book - pl - Instytut Technik Innowacyjnych EMAG

Transkrypt

CZASOPISMO NAUKOWO-TECHNICZNE
NR 2(468)
LUTY 2010
INNOWACYJNE WYROBY
PROCESY TECHNOLOGICZNE
MECHANIKA
ENERGOELEKTRONIKA
AUTOMATYKA
INFORMATYKA TECHNICZNA
TELEKOMUNIKACJA
AEROLOGIA
ZAGROŻENIA NATURALNE I BEZPIECZEŃSTWO
EKOLOGIA I OCHRONA ŚRODOWISKA
ORGANIZACJA I ZARZĄDZANIE
НОВАТОРСКИЕ ИЗДЕЛИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
МЕХАНИКА
ЭНЕРГОЭЛЕКТРОНИКА
АВТОМАТИКА
ТЕХНИЧЕСКАЯ ИНФОРМАТИКА
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЯ
АЭРОЛОГИЯ
ЕСТЕСТВЕННЫЕ ОПАСНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТЬ
ЭКОЛОГИЯ И ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
ОРГАНИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ
INNOVATIVE PRODUCTS
MANUFACTURING PROCESSES
MECHANICS
POWER ELECTRONICS
AUTOMATICS
TECHNICAL INFORMATICS
TELECOMMUNICATION
AEROLOGY
NATURAL HAZARDS AND SAFETY
ECOLOGY AND ENVIRONMENT PROTECTION
ORGANISATION AND MANAGEMENT
PL ISSN 0208-7448
Wydawca: Instytut Technik Innowacyjnych EMAG
SPIS TREŚCI nr 2
1. Analiza wrażliwości złożonego układu technologicznego
przy zmiennych charakterystykach ilościowo-jakościowych
węgla surowego
dr inż. R. Kaula
5
dr inż. J. Pielot
2. Wielokryterialna analiza wartości produkcji w przykładowym
układzie z wielokrotnym wzbogacaniem węgla
11
3. Wspomaganie monitorowania zagrożenia pożarowego
endogenicznego z wykorzystaniem modeli rozmytych
21
4. Ewolucyjny dobór parametrów regulatorów PI w układzie
sterowania polowo-zorientowanego z silnikiem pierścieniowym
dr inż. T. Grychowski
27
dr inż. W. Hudy
dr hab. inż. K. Jaracz
dr inż. A. Marek
5. Zabezpieczenia upływowe w sieciach z przemiennikami
częstotliwości w podziemiach kopalń
30
6. Diagnostyka silnika synchronicznego oparta na analizie
spektrum sygnałów akustycznych
36
7. Z życia EMAG-u
41
mgr inż. A. Głowacz
mgr inż. W. Głowacz
Rada Programowa Wydawnictw EMAG-u:
mgr inż. Marek Chagowski, prof. dr hab. inż. Stanisław Cierpisz – Przewodniczący Rady,
dr hab. inż. Piotr Czaja prof. nzw. w AGH, prof. dr hab. inż. Marian Dolipski, prof. dr hab. inż. Jerzy Frączek,
dr hab. inż. Marek Jaszczuk prof. nzw. w Pol. Śl., prof. dr hab. inż. Adam Lipowczan, dr inż. Piotr Litwa,
prof. dr hab. inż. Maciej Mazurkiewicz, prof. dr hab. inż. Bogdan Miedziński, prof. dr hab. inż. Tadeusz Orzechowski,
dr inż. Roman Pilorz doc. w Pol. Śl., doc. dr inż. Franciszek Szczucki, dr inż. Stanisław Trenczek – Sekretarz Rady,
prof. dr hab. inż. Stanisław Wasilewski, prof. dr hab. inż. Andrzej Zorychta
Komitet Redakcyjny:
Redaktor Naczelny – dr inż. Władysław Mironowicz, Sekretarz Redakcji – mgr inż. Antoni Kurzeja,
Redaktorzy działowi: mgr inż. Józef Koczwara, dr inż. Janusz Strzemiński, mgr inż. Janusz Tobiczyk,
dr inż. Stanisław Trenczek, prof. dr hab. inż. Stanisław Wasilewski, mgr inż. Piotr Wojtas,
Redaktor techniczny – mgr Urszula Gisman
Adres Redakcji: ul. Leopolda 31, 40-189 Katowice, tel. (32) 2007700, 2007570
e-mail: [email protected]
Nr 2(468) LUTY 2010
ROK XLVIII
Р. КАУЛЯ
R. KAULA
SENSITIVITY ANALYSIS OF A COMPLEX
TECHNOLOGICAL SYSTEM AT VARIABLE
QUANTITATIVE-QUALITATIVE CHARACTERISTICS
OF RAW COAL
АНАЛИЗ ДЕЛИКАТНОСТИ СЛОЖНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ПЕРЕМЕНЧИВЫХ КОЛИЧЕСТВЕННО-КАЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИКАХ
СЫРОГО УГЛЯ
A sensitivity analysis of a complex technological system for
five different quantitative-qualitative characteristics of raw
coal has been presented in the paper. Next a sensitivity analysis for optimal working point has been made assuming
a noise relating to deviations of optimal variable settings to
control the system. The analysis aimed at determining a level
of noise immunity of the accepted structure at optimum
neighbourhood.
В представленном ниже примере проведен анализ деликатности сложной технологической системы для пяти разных
количественно-качественных характеристик сырого угля.
Для оптимального пункта работы проведен анализ деликатности при допущении помех, касающихся отклонений от
оптимальных переменных настроек, управляющих системой.
Целью такого анализа было определение степени выносливости принятой структуры управления на помехи
в оптимальном окружении.
J. PIELOT
Е. ПЕЛОТ
MULTI-CRITERIA ANALYSIS OF PRODUCTION
VALUE AT EXEMPLARY MULTIPLE COAL
PREPARATION SYSTEM
МНОГОКРИТЕРИАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПРОДУКЦИИ
В ПРИМЕРНОЙ СИСТЕМЕ С МНОГОКРАТНЫМ
ОБОГАЩЕНИЕМ УГЛЯ
A number of analyses of maximum production value have
been made in a system of three two-product jigs at several
different criteria of maximisation of production of two
concentrates. A preparation system in a single jig has been
a reference system of all analyses. The optimisation
analyses have been made for hard washable feed.
В статье произведен ряд анализов максимального продукции
в системе трех двухпродуктных отсадочных машин, при
нескольких разных критериях максимизации продукции
двух концентратов. Основной системой, являющейся системой отнесения ко всем анализам, была система обогащения
в отдельной отсадочной машине. Оптимизационные анализы
были проведены для тяжело обогащаемого садива.
T. GRYCHOWSKI
Т. ГРЫХОВСКИ
FUZZY MODEL AIDED
MONITORING OF SPONTANEOUS
FIRE HAZARD
СОДЕЙСТВИЕ МОНИТОРИНГА ЕНДОГЕННОЙ ПОЖАРООПАСНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗМЫТЫХ МОДЕЛЕЙ
An application of fuzzy inference to aid in detecting spontaneous fire hazard has been presented in the paper. FuzzyPendo
program has been developed for estimation of hazard in air
flow on the basis of legal fire indexes and measuring data. A
knowledge base on algorithm has been created on the basis of
data included in regulations. Data base of membership
function has been made on the basis of information on
measurements. A model has been made which maps the
measurements of carbon monoxide concentration and CO
quantities given in value of a hazard level to improve
reliability of hazard appraisal. The schemes for fuzzy
inference operating continuously on measuring data have been
tested.
В статье представлено применение размытого заключения
для содействия в обнаружении эндогенной пожароопасности. Построена программа FuzzyPendo для оценивания степени опасности в проточной струе воздуха на основании
предписанных пожарных показателей и измерительных
данных. На основании данных, представленных в предписаниях построена основа алгоритма. На основании информации об измерениях построена база данных функции принадлежности. Построена модель, формирующая измерения
совокупности окиси и количества окиси углерода в степени
опасности, что улучшает безотказность оценки опасности.
Представлены схемы размытого заключения, непрерывно
действующие на измерительных данных.
4
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
W. HUDY
K. JARACZ
В. ХУДЫ
К. ЯРАЧ
EVOLUTIONARY PARAMETER SELECTION
IN CONTROLLERS PI IN FIELD-ORIENTED CONTROL
SYSTEMS OF A SLIP-RING MOTOR
ЭВОЛЮЦИОННЫЙ ОТБОР ПАРАМЕТРОВ РЕГУЛЯТОРОВ PI В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ
С ДВИГАТЕЛЕМ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ
Contemporary power transmission systems with induction
motors (including slip-ring motors) are produced with use of
frequency converters allowing frequently the energy recovery.
These are the systems with direct moment control or fieldoriented control. Using the evolutionary algorithm, the settings (flux, speed, electromagnetic moment, and currents) of
controllers applied in the field-oriented control system of a
slip-ring motor s211e44 were matched in this work. The learning function was a step change in rotational speed and a stepwise set of load torque during operation of the motor. The
control system has been verified by means of the
MATLAB/Simulink kit.
Современные приводные системы с индукционными двигателями (в том с фазным ротором) строены с использованием преобразователей частоты, часто с возможностью
обратного получения энергии. Это системы с непосредственным управлением моментом или с управлением полевой ориентировкой. В настоящей статье, используя эволюционный алгоритм подобраны настройки регуляторов
(струи, скорости, электромагнетического момента и тока)
в системе управления с полной ориентировкой с двигателем
с фазным ротором s211e44. Обучающей функцией было
прыжковое изменение вращательной скорости, а также
прыжковым образом заданное изменение момента нагрузки
во время работы двигателя. Систему управления проверено
при помощи пакета MATLAB/Simulink.
A. MAREK
А. МАРЕК
EARTH LEAKAGE PROTECTION DEVICES
IN NETWORKS INCLUDING FREQUENCY
CONVERTERS IN THE UNDERGROUND MINING
ПРЕДОХРАНЕНИЯ ПЕРЕД
УТЕЧКОЙ В ЦЕПЯХ С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ
ЧАСТОТЫ В ШАХТАХ
The paper presents the impact of a converter (connected directly to mine low voltage network) on operation of the central earth leakage protection devices. There has been proved
that the bipolar unit of current measurement has been needed
to be used. There has been proved a lower usability of the
direct voltage source for a double earth fault. The paper has
shown a possibility to eliminate this inconvenience by use of
triangular or rectangular measuring voltages.
В статье представлено влияние преобразователя (приложенного непосредственно к шахтной сети низкого напряжения)
на работу центральных предохранений от утечек. Показана
необходимость применения двухполюсного замера тока.
Показана уменьшенная пригодность применения источника
постоянного напряжения в случае двойного замыкания на
землю. Представлена возможность устранения этого неудобства благодаря применению попеременных измерительных
напряжений треугольной либо прямоугольной формы.
A. GŁOWACZ
W. GŁOWACZ
А. ГЛОВАЧ
В. ГЛОВАЧ
SYNCHRONOUS MOTOR DIAGNOSTICS
BASED ON ANALYSIS OF ACOUSTIC
SIGNAL SPECTRUM
An idea to investigate acoustic signals of pre-failure states
of a synchronous motor has been presented in the paper.
The processing algorithms and the algorithms of acoustic
signal analysis including the FFT algorithms and the Nearest Mean classifier with cosine distance have been applied.
Software for sound recognition has been implemented.
There have been made tests of acoustic signals emitted at
pre-failure states. The results of research have confirmed a
correct operation of the sound recognition system designed
for a synchronous motor.
ДИАГНОСТИКА СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ОСНОВАНА НА АНАЛИЗЕ СПЕКТРА АКУСТИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ
Представлена концепция исследования сигналов акустических предаварийных состояний синхронного двигателя.
Применены алгоритмы преобразования и анализа акустических сигналов, включая алгоритм FFT и клас-сификатор
Nearest Mean с косинусной метрикой. Введено программное
обеспечение для распознавания звуков. Проведены исследования акустических сигналов предаварийных состояний.
Результаты исследований подтверждает правильное действие системы опознавания звука в синхронном двигателе.
dr inż. ROMAN KAULA
Politechnika Śląska
Analiza wrażliwości złożonego układu
technologicznego przy zmiennych charakterystykach
ilościowo-jakościowych węgla surowego
W przedstawionym poniżej przykładzie przeprowadzono analizę wrażliwości złożonego układu technologicznego dla pięciu różnych charakterystyk ilościowojakościowych węgla surowego. Dla optymalnego punktu pracy przeprowadzono
analizę wrażliwości przy założeniu zakłóceń dotyczących odchyłek od optymalnych
nastaw zmiennych sterujących układem. Celem takiej analizy było określenie stopnia
odporności przyjętej struktury sterowania na zakłócenia w otoczeniu optimum.
1. WSTĘP
Procesy wzbogacania są procesami nieliniowymi,
charakterystyki węgla surowego wykazują dużą
zmienność, tym samym wartości ilościowojakościowe produktów mogą się znacznie różnić od
zadanych w przypadku zmian tych charakterystyk.
Z punktu widzenia sterowania nadrzędnego procesem
celowym jest uzyskanie wiedzy dotyczącej oddziaływania tych zmian na wielkości wejścia-wyjścia
układu. Niezwykle istotne jest także określenie
wpływu tych zmian dla nastaw parametrów w pobliżu optimum w stosunku do tych wyznaczonych dla
optymalnego punktu pracy. W rozpatrywanym poniżej przykładzie przeprowadzono analizę wrażliwości
złożonego układu technologicznego dla pięciu różnych charakterystyk wzbogacalności węgla surowego. Dla optymalnego punktu pracy przeprowadzono
analizę wrażliwości przy założeniu zakłóceń dotyczących odchyłek od optymalnych nastaw zmiennych
sterujących układem. Celem takiej analizy jest określenie stopnia odporności przyjętej struktury sterowania na zakłócenia w otoczeniu optimum.
W schemacie rozpatrywanego układu technologicznego (rys. 1) znajdują się symbole:
 strumienia węgla surowego,
 dwóch
przesiewaczy
dwuproduktowych
o wielkościach otworów sit dT1 =10 mm oraz
dT2 =1 mm,
wzbogacalnika zawiesinowego trójproduktowego
Disa o gęstościach rozdziału wz1 i wz2,
 osadzarki trójproduktowej o gęstościach rozdziału
os1 i os2,
 cyklonu wodnego o umownej gęstości rozdziału
woc,
 rozdzielacza strumienia koncentratu z osadzarki
o współczynniku rozdziału R1,
 łączenia strumieni węgla,
 strumieni wyjściowych przedstawiających produkty handlowe (Mk1, Mk2, Mk3) i odpady Mo.
Węgiel surowy klasyfikowany jest na trzy klasy
ziarnowe. Ziarna o wymiarach d > dT1 wzbogacane są
dwustopniowo we wzbogacalniku zawiesinowym,
którego koncentrat jest produktem handlowym o nazwie Mk1. Półprodukt tego wzbogacalnika jest mieszany z ziarnami nadawy o wymiarach dT2 < d < dT1, po
czym tak uzyskany materiał wzbogacany jest w osadzarce. Koncentrat z osadzarki jest dzielony na dwa
strumienie z odpowiednim współczynnikiem podziału
R1; jeden z tych strumieni stanowi produkt handlowy
Mk2, drugi strumień jest składnikiem mieszanki o nazwie Mk3. Półprodukt z osadzarki jest wzbogacany
w cyklonie wodnym; uzyskany koncentrat mieszany
jest z częścią koncentratu z osadzarki i z najdrobniejszymi, niewzbogacanymi ziarnami nadawy o wymiarach d < dT2. Tak uzyskana mieszanka węgla energetycznego stanowi produkt handlowy Mk3. Odpady
z wszystkich operacji wzbogacania są łączone i tworzą
strumień wyjściowy o nazwie Mo.

6
Węgiel surowy
wzbog. zaw. DISA
d T1
w z1
w z2
Mk1
osadzarka
os1
os2
R1
Mk2
100-R 1
d T2
cyklon wodny
cw
Mk3
Mo
Rys. 1. Schemat rozpatrywanego układu technologicznego
2. ANALIZA WRAŻLIWOŚCI W OTOCZENIU
OPTYMALNEGO PUNKTU PRACY
W poniższych rozważaniach przedstawiono wyniki analizy wrażliwości w otoczeniu optymalnego
punktu pracy układu przedstawionego na rys. 1.
Przyjęte kryterium optymalizacji związane jest
z maksymalizacją wartości produkcji o określonej
jakości produktów.
J ( x)  Cj1M k1  Cj2 M k 2  Cj3M k 3
(1)
gdzie
Cji – cena sprzedaży tony węgla i-tego produktu
handlowego, (i=1, 2, 3),
Mki – ilość (masa) i-tego produktu, Mg.
Cena węgla została wyznaczona na podstawie formuły sprzedażnej węgla kamiennego energetycznego
przedstawionej w pracy [1].
Założenia dotyczące ograniczeń na parametry
jakościowe produktów przedstawiono w tabeli 1.
