контроль заливки насосов перед их пуском в работу;

включение насоса при достижении водой верхнего уровня и отключение его при достижении нижнего уровня;

контроль работы насоса и отключение его в случае отказа;

автоматический ввод резерва при отказах или если рабочий насос не справляется с притоком воды;

выполнение основных операций без прямого участия человека;

световая и звуковая сигнализация на пульт диспетчера о состоянии установки;

обеспечение оптимального энергопотребления.

Средства автоматического управления и контроля, комплектная аппаратура автоматизации

К средствам автоматического управления и контроля ШВУ относятся: реле уровня, реле производительности, реле контроля заливки насосов по давлению, температурные реле, датчики уровня воды в водосборнике.

Для автоматизации водоотливных установок большой и средней мощности, оборудованных насосами (до девяти) с высоковольтными и низковольтными асинхронными короткозамкнутыми электродвигателями при типовых схемах защиты, с автоматизированной задвижкой применяется комплектная аппаратура ВАВ. Аппаратура ВАВ собрана по блочному принципу на многоконтактных герметизированных реле в сочетании с полупроводниковыми элементами. Она имеет взрывозащищенное исполнение, что позволяет использовать ее в шахтах, опасных по газу и пыли. Метод программирования - универсальные переключатели. Комплект состоит из: блока управления насосами, сигнального табло, реле производительности, реле давления, заливочного погружного насоса, пускателя, электропривода задвижки, электронных датчиков.

5.2 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Цель моделирования

Необходимо построить логическую схему основного логического блока системы автоматического управления насосами главного водоотлива с автоматическим вводом резерва. Схема должна обеспечивать работу водоотливной установки, как при нормальном, так и при максимальном водопритоке, обеспечивая необходимую производительность и надежность. В случае выхода из строя рабочего насоса ввод резерва должен быть осуществлен автоматически. Информация о состоянии установки и аварийная сигнализация выводится на пульт диспетчера.

Описание объекта

Водоотливная установка оборудована пятью секционными центробежными высоконапорными насосами типа ЦНС 300-300. Рабочая группа содержит два насоса, которые обеспечивают откачку суточного водопритока за 20 часов. Резервная группа также содержит два насоса, которые автоматически включаются в работу системой управления, в случае аварийного отключения одного из насосов рабочей группы. Один насос (ремонтный насос) находится в ремонте. Заливка насосов перед пуском их в работу осуществляется погружным заливочным насосом, который находится в водосборнике ниже нижнего уровня, процесс заливки и пуска контролируется аппаратурой автоматизации.

Непрерывное управление производительностью насосов представляет определенные трудности в связи с тем, что в качестве двигателей используются асинхронные короткозамкнутые двигатели большой мощности, питающиеся от сети напряжением 6000 В. Регулирование скорости таких двигателей представляет значительные трудности. Гидравлические способы регулирования производительности насосов характеризуются большими потерями энергии и недостаточно эффективны. Кроме того, непрерывное регулирование производительности насосов требует применения датчиков скорости водопритока. В связи с этим для управления насосами ШВУ используется булево управление, то есть насос либо включен и работает с номинальной производительностью, либо отключен.

Для управления процессом водоотливом используется комплектная аппаратура ВАВ. Схемой автоматизации предусмотрено два вида управления - автоматическое и ручное, причем перевод на ручное управление осуществляется без нарушения работы насосов. Система управления обеспечивает автоматическое включение насосных агрегатов в работу и их остановку, обеспечивая неодновременность пуска электродвигателей.

Аппаратура ВАВ снабжена блокировками, предотвращающими: пуск агрегата при незалитом насосе, включение привода задвижки до пуска насосного агрегата, останов агрегата до момента полного закрытия задвижки, включение агрегата при отсутствии воды в водосборнике, а также повторное включение отключившегося насоса, до выяснения причин аварии. Предусмотрены следующие виды защит, вызывающие аварийный останов: при снижении или потери производительности, при перегреве подшипников, при исчезновении напряжения или коротком замыкании в цепях управления.

Уровень воды в водосборнике контролируется с помощью датчиков уровня. Высота подвеса датчиков выбирается таким образом, чтобы число пусков и остановок насосов в сутки было минимально. При достижении водой датчика верхнего уровня включается один из насосов рабочей группы. Если, несмотря на это, уровень воды в водосборнике повышается, то вода поднимается до датчика повышенного уровня, который включает второй насос рабочей группы. При снижении воды до датчика нижнего уровня происходит отключение насосов, после чего уровень воды начинает повышаться, пока не сработает датчик верхнего уровня и процесс повторяется. Датчик аварийного уровня сигнализирует диспетчеру о недопустимо высоком уровне воды в водосборнике. Сигнал об аварийном отключении насоса формируется системой защиты, при его появлении схема управления обеспечивает включение насоса резервной группы. Информация о уровне воды в водосборнике и состоянии насосных агрегатов, а также сигнализация об аварии, выводится на пульт диспетчера.

