Автоматизация проветривания участка Новосибирского метрополитена Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

100 -1 80 -60

ІІ Но

!:!: 20 -

К 70-летию КАФЕДРЫ «АЭРОЛОГИЯ И ОХРАНА ТРУДА»

Н.Л. Фрейдлин

^гол, град.

Г25 1

Н.Л. Фрейдлин, 2000

-------Управляющее воздейтвие

— - — - Статическое давление .......Угол

20

15

10

5

0 і АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОВЕТРИВАНИЯ УЧАСТКА 0 НОВОС0ИБИРСКОГО МЕТРОПОЛИТЕНА 25 с

I уществующая в настоящее время дистанционная система

управления вентиляцией позволяет с диспетчерского пункта дистанционно включать, отключать и реверсировать вентиляторные агрегаты,

установленные в станционных и

перегонных вентиляционных шахтах. Недостатки подобной системы

управления очевидны:

• низкая оперативность - с момента

возникновения необходимости в изменении режима работы

вентиляторных агрегатов до отдания команды диспетчером проходят

десятки минут, что абсолютно

неприемлемо в аварийных ситуациях, когда от оперативности действий

системы управления тоннельной

вентиляции зависит жизнь людей, находящихся в аварийной зоне;

• отсутствие диагностирования -

нет постоянного контроля за

состоянием микроклимата в

подземных сооружениях и основных узлов, работающих вентиляторных агрегатов;

• низкая экономичность - при

потреблении электроэнергии на

проветривание подземных сооружений метрополитена 1 млн. кВт-ч в год на 1 км линий, около 70 %

составляют

непроизводительные потери, которых можно избежать при разумном подходе к проветриванию.

Задача повышения

эффективности

Рис. 1. Характеристики Н=Д&) для всасывающего (прямого) и

нагнетательного (обратного) режимов

вентиляционной системы

метрополитена заключается в повышении экономичности работы вентиляторных агрегатов, при выполнении требуемых норм по состоянию воздушной среды и микроклимата на станциях и в тоннелях, а также обеспечение критерия безопасной эвакуации пассажиров при пожаре или возможных террористических

актах. Разработка

автоматизированной системы

управления вентиляцией

метрополитена с использованием новых вентиляторных агрегатов, позволяет решить поставленную задачу как для вновь создаваемых, так и для существующих метрополитенов.

Использование управляемой вентиляции открывает новые возможности, т. к. изменение производительности агрегатов в зависимости от требуемой вентиляционной нагрузки позволит экономить электроэнергию, а также повысить качество микроклимата на станциях и транспортных тоннелях.

Предварительные оценки [1]

управления для решения задач вентиляции, позволяет существенно уменьшить эффект «дутья» на станциях, повысить КПД

вентиляторных агрегатов,

работающих совместно, свести к минимуму возможность попадания вентиляторов в зону неустойчивой работы (что может вызвать их поломку), а также апробировать новые экономичные вентиляционные схемы.

Вентиляторный агрегат ВВО-21р

Институтом горного дела СО РАН совместно с муниципальным унитарным предприятием

«Новосибирский метрополитен» разработан новый осевой

вентиляторный агрегат ВВО-21р. Одним из достоинств этого вентиляторного агрегата, по сравнению с широко применяемым на отечественных метрополитенах

ВОМД-24, является возможность управления углом установки лопаток рабочего колеса на ходу, т.е. без остановки вентиляторного агрегата. Таким образом, появляется возможность оперативно изменять направление проветривания, а также возможность оперативного

управления производительностью вентилятора путем изменения угла установки лопаток.

Регулируемым параметром для каждого вентиляторного агрегата является его производительность Q (м3/с), поскольку он должен обеспечить подачу требуемого количества воздуха. Регулирующим воздействием является угол & -

установки лопаток рабочего колеса. На рис. 1 представлены зависимости статического давления Н от угла установки лопаток & вентиляторного агрегата ВВО-21р для всасывающего и нагнетательного режимов.

Н, даПа

Всасывание

&, град.

Н, даПа

Нагнетание

&, град.

показывают,

использование

Среднее значение сопротивления нагрузки, определенное

экспериментально, составляет

Rнагр.= 719 • 10“2, Н-С2/м8 .

При линейной аппроксимации зависимости Н=^Щ (см. рис. 3) получаем следующие уравнения: всасывающий режим:

Н=7^ - 64,5 , Па; (1)

нагнетательный режим:

Н=9^ - 101,1 , Па. (2)

Вентиляционная сеть Анализ вентиляционной сети линии метрополитена показывает, что

При регулировании подачи

вентиляционных агрегатов

перегонной шахты изменением угла установки лопаток рабочего колеса

объектом регулирования является

«вентилятор - вентиляционная сеть перегона». Регулируемыми

величинами в такой системе являются расходы воздуха на станциях,

регулирующими воздействиями -углы поворота лопаток рабочих колес вентиляторных агрегатов.

