проблема может быть решена в случае применения принципиально новых технических средств и решений в схеме аппаратуры автоматизации – микропроцессоров и микро ЭВМ, математического программного обеспечения.

Это объясняется гибкостью микропроцессорных систем, которая обеспечивает кардинальное расширение функциональных возможностей аппарата, особенно области информации, что способствует повышению уровня организации производства, бесперебойности работы машин в оптимальных режимах, повышению безопасности и надежности.

Учитывая особенности условий эксплуатации, к разрабатываемому устройству предъявляются следующие технические требования:

- искробезопасность входных и выходных цепей;

- взрывозащита (устройство должно быть помещено в стандартную взрывозащищенную оболочку);

- искробезопасность питания этого устройства;

- гальваническая развязка между новыми блоками разрабатываемого устройства;

- для возможности оперативного ремонта устройства предусмотреть наличие штекерного разъема (можно использовать существующие у ВАВ.1М);

- использование расходомера и манометра со стандартным электрическим аналоговым выходом (в отличие от ВАВ.1М);

-использование как промышленных образов средств контроля (манометра со стандартным электрическим аналоговым сигналом, контактных датчиков положения рабочего органа регулировочной задвижки), так и разработанного мною аналогового расходомера.

К функциям, которые будут реализованы разрабатываемым устройством, можно отнести:

- управляющие (открытие и прикрытие задвижки);

- сигнальные (о неисправности насоса, об отключении насоса, о правой границе рабочей зоны, о левой границе рабочей зоны);

- промежуточные (о положении задвижки).

Внедрение устройства управления насосной установки в зоне промышленного использования насоса позволит:

- сэкономить потребляемую электроэнергию за счет уменьшения количества пусков и работы насосной установки на поврежденный трубопровод;

- получать оперативную информацию о текущем состоянии коммутационных задвижек;

- прогнозировать аварийные ситуации и, как следствие, своевременно ликвидировать аварии путем проведения соответствующих ремонтных работ, а также сэкономить часть средств на заработной плате и запасных материалах.

Итак, наиболее рациональным будет организация работы устройства под управлением микроконтроллера, т. к. приходится контролировать несколько различных параметров и работать с различными входными сигналами и выходными воздействиями.

Применим микроконтроллер AT90LS8535 фирмы Atmel, который относится к AVR-семейству 8-разрядных RISС-микроконтроллеров. Данные микроконтроллеры отличаются от подобных разработок большей скоростью работы, универсальностью, легким программированием и за счет большей скорости могут значительно удешевить готовую систему [13].

2.3 Алгоритмизация разрабатываемого устройства

Блок-схема алгоритма управления водоотливной установкой представлена на рисунке 4, где утолщенными линиями указан разрабатываемый блок управления насосной установкой в зоне промышленного использования насоса УНЗ и его взаимосвязь с остальными блоками алгоритма.

Суть операций и логических условий указана в соответствующих блоках.

При разработке алгоритма работы разрабатываемого устройства принята следующая инициализация входных сигналов, промежуточных и выходных команд:

- входные сигналы: Q ≤ Q1:=x1 – расположение Q левее правой границы рабочей зоны; Q ≥ Q2:=x2 – расположение Q правее левой границы рабочей зоны; H01 = 0,9H1 – уставка по нижней границе рабочей зоны; H02 = 0,9H2 – уставка по верхней границе рабочей зоны; H ≥ H01:=y1, H ≥ H02:=y2 – расположение H выше предельно допустимого значения;z1 – КВО находится в замкнутом положении; z2 – КВЗ находится в замкнутом положении;

- сигнализация: C1:= задвижка в крайних положения; C2:= невозможность регулирования по H; C0:= отключение насоса;

- функции управления: F1:= приоткрытие задвижки; F2:= прикрытие задвижки;

- промежуточные функции: F0:= задвижка открыта; Fз:= задвижка закрыта; Fп:= задвижка в промежуточном положении.

На основании разработанного алгоритма, логические функции управления, сигнализации, а также промежуточные функции имеют вид:

- промежуточные функции:

Fo= z1⋅z2, Fп = z1⋅z2, F3 = z1⋅z2, (2.2)

- функции управления:

F1 = x1x2 y2 Fn, F2 = x1 y2( Fo Fn), (2.3)

- сигнализация:

C1 = F2⋅F3, C2 = y1( x2 +x1 )+ x1 y2 , C0 = C1+C2, (2.4)

Рисунок 4 (а) – Блок-схема алгоритма управления водоотливной установкой

Рисунок 4 (б) – Блок-схема алгоритма управления водоотливной установкой

Граф состояний разрабатываемого устройства управления насосной установкой в зоне промышленного использования насоса УНЗ приведен на рисунке 5.

Рисунок 5 – Граф состояний разрабатываемого устройства

2.4 Обоснование и разработка схемотехнического решения устройства автоматизации

2.4.1 Построение структурной схемы усовершенствованной аппаратуры ВАВ.1М. На основании проведенных исследований, сформулированных задач управления, а также с учетом технических требований и принципов построения устройства автоматизации представим структурную схему аппаратуры автоматизации главной водоотливной установки ВАВ.1М, где утолщенными линиями указано разрабатываемое устройство управления насосной установкой в зоне промышленного использования насоса УНЗ и его взаимосвязь с остальными блоками рисунок 6.

Рисунок 6 – Структурная схема усовершенствованной аппаратуры ВАВ.1М

2.4.2 Разработка структурной схемы проектируемого устройства. Структурная схема устройства управления насосной установкой в зоне промышленного использования насоса УНЗ приведена на рисунке 7, где приняты следующие обозначения:

- АД (ДД) – соответственно аналоговые (дискретные) сигналы; САС (СДС) – соответственно схема согласования аналоговых (дискретных) сигналов с микроконтроллером МК;

- БСИ – блок светоиндикации; БСВ – блок согласования микроконтроллера с исполнительным механизмом ИМ; УС – устройство сопряжения микроконтроллера с пультом диспетчера.

