Система управления технологическим процессом на подземном горнодобывающем предприятии в зависимости от спроса на электроэнергию Российский патент 2023 года по МПК E21F17/06 E21F1/00 E21F3/00 

Изобретение относится к горной и энергетической промышленностям и может быть использовано для управления технологическими объектами и установками на подземных горнодобывающих предприятиях в режимах, позволяющих снизить потребление электрической энергии (мощности) в течение суток в периоды высокого спроса.

Известно устройство отображения заданного спроса [1], позволяющее потребителям электроэнергии определять значения спроса, которые не отличаются от тех, что определены электроэнергетическими компаниями, в результате чего потребитель может своевременно принять меры по энергосбережению. Устройство отображения заданного спроса содержит: комбинированную шкалу для указания времени и потребления электроэнергии, блок индикации времени для указания времени с использованием комбинированной шкалы, блок сбора информации о потреблении электроэнергии для получения данных об электроэнергии, потребленной до текущего времени в данном временном сегменте для данного заданного значения спроса, включая текущий момент времени, блок индикации достижения цели для указания соотношения между потреблением электроэнергии в пределах данного временного сегмента, зарегистрированным с помощью блока сбора информации о потреблении электроэнергии, и требуемым заданным значением, установленным для этого временного сегмента, блок приема сигналов переменного тока для приема сигналов переменного тока, использующий импульсы переменного тока в линии электропередачи, блок генерирования информации о времени для генерирования информации о времени на основе полученных сигналов переменного тока, передающий блок для передачи сгенерированной информации о времени с помощью радиоволн в корпусе, приемный блок для приема информации о времени с помощью радиоволн, передаваемых внутри корпуса, и блок управления блоком индикации времени для управления блоком индикации времени с помощью полученной информации о времени.

Недостатком известного устройства является то, что оно позволяет отображать только текущий спрос на электроэнергию. Потребитель должен сам следить за процессом и принимать решение. Устройство не позволяет осуществлять прогнозирование и не дает возможности заранее определить возможность снижения, что неприемлемо для крупных предприятий.

Известно электрическое устройство и аппарат управления энергопотреблением для изменения уровня управления реагированием на спрос (DR) [2], включающее блок памяти, чтобы хранить один из множества уровней управления DR, каждый из которых соответствует уровню тарифа на электроэнергию, в качестве начального уровня операции экономии энергии; блок связи, чтобы принимать текущий тариф на электроэнергию и текущий уровень тарифа на электроэнергию, связанный с текущим тарифом на электроэнергию, от поставщика энергии в реальном времени, пользовательский интерфейс, который при приеме запроса на изменение уровня управления DR от пользователя отображает список из множества уровней управления DR и принимает желаемый уровень управления DR от пользователя, и контроллер, чтобы устанавливать желаемый уровень управления DR на начальный уровень операции экономии энергии при приеме запроса на изменение уровня управления DR на желаемый уровень управления DR от пользовательского интерфейса, сравнивать текущий уровень тарифа на электроэнергию с желаемым уровнем управления DR из множества уровней управления DR и определять, выполнять ли операцию экономии энергии, причем операция экономии энергии включает в себя операцию снижения потребления энергии электрического устройства.

Устройство при помощи блока памяти позволяет хранить различные варианты снижения энергопотребления в зависимости от текущего тарифа на электроэнергию и применять их для эффективного управления в зависимости от спроса на электроэнергию.

Недостатком известного устройства является то, что не предусмотрены варианты возможного снижения электроэнергии в зависимости от внешних условий, а управление осуществляется только в зависимости от изменения тарифа. Подобная система не применима для крупных предприятий, на которых идет непрерывный производственный процесс, так как снижение электроэнергии от тарифа может привести к нарушению технологического процесса и созданию аварийной ситуации.

Известна система управления проветриванием подземного горнодобывающего предприятия на базе платформы Интернета вещей, являющаяся частью архитектуры киберфизической системы управления [3]. Система управления включает цифровой двойник подземного горнодобывающего предприятия, в котором производится расчет общерудничной естественной тяги, оказывающей влияние на процесс проветривания, и выбор режима работы ГВУ с учетом ее действия; систему функционирования объектов, в состав которого входят контроллер (центральный контроллер системы упраления) и датчики для измерения температуры, давления и скорости движения воздуха; интерфейс «человек-машина» - рабочее место оператора, осуществляющего управление процессом проветривания в зависимости от прогнозов, выдаваемых с цифрового двойника.

