ОПТИМИЗИРОВАННАЯ РУДНИЧНАЯ ВЕНТИЛЯЦИОННАЯ СИСТЕМА Российский патент 2013 года по МПК E21F1/00 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Настоящая патентная заявка притязает на преимущества приоритета канадской патентной заявки №2559471, поданной 31 августа 2007 года в Канадское ведомство интеллектуальной собственности и названной: «Подземная система сети связи для персонального сопровождения и управления отоплением, вентиляцией и кондиционированием воздуха».

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ НАСТОЯЩЕЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение, в общем, относится к управлению рудничной подземной вентиляцией и ее оптимизации как функции динамической потребности, имеющей отношение к сопровождению местоположения машинного оборудования и/или рабочего состояния и/или местоположения персонала. Более конкретно, оно относится к моделированию и имитации с предсказанием вместе и оптимизацией распределения воздуха и потребления энергии вентиляторами для физического управления рабочими точками для вентиляторов и регуляторов воздушного потока.

ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.1 приведена типовая схема размещения рудничной вентиляции с оборудованием для управления воздушным потоком. Целью не является обобщение примера схемы размещения, приведенной на фиг.1, для всех рудников, но является объяснением и ассоциированием применения оптимизированной рудничной системы вентиляции с типичной рудничной вентиляцией. Оптимизированная система рудничной вентиляции может быть применена к бесконечному изменению конфигураций схемы размещения рудничной вентиляции.

Как иллюстрируется на фиг.1, рудник, как правило, состоит из:

- Одного или более вентиляторов приточной вентиляции (фиг.1, элемент 2), обеспечивающих подачу воздуха из наземной атмосферы к подземной инфраструктуре через посредство одного или более шахтных стволов для входящей струи (фиг.1, элемент 3). Скорость вентиляторов регулируют вручную посредством локального регулятора или базовой системы управления с наземным интерфейсом человек-машина (HMI). Система управления, как правило, также включает в себя последовательности пуска и выключения и защитные блокировки.

- Шахтного ствола (шахтных стволов), обеспечивающего подачу свежего воздуха к рабочим уровням, где имеет место добыча в одной или более зоне добычи каждого уровня (фиг.1, элементы 5, 6, 7). Пандусы с дверцами люка или без них также будут отводить некоторое количество воздуха из каждого из уровней к другим уровням (фиг.1, элементы 8, 9). Пандусы обеспечивают путь для движения оборудования из одного уровня к другому.

- Руду и пустую породу извлекают из зон добычи посредством дизельных машин и сбрасывают в рудоспуски или породоспуски вниз к нижним уровням для измельчения и подачи на поверхность посредством транспортеров в шахтных стволах (фиг.1, элементы 26, 27).

- Воздух нагнетают из каждого уровня к зонам добычи руды или площадкам технического обслуживания (фиг.1, элементы 10, 11, 29, 12, 13, 14) посредством вспомогательных вентиляторов и системы каналов, соединенной с вентиляторами (фиг.1, элементы 15, 16, 30, 17, 18, 19). Как в наземных вентиляторах, скорость вспомогательных вентиляторов регулируют вручную посредством локальных регуляторов или посредством базовой системы управления с помощью наземного интерфейса человек-машина. Воздух, загрязненный частицами выбросов дизельных двигателей, из зон добычи руды возвращается на уровень через посредство выемки добычи руды.

- Загрязненный воздух проходит к шахтному стволу (шахтным стволам) исходящей струи (фиг.1, элемент 4) через перемычки с постоянными отверстиями или перемычки с регуляторами переменного воздушного потока (фиг.1, элементы 23, 24, 25). Положение регуляторов воздушного потока регулируют вручную посредством локального регулятора или посредством базовой системы управления с наземным интерфейсом человек-машина.

- В некоторых современных установках станции измерения воздушного потока заложены в перемычке (фиг.1, элементы 20, 21, 22).

- Иногда в тех случаях, когда превышается производительность наземных вентиляторов, нижние уровни будет иметь дополнительные вспомогательные вентиляторы, используемые в качестве линейных усилителей давления (фиг.1, элемент 28). Скорость вентилятора регулируют вручную посредством локального регулятора или посредством базовой системы управления с наземным интерфейсом человек-машина. Система управления, как правило, включает в себя последовательности пуска и выключения и защитные блокировки.

- Один или более вытяжных вентиляторов (фиг.1, элемент 1) вытягивают воздух из одного или более шахтных стволов исходящей струи (фиг.1, элемент 4) в наземную атмосферу. Скорость вентиляторов регулируют вручную посредством локального регулятора или посредством базовой системы управления с наземным интерфейсом человек-машина. Система управления, как правило, включает в себя также последовательности пуска и выключения и защитные блокировки.

Традиционно вычисления требуемых рабочих точек скорости вентилятора и отверстия площади поверхности перемычек или положения отверстия регулятора потока получали вручную обследованием эффектов воздушных потоков и обязательных (законных) требований в отношении максимального присутствия дизельного оборудования в одной рабочей зоне. Помимо всего прочего, многочисленные операторы рудника используют при вычислении имитаторы, выпускаемые на промышленной основе, работающие не в реальном масштабе времени, устойчивого состояния вентиляционной сети, предназначенные для имитации существующих вентиляционных сетей. Рабочие точки вентилятора, величины воздушного потока и потери давления на трение получают из этих вычислений для содействия в получении физических рабочих точек.