Проверка работоспособности модели

Математическая модель должна быть адекватна объекту, то есть ее характеристики должны соответствовать характеристикам объекта в моделируемых режимах работы. В качестве критерия работоспособности модели принимаем подобие графиков откачки воды, полученных при помощи модели, соответствующим графикам известным из технической литературы. Графики стоятся для режимов нормального и максимального водопритока.

Определение моделируемых режимов работы

1) режим нормального водопритока - Qнорм = Qп1 = 150 м3/ч.

2) режим максимального водопритока - Qп2 = 230 м3/ч, при этом откачка воды производится обоими насосами рабочей группы.

3) режим работы при автоматическом вводе резерва - в случае сбоя в работе одного из насосов рабочей группы осуществляется автоматический ввод в работу одного из насосов резервной группы.

5.3 ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

Выбор класса модели и языка описания

Изменение уровня воды в водосборнике происходит непрерывно и является некоторой функцией времени. Таким образом, зависимость уровня воды в водосборнике от времени, водопритока и производительности насоса может быть описана обыкновенными дифференциальными уравнениями. Для управления насосами используется булево управление (каждый из насосов либо работает с постоянной производительностью, либо остановлен), то есть от непрерывной модели мы переходим к дискретной. Для математического моделирования дискретных устройств можно воспользоваться методами теории конечных автоматов.

Составление математической модели

Описание моделируемых режимов работы

На рис. 5.2. показан график откачки воды ШВУ при нормальном и максимальном водопритоках. Глубина водосборника Н, рабочий объем водосборника ограничивается НН - НП.

В зависимости от водопритока возможны два варианта:

1) один рабочий насос успевает откачать воду и в t3 насос отключается.

2) один рабочий насос не может откачать водоприток, уровень воды поднимается до НП и включается второй насос.

Рис. 5.2. График откачки воды ШВУ

НН - нижний уровень, НВ - верхний уровень, НП - повышенный уровень, HА - аварийный уровень, Н - глубина водосборника, 1 - срабатывание датчика нижнего уровня, 2 - срабатывание датчика верхнего уровня, 4 - срабатывание датчика повышенного уровня, 3 и 5 - срабатывание датчика нижнего уровня.

В работе ШВУ присутствует три этапа:

t1 - t2 - заполнение водосборника, насосы не работают, пока вода не достигнет датчика верхнего уровня;

t2 - t4 - откачка воды одним насосом ;

t4 - t5 - откачка воды двумя насосами.

Рассматривается так же ситуация, когда один из насосов рабочей группы аварийно отключается. При этом осуществляется ввод в работу одного из резервных насосов. Случай двойной аварий, когда аварийно отключается более одного насоса, в данной работе не рассматривается, так как надежность насосных агрегатов достаточно велика. Сигнал об аварийном отключении подается на пульт диспетчера, который должен обеспечить своевременное выяснение причин аварии и ликвидацию ее последствий.

Выбор высоты установки датчиков

Объем водосборника (по ПТЭ и ПБ водосборник должен вмещать максимальный водоприток за 4 часа):

V0 =4kQп.2 = 4 1,2 230 = 1104 м3.

Высота водосборника ограничивается устойчивостью горных пород, принимаем:

H = 6 м.

Площадь водосборника.

S = V0 / H = 1104 / 6 = 184 м3.

Возможное расположение датчиков показано в табл.10.

Таблица 10

Описание модели

Изменение уровня воды в водосборнике может быть описано уравнением:

где h - уровень воды в водосборнике, t - время, QP - водоприток, Qн -производительность насоса, S - площадь водосборника.

В общем случае:

где h0 - начальный уровень воды.

Для упрощения задачи примем следующие ограничения:

считаем водоприток постоянным и равным Qp1 и Qp2 в режимах нормального и максимального водопритока соответственно,

считаем производительность насоса постоянной.

При этом выражение принимает вид:

Представив моделируемый блок в виде конечного автомата, мы переходим от непрерывной модели к дискретной.

В качестве образца принимаем автомат Мура, как наиболее простой и часто используемый при моделировании технических объектов.

Абстрактный автомат является системой S (A, Z, W, , ), где:

А = {ai} - множество внутренних состояний автомата, состоящее из конечного числа элементов;

Z = {zi} - множество входных сигналов;

W = {wi} - множество выходных сигналов;

- множество функций переходов, приводящих некоторому состоянию и входному сигналу в соответствие новое состояние автомата (под действием сигнала автомат переходит из одного состояния в другое),

aS = (am; zf);

- множество функций выходов, ставящих выходной сигнал в соответствие состоянию автомата и входному сигналу,

wg = (an; zk).