Рисунок 7 – Структурная схема разрабатываемого устройства УНЗ

Входными сигналами для данного устройства являются сигналы, поступающие от аналоговых датчиков АД: расходомера (установленного на подводящем трубопроводе), и манометра, установленного на напорном патрубке насоса, а также от дискретных датчиков ДД конечного положения запорного органа регулировочной задвижки (КВО и КВЗ). Центральным блоком разрабатываемого устройства является блок микроконтроллера, к которому подключаются все остальные блоки.

В состав данного блока входят: непосредственно микроконтроллер МК, схемы согласования входных сигналов САС (СДС), устройство сопряжения микроконтроллера с пультом диспетчера УС и блок согласования микроконтроллера с исполнительным механизмом БСВ.

Схемы согласования входных сигналов предназначены для формирования стандартных логических уровней для работы микроконтроллера, а также для гальванической развязки по питанию выходных цепей датчиков и входа микроконтроллера.

В схеме согласования аналоговых сигналов САС использованы компараторы, предназначенные для сравнения сигналов, а дискретных СДС – оптроны, которые благодаря небольшим размерам получили широкое распространение при разработке различных устройств сопряжения.

Микроконтроллер МК серии АТ90S8535 (АTmega16) служит для обработки входных сигналов и формирования соответствующих команд управления положением задвижки. Применим микроконтроллер AT90LS8535 фирмы Atmel, относящийся к AVR-семейству 8-разрядных RISС-микроконтроллеров.

Архитектура данного микроконтроллера включает 8кБ загружаемой флэш-памяти программ; 512 байт ОЗУ; 512 байт EEPROM; 32 линий ввода/вывода общего назначения; восьмиканальный десятиразрядный АЦП; программируемый универсальный последовательный порт; SPI последовательный порт для загрузки программ [13].

Загружаемая флэш-память на кристалле может быть перепрограммирована прямо в системе через последовательный интерфейс SPI или доступным программатором энергонезависимой памяти. Микроконтроллеры AVR обладают следующими основными характеристиками:

- очень быстрая гарвардская RISC-архитектура загрузки и выполнения большинства инструкций на протяжении одного цикла тактового генератора, при этом достигается скорость работы приблизительно 1 MIPS на МГц (MIPS – Millions Instructions per Second – миллион операций в секунду), отсутствует внутреннее разделение частоты;

- программы содержатся в электрически перепрограммируемой постоянной памяти программ FLASH ROM. Эта память может быть перепрограммирована до 1000 раз.

Это облегчает настройку и отладку систем. Кроме того, возможность внутрисхемного программирования позволяет не вынимать микроконтроллер из целевой схемы в процессе программирования, что значительно ускоряет процесс разработки систем на основе этих микроконтроллеров;

- система команд микроконтроллеров AVR сначала проектировалась с учетом особенностей языка программирования высокого уровня, что в результате позволяет получать после компиляции программ наиболее эффективный код, чем для других микроконтроллеров.

Это способствует уменьшению полученного кода (в объеме памяти на кристалле) и увеличению скорости работы микроконтроллера;

- микроконтроллеры AVR имеют 32 регистра, напрямую работающих с арифметико-логическим устройством (АЛУ), это значительно уменьшает размер программ;

- очень небольшое потребление энергии и наличие нескольких режимов (режим холостого хода (Idle Mode) и экономический режим работы со сниженным потреблением энергии (Power Down Mode));

- наличие дешевых и простых в использовании программных средств (отладчик AVR-Studio, ассемблер Wavrasm, большое количество программаторов);

- наличие перепрограммируемой постоянной памяти данных EEPROM, которая может быть перепрограммирована более 100000 раз.

Рассмотрим обозначение выводов микроконтроллера:

- VCC – вывод источника питания; GND – земля; RESET – вход сброса, при удержании на входе низкого уровня в течение двух машинных циклов (если генератор работает), сбрасывает устройство;

- XTAL1 – вход инвертирующего усилителя генератора и вход внешнего тактового сигнала;

- XTAL2 – выход инвертирующего усилителя генератора; четыре 8-разрядные порта ввода-вывода (А, В, С, D);

- SPI-интерфейс представлен входом данных (вывод микроконтроллера MOSI (РВ5), выходом данных (вывод микроконтроллера MISO (РВ6), входом тактовых импульсов (вывод микроконтроллера SCK (РВ7)).

Для запуска микроконтроллера в работу применяются специальные цепочки, приведенные на рисунке 8. Данные цепочки служат для обеспечения настройки контроллера на заданную тактовую частоту, а также для сброса контроллера по входу Reset. Согласно инструкции к контроллеру AT90S8535 он тактируется частотой 8МГц, формируемой элементами C2, C3, Z1.

В качестве кварцевого генератора используем генератор типа РК170БА-14БП-12000К, а емкости С2 и С3 для данного генератора примем типа КД-2-М47-33пФ. Устройство сопряжения микроконтроллера с пультом диспетчера УС, в качестве которого используется промышленный интерфейс последовательной передачи информации RS-485, обеспечивает передачу полученных с микроконтроллера данных на ЭВМ диспетчера шахты.

Эта информация может регистрироваться, сохраняться в памяти ЭВМ. При необходимости можно вызвать эту информацию на дисплей и при наличии уже специального обеспечения можно визуально просматривать работу насосной установки. На выходе МК формируется сигнал малой мощности, недостаточный для воздействия на привод задвижки. Поэтому используем схему согласования по выходу данного блока БСВ, обеспечивающую временную задержку выходного сигнала и его усиление по мощности.

Блок светоиндикации БСИ предназначен для сигнализации о нештатных состояниях насосной установки. Согласование БСИ с МК не требуется, так как выходные порты МК обладают достаточной нагрузочной способностью для питания полупроводниковых светодиодов.

В качестве исполнительного механизма ИМ используется дросселирующий орган – задвижка, приводной шток которой оборудован двумя концевыми выключателями КВО, КВЗ, предназначенными для фиксации рабочего органа задвижки в крайних положениях с возможностью установки его в любом промежуточном положении по сигналам, поступающим с выхода формирователя управляющих команд – микроконтроллера разрабатываемого устройства.