Analizę przeprowadzono dla pięciu nadaw, a tym
samym dla pięciu różnych optymalnych punktów
Tabela 1
Dopuszczalne wartości parametrów produktów
Nazwa produktu
handlowego
Parametr jakościowy
Zawartość popiołu
Ak1  5%
Mk2
Ak2  7%
Mk3
Ak3  20%
Mk1
pracy układu. Nadawy, oznaczone symbolami od N1
do N5, zostały pogrupowane od najmniejszej do największej średniej zawartości popiołu.
Jako zmienne wyjściowe w modelu wrażliwości
oprócz wartości produkcji, przyjęto parametry ilościowe i jakościowe produktów handlowych. Zmiennymi wejściowymi w analizie były gęstości rozdziału
wzbogacalników (tabela 2).
Tabela 2
Oznaczenia zmiennych sterowalnych
Oznaczenie na
rys. 1
Zmienna sterowalna
w modelu wrażliwości
Wzbogacanie we wzbogacalniku zawiesinowym DISA1
zw1
S1
Wzbogacanie we wzbogacalniku zawiesinowym DISA 2
zw2
S2
Wzbogacanie w osadzarce 1
os1
S3
Wzbogacanie w osadzarce 2
os2
S4
Wzbogacanie w cyklonie
wodnym
cw
S5
Rozdzielanie
R1
S6
Operacja przeróbcza
Analiza wrażliwości dotyczyła zmian parametrów
wyjściowych układu pod wpływem zmian gęstości
rozdziału w zakresie ±Δ = 0,05 g/cm3 w stosunku
do
optymalnego
punktu
pracy
układu
3
(   opt  0,05
). Założono, że zmiany nastaw (zakłóceń) mogą wystąpić równocześnie dla
wszystkich wzbogacalników. Celem tej analizy jest
określenie stopnia odporności (wrażliwości) przyjętej
struktury technologicznej na zmiany jego parametrów
w optymalnym punkcie pracy układu.
Nr 2(468) LUTY 2010
7

{_opt}

Ni
1 _ opt
...  5 _ opt

{Mk_ opt} {Ak_ zad }
{M}
{A}
struktura technologiczna
Rys. 2. Uproszczony schemat blokowy układu nadrzędnego
z uwzględnieniem zakłóceń wielkości sterujących
Szczegółowe wyniki obliczeń optymalizacyjnych
dla rozpatrywanego układu dla dziewięciu różnych
nadaw zostały podane w pracy [6]. W tabeli 3 zamieszczono optymalne wartości parametrów rozdziału przy wzbogacaniu nadaw N1-N5. W tabeli 4
podano względne wartości produkcji, odniesione do
wartości produkcji uzyskanej przy wzbogacaniu
nadawy N1.
Tabela 3
Optymalne wartości zmiennych
dla poszczególnych nadaw w układzie z rys. 1
Zmienna
nadawa
nadawa
nadawa
nadawa
nadawa
sterowalna
N1
N2
N3
N4
N5
wz1 , g/cm3
1,900
1,900
1,900
1,900
1,838
wz2 , g/cm3
1,443
1,506
1,466
1,457
1,541
os1 , g/cm3
1,950
1,950
1,927
1,916
1,945
os2 , g/cm3
1,575
1,701
1,606
1,545
1,715
woc , g/cm3
1,950
1,945
1,945
1,949
1,950
R1 , %
89,5
75,0
63,3
4,9
1,5
Tabela 4
Względna wartość produkcji dla poszczególnych
nadaw (w stosunku do wartości produkcji
przy wzbogacaniu nadawy N1)
nadawa
nadawa
nadawa
nadawa
nadawa
N1
N2
N3
N4
N5
100,0
94,8
82,0
67,9
63,9
W celu określenia wpływu zmian nastaw parametrów rozdziału na wybrane funkcje celu przy dowolnej
kombinacji zmian tych parametrów w otoczeniu
optymalnego punktu pracy, przeprowadzono analizę
wrażliwości metodą omówioną obszernie w pracach
[2-5, 9]. W modelach wrażliwości wartości wielkości
wyjściowych odniesiono do wartości optymalnej,
którą przyjęto jako sto procent. Wyznaczono wskaźniki wrażliwości parametrów ilościowych (masy produktów) i jakościowych (zawartości popiołu). Ponieważ
parametry ilościowe i jakościowe poszczególnych
produktów się różnią, przeprowadzona operacja unormowania umożliwiła bezpośrednie porównanie otrzymanych wartości wskaźników wrażliwości dla poszczególnych wielkości wyjściowych.
Wskaźniki wrażliwości dotyczące zmienności parametrów ilościowych i jakościowych produktów
dla wszystkich rozpatrywanych nadaw przedstawiono graficznie na rys. 3-7. Wskaźniki wrażliwości
dotyczące parametru ilościowego oznaczono na
wykresach jako SM, natomiast wskaźniki wrażliwości dla zawartości popiołu produktów oznaczono
symbolem SA.
3. PODSUMOWANIE
Przeprowadzona analiza wrażliwości, w otoczeniu
optymalnego punktu pracy dla układu z rys. 1 umożliwiła sformułowanie następujących wniosków:
 wartość produkcji (funkcja celu) zmienia się nieznacznie przy założonych zmianach gęstości rozdziału wzbogacalników,
 występują duże zmiany parametrów ilościowych
i jakościowych produktów,
 wielkość tych zmian jest zróżnicowana dla poszczególnych produktów Mki,
 odchyłki te przyjmują wartości w granicach do
11% w przypadku masy (rys. 3.a) i 17% w przypadku zawartości popiołu (rys. 6.b),
8
N1
Wskaźniki wrażliwości S M
12,0
10,0
Mk1
8,0
Mk2
Mk3
6,0
J(x)
4,0
2,0
0,0
S1
S2
S3
S4
S5
Rys. 3a. Ilustracja graficzna wartości wskaźników wrażliwości SM (masy) dla przypadku N1
N1
Wskaźniki wrażliwości S A
12,0
10,0
Ak1
8,0
Ak2
6,0
Ak3
4,0
2,0
0,0
S1
S2
S3
S4
S5
Rys. 3b. Ilustracja graficzna wartości wskaźników wrażliwości SA (popiołu) dla przypadku N1
N2
2,5
2,0
Mk1
Mk2
1,5
Mk3
1,0
J(x)
0,5
0,0
S1
S2
S3
S4
S5
N2
8,0
7,0
6,0
Ak1
5,0
Ak2
4,0
Ak3
3,0
2,0
1,0
0,0
S1
S2
S3
S4
S5
Nr 2(468) LUTY 2010
9
N3
6,0
5,0
Mk1
4,0
Mk2
Mk3
3,0
J(x)
2,0
1,0
0,0
S1
S2
S3
S4
S5
N3
10,0
9,0
8,0
7,0
6,0
Ak1
Ak2
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
Ak3
S1
S2
S3
S4
S5
Wskaźniki wrażliwości S
M
N4
10,0
9,0
8,0
7,0
6,0
Mk1
Mk2
Mk3
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
J(x)
S1
S2
S3
S4
S5
N4
20,0
18,0
16,0
Ak1
14,0
12,0
10,0
8,0
6,0
Ak2
Ak3
4,0
2,0
0,0
S1
S2
S3
S4
S5
10
N5
2,5
2,0
Mk1
Mk2
1,5
Mk3
1,0
J(x)
0,5
0,0
S1
S2
S3
S4
S5
N5
9,0
8,0
7,0
Ak1
6,0
5,0
Ak2
4,0
Ak3
3,0
2,0
1,0
0,0
S1
S2
S3
S4
S5
 najbardziej odporny na zakłócenia jest produkt Mk3
będący mieszanką kilku produktów wzbogacania,
 decydujący wpływ na zmienność parametrów ilościowych i jakościowych produktów mają nastawy
gęstości rozdziału wz2 oraz os2,
 wielkość zakłóceń nie jest jednoznacznie związana z wielkością funkcji celu (nie występuje zależność im większa wartości produkcji tym większe zakłócenia),
 dla rozpatrywanej struktury technologicznej, stopień
odporności układu na zakłócenia (wrażliwość parametrów produktów) jest zależny zarówno od charakterystyk węgla surowego jak i wartości nastaw gęstości rozdziału w optymalnym punkcie pracy.
Przyjęte do analizy charakterystyki węgla surowego (nadawy N1-N5) poszeregowano względem
rosnących średnich zawartości popiołu. Na podstawie wyników analizy wrażliwości można zauważyć, że największa zmienność (wrażliwość)
występuje w przypadkach N1, N4, a najmniejsza
w przypadkach N2 i N5. Optymalne nastawy gęstości rozdziału wz2 w przypadkach N2 i N5 są
większe od wartości 1,50 g/cm 3, a w pozostałych
przypadkach są mniejsze. Analogicznie dla nastaw
gęstości rozdziału os2 wartości tych zmiennych
dla przypadków N2 i N5 jest większa od 1,60
g/cm3 dla pozostałych mniejsza.
Literatura
Blaschke W. (red.): System cen na węgiel kamienny. Przegląd
Górniczy 1991, nr 2, s. 18-26.
2. Kaula R.: Zastosowanie analizy wrażliwości w zagadnieniach
tworzenia struktur sterowania układu technologicznego na przykładzie układu technologicznego wzbogacania węgla. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2000, nr 6, s. 27-32.
3. Kaula R.: Zastosowanie modelu całkowitego wrażliwości do
określania struktury sterowań układu technologicznego przeróbki
węgla. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, nr 8 2005,
s. 38-46.
4. Kaula R., Pielot J: Wykorzystanie analizy wrażliwości do optymalnego sterowania procesów przeróbki węgla. Materiały VII
Konferencji APPK zorganizowanej przez KEiAG Pol. Śl., Kudowa Zdrój VI 2001, s. 117-126.
5. Kaula R., Pielot J.: Metoda wyznaczania optymalnej struktury
sterowań
układów
technologicznych
przeróbki
węgla.
Monografia, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2003,
Nr 47.
6. Kaula R., Pielot J: Sposób optymalnego sterowania układów
technologicznych przeróbki węgla. Sprawozdanie projektu
badawczego KBN 5T12A04123, Gliwice 2004.
7. Kaula R., Pielot J.: Zastosowanie analizy wrażliwości w układzie
technologicznym procesów przeróbki węgla. Archives of Mining
Sciences 50 (2), 2005 s. 209-225.
8. Kaula R., Pielot J.: Sposób doboru optymalnych wielkości sterujących układu technologicznego procesów przeróbki węgla.
Archives of Mining Sciences vol. 50 (3), 2005 s. 343-369.
9. Kleijnen J.P.: Sensitivity Analysis and Related Analyses: a Survey of Statistical Techniques. International Symposium Theory
and applications of Sensitivity analysis of Model Output in computer simulation. Belgirate, Italy, IX 1995.
10. Saltelli A., Chan K., Scott M.: Sensitivity Analysis. John Wiley &
Sons publishers, New York 2000.
1.
Recenzent: dr inż. Joachim Pielot
dr inż. JOACHIM PIELOT
Politechnika Śląska
Wielokryterialna analiza wartości produkcji
w przykładowym układzie
z wielokrotnym wzbogacaniem węgla
W artykule dokonano szeregu analiz maksymalnej wartości produkcji w układzie
trzech osadzarek dwuproduktowych, przy kilku różnych kryteriach maksymalizacji
produkcji dwóch koncentratów. Układem podstawowym, będącym układem odniesienia do wszystkich analiz, był układ wzbogacania w pojedynczej osadzarce. Analizy optymalizacyjne zostały dokonane dla nadawy trudno wzbogacalnej.
1. WSTĘP
Ilość i jakość produktów wzbogacania zależą od
charakterystyk wzbogacalności węgla surowego,
konfiguracji układu technologicznego przeróbki węgla i parametrów rozdziału operacji przeróbczych.
Wzbogacalniki grawitacyjne cechują się pewną
niedokładnością wzbogacania. Wynika ona z faktu,
że krzywe rozdziału mają kształt odbiegający od
idealnej krzywej, co powoduje, iż w procesie wzbogacania grawitacyjnego pojawiają się ziarna błędne.
Zastosowanie wzbogacania wielokrotnego umożliwia
uzyskanie efektu równoważnego poprawie kształtu
krzywych rozdziału pojedynczego wzbogacalnika.
W artykule [11] zostały przedstawione analizy wyników w trzech, najefektywniejszych układach, spośród
dziesięciu analizowanych, różnych konfiguracji układowych grupy dwóch lub trzech osadzarek [9]. Każdorazowo – również w niniejszym opracowaniu – układem podstawowym, będącym układem odniesienia do
wszystkich analiz, jest układ wzbogacania w pojedynczej osadzarce, a ściślej mówiąc maksymalna wartość
produkcji możliwa do osiągnięcia w tym układzie.
Na rys. 1 przedstawiono maksymalne wartości produkcji uzyskiwane przy różnych zadanych zawartościach popiołu w koncentracie z jednej osadzarki oraz
z grupy dwóch osadzarek z ponownym wzbogacaniem
koncentratu z pierwszej osadzarki (układy nazwane
odpowiednio: 1 os. oraz 2 os K w opracowaniu [9]).
Przy tej samej zadanej zawartości popiołu
w koncentracie z grupy dwóch osadzarek przy ponownym wzbogacaniu koncentratu możliwe jest
uzyskanie większej wartości produkcji tego koncentratu niż z pojedynczej osadzarki – szczególnie
w przypadku małej zadanej zawartości popiołu. Ilość
nadawy do drugiej osadzarki jest wtedy istotnie
mniejsza – rys. 8 [11] – może to zatem być mniejsza
maszyna.
2. ROZPATRYWANY UKŁAD TECHNOLOGICZNY GRUPY OSADZAREK
Na rys. 2 pokazany jest analizowany układ technologiczny wzbogacania wielokrotnego, ale bez rozdrabiania produktów przejściowych. Koncentrat 1 jest
uzyskiwany w identyczny sposób jak koncentrat
w układzie 2 os. K [11]. Jak widać z rys. 1 maksymalna wartość produkcji uzyskiwana jest przy zawartości popiołu w koncentracie 19,2%. Jak już wyżej
stwierdzono, w układzie 2 os. K [11], a w niniejszym
opracowaniu chodzi o pierwszy koncentrat, możliwe
jest uzyskanie większej wartości produkcji przy
mniejszych zadanych zawartościach popiołu w tym
koncentracie – Ak1, w stosunku do wartości produkcji
uzyskiwanej z pojedynczej osadzarki (rys. 1). Im
mniejsza zadana zawartość popiołu Ak1, tym efekt ten
– względny wzrost wartości produkcji – jest bar-
12
Względna wartoś ć produkcji, %
100
80
60
40
20
0
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
1 os.
2 os. K
Zadana zawartoś ć popiołu w koncentracie, %
Rys. 1. Maksymalne wartości produkcji odniesione do maksymalnej wartości produkcji uzyskiwanej
z jednej osadzarki przy Ak = 19,2% [11]
Nadawa
Koncentrat K1
os1
os2
Koncentrat K2
os3
Odpady
Rys. 2. Schemat układu technologicznego
Tabela 1
Charakterystyka gęstościowo-jakościowa nadawy I do osadzarki (w klasie ziarnowej 20-8 mm)
Gęstość frakcji
g/cm3
Wychód frakcji
%
< 1,30
1,30 - 1,35
1,35 - 1,40
1,40 - 1,50
1,50 - 1,60
1,60 - 1,70
1,70 - 1,80
1,80 - 1,90
1,90 - 2,00
> 2,00
Razem
12,16
17,97
10,96
8,47
7,43
7,01
3,95
4,05
2,56
25,46
100,00
Zawartość
popiołu
%
4,67
7,40
10,99
17,92
26,61
35,81
43,81
51,03
57,08
75,84
33,67
dziej istotny. Ponieważ jednak wraz ze zmniejszaniem Ak1 bezwzględna wartość produkcji maleje – i to znacząco, gdyż wychód coraz lepszego
jakościowo koncentratu istotnie maleje – dlatego
również w układzie dwóch osadzarek zachodzą
w takich przypadkach znaczne straty części palnych w odpadach.
W celu odzyskania ziarn węgla ze strumienia odpadów z dwóch pierwszych osadzarek, w układzie
Zawartość siarki
całkowitej
%
0,84
0,86
0,97
1,10
1,24
1,25
1,13
1,12
1,39
2,75
1,46
Wartość
opałowa
kJ/kg
30 680
29 630
27 300
25 750
22 550
19 160
16 210
13 560
11 330
4 420
19 960
z rys. 2 znajduje się trzecia osadzarka. Poniżej przedstawione są analizy maksymalnej wartości produkcji
przy różnych kryteriach optymalizacji. Wartość produkcji jest każdorazowo rozumiana jako suma wartości produkcji obydwu koncentratów. Nadawą do
rozpatrywanego układu z rys. 2 jest strumień węgla
surowego trudno wzbogacalnego, o wymiarach ziarn
20-8 mm; charakterystyka gęstościowo-jakościowa
podana jest w tabeli 1.