Возмущающим воздействием в объекте является изменение

по существу вся вентиляционная сеть линии должна представляться как единая система со связанными параметрами. Однако

взаимосвязанность параметров сети соседних перегонов существенно ниже, чем взаимосвязанность внутренних параметров элементов сети перегона, и становится несущественной между

несопрягающимися перегонами. В этой связи вентиляционные сети перегонов при обоснованных допущениях можно рассматривать как автономные участки вентиляционной сети.

В качестве необходимых условий и допущений принимается:

1) на линии метрополитена используется один типоразмер вентиляторов, имеющих одинаковые расходно-напорные характеристики;

2) транспортные тоннели между станциями и на участках до перегонной вентиляционной камеры имеют близкие по значению аэродинамические сопротивления;

3) сопротивления элементов

станционных и перегонных вентиляционных камер имеют разброс параметров не более 30-40 % относительно среднего значения.

аэродинамического сопротивления вентиляционной сети от движущихся поездов и появление поршневых эффектов воздушных потоков в результате создания впереди движущегося состава зоны повышенного, а позади -

пониженного давления.

Параметры передаточных

функций объекта «вентилятор-сеть» определялись по данным натурного эксперимента. На рис. 2 представлены результаты проведения активного эксперимента по регистрации переходных процессов при изменении режима работы вентиляторного агрегата,

расположенного в вентиляционной шахте на перегоне ст. «Октябрьская» - ст. «Речной вокзал».

Поскольку на исполнительный механизм был подан сигнал ограниченной площади (импульс), а угол установки лопаток рабочего колеса изменился приблизительно линейно на конечную величину, следовательно, в первом

приближении, исполнительный

механизм можно рассматривать как интегрирующее звено с передаточной функцией:

Рис. 2. Графики переходных

функций при изменении режима работы вентиляторного агрегата, расположенного в вентиляционной шахте на перегоне ст. «Октябрьская» - ст. «Речной

вокзал»

Рис. 3. Графики переходных

процессов объекта «вентиля-тор-сеть»: 1 - Q(t) результат аппроксимации выхода объекта; 2 - Q(t) выход объекта; 3 -входное воздействие

Км (p) =

(3)

где коэффициент передачи Ким из следующего

определяется соотношения: к - А0

им ^

Г'2 АШ

•'н

(4)

где А© - изменение угла установки лопаток рабочего колеса вентилятора за время г от 14о до 20,5о, А© - 6,5 о; А и - амплитуда управляющего воздействия, А и - 2В; г - г2 - ¿1 -время интегрирования г - 0,75 с.

Тогда Км - 4,33 , град./ с-В.

Усредненный коэффициент

передачи по углу определим из статических характеристик

вентиляторного агрегата (см. табл. 1)

К = 5,48 , Па/град.

Изменению статического

давления с 63 Па до 105 Па соответствует изменение расхода воздуха от 30 м3/с до 38 м3/с. Анализ взаимного положения во времени управляющего воздействия П(г) и статического давления Н(г) , а также характера изменения угла установки лопаток рабочего колеса &(г), приведенных на рис. 4, говорят о наличии временного запаздывания в прямом канале передачи

управляющего воздействия. Таким образом, в прямой канал передачи необходимо включить передаточную функцию звена чистого запаздывания е~рт , где т - 0,5 с.

Передаточную функцию объекта управления «вентилятор-сеть»

представим в виде

а(р) _ 1

К(р) -

Н(р)

а2 Р 2

+ а1 р + а0

(5)

На рис. 3 представлены графики переходных процессов объекта «вентилятор-сеть», а также приведен график переходного процесса,

полученный в результате

аппроксимации выхода объекта решением линейного

дифференциального уравнения

второго порядка 2

Н - а2р + а1 р + а0, (6)

где а0 - 5,25 , а - 1,38, - 0,06 .

Возмущающие воздействия

На вентиляторные агрегаты, работающие в вентиляционной системе метрополитена, действуют аэродинамические возмущения,

вызываемые поршневыми эффектами от движущихся поездов.

Проведенный анализ

статистических параметров

реализаций статического давления показал, что при рассмотрении

участков реализаций длиной кратной периоду прохождения поездов

процесс можно считать

стационарным.

Верхняя существенная частота для статического давления: fв - 0,104

, Гц.

Максимум спектральной

плотности имеет место на частоте:

^ - 0,01 , Гц.

Физически максимум

спектральной плотности на частоте

^ обусловлен наличием

периодических возмущений в тоннеле, действующих с периодом 100 с . Это время совпадает с интервалом прохождения поездов по обоим тоннелям. Следует отметить, что частота ^ изменяется при изменении интенсивности движения поездов.