Конечный автомат может быть задан в виде таблиц переходов и выходов, в форме соответствующих логических уравнений или в виде графа автомата. И в том и в другом случае должны быть заданы все пять множеств. Автомат называется асинхронным если все его состояния устойчивы и синхронным в противоположном случае. Основное отличие в том, что синхронный автомат требует наличия дополнительного управляющего устройства, например тактового генератора.

Особенностью автомата Мура является то, что каждому внутреннему состоянию соответствует выходной сигнал, который не зависит от входного сигнала, а определяется только внутренним состоянием автомата.

Построим модель блока управляющего работой насосов в виде асинхронного конечного автомата Мура.

Внутренние состояния автомата

a1 - все насосы остановлены и уровень воды в водосборнике повышается.(начальное состояние автомата);

а2 - работает один насос рабочей группы;

а3 - работают два насоса рабочей группы;

а4 - операции остановки работавших насосов;

а5 - работа одного насоса резервной группы;

а6 - работа двух насосов, один из которых резервный;

а7 - аварийная ситуация, при двух работающих насосах сработал датчик аварийного уровня. Установка переключается на ручное управление и подается соответствующий сигнал на пульт диспетчера.

Входные сигналы

z1 - сигнал от датчика нижнего уровня;

z2 - сигнал от датчика верхнего уровня;

z3 - сигнал от датчика повышенного уровня;

z4 - сигнал об остановки насосов (окончание всех операций)

z5 - сигнал об аварийном отключении первого насоса рабочей группы;

z6 - сигнал об аварийном отключении второго насоса рабочей группы;

z7 - сигнал от датчика аварийного уровня.

Выходные сигналы

w1 - сигнал готовности системы;

w2 - сигнал на включение первого насоса рабочей группы;

w3 - сигнал на включение второго насоса рабочей группы;

w4 - сигнал на отключение работающих насосов, сигнал на пульт диспетчера о том, что установка находится в режиме отключения (насосы отключаются поочередно, процесс остановки контролируется ВАВ);

w5 - сигнал на включение первого насоса резервной группы, сигнал на пульт диспетчера о аварийном отключении первого насоса рабочей группы;

w6 - сигнал на включение второго насоса резервной группы, сигнал о аварийном отключении второго насоса рабочей группы на пульт диспетчера;

w7 - сигнал об аварии на пульт диспетчера, переход установки на ручное управление.

Уравнения переходов

Уравнения выходов

{wi[t]= ai[t]},

где i = [1…7].

Граф автомата

Согласно уравнениям переходов и выходов получим граф автомата. Представление конечного автомата в виде графа более наглядно и позволяет в случае сложной системы применять для её анализа методы теории графов. Граф автомата показан на рис. 5.3..

Рис. 5.3. Граф конечного автомата

Автомат асинхронный, так как состояния автомата устойчивы (если автомат перешел из состояния as в состояние аf под действием некоторого сигнала zs, то выйти из него он сможет только под действием другого сигнала) и последовательный, так как операции выполняются друг за другом дискретно во времени.

Техническая реализация

Для технической реализации схемы необходимо иметь элементы с устойчивым состоянием, например триггеры, релейные элементы и т.д. Один из вариантов технической реализации автомата на RS-триггерах и логических элементах представлен на рис. 5.4.

рис. 5.4. Схема логического блока управляющего работой насосов ШВУ

5.4 ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРЕМЕНТОВ С МОДЕЛЬЮ

Под проведением экспериментов с моделью понимается решение уравнений, описывающих модель для заданных режимов работы. Если результат экспериментирования не удовлетворяет принятым критериям адекватности, то в модель вносятся необходимые коррективы. Задачей экспериментирования в данном случае является построение графиков откачки воды при максимальном и номинальном водопритоках. Сравнение реальных графиков откачки воды и графиков, построенных с помощью математической модели, покажет, насколько модель адекватна объекту.

Моделирование заданных режимов

Запишем уравнения h(t) для каждого из состояний автомата при постоянном водопритоке и постоянной производительности насосов:

1)Состояние а1, все насосы остановлены.

2) Состояния a2, a5, работает один насос.

3) Состояния a3, а6, а7 работают два насоса.

4) Состояние а4.

Время паузы в работе насосов.

Время работы одного насоса.