Nr 2(468) LUTY 2010
13
Prognozy efektów wzbogacania w rozpatrywanym
układzie technologicznym zostały przeprowadzone
z wykorzystaniem tablicowych modeli krzywych
rozdziału operacji wzbogacania grawitacyjnego [4],
scharakteryzowanych w monografii [3].
zostały maksymalne wartości produkcji drugiego
koncentratu K2:
3. PROGNOZY MAKSYMALNEJ WARTOŚCI
PRODUKCJI PRZY RÓŻNYCH KRYTERIACH OPTYMALIZACJI
przy ograniczeniu równościowym zawartości popiołu
w koncentracie K2:
Przedstawione niżej analizy maksymalnej wartości
produkcji dotyczą optymalizacji wielokryterialnej,
przy czym termin ten w niniejszym opracowaniu
posiada dwa znaczenia. W pierwszym znaczeniu –
i to w sensie ścisłym, literaturowym – optymalizacja
wielokryterialna dotyczy wypadkowej funkcji celu,
składającej się z kilku składników (co najmniej 2 jak
to ma tutaj miejsce), które przy określonych zmianach zmiennych decyzyjnych (sterujących) z reguły
generują przeciwstawne trendy wartości poszczególnych składników wypadkowej funkcji celu [5-7, 1215]. Drugim znaczeniem optymalizacji wielokryterialnej są obliczenia dokonywane przy różnie sformułowanych kryteriach maksymalizacji produkcji.
Jako wartość produkcji przyjęto sumę iloczynów
wychodów koncentratów i ich cen jednostkowych,
wyznaczonych z 4. wersji formuły sprzedażnej
z 2002 [2]. Jako poziom odniesienia wartości produkcji przyjęta została maksymalna wartość produkcji (traktowana jako 100%), uzyskiwana w układzie
z pojedynczą osadzarką [11].
Kryterium 1
Jest to dwuetapowe kryterium wykorzystujące metodę optymalizacji hierarchicznej [7]. W pierwszym
etapie (który jest powtórzeniem obliczeń z referatu
[11]) wyznaczone zostały maksymalne wartości produkcji pierwszego koncentratu K1:
max
( os1 , os 2 )R n
WPk1i ( os1 , os 2 )  Γ k1i ( os1 , os 2 )*Ck1i
(1)
przy ograniczeniu równościowym zawartości popiołu
w koncentracie K1:
AK1 = AK1i
(2)
przy czym AK1i kolejno przyjmowało wartości: 6, 7,
8, 9, 10, 11 i 12%.
W drugim etapie – dla każdych zadanych zawartości popiołu w koncentracie pierwszym AK1i,
a więc przy niezmiennych gęstościach rozdziału
w dwóch pierwszych osadzarkach – wyznaczone
max
( os1,  os 2 ,  os 3 )Rn
WPk 2ij ( os1 ,  os 2 ,  os 3 ) 
 Γ k 2ij ( os1,  os 2 ,  os 3 )*Ck 2ij
AK2 = AK2j
(3)
(4)
Po obydwu etapach została wyznaczona wypadkowa wartość produkcji:
WPij ( os1 ,  os 2 ,  os 3 )  WPk1i ( os1 ,  os 2 ) 
 WPk 2ij ( os1 ,  os 2 ,  os 3 )
(5)
gdzie:
WP1i – wartość produkcji koncentratu K1 przy zadanej zawartości popiołu AK1i zł/godz.,
WP2ij – wartość produkcji koncentratu K1 przy zadanych zawartościach popiołu AK1i i AK2j
zł/godz.,
 os1 ,  os 2 ,  os 3 – gęstości rozdziału w osadzarkach
g/cm3,
n
R – zakres dopuszczalnych wartości gęstości rozdziału w osadzarkach – <1,30-2,20 g/cm3,
Γ k1 , Γ k 2 – wychody koncentratów t/godz.,
Ck1, Ck2 – ceny jednostkowe koncentratów zł/t.
Oddziaływanie ograniczeń, związanych z gęstościami rozdziału w osadzarkach oraz zadanymi zawartościami popiołu w koncentratach, na funkcję
celu (funkcję maksymalnej wartości produkcji) zostało zrealizowane z wykorzystaniem zewnętrznych
funkcji kar. Omówienie algorytmu maksymalizacji
produkcji i funkcji kar jest zamieszczone w monografii [3] i referacie [8].
Rysunek 3 ilustruje uzyskane wyniki maksymalnej
wartości produkcji według przyjętego kryterium
(krzywa dla AK1 = 5,3% dotyczy kryterium 2a).
Ponieważ w drugim etapie tego kryterium gęstości
rozdziału w pierwszych dwóch osadzarkach są niezmienne (i praktycznie sobie równe – rys. 7 [11]), więc
wartość produkcji pierwszego koncentratu WPk1 jest
stała (i maksymalna w stosunku do pozostałych kryteriów) w etapie drugim. Ponieważ jednak zmienia się
wartość produkcji drugiego koncentratu WPk2, dlatego
względny udział wartości produkcji pierwszego koncentratu uWPk1 zmienia się – co zilustrowane jest na rys. 4;
udział ten został wyznaczony z zależności:
uWPk1 ( os1 ,  os 2 ,  os 3 ) 
WPk1i ( os1 ,  os 2 )
100
WPij ( os1 ,  os 2 ,  os 3 )
(6)
14
100
95
90
85
80
A k1, %
75
70
65
60
10
15
20
25
30
35
40
45
Zadana zawartoś ć popiołu w koncentracie drug im A
50
55
5,3
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
11,0
12,0
k2, %
Rys. 3. Maksymalna wartość produkcji przy różnych zadanych zawartościach popiołu dwóch koncentratów
w przypadku kryteriów 1 i 2a
100
90
Względna wartość produkcji, %
80
70
60
50
Ak 1, %
40
30
20
10
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
5,3
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
11,0
12,0
Zadana zawartość popiołu w koncentracie drugim A
k 2, %
Rys. 4. Względny udział wartości produkcji pierwszego koncentratu w całkowitej wartości produkcji
w przypadku kryteriów 1 i 2a
Z rys. 4 widać, że zwłaszcza przy małych zawartościach popiołu w pierwszym koncentracie, gdy
wartość produkcji tego koncentratu jest względnie
mała, zastosowanie dodatkowej, trzeciej osadzarki
pozwala znacząco poprawić całkowitą wartość produkcji (rys. 3), choć oczywiście przy dużej zawartości popiołu w drugim koncentracie. Wszystkie maksima na rysunku 3 (oraz dalszych rysunkach 5, 8 i 9)
uzyskiwane są przy tej samej gęstości rozdziału δos3
= 2,04 g/cm3 – takiej samej jak w układzie z pojedynczą osadzarką przy punkcie maksymalnym [11].
Dlatego w przypadku punktów maksymalnych wartości produkcji średnie ważone zawartości popiołu
w obydwu koncentratach łącznie przyjmują więc
taką samą wartość 19,2% jak w koncentracie
w układzie z pojedynczą osadzarką (rys. 1). Istotną
zaletą tego kryterium jest uzyskanie maksymalnego
wychodu pierwszego koncentratu.
Nr 2(468) LUTY 2010
15
Zastosowanie układu osadzarek pozwala na lepsze
wykorzystanie części palnych w węglu surowym,
bardziej elastyczne reagowanie na zmienną jakość
kontraktowanych koncentratów. Jest szczególnie
przydatne przy wymaganej kontraktami niskiej zawartości popiołu w produktach.
Kryterium 3
W kryterium tym zakłada się, że gęstość rozdziału
w pierwszej osadzarce przyjmuje maksymalną wartość
δos1 = 2,20 g/cm3. Ma to na celu wyeliminowanie ziarn
skały płonnej, tak, aby nie trafiały one do drugiej osadzarki – może to mieć znaczenie w przypadku dużego
udziału tych ziarn. Odpady z pierwszej osadzarki mogą
być bezpośrednio skierowane do odpadów z całego
układu (rys. 2). Maksymalizowana jest sumaryczna
wartość produkcji obydwu koncentratów:
Kryterium 2
Kryterium to, w dwóch swoich wersjach, jest pewną odmianą kryterium 1. W pierwszej wersji najpierw
przyjmuje się minimalne gęstości rozdziału w dwóch
pierwszych osadzarkach, a dalszy tok postępowania
jest identyczny jak w kryterium 1. Uzyskane wyniki
pokrywają się przy gęstości rozdziału w trzeciej osadzarce δos3< 2,04 g/cm3 z kryterium 5 (rys. 8).
W drugiej wersji (2a) poszukuje się najpierw takich
gęstości rozdziału w dwóch pierwszych osadzarkach,
aby uzyskać minimalną zawartość popiołu w pierwszym koncentracie (5,3%), a dalszy tok postępowania
jest znowu identyczny jak w kryterium 1. Wyniki dla
tego przypadku są przedstawione na rys. 3 i 4 – chodzi zawsze o pierwszą z lewej krzywą.
Wszystkie pozostałe kryteria wykorzystują metodę
ważonych sum [7], gdzie współczynnikami wagowymi są ceny jednostkowe koncentratów. Jest to
klasyczny sposób przekształcenia problemu optymalizacji wielokryterialnej w zadanie z jednym celem
[6]. Różnice pomiędzy poszczególnymi kryteriami
polegają na innych założeniach co do gęstości rozdziału w pierwszej osadzarce oraz zadanych ograniczeń zawartości popiołu w pierwszym koncentracie –
równościowych bądź nierównościowych.
max
( os 1 ,  os 2 ,  os 3 )R n
WPij ( os1 ,  os 2 ,  os 3 )  Γ k1i ( os1,  os 2 )*Ck1i
 Γ k 2ij ( os1,  os 2 ,  os 3 )*Ck 2ij
(7)
przy ograniczeniach równościowych zawartości popiołu w obydwu koncentratach, zgodnie z zależnościami (2) i (4), przy czym AK1i kolejno przyjmowała
wartości: 7, 8, 9, 10, 11 i 12%. Uzyskane wyniki
maksymalnej wartości produkcji ilustruje rys. 5.
Kryterium 4
Również w tym kryterium zakłada się, że gęstość
rozdziału w pierwszej osadzarce przyjmuje maksymalną wartość δos1 = 2,20 g/cm3. Kryterium 4 różni
się od poprzedniego tylko tym, że ograniczenie równościowe co do zawartości popiołu w pierwszym
koncentracie zostało zastąpione ograniczeniem nierównościowym:
AK1 ≤ AK1i
(8)
100
95
90
85
80
75
Ak1, %
70
65
60
10
15
20
25
30
35
40
45
50
k2,
55
7,0
8,0
9,0
10,0
11,0
12,0
%
w przypadku kryterium 3
16
100
95
90
85
80
Ak1, %
75
70
65
60
10
15
20
25
30
35
40
45
50
k2,
55
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
11,0
12,0
%
Zawartoś ć popiołu w koncentracie 1.,
%
12
11
10
9
8
Ak1, %
7
6
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
k2,
55
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
11,0
12,0
%
Rys. 7. Zawartości popiołu w koncentracie pierwszym w przypadku kryterium 5
Wyniki uzyskane tutaj nieznacznie się różnią od
uzyskanych w kolejnym kryterium.
Kryterium 5
W kryterium tym nie narzuca się wstępnie wartości
gęstości rozdziału w osadzarkach, i jest to jedyna
różnica w stosunku do kryterium poprzedniego.
Ograniczenia co do zawartości popiołu są identyczne
jak w kryterium 4 (nierównościowe dla AK1 i równościowe dla AK2).
Wyniki ilustrują kolejne dwa rysunki. Wskutek nierównościowego ograniczenia dla AK1 maksymalna wartość produkcji jest możliwa do uzyskania w szerokim
przedziale zadanych zawartości popiołu w drugim koncentracie (rys. 6), jednak należy się wtedy liczyć z odpowiednimi zmianami zawartości popiołu w pierwszym
koncentracie AK1, które zostały zobrazowane na rys. 7.
7,0
8,0
9,0
10,0
11,0
Nr 2(468) LUTY 2010
17
12,0
90
80
70
%
wartości produkcji,
Względna udział koncentrattu 1 w
60
50
40
30
Ak1,
20
%
10
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
Zadana zawartoś ć popiołu w koncentracie
drugim A k2,
%
Rys. 8. Względny udział wartości produkcji pierwszego koncentratu w całkowitej wartości produkcji
Lewostronne zmniejszanie się wartości produkcji
przy małych AK1 (rys. 6) wynika z osiągnięcia minimalnych wartości gęstości rozdziału w dwóch pierwszych osadzarkach (tak jak w kryterium 2), natomiast
prawostronne zmniejszanie się wartości produkcji
wiąże się każdorazowo z osiągnięciem dopuszczalnej
zawartości popiołu w pierwszym koncentracie AK1.
Kryterium to można interpretować w ten sposób, że
z rys. 6 można wyznaczyć przedział zawartości popiołu w drugim koncentracie AK2, w którym wartość
produkcji jest maksymalna. Dla określonej AK2 można następnie odczytać z rys. 7 jaka powinna być zawartość popiołu w pierwszym koncentracie AK1, aby
całkowita wartość produkcji była maksymalna.
Względny udział wartości produkcji pierwszego
koncentratu zmienia się, a charakter tych zmian
przedstawiono na rys. 8; udział ten został wyznaczony z zależności (6).
4. PORÓWNANIE KRYTERIÓW MAKSYMALNEJ WARTOŚCI PRODUKCJI
W tym punkcie przedstawione zostały te same wyniki obliczeń jak w p. 2, jednak zostały one zestawione według poszczególnych zadanych zawartości
popiołu w pierwszym koncentracie AK1.
Ponieważ charakter zmian maksymalnej wartości
produkcji dla wszystkich AK1 jest podobny, na rys. 9
przedstawiono wartości maksymalnej wartości produkcji tylko dla krańcowych, rozpatrywanych wartości AK1 (7 i 12%).
Wydaje się, że najbardziej przydatnym praktycznie
jest kryterium 1, zapewniające uzyskanie maksymalnego wychodu pierwszego koncentratu przy zadanej
zawartości popiołu, co może być istotne przy realizacji kontraktów handlowych. Z rys. 9 wynika jakie
zawartości popiołu należy uzyskiwać w drugim koncentracie, aby całkowita wartość produkcji była maksymalna.
W przypadku kryterium 5 – najbardziej elastycznego jeśli chodzi o nałożone ograniczenia – lewostronnie (przy małych AK1) każdorazowo wyniki pokrywają się z kryterium 2 (w wersji pierwszej), zaś prawostronnie (przy dużych AK1) z kryterium 1. Prawostronnie pokrywają się również wyniki w przypadku
kryteriów 3 i 4.
Na rys. 10 pokazane są zawartości popiołu uzyskane w pierwszym koncentracie – są one stałe
w przypadku kryteriów z ograniczeniami równościowymi: AK1= 7% (a) i AK1= 12% (b), albo
zmienne w przypadku kryteriów z ograniczeniami
nierównościowymi AK1≤ 7% (a) i AK1≤ 12% (b).
Przedstawione wyniki prognoz dotyczą niezmiennych niedokładności wzbogacania. Przedmiotem
dalszych prac będzie analiza wzbogacania w innych
grupach i w przypadku innych rodzajów wzbogacalników grawitacyjnych, o różniących się niedokładnościach wzbogacania.
1
3
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA
GÓRNICTWA
18
4
5
a)
100
ć produkcji,
%
90
80
Względna wartoś
70
60
50
10
15
20
25
30
35
Kryt.
Zadana zawartoś ć popiołu w koncentracie drugim
Ak2,
1
%
3
4
5
b)
100
ć produkcji,
%
98
96
Względna wartoś
94
92
90
15
20
25
30
35
40
45
50
55
Kryt.
Zadana zawartoś ć popiołu w koncentracie drugim
Ak2,
%
Rys. 9. Maksymalna wartość produkcji przy różnych zadanych zawartościach popiołu
dwóch koncentratów i przy różnych kryteriach maksymalizacji:
a) Ak1= 7% (Ak1≤ 7%),
b) Ak1= 12% (Ak1≤ 12%)
5. WNIOSKI
1. Procesy wzbogacania mają decydujący wpływ
na zbyt produktów handlowych. Istotnym zagadnieniem jest uzyskiwanie maksymalnej wartości produkcji z węgla surowego przy realiza-
cji różnych kontraktów handlowych. Dlatego
istotne jest poszukiwanie nowych sposobów
zwiększenia wartości produkcji.
2. W rozpatrywanym układzie technologicznym
możliwe jest uzyskanie maksymalnej wartości
produkcji przy odpowiednich kombinacjach zawartości popiołu w obydwu koncentratach.
