Устройство для контроля и управления насосной установкой гидротранспортной системы

 

ОП ИСАНИЕ

ЙЗОБРЕТЕ Н ИЯ

К АВТОРСХОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву № 6?6515 (22) Заявлено 12.03.80 (21) 2896773/2?-11 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет—

Опубликовано 23.11.81. Бюллетень № 43 (51) М.К .

В 65 G 53/66

Государственный комитет (53) УДК 621.86?..82 (088.8) по делам изобретений н открытий

Дата опубликования описания 23.! 1.81 (72) Авторы изобретения

A. А. Борисов и Г. В. Мокрый

Донецкий ордена Трудового Красного Знамени полйТехяический институт (7I) Заявитель (54) УСТРОЛСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ

НАСОСНОЛ УСТАНОВКОЛ ГИДРОТРАНСПОРТНОЛ СИСТЕМЫ

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 сравнения. модель текущей скорости, подключенная к другим их

2 входам, блок .оптимизации режимов работы насоса и блоки выявления знака отклонения текущей и прогнозной скорости m критической, один из которых непосредственно, а другой через пороговый блок подключены к исполнительным органам изменения режима работы насоса и блоку оптимизации работы насоса 11).

Однако в известном устройстве ие учи тывается то, что в условиях переменного притока поступающей в зумпф гидросмеси с резтo кими изменениями как объемного ее количества, так и исходной плотности, крупности и состава твердового материала, появляется случайная составляющая плотности в канале загрузки, что снижает точность прогнозного оптимального режима трубо .провода по текущей загрузке его начального базового участка и вызывает погрешность управления поиском оптимального режима установки только по сигналам выработанных ограничений системой распределительного контроля. Кроме того, 26 в условиях неполной информации о деиствительной оптимальной производительности установки по твердому материалу пе882895 реход 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 устройство введены интеграторы, сумматор, усреднитель и вычислитель показателя качества, соединенный выходом с третьим входом блока оптимизации режима работы насоса, а входами — одним непосредственно с выхо-дом датчика расхода, а другим через усреднитель 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, иллюстрирующие 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, моделирующихх характеристики потерь напора на воде в исправных участках трубопровода 4. Входы этих моделей подключены к выходу датчика ll расхода, который установлен на базовом участке трубопровода длиной 1 аь. К этому же выходу датчика 1! подсоединена модель 12 текущей скорости, выход которой подключен к одним из входов второй группы элементов 13 — 15 сравнения, выходы которых подключены к входам логического блока 16 выявления знака отклонения «больше-меньше» текущей скорости от критической, а другие входы элементов 3 — 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- 4 .мую критическую скорость.

Входы моделей 17 — 19 соединены с соответствующими выходами элементов 5 — 7 сравнения. Вход модели 26 прогнозно" 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 иэ 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 текуи ей 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 трубопровода на интервале управления подключен к одному иэ 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 регулирующим органом 44 заборного устройства 45 с заборным трубопроводом 46.

На фиг. l 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 Кl 40, К!55, 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 време-, ни 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 0,50/о. Используя умножитель в качестве нелинейной обратной связи в ОУ, построены модели прогнозной 26 и критической скорости — 17 — 19. Погрешность

882895

20

25 зо

40

50

5$ воспроизведения эталонных .модельных характеристик не превышает 1,8%. Вычис литель 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 апроксимнрованными 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

К1УТ401 Б, 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 по мощью 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 исполнительным органам 31 и.32 блоками 30 и 34.

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

Эффективный поиск оптимальной загруз- ки 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 рсжичс на последующих его участках (н» фиг. I показаны 1 — 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, 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, моде- лирующих характеристики потерь напора исправных участков трубопровода и насоса при эталонной плотности жидкости (в частности воды), определяется отклонение действительных потерь прн текущей плотности и расходе гидросмесн от модельных потерь на воде, т. е. текущие потери, а с помощью преобразователей 20 — 22, преобразующих отклонение текущих потерь от эталонных, определяется плотность гидро- . смеси на участке, т. е. текущая загрузка участка гидросмесью.

Далее сигналы, пропорциональные плотности гидросмеси на ссютветствующих участках на текущий момент времени, поступают одновременно для последующнх преобразований в основных каналах распределенного контроля и в дополнительном информационном канале устройства.

В основных каналах по этим сигналам в преобразователях 23 — 25 вычисляется критическая скорость для участков при данной текущей плотности, выявляются узкие места по транспортному режиму и формируются управляющие сигналы координации регулирующих каналов загрузки и сгущения н режима работы блока оптимизации.