Имеется несколько недостатков и пороков в таких вычислениях рабочих точек отверстия перемычки и скорости вентиляторов:

- Обследования являются спонтанными измерениями и не являются представительными для изменения рабочей среды действующего рудника. По этой причине максимально надежные величины точек приходится использовать для представления сценариев наиболее неблагоприятного варианта.

- У имитаторов, выпускаемых на промышленной основе, отсутствует одна или более из следующих способностей, делающих их непригодными для активного (прямого) управления в реальном масштабе времени. Каждый из них не является средством для вычисления в реальном масштабе времени, пригодным для прямого управления. Их вычисления давления и потока могут также не включать в себя (не предусматривать) компенсацию колонки глубин (на каротажной диаграмме) рудничной атмосферы для плотности воздуха и вычисление давления, что создает значительные ошибки в результатах, также делая их непригодными для прямого управления в реальном масштабе времени. Их вычисления потока не могут компенсироваться для напорных потоков естественной вентиляции из-за перепада температур. Это также делает их непригодными для прямого управления в реальном масштабе времени.

По этой причине вышеупомянутые способы вычисления рабочих точек аппаратуры автоматического управления используются с ограничениями и коэффициенты надежности не могут динамически регулироваться для согласования наличия прямой вентиляции дизельных машин, часто растрачивающих ценный воздух, таким образом, недоступный для других рабочих зон. Следовательно, эти вычисления рабочих точек не предлагают прямой динамической оптимизации маршрутизации и распределения воздушного потока. В заключение следует сказать, что эти способы вычисления контрольных точек производственной вентиляции часто препятствуют доступу рудничных операторов к глубоким удаленным секторам рудного тела вследствие отсутствия доступного воздуха.

Оптимизированная рудничная вентиляционная система была разработана для преодоления вышеупомянутых недостатков вычисления контрольных точек. Оптимизированная рудничная вентиляционная система разрешает вентиляцию по потребности согласно динамическому местоположению персонала и динамическому местоположению дизельного машинного оборудования и рабочему состоянию. Оптимизированная зональная потребность вентиляции вычисляется, а оптимизированная рудничная вентиляционная система гарантирует оптимальную маршрутизацию и распределение воздуха при минимальных энергозатратах.

Оптимизированная рудничная вентиляционная система не требует дорогих датчиков воздушного потока, которые оказались проблемными в установках вследствие суровой рудничной воздушной среды. По этой причине исключается рутинное техническое обслуживание этих датчиков. Потребуется только несколько датчиков для поддержания прямого контроля корреляции с моделью.

ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ НАСТОЯЩИМ ИЗОБРЕТЕНИЕМ

Задачами оптимизированной рудничной системы вентиляции являются содействие рудничным операторам в получении

средства для увеличения добычи в реальном масштабе времени, которое оптимизирует распределение подземного воздуха для достижения секторов рудного тела, которые не могут быть достигнуты с помощью современных процедур маршрутизации вентиляции;

средства для управления потреблением энергии в реальном масштабе времени, которое делает вклад в уменьшение энергии, требуемой для вентиляции подземных рабочих зон при сохранении целевых скоростей потока;

средства для регулирования окружающей среды в реальном масштабе времени, которое делает вклад в уменьшение зоны охвата выбросов СО генерации электроэнергии при сохранении целевых скоростей потока;

системы, которая просто устанавливается с существующей или новой инфраструктурой управления, основываясь на «Открытой архитектуре», которая прозрачно соединяется без программных проектно-конструкторских работ с любой ОРС (Ole for Process Control, see www.opcfoundation.org) с системой управления.

Другие и дополнительные объекты и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из следующего описания иллюстративных вариантов осуществления настоящего изобретения или будут раскрыты в прилагаемой формуле изобретения, а различные преимущества, на которые нет ссылок в этом описании, станут очевидными квалифицированному специалисту в этой области техники при использовании настоящего изобретения на практике.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Вышеуказанные и другие задачи настоящего изобретения решают с помощью адекватной схемы размещения (компоновки) вентиляции и соответствующей конфигурации аппаратной параметрической информации и установки оптимизированной рудничной системы вентиляции в соответствии с настоящим изобретением вместе с базовой системой управления, которая корректирует скорость вентиляторов и положение регулятора воздушного потока и которая считывает несколько критических измерений воздушного потока для корреляции результатов в реальном масштабе времени моделирования оптимизированной рудничной системы вентиляции и вычислений оптимизатора.

На фиг.2 приведена блок-схема соединения оптимизированной рудничной системы вентиляции с внешними компонентами третьей стороны.

Оптимизированная рудничная вентиляционная система (фиг.2, позиция 33) требует следующих непосредственно соединенных систем третьей стороны:

Системы сопровождения, обеспечивающей данные о динамическом местоположении и рабочем состоянии машинного оборудования (фиг.2, позиция 34).