Система, работающая по представленному алгоритму, позволяет управлять процессом проветривания на основании данных, полученных с цифрового двойника подземного горнодобывающего предприятия.

Эффект от применения системы достигается только за счет снижения потребления электроэнергии ГВУ в период действия положительной общерудничной естественной тяги. В алгоритме не предусмотрена возможность участия в процессе управления спросом на электроэнергию в период снижения энергопотребления ГВУ.

Недостатком системы является то, что она позволяет управлять потреблением электроэнергии (регулировать режим проветривания) на подземном горнодобывающем предприятии только за счет изменения производительности главной вентиляторной установки (ГВУ) в зависимости от прогнозного значения общерудничной естественной тяги. Учет времени и тарифа на электроэнергию не производится, не учтены другие способы снижения потребления электроэнергии.

Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности признаков является система управления технологическим процессом на подземном горнодобывающем предприятии в зависимости от спроса на электроэнергию [4], включающая цифровой двойник объекта управления, принимающий информацию с измерительных устройств через центральный контроллер системы управления и от внешних источников, содержащих сведения о гидрометеорологическом прогнозе на предстоящие сутки. Измерительные устройства содержат информацию о фактическом потреблении электроэнергии потребителями подземного предприятия за расчетный период. Цифровой двойник выполнен с возможностью имитации процесса проветривания при изменении производительности ГВУ на основании сведений гидрометеорологического прогноза. Центральный контроллер системы управления соединен с исполнительными механизмами. Цифровой двойник и центральный контроллер выполнены с возможностью обеспечения обмена информацией и управляющих воздействий с автоматизированным рабочим местом оператора.

Известная система осуществляет прогнозирование возможных вариантов снижения потребления электроэнергии на цифровом двойнике подземного горнодобывающего предприятия. Снижение энергопотребления обеспечивается за счет изменения режима работы ГВУ с учетом действия общерудничной естественной тяги. В тех случаях, когда снизить потребление электрической энергии (мощности) за счет изменения режима работы ГВУ с учетом действия общерудничной естественной тяги невозможно, в системе предполагается привязка процесса управления потреблением электроэнергии к плановым снижениям (по графику плановых отключений (снижений) электрической энергии (мощности)). Данная система принята за прототип.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, – цифровой двойник объекта управления, принимающий информацию с измерительных устройств через центральный контроллер системы управления и от внешних источников, содержащих сведения о гидрометеорологическом прогнозе на предстоящие сутки; измерительные устройства содержат информацию о фактическом потреблении электроэнергии потребителями подземного предприятия за расчетный период; цифровой двойник выполнен с возможностью имитации процесса проветривания при изменении производительности ГВУ на основании сведений гидрометеорологического прогноза; центральный контроллер системы управления соединен с исполнительными механизмами; цифровой двойник и центральный контроллер выполнены с возможностью обеспечения обмена информацией и управляющих воздействий с автоматизированным рабочим местом оператора.

Недостатки известной системы управления спросом на электроэнергию, взятого за прототип, следующие:

1. В системе предполагается внеплановое снижение энергопотребления только вследствие действия общерудничной тяги, которая зависит от погодных условий и долгое время может не только не способствовать работе ГВУ, но и, наоборот, препятствовать этому процессу.

2. Отсутствует привязка к действующим тарифам на электроэнергию, которые определяются выбранной ценовой категорией предприятия-потребителя, регионом его расположения, а также часами сетевой и электрической мощности, установленными энергосбытовыми компаниями.

3. Предполагается привязка к существующему графику плановых отключений (снижений) электрической энергии (мощности), которые могут проходить в часы низкого спроса, тем самым исключается возможность потреблять в часы низкой стоимости электроэнергии (мощности) большие ее объемы.

4. В системе не рассматривается возможное управление процессами при возникновении нештатных или аварийных ситуаций.

5. Система не позволяет осуществлять процесс проветривания при осуществлении воздухоподготовки, т.е. в период работы систем, нагревающих или охлаждающих воздух.

6. Не описан процесс согласования показаний датчиков, расположенных в разных местах подземного горнодобывающего предприятия (ПГДП), что является проблемой в условиях инерционности процесса проветривания.