Рисунок 8 – Схема микроконтроллера AT90S8535 с цепочками, служащими для обеспечения настройки на заданную тактовую частоту и сброса контроллера по входу Reset

2.5 Разработка математической модели управления насосом в зоне промышленного использования

В ходе исследований получена также математическая модель управления насосом в зоне промышленного использования дросселированием потока. Располагая напорными характеристиками насоса Нм и сети Нс, зависимостью, по которой изменяется местное гидравлическое сопротивление ξ (зависящее от степени открытия затвора), а также характеристикой подводящего трубопровода Нвак и кавитационной характеристикой насоса определим координаты рабочего режима и получим график изменения напорных характеристик трубопроводной сети на границах рабочей зоны насоса (при разных геометрических высотах водоподъема) в условиях безкавитационной работы установки, приведенный на рисунке 9.

а) напорных характеристик трубопроводной сети при разных геометрических высотах водоподъема; б) Hвак в условиях безкавитационной работы установки

Рисунок 9 – Графики изменения напорных характеристик

Построенные графики дают представление о значении подачи насоса при регулировании с помощью степени открытия затвора проходного вентиля x , а также соответствующее ему значение уровня воды в водосборнике h . Эти данные можно использовать для построения графиков изменения уровня воды во времени рисунок 10.

а) на левой границе рабочей зоны; б) на правой границе рабочей зоны

Рисунок 10 – Графики изменения уровня воды в водосборнике

Итак, как видно из рисунка 10, работа насосной установки наиболее эффективна во втором случае (на правой границе рабочей зоны насоса), поскольку время (Tпр.гр=0,603 ч), за которое насос откачает воду с 1,1 до 2,151м, меньше, чем время (Tлев.гр=17,741 ч), за которое насос откачает воду с 1,1 до 4,648м.

Полученная математическая модель может быть в дальнейшем использована в блоке управления насосной установкой в зоне промышленного использования насоса для определения уставок управления подачей насоса.

2.6 Исследование переходных процессов при регулировании насосной установки по подаче

При эксплуатации водоотливных установок, особенно при большой высоте нагнетания, появляется опасность разрыва стенок нагнетательных трубопроводов из-за повышенных давлений вследствие появления гидравлического удара, вызванного изменением скорости движений воды. Как показывают расчеты и подтверждают результаты натурных экспериментов, а также опыт эксплуатации, в шахтных водоотливных установках при гидравлических ударах возможно значительное повышение давления (до 4...5 МПа), в сравнение с рабочим.

Это может вызвать порыв труб и потерю их продольной устойчивости на вертикальных участках, разгерметизацию фланцевых соединений, выход из строя арматуры и других элементов установки. Серьезную опасность представляет также колебательный характер изменения давления при гидроударах. В определенных условиях могут возникнуть резонансные явления, что особенно опасно для вертикального става.

Исследованиями установлено, что спектр собственных частот колебаний отдельных элементов в значительной степени зависит от момента инерции сечения трубы, который в процессе эксплуатации из-за коррозии изменяется в широких пределах [16].

По данным расчетов практически для любого водоотливного трубопровода в процессе его старения наступит момент, когда собственная частота совпадает с частотой колебаний давления при гидравлическом ударе. Для ликвидации этого нежелательного явления на водоотливных установках необходимо провести противоударные мероприятия.

Для предотвращения недопустимых колебаний давления в шахтной практике используются два способа регулирования насосной установки по подаче – изменение скорости вращения вала двигателя насоса и дросселирование потока с помощью задвижки. Для определения гидравлического удара используем приближенный графоаналитический метод расчета. Проведем анализ колебаний давления при разных способах регулирования установки, состоящей из насоса ЦНС 300-120-600, трубопровода длиной L=612 м, диаметром d=0,229 м при геометрической высоте подъема Hг=612 м, результаты которого приведены на рисунках 11 и 12.

Проанализировав полученные результаты, можно сделать вывод, что регулирование наиболее эффективно при изменении скорости вращения двигателя насоса, поскольку при этом способе прирост давления при первом полном отражении ударной волны (t=0,94 c) составляет Δp=0,76 МПа (при дросселировании потока – Δp=1,65 МПа), а также время затухания переходного процесса составляет tзат=1,5 с (при дросселировании потока – tзат=3 с).

а) – графический расчет; б) – изменение давления во времени

Рисунок 11 – Расчет колебаний давления при изменении скорости вращения двигателя насоса

а) – графический расчет; б) – изменение давления во времени

Рисунок 12 – Расчет колебаний давления при дросселировании потока

3 Охрана труда

3.1 Меры безопасности при эксплуатации системы выбросов угля и газа

При подготовке и проведении работ с системой должны быть соблюдены требования действующих "Правил безопасности в угольных шахтах", "Правил технической эксплуатации угольных и сланцевых шахт" [22], "Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей" [23], "Руководства по эксплуатации систем управления ВМП и контроля проветривания тупиковых выработок угольных шахт", типовых инструкций по охране труда для соответствующих профессий, требования эксплуатационных документов и других нормативных документов по безопасности труда, действующих в отрасли.

Правила безопасности допускают применение электрооборудования в очистных и подготовительных выработках пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа, а также в выработках с исходящей струёй воздуха с таких пластов только в исполнении РО. Рудничное особовзрывоопасное (РО) электрооборудование – это взрывозащищённое электрооборудование, в котором взрывоопасные части защищены дополнительными средствами взрывозащиты, обеспечивающими его взрывобезопасность при любых повреждениях, возможных при эксплуатации, кроме повреждений средств взрывозащиты.

Составные аппаратуры передачи информации (АПИ), устанавливаемые в шахте, такие как, распределитель групповой (РГ) и преобразователь телеизмерений (ПТИ) имеют такое исполнение. При применении электрооборудования в тупиковых выработках шахт, опасных по газу, проветриваемых ВМП, и в очистных и подготовительных выработках на пологих и наклонных пластах опасных по выбросам, должны выполняться дополнительные требования безопасности. Результаты измерения концентрации метана в исходящих струях участков стационарными автоматическими приборами должны автоматически передаваться в диспетчерский пункт и регистрироваться. Диаграммы самопишущих приборов должны храниться 1 год. “Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей” [23] предусматривают следующие общие требования: монтаж электрооборудования должен выполнятся в соответствии с проектом и паспортом мероприятий по борьбе с внезапными выбросами угля и газа утверждённым главным инженером шахты, начальником участка и главным технологом шахты, в который включаются мероприятия по борьбе с внезапными выбросами угля и газа. С паспортом мероприятий по борьбе с внезапными выбросами угля и газа должны быть ознакомлены рабочие и ИТР проходческого участка и горные мастера службы прогноза выбросоопасности под роспись.