Базовой системы управления (например, программируемых логических контроллеров (PLCs) или распределенной системы управления (DCS) для осуществления локального управления и для маршрутизации контрольных точек скорости вентилятора к вентиляторам и рабочих точек открывания регулятора к регуляторам воздушного потока (фиг.2, позиции 30, 31, 32)).

Оптимизированная рудничная вентиляционная система (фиг.2, позиция 33) выполняет следующие общие задачи:

Выполняет динамическую балансировку потока массы воздуха для всей рудничной вентиляционной сети, включая все вентиляторы и регуляторы воздушного потока или перемычки неподвижного отверстия.

Из данных динамического сопровождения вычисляет потребность вентиляции каждого машинного оборудования и потребность вентиляции персонала.

Удовлетворяет потребность всей вентиляции для всего машинного оборудования и/или персонала, присутствующего в каждой из рудничных ограниченных рабочих зон (зон добычи руды, площадок технического обслуживания и уровней).

Вычисляет совокупное требование отношения типа «родитель - потомок» ((прим.пер.) в структурах данных) для каждой зоны. Например, суммарная потребность для уровня равна суммарной потребности для всех соответствующих зон добычи руды и площадок технического обслуживания плюс суммарная потребность, относящаяся к машинному оборудованию и персоналу, непосредственно сопровождаемому на уровне.

Удовлетворяет потребность для каждого из контроллеров соответствующих зон: вспомогательных вентиляторов и регуляторов воздушного потока.

Вентиляторы и регуляторы воздушного потока могут быть контроллером в ручном или полуавтоматическом режиме, управляемым непосредственно оператором. Режим управления вентиляцией по потребности (VOD) использует данные сопровождения для автоматической коррекции вентиляторов и регуляторов воздушного потока согласно вычислению динамической потребности.

Будучи в режиме управления вентиляцией по потребности (VOD), контроллеры регулируют поток для каждой зоны установкам сопровождения и пределам безопасности.

В режиме управления вентиляцией по потребности (VOD) контроллер каскада наземных вентиляторов будет корректировать оптимальное распределение воздушного потока при наименьших операционных затратах вентилятора согласно установленным пределам контроллеров каскада.

В режиме управления вентиляцией по потребности (VOD) рабочие точки фильтруются по надежности, минимальному времени между изменениями вверх и вниз, линейно нарастающей характеристике, линейно снижающейся характеристике и мертвой зоне, прежде чем они отсылаются к базовой системе управления через посредство ОРС-соединения.

Критические измерения воздушного потока подвергаются текущему контролю и корреляции с моделируемыми потоками, и если существует расхождение, то оптимизированная рудничная вентиляционная система запрашивает обследования и калибровки.

Элементы настоящего изобретения, которые считаются новыми, конкретно описаны, в частности, в прилагаемой формуле изобретения.

В качестве первого аспекта настоящего изобретения обеспечивается способ оптимизации рудничной вентиляции, предусматривающий

вычисление потребности вентиляции зоны интереса как функции текущего контроля местоположения машинного оборудования и рабочего состояния и местоположения персонала, определения оптимальной величины вентиляции, требуемой для зоны интереса; и

дистанционное регулирование потока вентиляции в зоне интереса как функции определенной оптимальной величины требуемой вентиляции.

Определение оптимальной величины вентиляции предпочтительно предусматривает вычисление данных текущего контроля при использовании модели вентиляционной системы, адаптированной для определения оптимальной величины требуемой вентиляции в зоне интереса.

Текущий контроль зоны интереса, определение оптимальной величины вентиляции и дистанционное регулирование вентиляционного оборудования предпочтительно выполняют в реальном масштабе времени.

Текущий контроль предпочтительно предусматривает наличие текущего контроля работающего машинного оборудования и персонала внутри зоны интереса, а данные текущего контроля содержат данные, имеющие отношение к машинному оборудованию и персоналу.

Наличие текущего контроля работающего машинного оборудования и персонала предпочтительно предусматривает сбор данных, относящихся к машинному оборудованию и персоналу, при использовании системы текущего контроля и связи, охватывающей зону интереса, где данные, относящиеся к машинному оборудованию и персоналу, содержат индикацию величины наличия работающего машинного оборудования и персонала внутри зоны интереса.

Данные, относящиеся к машинному оборудованию и персоналу, предпочтительно содержат, если работающее машинное оборудование имеется в зоне интереса, индикацию того, является ли машинное оборудование оборудованием с дизельным приводом, и если это тот самый случай, то рабочее состояние двигателя или гидравлических и электрических устройств машинного оборудования.

Данные, относящиеся к машинному оборудованию и персоналу, предпочтительно дополнительно содержат, если работающее машинное оборудование представлено в зоне интереса и машинное оборудование является оборудованием с дизельным приводом, данные, относящиеся к характеристикам двигателя, дающие возможность определения суммарной величины лошадиных сил (мощности) машинного оборудования.

Регулирование потока вентиляции в зоне интереса предпочтительно выполняют автоматически.

Наличие машинного оборудования предпочтительно детектируют при использовании беспроводной системы связи.

Наличие персонала предпочтительно детектируют при использовании беспроводной системы связи.