7. Система не учитывает возможность снижения потребления электроэнергии при плановых работах, связанных с частичной или полной остановкой технологического процесса.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, – расширение функциональных возможностей системы управления технологическим процессом на подземном горнодобывающем предприятии, связанных с вероятными сценариями снижения потребления электроэнергии в зависимости от различных факторов и работы различных устройств, участия в эти периоды в процессе управления спросом на электроэнергию, при обеспечении условий безопасности, при возникновении нештатных и аварийных ситуаций.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известной системе управления технологическим процессом на подземном горнодобывающем предприятии в зависимости от спроса на электроэнергию, включающей цифровой двойник объекта управления, принимающий информацию с измерительных устройств через центральный контроллер системы управления и от внешних источников, содержащих сведения о гидрометеорологическом прогнозе на предстоящие сутки, при этом измерительные устройства содержат информацию о фактическом потреблении электроэнергии потребителями подземного предприятия за расчетный период, цифровой двойник выполнен с возможностью имитации процесса проветривания при изменении производительности главной вентиляторной установки на основании сведений гидрометеорологического прогноза, центральный контроллер системы управления соединен с исполнительными механизмами, цифровой двойник и центральный контроллер выполнены с возможностью обеспечения обмена информацией и управляющих воздействий с автоматизированным рабочим местом оператора, согласно изобретению цифровой двойник выполнен с возможностью имитации процесса работы системы воздухоподготовки – шахтной калориферной установки, регулирования воздухораспределения между подземными горными выработками и управления при возникновении нештатных или аварийных ситуаций, при этом исполнительные механизмы выполнены с возможностью изменения режимов работы посредством подачи управляющего сигнала от автоматизированного рабочего места оператора через центральный контроллер системы управления на основании прогноза, выданного цифровым двойником, информация от внешних источников дополнительно содержит информацию о тарифах на электроэнергию, планируемых ремонтах, остановах оборудования и снижения потребления электроэнергии в процессе запланированных работ, а также дальнейшей проходке шахтного поля подземного горнодобывающего предприятия.

Система управления может быть снабжена накопителями электроэнергии, предназначенными для накапливания избытков энергии в часы низкого спроса для дальнейшего ее использования в часы высокого спроса.

Кроме того, цифровой двойник может быть выполнен с возможностью имитации процесса работы системы кондиционирования воздуха.

Кроме того, цифровой двойник может быть выполнен с возможностью имитации процесса работы системы рециркуляции.

Кроме того, при наличии нескольких главных вентиляторных установок цифровой двойник выполнен с возможностью имитации работы каждой из них.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, – цифровой двойник выполнен с возможностью имитации процесса работы системы воздухоподготовки – шахтной калориферной установки, регулирования воздухораспределения между подземными горными выработками и управления при возникновении нештатных или аварийных ситуаций; исполнительные механизмы выполнены с возможностью изменения режимов работы посредством подачи управляющего сигнала от автоматизированного рабочего места оператора через центральный контроллер системы управления на основании прогноза, выданного цифровым двойником; информация от внешних источников дополнительно содержит информацию о тарифах на электроэнергию, планируемых ремонтах, остановах оборудования и снижения потребления электроэнергии в процессе запланированных работ, а также дальнейшей проходке шахтного поля подземного горнодобывающего предприятия; наличие накопителей электроэнергии, предназначенных для накапливания избытков энергии в часы низкого спроса для дальнейшего ее использования в часы высокого спроса; цифровой двойник выполнен с возможностью имитации процесса работы системы кондиционирования воздуха; цифровой двойник выполнен с возможностью имитации процесса работы системы рециркуляции; при наличии нескольких главных вентиляторных установок цифровой двойник выполнен с возможностью имитации работы каждой из них.

Отличительные признаки в совокупности с известными обеспечат управление технологическим процессом на подземном горнодобывающем предприятии в режимах, позволяющих  снизить потребление электрической энергии в течение суток в периоды высокого спроса, обеспечивать расход электроэнергии на энергозатратные процессы в часы низкого спроса на электроэнергию, на основании информации о тарифах на электроэнергию, а также расширить функциональные возможности системы и обеспечивать безопасность при возникновении нештатных и аварийных ситуаций.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показана структурная схема заявляемой системы управления.

На схеме обозначены: 1 – цифровой двойник; 2 – источник информации о параметрах устройств, работающих на ПГДП; 3 – центральный контроллер системы управления (ЦКСУ); 4 – измерительные устройства (датчики); 5 – блок сбора данных, предназначенный для согласования входных информационных данных с цифровым двойником 1; 6 – база данных, предназначенная для хранения входных данных и результатов расчетов; 7 – блок прогнозирования энергопотребления на сутки вперед; 8 – блок выработки сценария управления оборудованием на сутки вперед; 9 – блок расчета стоимости затрат на электроэнергию; 10- автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора; 11 -исполнительные механизмы.

