Устройство для контроля и управления насосной установкой гидротранспортной системы Советский патент 1981 года по МПК B65G53/66 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ НАСОСНОЙ УСТАНОВКОЙ ГИДРОТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ

I

Изобретение относится .к системам оптимального управления и контроля загрузки трубопроводов гидротранспортных установок и может быть использовано в горной и горнорудной промышленности для управления и оптимизации режима углесосных установок гидрошахт, при гидрозакладке выработанного пространства на шахтах, при добыче песчано-гравийных материалов на карьерах, при транспортировании хвостов и концентратов на обогатительных фабриках.

По основному авт. св. № 676515 известно устройство для контроля и управления насосной установкой гидротранспортной системы, содержащее установленные на трубопроводе датчики давления, соединенные с одними из входов первой группы элементов сравнения, другие входы которых подключены к моделям характеристик потерь напора в трубопроводе, связанным с датчиком расхода, пороговый блок, исполнительные органы изменения режима работы насоса, модели прогнозной и критической скорости, подключенные к одним из входов другой группы элементов срапнепия. модель текущей скорости, подключенная к другим их

входам, блок оптимизации режимов работы насоса и блоки выявления знака отклонения текущей и прогнозной скорости от критической, один из которых непосредственно, а другой через пороговый блок подключены к исполнительным органам нзме5 нения режима работы иасоса и блоку оптимизации работы насоса (1.

Однако в известном устройстве не учи тывается то, что в условиях переменного притока поступающей в зумпф гидросмеси с резкими изменениями как объемного ее коли10чества, так и исходной плотности, крупности и состава твердового материала, появляется случайная составляющая плотности в канале загрузки, что снижает точность прогнозного оптимального режима трубо5 , провода по текущей загрузке его иачального базового участка и вызывает погрешность управления поиском оптимального режима установки только по сигналам выработанных ограничений системой распределительного контроля. Кроме того,

70 в условиях неполной информации о действительиой оптимальной производительности установки по твердому материалу переход установки на оптимальную производительность в пределах ограничений, происходит с неизбежными автоколебаниями как в режимах автоматического поиска, так и «рысканья, что снижает эффективность оптимизации из-за больших (недопустимых) потерь на поиск и «рысканье.

Цель изобретения - повышение надежности и точности работы устройства при широком диапазоне возмущений.

Эта цель достигается тем, что в устрой- ,о ство введены интеграторы, сумматор, усреднитель и вычислитель показателя качества, соединенный выходом с третьим входом блока оптимизации режима работы насоса, а входами - одним непосредственно С выходом датчика расхода, а другим через усред- 5 нитель с выходом сумматора, входы которого через интеграторы подключены к вторым выходам моделей критической скорости.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - графики, ил- Q люстрирующие выявления информации для формирования сигнала о текущей загрузке трубопровода и его участков.

Устройство содержит датчики 1 -3 давления, установленные на контролируемых участках трубопровода 4, первую группу 25 элементов 5-7 сравнения, к одним из входов которых подключены датчики 1-3, а к другим - выходы моделей 8-10, моделирующих характеристики потерь напора иа воде в исправных участках трубопровода 4. Входы этих моделей подключены к выходу датчика 11 расхода, который установлен на базовом участке трубопровода длиной feas- К этому же выходу датчика 11 подсоединена модель 12 текущей скорости, выход которой подключен к одним из вхо- 35 дов второй группы элементов 13-15 сравнения, выходы которых подключены к входам логического блока 16 выявления знака отклонения «больше-меньше текущей скорости от крит} ческой, а другие входы элементов 13-15 подключены соответственно 40 к выходам моделей 17-19 критической скорости, состоящих из последовательно соединенных . преобразователей 20-22 потерь напора в плотность гидросмеси и преобразователей 23, 24 и 25 плотности в требуе- j мую критическую скорость.

- I

Входы моделей 17-19 соединены с соответствующими выходами элементов 5-7 сравнения. Вход модели 26 прогнозной скорости, состоящей из последовательно сое- 50 диненных модели 27 вычисления прогнозного режима и преобразователя 28 прогнозной скорости, подключен к выходу элемента 5 сравнения. Выход модели 26 подключен к одному из входов элемента 29 сравнения из второй группы, второй вход которого соединен с выходом модели 17 критической скорости базового участка, а выход через логический блок 30 выявления знака отклонения прогнозной скорости от критической для базового участка подсоединен к одному из входов исполнительных органов 31 и 32 изменения режима работы насоса и блока 33 оптимизации режима работы насоса. Вторые входы блока 33 и исполнительных органов 31 и 32 подключены через пороговый блок 34 к выходу блока 16 выявления знака отклонения текущей скорости от критической, а третьи входы исполнительных органов 31 и 32 - к соответствующим выходам блока 33 оптимизации.