а) QН > QП

б) QН < QП

Время работы двух насосов

Режим нормального водопритока

TП = Vp / QП = 644 / 150 = 4,29 час,

ТН1 = Vp /(QH - QП) = 644 / (180 - 150) = 21,47 час

ТН2 = 4,29+21,47+0 =25,76

Уравнения h(t) для каждого из интервалов времени

ha1 = 0,5 + 0,82t

ha2,a5 = 4 - 0,16 (t - 4,29)

ha4 = 0,5

Режим максимального водопритока

ha3,a6,a7 = 4,5 - 0,79 (t - 7,5) TП = Vp / QП = 644 / 230 = 2,8 час,

ТН1 = V /(QП - QН) = 92 / (230 - 180) = 1,84 час

TН2 = ТН1 = = (Vp + V) /(2QH - QП) = (644 + 92)/(2180 - 230) = 5,66 час

ТН2 = 2,8 + 1,84 + 5,66 =10,3 час

Уравнения h(t) для каждого из интервалов времени

ha1 = 0,5 + 1,25t

ha2,a5 = 2,8 + 2,23 (t - 2,8)

ha4 = 0,5

Графики откачки воды

Режим нормального водопритока

Таблица 11

Оценка полученных результатов

Как видно из графиков математическая модель достаточно точно моделирует работу водоотливной установки в требуемых режимах. Схема блока управляющего работой насосов обеспечивает автоматическое включение насосов при поступлении соответствующих сигналов от датчиков верхнего и повышенного уровня, остановку насосов после откачки воды до нижнего уровня, а также автоматический ввод в работу резервного насоса при сбое в работе одного из насосов рабочей группы. Схема обеспечивает также сигнализацию о состоянии ШВУ на пульт диспетчера. Время цикла работы ШВУ достаточно велико, что обеспечивает малое количество пусков насосных агрегатов в сутки. Это способствует увеличению надежности, так как примерно 60% отказов возникает в момент пуска насосов, а также снижает нагрузку на электрическую сеть.

5.5 ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К АППАРАТУРЕ

Основная задача автоматизации водоотливных установок заключается в высвобождении обслуживающего персонала, обеспечении надежного и экономичного функционирования процесса водоотлива.

Аппаратура должна обеспечивать;

- автоматическое местное (в камере водоотлива), дистанционное (от диспетчера) управление;

- автоматическое включение, выключение насосов в зависимости от уровней воды в водосборнике;

- автоматический последовательный пуск и отключение электродвигателей при параллельной работе нескольких агрегатов;

- автоматическое включение резервных насосов при выходе из строя рабочих агрегатов;

- автоматическое отключение насоса, включенного диспетчером, при достижении водой нижнего уровня, а также дистанционное включение насоса при уровне воды выше верхнего;

- автоматическую заливку насосов с помощью заливочных насосов или устройств, обеспечивающих заливку насоса перед пуском;

- автоматическое управление задвижками на нагнетательном трубопроводе;

- дозирование заливки по времени, контроль включения насосов по времени и давлению;

- защиту насосного агрегата (отключение) при снижении или потере производительности насоса, нагреве подшипников, исчезновении напряжения в цепях управления;

- блокировку, запрещающую пуск насосного агрегата при незалитом насосе, дистанционное выключение насосов при отсутствии воды в водосборнике, повторное включение аварийно отключившегося насосного агрегата по устранении причин, вызвавших аварию;

- световую сигнализацию в помещении диспетчера, позволяющую фиксировать работу насосных агрегатов, аварийный уровень воды в водосборнике, наличие напряжения в цепях управления;

- световую сигнализацию аварийного отключения насосных агрегатов и аварийного уровня воды в водосборнике, сопровождающуюся звуковой.

В настоящее время для автоматизации процесса водоотлива выпускается несколько типов комплексов аппаратуры, которые нашли широкое применение. Для автоматизации участкового водоотлива выпускается аппаратура АВ-5 и АВ-7, одиночного водоотлива - АВО-3, водоотливных установок с низковольтными двигателями - АВН- 1М, главных водоотливов - УАВ, главных водоотливов опасных по газу и пыли - ВАВ. Все комплексы оборудования выпускаются заводом «Красный металлист».

Комплектность аппаратуры различных типов приведена в табл.12.

Таблица 12

Функциональные требования к системам автоматического управления шахтных водоотливных установок включает в себя следующее:

Программирование работы установок (автоматический выбор рабочего насоса в зависимости от ресурса насосов; выбор рабочих и резервных насосов при ручном управлении; заливка рабочего насоса перед пуском; автоматический переход с рабочего на резервный в случае неисправности рабочего насоса; последовательный запуск насосных агрегатов при параллельной их работе, исключающий сложение пусковых токов; последовательный останов насосных агрегатов во избежание возникновения гидроудара);

2. Формирование управляющих воздействий (команды «Пуск»; команды «Стоп»; команды «Запрет повторного пуска» при неисправности защищаемого механизма; команды «Снятие запрета пуска» после ликвидации аварии; команд управления задвижками при переходе с рабочего трубопровода на резервный);