Система управления технологическим процессом на подземном горнодобывающем предприятии в зависимости от спроса на электроэнергию включает цифровой двойник 1 объекта управления, принимающий информацию с измерительных устройств 4 через центральный контроллер системы управления 3 и от внешних источников 2. Цифровой двойник 1 содержит блок сбора данных 5, предназначенный для согласования входных информационных данных с цифровым двойником 1, базу данных 6, предназначенную для хранения входных данных и результатов расчетов, блок прогнозирования энергопотребления на сутки вперед 7, блок выработки сценария управления оборудованием на сутки вперед 8 и блок расчета стоимости затрат на электроэнергию 9. Цифровой двойник 1 выполнен с возможностью имитации процесса проветривания при изменении производительности главной вентиляторной установки на основании сведений гидрометеорологического прогноза, а также с возможностью имитации работы системы воздухоподготовки – шахтной калориферной установки, регулирования воздухораспределения между подземными горными выработками и управления при возникновении нештатных или аварийных ситуаций.

Центральный контроллер системы управления 3 соединен с исполнительными механизмами 11.

Измерительные устройства 4 содержат информацию о фактическом потреблении электроэнергии потребителями подземного предприятия за расчетный период.

Цифровой двойник 1 и центральный контроллер 3 выполнены с возможностью обеспечения обмена информацией и управляющих воздействий с АРМ оператора 10.

Система управления может быть снабжена накопителями электроэнергии (на чертеже не показаны), предназначенными для накапливания избытков энергии в часы низкого спроса для дальнейшего ее использования в часы высокого спроса.

Цифровой двойник 1 может быть выполнен с возможностью имитации процесса работы систем кондиционирования воздуха и рециркуляции.

При наличии нескольких главных вентиляторных установок цифровой двойник 1 может быть выполнен с возможностью имитации работы каждой из них.

Для обработки информации, полученной с измерительных устройств 4 через центральный контроллер системы управления (ЦКСУ) 3, используется компьютерная модель – имитационная подсистема цифрового двойника – далее Цифровой двойник 1. Данная подсистема построена в программе, позволяющей создавать имитационную модель процесса, задавать в ней параметры горных выработок, воздуха, применяемого оборудования, моделировать процессы изменения режимов работы оборудования и параметров воздуха, а также выводить полученные результаты на экран АРМ-оператора 10.

По измерительным устройствам 4 определяются следующие параметры: температура воздуха, давление воздуха, влажность воздуха, объемный расход (скорость движения) воздуха, а также состояние оборудования, обеспечивающего работоспособность системы вентиляции.

По измерительным устройствам 4 определяются параметры воздуха в следующим местах: на входе (в устье, в калориферном канале и т.д., в зависимости от применяемого способа проветривания) в воздухоподающие стволы, в околоствольных дворах воздухоподающих стволов, в местах пересечения главных вентиляционных выработок с вентиляционным стволом (вентиляционными стволами), в канале (каналах) ГВУ и на дневной поверхности (кроме датчиков расхода воздуха).

Информация с измерительных устройств 4 поступает в ЦКСУ 3 и далее в цифровой двойник 1 и на АРМ-оператора 10. Также в цифровой двойник 1 поступает информация от внешних источников 2. При наличии датчиков в подземных горных выработках и добычных участках, информация с них также поступает в цифровой двойник 1.

К внешним источникам 2 относятся: информация о прогнозируемом изменении атмосферных условий (например, гидрометеорологический прогноз), информация о планируемых ремонтах и остановах оборудования, информация о дальнейшей проходке шахтного поля ПГДП, информация о перемещениях подъемных сосудов (как текущих, так и планируемых) и другая информация, связанная с возможными изменениями режимов работы системы вентиляции и ПГДП в целом.

Также в ЦКСУ 3 поступает информация о действующих тарифах на электроэнергию для предприятий, относящихся к категории ПГДП, действующих в регионе расположения ПГДП.

Воздух в ПГДП подается по одному или нескольким воздухоподающим стволам, а выдается на поверхность по одному или нескольким вентиляционным стволам.

Для проветривания может использоваться одна или несколько ГВУ.

Воздух, поступающий в воздухоподающие стволы, в период снижения его температуры ниже установленных правилами безопасности значения, нагревают в шахтных калориферных установках (ШКУ). В случае необходимости ПГДП оснащаются системой кондиционирования воздуха (СКВ), в которой подаваемый в шахтные стволы и выработки воздух охлаждается.

Информация о параметрах и текущем состоянии устройств для регулирования воздухораспределения, вентиляционные двери и т.д., также поступает в ЦКСУ 3 и имитируется в цифровом двойнике 1.