Выходы преобразователей 20-22 через соответствующие сглаживающие интеграторы (фильтры) 35-37 подключены к входам сумматора 38, который выходом через усреднитель 39 общей средней загрузки всего трубодровода на интервале управления подключен к одному из входов вычислителя 40 показателя качества работы гидротранспортной установки, второй вход которого соединен с выходом датчика 11 расхода. Выход вычислителя 40 показателя качества соединен с третьим входом блока 33 оптимизации.

Исполнительный орган 32 связан с регулирующим органом 41, установленным на сливном трубопроводе 42 фильтра-сгустителя 43, а исполнительный орган 31 связан с регулируюц им органом 44 заборного устройства 45 с заборным трубопроводом 46.

На фиг. 1 показаны также приемный . зумпф 47 со слоем твердого материала, предназначенного для транспортирования по трубопроводу 4 насосным агрегатом 48.

Узлы устройства, кроме датчиков давления и расхода, а также блока оптимизации, могут быть выполнены на интегральных микросхемах серии К140, К155, транзисторах типа КП103Е, МП37А и диодах типа Д2Б. Элементы сравнения 5-7, 13-15 и 29 и сумматор 38 выполнены на операционных усилителях (ОУ) типа К1УТ401Б. Интеграторы 35-37 выполнены по схеме сглаживающего активного фильтра на К1УТ401Б с RC-связями, постоянная времени которого может изменяться от 2 до 50 с. Усреднитель 39 выполнен также на ОУ К1УТ401Б по схеме интегратора с периоди-ческим .сбросом и восстановлением начальных значений.

Обработка сигналов в моделях и вычислителях осуществляется на базе типовой элементарной структуры умножителя сигналов, в которой в качестве сравнивающего устройства использованы ОУ К1УТ401Б, а управляемыми элементами делителя являются полевые транзисторы типа КП103Е. Точность воспроизведения операции в диапазоне нормированных уровней сигнала порядка 0,5°/о-. Используя умножитель в качестве нелинейной обратной связи в ОУ, построены модели прогнознрй 26 и критической скорости - 17-19. Погрешность

воспроизведения эталонных .молельных характеристик не превышает 1,8%- Вычислитель 40 показателя качества построен на умножителе с управляемым коэффициентом масштабного множителя.

Модели 8-10 характеристик потерь напора на воде в исправном трубопроводе каждого участка и модель 12 текущей скорости построены на ОУ К1УТ401Б, в цепи обратной связи которых использованы диодные функциональные преобразователи, выполненные на диодах типа Д2Б. Точность воспроизведения реальных характеристик апроксимировамными кусочно-линейными кривыми составляет порядка 1,5%. Пороговый блок 34 и логические блоки 30 и 16 выявления знака отклонения скоростей построены на двухпороговых амплитудных дискри-. минаторах с использованием элементов К1УТ401Б, и дешифраторах логических уров ней сигналов, собранных на логических элементах типа К1ЛБ553.

Устройство выполняется в виде отдельного блока и устанавливается на перекачной ступени гидротранспортной системы, сопрягаясь через дополнительные входы с локальными системами каналов загрузки и сгущения, а также блоком оптимизации.

Датчики давления и расхода представляют собой стандартные датчики, предназначенные для измерения соответствующих параметров гидросмеси. В качестве блока оптимизации в устройстве использован стандартный шаговый экстремальный регулятор.

Устройство работает следующим образом.

Поиск оптимальной загрузки трубопровода твердым материалом осуществляется по каналу загрузки трубопровода 46 регулированием заборного устройства 45 с помощью регулирующего органа 44 и по каналу отвода . части потока через фильтрсгуститель 43 по сливному трубопроводу 42 с помощью регулирующего органа 41, причем блок 33 оптимизации поочередно подключается к исполнительном органам 31 и 32 блоками 30 и 34.