К работе в забое допускаются лица, имеющие стаж подземной работы не менее 1 года, прошедшие подготовку по специальной программе "Безопасность работы на пластах, подверженных газодинамическим явлениям" и ознакомленные с предупредительными признаками выбросов угля и газа и мерами предосторожности при ведении работ.

В забой выработки для выполнения противовыбросных мероприятий одновременно допускаются не более 3х человек под руководством горного мастера. Все рабочие и должностные лица, ведущие работы в подземных выработках должны иметь при себе изолирующие самоспасатели. Забой должен быть обеспечен 2-х сторонней телефонной связью и аппаратурой "ИГАС", которые должны располагаться не далее 30м от забоя.

Обслуживающий персонал должен пройти специальную подготовку по техническому использованию и обслуживанию системы. Запрещается проверять цепи управления, сигнализации, контроля и линию связи приборами, имеющими выходное напряжение свыше 5В.

Для указанных целей необходимо пользоваться омметром типа М4125/1 или другими приборами, имеющими выходное напряжение не более 5В с соблюдением ПБ. Запрещается ремонт в шахте вышедших из строя функциональных блоков аппаратуры АПИ. Устранение неисправностей производится путем замены вышедших из строя функциональных блоков на исправные.

Все составные части аппаратуры должны эксплуатироваться при наличии исправного заземления. Монтаж и эксплуатация технических средств системы аэрогазового контроля возможен при наличии рабочего проекта привязки данной аппаратуры и конкретным горнотехническим условиям, наличием всей технической документации, наличием обученного персонала, на добычных участках и подготовительных забоях, принятых в эксплуатацию в установленном порядке комиссией с участием представителей соответствующего органа технадзора и технической инспекции профсоюза.

О всех случаях появления в забое выработки признаков тектонической нарушенности: резкого изменения литологического состава пород, их перемятости и куполения, изменения структуры угольного пласта горный мастер участка, проходящего выработку, немедленно сообщает начальнику участка, который информирует об этом службу главного геолога шахты. Главный геолог письменно уведомляет об этом главного инженера шахты для принятия дальнейших решений.

Персонал, обслуживающий электромеханические установки, должен иметь стаж работы по специальности на газовых шахтах не менее года и должен пройти дополнительную подготовку по вопросам безопасного применения электроэнергии на пластах, опасных по внезапным выбросам угля и газа. Запрещается изменять заводскую конструкцию электрооборудования, электрические схемы.

Ремонт и монтаж электрооборудования должны производиться в присутствии лица надзора. Во время монтажа, ремонта и осмотра электрооборудования контроль за концентрацией метана в местах производства этих работ должен осуществляться посредством автоматических переносных приборов со звуковой сигнализацией, независимо от наличия других приборов измерения концентрации метана.

3.2 Анализ вредных производственных факторов, воздействующих на оператора КИП и А

При работе оператор подвергается воздействию следующих вредных факторов: неравномерное свечение экранов видеомониторов. При работе даже наиболее совершенных ПЭВМ, имеющих видеомонитор и контроллер, соответствующие стандарту EGA или VGA, изменение яркости свечения может достигать 3 - 5 % от номинального значения. Несмотря на то, что человек практически не воспринимает столь малые изменения яркости, при длительной работе (свыше 6 ч.) они могут привести к заболеванию глаз – астеномии.

Симптомами являются: появление пелены перед глазами, двоение в глазах, воспаление радужной оболочки, сильные головные боли. Следует отметить, что влияние этого фактора может быть значительно усилено при неправильном освещении рабочего места оператора, наличие бликов на экране видеотерминала, неправильной настройки яркости и фокусировки экрана.

Электромагнитное излучение. Видеомонитор компьютера обладает широким спектром излучения, включающим в себя рентгеновскую, ультрафиолетовую и инфракрасные области. До недавнего времени наибольшее внимание уделялось защите от излучения рентгеновского спектра, однако в настоящее время специалисты считают эту опасность не пренебрежимо малой, так как этот вид излучения полностью поглощается веществом экранов современных дисплеев.

Статические и электрические поля. Под действием статических полей ионы и частички пыли приобретают положительный заряд устремляются к ближайшему заземленному предмету обычно им оказывается лицо оператора, и результатом такого воздействия может стать не проходящая аллергическая сыпь.

Воздействие длительных статических нагрузок. Воздействие тепловых потоков. Работающая электронная аппаратура является источником тепловых потоков нагретого воздуха. Длительное воздействие тепловых потоков на лицо и другие части тела оператора может вызвать головную боль, сонливость, повышенную утомляемость.

Воздействие шума. Традиционно основными источниками шума являются:

- вентиляционное оборудование;

- печатающее устройство;

- накопители на магнитных носителях.

3.3 Методы и средства защиты оператора КИП и А от вредных производственных факторов

Существующие способы защиты оператора от вредных факторов можно разделить на технические и организационные. К организационным относятся: правильное планирование рабочего времени, оборудование рабочего места оператора, периодический медицинский контроль за состоянием здоровья операторов. К техническим способам защиты относятся уменьшение влияния вредных факторов за счет совершенствования конструкции аппаратуры и применения специальных технических средств защиты.

Рассмотрим более подробно перечисленные способы защиты. Правильное планирование рабочего времени. Длительность рабочего времени при работе с видеотерминальным оборудованием не должна превышать 6 ч. в день. Через каждый час должен быть предусмотрен перерыв не менее чем на 10 мин. для выполнения физических упражнений.

По возможности оператору следует несколько раз в час выполнять упражнения, не связанные с прерыванием работы и уходом с рабочего места. Правильное оборудование рабочего места оператора. Оборудование рабочего места должно обеспечивать удобную и правильную посадку оператора. Наиболее целесообразным считается наличие на рабочем месте кресла, которое обеспечивает выполнение следующих условий: спинка должна быть откинута назад на 30-35 град., угол между позвоночником и бедром оператора должен быть 115-130 град, угол в локтевом суставе при рабочем положении руки на клавиатуре составляет до 120 град. в зависимости от индивидуальных особенностей оператора.