1
Nr 2(468) LUTY 2010
3
19
4
5
a)
8,0
7,0
%
ć popiołu w koncentracie 1.,
7,5
6,5
6,0
Zawartoś
5,5
5,0
10
15
20
25
30
35
Kryt.
drugim A k2,
1
%
3
4
5
b)
13
12
Zawartoś
10
%
ć popiołu w koncentracie 1.,
11
9
8
7
6
5
15
20
25
30
35
40
45
50
55
Kryt.
drugim A k2,
%
Rys. 10. Zawartości popiołu w koncentracie pierwszym, przy różnych kryteriach maksymalizacji:
a) Ak1= 7% (Ak1≤ 7%),
b) Ak1= 12% (Ak1≤ 12%)
3. Dobór kryterium maksymalizacji oraz ograniczeń znacząco wpływa na uzyskiwane wyniki
maksymalizacji. Ograniczenia równościowe
zawartości popiołu w obydwu koncentratach
prowadzą do uzyskiwania wąskiego maksimum
wartości produkcji. Ograniczenie nierównościowe zawartości popiołu w pierwszym koncentracie umożliwia uzyskanie względnie sze-
rokich zakresów zawartości popiołu w drugim
koncentracie, przy których wartość produkcji
jest maksymalna.
4. Kryterium wykorzystujące metodę optymalizacji hierarchicznej (kryterium 1) umożliwia uzyskanie maksymalnego wychodu pierwszego
koncentratu.
20
5. Zastosowanie
wzbogacania
wielokrotnego
umożliwia uzyskanie efektu równoważnego poprawie kształtu krzywych rozdziału pojedynczego wzbogacalnika.
6. W rozpatrywanym układzie możliwe jest uzyskanie mniejszej zadanej zawartości popiołu
w pierwszym koncentracie niż w przypadku
koncentratu z pojedynczej osadzarki (rys. 1).
7.
Praca naukowa finansowana ze środków na naukę
w latach 2009-2010 jako projekt badawczy
N N524 465936
8.
9.
10.
11.
12.
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Blaschke J. (i in.): Mała Encyklopedia Inżynierii Mineralnej.
Inżynieria Mineralna, Zeszyt specjalny nr S. 4 (17) listopad 2006.
Blaschke W., Grudziński Z., Lorenz U.: Koncepcja formuły
sprzedażnej węgla kamiennego energetycznego przeznaczonego
dla energetyki zawodowej. Inżynieria mineralna, Zeszyt specjalny
nr S. 3 (10) wrzesień 2003, str. 185-193.
Cierpisz S., Pielot J.: Symulacyjne statyczne modele procesów
i układów sterowania w zakładach wzbogacania węgla. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Monografia nr 28, Gliwice 2001.
Goodman F., McCreery J.: Coal Preparation Computer Model.
Vol.I. U.S. Environmental Protection Agency, Washigton 1980.
Kaliszewski I.: Wielokryterialne podejmowanie decyzji. Obliczenia miękkie dla złożonych problemów decyzyjnych. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2008.
Michalewicz Z., Fogel D.B.: Jak to rozwiązać, czyli nowoczesna
heurystyka. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa
2006.
13.
14.
15.
16.
Ostanin A.: Informatyka z Matlabem. Wydawnictwo Politechniki
Białostockiej, Rozprawy Naukowe Nr 143, Białystok 2007.
Pielot J.: Maksymalizacja produkcji w sterowaniu procesów
przeróbki mechanicznej węgla. Materiały V Konferencji Automatyzacji Procesów Przeróbki Mechanicznej Węgla, Szczyrk, 5-8
maja 1999, str. 145-158.
Pielot J.: Wartość produkcji przy różnych konfiguracjach grupy
osadzarek dwuproduktowych. Zeszyty Naukowe Politechniki
Śląskiej nr 1765, seria Górnictwo, z. 280, Gliwice 2007, s. 345351.
Pielot J.: Analiza wzbogacania węgla we wzbogacalnikach
grawitacyjnych z recyrkulacją produktu pośredniego. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa nr 12 (443), Katowice 2007,
s. 23-30.
Pielot J.: Poprawa efektywności produkcji w strukturach o różnej
konfiguracji wzbogacalników dwuproduktowych. Mechanizacja
i Automatyzacja Górnictwa nr 1 (455), Katowice 2009, s. 32-40.
Peschel M., Riedel C.: Polioptymalizacja. Metody podejmowania
decyzji kompromisowych w zagadnieniach inżynieryjnotechnicznych. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa
1979.
Roy B.: Wielokryterialne wspomaganie decyzji. Wydawnictwa
Naukowo-Techniczne, Warszawa 1990.
Tatjewski P.: Sterowanie zaawansowane obiektów przemysłowych. Struktury i algorytmy. Akademicka Oficyna Wydawnicza
Exit, Warszawa 2003.
Trybalski K.: Optymalizacja w przeróbce kopalin. Archiwum
Górnictwa t.41: 1996, z.3, str. 371-392.
Yagun H., Shan L., Maixi L.: A Profit–Oriented Expert System
for Coal Washery Optimization. Coal Preparation 2002, 22,
p. 93–107.
Recenzent: dr inż. Roman Kaula
dr inż. TOMASZ GRYCHOWSKI
Zakład Pomiarów i Systemów Sterowania
Instytut Automatyki
Politechnika Śląska w Gliwicach
Wspomaganie monitorowania
zagrożenia pożarowego endogenicznego
z wykorzystaniem modeli rozmytych
W artykule przedstawiono zastosowanie wnioskowania rozmytego do wspomagania wykrywania zagrożenia pożarowego endogenicznego. Zbudowano program FuzzyPendo
do szacowania stopnia zagrożenia w przepływowym prądzie powietrza na podstawie
przepisowych wskaźników pożarowych oraz danych pomiarowych. Na podstawie danych ujętych w przepisach zbudowano bazę wiedzy algorytmu. Na podstawie informacji
o pomiarach zbudowano bazę danych funkcji przynależności. Zbudowano model, który
odwzorowuje pomiary stężenia tlenku oraz ilości tlenku węgla w wartości stopnia zagrożenia, co poprawia niezawodność oceny zagrożenia. Przetestowano schematy wnioskowania rozmytego działające w sposób ciągły na danych pomiarowych.
1. WPROWADZENIE
Pożary endogeniczne powstają w kopalniach węgla
kamiennego wskutek egzotermicznych przemian
fizykochemicznych substancji węglowej pozostającej
w kontakcie z powietrzem kopalnianym. Pożary te
lokalizują się zwykle w zrobach ścian zawałowych,
spękanej caliźnie węglowej, nagromadzeniach węgla
pochodzącego z obwałów wyrobisk górniczych,
a także odspojonym, drobnym węglu znajdującym się
za lub nad obudową wyrobisk chodnikowych. Pożary
endogeniczne są uciążliwe, a wskutek niedostępności
ognisk pożarowych zazwyczaj trudne do ugaszenia.
Z powyższych względów w głębinowych kopalniach
węgla jest prowadzona systematyczna ocena zagrożenia pożarami endogenicznymi [1]. Okazuje się
jednak, że dotychczas stosowane metody nie są
w pełni skuteczne, bowiem pomimo ich stosowania
nie zawsze udaje się wcześnie wykryć formujące się
ognisko pożarowe i dochodzi do powstania pożaru
endogenicznego. W wykrywaniu pożarów może pomóc automatyczna aerometria górnicza umożliwiająca ciągłą kontrolę zagrożeń aerologicznych, co pozwala określać aktualny ich poziom [2,3]. Prezentowany w artykule program FuzzyPendo może służyć
do wspomagania podejmowania decyzji o zatrzyma-
niu eksploatacji i odizolowaniu rejonu zagrożonego
pożarem ściany. W programie wykorzystano metodę
wczesnego wykrywania pożarów endogenicznych
opartą o wskaźniki przyrostu i ilości tlenku węgla,
gdyż pewną oznaką zapoczątkowania pożaru endogenicznego jest pojawienie się w powietrzu kopalnianym znikomych nawet stężeń CO [4].
2. ZASADY WCZESNEGO WYKRYWANIA
POŻARÓW ENDOGENICZNYCH W
PRZEPŁYWOWYM PRĄDZIE POWIETRZA
Zasady wczesnego wykrywania pożarów endogenicznych bazują na śledzeniu zmian składu powietrza
pobieranego okresowo w stacjach pomiarowych wczesnego wykrywania pożarów i analizowanego chromatograficznie, w celu określenia stężeń: tlenu, dwutlenku
węgla, tlenku węgla, metanu i azotu. Zgodnie z zaleceniami przepisów [5] pobierane są próby w prądach
wlotowych i wylotowych monitorowanego rejonu, a na
podstawie wyników analiz oblicza się:
 wskaźnik przyrostu tlenku węgla dla stacji wylotowych w obiegowym prądzie powietrza:
CO  CO  CO x ,
(1)
22
Tabela 1
Sposoby postępowania na podstawie wskaźników: VCO, CO
Wskaźnik ilości tlenku węgla
VCO [dm3/min] i przyrostu tlenku węgla
CO [%]
0  V’CO  10
przy
0.0010CO  0.0026
10  V’CO  20
przy
CO  0.0026
CO  0.0026 (26ppm)
będący różnicą procentowych zawartości tlenku węgla na stacjach pomiarowych wylotowej (CO) i wlotowej (COx), przy czym COx=0, jeżeli na tej stacji nie
są pobierane próby;

wskaźnik ilości tlenku węgla dla stacji wylotowych w obiegowym prądzie powietrza:
V CO  10 V  q ' CO
V CO
V  q '' CO

1000
(2)
gdzie:
VCO – wskaźnik ilości tlenku węgla w dm3/min,
V
– ilość powietrza na stacji pomiarowej
w m3/min,
q’CO – stężenie tlenku węgla na stacji pomiarowej
w % V/V,
q’’CO – stężenie tlenku węgla w ppm.
W tabeli 1 przedstawiono sposoby postępowania
w zależności od wyznaczonych wskaźników VCO
oraz CO [5].
3. AUTOMATYCZNA KONTROLA PARAMETRÓW ATMOSFERY
Automatyczna kontrola atmosfery kopalnianej
z punktu widzenia występowania CO jest prowadzona także przy użyciu systemów dyspozytorskiego
nadzoru. Rozwój systemowego monitorowania zagrożeń, a w szczególności automatycznej aerometrii
górniczej [2,3], przyczynił się do tego, że w aktualnie
obowiązujących przepisach [5] uwzględniono i dopuszczono do wczesnego wykrywania pożarów en-
Sposób postępowania.
Wzmożona obserwacja w kontrolowanym rejonie, zwiększona częstotliwość pobierania prób
powietrza kopalnianego.
Należy przystąpić do prac profilaktycznych przy
zachowaniu normalnego ruchu w zagrożonym
rejonie.
Akcja przeciwpożarowa.
dogenicznych stosowanie także systemów CO-metrii
automatycznej. CO-mierze spełniają funkcje rejestrujące i sygnalizacyjne a anemometria (pomiar prędkości przepływu powietrza) spełnia funkcje rejestrujące,
sygnalizacyjne oraz w niektórych przypadkach wyłączające urządzenia elektryczne. W ostatnich latach
coraz częściej stosuje się systemy automatycznej
kontroli atmosfery dla tzw. doraźnej profilaktyki
pożarowej, której celem jest pomiar wybranych parametrów powietrza umożliwiających wczesne wykrycie i sygnalizację objawów wystąpienia zagrożenia. Dopuszcza się automatyczną kontrolę zagrożenia
pożarowego gdy stężenie CO nie przekracza 10 ppm,
przez co unika się dużej zwłoki czasowej, która występuję podczas pobierania okresowych prób powietrza do analizy. Zwłoka czasowa pomiędzy pobraniem próby a otrzymaniem wyników analizy i dokonaniem odpowiednich obliczeń jest szacowana na
około 8 godzin [2,3]. Automatyczna CO-metria jest
szczególnie skuteczna np. w dni wolne od pracy oraz
jest skutecznym narzędziem do poprawy bezpieczeństwa załogi i ruchu zakładu górniczego [2,3].
Monitorowanie stężenia CO równocześnie z prędkością przepływającego powietrza pozwala obliczyć
wydatek tlenku węgla w kontrolowanym rejonie [6].
Przy znajomości pola przekroju wyrobiska, ilość
tlenku węgla można wyznaczyć z następującego
równania:
 (t )  v(t )
VCO (t )  0,06  A  qCO
gdzie:
 (t) [ppm]
qCO
(3)
– rejestrowany w czasie przebieg
stężenia tlenku węgla,
A [m2] – pole przekroju poprzecznego wyrobiska,
v(t ) [m/s]
– prędkość powietrza rejestrowana
w tym samym czasie w wyrobisku,
VCO (t) [l/min] – wyznaczana w czasie ilość tlenku
węgla.
Nr 2(468) LUTY 2010
23
Rys.1. Panel główny programu FuzzyPendo
Rys.2. Przepływ sygnałów w modelu rozmytym
4. BUDOWA PROGRAMU FUZZYPENDO
4.1. Algorytm programu FuzzyPendo
Na rys. 1 przedstawiono panel operatora programu
FuzzyPendo do wczesnego wykrywania pożarów endogenicznych w przepływowym prądzie powietrza.
Program pozwala na bieżącą analizę danych z urządzeń pomiarowych lub z danych zapisanych w pliku.
Wynikiem działania programu jest sugerowana decyzja (przepisowy sposób postępowania) wraz ze współczynnikiem pewności, stopniem zagrożenia i informacją o wzroście lub spadku trendu zagrożenia.
Parametry takie jak pole przekroju wyrobiska,
opóźnienie działania czy wybór danych wejściowych
należy ustawić przed uruchomieniem programu.
W oknach po lewej stronie obserwujemy trendy mierzonych parametrów atmosfery, natomiast po prawej
stronie generowany jest wynik działania programu.
Program został napisany w środowisku LabVIEW
firmy National Instruments [7].
Algorytm programu FuzzyPendo oparto na systemie wnioskowania rozmytego, w którym przepływ
sygnałów pokazano na rys. 2.
W programie FuzzyPendo zaimplementowano różne
schematy wnioskowania. Przedziały zmienności mierzonych parametrów zostały opisane jakościowo za
pomocą trapezowych oraz trójkątnych funkcji przynależności. Funkcje przynależności zostały tak dobrane,
aby ich stopnie rozgraniczenia pokrywały się z przepisowymi progami wskaźników pożarowych [5,8]. Na
rys. 3 pokazano podział zmiennej tlenek węgla na zbiory rozmyte określające stopień możliwości mierzonej
wartości stężenia gazu należącego do odpowiedniego
przedziału określonego przepisami.
Funkcje przynależności zostały dobrane doświadczalnie przy następujących założeniach:
 progi alarmowe i ostrzegawcze narzucone przepisami,
24
Tabela 2
Baza reguł modelu FuzzyPendo
Rys.3. Funkcje przynależności zmiennej tlenku węgla
 znajomość niepewności urządzeń pomiarowych do
kontroli atmosfery kopalnianej,
 zwiększenie czułości modelu (reakcja modelu na
małe przyrosty wartości wejściowych).
Podobnie opisano zmienną „ilość tlenku węgla”.
Zmienną wyjściową jaką jest „stopień zagrożenia”
podzielno na 4 zachodzące na siebie funkcje przynależności: „brak zagrożenia”, „wzmożona obserwacja”, „prace profilaktyczne” oraz „akcja ppoż”.
4.2. Baza reguł programu FuzzyPendo
W tabeli 2 przedstawiono bazę reguł modelu
FuzzyPendo, opracowaną na podstawie przepisowych
wskaźników służących do wykrywania pożarów
endogenicznych [5].
4.3. Weryfikacja działania programu FuzzyPendo
W celu weryfikacji działania programu wspomagania
wykrywania zagrożenia FuzzyPendo na wejście progra-
Lp.
„stężenie
CO”
„ilość VCO”
„sposób
postępowania”
1
„1 CO”
„1 VCO”
„brak zagrożenia”
2
„1 CO”
„2 VCO”
„prace profilaktyczne”
3
„1 CO”
„3 VCO”
„akcja p. pożarowa”
4
„2 CO”
„1 VCO”
„wzmożona obserwacja”
5
„2 CO”
„2 VCO”
„prace profilaktyczne”
6
„2 CO”
„3 VCO”
7
„3 CO”
„1 VCO”
8
„3 CO”
„2 VCO”
9
„3 CO”
„3 VCO”
-mu podano zarejestrowane w systemie dyspozytorskiego nadzoru przebiegi tlenku węgla oraz prędkości przepływu powietrza w tym samym czasie i miejscu w wyrobisku (rys. 4, rys. 5). Na rys. 4 oraz rys. 6 zaznaczono
poziomymi liniami czerwonymi przepisowe wartości
progowe obligujące służby wentylacyjne do działania.
Zaznaczono także niepewności pomiarowe (błędy systematyczne). Na rys. 7, 8, 9, 10 pokazano wyniki działania modeli rozmytych. Prędkość powietrza w wyrobisku wynosiła „około 0,7 m/s”.
Przetestowano różne schematy wnioskowania oparte na wybranych T i S-normach [8,9]. Modele opisa
no wg następującego schematu wnioskowania [8]:
np. MIN-koniunkcja, MIN-inferencja, MAXagregacja, COG-metoda wyostrzania.