Наличие машинного оборудования может быть также детектировано при использовании системы радиочастотной идентификации.

Наличие персонала может быть также детектировано при использовании системы радиочастотной идентификации.

Регулирование вентиляционного потока в зоне интереса факультативно вручную управляется оператором.

Включение предпочтительно осуществляется оператором при использовании графического интерфейса человек-машина, дающего возможность графической визуализации состояния вентиляции, согласно вычислений имитационной модели зоны интереса.

Процесс дистанционного регулирования вентиляционного потока в зоне интереса предпочтительно предусматривает регулировку скорости вентиляторов и/или положения регуляторов.

В качестве дополнительного аспекта настоящего изобретения обеспечивается система для оптимизации вентиляционного оборудования, содержащая

систему управления, основанную на имитационной модели в реальном масштабе времени, которая вычисляет данные воздушного потока в реальном масштабе времени для зоны интереса;

имитационную модель в реальном масштабе времени, которая вычисляет поток и давление как функцию изменения плотности и температуры, которая является функцией глубины;

имитационную модель в реальном масштабе времени, которая считает напорные потоки естественной вентиляции;

оптимизатор распределения воздушного потока и потребления энергии вентиляторами соединен с блоком имитационной модели как функции оптимальной величины вентиляции, требуемой для зоны интереса;

имитационную модель в реальном масштабе времени, которая будет устанавливать соотношение физических измерений воздушного потока с моделируемыми вычислениями воздушного потока, и в случае несоответствия (расхождения) будет иметь способность к автоматической калибровке фактора-противодействия k элементов системы для соответствия физическим измерениям; и

блок управления вентиляционным оборудованием, соединенный с блоком имитации оптимальной вентиляции и адаптированный для соединения с системой связи для дистанционного регулирования рабочих характеристик вентиляционного оборудования как функции определенной оптимальной величины требуемой вентиляции.

Дистанционное регулирование вентиляционного оборудования предпочтительно запускается автоматически при приеме блоком регулирования вентиляционного оборудования определенной оптимальной величины требуемой вентиляции.

Система предпочтительно дополнительно содержит модуль генерирования графического изображения, соединенный с блоком текущего контроля для генерирования, как функции, вычисленной посредством моделирования, и принятых данных текущего контроля, графического изображения текущего состояния вентиляции зоны интереса.

Модуль генерирования графического изображения предпочтительно дополнительно соединен с блоком имитации оптимальной вентиляции для генерирования как функции определенной оптимальной величины требуемой вентиляции, графического изображения оптимального состояния вентиляции зоны интереса.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СОПРОВОДИТЕЛЬНЫХ ЧЕРТЕЖЕЙ

Вышеуказанные и другие объекты, элементы и преимущества настоящего изобретения станут более легко очевидными из следующего описания, сделанного со ссылкой на сопроводительные чертежи, где:

Фиг.1 - вводная информация о типовой схеме размещения рудничной вентиляции и оборудования, имеющего отношение к коррекции воздушного потока, например, вентиляторов и регуляторов воздушного потока в перемычках. Оптимизированная рудничная вентиляционная система, соответствующая настоящему изобретению, моделирует воздушный поток вентиляции сети и управляет физическим оборудованием коррекции воздушного потока.

Фиг.2 - блок-схема всех компонентов управления вентиляцией, включающих в себя оптимизированную рудничную вентиляционную систему.

Фиг.3 - подробная блок-схема компонентов оптимизированной рудничной вентиляционной системы, соответствующей настоящему изобретению, и связей с внешними элементами. Пунктирные компоненты являются внешними элементами по отношению к оптимизированной рудничной вентиляционной системе.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ниже будет описана новая оптимизированная рудничная вентиляционная система. Хотя настоящее изобретение описано на основе характерного иллюстративного варианта осуществления (вариантов осуществления), должно быть очевидным, что вариант осуществления (варианты осуществления), описанный в этой заявке, используется здесь только в качестве примера, и что объем настоящего изобретения не предполагается ограничивать этим вариантом осуществления (вариантами осуществления).

Вариант осуществления оптимизированной рудничной вентиляционной системы, соответствующей настоящему изобретению, будет подробно описан ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи.

Ниже со ссылкой на фиг.3 приведено краткое описание функциональности оптимизированной рудничной вентиляционной системы и ее связей с внешними системами.

Система сопровождения машинного оборудования третьей стороны и персонала обеспечивает данные в реальном масштабе времени о местоположении машинного оборудования и рабочем состоянии и о местоположении персонала (фиг.3, позиция 55).

Из состояния динамического сопровождения каждого машинного оборудования вычисляют потребность вентиляции для каждой ограниченной рудничной рабочей зоны согласно следующему (фиг.3, позиции 56, 57):

- CFM (число кубических футов в минуту) или м³/c на лошадиную силу дизельного двигателя, когда дизельный двигатель «включен».

- CFM (число кубических футов в минуту) или м³/с на лошадиную силу дизельного двигателя, когда дизельный двигатель «выключен». Это разрешает технологическим операциям иметь воздух доступным для машинного оборудования, остановленного в местоположении с персоналом вокруг.