3. Контроль технологических параметров (заливка насосов перед пуском; давление в нагнетательном трубопроводе; расход; уровень воды в водосборнике);

4. Управление задвижками включает; открытие и закрытие задвижки из произвольного положения; автоматическое отключение двигателя задвижки при достижении крайнего положения; автоматическое отключение двигателя задвижки при заклинивании с одновременной сигнализацией и исключением его последующего автоматического включения до ликвидации причины вызвавшей заклинивание;

5. Пуск насоса включает: прием команды на запуск насоса; проверку исправности насоса условий запуска; программное выполнение предпусковых операций; пуск электродвигателя насоса; контроль производительности запущенного насоса;

6. Остановка насоса включает: прием команды на останов насоса; программное выполнение операций, предшествующему останову; останов электродвигателя насоса; выполнение после остановочных операций;

7. Автоматическое управление производительностью насоса должно производится в функции притока воды и в функции нагрузки энергосистемы;

8. Контроль исправности насоса включает: контроль температуры подшипников насоса и двигателя; контроль производительности и давления, развиваемого насосом;

9. Контроль исправности задвижки включает: контроль заклинивания штока задвижки; контроль исправности привода задвижки;

10. Учет ресурса работы насосных агрегатов включает: учет числа включений; учет продолжительности работы; вырабатывание предупредительного сигнала при наработке насосом определенного ресурса;

11. Формирование местной сигнализации включает; предупредительный звуковой сигнал перед запуском установки, индикацию работы механизмов, индикацию причин аварии, индикацию ресурса механизмов;

12. Передача диспетчерской информации включает: прием команд управления от диспетчера, передачу основной информации о состоянии систем и насосных агрегатов, контроль линий связи.

5.6 УСТРОЙСТВО МИКРОПРОЦЕССОРА

Микросхема КР1816ВЕ48 представляет собой однокристальную 8-разрядную микро-ЭВМ, выполненную по МДП-технологии. Микросхема содержит основные функциональные узлы (центральный процессор, ОЗУ , многоканальный интерфейс ввода/вывода, 80-разрядный таймер/счетчик, векторную систему прерываний с приоритетом, тактовый генератор, устройство синхронизации, программную память), обеспечивающие универсальность, автономность и гибкость применений в устройствах самого различного назначения.

Микросхема содержит электрически программируемое ПЗУ (ППЗУ) с ультрафиолетовым стиранием, позволяющее пользователю самостоятельно производить запись информации в программную память и оперативно ее обновлять. Основные технические характеристики микросхемы:

- объем внутренней программной памяти 1 К;

- объем ОЗУ 64 байта;

- Максимальная тактовая частота 6 МГц.

В микро-ЭВМ предусмотрена возможность расширения памяти программ до 4 Кб., памяти данных до 384 байт и увеличения числа линий ввода/вывода за счет подключения внешних кристаллов ПЗУ, ОЗУ и интерфейсов ввода/вывода серии КР580.

Структурная схема микро-ЭВМ включает следующие узлы:

1. Арифметическое и логическое устройство (АЛУ) представляет собой параллельное 8-разрядное устройство, позволяющее выполнять арифметические, логические операции и операции сдвига над данными, представленными в двоичном коде.

2. Блок программной памяти (БПП) предназначен для записи, хранения и считывания команд, которые поступают в процессор и управляют процессом обработки информации. Блок состоит из ППЗУ (стирание которого производится с помощью ультрафиолетовых лучей через крышку с кварцевым окошком), счетчика команд, дешифратора адреса и дешифратора команд.

Счетчик команд (СК) предназначен для формирования текущего адреса местонахождения команды в программной памяти. Счетчик содержит 12 разрядов. Содержимое счетчика увеличивается после выборки каждого байта команды и может изменяться скачкообразно после выполнения команд условных и безусловных переходов, выполнения команд вызова и возврата из подпрограмм и обработки прерываний.

Дешифратор и регистр команд предназначены для записи, хранения и декодирования команд, поступающих из программной памяти. С выхода дешифратора снимаются управляющие сигналы, осуществляющие выполнение команд.

3. Оперативное запоминающее устройство предназначено для хранения данных, полученных при обработке информации. ОЗУ разбито на два банка регистров общего назначения (РОН) и восьмиуровневый 16-разрядный стек, используемый только как ОЗУ данных. Переключение между банками РОН осуществляется программным путем.

Для записи и выборки информации из ОЗУ используется два вида адресации: прямая, при которой адрес определяется содержимым РОН, указанном в команде, и косвенная, при которой место расположения адреса указывается в команде.