Канал загрузки работает при большой плотности поступающей в зумпф гидросмеси, дозируя гидросмесь оптимальной плотности в заборный трубопровод 46. Канал отвода потока из трубопровода работает при малой плотности и больших объемах поступающей в зумпф гидросмеси, формируя гидросмесь оптимальной плотности в трубопроводе 4 за счет отвода излишней жидкости через фильтр-сгуститель 43.

Эффективный поиск оптимальной загрузки трубопровода переключением каналов не, может быть осуществлен по информационному сигналу из одной точки, так как текущий режим на входе в трубопровод 46 не дает информации о режиме на последующих его уч;астках (на фиг. I показаны I - III

участки) по ходу потока. Режим каждого участка трубопровода, как распределительной системы, определяется местной консистенцией (плотностью), транспортной скоростью гидросмеси, крупностью и видовым составом твердого и может оказаться критическим, тогда как для других участков сохраняется нормальный режим. Какого-либо интегрального сигнала, который характеризовал бы режим всех участков трубопровода,

0 не имеется. Нет также информации о производительности гидротранспортной системы по .транспортируемому твердому материалу при изменении транспортного режима.

В основных каналах распределенного контроля на каждом участке трубопровода с

помощью .эталонных моделей 8-10, моделирующих характеристики П9терь напора исправных участков трубопровода и насоса при эталонной плотности жидкости (в частности воды), определяется отклонение действительных потерь при текущей плотности и расходе гидросмеси от модельных потерь на воде, т. е. текущие потери, а с помощью преобразователей 20-22, преобразующих отклонение текущих потерь от эталонных, определяется плотность гидросмеси на участке, т. е. текущая загрузка участка гидросмесью.

Далее сигналы, пропорциональные плотности гидросмеси на соответствующих участках на текущий момент времени, поступают

д одновременно для последующих преобразований в основных каналах распределенного контроля и в дополнительном информационном канале устройства.

В основных каналах по этим сигналам в преобразователях 23-25 вычисляется

5 критическая скорость для участков при данной текущей плотности, выявляются узкие места по транспортному режиму и формируются управляющие сигналы координации регулирующих каналов загрузки и сгущения и режима работы блока оптимизации.

В дополнительном канале вычисляется производительность гидротранспортной системы по текущей загрузке твердым материалом на интервале ttj. управления блока оптимизации. Интервал tu управления численно

5 равен времени Т одного цикла поиска и может устанавливаться заранее либо перестраиваться в зависимости от типа используемого блока оптимизации. Таким образом, сигнал датчика I1 расхода, пропорциональный расходу Qi бйзового участка трубопровода (фиг. 1), поступает на вход моделей 8-10, моделирующих потери напора на воде в исправном трубопроводе каждого участка (характеристика HT(Q), фиг. 2). С выходов моделей снимается сигнал модельных (эталонных) потерь Нпэ на участке, которые были бы в исправных участках трубопровода на воде при расходе Qt базового участка и исправном насосном агрегате, согласно характеристике Но (Q). При этом же расходе и исправном насосе, согласно кривой Hii(Q) потерь на участке трубопровода при повышенной плотности гидросмеси, действительные (текущие) потери, поступающие с датчиков I-3 давления, определяются расходом н консистенцией (плотностью гидросмеси) на соответствующих участках, и равны величине Н„ (для каждого участка свое значение потерь).

После сравнения модельных (эталонных) потерь Нпэ (сигналы с моделей 8-10) и действительных потерь Нп от датчиков (сигналы .от датчиков 1-3 давлений) в соответствующих элементах 5-7 сравнения на их выходах появляется сигнал, пропорциональный разности потерь напора ДН Нпэ - Нп, который-пропорционален плотности гидросмеси при данной скорости транспортирования. Далее по функциональной зависимости плотности гидросмеси от разности потерь при данном расходе в преобразователях 20-22 вычисляется плотность гидросмеси, т. е. загрузка участков трубопровода.