- CFM (число кубических футов в минуту) или м³/с на лошадиную силу дизельного двигателя, когда дизельный двигатель «выключен», а гидравлические и электрические устройства «включены».

Эти три параметра являются конфигурируемыми для машинного оборудования через посредство надземного и подземного операторов.

Система вычисляет совокупное требование отношения типа «родитель - потомок» для каждой зоны из базы данных определения зоны (фиг.3, позиция 57). Например, суммарная потребность для уровня равна суммарной потребности для всех соответствующих зон добычи руды и площадок технического обслуживания плюс суммарная потребность, относящаяся к машинному оборудованию и персоналу, непосредственно отслеживаемому на уровне.

Система регулирует до минимума требование потребности вентиляции персонала на зону и аннулирует вычисление машинного оборудования, если потребность персонала выше.

Если суммарная потребность персонала и машинного оборудования вычислена во время режима управления вентиляции по потребности, то контроллер вентиляции по потребности отрегулирует поток зоны до минимального воздушного потока, как определено инженером по вентиляции.

Схему размещения рудничной вентиляции, вентиляторы и регуляторы воздушного потока создают в виде электронного процесса измерительной схемы при использовании моделирования типа Simsmart™ Engineering Suite и средства имитации. Параметрическая информация для всей схемы размещения и элементов управления, представленных на схеме, конфигурирована в базе данных схемы (фиг.3, позиция 52). Схема компилирована в среде реального времени использования средства (фиг.3, позиция 51). Среда реального времени средства выполняет в реальном масштабе времени все физические, характеристические, математические и логические уравнения.

Средство реального времени Simsmart™ Engineering Suite ответственно за следующие задачи:

- Как описано выше, за вычисление динамической потребности потока вентиляции и суммирование в ограниченной рудничной области, например зоне добычи руды, уровне, площадке технического обслуживания и других рабочих площадках.

- За моделирование вентиляционной сети и установление балансировки массы воздушного потока. Плотность воздуха, давление и температуру предпочтительно компенсируют по глубине. Модель в реальном масштабе времени выполняет вычисления в реальном масштабе времени давления, скорости текучей среды, потока (расхода), нескольких других свойств текучей среды, скорости вентилятора и положения регулятора (фиг.3, позиция 53).

- За выполнение регулировок вручную, полуавтоматически и режима вентиляции по потребности для оптимизации распределения воздуха и энергозатрат вентиляторов на основе вычисленной динамической потребности воздушного потока (фиг.3, позиция 54).

- За обеспечение требуемой логики для диспетчеризации рабочих точек вентиляторов и регуляторов воздушного потока (фиг.3, позиция 63).

- За объявление и управление сигналом тревоги и ситуациями специальных событий.

Следующие допущения физических вычислений описывают базовые концепции и уравнения, используемые для компонентов имитационной модели и разрешения в реальном масштабе времени матрицы дифференциальных уравнений (фиг.3, позиция 51):

- Имитационная модель использует поддающийся сжатию воздушный поток с политропным процессом. Это процесс, который имеет место с чередованием нагрева и работы между системой и ее окружением. Примером политропного процесса является неадиабатическое расширение или сжатие текучей среды. Взаимозависимость между давлением (Р) и объемом (V) и давлением и температурой (Т) для газа, подвергающегося воздействию политропному процессу, дается уравнениями (1) и (2).

где а и b являются политропными постоянными для процесса, представляющего интерес. Эти постоянные определяют из обследований рудника. Как только эти постоянные известны, уравнения (1) и (2) могут быть использованы с условиями исходного состояния (P₁ и T₁ или V₁) и одним условием конечного состояния (например, Т₂, полученным из физического измерения) для определения давления или удельного объема конечного состояния.

- Поскольку плотность изменяется значительно, влияние на массу воздуха не является незначительным. В этом случае имеет место эффект автокомпрессии. Изменение давления не только вызывает изменение плотности, но также вызывает изменение температуры, соответственно, основываясь на показателе политропы.

- Вычисления давления естественной вентиляции (NVP). Давление естественной вентиляции является давлением, создаваемым в вентиляционной сети вследствие разности плотностей между воздухом вверху и внизу шахтных стволов входящей и исходящей струи. В глубоких постоянно используемых рудниках, как правило, имеющих большую разность между температурами на поверхности и под землей, имеется разность в плотности между воздухом на поверхности и под землей и это побуждает воздух двигаться от высокой плотности к низкой плотности. Давление естественной вентиляции будет либо содействовать, либо противодействовать вентиляторам в системе. Если давление естественной вентиляции содействует вентилятору, то оно склонно двигать воздух в одном направлении, что и вентилятор. Давление естественной вентиляции может быть давлением для снижения кривой сопротивления системы, против которой работает вентилятор. Это означает, что вентилятор будет транспортировать больше воздуха при более низком давлении.

- Фактическое туннельное аэродинамическое сопротивление воздуха вычисляют при использовании вводимого стандартизированного коэффициента трения Аткинсона или стандартизированного коэффициента трения Аткинсона.

- Давление воздуха, скорость воздуха, гидравлическое сопротивление и скорость потока воздуха вычисляют во всех точках в системе.