Для защиты глаз необходимо избегать того, чтобы терминал был обращен экраном в сторону окна, при необходимости располагать его рядом с окном следует располагать экран под углом 30 град. к оконному стеклу. Стена или какая-либо другая поверхность позади компьютера должна быть оснащена примерно, так же как и экран. Недопустимо использовать на рабочем месте очень светлой или блестящей окраски, которая может быть источником отображений.

Основным резервом для устранения вредного влияния на оператора, безусловно, является совершенствование конструкции ПЭВМ и применение экранных фильтров. Многофункциональные фильтры ведущих фирм производителей (Pclareid, Safe Computing (США)) осуществляют комплексную защиту оператора от вредных факторов: исключают появление бликов на экране монитора, снижают интенсивность излучения на 80-85 %, предусматривают возможность заземления для защиты от статического электричества.

В помещении, предназначенном для эксплуатации, должны быть предусмотрены противопожарные меры безопасности и желательно оборудовать его установкой для кондиционирования воздуха.

Одним из основных условий высокопроизводительного труда является обеспечение чистоты воздуха и нормальных метеорологических условий в рабочих помещениях. Исходя, из этих положений определим основные требования к метеорологическим условиям в помещении.

Вибрация пола в помещении не должна превышать 0,1мм по амплитуде и 25 Гц по частоте. В помещении не должно быть открывающихся окон. В оконных проемах для защиты от прямого солнечного света необходимо предусмотреть жалюзи и шторы.

3.4 Требования пожарной безопасности к производственным помещениям

Во всех администротивно-бытовых помещениях шахтной поверхности должны выполняться требования пожарной безопасности:

- все производственные помещения должны содержаться в чистоте;

- на видных местах должны быть вывешены: инструкции пожарной безопасности; план эвакуации работников имущества; таблички с фамилиями лиц, ответственных за пожарную безопасность; средства первичного пожаротушения;

- во всех помещениях должны быть установлены урны для мусора;

- доступ к местам расположения средств пожаротушения должен бытьпр всегда свободен для прохода;

- проходы, выходы, тамбуры, лестницы и чердачные помещения должны постоянно, содержатся в исправном состоянии и нечем не загромождаться;

- при возгорании должны быть отключены все электроприборы, закрыты окна и задействованы средства первичного пожаротушения.

Одновременно должна быть вызвана по телефону пожарная команда.

4 Промышленная экология

4.1 Оценка воздействия различных видов производства на окружающую среду

Для всех разработок месторождений характерно воздействие на биосферу, затрагивающее практически все её элементы: водный и воздушный бассейны, землю, недра, растительный и животный мир. Это воздействие может быть как непосредственным, так и косвенным, являющимся следствием первого.

Размеры зоны распространения косвенного воздействия значительно превышают зоны локализации прямого воздействия и, как правило, в зону косвенного воздействия попадает не только элемент биосферы, подвергающийся непосредственному воздействию, но и другие элементы [2].

В таблице 4.1 дана сравнительная качественная оценка воздействия на окружающею среду некоторых видов промышленного производства.

Таблица 4.1

Сравнительная оценка воздействия различных видов производства на окружающую среду

Оценка воздействия: 5 – сильное воздействие; 3 – среднее воздействие; 1 – слабое воздействие; 0 – отсутствие воздействий.

Как следует из этой таблицы, горное производство оказывает наиболее широкое воздействие на биосферу, затрагивающее практически все ее элементы. В процессе горного производства образуется и быстро увеличивается пространство, нарушенные горными выработками, отвалами пород и отходов переработки и представляющие собой бесплодные поверхности, отрицательное влияние которых распространяется на окружающие территории.

В связи с осушением месторождений и сбросом дренажных и сточных вод в поверхностные водоемы и водотоки, резко изменяются гидрогеологические и гидрологические условия в районе месторождения, ухудшается качество подземных и поверхностных вод. Атмосфера загрязняется пылегазовыми организованными и неорганизованными выбросами и выделениями различных источников, в том числе горных выработок, отвалов, перерабатывающих цехов и фабрик.

В результате комплексного воздействия на указанные элементы биосферы существенно ухудшаются условия произрастания растений, обитания животных, жизни человека. Недра, являясь объектом и операционным базисом горного производства, подвергаются наибольшему воздействию [2].

Так как недра относятся к элементам биосферы, не обладающим способностью к естественному возобновлению в обозримом будущем, охрана их должна предусматривать обеспечение научно обоснованной и экономически оправданной полноты и комплектности использования.

Горное производство оказывает наиболее широкое воздействие на биосферу, затрагивающее практически все ее элементы. Воздействие горного производства проявляется в различных отраслях народного хозяйства и имеет большое социальное и экономическое значение.

Так, косвенное воздействие на земли, связанное с изменением состояния и режима грунтовых вод, осаждением пыли и химических соединений из выбросов в атмосферу, а также ветровой и водной эрозии, приводит к ухудшению качества земель в зоне влияния горного производства.

Это проявляется в угнетении и уничтожении естественной растительности, миграции и сокращении численности диких животных, снижении продуктивности сельского и лесного хозяйства, животноводства и рыбного хозяйства.

4.2 Влияние деятельности шахты на окружающую среду

Работа шахты вызывает глубинные изменения окружающей среды, нарушает полностью или частично сложившиеся экологические связи в зонах непосредственной деятельности данного промышленного объекта.

Как правило, эти изменения проявляются в различных сочетаниях негативных явлений, важнейшими из которых являются: деформация углевмещающих пород и земной поверхности, истощение и загрязнение подземных и поверхностных вод, затопление и заболачивание подработанных территорий, обезвоживание и засоление почв, загрязнение атмосферного воздуха, изъятие земельных площадей из народнохозяйственного оборота и т.д.