Rys. 4. Przebieg wzrostu stężenia tlenku węgla w wyrobisku
Rys. 5. Przebieg prędkości przepływu powietrza w wyrobisku
Nr 2(468) LUTY 2010
25
Rys. 6. Wyznaczony przebieg ilości tlenku węgla w wyrobisku
Rys. 7. Wynik działania FuzzyPendo. Schemat: MIN-MIN-MAX-COG
Rys. 8. Wynik działania FuzzyPendo. Schemat: MIN-MIN-MAX-MOM
Rys. 9. Wynik działania FuzzyPendo. Schemat: PROD-MIN-MAX-COG
26
Rys.10. Wynik działania FuzzyPendo. Schemat: PROD-PROD-SUM-COG
5. PODSUMOWANIE
W celu poprawy niezawodności wykrywania zagrożenia pożarowego należy kontrolować wiele
parametrów atmosfery równocześnie. Przy kontroli
wieloskładnikowej mieszaniny jaką jest atmosfera
kopalniana, człowiek nie jest w stanie odpowiednio
wcześnie wykryć zagrożenia. Opracowany model
to statyczne, nieliniowe odwzorowanie między
sygnałami wejściowymi i wyjściowymi. Model
umożliwia automatyczne szacowanie stopnia oraz
szybsze rozpoznanie zagrożenia, na podstawie
zaimplementowanej wiedzy. Podwyższenie niezawodności w porównaniu z podejściem konwencjonalnym polega na kontroli tylko jednego parametru
– stopnia zagrożenia.
Jak wynika z symulacji model z metodą wyostrzania COG umożliwia płynne śledzenie trendu zagrożenia, natomiast model z wyostrzaniem typu MOM
pozwala uzyskać tylko „ostre” wartości alarmowe.
Przy wykorzystaniu T-normy PROD do agregacji
przesłanek, model reaguje na zmiany wszystkich
wejść. Użycie operatora SUM (suma nieograniczona)
– uwzględnia w procesie obliczania funkcji wynikowej wszystkie funkcje składowe z poszczególnych
reguł. Wnioskowanie takie jest bardziej „demokratyczne”. Jak widać model dokładnie w tych samych
chwilach czasu reaguje na zagrożenie określone
przepisami. Śledząc trend zagrożenia (wyjście modelu rozmytego) można przewidywać kolejne stany
zagrożenia oraz podejmować wcześniej odpowiednie
decyzje [5]. Z symulacji wynika, że wszystkie testowane modele z metodą COG dają podobne ogólne
wyniki – trudno ocenić który jest lepszy. Największe
znaczenie ma tutaj prawidłowo zbudowana baza
wiedzy a nie mechanizm wnioskowania.
Zastosowanie teorii zbiorów rozmytych, może być
użytecznym uzupełnieniem w stosunku do metod
klasycznych w systemach dyspozytorskiego nadzoru.
Prezentowany program może się stać ciekawym na-
rzędziem dla służb kopalnianych przy wspomaganiu
wykrywania pożarów endogenicznych, przy prowadzeniu komputerowych książek wczesnego wykrywania pożarów [10], bądź bieżącej analizy danych
z systemów pomiarowych. Można by zminimalizować pobieranie prób powietrza.
Przedstawiony w artykule nowy sposób wspomagania oceny zagrożenia pożarem stanowi wstępną
koncepcję ujęcia tego zagadnienia i dlatego wymaga
on dalszych badań oraz weryfikacji przemysłowej,
która mogłaby potwierdzić jego ewentualną praktyczną przydatność. Trzeba wykonać liczne testy
praktyczne, aby udowodnić prawidłowość działania
systemu we wszystkich możliwych warunkach.
Literatura
Strumiński A., Strumińska Madeja B.: Sposoby oceny procesu
powstania pożarów endogenicznych w głębinowych kopalniach
węgla, art. nr 9 str. 83-90, I Szkoła Aerologii Górniczej 1999 r.
2. Trenczek S.: Znaczenie automatycznej aerometrii górniczej
w wykrywaniu zagrożenia pożarowego. Automatyzacja i Mechanizacja Górnictwa 2006, nr 5.
3. Trenczek S.: Automatyczna aerometria górnicza dla kontroli
zagrożeń aerologicznych. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2005, nr 3.
4. Frączek R.: Aerologia górnicza. Przykłady i zadania. Wydawnictwo Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa Politechniki Śląskiej, Gliwice 2003.
5. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 r. w
sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz
specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w podziemnych zakładach górniczych. Załącznik nr 5. Zwalczanie zagrożeń
Punkt 6. Wczesne wykrywanie pożarów endogenicznych.
6. Wasilewski S., Szywacz J.: Kontrola prowadzenia robót strzałowych przy pomocy systemów CO-metrii automatycznej. 2 Szkoła
Aerologii Górniczej. Sekcja Aerologii Górniczej. Komitet Górnictwa PAN Zakopane 2002 r., art. nr 30, str. 369-380.
7. LabVIEW – środowisko programowe, strona domowa:
http://www.ni.com/labview/.
8. Piegat A.: Modelowanie i sterowanie rozmyte. Akademicka
Oficyna Wydawnicza EXIT. Warszawa 1999 r.
9. Grychowski T.: Zastosowanie logiki rozmytej do wspomagania
dyspozytora przy monitorowaniu powietrza kopalnianego. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2005, nr 11 str. 12-18.
10. Szywacz J.: Obliczenia inżynierskie w wentylacji kopalnianej.
Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2003, nr 3-4 (387) str.
30-39.
1.
Recenzent: prof. dr hab. inż. Jerzy Frączek
dr inż. WIKTOR HUDY
dr hab. inż. KAZIMIERZ JARACZ
Uniwersytet Pedagogiczny im. KEN w Krakowie
Ewolucyjny dobór parametrów regulatorów PI
w układzie sterowania polowo-zorientowanego
z silnikiem pierścieniowym
Współczesne układy napędowe z silnikami indukcyjnymi (w tym pierścieniowymi)
budowane są z wykorzystaniem przemienników częstotliwości, często z możliwością
odzyskiwania energii. Są to układy z bezpośrednim sterowaniem momentem lub ze
sterowaniem polowo-zorientowanym. W niniejszej pracy wykorzystując algorytm
ewolucyjny dobrano wartości nastaw regulatorów (strumienia, prędkości, momentu
elektromagnetycznego i prądów) w układzie sterowania polowo-zorientowanego
z silnikiem pierścieniowym s211e44. Funkcją uczącą była skokowa zmiana wartości
prędkości obrotowej oraz skokowo zadana zmiana momentu obciążenia podczas pracy silnika. Układ sterowania zweryfikowano przy pomocy pakietu
MATLAB/Simulink.
1. WSTĘP
Współczesne układy napędowe z silnikami pierścieniowymi budowane są w oparciu o przemienniki
częstotliwości. Są to układy zamknięte ze sterowaniem polowo-zorientowanym (ang. Field Oriented
Control – w skrócie FOC) lub z bezpośrednim sterowaniem momentem (ang. Direct Torque Control –
w skrócie DTC). W niniejszej pracy do analizy wybrano układ FOC [2,3,5,6].
W układzie ze sterowaniem polowym wektor prądu
stojana jest rozłożony na składowe prostokątne i1x , i1y .
Amplituda skojarzonego strumienia wirnika jest proporcjonalna do składowej i1x , natomiast moment
elektromagnetyczny wytwarzany przez silnik pierścieniowy jest proporcjonalny do składowej prądu i1y
Głównym blokiem opisywanego układu sterowania
jest blok transformacji wielkości z prostokątnego
układu 0xy wirującego z prędkością d s / dt , do
układu 0αβ związanego sztywno ze stojanem. Niezbędny do transformacji kąt  s (a dokładniej sinus
i cosinus tego kąta) otrzymuje się np. przez wykorzystanie obserwatora strumienia zbudowanego na podstawie modelu matematycznego silnika pierścieniowego [4]. Z obserwatora otrzymuje się też wartość
momentu elektromagnetycznego oraz amplitudę sko-
jarzonego strumienia wirnika silnika. Na rys. 1
przedstawiono schemat blokowy układu sterowania
FOC z silnikiem pierścieniowym.
Dobór parametrów regulatorów PI w rozpatrywanym układzie jest zadaniem trudnym. Jedną z metod
jest przedstawiona w dalszym ciągu metoda ewolucyjna wykorzystująca do optymalizacji parametrycznej odpowiedni algorytm ewolucyjny (AE) [1,2].
Rys. 1. Schemat blokowy układu sterowania FOC
z silnikiem pierścieniowym
28
a)
b)
Rys. 2. Przebieg prędkości zadanej
(a) oraz przebieg momentu obciążenia (b) w układzie sterowania FOC z silnikiem pierścieniowym
Tabela 1
Parametry algorytmu ewolucyjnego
Liczba pokoleń
Wielkość populacji
Liczba krzyżowań / pokolenie
Liczba mutacji / pokolenie
Liczba mutacji
postępowej / pokolenie
Szerokość zakresu mutacji
zwykłej
Szerokość zakresu mutacji
postępowej
Liczba punktów, w których
obliczone są kryteria (P)
Nr,i
1 000 000
200
80
80
od 30 do 100. Co każde 10 000
pokoleń liczbę tę zwiększano
od 30 co 1 do granicy 100
na pokolenie
0,4 × i-ty zakres
0,01 × i-ty zakres
150
wielkość maksymalna uzyskana
dla i-tej charakterystyki pomiarowej
W niniejszej pracy wykorzystano jedno kryterium
jakości będące sumą wartości bezwzględnych różnicy
między przebiegiem zadanym a przebiegiem otrzymanym dla bieżących wartości nastaw regulatorów
w dyskretnych momentach czasu. Funkcja oceny była
obliczana w każdej chwili czasowej, w której rozwiązywane były równania różniczkowe i całkowe. Zastosowano dwie metody selekcji [1]: metodę turnieju
oraz metodę deterministyczną w proporcjach czasowych 70% / 30%. Przebiegi prędkości zadanej oraz
momentu obciążenia, jakie realizować miał układ
sterowania, przedstawiono na rys. 2.
2. DOBÓR NASTAW REGULATORÓW PI
W UKŁADZIE FOC Z SILNIKIEM PIERŚCIENIOWYM s211e44
Dobór nastaw regulatorów polegał na jednoczesnym obliczeniu przez AE o parametrach z tabeli 1
wzmocnień regulatorów Kp,i oraz współczynników
Tp,i według wzoru (1).
AE dokonywał obliczeń wszystkich dziesięciu
parametrów. Dla każdego silnika przeprowadzono
po dziesięć niezależnych procesów ewolucji. Identyfikowane współczynniki zależne od czasów
zdwojenia wyrażają się wzorem:
T p ,i 
K p ,i
Ti ,i
, dla i = 1..5
(1)
Współczynniki Kp,i oraz Tp,i są parametrami regulatorów PIi (i = 1..5) z rys. 1. Wartości nastaw regulatorów zostały obliczone przez algorytm ewolucyjny
jednocześnie (tabela 2).
Tabela 2
Wyniki ewolucji wzmocnień regulatorów oraz
parametrów Tp.i regulatorów PI dla silnika s211e44
p
Kp,1
Kp,2
Kp,3
Kp,4
Kp,5
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
30,1
29,8
30,3
30,2
30,0
30,4
29,9
29,8
30,0
30,1
0,81
0,80
0,79
0,77
0,80
0,79
0,82
0,78
0,82
0,81
20,1
20,2
20,0
19,9
19,8
20,1
19,9
20,0
19,7
20,3
0,50
0,49
0,52
0,50
0,49
0,51
0,48
0,52
0,51
0,48
10,1
9,8
10,2
9,9
10,1
9,8
10,2
9,9
10,0
9,8
Lp.
Tp,1
Tp,2
Tp,3
Tp,4
Tp,5
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
2,00
2,01
1,98
1,99
1,99
2,01
2,02
1,97
2,02
2,00
0,051
0,050
0,049
0,052
0,048
0,052
0,049
0,051
0,050
0,048
20,1
20,2
19,7
20,0
19,9
20,0
19,7
20,1
19,8
20,1
0,09
0,09
0,09
0,11
0,08
0,11
0,10
0,10
0,09
0,10
2,99
2,98
3,01
3,02
2,97
2,96
2,96
3,00
2,99
3,02
obr
K
min 
1,47·106
1,56·106
1,49·106
1,40·106
1,61·106
1,39·106
1,42·106
1,44·106
1,45·106
1,46·106
Nr 2(468) LUTY 2010
29
Rys. 3. Przebiegi prędkości obrotowej: zadanej ‘0’ oraz odpowiadające nastawom regulatorów
reprezentowanych przez osobniki ‘4’, ‘6’ i ’7’
Na rys. 3 wykreślono przebiegi prędkości obrotowej realizowanej przez układ sterowania zadany
oznaczony jako ‘0’ oraz w układach sterowania odpowiadającym osobnikom ‘4’, ‘6’, ‘7’ o najmniejszej
wartości funkcji oceny z tabeli 2.
Jak wynika z tabeli 2 najlepszym osobnikiem jest
osobnik ‘6’ reprezentujący najbardziej optymalne
nastawy regulatorów PI w układzie sterowania
z silnikiem s211e44.
2.
3. PODSUMOWANIE
6.
Silnik s211e44 posiada dużą bezwładność, co
uniemożliwia szybkie zmiany wartości prędkości
obrotowej układu sterowania tym silnikiem. Układ
dobrze odtwarzał zadane przebiegi prędkości obrotowej i momentu obciążenia w przyjętym przedziale
dokładności obliczeń. Należy stwierdzić, że dobór
nastaw regulatorów PIi został przeprowadzony poprawnie, a otrzymane wyniki są zadowalające. Oznacza to, że zaprojektowany algorytm ewolucyjny nadaje się do określania wartości doboru nastaw regulatorów PIi w układzie sterowania polowozorientowanego z silnikiem pierścieniowym, którego
parametry modelu matematycznego są znane.
Literatura
1.
Hudy W., Jaracz K.: Porównanie identyfikacji parametrów
modelu matematycznego silnika indukcyjnego przy zastosowaniu algorytmu ewolucyjnego oraz addytywnego i multiplikatywnego wskaźnika jakości. 36 Konferencja Automatyka,
Telekomunikacja Informatyka – ATI 2008, Szczyrk 28-30 maj
2008.
3.
4.
5.
Hudy W., Jaracz K.: Dobór parametrów w układzie sterowania polowo-zorientowanego z silnikiem indukcyjnym przy zastosowaniu algorytmu ewolucyjnego. XIII Scientific Conference Computer Applications in Electrical Engineering,
ZKwE’2007 Poznań 16-18 kwiecień 2007 r., str. 281-282.
Kaźmierkowski M.P.: Porównanie metody sterowania polowozorientowanego z metodą bezpośredniej regulacji momentu
silnika klatkowego. Przegląd Elektrotechniczny 4/98, Warszawa 1998.
Orłowska-Kowalska T.: Bezczujnikowe układy napędowe
z silnikami indukcyjnymi. Oficyna Wydawnicza Politechniki
Wrocławskiej, Wrocław 2003.
Sieklucki G., Orzechowski T., Sykulski R.: Prosty sposób
optymalizacji parametrycznej w metodzie FOC dla silnika indukcyjnego. Elektrotechnika i Elektronika: półrocznik AGH –
2005 t. 24 z. 1 s. 93–99
Sieklucki G., Orzechowski T., Sykulski R.: Tuning of Speed
Loop in Indirect Field Oriented Control of Induction Motors.
W: ICCC'2003: proceedings of 4th International Carpathian
Control Conference (ICCC'2003).
Recenzent: dr hab. inż. Z. Głowacz
dr inż. ADAM MAREK
Politechnika Śląska,
Katedra Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa
Zabezpieczenia upływowe
w sieciach z przemiennikami częstotliwości
w podziemiach kopalń
W artykule przedstawiono wpływ przemiennika (załączonego bezpośrednio do sieci
kopalnianej niskiego napięcia) na pracę centralnych zabezpieczeń upływowych. Wykazano konieczność stosowania dwubiegunowego członu pomiaru prądu. Wykazano
zmniejszoną przydatność stosowania źródła stałonapięciowego w przypadku podwójnego doziemienia. Przedstawiono możliwość usunięcia tej niedogodności poprzez zastosowanie przemiennych napięć pomiarowych o kształcie trójkątnym lub
prostokątnym.
1. WSTĘP
Przepisy wymagają monitorowania stanu izolacji
w sieciach IT niskiego napięcia. Wymagania dotyczące stanu izolacji w sieciach niskiego napięcia
określają dwie normy: PN-EN 61557-8:2004 (Bezpieczeństwo elektryczne w niskonapięciowych sieciach elektroenergetycznych o napięciach przemiennych do 1 kV i stałych do 1,5 kV Urządzenia przeznaczone do sprawdzania, pomiarów lub monitorowania środków ochronnych Część 8: Urządzenia do monitorowania stanu izolacji w sieciach IT) oraz w dołowych sieciach kopalnianych PN-G-42040:1996 (Środki ochronne i zabezpieczające w elektroenergetyce
kopalnianej Zabezpieczenia upływowe Wymagania
i badania). Na podstawie przepisów dotyczących bezpieczeństwa w dołowych sieciach niskiego napięcia
wymagane jest stosowanie centralnych zabezpieczeń
upływowych (w skrócie CZU). Centralne zabezpieczenia upływowe winny działać zarówno w przypadku niesymetrycznego jak i symetrycznego obniżenia
się rezystancji doziemnej. Zabezpieczenia te budowane są jako jednoparametrowe (rezystancja izolacji
doziemnej) lub wieloparametrowe (mierzone są dodatkowo np. pojemność doziemna oraz napięcie zerowe). Zabezpieczenia te zasadniczo przeznaczone są
do kontroli sieci, do których nie są załączone przemienniki lub przekształtniki.