4. Устройство ввода/вывода служит для организации обмена информацией микро-ЭВМ с внешними устройствами. В микроЭВМ имеется 27 линий ввода/вывода, 24 из которых объединены с тремя 8-разрядными портами. Порт Р0 - двунаправленный, порты Р1, Р2 - квазидвунаправленные. Три линии ввода/вывода Т0, Т1, INT используются как входы, проверяемые командами условного перехода.

5. Устройство управления и синхронизации предназначено для выработки сигналов, обеспечивающих выполнение команд. Оно состоит из следующих узлов: генератора, формирователя внутренних тактовых сигналов, формирователей сигналов состояний и режимов работы.

6. Схема условных переходов предназначена для формирования сигналов управления для ветвления программы при выполнении команд условных переходов. Условия перехода определяются соответствующими командами. Значения признаков C, F0, F1, TT устанавливаются программно, признаков T0, T1, INT - аппаратно.

7. Таймер/счетчик предназначен для подсчета внешних событий и генерирования временных интервалов.

8. Схема прерывания предназначена для организации прерывания естественного хода программы и выполнения подпрограммы обслуживания прерываний. В микро-ЭВМ предусмотрено два вектора прерывания. Один вектор - аппаратный, второй используется и как внутренний и как внешний. Каждый из векторов может быть программно разрешен или запрещен.

Регистр состояния программы предназначен для хранения данных о состоянии микро-ЭВМ. Регистр может программно проверяться и модифицироваться весь и поразрядно. Назначение разрядов слова состояния процессора следующее:

- 0 -2 - разряды указателя стека;

- разряд 3 не используется;

- разряд 4 указывает используемый банк рабочих регистров общего назначения;

- разряд 5 - флаг пользователя, используется по команде условного перехода;

- 6 - разряд дополнительного переноса, используется для десятичной коррекции;

- разряд 7 перенос, указывающий на переполнение аккумулятора после предыдущей операции.

Микро-ЭВМ имеет набор режимов, с помощью которых осуществляется управление работой микро-ЭВМ, контроль и отладка программ, которые устанавливаются комбинацией входных и выходных сигналов:

- проверка программной памяти;

- работа с внутренней памятью;

- работа с внешней памятью;

- пошагового выполнения команд;

- программирования внутреннего ППЗУ;

- инициализация микросхемы.

С целью увеличения производительности микро-ЭВМ предусмотрено совмещение выполнения внутренних операций в одном цикле. Например, выполнение выбранной команды и подготовка следующего адреса команды производятся одновременно. Так как микро-ЭВМ содержит все элементы, необходимые для автономной работы, нет необходимости выдавать внешние управляющие сигналы, а все 27 линий ввода/вывода могут быть использованы для связи с внешними устройствами.

Система команд включает 96 команд, 68 из них - однобайтовые. В двухбайтовых командах первый байт несет информацию о коде команды, второй - является непосредственными данными или младшими разрядами адреса следующей команды. Большинство команд (53) выполняются за один машинный цикл, 43 команды (в том числе 15 однобайтовых) - за два машинных цикла.

Микросхема по входам и выходам совместима с ТТЛ-схемами. В системе можно также использовать микросхемы последовательного интерфейса ввода/вывода КР580ВВ510А, параллельного интерфейса КР580ВВ55А, контроллера клавиатура/дисплей КР580ВВ79 и другие.

Диапазон температур для нормальной работы микросхемы - от -10 до +70 градусов Цельсия, напряжение питания - 5 (+10%) В.

5.7 АППАРАТУРА АВТОМАТИЗАЦИИ ВОДООТЛИВНОЙ УСТАНОВКИ НА МИКРО-ЭВМ

Характеристики, возможности и состав функциональных узлов микро-ЭВМ КР1816ВЕ48, а также характер требований для аппаратуры автоматизации водоотливной установки делают возможным успешное использование контроллера на ее основе на шахте. Предлагаемый вариант предусматривает замену центрального блока управления (БУН) аппаратуры ВАВ на микропроцессорный контроллер на основе микро-ЭВМ. Принципиальная схема аппаратуры приведена на рисунке. Использование микропроцессорного контроллера в качестве устройства управления насосами позволит упростить обслуживание аппаратуры, ускорить процесс диагностики и ремонта, а также позволит оперативно изменять алгоритм работы системы. Все это в итоге приведет к освобождению обслуживающего персонала, что является важнейшей задачей автоматизации производственных процессов. Использование встроенного в микро-ЭВМ таймера позволяет определять заранее заданные суточные интервалы максимальной нагрузки энергосистемы и обеспечить снижение потребления электроэнергии шахтой за счет отключения двигателей насосов водоотливной установки.

Контроллер построен по блочному принципу. В состав комплекта входят пять (по одному на каждый насос) идентичных блоков управления насосами, пять блоков опроса датчиков и один общий блок сопряжения.