К устройствам для регулирования воздухораспределения относятся положительные (вентиляторы местного проветривания, эжектирующие установки и т.д.) и отрицательные (вентиляционные перемычки, вентиляционные двери и т.д.) средства регулирования.

Система управления работает следующим образом.

Параметры цифрового двойника 1 настраиваются на объект управления.

Информация от внешних источников 2: о режимах работы ГВУ, а при осуществлении воздухоподготовки ШКУ и СКВ (при наличии), а также о параметрах работы устройств для регулирования воздухораспределения, через центральный контроллер систему управления (ЦКСУ) 3 заносятся в цифровой двойник 1. После этого производится верификация полученных результатов с реальной обстановкой на ПГДП, о которой можно судить по информации с измерительных устройств (датчиков) 4, расположенных в шахтных стволах, в ПГДП и на дневной поверхности.

Цифровой двойник 1 состоит из следующих подсистем:

1. Блок сбора данных 5 по различным сетевым протоколам, предназначенный для согласования входных информационных данных с источников данных, которыми могут быть устройства промышленного Интернета вещей, системы автоматики, SCADA, с цифровым двойником 1.

2. База данных (БД) 6, предназначенная для хранения входных данных, результатов расчетов, а также параметров сечения горных выработок и других атрибутов цифрового двойника 1.

3. Блок прогнозирования 7, предназначенный для анализа результатов измерений энергопотребления оборудования за прошедшее время и формирование ожидаемого профиля энергопотребления на сутки вперед.

4. Блок выработки сценария управления оборудованием 8, предназначенный для имитации процесса воздухораспределения в шахте (руднике) в нормальном и аварийном режимах работы на сутки вперед с учетом снижения энергопотребления в часы высокого спроса.

5. Блок расчета стоимости затрат на электроэнергию 9 цифрового двойника 1.

После занесения информации в цифровой двойник 1 в ЦКСУ 3 заносится информация о плановых ремонтах, остановках производства, а также о дальнейшей проходке шахтного поля ПГДП: дата, время, продолжительность, характер изменения режимов проветривания и работы других электрических устройств и механизмов. В части информации о проходке шахтного поля заносится расчетный объем воздуха, изменение параметров выработок, их удаленности от шахтных стволов и др., связанное с изменением технологического процесса. В случае изменения этой информации с течением времени данные актуализируются.

Также в ЦКСУ 3 заносится информация о тарифах на электроэнергию в различные периоды времени. Ежемесячно заносится информация с сайтов энергосбытовых компаний.

Процесс обучения и адаптации происходит в течение всего периода использования системы. Система накапливает информацию об объеме и делает имитационную модель максимально приближенной к условиям ПГДП.

В процессе обучения и адаптации в цифровом двойнике 1 имитируются и сравниваются с реальными следующие режимы:

1. Согласование процессов, происходящих в воздухоподающих и вентиляционном стволах.

Из-за большой разветвленности горных выработок и выработанных пространств существует проблема: при изменении производительности ГВУ объемный расход воздуха в воздухоподающих стволах изменится только через какой-то промежуток времени. Система определяет коэффициент запаздывания при изменении производительности ГВУ.

Если на ПГДП при проветривании используется несколько ГВУ, то система определяет коэффициент запаздывания при работе каждой ГВУ.

При наличии в ПГДП системы рециркуляции воздуха, определяется максимальный и минимальный коэффициенты рециркуляции.

2. Согласование показаний измерительных устройств (датчиков), расположенных в воздухоподающих стволах, с системой управления ШКУ и СКВ (при наличии).

Воздух обладает высокими теплоизоляционными свойствами, поэтому для его нагрева или охлаждения требуется некоторое время. Система определяет коэффициент запаздывания при воздухоподготовке.

3. Определение зависимости воздухораспределения от изменения параметров наружного воздуха и, при осуществлении воздухоподготовки, поступающего в воздухоподающие стволы.

При изменении параметров воздуха (температуры, давления, влажности) между стволами изменяется значение общерудничной естественной тяги, которая влияет на проветривание, увеличивая или уменьшая объемный расход воздуха, поступающего в ПГДП. В результате ее действия изменяется воздухораспределение между стволами. Система определяет режим работы ГВУ, при котором будет обеспечиваться подача воздуха в требуемом объеме.

Системой фиксируется показания датчиков, определяется плотность воздуха в стволах и рассчитывается значение общерудничной естественной тяги. При этом определяется производительность ГВУ и устанавливается влияние на ее работу общерудничной естественной тяги.