Zastosowanie przemienników wpływa na pracę
klasycznych zabezpieczeń upływowych niskiego
napięcia. Przykładowy (uproszczony) schemat ideowy zabezpieczenia ziemnozwarciowego w sieci
niskiego napięcia, do której podłączono układ przemiennikowy wraz z obciążeniem w postaci silnika
indukcyjnego przedstawia rysunek 1. Na schemacie
przedstawiono trzy sposoby sprzęgania układu pomiarowego z siecią:
a) poprzez rezystor dołączony do punktu zerowego
transformatora (rezystor Rp1),
b) międzyfazowe (rezystory Rp21, Rp22, Rpd),
c) trójfazowe (rezystory Rp31 – Rp33, Rpd).
Rozwiązanie pierwsze jest najkorzystniejsze
w przypadku kiedy dostępny jest punkt zerowy transformatora oraz kiedy mierzony jest jeden parametr –
rezystancja doziemna. W przypadku symetrii sieci
zasilającej, moc wydzielana na rezystorze jest niewielka. Rozwiązanie drugie może być stosowane w przypadku zabezpieczeń kilkuparametrowych (wtedy zamiast rezystorów stosowane są impedancje). Układ ten
charakteryzuje się tym, że na jego wyjściu pojawia się
duża składowa przemienna (połowa napięcia fazowego). Układ ten może być stosowany w układach jednofazowych i prądu stałego. Rozwiązanie trzecie
charakteryzuje się tym, że dla symetrycznych obciążeń doziemnych, składowa przemienna w punkcie
neutralnym jest równa zero. Niestety układ ten pobiera o 1/3 większą moc niż układ drugi.
Nr 2(468) LUTY 2010
31
+
~
~
~
=
M
3~
-
Rp1
Rp21
a)
Cd1 Cd2 Cd3
Rp22 Rp31 Rp33
Rp32
b)
c)
~
=
Rd1 Rd2 Rd3
Rd+
Rd-
Cf1 Cf2 Cf3 Rf1 Rf2 Rf3
Rpd
Lp
ip
Ep
Rb
ub
Rys. 1. Schemat ideowy zabezpieczenia ziemnozwarciowego w sieci z przemiennikiem
Napięcie pomocnicze Ep poprzez filtr dolnoprzepustowy, oparty na dławiku Lp, dołączone jest do jednego ze wspomnianych układów sprzęgających. Sygnałem wyjściowym układu jest prąd obwodu pomiarowego ip, mierzony pośrednio poprzez pomiar spadku napięcia na rezystorze Rb. Zastępczą rezystancję
doziemną wyznacza się metodą techniczną, bądź
w układzie omomierza szeregowego. Korzystniejsza
i dokładniejsza jest metoda techniczna pomiaru rezystancji doziemnej (wykorzystuje się metodę poprawnie mierzonego prądu).
Wartość rezystancji doziemnej w takim układzie
wyznacza się na podstawie zależności:
Rd 
Ep
Ip
 ( R p  Rb )
(1)
gdzie:
Rd – rezystancja doziemna,
Rp – rezystancja szeregowa.
Projektanci tego typu urządzeń zasadniczo
uwzględniają jedynie pojemności doziemne (Cd1 –
Cd3) oraz rezystancje doziemne (Rd1 – Rd3) w sieci
prądu przemiennego, natomiast nie biorą pod uwagę
problemów jakie mogą wyniknąć w czasie pracy
dołowej sieci niskiego napięcia, do której podłączono
układ przemiennikowy wraz z obciążeniem w postaci
silnika indukcyjnego. W artykule zostanie wykazane,
że tego typu układy mogą prowadzić do pojawienia
się niekorzystnych sytuacji skutkujących powstaniem
zagrożeń, które „zwykłe” CZU nie wykrywają lub
wystąpieniem zbędnych wyłączeń (pomimo, że rezystancja doziemna jest znacznie większa od rezystancji granicznej wynikającej z normy PN-G 42040).
Wspomniane problemy mogą się pojawić ze
względu na występowanie rezystancji doziemnych w
sieci prądu stałego Rd+, Rd– (za prostownikiem, a
przed falownikiem) oraz rezystancji i pojemności
doziemnych na wyjściu falownika (Rf , Cf).
2. ANALIZA PRACY ZABEZPIECZEŃ UPŁYWOWYCH W DOŁOWEJ SIECI NISKIEGO
NAPIĘCIA OBCIĄŻONEJ PRZEMIENNIKAMI
Najważniejszym zadaniem centralnego zabezpieczenia upływowego (CZU) jest jak najszybsze wykrycie pojawiającej się awarii i następnie wyłączenie
zasilania. Tego typu zabezpieczenia są bowiem stosowane nie tylko ze względu na konieczność zapewnienia ochrony przeciwporażeniowej, ale również
z konieczności przeciwdziałania zagrożeniom pożarowym i wybuchowym. W czasie normalnej pracy
zabezpieczenia upływowego poprawność jego funkcjonowania mogą zakłócać następujące czynniki:
a) stan nieustalony w sieci podczas załączania zasilania oraz obciążenia,
b) doziemienie niesymetryczne w sieci prądu zmiennego,
c) doziemienie w obwodzie prądu stałego,
d) doziemienie symetryczne na wyjściu falownika,
e) doziemienie niesymetryczne na wyjściu falownika.
W celu przeprowadzenia analizy przytoczonych sytuacji, przyjęto (na bazie schematu z rysunku 1)
uproszczony schemat zastępczy (rys. 2). Centralne
zabezpieczenie upływowe jest na nim reprezentowane przez gałąź, w skład której wchodzą rezystancje:
szeregowa Rp i pomiarowa Rb, dławik wygładzający
Lp oraz napięcie pomocnicze Ep. Stan izolacji po
32
E3h
Rp
E1~
E2~
E3~
Lp
ip
Ep
Rd1
Cd1 Rd2
Cd2 Rd3
3
5
2
1
E+
E-
Rd+
Rd-
Ef1
Ef2
Ef3
Cf1 Rf2
Cf2 Rf3
Cf3
Cd3
Rf1
Rb
4
ub
Rys. 2. Uproszczony, zastępczy schemat ideowy zabezpieczenia ziemnozwarciowego
uwzględniającego różne źródła stanów awaryjnych
E3h
a
b
Rp
Rp
E+
ip
Ep
ub
Rdz
Rb
Lp
ip
uo
Rd-
Ep
Cdz
ub
Vo
Rd+
Rp
Lp
ip
Rb
c
Vo
Ep
Rdz
Cdz Rfz
Cfz
E-
Rb
ub
Rys. 3. Uproszczony schemat zastępczy: a) dla niesymetrycznego doziemienia pojawiającego się w sieci
napięcia przemiennego, b) dla doziemienia w obwodzie stałoprądowym, c) dla doziemienia
pojawiającego się na wyjściu falownika
szczególnych faz po stronie sieci napięcia przemiennego reprezentują rezystancje doziemne Rd
i pojemności doziemne Cd. Klucze 1 oraz 2 opisują
stany załączenia (wyłączenia) grup zaworów prostownika, zaś klucze 3, 4, 5 opisują fazy, w których
wyzwalane są zawory falownika. Stan izolacji
w obwodzie stałoprądowym (szyn napięcia stałego
„+” i „–”) opisują rezystancje doziemne Rd+,- zaś stan
izolacji na wyjściu falownika – rezystancje doziemne
Rf oraz pojemności doziemne Cf. Na schemacie tym
ponadto uwzględniono pojawienie się trzeciej harmonicznej w napięciu wyjściowym prostownika.
Każde z możliwych miejsc pojawienia się doziemienia zostanie rozpatrzone osobno, bez uwzględniania stanu izolacji w pozostałych miejscach. Pozwoli to określić zależności jakie występują pomiędzy pogorszeniem się stanu izolacji w poszczególnych miejscach rozpatrywanego układu, a wynikającą z takiego stanu, zmianą poziomu bezpieczeństwa. Pozostaje też do rozstrzygnięcia, jaki wpływ
ma miejsce pojawienia się doziemienia na poprawność działania centralnego zabezpieczenia upływowego. Jak podano we wstępie, działanie centralnego
zabezpieczenia upływowego, w uproszczeniu, opiera się na kontroli napięcia występującego na boczniku pomiarowym (pośrednio prądu). Wobec tego,
pojawienie się dodatkowych doziemień w obwodzie
prądu stałego oraz na wyjściu falownika może prowadzić do sytuacji, w której zabezpieczenie nie
zadziała (pomimo, że rezystancja izolacji jest mniejsza od zakładanego normami poziomu) bądź też
może prowadzić do zbędnych wyłączeń (w sytuacji
gdy rezystancja izolacji nie przekroczyła zakładanego progu zadziałania zabezpieczenia). W pierwszym
przypadku zabezpieczenie nie spełniałoby swojego
zadania (brak zadziałania), zaś w drugim przypadku,
zbędne wyłączenia prowadziłyby do pojawienia się
zbędnych przerw w pracy (wymierne straty ekonomiczne).
Rozpatrując problematykę pojawiających się doziemień w dołowych sieciach niskiego napięcia bierze się pod uwagę przede wszystkim doziemienia
w sieci napięcia przemiennego. Takie podejście do
problemu doziemień wynika z założenia, że w takiej
sieci jest największe prawdopodobieństwo pojawienia się doziemienia (długość kabli w takiej sieci jest
znacznie większa, w porównaniu do pozostałych
miejsc, w których mogą pojawić się doziemienia).
Jeśli założymy, że doszło do niesymetrycznego doziemienia w sieci napięcia przemiennego (w układzie
z rysunku 1) to schemat zastępczy z rysunku 2 można
uprościć do postaci pokazanej na rysunku 3a:
Nr 2(468) LUTY 2010
33
Na podstawie schematu z rysunku 3a można założyć, że napięcie Vo (przy założeniu symetrii pojemności doziemnej) opisane jest zależnością:
Vo 
Ef
R2
1  dz2
X dz
(2)
gdzie:
Vo – napięcie zastępcze,
Ef – wartość skuteczna napięcia fazowego,
Rdz – zastępcza rezystancja doziemna,
Xdz – zastępcza reaktancja doziemna.
Zgodnie z zależnością (2) zastępcze napięcie Vo
maleje wraz ze wzrostem zastępczej rezystancji doziemnej. Norma PN-G-42040 przewiduje różne wartości rezystancji nastawczej zabezpieczenia dla różnych napięć zasilania. Dla sieci 1 kV wartość rezystancji nastawczej wynosi 30 k. Przy tej rezystancji
oraz symetrycznych pojemnościach doziemnych (Cd
= 1 F na fazę), napięcie to jest około 30 razy mniejsze od wartości skutecznej napięcia fazowego sieci
bądź jedynie około 2 razy mniejsze od wartości
skutecznej napięcia fazowego sieci (dla Rdz = 1 k).
Na tej podstawie można określić wartość prądu (pochodzącą od tej składowej napięcia) i jej udział
w prądzie pomiarowym ip. Wartość składowej przemiennej w prądzie pomiarowym może być wielokrotnie większa od składowej stałoprądowej (w przypadku małych rezystancji doziemnych).
Poważniejsze konsekwencje może mieć pojawienie się doziemienia w obwodzie prądu stałego (rys.
3b). Doziemienie takie może prowadzić do powstania dwóch niekorzystnych sytuacji: powstałe doziemienie może nie zostać wykryte przez CZU albo
powstałe doziemienie może prowadzić do zbędnych
wyłączeń CZU [1, 2]. Na podstawie schematu zastępczego przedstawionego na rysunku 3b, wartość
prądu pomiarowego płynącego w obwodzie pomiarowym wynosi:
Ip 
E p  E(   )
R p  Rb  Rd (    )
(3)
gdzie:
E+ lub E– – napięcie na wyjściu grupy katodowej lub
anodowej prostownika.
Z zależności tej wynika, że pojawienie się doziemienia w jednej z szyn prowadzić będzie do wielokrotnego wzrostu prądu pomiarowego ip, a tym samym CZU zadziała przy znacznie większej wartości
rezystancji doziemnej (zbędne wyłączenia). Doziemienie szyny dodatniej (rys. 3b) spowoduje zmianę
kierunku przepływu prądu pomiarowego ip i jeśli
producent CZU nie przewidział takiej sytuacji to
zabezpieczenie nie zadziała. Jeżeli dodatkowo dojdzie do doziemienia w obwodzie prądu przemiennego (prąd ip mniejszy od progu zadziałania CZU) to
zadziałanie zabezpieczenia nastąpi przy mniejszej
wypadkowej rezystancji doziemnej [1, 2].
Groźniejsze w skutkach może być pojawienie się
podwójnego doziemienia w obwodzie stałoprądowym.
W sytuacji, w której prąd pomiarowy obniży się do
wartości bliskich zeru (dla Uo bliskiego Ep), zabezpieczenie nie zadziała, pomimo obniżenia się rezystancji
doziemnej poniżej rezystancji nastawczej [1, 2].
W celu rozwiązania problemów, związanych
z wielokrotnym doziemieniem, należy zastosować
w obwodzie pomiarowym przemienne napięcia
pomocnicze Ep. Jako napięcia pomocnicze mogą
być wykorzystane napięcia o kształtach: trójkątnym i prostokątnym [1, 2]. Użycie przemiennych
napięć pomocniczych wymusza powstanie cyklicznych stanów przejściowych. W związku z tym
wymagane jest zastosowanie małej częstotliwości
źródła. Częstotliwość napięcia pomocniczego powinna być na tyle mała, aby zaniknął stan przejściowy (związany ze stałą czasową obwodu
Rp || Rd, Cf.) w czasie połowy okresu tego napięcia.
Należy przyjąć, że stan przejściowy zanika po 5 do
6 stałych czasowych obwodu. Z powyższego wynika, że okres napięcia pomiarowego powinien
wynosić 10 do 12 stałych czasowych obwodu.
Pojemności doziemne sieci mogą być różne,
w związku z tym zachodzi potrzeba adaptacji okresu napięcia pomiarowego (w celu uzyskania minimalizacji czasu zadziałania). Zabezpieczenie, wykorzystujące przemienne napięcie pomiarowe,
powinno więc być zabezpieczeniem wieloparametrowym. Dodatkowo częstotliwość sygnału pomiarowego powinna być dwa razy mniejsza od minimalnej częstotliwości wyjściowej falownika. Dla
przebiegu o kształcie prostokątnym obowiązuje:
Rd 
E p  E p
I p  I p
 ( R p  Rb )
(4)
gdzie:
Ep+ , Ep-– dodatnia, ujemna wartość napięcia pomiarowego,
Ip+ , Ip- – wartość prądu pomiarowego na końcu dodatniej, ujemnej wartości napięcia pomiarowego.
Częstotliwość źródła napięcia pomocniczego Ep
z reguły nie przekracza 0,5 Hz. Charakterystyczną
cechą (wadą) takiego rozwiązania staje się więc
34
względnie duże opóźnienie zadziałania zabezpieczenia, wynoszące nawet kilka sekund.
Doziemienie może również pojawić się na wyjściu
falownika. Podobnie, jak to miało miejsce w przypadku doziemienia w obwodzie sieci prądu przemiennego,
przy analizie skutków pojawienia się takiego doziemienia uwzględnia się zastępczą rezystancję doziemną
na wyjściu falownika Rfz oraz zastępczą pojemność
doziemną na wyjściu falownika Cfz. Schemat z rysunku 2, po uwzględnieniu pojawienia się składowej trzeciej harmonicznej w prądzie pomiarowym ip oraz zastępczego napięcia na wyjściu falownika uproszczono
do postaci schematu z rysunku 3c.
Objawy wystąpienia doziemienia na wyjściu falownika są różne i zasadniczo zależą od rodzaju doziemienia (symetryczne lub niesymetryczne) oraz
relacji zachodzącej pomiędzy zastępczą pojemnością
doziemną na wyjściu falownika a zastępczą pojemnością doziemną w sieci napięcia przemiennego.
Zależność na napięcie Vo ma analogiczną postać jak
w przypadku wystąpienia doziemienia w sieci napięcia przemiennego:
Z załączonych badań symulacyjnych obrazujących
stan załączenia zabezpieczenia do sieci o parametrach zastępczych Rdz i Cdz (rys. 4) wynika, że po 70
ms doszłoby do zadziałania CZU (wyłączenia), nawet
gdyby rezystancja doziemna wynosiła Rdz = 45 k.
Vo 
E fal
1
R 2fz
(5)
X 2fz
gdzie:
Efal – wartość skuteczna napięcia fazowego na wyjściu falownika.