В состав блока управления насосом входят следующие основные узлы:

1. Центральное процессорное устройство (DDI). Формирует сигналы опроса датчиков уровня воды, реле производительности, реле давления и других, обрабатывает команды местного управления, формирует информацию местной сигнализации, а также обеспечивает дистанционное управление и сигнализацию

2. Клавиатура используется для ввода в микро-ЭВМ команд местного управления, диагностики и программирования основных режимов работы.

3. В качестве устройства местной сигнализации используется семи сегментный светодиодный индикатор и две лампы нормальной работы и режима аварии.

Блок опроса датчиков состоит из приоритетного шифратора, преобразующего сигналы с датчиков уровня воды в двоичный код и логического элемента «ИЛИ» для опроса сигналов РДВ, РПН и ТДЛ.

Управление пускателями двигателя насоса и приводами задвижек выполнено на D-триггере.

Блок сопряжения включает в себя блок питания, передатчик информации для сигнализации диспетчеру и приемник дистанционного управления. Для совместной работы нескольких блоков управления насосами в шине блока сопряжения выделена параллельная трехразрядная шина связи для взаимной координации действий блоков управления различных насосных агрегатов. Она выполнена по кольцевой схеме, то есть выход первого блока соединен со входом второго и так далее, а выход последнего соединен со входом первого.

Для составления программы работы микропроцессорного контроллера составим алгоритм действия аппаратуры автоматизации водоотливной установки. Для этого используем описание работы аппаратуры ВАВ (см. рис.).

1. Проверка режима работы установки. При включении ручного управления дальнейшее выполнение программы блокируется.

2. Проверка температуры подшипников. Если температура превышает норму, то подается предупреждающий сигнал (включается лампа ЛН) и управление передается следующему насосному агрегату. Затем выполняется пункт 12.

3. Проверка наличия верхнего уровня. При его отсутствии выполняется

пункт 13.

4. Проверка наличия аварийного уровня. При его наличии подается сигнал об аварии (включается лампа ЛА), и включается дополнительный насос.

5. Включается заливочный насос.

6. Производится выдержка времени 160 секунд.

7. Отключается заливочный насос, открывается гидравлическая задвижка и включается двигатель насосного агрегата.

8. Проверка включения двигателя насосного агрегата. При отрицательном результате выполняется пункт 14.

9. Производится выдержка времени 383 секунды.

10. Проверка наличия нормальной производительности насоса и давления в нагнетательном трубопроводе. При отрицательном результате подается предупреждающий сигнал (включается лампа ЛН), включается резервный насосный агрегат и выполняется пункт 12.

11. Задержка пока есть сигнал нижнего уровня.

12. Закрывается задвижка и останавливается насос, затем выполняется пункт1.

13. Проверка наличия нижнего уровня. При его присутствии выполняется пункт 3, при отсутствии - пункт 12.

14. Производится выдержка времени 20 минут и если двигатель насоса все еще не включился, выполняется пункт 12, иначе - пункт 9.

Алгоритм работы микро-ЭВМ в автоматическом режиме показан на блок-схеме. Вариант программы работы микро-ЭВМ КР1816ВЕ48 на языке Ассемблера приведен ниже:

#Include <Init> ; инициализация микро-ЭВМ,

; настройка портов

Start: #Include <Manual> ; переход на ручное управление

IN PI ;

ANL A,#40H ;проверка на превышение

;температуры подшипников

JNZ 1 ;

MOV A,#3H ;

OUT P2 включение ЛН и следующего

; насоса

JMP Fin

1: IN PI ;

ANL A,#3H ; проверка на ВУ

JNZ 2 ;

IN PI ;

ANL A,#80H ; проверка на НУ

JNZ 1 ;

JMP Fin ;

IN PI ;

XPL A,#3H ; проверка на АУ

JNZ 3 ;

MOV A,#2H ;

OUT P2 ; включение ЛН и следующего насоса

3: MOV A,#20H ;

OUT P2 ; включение заливочного насоса

MOV A,#A0H ;

CALL Time ; выдержка времени 160 с

CLR A ;

OUT P2 ; отключение заливочного насоса

MOV A,#40H ;

OUT P2 ; включение двигателя насоса и

; открытие задвижки

IN PI ;

ANL A,#4H ; проверка включения двигателя

JNZ 4 ;

MOV A,#14H ;

CALL Time ; задержка времени 20 мин.