В дополнительном канале вычисляется производительность гидротранспортной системы по текущей загрузке твердым материалом на интервале ty управления блока оптнмизацни. Интервал t> управления численно равен времени Т одного цикла поиска и может устанавливаться заранее либо перестраиваться в зависимости от типа используемого блока оптимизации.

Таким образом, сигнал датчика 11 расхода, пропорциональный расходу Q . базового участка трубопровода (фиг. 1), поступает на вход моделей 8 — 10, моделирующих потери напора на воде в исправном трубопроводе каждого участка (характеристика

Н (Я), фнг. 2). С выходов моделей снимается сигнал модельных (эталонных) потерь Н» на участке, которые были бы в исправных участках трубопровода на воде прй расходе g< базового участка и исправном насосном агрегате. согласно характе882895 ристике Нф (Q) . При этом же расходе и исправном насосе, согласно кривой H„(Q) потерь на участке трубопровода при повы- . шенной плотности гидросмеси, действительные (текущие) потери, поступающие с датчиков I — 3 давления, определяются расходом и консистенцией (плотностью гидросмеси) на соответствующих участках, и равны величине Н„(для каждого участка свое значение потерь).

После сравнения модельных (эталонных) потерь H„> (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 ЬН = 15

= Нпэ — Н„, который пропорционален плотности гидросмеси при данной скорости транспортирования. Далее по функциональной зависимости плотности гидросмеси от раз--" ности потерь при данном расходе в преобразователях 20 — 22 вычисляется плотность гидросмеси, т. е. загрузка участков трубопровода.

В дополнительном канале для устране-. ния влияния высокочастотных помех в каналах связи на сигналы датчиков давле- 25 ния 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 сглажи30 вающих фильтров, на небольшом интервале времени 6; Причем интервал 8 выбран намного меньше, чем интервал управления, т, е. 8 << t>. Далее сигналы интеграторов 35 — 37 поступают на входы суммато- З5 ра 38, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный сумме интегрированных загрузок каждого участка. По этому сигналу в усреднителе 39 вычисляется средняя за интервал усреднения общая загрузка трубопровода в целом на момент времени интервала управления. При этом интервалы усреднения и управления t совЧ падают, т. е. = t>.

Выходные сигналы усреднителя 39 и датчика ll расхода поступают на соответствую- 45 щие 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. 55

Параллельно по сигналам текущей загрузки участков на выходах моделей 17 — 19 критических скоростей с помощью преобразоватслей 23 — 25, воспроизводящих зависимость критической скорости в трубопроводе от плотности (загрузки) гидросмеси при данных параметрах трубопровода, формируются сигналы, пропорциональные критической скорости V„> на каждом участке, которая должна быть обеспечена при данной его загрузке. Критические скорости

Ч„, определенные для всех участков, с помощью элементов l3 — l5 сравнения сравниваются с действительной скоростью Ч5 в трубопроводе, поступающей от датчика 11 расхода через модель l2, и сигнал, пропорциональный разности скоростей hV = V — Чу, поступает в логический блок 16 для анализа знака отклонения ЬЧ.

При V< )V„ ò. е. ЕЧ < 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 Я „.

Таким образом, в этом случае блок ЗЗ по информативному сигналу вычислителя 40 качества автоматически отыскивает оптимальный режим — максимум производительности Q, по твердому материалу — управлением дозирования через канал загрузки и скоростью через канал отвода потока в пределах, выработанных моделями ограничений скорости (Ч )Ч„) на интервале управления tq.

В случае, если хотя бы на одном из участ ков действительная скорость Vg. станет равной или меньшей критической Ч„,(Ч5 с,Чкр), т. е. возникает узкое место в транспортном режиме, то с выхода блока l6 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 огра-. ничений (поиск по одному каналу), в результате чего отключается канал загрузки блока 33 оптимизации и включается исполнительный орган 32 на уменьшение отводимого потока () х через регулирующий орган 41 для повышения скорости в трубопроводе.

Диапазон допустимого отклонения Ч5 от V устанавливается порогом срабатывания блока 34 в пределах некоторого запаса по скорости сверх критической для обеспечения требуемой надежности гидротранспорта, так что Vy = Чкр + SV, где SV — запас по скорости сверх критической; и блок 34 срабатывает при V> g

4 Ч„ +8Ч. При этом блок ЗЗ по выходному сигналу вычислителя 40 автоматически отыскивает оптимальный режим по производительности Q только управлением ско882895

10

pocTbto по олному каналу отвода. С установлением новой оптимальной производительности Q н устранением узких мест по транспортному режиму, когда для всех участков выполняется условие Ч >V p, с выхода логического блока 16 снймается сигнал запрета и блок 34 переводит блок

33 в режим поиска по двум каналам.