В дополнительном канале для устранения влияния высокочастотных помех в каналах связи на сигналы датчиков давления и расхода и сглаживания пульсаций и выбросов мгновенных значений сигналов, пропорциональных действительной плотности гидросмеси, выходные сигналы преобразователей 20-22 усредняются интеграторами 35-37, выполняющими роль сглаживающих фильтров, на небольщом интервале времени Э . Причем интервал в выбран намного меньще, чем интервал управления, т. е. в « ty,: Далее сигналы интеграторов 35-37 поступают на входы сумматора 38, на выходе которого формируется сигкал, пропорциональный сумме интегрированных загрузок каждого участка. По этому сигналу в усреднителе 39 вычисляется средняя за интервал Т усреднения общая загрузка трубопровода в целом на момент времени интервала управления. При этом интервалы усреднения С и управления t,, совпадают, т. е. Т tjj..

Выходные сигналы усреднителя 39 н датчика 11 расхода поступают на соответствующие входы вычислителя 40 показателя качества загрузки, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный производительности Q гидротранспортной системы по твердому материалу на интервале управления. Этот сигнал поступает на третий вход блока 33 оптимизации и является для него информативным, как определяющий качество и эффективность управления работы этого блока при поиске оптимального по загрузке режима.

Параллельно по сигналам текущей загрузки участков на выходах моделей 17-19 ,критических скоростей с помоЩью преобразователей 23-25, воспроизводящих зависимость критической скорости в трубопроводе от плотности (загрузки) гидросмеси при данных параметрах трубопровода, формируются сигналы, пропорциональные критической скорости Vfcp на каждом участке, которая должна быть обеспечена при данной его загрузке. Критические скорости VHP , определенные для всех участков, с помощью элементов 13-15 сравнения сравниваются с д(ействительной скоростью Vj в трубопроводе, поступающей от датчика 11 расхода через модель 12, и сигнал, пропорциональный разности скоростей Д V VKO - Vj, поступает в логический блок 16 для анализа знака отклонения AV.

При Vj Уцр, т. е. AV О, для всех участков пороговый блок 34 переводит блок 33 оптимизации в режим поиска, при отсутствии ограничений - на допустимый транспортный режим и подключает каналы блока 33 оптимизации к исполнительным органам 31 и 32 для оптимизации загрузки дозированием и отводом части потока Q;i,.

Таким образом, в этом случае блок 33 по информативному сигналу вычислителя 40 качества автоматически оть1скивает оптимальный режим - максимум производительности QT по твердому материалу - управлением дозирования через канал загрузки и скоростью через канал отвода потока в пределах, выработанных моделями ограничений скорости (Vg VKJ,) на интервале управления ty.

В случае, если хотя бы на одном из участ ков действительная скйрость Vg. станет равной или меньщей критической V,p(Vj Укр), т. е. возникает узкое место в транспортном режиме, то с выхода блока 16 на вход блока 34 поступает сигнал запрета на оптимизацию увеличением отвода потока и плотности во избежание осаждения гидросмеси. В этом случае блок 34 переводит блок 33 в другой режим поиска в условиях ограт ничеиий (поиск по одному каналу), в результате чего отключается канал загрузки блока 33 оптимизации и включается исполнительный орган 32 на уменьщение отводимого потока Рсд через регулирующий орган 41 для повышения скорости в трубопроводе.

Диапазон допустимого отклонения Vj от Укр устаиавливается порогом срабатывания блока 34 в пределах иекоторого запаса по скорости сверх критической для обеспечения требуемой надежности гидротранспорта, так что Vg Укр 4- SV, где 8V - запас по скорости сверх критической; и блок 34 срабатывает при Vj VKP -I- 5V. Прн этом блок 33 по выходному сигналу вычислителя 40 автоматически отыскивает оптимальный режим по производительности QT только управлением скоростью по одному каналу отвода. С установлением новой оптимальной производительности QJ н устранением узких мест по транспортному режиму, когда для всех участков выполняется условие VQ Укр, с выхода логического блока 1б снимается сигнал запрета и блок 34 переводит блок 33 в режим поиска по двум каналам.

Если дальнейшее увеличение скорости по каналу отвода за счет умеиьшения расхода слива через регулирующий орган 41 станет невозможным, т. е. Q « О, о чем свидительствует состояние регулирующего органа 41 и сохранение хотя бы на одном участке условия V V,p сохранившийся сигнал запрета на выходе блока 16 через пороговый блок 34 переведет блок 33 в следующий режим поиска оптимальной производительности только по другому каналу - каналу загрузки. В результате отключается канал отвода и включается исполнительный орган 31 на уменьшение загрузки заборного трубопровода 46 через заборное устройство 45 с помощью регулирующего органа 44, а блок 33 автоматически отыскивает по выходному сигналу вычислителя 40 показателя качества оптимальную производительность Q-r установки управлением плотностью по каналу загрузки. После восстановления условия V Укр для всех участков логический блок Гб снимает сигнал запрета и блок 34 переводит блок 33 в режим поиска по двум каналам.