4. По гидрометеорологическому прогнозу при отсутствии системы воздухоподготовки в системе заранее определяется прогнозируемое значение общерудничной естественной тяги.

В п.3 определяется зависимость воздухораспределения между шахтными стволами от параметров воздуха. В системе производится расчет прогнозируемой общерудничной естественной тяги и выбор режима работы ГВУ в зависимости от ее прогнозируемой величины и направления.

5. По гидрометеорологическому прогнозу при работе системы воздухоподготовки (ШКУ или СКВ) в системе заранее определяется прогнозируемое значение общерудничной естественной тяги, которая будет действовать между шахтными стволами при подаче воздуха с требуемыми параметрами и с учетом параметров наружного воздуха.

Устья шахтных стволов могут находиться на разных высотных отметках, поэтому вес столбов воздуха может зависеть не только от параметров воздуха, поступающего в воздухоподающие стволы, но и от параметров наружного воздуха.

Система выбирает требуемый режим работы ШКУ и СКВ (при наличии) и ГВУ и выводит эту информацию на АРМ-оператора 10.

6. При наличии системы рециркуляции система, в зависимости от показаний с датчиков концентрации вредных примесей 4, при помощи цифрового двойника 1 определяется возможный объемный расход снижения работы ГВУ за счет частичного повторного использования воздуха.

7. Прогноз изменения объемного расхода воздуха, поступающего в ПГДП, и воздухораспределения между подземными горными выработками при изменении режимов работы устройств для регулирования воздухораспределения под землей, а также при плановом изменении технологических режимов (останов оборудования на ремонт, дальнейшая отработка шахтного поля и т.п.).

8. Обеспечение согласованной работы ГВУ (при обеспечении проветривания при помощи нескольких ГВУ).

При наличии нескольких ГВУ определяется оптимальный режим работы каждой из них. При помощи цифрового двойника определяется изменение режима работы какой ГВУ максимально эффективно и менее затратно по энергоресурсам.

Сигнал на снижение производительности ГВУ подается АРМ-оператора 10 через ЦКСУ 3 на исполнительные механизмы 11, в зависимости от сценариев, выданных на АРМ-оператора 10 цифровым двойником 1.

Система работает в штатном и нештатном (аварийном) режимах.

В штатном режиме предусмотрены два сценария изменения энергопотребления.

1. Плановое изменение энергопотребления

На каждом предприятии, включая ПГДП, существуют дни, в которые проводятся плановый осмотр или ремонт оборудования, а также другие профилактические мероприятия. Эти мероприятия в настоящее время не привязаны к технологическому процессу с точки зрения спроса на электроэнергию.

В цифровом двойнике 1, а также по алгоритмам в ЦКСУ 3 будет производится анализ возможного снижения (отключения) потребления проверяемого оборудования в зависимости от спроса на электроэнергию с выдачей на АРМ-оператора 10 предполагаемых дат и времени отключений, а также величины, на которую будет снижена нагрузка.

Для этого система анализирует информацию с сайтов энергосбытовых компаний и определяет время максимальной цены на электроэнергию. В эти часы планируется проведение планового изменения потребления электроэнергии.

2. Внеплановое изменение энергопотребления

Внеплановое изменение электроэнергии зависит от работы системы проветривания, которая в зависимости от внешних факторов будет либо повышать, либо снижать объемный расход воздуха, подаваемый в ПГДП, изменяя тем самым энергопотребление.

В случае, если снижение электроэнергии возможно в часы пиковых нагрузок, то от цифрового двойника 1 через ЦКСУ 2 будет выдаваться сигнал на АРМ-оператора 10, описывающий дату, время, а также величину, на которую будет снижена нагрузка. Если снижение электроэнергии возможно в часы низкого спроса на электроэнергию (при низкой стоимости электроэнергии), то возникший избыток электроэнергии может быть использован на другие процессы (энергозатратные). Информация об этом будет поступать на АРМ-оператора 10.

Возможны каждый из нижеперечисленных вариантов в отдельности или в совокупности.

2.1. Изменение энергопотребления при действии общерудничной естественной тяги.

При изменении параметров наружного воздуха (в основном температуры) изменяется общерудничная естественная тяга, действующая между стволами. Если действие ее направлено согласно требуемому направлению движения воздуха, то она будет способствовать проветриванию и возможно снизить производительность ГВУ (если несколько ГВУ, то их суммарную производительность).