Если дальнейшее увеличение скорости по каналу отвода за счет уменьшения расхода слива Я л через регулируюший орган 41 станет невозможным, т. е. Qс, = О, о чем свилительствует состояние регулйруюгцего органа 41 и сохранение хотя бы на олном участке условия V> «(V сохранившийся сигнал запрета на выходе блока 16 через пороговый блок 34 переведет блок 33 в следуюшнй 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 установки управлением плотностью по каналу загрузки. После восстановления условия Ч >Ч„ для всех участков логический блок 16 снимает сигнал запрета и блок Р4 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 действительной производительности Q от оптимальной. В этом случае для оптймальной загрузки всего трубопровода в будушем 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 1? базового участка непрерывно определяется текущая загрузка участка, плотность гидросмеси и критическая скорость для данной плотности. По лействительной загрузке. базового участка в модели 26, состоящей из последовательно соелиненных модели 27 н преобразователя 28, непрерывно определяется с помощью модели 27 будущий (прогнозный) режим еп всем трубопроводе для данной загрузки. а с помошью преобразователя 28 прогнозная скорость

V„p гидросмеси, которая установится при заполнении трубопровода гилросмесью с плотностью базового участка.

Прогнозная скорость V„1, в элементе 29 сравнения сравнивается с критической скоУ«, необходн моя для базового участка прн данной его загрузке, поступающей с выхода модели l?. В. случае, если

Ч„>V„1, и V >V«, для всех участков загрузка трубопровода и поиск оптимальной производительности Яг установки осуществляется блоком 33 оптимизации по двум каналам загрузки и отвода по информационному сигналу, формируемому на выходе вычислителя 40 показателя качества, до получения условия Vq1» —— Ч„ +)V с учетом запаса скорости (нечувствительности измерительных устройств и блока 30).

В случае, если Ч„ < V, блок 30 выдает сигнал запрета, которйй переключает блок 33 на режим поиска в условиях ограничений, но уже по каналу загруэкн баэо вого участка и при отключенном канале отвода. Параллельно в дополнительном ин- формационном канале вычисляется значение показателя качества, по которому блок 33 оптимизации осуществляет управление формированием плотности гидросмеси через канал загрузки в. направлении достижения в будущем оптимальной производительности Q в пределах ограничений по скорости, выработанных распределенным контролем для прогнозного режима. Этим. исключается воэможность перегрузки трубопровода и потери транспортной способности в будущем, когда весь трубопровод заполняется гидросмесью с плотностью базового участка.

Таким образом, от начала включения устройства в работу оно осуществляет распределенный контроль участков, автоматический поиск и поддержание максимальной производительности гидротранспортной системы по твердому материалу в пределах ограничений по критическому режиму, обеспечивая оптимальную загрузку каждого участка и всего трубопровода в изменяюшихся условиях с достаточной точностью.

Использование дополнительного ннформационного канала для вычисления показателя качества загрузкн трубопровода . повышает точность управления производительностью гндротранспортной системы, так как снижает случайные составляющие погрешности управления н потерь на поиск, «рысканье» н автоколебаний, обусловленные влиянием труднопредсказуемых резкопеременных притоков. В результате снижаются дополнительные затраты энергии и ри выходе на новую производительность и при стабилизации оптимального режима в гидросистеме, а снижение интенсивности автоколебаний в поисковом и установившемся режимах обеспечивает устойчивый понск и надежность управления. Благодаря этому повышается належность работы всей. гидротранспортной системы, что приводит к сни882895

12 женив удельных материальных и энергетических затрат.

Формула изобретения

Устройство для контроля и управления насосной установкой гидротра нспортной системы по авт. св. № 676515, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и точности работы устройства при. 1 широком диапазоне возмущений, в него введены интеграторы, сумматор, усреднитель и вычислитель показателя качества, соединенный выходом с третьим входом . блока оптимизации режима работы насоса, а входа м и — одним непосредст вен но 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).

Фала.Я

Составитель Л. Цобан

Редактор Н. Ланкулич Техред А. Бойкас Корректор М. Коста

Заказ 10097/24 Тираж Â45 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений,и открытий .

l!3035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП <Патенте, г. Ужгород, ул.. Проектная, 4