Периодическая составляющая возмущающего воздействия несет в себе до 65 % всей энергии процесса и может быть описана уравнением:

Нв = 120 • Sin(0.01 • t + Ф; . (7)

Система управления Реализацию АСУ вентиляцией метрополитена целесообразно

осуществлять по принципу распределенной системы управления на основе специализированной локальной вычислительной сети (ЛВС). При этом вся задача автоматизации проветривания

сооружений метрополитена

разбивается на набор подзадач автоматизации минимальных

участков вентиляционной сети, каждая из которых решается автономно локальной системой управления (ЛСУ) содержащей микропроцессорную систему

управления (МПСУ) в качестве основного средства управления и набор технических средств автоматизации (ТСА): датчики (Д) и исполнительные механизмы (ИМ).

Кроме набора ЛСУ в системе присутствует ведущая система управления (ВСУ), осуществляющая концентрацию и обработку информации, которая поступает от различных ЛСУ, а также координацию работы всех ЛСУ в составе группы.

Достоинствами такой организации управления является:

• распределение по

топологическому принципу, т. е. все ТСА, включая и МПСУ, расположены в непосредственной близости от точек снятия информации и приложения воздействия (точек автоматизации);

• функциональное разделение

системы, таким образом, повышается быстродействие отдельных систем, за счет того, что каждая ЛСУ выполняет такое количество функций, которое обеспечивает нормальное

быстродействие системы.

В качестве минимального участка автоматизации вентиляционной сети метрополитена в общем случае целесообразно принять автономный участок вентиляционной сети, в состав которого входит станция и прилегающий к ней перегон с перегонной вентиляционной шахтой. Координация работы осуществляется по каналу связи специализированной ЛВС диспетчерским пунктом, который и является ведущей системой управления для ЛСУ автономных участков автоматизации

вентиляционной сети.

Локальная система управления обеспечивает автоматизацию участка вентиляционной сети включающего в себя: перегонную вентиляционную

шахту с вентиляторными агрегатами, прилегающие к ней тоннели до станции, а также управляемое шиберное устройство в станционной вентиляционной шахте. Изменение расхода воздуха на станции осуществляется управлением

производительностью вентиляторных агрегатов на прилегающих к станции перегонах и шиберным устройством на станции.

Таким образом, минимальный состав объектов, подчиняющихся ЛСУ, следующий (см. рис. 4):

• рабочий перегонный

вентиляторный агрегат;

• резервный перегонный

вентиляторный агрегат;

• шиберное устройство станционной вентиляционной шахты;

• дополнительный вентилятор аварийной вентиляционной шахты.

Управление ЛСУ осуществляется с местного пульта управления или черед дистанционное управление с диспетчерского пункта. Также осуществляется обмен информацией о состоянии параметров микроклимата и режиме работы ЛСУ с другими ЛСУ и диспетчерским пунктом.

Основой для управления воздухораспределением на станции

этого, время регулирования не должно превышать 30-40 с. Погрешность измерения

динамического давления вентилятора составляет не менее 2-5 %. Точность поддержания заданных параметров вентилятора не должна приводить к нарушению требований эксплуатации метрополитенов. Нормативными документами [2] установлены требования к максимальной скорости течения воздуха в тоннеле, по минимальной подаче воздуха на одного пассажира - 50 м3/с и

кратности воздухообмена. Учитывая, что погрешность измерения средней

Синтезированный регулятор для системы управления вентиляторным агрегатом с инерционным исполнительным механизмом

поворота лопаток рабочего колеса был реализован в виде стоек системы управления вентиляторами (СУВ).

Анализ динамики процессов регулирования вентиляторного

агрегата (см. рис. 5) показывает, что

регулирование угла установки лопаток РК под управлением СУВ производится с достаточно хорошим качеством

процессов регулирования и соответствует технологическим

требованиям, предъявляемым к вентиляторному агрегату и СУВ. Максимальное (Ттах) и минимальное (Ттіп) время регулирования во всем диапазоне заданий составило соответственно 33 с и 14 с. Данные показатели по времени регулирования соизмеримы со временем

прохождения возмущений от "поршневого эффекта" движущихся электропоездов в метрополитене, что позволяет отслеживать и

компенсировать "поршневой эффект" в тоннельных системах с помощью данных вентиляторных агрегатов.

Анализ процессов реверсирования вентиляторного агрегата (см. рис. 6) показывает, что вентиляторный агрегат под управлением СУВ хорошо отрабатывает реверсирование и выход из режима реверса. Максимальное время реверсирования вентиляторного агрегата составило 57 с, т.е. переход в положение реверса происходит в течение 1 минуты.

Рис. 4. Структурная схема локальной системы управления

является управление

производительность перегонного вентиляторного агрегата при помощи регулятора, реализующего заданный алгоритм управления и обеспечивающий заданное качество регулирования.