Система через блок сбора данных 5 получает информацию о метеорологическом прогнозе в регионе расположения ПГДП. В цифровом двойнике 1 прорабатываются сценарии по изменению режима проветривания с учетом действия общерудничной естественной тяги и определяется возможность, время и величина, на которую будет снижена электроэнергия. Прогноз осуществляется за сутки, так как суточная точность метеорологических прогнозов составляет до 90%.

Если возможность снижения электроэнергии выпадает на часы низкого спроса на электроэнергию, то ее избытки расходуются на энергозатратные процессы, проводимые на производстве. Виды работ, на которые системой предложено будет направить избытки энергоресурсов будут определяться в ЦКСУ 3 и выдаваться на АРМ-оператора 10.

2.2. Изменение энергопотребления при действии (в случае ее наличия) системы рециркуляции воздуха

Рециркуляция воздуха – это частичное использование исходящего воздуха в проветривании, т.е. забор его и отправление на свежую струю. При этом обязательно проверяется наличие опасных и вредных газов в рециркулируемом воздухе. За счет этого появляется возможность снизить производительность ГВУ (в случае работы нескольких ГВУ – их суммарную производительность).

Система через блок сбора данных 5 получает информацию о содержании в рециркулируемом воздухе вредных газов. Если в период пиковой нагрузки содержание вредных и опасных газов в рециркулируемом воздухе соответствует норме или ниже, то система рециркуляции включается, тем самым позволяет снизить затраты электроэнергии на проветривание.

В цифровом двойнике 1 заранее прорабатывается вариант включения системы рециркуляции для определения значения, на которое можно снизить потребление электроэнергии и время этого снижения.

В случае, если концентрация вредных и опасных газов будет соответствовать норме в период низкого спроса на электроэнергию цифровом двойнике 1 прорабатывается варианты: включение системы рециркуляции, если эта концентрация остается низкой до периода пиковых нагрузок и есть возможность продолжения рециркуляции (работа на пониженной производительности ГВУ) при пиковых нагрузках; отключение системы рециркуляции с целью снижения вредных и опасных газов в ПГДП и возможном ее включении в часы пиковых нагрузок.

Возможные сценарии через ЦКСУ 3 передаются на АРМ-оператора 10.

2.3. Накапливание электроэнергии

При переизбытке электроэнергии в часы низкого спроса на электроэнергию, она будет накапливаться в накопителях. При пиковых нагрузках питание отдельных механизмов будет осуществляться от накопителей электроэнергии, а общий объем электроэнергии будет снижен.

Объем снижения, дата, время и продолжительность определяются в цифровом двойнике 1 и ЦКСУ 3.

В нештатном (аварийном) режиме система работает следующим образом.

В базу данных 6 цифрового двойника 1 заложены сценарии возможных нештатных ситуаций, например, реверсии струи при возникновении пожара и т.д., которые после верификации цифрового двойника 1 с реальным ПГДП в блоке 7 моделируются, в результате чего определяется воздухораспределение, пути движения дымовых газов при возникновении пожара и т.д., которые заносятся в базу данных 6.

Преимущество изобретения состоит в том, что возможность управления технологическим процессом на подземном горнодобывающем предприятии в режимах, позволяющих снизить потребление электрической энергии в течение суток в периоды высокого спроса, обеспечивать расход электроэнергии на энергозатратные процессы в часы низкого спроса на электроэнергию, на основании информации о тарифах на электроэнергию, что значительно расширяет функциональные возможности системы и позволяет обеспечивать безопасность при возникновении нештатных и аварийных ситуаций.

Список цитируемых источников:

1. УМАМОТО Эйити. Устройство отображения заданного спроса. Патент № 2596103 от 27.08.2016

2. ЛИ До Гван, ШИН Дзин Чул. Электрическое устройство и аппарат управления энергопотреблением для изменения уровня управления реагированием на спрос. Патент № 2559807 от 10.08.2015.

3. Кычкин А. В., Николаев А. В. Архитектура киберфизической системы управления проветриванием подземного горнодобывающего предприятия на базе платформы Интернета вещей // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2021. - Т. 22, № 3. - С. 115-123.

4. Voth S., Nikolaev A., Kychkin A. Demand response service architecture for power system of Russian mining enterprise // Proceedings 2021 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM): Sochi, Russia, May 17-21, 2021 / Inst. of Electrical and Electronics Eng. (IEEE). - [S. l] : IEEE, 2021. - P. 63-67.