- Вычисление давления и плотности несет ответственность за массу воздуха (потенциальное давление воздуха), а уравнение Бернулли несет ответственность за потенциальную энергию.

- Коррекция технических характеристик вентилятора изменяется с эффектом изменения плотности.

- Вычисление потока, давления, мощности и кривых кпд вентилятора переменной скорости.

- Соединения, ласточкины хвосты или сопряжения трубопровода, могут оказывать влияние на давление процесса и гидравлическое сопротивление для каждого канала.

- Вычисление сопряжении, соединений и вентилятора несет ответственность за положительное и отрицательное гидравлическое сопротивление.

- Все компоненты вычисляют свойства воздуха: температуру, давление, вязкость, влажность, температуру точки росы, концентрации частиц и загрязнений.

- Для режимов моделирования переходных состояний используют способ итерационной конвергенции.

- Вычисление латентной теплоты не является доступным.

Вычисление потребности вентиляции управляет контроллерами для коррекции вентиляторов и регуляторов воздушного потока (фиг.3, позиция 54).

В оптимизированной рудничной вентиляционной системе имеется четыре типа стабилизации вентиляторов и регуляторов воздушного потока:

- Регулировка вспомогательных вентиляторов.

Из вычислений баланса потока массы воздуха скорость вспомогательных вентиляторов корректируют так, чтобы выходной поток на выходе из канальной секции соответствовал потоку вычисленной целевой потребности для каждой рабочей зоны.

- Регулировки регуляторов воздушного потока для уровней.

Из вычислений баланса потока массы воздуха положение отверстия регулятора воздушного потока корректируют так, чтобы выходной поток регулятора соответствовал потоку вычисленной целевой потребности для каждой рабочей зоны.

Если регулятор воздушного потока находится в ручном режиме или если регулятор является фиксированным отверстием перемычки, то каскадный контроллер приточной компенсации будет корректировать наземные вентиляторы для соответствия потоку вычисленной целевой потребности.

- Регулировки наземных вентиляторов.

Контроллер наземных вентиляторов является каскадным контроллером (фиг.3, позиции 58, 59), который оптимизирует скорости наземных вентиляторов для минимизации потребления энергии при гарантии того, что все уровни получают поток вычисленной целевой потребности, и поддержании установленного максимального отверстия регулятора. Это максимальное отверстие регулятора является контрольной точкой каскадного контроллера.

Допускается, что все наземные вентиляторы приводятся в действие посредством привода переменной частоты.

Например, если контрольная точка каскадного контроллера наземных вентиляторов установлена на 80% отверстия от максимального значения для любого регулятора воздушного потока, то наземные вентиляторы будут корректироваться для гарантирования того, чтобы регулятор воздушного потока любого уровня был бы при 80% отверстии от максимального значения и не более.

Каскадный контроллер наземных вентиляторов вычисляет общую скорректированную скорость вентилятора для всех вентиляторов. Эта скорость затем делится с помощью коэффициента для приточных вентиляторов и другого коэффициента для выпускных вентиляторов.

- Регулировки добавочных вентиляторов.

Контроллер добавочных вентиляторов является каскадным контроллером над контроллером регулятора воздушного потока. Он будет корректировать скорость добавочных вентиляторов, основываясь на установленном максимальном отверстии регулятора воздушного потока. Например, если контрольная точка каскадного контроллера установлена на 70%, то это означает, что добавочный вентилятор будет корректироваться вверх при выходе положения регулятора за 70%.

Оптимизированная рудничная вентиляционная система имеет следующие режимы управления (фиг.3, позиция 54):

- MAN: Фиксированная скорость вентилятора или контрольная точка положения регулятора вводится наземным оператором. Скорость вентилятора и/или положение регулятора не корректируется автоматически. Имитационная модель не корректирует скорость вентилятора или положение регулятора воздушного потока для соответствия значению CFM (числа кубических футов в минуту). Сопровождение машинного оборудования не имеет влияния на управление. Требуется, чтобы локальный подземный контроллер был в режиме «поверхность».

- AUT: Этот режим активирует выбранные режимы VOD (вентиляция по потребности) или CFM (число кубических футов в минуту).

а. VOD: Контрольную точку CFM вычисляют из результатов динамического сопровождения машинного оборудования. Скорость вентилятора и/или положение регулятора автоматически корректируется для соответствия контрольной точке потребности CFM согласно фактическому потоку, вычисленному посредством имитационной модели. Корректированная скорость вентилятора или контрольная точка положения регулятора воздушного потока передается к подземному физическому устройству. Для активации режима VOD контроллеру также необходимо быть в режиме AUT. Контроллеру также требуется быть в режиме «поверхность». Для режима VOD доступна установка минимального потока. Таким образом, контрольная точка потребности вентиляции динамического сопровождения никогда не может быть ниже определенной предварительной установки. Предварительные установки минимального потока определяют в целевой встроенной странице HMI.

b. CFM: Контрольная точка CFM является постоянным значением и вводится наземным оператором для вентиляторов или регулятора воздушного потока. Скорость вентилятора и/или положение регулятора автоматически корректируется для соответствия постоянному значения контрольной точки CFM согласно фактическому потоку, вычисленному посредством имитационной модели. Имитационная модель будет корректировать скорость вентилятора или положение регулятора воздушного потока для соответствия требуемому значению CFM. Сопровождение оборудования не оказывает влияния на управление. Для активации режима CFM контроллеру также нужно быть в режиме AUT.