При наложении ограничений на одном участке (например, в концевом участке гидросмесь с предельной плотностью) и невыполнении условий оптимальности на других (например, в начальном и на других участках вода) наблюдаются значительные отклонения действительиой производительности Q. от оптимальной. В этом случае для оптимальной загрузки всего трубопровода в будущем необходима поисковая оптимизация только по одному каналу загрузки через формирование гидросмеси в начальном базовом участке в настоящем с учетом определения прогнозного экстремального режима во всем трубопроводе по текущей загрузке в базовом участке в данный момент. При этом с помощью моделей 8 и 17 базового участка непрерывно определяется текущая загрузка участка, плотность гидросмеси и критическая скорость для данной плотности. По действительной загрузке базового участка в модели 26, состоящей из последовательно соединенных модели 27 и преобразователя 28, непрерывно определяется с помощью модели 27 будущий (прогнозный) режим ьо всем трубопроводе для данной загрузки, а с помощью преобразователя 28 прогнозная скорость Vfip гидросмеси, которая установится при заполнении трубопровода гидросмесью с плотностью базового участка.

Прогнозная скорость Vnp в элементе 29 сравнения сравнивается с критической скоростью VKO, необходимой .для базового участка при данной его загрузке, поступающей с выхода модели 17. В случае, если

Vnp VKP и V У„р, для всех участков загрузка, трубопровода и поиск оптимальной производительности Q установки осуществляется блоком 33 оптимизации по двум каналам загрузки и отвода по информационQ ному сигналу, формируемому на выходе вычислителя 40 показателя качества, до получения условия Vnp VHP -j-JV с учетом запаса скорости (нечувствительности измерительных устройств н блока 30).

5 В случае, если Vnp , блок ЭД выдает сигнал запрета, который переключает блок 33 на режим поиска в условиях ограничений, но уже по каналу загрузки базо вого участка и при отключенном канале отвода. Пара 1лельно в дополнительном ин0 форма ционном канале вычисляется значение показателя качества, по которому блок 33 оптимизации осуществ,1яет управление формированием плотности гидросмеси через канал загрузки в

5 направлении достижения в будущем оптимальной производительности Q. в пределах ограничений по скорости, выработаиных распределенным контролем для прогнозиого режима. Этим исключается возможность перегрузки трубопровода и потери траис0 портной способности в будущем, когда весь трубопровод заполняется гидросмесью с плотностью базового участка.

Таким образом, от начала включеиия устройства в работу оно осуществляет распределенный контроль участков, автоматический поиск и поддержание максимальной производительностигидротраиспортиой

системы по твердому материалу в пределах ограничений по критическому .режиму, обеспечивая оптимальную загрузку каждого

0 участка и всего трубопровода в измеияющихся услрвиях с достаточной точностью.

Использование дополнительного информационного канала .для вычисления показателя качества загрузки трубопровода повыщает точность управления производительностью гидротранспортной системы, так как снижает случайные составляющие погрещности управлення и потерь иа поиск, «рысканье и автоколебаний, обусловлеииые влиянием труднопредсказуемых резкопере,. менных притоков. В результате снижаются дополнительные затраты энергии при выходе на новую производительность и при стабилизации оптимального режима в гидросистеме, а снижение интенсивности автоколебаний в поисковом и установившемся

5 режимах обеспечивает устойчивый поиск и надежность управлення. Благодаря этому повышается надежность работы всей- гидротранспортной системы, что приводит к сиижению удельных материальных и энергетических затрат. Формула изобретения Устройство для контроля и управления насосной установкой гидротранспортной системы по авт. св. № 676515, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и точности работы устройства при широком диапазоне возмущений, в него введены интеграторы, сумматор, усредни85 тель и вычислитель показателя качества, соединенный выходом с третьим входом блока оптимизации режима работы насоса, а входами - одним непосредственно с выходом датчика расхода, а другим через усреднитель - с выходом сумматора, входы которого через интеграторы подключены к вторым выходам моделей критической скорости. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 676515, кл. В 65 G53/66, 1977 (прототип).