Изобретение относится к горной и энергетической промышленностям и может быть использовано для управления технологическими объектами и установками на подземных горнодобывающих предприятиях в режимах, позволяющих снизить потребление электрической энергии (мощности) в течение суток в периоды высокого спроса. Система управления включает цифровой двойник объекта управления, принимающий информацию с измерительных устройств через центральный контроллер системы управления и от внешних источников, содержащих сведения о гидрометеорологическом прогнозе на предстоящие сутки. При этом измерительные устройства содержат информацию о фактическом потреблении электроэнергии потребителями подземного предприятия за расчетный период. Цифровой двойник выполнен с возможностью имитации процесса проветривания при изменении производительности главной вентиляторной установки на основании сведений гидрометеорологического прогноза. Центральный контроллер системы управления соединен с исполнительными механизмами, цифровой двойник и центральный контроллер выполнены с возможностью обеспечения обмена информацией и управляющих воздействий с автоматизированным рабочим местом оператора. Цифровой двойник выполнен с возможностью имитации процесса работы системы воздухоподготовки – шахтной калориферной установки, регулирования воздухораспределения между подземными горными выработками и управления при возникновении нештатных или аварийных ситуаций. При этом цифровой двойник содержит блок выработки сценария управления оборудованием, выполненный с возможностью производить указанную имитацию заранее по прогнозируемым параметрам наружного воздуха и воздухораспределения между горными выработками, по заранее спрогнозированным в цифровом двойнике сценариям управления оборудованием. Исполнительные механизмы выполнены с возможностью изменения режимов работы посредством подачи управляющего сигнала от автоматизированного рабочего места оператора через центральный контроллер системы управления на основании прогноза, выданного цифровым двойником, информация от внешних источников дополнительно содержит информацию о тарифах на электроэнергию, планируемых ремонтах, остановах оборудования и снижения потребления электроэнергии в процессе запланированных работ, а также дальнейшей проходке шахтного поля подземного горнодобывающего предприятия. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей системы управления технологическим процессом на подземном горнодобывающем предприятии, связанных с вероятными сценариями снижения потребления электроэнергии в зависимости от различных факторов и работы различных устройств, участия в эти периоды в процессе управления спросом на электроэнергию, а также в обеспечении условий безопасности, при возникновении нештатных и аварийных ситуаций. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система управления технологическим процессом на подземном горнодобывающем предприятии в зависимости от спроса на электроэнергию, включающая цифровой двойник объекта управления, принимающий информацию с измерительных устройств через центральный контроллер системы управления и от внешних источников, содержащих сведения о гидрометеорологическом прогнозе на предстоящие сутки, при этом измерительные устройства содержат информацию о фактическом потреблении электроэнергии потребителями подземного предприятия за расчетный период, цифровой двойник выполнен с возможностью имитации процесса проветривания при изменении производительности главной вентиляторной установки на основании сведений гидрометеорологического прогноза, центральный контроллер системы управления соединен с исполнительными механизмами, цифровой двойник и центральный контроллер выполнены с возможностью обеспечения обмена информацией и управляющих воздействий с автоматизированным рабочим местом оператора, отличающаяся тем, что цифровой двойник выполнен с возможностью имитации процесса работы системы воздухоподготовки – шахтной калориферной установки, регулирования воздухораспределения между подземными горными выработками и управления при возникновении нештатных или аварийных ситуаций, при этом цифровой двойник содержит блок выработки сценария управления оборудованием, выполненный с возможностью производить указанную имитацию заранее по прогнозируемым параметрам наружного воздуха и воздухораспределения между горными выработками, по заранее спрогнозированным в цифровом двойнике сценариям управления оборудованием, исполнительные механизмы выполнены с возможностью изменения режимов работы посредством подачи управляющего сигнала от автоматизированного рабочего места оператора через центральный контроллер системы управления на основании прогноза, выданного цифровым двойником, информация от внешних источников дополнительно содержит информацию о тарифах на электроэнергию, планируемых ремонтах, остановах оборудования и снижения потребления электроэнергии в процессе запланированных работ, а также дальнейшей проходке шахтного поля подземного горнодобывающего предприятия.

2. Система управления по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена накопителями электроэнергии, предназначенными для накапливания избытков энергии в часы низкого спроса на электроэнергию для дальнейшего ее использования в часы высокого спроса.

3. Система управления по п.1, отличающаяся тем, что цифровой двойник выполнен с возможностью имитации процесса работы системы кондиционирования воздуха.

4. Система управления по п.1, отличающаяся тем, что цифровой двойник выполнен с возможностью имитации процесса работы системы рециркуляции.

5. Система управления по п.1, отличающаяся тем, что при наличии нескольких главных вентиляторных установок цифровой двойник выполнен с возможностью имитации работы каждой из них.