Режим подземной работы

Управление нормально достигается с поверхности, но подземный оператор через посредство планшетного персонального компьютера может запрашивать режим управления, называемый «подземным». При запросе управления он может управлять выбранным контроллером в ручном режиме.

Наземный оператор принимает аварийный сигнал при запросе управления подземным оператором. От наземного оператора требуется подтверждение приема аварийного сигнала. При подтверждении приема аварийного сигнала состояние тревоги исчезает.

Когда подземный оператор возвращает управление назад наземному оператору, для наземного оператора отображается аварийный сигнал. Наземный оператор подтверждает прием аварийного сигнала. При подтверждении приема аварийного сигнала состояние тревоги исчезает.

Когда управление освобождается подземным оператором, выбранный контроллер возвращается в предыдущий режим, который использовался перед тем, как он затребовал управление.

Ниже приведено описание каждого режима:

- SUR: Скорость вентилятора и положение регулятора устанавливаются наземным оператором в режимах MAN, AUT (VOD/CFM) (смотри выше).

- UND: Когда контроллер установлен в режим UND, скорость вентилятора и/или положение регулятора устанавливается вручную подземным оператором через посредство страницы управления HMI планшетного персонального компьютера WIFI.

Контрольные точки режима управления VOD фильтруются (фиг.3, позиция 65) для стабильности, минимального времени между изменениями вверх и вниз, перевода оборудования на рабочий режим, вывода оборудования из рабочего режима и мертвой зоны, перед тем как их передают к базовой системе управления физическими вентиляторами и регуляторами воздушного потока через посредство соединения ОРС (фиг.3, позиции 66, 67).

Поскольку не все процедуры рудничной вентиляции требуют рабочей зоны, контрольные точки потока рассчитываются на местоположение машинного оборудования, рабочее состояние и местоположение персонала, режимы контроллера и рабочие точки также подвергаются маршрутизации (фиг.3, позиция 63). Таким образом, предварительные установки каждого режима контроллера и контрольных точек могут быть конфигурированы для множества событий, поддающихся определению пользователем (фиг.3, позиция 64). Факультативно, автопереключение для вентиляции на основе сопровождения (режим VOD) может быть разрешено при детектировании путем динамического сопровождения минимальной потребности вентиляции. Аналогичным образом, другое автопереключение для вентиляции на основе сопровождения может быть разрешено при истечении определенного периода времени.

Предварительные установки маршрутизации могут также охватывать характерные события, например события перед взрывом и после взрыва. Оптимизированная рудничная вентиляционная система предупредит оператора, если устанавливается событие перед взрывом с остающимся в руднике персоналом и активностью машинного оборудования.

Оптимизированная рудничная вентиляционная системе осуществляет текущий контроль критических ключевых измерений воздушного потока (фиг.3, позиция 60) и подаст сигнал тревоги при отклонении взаимосвязи с измерениями, полученными с помощью модели (фиг.3, позиция 61). Оптимизированная рудничная вентиляционная система потребует обследования потока для верификации, если измерительное средство или вычисленный поток с ошибкой. Если сделан вывод, что вычисленный поток должен быть калиброван, то инженер по вентиляции установит соответствующий контроллер потока в режим калибровки. В таком случае будет автоматически отрегулирован вычисленный к-фактор соответствующей части системы для согласования с данными обследования.

Хотя выше был подробно описан иллюстративный и в настоящее время предпочтительный вариант осуществления (варианты осуществления) настоящего изобретения, должно быть очевидны, что концепции, соответствующие настоящему изобретению, могут быть иначе различно реализованы и использованы и что прилагаемая формула изобретения включает в себя такие изменения. На самом деле, система, соответствующая настоящему изобретению, может быть использована в любой ограниченной среде, где имеется потребность в вентиляции как функции наличия людей, животных и/или оборудования, например, в туннелях.

Группа изобретений относится к управлению рудничной подземной вентиляцией и ее оптимизации. Оптимизированная рудничная вентиляционная система работает на основе прогнозирующей динамической имитационной модели рудничной вентиляционной сети вместе с имитируемой контрольно-измерительной аппаратурой, например вентиляторами и регуляторами воздушного потока. Модель всегда достигает баланса массы воздуха, где давление и плотность предпочтительно компенсируется по глубине и величинам напорных потоков естественной вентиляции вследствие перепада температур. Контрольные точки модели контролируются для надежных связей и передаются к реальной физической аппаратуре управления через посредство базовой системы управления. Технический результат заключается в оптимизации распределения воздуха и потребления энергии вентиляторами для физического управления рабочими точками для вентиляторов и регуляторов воздушного потока. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ оптимизации рудничной вентиляции, предусматривающий вычисление потребности вентиляции зоны интереса как функции текущего контроля местоположения машинного оборудования и рабочего состояния и местоположения персонала, определения оптимальной величины вентиляции, требуемой для указанной зоны интереса; и дистанционное регулирование потока вентиляции в указанной зоне интереса как функции указанной определенной оптимальной величины требуемой вентиляции.