4.2.1 Воздушный бассейн. Эксплуатационно-технологические процессы шахты вызывают ухудшение физических и химических свойств атмосферного воздуха на территориях прилегающих к шахте, отрицательно сказываются на здоровье людей, их работоспособности и продолжительности жизни, на технологическое оборудование, здания.

Весьма ощутимо влияние загрязнение атмосферы на состояние жилого фонда. Частицы пыли, проникая в жилые помещения, ухудшают санитарно-гигиенические условия проживания человека.

4.2.2 Земельные ресурсы. При эксплуатации шахты происходят значительные изменения структуры и состава покрова земной коры, приводящие к полной или частичной потере плодородия земельных угодий. Наибольший ущерб природе наносят внешние и внутренние отвалы, выработанные пространства, вследствие которых происходит осадка пород.

4.2.3 Породные отвалы. Специфично разрушающие действия горных работ в степных районах, так как идет интенсивное загрязнение атмосферы и почв на обширных территориях. Подкисляющие вещества вымываются из отвалов дождевыми потоками, а затем переносятся грунтовыми и подземными водами в ближайшие поверхностные водоемы. Объемы загрязнений, поступающие в водоемы, достаточны для экологически опасного воздействия на флору и фауну.

4.2.4 Геологическая среда. Отрицательные изменения связаны с движением и деформацией горных пород и земной поверхности. В результате подработки производственными горными работами в толще углевмещающих пород образуются многочисленные зоны водопроводящих трещин, на дневной поверхности появляются провалы, прогибы, затопленные и заболоченные участки поверхности, изменяется водносолевой баланс зоны аэрации.

Из-за постоянной откачки воды из шахты нарушается естественное состояние и режим подводных вод, находящихся в непосредственной близости от горных выработок. В зоне геологических изменений нарушаются водотоки, происходит уменьшение давления воды, смешивание вод различных горизонтов.

4.3 Охрана окружающей среды на шахте

Природоохранные мероприятия должны осуществляется комплексно, и охватывать следующие направления для охраны элементов биосферы: охрану воздушного бассейна, охрану водных ресурсов, охрану и рекультивацию земель.

4.3.1 Охрана воздушного бассейна. В тоже время воздействие некоторых видов деятельности на отдельные элементы биосферы проявляются более интенсивно. Так например для производства 1000 т. угля, добытого подземным способом, на поверхность выбрасывается 112кг. угольной и породной пыли, 50570 тыс.м3 метана, 7,515 тыс.м3. углекислого газа, около 5,5 тыс.м3. оксидов, образующихся при взрывных работах, 55135 тыс.кДж теплоты, 1,59 тыс.м шахтных вод и 210300 т.породы. из приведенных выше данных можно сделать вывод что, наибольший урон горное производство наносит атмосфере.

Наиболее эффективен с экологических и социально-экономических позиций комплекс профилактических мероприятий, направленных на предупреждение загрязнения атмосферного воздуха пылегазовыми выбросами горного производства.

Мероприятия по охране воздушного бассейна могут быть разделены на две группы:

- общего характера, способствующие улучшению состояния воздушного бассейна в районе горного предприятия;

- специальные, непосредственно направленные на предотвращение загрязнения атмосферного воздуха.

Для снижения запыленности рудничного воздуха, выходящего из подземных горных выработок, применяют две группы мероприятий.

Первая группа заключается в установке специальных очистных устройств в местах, где рудничный воздух выбрасывается в атмосферу. Мероприятия второй группы предусматривают улучшение качества рудничного воздуха в шахте посредством подавлении, связывания и удаления пыли при выполнении технологических процессов. Среди мероприятий второй группы чаще всего применяют орошение, пылеподавления пеной, пылеулавливания, осаждения пыли на поверхности выработок, предварительное увлажнение массива горных пород.

Для очистки от вредных газообразных примесей воздуха, выбрасываемого в атмосферу из подземных горных выработок, устанавливают специальные очистные устройства. Для снижения газовых выделений при проведении технологических операций осуществляют изоляцию выработанного пространства, дизельную технику заменяют машинами и оборудованием с электроприводом.

Перспективой является утилизация метана, выносимого из шахт вентиляционными потоками.

Таблица 4.2

Нормативы предельно допустимых выбросов для шахты

В настоящее время складываются два направления, одно из которых предусматривает отделение газа от общего воздушного потока с доведением газа до необходимой концентрации последующим сжиганием в топках котельных.

Второе максимальный отбор газа (метана) из угольных пластов и пород с помощью их предварительной дегазации и использования дегазационной смеси в топках котельных при максимальном обеспылевании в местах ее образования. Наиболее простой, надежный и экономически эффективный способ пылеулавливания циклонный, основным достоинством которого является устойчивость циклона при высокой концентрации пыли.

Сущность циклонного способа пылеулавливания заключается в том, что запыленный газ вводят в направляющее устройство, в котором он приобретает вращательное или вихревое движение и перемещается по нисходящей спирали.

Твердые частицы, взвешенные в потоке, под действием центробежной силы движутся в стенке корпуса циклона, спускаются по ней вниз и выводятся из аппарата через разгрузочное устройство (шлюз), не пропускающее газ. Движение очищенного потока преобразуется внутри циклона во внутренний восходящий вихрь, которое выводится через выхлопной патрубок.

Во многих отраслях применяют очистку газов с использованием электрических и газовых фильтров, а также промывку газов орошающими жидкостями.

Важнейшей стороной проблемы взаимодействия горного производства с окружающей средой в современных условиях является и все более усиливающаяся обратная связь, то есть влияние условий окружающей среды на выбор решений при проектировании, строительстве горных предприятий и их эксплуатации.

Для разработки и успешной реализации программы рационального и эффективного использования минеральных ресурсов в сочетании с охраной окружающей среды необходим под иным углом зрения рассматривать деятельность горного предприятия и интенсивно развивать научные исследования в этом направлении.

Существующие здания и сооружения обеспечиваются теплом от котельной, которая оснащена пятью котлами КВТ10. на шахте работает 2 газовых котла и 3 угольных, причем угольные работают только в период отопительного сезона.

Для охраны воздушного бассейна котельная оборудована газоочистительными батарейными циклонами типа БЦУ530. Для управления и локализации пыли на существующем технологическом комплексе предусмотрены аспираторные системы [2].