Należy jednak zauważyć, że napięcie Vo jest w tym
przypadku zależne nie tylko od zastępczej rezystancji
doziemnej Rfz oraz pojemności doziemnej Cfz, ale
również od amplitudy i częstotliwości napięcia wyjściowego falownika Efal (w przypadku doziemienia
w sieci prądu przemiennego f = 50 Hz, a Ef = Un).
3. BADANIA SYMULACYJNE
Analizę zagrożeń, powstałych w wyniku możliwości pojawienia się doziemień w różnych miejscach
elementów zasilania odbiorników w podziemiach
kopalń, przeprowadzono w oparciu o model układu
przedstawionego na rysunku 1.
W pierwszej kolejności wykonano symulację
podania napięcia do sieci o dużej pojemności doziemnej wraz z CZU (rys. 4).
Zgodnie z normą, dla sieci 1 kV, przy rezystancji
doziemnej Rdz = 1 k oraz pojemności doziemnej Cdz
= 3 F czas zadziałania centralnego zabezpieczenia
upływowego (CZU) powinien być krótszy od 70 ms.
Rys. 4. Przebiegi napięć czujnika prądu ub dla:
Rdz=1 k i Cdz=3 F, Rdz=30 k i Cdz=3 F,
Rdz=45 k i Cdz=3 F, Rdz=45 k i Cdz=1,5 F
W kolejnym etapie przeprowadzono badania
związane z możliwością pojawienia się podwójnych
doziemień. Pojawienie się nawet dużej rezystancji
doziemnej (znacznie większej od rezystancji nastawczej) po stronie napięcia stałego powoduje niepotrzebne zadziałanie CZU (w przypadku, gdy
układ reaguje na oba kierunki przepływu prądu pomiarowego). Podwyższenie napięcia pomocniczego
zwiększa wartość prądu pomiarowego dla doziemienia w sieci napięcia przemiennego, ale jednocześnie, w przypadku zmienności napięcia stałego
(charakterystycznej dla sterowanych układów przekształtnikowych), poszerza się strefa, w której zabezpieczenie nie zadziała. Wystąpienie podwójnego
doziemienia po stronie napięcia stałego może skutkować brakiem zadziałania zabezpieczenia CZU
nawet, gdyby układ reagował na oba kierunki przepływu prądu pomiarowego ip.
Na funkcjonowanie zabezpieczenia CZU mają także wpływ doziemienia pojawiające się na wyjściu
falownika. Objawy wystąpienia takich doziemień
uzależnione są od charakteru doziemienia (doziemienie symetryczne lub niesymetryczne) oraz relacji
występującej pomiędzy zastępczą pojemnością doziemną w obwodzie prądu przemiennego Cdz a zastępczą pojemnością doziemną na wyjściu falownika
Cfz. Przypadek doziemienia jednej z faz na wyjściu
falownika (doziemienie niesymetryczne) oraz dla Cdz
> Cfz (czyli tak jak to ma zazwyczaj miejsce) obrazuje rysunek 5. Konsekwencją zaistnienia takiego doziemienia jest wzrost udziału trzeciej harmonicznej
Nr 2(468) LUTY 2010
(150 Hz) oraz pojawienie się składowej o częstotliwości wyjściowej falownika (10 Hz) w przebiegu
napięcia na boczniku pomiarowym. W przypadku
odwrócenia relacji pomiędzy Cdz i Cfz, tzn. Cdz < Cfz
w przebiegu napięcia na boczniku pomiarowym,
a tym samym prądzie pomiarowym ip, uwidacznia się
wzrost udziału trzeciej harmonicznej w stanie normalnej pracy zabezpieczenia CZU.
Rys. 5. Przebiegi napięć: międzyprzewodowego u,
fazowego uf oraz czujnika prądu ub przy pojawieniu
się niesymetrycznego doziemienia na wyjściu
falownika dla Rf1=1 k i Cdz1 > Cfz1
Rys. 6. Przebiegi napięć: fazowych uf1, uf2, uf3 oraz
czujnika prądu ub przy pojawieniu się symetrycznego
doziemienia na wyjściu falownika
dla Rf1=3 k, Cdz1 > Cfz1
Zwiększenie pojemności doziemnej Cdz w obwodzie napięcia przemiennego (w porównaniu do przypadku z rysunku 5) przyczynia się do ograniczenia
udziału trzeciej harmonicznej w prądzie pomiarowym ip
(w stanie normalnej pracy zabezpieczenia CZU). Jednakże w sytuacji pojawienia się doziemienia w jednej
z faz falownika wzrost pojemności Cdz nie ma większego wpływu na amplitudę prądu pomiarowego ip o częstotliwości wyjściowej falownika (10 Hz). Wystąpienie
symetrycznego doziemienia na wyjściu falownika (rys.
6) objawia się jedynie wzrostem trzeciej harmonicznej
w prądzie pomiarowym ip. W prądzie wyjściowym nie
35
zaobserwowano pojawienia się składowej związanej
z częstotliwością wyjściową falownika.
4. PODSUMOWANIE I WNIOSKI
W górnictwie powszechnie stosowane są centralne
zabezpieczenia upływowe (CZU) w oparciu o stałe
napięcie pomocnicze. Takie rozwiązania charakteryzują się nadmierną czułością przy pojedynczym doziemieniu w obwodzie prądu stałego oraz możliwością wystąpienia braku reakcji zabezpieczenia
w przypadku zaistnienia podwójnych doziemień
w obwodach stałoprądowych. Ponadto człon pomiarowy CZU powinien reagować na przepływ prądu
w obu kierunkach. Najważniejszą zaletą takiego rozwiązania jest możliwość uzyskania krótkiego czasu
zadziałania zabezpieczenia. Jeżeli jednak wymaga się
by układ poprawnie działał oraz wykrywał stany
doziemień w obwodach stałoprądowych, to należy
zastosować CZU oparte na prostokątnym przemiennym napięciu pomocniczym (CZU oparte na napięciu
pomocniczym o kształcie trójkątnym ma gorsze właściwości dynamiczne – dłuższy czas zadziałania).
Niezależnie od kształtu przemiennego napięcia pomocniczego, zabezpieczenia takie charakteryzują się
znacznie dłuższym opóźnieniem zadziałania (kilka
sekund). Jest to czas wielokrotnie dłuższy, w porównaniu do zabezpieczeń opartych na stałym napięciu
pomiarowym. W przypadku użycia przemienników
częstotliwości, dodatkowo pojawia się problem tłumienia zakłóceń (w sygnale pomiarowym) o częstotliwości wyjściowej falownika (1 do 60 Hz), co wymaga zastosowania filtrów cyfrowych.
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Marek A.: Wpływ przekształtnika na pracę centralnych zabezpieczeń upływowych w dołowych sieciach niskiego napięcia, ZN
Górnictwo nr 286, str. 303 – 311, Gliwice 2008.
Marek A., Marek B.: Wpływ przekształtników na pracę centralnych zabezpieczeń upływowych w dołowych sieciach niskiego
napięcia, XII KKEG, str. 49 – 56, Szczyrk 2008.
Murray J.: Application and Operation of Insulation Monitors in
Unearthed (floating-IT) Rail Signal Power Systems. Power Distribution for Signalling Systems, 2007. The IET Seminar on
Page(s):167 – 184, 2007.
Sznura R.: Ochrona ziemnozwarciowa w górniczych sieciach
niskiego napięcia – zabezpieczenia upływowe typu RRgFx/M.
Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa nr 8, str. 8 -12 Katowice, 2003.
Praca naukowo-badawcza NB-257/RG1/76.: Badanie struktury
i charakteru zakłóceń oraz optymalizacja systemów zabezpieczeń
ziemnozwarciowych, Gliwice 1979. (niepublikowana).
Method and apparatus for insulation monitoring in unearthed DC
and AC networks.: Opis patentowy EP 0 654 673 B1.
Recenzent: dr inż. Sergiusz Boron
mgr inż. ADAM GŁOWACZ
mgr inż. WITOLD GŁOWACZ
Akademia Górniczo-Hutnicza
Diagnostyka silnika synchronicznego
oparta na analizie spektrum sygnałów akustycznych
Przedstawiono koncepcję badania sygnałów akustycznych stanów przedawaryjnych
silnika synchronicznego. Zastosowano algorytmy przetwarzania i analizy sygnałów
akustycznych, w tym algorytm FFT i klasyfikator Nearest Mean z metryką kosinusową. Zaimplementowano oprogramowanie do rozpoznawania dźwięków. Przeprowadzono badania dla sygnałów akustycznych stanów przedawaryjnych. Wyniki badań
potwierdzają poprawne działanie systemu rozpoznawania dźwięku w silniku synchronicznym.
1. WSTĘP
Diagnostyka maszyn, urządzeń najwcześniej powstała i została zastosowana do środków transportu
powietrznego, morskiego oraz w energetyce. Obecnie
jesteśmy świadkami adaptacji i opracowywania nowych metod i środków do oceny stanu maszyn
w pozostałych gałęziach przemysłu i gospodarki
kraju. Tutaj trzeba wymienić trzy czynniki stymulujące rozwój diagnostyki. Pierwszy z nich to złożoność systemów produkcyjnych, gdzie awaria jednej
maszyny unieruchamia cały ciąg technologiczny,
dając w efekcie niewspółmiernie duże straty ekonomiczne. Drugi czynnik, słuszny zwłaszcza dla maszyn małych i średnich, to duża liczba tych maszyn,
będących jednocześnie w ruchu ciągłym i to bez
żadnego nadzoru. Przykładowo: przeciętnie rafineria
lub fabryka chemiczna, eksploatuje jednocześnie
kilka tysięcy małych i średnich silników. Konserwacja i remont tak licznego zespołu maszyn powoduje
wiele kłopotów, jeśli nie potrafimy właściwie przewidzieć terminu remontu. Trzeci czynnik to wysoki
poziom niezawodności wymagany dla pewnych
urządzeń jednorazowego lub sezonowego użytkowania. Niezawodności takiej wymagamy od specjalnych
pojazdów, np. samolotów, gdzie maszyna oczekuje
cały rok na kilkutygodniowy okres pracy.
Do rozpoznawania uszkodzeń maszyn stosuje się
metody dedykowane dla faz konstruowania, wy-
twarzania i eksploatacji maszyn. Najważniejsze
metody oparte są na badaniu: pola magnetycznego
maszyny, ultradźwięków generowanych przez maszynę, radiograficznym, emisji akustycznej maszyny, wizualnym wybranych części maszyny, produktów zużycia zawartych w olejach smarnych lub
hydraulicznych maszyn, emisji termicznej maszyny, emisji wibroakustycznej maszyny, sygnałów
elektrycznych maszyny. W ostatnich latach powstało wiele metod do badania sygnału akustycznego [1-6]. Uzyskane dotychczas wstępne wyniki
badań potwierdzają słuszność zastosowania tych
metod do rozpoznawania stanów przedawaryjnych
maszyn elektrycznych [7,8]. W przyjętym rozumowaniu powstanie stanu przedawaryjnego interpretowane jest jako zagrożenie zepsucia się maszyny. Naprawa maszyny kosztuje mniej, gdy awaria zostanie wykryta wcześniej, dlatego tak ważne
jest badanie stanów przedawaryjnych.
Rozważania prowadzone w artykule dotyczyć
będą wybranego silnika synchronicznego generującego sygnały akustyczne. Badania te mogą posłużyć do dalszego stosowania diagnostyki opartej na
emisji akustycznej w maszynach i urządzeniach
elektrycznych, mechanicznych, hydraulicznych,
pneumatycznych. Pomiary zostały wykonane dyktafonem OLYMPUS WS-200S. Jako schemat ekstrakcji cech stosowano algorytm FFT. Jako klasyfikator zastosowano klasyfikator Nearest Mean
z metryką kosinusową.
Nr 2(468) LUTY 2010
2. PLAN BADANIA SYGNAŁÓW AKUSTYCZNYCH SILNIKA SYNCHRONICZNEGO
Przyjęto następujący plan badań sygnałów akustycznych maszyny elektrycznej: nagrywanie ścieżki
dźwiękowej, podział ścieżki dźwiękowej na mniejsze
fragmenty, próbkowanie, kwantyzacja, normalizacja,
filtracja, okienkowanie (okno Hamminga), schemat
ekstrakcji cech (FFT), klasyfikacja oparta na klasyfikatorze Nearest Mean z metryką kosinusową. Przedstawiony plan badań sygnału akustycznego został
sporządzony przez podobieństwo do sposobu rozpoznawania tożsamości mówców, zwierząt, instrumentów muzycznych i urządzeń [1-16]. Z uwagi na to, że
sygnały maszyn elektrycznych są słyszalne uchem
człowieka można częściowo zastosować algorytmy
sprawdzone w tych problematykach (rys. 1).
Rys.1. Przegląd stosowanych algorytmów obejmuje
trzy etapy: wstępne przetwarzanie danych, schemat
ekstrakcji cech i klasyfikację
3. PRZEPŁYW DANYCH W PROCESIE ROZPOZNAWANIA SYGNAŁU AKUSTYCZNEGO SILNIKA SYNCHRONICZNEGO
Proces rozpoznawania dźwięku silnika synchronicznego składa się z procesu tworzenia wzorców do
rozpoznawania i procesu identyfikacji. Na początku
procesu tworzenia wzorców do rozpoznawania wykonywane jest próbkowanie, normalizacja amplitudy
i filtracja. Następnie stosowane jest okienkowanie
z zastosowaniem okna Hamminga – okno o rozmiarze 32768. Okno 32768 odpowiada w przybliżeniu
37
0.743 sekundy przy częstotliwości próbkowania
44100 Hz. W kolejnym kroku dane są zamieniane
przez algorytm FFT. Następnie z tak otrzymanych
harmonicznych częstotliwości tworzony jest uśredniony wektor cech (1-16384 cech). Uśredniony wektor cech powstaje przez uśrednienie widm z pewnej
grupy próbek wzorcowych określonego dźwięku.
W procesie identyfikacji etapy przetwarzania sygnału akustycznego są takie same jak dla procesu
tworzenia wzorców do rozpoznawania. Istotna
zmiana następuje w etapie klasyfikacji (rys. 2).
W tym etapie porównywane są ze sobą wektory
cech (uśredniony wektor cech z nowym nieznanym
wektorem cech).
Rys.2. Proces tworzenia wzorców do rozpoznawania
i proces identyfikacji z zastosowaniem klasyfikatora
Nearest Mean z metryką kosinusową
4. SZYBKA TRANSFORMACJA FOURIERA
Szybka transformacja Fouriera ma za zadanie przekształcić wartości z dziedziny czasu na wartości
w dziedzinie częstotliwości. Otrzymane wartości
w dziedzinie częstotliwości można użyć w dalszych
obliczeniach. Szybka transformacja Fouriera jest
bardzo efektywną operacją, jednak wektor próbek
wejściowych musi mieć długość N = 2k, gdzie k to
pewna liczba naturalna. Przyjmuje się, że wektor
próbek wejściowych N jest równy rozmiarowi stosowanego okna. W omawianym przypadku wynosi on
38
32768, czyli k=15. Algorytm szybkiej transformacji
Fouriera może zostać zastosowany jako schemat
ekstrakcji cech sygnału akustycznego. W tym przypadku cechami będą odpowiednie harmoniczne częstotliwości.
Rysunki 3, 4, 5, 6 pokazują zarejestrowane sygnały akustyczne silnika synchronicznego dla 4
różnych stanów pracy przy zastosowaniu normalizacji amplitudy, filtru przepuszczającego częstotliwości od 120 Hz do 156 Hz, algorytmu FFT
z oknem o rozmiarze 32768.
Rys.5. Widmo częstotliwości próbki dźwięku o długości pięć sekund przy zastosowaniu normalizacji
amplitudy, filtru przepuszczającego częstotliwości
od 120 Hz do 156 Hz i FFT dla silnika synchronicznego z jedną przerwą w uzwojeniu jednej fazy stojana
Rys.3. Widmo częstotliwości próbki dźwięku
o długości pięć sekund przy zastosowaniu normalizacji amplitudy, filtru przepuszczającego częstotliwości
od 120 Hz do 156 Hz i FFT dla silnika synchronicznego bez uszkodzeń
Rys.6. Widmo częstotliwości próbki dźwięku o długości pięć sekund przy zastosowaniu normalizacji
amplitudy, filtru przepuszczającego częstotliwości od
120 Hz do 156 Hz i FFT dla silnika synchronicznego
z trzema przerwami w uzwojeniach trzech faz stojana
5. KLASYFIKATOR NEAREST MEAN
Z METRYKĄ KOSINUSOWĄ
Rys.4. Widmo częstotliwości próbki dźwięku
o długości pięć sekund przy zastosowaniu normalizacji amplitudy, filtru przepuszczającego częstotliwości
od 120 Hz do 156 Hz i FFT dla silnika
synchronicznego ze zwartymi zezwojami stojana
W algorytmie "najbliższa średnia" (NM - ang.