ANL A,#4H ; проверка включения двигателя

JNZ 4 ;

MOV A,#2H ;

OUT P2 ; включение следующего насоса

JMP Fin ;

4: MOV A,#FFH ;

CALL Time ; задержка времени 256 с

IN PI ;

ANL A,#4H ; проверка нормальной

производительности и давления

JNZ 5 ;

MOV A,#3H ;

OUT P2 ; включение ЛН и следующего насоса

JMP Fin ;

5: IN P2 ;

ANL A,#80H ;проверка НУ

JNZ 5 ;

Fin: MOV A,#40H ;

OUT P2 ; отключение двигателя насоса

; и закрытие задвижки

JMP Start ;

5.8 РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ АППАРАТУРЫ НА ЭВМ

Расчет показателей надежности производится с целью определения и повышения надежности и эффективности системы автоматического управления, а также определения оптимальных сроков технического обслуживания.

Для расчета показателей надежности используются следующие данные:

- принципиальная схема;

- эксплуатационные требования;

- статистические данные об интенсивности отказов отдельных элементов.

Расчет производится только для центрального блока управления. Общую интенсивность отказов рассчитываем по формуле:

,

где п - число элементов входящих в блок;

к - количество элементов одной группы;

- среднестатистическая интенсивность отказов данного элемента.

В таблице 13 приведен перечень элементов блока, количество и среднестатистическая интенсивность их отказов.

Таблица 13

Вероятность безотказной работы при последовательном соединении элементов:

,

где t = 720 ч - нормативное время, в течение которого определяется вероятность безотказной работы.

5.9 МОНТАЖ И НАЛАДКА УСТРОЙСТВ

Монтаж электромеханического оборудования насосной установки (насосов, двигателей, пусковой аппаратуры, кабелей и трубопроводов) производится в соответствии с общими требованиями, предъявляемыми к электромеханическим установкам в шахте при строгом соблюдении норм и правил технической эксплуатации и выполнении правил безопасности.

Монтаж аппаратуры автоматизации производится в соответствии с прилагаемой инструкцией (руководством) по монтажу и эксплуатации. При этом пусковая аппаратура и средства автоматизации должны быть расположены в насосной камере так, чтобы обеспечивать удобство обслуживания, наименьший расход кабелей, высокую надежность работы установки.

Монтажные работы производятся в следующей последовательности:

- прокладываются заземляющие шины и подключаются к общему контуру заземления;

- подключаются корпуса аппаратов комплекса к шине заземления;

- производится прокладка кабеля от источника питания, производится разделка и подключение жил к соответствующим клеммам;

- производится подключение датчиков и пусковой аппаратуры;

- производится монтаж блоков и разводка цепей внутри шкафа, уплотнение и опечатывание дверей устройства.

Работы по монтажу должны производиться по письменному разрешению главного инженера шахты бригадой в составе не менее двух человек.

Предпусковая наладка включает следующие виды работ:

- визуальная проверка электрических соединений на отсутствие обрывов, замыканий, повреждения изоляции;

- визуальная проверка блоков на отсутствие обломов навесных элементов, отслоение печатных проводников, соединение концевых выключателей;

- протирка контактов плат и разъемов техническим спиртом;

- проверка правильности расположения и соединения блоков;

- проверка цепи питания на отсутствие короткого замыкания.

При включенном напряжении и отключенном электроприводе проверяются электрические цепи аппаратуры и ее работоспособность в целом. Имитировать пусковую аппаратуру рекомендуется активной нагрузкой до 2Вт, например лампой КМ - 24 - 35. Наладка аппаратуры и насосных агрегатов производится вначале при ручном , а затем при автоматическом управлении.

Общий контроль за эксплуатацией автоматизированных насосных установок осуществляется отделом главного механика шахты. Для ухода за этими установками выделяется специально обученный обслуживающий персонал - бригада электрослесарей. Обслуживающий персонал обязан знать конструкцию аппаратуры и принцип ее действия, не реже одного раза в сутки производить осмотр установки, производить мелкий ремонт. Не реже одного раза в месяц должна проверяться правильность работы аппаратуры при автоматическом и ручном управлении с последующей чисткой релейно-контактных элементов и электрических соединений. Раз в три месяца должна проверяться работоспособность контакторов пусковой аппаратуры. Не реже одного раза в полгода должна осуществляться проверка изоляции кабельных соединений (сопротивление изоляции должно быть не менее 1Мом). Ремонт аппаратуры автоматизации осуществляется бригадой слесарей автоматчиков во главе с бригадиром или механиком водоотлива. На каждую автоматизированную водоотливную установку оформляется паспорт, в котором отмечается дата осмотров, ревизий, с указанием неисправностей и сведений об их устранении. На основе отметок в паспорте анализируется работа установки, оценивается качество аппаратуры и ремонтов

6. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

В связи с увеличением водопритока на руднике «Каула-Котсельваара» возникла необходимость применения системы автоматического управления водоотливной установкой, которая обеспечивает бесперебойность откачки шахтных вод при минимальных затратах, а также позволяет производить преимущественное включение водоотливной установки в часы минимальной загрузки энергосистемы.