Отсос запыленного воздуха производится местными отсосами, установленными на укрытиях пылящего технологического оборудования. Отсасываемый запыленный воздух, во избежание загрязнения воздушного бассейна перед выбросом наружу подвергается сухой очистке в групповых циклонах типа ЦН11, ЦН15 (10 штук). Уловленная пыль накапливается в бункерах циклонов, удаляется через пылевые затворы.

4.3.2 Охрана водных ресурсов. Водоиспользование шахты осуществляется для производственных, санитарных, хозяйственнобытовых нужд согласно требованиям безопасного ведения работ.

Забор воды осуществляется из водопровода «Карагандаэнергоуголь» диаметром 425мм. Вода для противопожарных нужд подается в два резервуара емкостью 500м3 и 600м3. Шахтная вода качается двумя насосными установками, которые оснащены тремя насосами каждая. Горизонт +247м – ЦНС 300×300, Горизонт ±0 – ЦНС 300×600.

Шахтная вода выкачивается на горизонтальные отстойники, на поверхности, затем насосной второго порядка шахтная вода подается на очистные сооружения. После очистки вода подается, в накопитель РУВ и противопожарный став в шахте. По результатам анализа шахтных вод, отобранных 20 февраля 2004 года санитарно-профилактической лабораторией управления «Спецшахтмонтаж-дегазация» минерализация составляет 4389 м2/л на сбросе, взвешенные вещества 3м2/л.

5 Экономика

Основной источник роста экономики - повышение эффективности производства во всех его звеньях. Среди направлений роста эффективности производства необходимо выделить: техническое перевооружение производства, внедрение прогрессивных технологических процессов.

Внедрение автоматизированных систем управления (АСУ) является техническим перевооружением и влияет на рост эффективности производства. АСУ рассматриваются как системы управления с применением современных быстродействующих средств обработки данных и экономико-математических методов.

Они предназначены для решения основных задач управления деятельностью производственных процессов.

Цель внедрения АСУ - повышение эффективности производственно-хозяйственной деятельности предприятий. Она выражается в увеличении выпуска и повышении качества продукции и снижении издержек производства.

Основные показатели экономической эффективности внедрения АСУ: годовой экономический эффект, связанный с созданием АСУ, и срок их окупаемости.

Экономическая эффективность использования АСУ обусловлена в основном повышением уровня оперативного управления, что позволяет рациональнее использовать производственные мощности, материальные и трудовые ресурсы, снизить себестоимость и увеличить объём производственной продукции [18].

Расчёты экономической эффективности применения АСУ базируется в основном на составлении показателей производственной деятельности предприятия до и после внедрения АСУ.

При определении эффективности АСУ учитываются следующие факторы повышения эффективности производства, связанные с внедрением АСУ:

- повышение производительности труда рабочих вследствие сокращения потерь рабочего времени и простоев производственного оборудования;

- увеличение выпуска продукции на действующих производственных мощностях в результате оптимизации производственной программы предприятия;

- улучшение других показателей производственной деятельности, неподдающихся количественному определению (например, условий для безопасности труда);

Для определения ожидаемого годового экономического эффекта в качестве базы для сравнения принимают, (АСУ внедряется на действующих предприятиях) – планируемые показатели производственной деятельности предприятий в году внедрения АСУ, и без её использования.

Балансовая стоимость устанавливаемой аппаратуры в соответствии с таблицей 5.1. составляет 5 млн. тенге.

Устанавливаема аппаратура по функциональным возможностям значительно превосходит действующую сейчас на шахте в области контроля и прогноза выбросоопасности.

В свете приведённых обстоятельств и доводов экономическая эффективность внедрение системы автоматизированного контроля за газодинамическим состоянием призабойной части массива при проведении подготовительных выработок с применением аппаратуры АКМ будет рассчитана по годовому экономическому эффекту [19].

За счёт безопасности и надёжности работы применяемой аппаратуры существующий коэффициент простоя (который рассчитывается по формуле часы простоя/ общее время работы) в1=0,5 будет снижен и составит в2=0,4.

Тогда коэффициент роста нагрузки на шахту можно рассчитать по формуле:

<Object: word/embeddings/oleObject1.bin>, (5.1)

где в1 и в2 – внутрисменные потери рабочего времени соответственно до и после внедрения средств и систем автоматизации, %; определяются прямым счётом;

<Object: word/embeddings/oleObject2.bin>- коэффициент роста нагрузки на шахту.

Расчёт экономической эффективности внедрения АСУ выполняется по следующим формулам:

Годовой экономический эффект:

Э=ПА–Ен ∙ КА, (5.2)

где ПА – годовой прирост прибыли предприятия в результате внедрения АСУ, тенге;

Ен – коэффициент сравнительной эффективности капитальных вложений равный 0,15;

КА – капитальные вложения, затраченные на создание и внедрение АСУ, тенге.

Прирост прибыли рассчитывается по формуле:

ПА=(А2-А1) ∙ с, (5.3)

где А1 и А2 - нагрузка на шахту соответственно до и после внедрения средств и систем автоматизации, <Object: word/embeddings/oleObject3.bin>;

с – стоимость 1 тонны угля ≈ 2700 тенге.

Таблица 5.1

Стоимость аппаратуры

Продолжение таблицы 5.1

<Object: word/embeddings/oleObject4.bin>

При среднемесячной добыче А=100 тыс. т. угля, годовая добыча А1 составит:

А1=А∙12, (5.4)

А1=100 тыс. т ∙12=1 200тыс.т.

При применении системы и снижении величины простоев, увеличении нагрузки на шахту, ожидаемый объём добычи составит:

А2=А1 ∙ а, (5.5)

А2=1200000 ∙ 1,001=1201200 т.

Подставив данные в формулу (5.3) получим:

ПА=(1201200-1200000) ∙ 2700= 3240000 тенге.

Годовой экономический эффект получим подставив полученные данные в формулу (5.2):

Э = 3240000 - 0,15 ∙ 5000000 = 2490000 тенге.

На основе рассчитанного показателя годового экономического эффекта можно сделать вывод, что внедрение АСУ положительно скажется на общем экономическом результате предприятия.