2. Способ по п.1, в котором указанное определение оптимальной величины вентиляции предусматривает вычисление данных текущего контроля при использовании модели вентиляционной системы, адаптированной для определения оптимальной величины требуемой вентиляции в указанной зоне интереса.

3. Способ по п.2, в котором указанный текущий контроль указанной зоны интереса, указанное определение оптимальной величины вентиляции и указанное дистанционное регулирование вентиляционного оборудования выполняют в реальном масштабе времени.

4. Способ по п.3, в котором указанный текущий контроль предусматривает текущий контроль наличия работающего машинного оборудования и персонала внутри указанной зоны интереса, а указанные данные текущего контроля содержат данные, имеющие отношение к машинному оборудованию и персоналу.

5. Способ по п.4, в котором указанный текущий контроль наличия работающего машинного оборудования и персонала предусматривает сбор данных, относящихся к указанному машинному оборудованию и указанному персоналу, при использовании системы текущего контроля и связи, охватывающей указанную зону интереса, где указанные данные, относящиеся к машинному оборудованию и персоналу, содержат индикацию величины наличия работающего машинного оборудования и персонала внутри указанной зоны интереса.

6. Способ по п.5, в котором указанные данные, относящиеся к машинному оборудованию и персоналу, дополнительно содержат, если работающее машинное оборудование имеется в указанной зоне интереса, индикацию того, является ли указанное машинное оборудование оборудованием с дизельным приводом, и если это тот самый случай, то рабочее состояние двигателя или гидравлических и электрических устройств указанного машинного оборудования.

7. Способ по п.6, в котором указанные данные, относящиеся к машинному оборудованию и персоналу, дополнительно содержат, если работающее машинное оборудование представлено в указанной зоне интереса и указанное машинное оборудование является оборудованием с дизельным приводом, данные, относящиеся к характеристикам двигателя, дающие возможность определения суммарной величины лошадиных сил (мощности) указанного машинного оборудования.

8. Способ по п.7, в котором указанное регулирование потока вентиляции в зоне интереса выполняется автоматически.

9. Способ по п.8, в котором наличие машинного оборудования детектируется при использовании беспроводной системы связи.

10. Способ по п.8, в котором наличие персонала детектируется при использовании беспроводной системы связи.

11. Способ по п.9, в котором наличие машинного оборудования детектируется при использовании системы радиочастотной идентификации.

12. Способ по п. 10, в котором наличие персонала детектируется при использовании системы радиочастотной идентификации.

13. Способ по п.7, в котором указанное регулирование вентиляционного потока в указанной зоне интереса факультативно вручную управляется оператором.

14. Способ по п.13, в котором указанное включение осуществляется указанным оператором при использовании графического интерфейса человек-машина, дающего возможность графической визуализации состояния вентиляции согласно вычислений имитационной модели указанной зоны интереса.

15. Способ по п.14, в котором указанное дистанционное регулирование вентиляционного потока в указанной зоне интереса предусматривает регулировку скорости вентиляторов и/или положения регуляторов.

16. Система оптимизации вентиляционного оборудования, содержащая систему управления в реальном масштабе времени, основанную на имитационной модели, которая вычисляет данные воздушного потока в реальном масштабе времени для зоны интереса; имитационную модель в реальном масштабе времени, которая вычисляет поток и давление как функцию изменения плотности и температуры, которая является функцией глубины; имитационную модель в реальном масштабе времени, которая считает напорные потоки естественной вентиляции; оптимизатор распределения воздушного потока и потребления энергии вентиляторами, соединенный с указанным блоком имитационной модели, как функции оптимальной величины вентиляции, требуемой для указанной зоны интереса; имитационную модель в реальном масштабе времени, которая будет устанавливать соотношение физических измерений воздушного потока с моделируемыми вычислениями воздушного потока, и в случае несоответствия (расхождения) будет иметь способность к автоматической калибровке фактора-противодействия k элементов системы для соответствия физическим измерениям; и блок управления вентиляционным оборудованием, соединенный с указанным блоком имитации оптимальной вентиляции и адаптированный для соединения с системой связи для дистанционного регулирования рабочих характеристик вентиляционного оборудования как функции указанной определенной оптимальной величины требуемой вентиляции.

17. Система по п.16, в которой указанное дистанционное регулирование вентиляционного оборудования запускается автоматически при приеме указанным блоком регулирования вентиляционного оборудования указанной определенной оптимальной величины требуемой вентиляции.

18. Система по п.16, дополнительно содержащая модуль генерирования графического изображения, соединенный с указанным блоком текущего контроля для генерирования, как функции указанной вычисленной посредством моделирования и принятых данных текущего контроля, графического изображения текущего состояния вентиляции указанной зоны интереса.

19. Система по п.18, в которой указанный модуль генерирования графического изображения дополнительно соединен с указанным блоком имитации оптимальной вентиляции для генерирования, как функции указанной определенной оптимальной величины требуемой вентиляции, графического изображения оптимального состояния вентиляции указанной зоны интереса.