Требования к системе управления

К исходным требованиям, закладываемым при проектировании системы управления

производительностью вентиляторного агрегата, относятся:

• время регулирования t (с);

• ошибка регулирования по управлению 6 (%);

• вид переходного процесса.

Время регулирования не является

строго нормируемым параметром, т. к. определяется постоянными времени исполнительного механизма и требованием к апериодичности переходного процесса. Исходя из

скорости воздуха по сечению тоннелей на практике составляет не менее 10 %, ошибка по управлению, исходя из практической погрешности измерения скорости, может составить 5-7 %.

Синтез регулятора

В первом варианте система управления создавалась для

регулирования угла установки лопаток вентиляторного агрегата с инерционным исполнительным

механизмом поворота лопаток

рабочего колеса (ЛРК), при этом в качестве метода синтеза регулятора был выбран метод большого коэффициента, достаточно простой и дающий синтезируемой системе свойство инвариантности по отношению к свойствам объекта.

Угол, град. 50

Расход

Расход заданный

— Угол_____________

- Угол "заданньїй 1 Угол заданный 2 Угол заданный 3

і 11 і і 11 і 11 і і 11 і і \уг\ і і 11 і і 11 і і 11 і 11 і і 11 і 11 і і 11 і 11 і і 11 і і 11 і 11 і 11 і і 11 I I

5 10 1^20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 ^ с

105+ 0

20 15 \

10 5 Н

0 “1 і і і і і і і і і і і і і і і і і і і г

0 15 30 45 60 X, с

Рис. 5. Регулирование угла установки лопаток в пределах 15о-25о-35о-45о

Угол, град.

Нвозм.

Несмотря на положительные результаты испытаний

вентиляторного агрегата с

инерционным исполнительным

механизмом поворота лопаток рабочего колеса, сам инерционный механизм оказался громоздким и недостаточно надежным. В связи с этим было принято решение о создании вентиляторного агрегата с

электромеханическим механизмом

поворота лопаток рабочего колеса и соответственно о проектировании новой системы управления и контроля вентиляторных агрегатов.

На рис. 7 приведена функциональная схема системы управления для объекта "вентилятор-сеть" с электромеханическим механизмом поворота лопаток рабочего колеса, синтез которой проводился на основе принципа локализации [3].

Рис. 6. Изменение угла лопаток рабочего колеса при

реверсировании

Рис. 7. Функциональная схема системы управления

Рис. 8. Результат моделирования переходного процесса в системе управления синтезированной на основе принципа локализации

Данный метод позволяет подавлять все нелинейности и нестационарности за счет глубокой отрицательной обратной связи.

Коэффициент усиления

регулятора К здесь выбирается исходя из требований к ошибке воспроизведения старшей

производной и к ошибке статики: примем К - 40 .

В законе управления, основанном на принципе локализации, используются

производные Q до третьего порядка включительно. Для их получения используется дифференцирующий фильтр третьего порядка,

параметры которого /Л , dl, d2 выбираются из условий

быстродействия и устойчивости. Примем ц - 0,01, dl - d2 - 40 .

Моделирование полученной

системы управления показало положительные результаты (см. рис. 8). Однако практика работы вентиляционной системы

метрополитена показывает, что полученные высокие показатели качества управления в реальных

условиях не требуются, поэтому возникает задача упрощения системы управления. В этом случае можно построить разомкнутую систему управления, в которой суточная производительность вентиляторных агрегатов будет изменяться в зависимости от количества пар поездов на линии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Андреев Н.С. и др. Способ регулирования тоннельной вентиляцией метрополитенов и устройство его осуществле-ния. Пол. Реш. ВНИИГПэ 4464081/03 (074548) от 25.05.89 .

2. Строительные нормы и правила. Метрополитены.

Нормы проектирования СниП ІІ-Д. 3-68. М., Стройиздат, 1969. 40 с. с ил.

1. Востриков А. С. Синтез нелинейных систем методом локализации. - Новосибирск: Изд-во Новосиб. Ун-та, 1990. - 120 с.

Фрейдин Николай Львович — аспирант, Институт горного дела Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.

МОНОГРАФИИ

Л.А. Пучков, О.В. Михеев, С.П. Казаков, В.В. Сенкус, В.А. Атрушкевич Гидротранспортные системы горнодобывающих предприятий. - 145 с.

Е.А. Козловский и др. Минерально-сырьевая база угольной промышленности. В 2-х томах. Т. 1 - 648 с., т. 2 - 448 с.

Е.А. Козловский и Минерально-сырьевые проблемы России накануне XXI века. - 271 с.

В.М. Щадов Открытая разработка сложноструктурных угольных месторождений Восточной Сибири и Дальнего Востока. 300 с.

Т> А л-ш-п

Т' 1 лП 1

7 I

Л

П о

... ^