Для того чтобы сделать более полное экономическое обоснование внедрения системы, необходимо рассчитать показатель, характеризующий период времени, в течение которого ассигнуемые на создание системы автоматизированного контроля за газодинамическим состоянием призабойной части массива капитальные затраты возмещаются за счёт экономики на себестоимости и прироста прибыли от реализации дополнительной продукции, то есть срок окупаемости [17].

Срок окупаемости капитальных вложений:

То = <Object: word/embeddings/oleObject5.bin>, (5.6)

То = 5000000 = 1,54 ≈ 1,6 года.

3240000

где К - балансовая стоимость системы;

То - срок окупаемости капитальных вложений.

По горной промышленности срок окупаемости АСУ составляет менее 3,5 лет. Итак, в результате произведенного расчета можно сказать, что данная система рентабельна и ее срок окупаемости меньше чем в среднем по горной промышленности.

Кроме того, дополнительная прибыль может быть получена в результате сокращения рабочих единиц (оператор).

В среднем штат операторов составляет 6 человек, при их средней заработной плате в 32 000 тенге получим прибыль Псокр:

Псокр= Sопер∙Wопер∙ 12 , (5.7)

где Sопер - штат операторов;

Wопер - средняя заработная плата операторов.

Псокр= 6∙32000∙ 12 = 2304000 тенге.

В целом благодаря проведенному экономическому анализу можно сделать общий вывод.

Внедрение системы автоматизированного контроля за газодинамическим состоянием призабойной части массива при проведении подготовительных выработок с применением аппаратуры экономически целесообразно и обоснованно, что подтверждается расчетными данными: годовой экономический эффект – 2 490 000 тенге, срок окупаемости капитальных вложений - 1,6 года.

Заключение

В результате рассмотрена краткая характеристика процесса главного шахтного водоотлива. Произведен обзор существующих решений по решению данного вопроса. Проведен анализ существующих способов управления насосной установки и уже на первых стадиях разработки в качестве наиболее целесообразного выбрано частотное регулирование.

Один из главных параметров, определяющих устройство водоотливной установки, выбор насоса, продолжительность и цикличность его работы, – значение водопритока в горные выработки и его динамика в процессе эксплуатации предприятия.

Вода в горные выработки поступает непрерывно, ее количество зависит от площади горных работ, водообильности вмещающих пород, поверхностных источников и т.п. Как известно, наиболее агрессивна к металлу кислотная вода, поэтому водоотливная установка оборудуется насосами, трубопроводом и запорной арматурой в кислотостойком исполнении.

Спроектированы структурная схема (на современной элементной базе с использованием микроконтроллера АТ90S8535 АTmega16), а также алгоритм работы устройства управления насосной установкой в зоне промышленного использования насоса дросселированием потока.

Разработана математическая модель данного способа управления, а также исследованы переходные процессы при регулировании насосной установки по подаче.

Использование разработанного устройства управления насосной установкой в зоне промышленного использования насоса дросселированием потока в составе аппаратуры ВАВ.1М позволит осуществлять контроль параметров изменения местоположения рабочей точки на напорной характеристики насоса, а следовательно, снизить непроизводительные затраты электроэнергии на водоотливе, уменьшить количество аварийных ситуаций, снизить трудоемкость обслуживания.

Также в дипломном проекте рассмотрены разделы «Охрана труда», «Промышленная экология», произведен экономический расчет проекта.

Список использованной литературы

1. Закон РК «О безопасности и охране труда» от 28.02.2004г. №528 «Казахстанская правда» от 12.03.2004 г.

2. «Экологический кодекс РК», от 09.01.07г. № 212

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

4. Гейер В.Г., Тимошенко Г.М. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки: Учебник для вузов. – М.: Недра, 1987. – 304 с.

5. Попов В.М. Рудничные водоотливные установки. – 2-е изд. перераб. и доп. – М., Недра, 1983. – 304 с.

6. Стационарные установки шахт. Под общей ред. Б.Ф. Братченко. М.: Недра, 1977. – 440 с.

7. Алексеев В.В., Рудничные насосные, вентиляторные и пневматические установки: Учебн.пособие.-М.: Недра, 1983. – 381 с.

8. В.Я. Карелин Насосы и насосные станции – М.:Недра, 1979. – 376 с.

9. Малеев В.Б., Малашкина В.А. Водоотлив и дегазация угольных шахт. – М.: Недра, 1995. – 208 с.

10. Степанов А.И. Центробежные и осевые насосы: Пер. с англ. – 2-е изд. – М.: Машгиз, 1960. – 463 с.

11. В.Я. Карелин Кавитационные явления в центробежных и осевых насосах - М.:Недра, 1975 – 353 с.

12. Технические средства автоматизации в горной промышленности: Учебное пособие / В.И. Груба, Э.К. Никулин, А.С. Оголобченко. Под общей редакцией докт. техн. наук, проф. В.И. Грубы. – Киев: ИСМО, 1998. – 373 с.

13. Ефстефиев А. В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы «Atmel», – М.: Додэка, 2004. – 558 с.

14. Автоматизация подземных горных работ/ Под ред. проф. А. А. Иванова. – К.:Вища школа, 1987. – 328 с.

15. Толпежников Л.И. Автоматическое управление процессами шахт и рудников, – М: Недра, 1985. – 352 с.

16. Дейч А.М. Методы идентификации динамических объектов. – М.: Энергия, 1979. – 240 с.

17. Грузинов В.П., Грибов В.Д. Экономика предприятия. – М.: Москва, 2-е изд., 1998. – 187с.

18. Козырев В.М. Основы современной экономики. – М.: Москва, 1998. – 238с.

19. Семенов В.М. Экономика предприятия. – М.: Москва, 2-е изд., 2000. – 103с.

20. Инструкция по безопасному горных работ на пластах опасных по внезапным выбросам угля и газа. – г.Астана, 2000. – 345 с.

21. Технологические схемы разработки пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа, на шахтах Карагандинского бассейна. - г.Караганда, 1995.

22. Правила технической эксплуатации угольных и сланцевых шахт. – г.Астана, 2000. – 145 с.

23. Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей. – г.Астана, 2000. – 134 с.