Nearest Mean) wzorcem klasy rozpoznawanych
wektorów jest wartość średnia. Podobnie też jak
w algorytmie NN obliczane są odległości wektora
rozpoznawanego od wszystkich wektorów wzorcowych (średnich), a następnie wybierana jest
najmniejsza z nich.
Nr 2(468) LUTY 2010
39
Wektory cech są wyliczane odpowiednio z widma
częstotliwości silnika synchronicznego. Po wyliczeniu wektorów wzorcowych i wektorów cech następuje obliczenie odległości pomiędzy nimi. Odległość
kosinusowa, to miara odległości między dwoma wektorami. Dla pary wektorów x=[x1,x2,…,xn],
y=[y1,y2,…,yn], wyraża się następującym wzorem:
n
d cos (x, y )  1 
x y
i
(1)
i
i 1
n
n
x y
2
i
i 1
2
i
i 1
gdzie
x i y są wektorami cech o tych samych długościach
6. WYNIKI ROZPOZNAWANIA DŹWIĘKÓW
Maszyna synchroniczna pracowała jako silnik synchroniczny. Zwarcie i przerwy wykonano w obwodzie stojana (rys. 7,8). Zwarcie cewki zrealizowano
w fazie R (U3-X3), jedną przerwę w fazie R (X1X4), natomiast trzy przerwy w fazach R, S i T (X1-
X4, Y1-Y4, Z1-Z4). Różnice między dźwiękami
zależą od różnic w uporządkowanej sekwencji. Maszyna pracowała w stanie niewzbudzonym. Określono wartości napięcia międzyprzewodowego stojana,
prądu stojana, prędkości silnika i prądu wzbudzenia
w czasie rejestracji dźwięków:
 dźwięk silnika synchronicznego bez uszkodzeń,
URS=100 V, IR=30.9 A, nN =1500 obr/min, Iw  0 A,
 dźwięk silnika synchronicznego ze zwartymi
zezwojami stojana, URS=100 V, IR=31.2 A,
nN =1500 obr/min, Iw  0 A, Rz=2.5 Ω,
 dźwięk silnika synchronicznego z jedną przerwą
w uzwojeniu jednej fazy stojana, URS=100 V,
IR=24 A, nN =1500 obr/min, Iw  0.3 A,
 dźwięk silnika synchronicznego z trzema przerwami w uzwojeniach trzech faz stojana, URS=100 V,
IR=36 A, nN =1500 obr/min, Iw  0.245 A,
gdzie:URS – napięcie międzyprzewodowe stojana pomiędzy fazami R i S, IR – prąd fazy R, Iw – prąd
wzbudzenia, nN – znamionowa prędkość wirnika, Rz – rezystancja zwierająca (U3-X3).
Do procesu tworzenia wzorców do rozpoznawania
zastosowano 24 próbki pięciosekundowe dla każdej
z czterech kategorii dźwięku. Do identyfikacji stoso-
Rys. 7. Schemat uzwojeń stojana dla silnika synchronicznego z jedną przerwą
w uzwojeniu jednej fazy stojana (X1-X4)
Rys. 8. Schemat uzwojeń stojana dla silnika synchronicznego z trzema przerwami
w uzwojeniach trzech faz stojana (X1-X4, Y1-Y4, Z1-Z4)
40
wanie dwóch etapów – etap tworzenia wzorców, etap
identyfikacji. Stanowisko rozpoznaje kategorię
dźwięku na podstawie uprzednio zarejestrowanych
wzorców. Należy przy tym zwrócić uwagę, aby
wzorce i nowe dźwięki były rejestrowane tym samym
urządzeniem przy: odpowiedniej wilgotności powietrza, temperaturze, odpowiednim ciśnieniu, poziomie
napięcia w sieci elektrycznej, przy którym pracuje
maszyna elektryczna. System rejestruje jeden sygnał
pochodzący od określonej maszyny, przy czym należy zminimalizować wpływ szumów. Inżynierowie
mogą stosować stanowisko do wykrywania uszkodzeń i zabezpieczania silników.
Literatura
1.
Rys. 9. Skuteczność rozpoznawania dźwięku silnika
synchronicznego w zależności od rodzaju sygnału
akustycznego i długości próbki. Zastosowane algorytmy to normalizacja amplitudy, okienkowanie,
filtracja od 120 Hz do 156 Hz, FFT i klasyfikator
Nearest Mean z metryką kosinusową
wano nowe próbki o długościach 1-5 sekund dla
każdej z kategorii. Skuteczność rozpoznawania
dźwięku była określona następująco:
2.
3.
4.
5.
E
N1
N
(2)
6.
gdzie: E – skuteczność rozpoznawania dźwięku,
N1 – liczba poprawnie rozpoznanych próbek,
N – liczba wszystkich próbek w procesie
identyfikacji.
Skuteczność rozpoznawania dźwięku w zależności
od rodzaju sygnału akustycznego i długości próbki
została przedstawiona na rysunku 9.
7.
6. PODSUMOWANIE
11.
System rozpoznawania dźwięku został zbudowany
dla silnika synchronicznego. Najlepsze wyniki dla
algorytmu FFT i klasyfikatora Nearest Mean zostały
otrzymane przy przepuszczaniu częstotliwości od 120
Hz do 156 Hz. Skuteczność rozpoznawania dźwięku
wynosiła od 99.16% do 100% dla próbek o długości
od 1 do 5 sekund. Na procesorze Pentium M 730 czas
identyfikacji jednej pięciosekundowej próbki z zastosowaniem normalizacji, okienkowania, filtracji od
120 Hz do 156 Hz, FFT i klasyfikatora Nearest Mean
wynosił 0.89 sekundy. Dla próbki jednosekundowej
czas ten wynosił 0.437 sekundy. Zakłada się stoso-
8.
9.
10.
12.
13.
14.
15.
16.
Mitrovic D., Zeppelzauer M., Eidenberger H.: Analysis of the
Data Quality of Audio Features of Environmental Sounds, Journal
of Universal Knowledge Management, vol. 1, no. 1(2006), 4-17.
Yoshii K., Goto M. and Okuno H. G.: Drum Sound Recognition
for Polyphonic Audio Signals by Adaptation and Matching of
Spectrogram Templates With Harmonic Structure Suppression,
IEEE Transactions on Audio, Speech, and Language Processing,
Vol. 15, No. 1, January 2007, 333-345.
Dubois D., Guastavino C.: Cognitive evaluation of sound quality:
Bridging the gap between acoustic measurements and meanings.
Proceedings of 19th International Congress on Acoustics ICA07, September 2-8 2007, Madrid, Spain.
Lee K.: Effective Approaches to Extract Features and Classify
Echoes in Long Ultrasound Signals from Metal Shafts, Ph. D. dissertation, Brisbane, Australia, 2006.
The MARF Development Group, Modular Audio Recognition
Framework v.0.3.0-devel-20050606 and its Applications, Application note, Montreal, Quebec, Canada, 2005.
Kinnunen T., Karpov E., Fränti P.: Real-Time Speaker Identification and Verification, IEEE Transactions on Audio, Speech, and
Language Processing, Vol. 14, No. 1, Jan 2006, 277- 288.
Głowacz A., Głowacz W.: Dc machine diagnostics based on sound
recognition with application of FFT and fuzzy logic, Przegląd
Elektrotechniczny (Electrical Review), R. 84, NR 12/2008, pp. 43-46.
Głowacz A., Głowacz W.: Sound recognition of dc machine with
application of FFT and backpropagation neural network, Przegląd
Elektrotechniczny (Electrical Review), R. 84, NR 9/2008, pp.159-162.
Głowacz Z., Zdrojewski A.: Analiza spektralna sygnałów silnika
komutatorowego prądu stałego zasilanego ze źródła napięcia stałego, Przegląd Elektrotechniczny; 82 (2006) nr 11, 76–79.
Sutowski P.: Wykorzystanie wartości skutecznej sygnału emisji
akustycznej oraz metod sztucznej inteligencji do oceny zużycia
ściernicy, Pomiary Automatyka Kontrola, vol. 55, 4/2009,
255-258.
Antal M., Antal L., Zawilak J.: Badania eksperymentalne silnika
indukcyjnego z uszkodzoną klatką wirnika, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki
Wrocławskiej; nr 59, Studia i Materiały, Oficyna Wydaw.
PWroc., 2006, s. 69-77.
Kowalski C. T.: Monitorowanie i diagnostyka uszkodzeń silników
indukcyjnych z wykorzystaniem sieci neuronowych, Wyd. Pol.
Wrocławskiej, Monografie, t.57, nr 18, Wrocław, 2005.
Sałat R., Osowski S., Siwek K.: Principal Component Analysis for
feature selection at the diagnosis of electrical circuits, Przegląd
Elektrotechniczny, 2003, No 10, pp. 667-670.
Pasko M., Walczak J.: Teoria Sygnałów, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 2007.
Kowal M., Korbicz J.: Robust fault detection using neuro-fuzzy
models, Przegląd Elektrotechniczny, 2006, No 1, pp. 32-36.
Tadeusiewicz R.: Speech recognition versus understanding of the
nature of speech deformation in pathological speech analysis (Abstract), Archives of Acoustics, vol. 28, No. 3, 2003, pp. 260.
Recenzent: prof. dr hab. inż. Bogdan Miedziński
Z ŻYCIA EMAG-u
REKOMENDACJE I NAGRODY SEP
EMAG otrzymał rekomendację Stowarzyszenia
Elektryków Polskich w zakresie prowadzonej
działalności i został nagrodzony medalem 90-lecia
SEP. Nagrodzono również pracowników EMAG-u
– członków SEP. Zaświadczenie rekomendacyjne
(nr 13/OZW/2009) dotyczy: małoseryjnej i jednostkowej produkcji urządzeń i systemów w dziedzinie
elektrotechniki, automatyki oraz bezpieczeństwa
górniczego; usług materialnych (wykonywania montażu i przeprowadzenia rozruchu urządzeń i systemów oraz prowadzenia serwisu gwarancyjnego
i pogwarancyjnego) oraz usług niematerialnych polegających na opracowywaniu i projektowaniu systemów i urządzeń, wykonywaniu badań atestacyjnych
i konstruktorskich urządzeń elektrycznych, kabli
i górniczych przewodów oponowych, przeprowadzaniu adaptacji urządzeń i systemów do warunków
górniczych, szkoleniu obsługi systemów i urządzeń,
prowadzeniu działalności poligraficznej, wydawniczej
i marketingowej. Ważny do 1 września 2012 roku
dokument potwierdza, iż EMAG pod względem technicznym i organizacyjnym jest przygotowany i polecany do działania w rekomendowanym zakresie.
Równocześnie, w uznaniu zasług dla elektryki oraz
za popieranie ruchu stowarzyszeniowego, Instytut
Technik Innowacyjnych EMAG został nagrodzony
Medalem 90-lecia SEP, a Piotrowi Wojtasowi,
Januszowi Maciejowi Tobiczykowi oraz Antoniemu
Kurzei przyznano Złote Odznaki Honorowe SEP.
Stowarzyszenie Elektryków Polskich jest jedną
z najstarszych (zjazd założycielski odbył się w 1919
roku) i pozarządowych organizacji twórczych o charakterze naukowo-technicznym działających na rzecz
użyteczności społecznej i publicznej. SEP stanowi
dobrowolne zrzeszenie elektryków wszystkich specjalności oraz osób, których działalność zawodowa
wiąże się z szeroko rozumianą elektryką, a także
osób prawnych zainteresowanych jego działalnością.
SEMINARIUM – STYCZEŃ 2010
Krajowy system poprawy efektywności
energetycznej jako realizacja zadań
wynikających z Dyrektywy 2006/32/WE (ESD)
W dniu 19 lutego br. w sali konferencyjnej
EMAG-u odbyło się seminarium naukowe, kolejne
z cyklu organizowanych przez EMAG comiesięcznych seminariów naukowych.
Otwarcia dokonał dr inż. Stanisław Trenczek –
sekretarz naukowy EMAG.
Referat wprowadzający „Krajowy system poprawy efektywności energetycznej jako realizacja zadań wynikających z Dyrektywy 2006/32/WE
(ESD)” przygotował i wygłosił mgr inż. Andrzej
Chomiak.
Poruszone w referacie zagadnienia dotyczyły krajowego celu w zakresie oszczędnego gospodarowania energią zawartego w przygotowywanej przez
Ministerstwo Gospodarki ustawie o efektywności
energetycznej. Prowadzona przez Unię Europejską
polityka zrównoważonego rozwoju znajduje szczególne ujęcie w pakiecie klimatyczno-energetycznym
z określonymi w nim zadaniami realizacji do 2020 r.
efektu 3×20, tj. 20% redukcji emisji CO2 do atmosfery, 2% zmniejszenia zużycia energii oraz 20%
42
udziału odnawialnych źródeł energii (OŹE) w jej
wytwarzaniu. Wspomniana ustawa implementuje
wskazania zapisane w Dyrektywie 2006/32/WE
z dnia 5 kwietnia 2006 r.
Zadania w zakresie racjonalizacji zużycia paliw
i energii wraz z poprawą efektywności energetycznej skierowane do jednostek sektora publicznego
i do przedsiębiorstw energetycznych pozwolą uzyskać do 2016 r. zmniejszenie o 9% krajowego zużycia energii finalnej w odniesieniu do 2007 r. Zastosowanie technologii innowacyjnych w systemach
energetycznych poprawi ich efektywność wytwórczą i przesyłową.
W przygotowywanej ustawie o efektywności energetycznej krajowy cel w zakresie oszczędnego gospodarowania energią wymaga realizacji zadań
w jednostkach sektora publicznego i wdrożenia
w przedsiębiorstwach energetycznych „systemu białych certyfikatów”. Osiągnięcie tego celu w istotnej
mierze zredukuje bieżące emisje gazów cieplarnianych oraz zmniejszy krajowe zapotrzebowanie na
paliwa pierwotne z zasobów nieodnawialnych.
Seminarium zakończyła ożywiona dyskusja
uczestników.
badań, programem badań oraz metodami pomiarów.
Uczestnicy mieli również okazję zwiedzić Laboratorium Badań Kompatybilności Elektromagnetycznej
Instytutu Technik Innowacyjnych EMAG, jedno z
nielicznych tego typu w Polsce.
W ZGODZIE Z EMC
Przybliżenie kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) było głównym celem
seminarium zorganizowanego przez EMAG
i Würth Elektronik 26 stycznia br.
w siedzibie ITI EMAG
Kompatybilność elektromagnetyczna to zdolność
wielu urządzeń oraz systemów elektrycznych i elektronicznych do prawidłowego działania w jednym
środowisku elektromagnetycznym. W ostatnich latach tematyka ta zyskuje na znaczeniu, głównie ze
względu na wymogi Unii Europejskiej (m.in. dyrektywę 2004/108/WE, która zaleca, aby określone grupy urządzeń miały zdolność niezakłóconej pracy
w określonym środowisku elektromagnetycznym
oraz spełniały wymagania w zakresie emisji zaburzeń
elektromagnetycznych). Celem seminarium, przeznaczonego głównie dla projektantów i konstruktorów,
było przekazanie praktycznych informacji oraz
wsparcia technicznego przy projektowaniu i konstruowaniu urządzeń tak, aby zagadnienie kompatybilności elektromagnetycznej nie sprawiało większych problemów. Podczas spotkania, w którym
wzięło udział ponad 120 uczestników, zostały omówione zagadnienia związane z: podstawami EMC,
doborem i zastosowaniem komponentów przeciwzakłóceniowych w praktycznych aplikacjach układów
elektronicznych, a także przygotowaniem obiektu do
KIERUNEK: INDIE
Konsorcjum EMAG uczestniczyło w Targach
IME, które w dniach 22-25 stycznia odbyły się
w Kalkucie w Indiach.
Międzynarodowa Wystawa Górnictwa, Badań Minerałów, Technologii Wzbogacania i Maszyn IME
odbyła się równolegle z 3. Azjatyckim Kongresem
Górniczym – jednym z największych i najbardziej
prestiżowych na subkontynencie indyjskim wydarzeń
z obszaru górnictwa i branż pokrewnych. W targach
wzięło udział 250 wystawców z 20 krajów świata.
W wydarzeniu tym EMAG wzięło udział w ramach
Nr 2(468) LUTY 2010
43
konsorcjum, w skład którego wchodzą również firmy
Telvis, Sevitel oraz EMAG Serwis. Konsorcjum
zaprezentowało kompleksową ofertę dotyczącą badań, produkcji, wdrożeń i usług serwisowych z zakresu systemów telekomunikacyjnych, systemów
geofizycznych, automatyki przemysłowej, gazometrii
oraz elektroenergetyki.
EMAG „SOLIDNĄ FIRMĄ”
Instytut Technik Innowacyjnych znalazł się w gronie laureatów tegorocznej edycji programu gospodarczo-konsumenckiego „Solidna Firma”.
Uroczystość wręczenia certyfikatów potwierdzających nadanie tytułu odbyła się 28 stycznia 2010 r.
w Śląskim Urzędzie Wojewódzkim w Katowicach.
Dokument z rąk Marszałka Województwa Śląskiego,
Bogusława Śmigielskiego, odebrał zastępca dyrektora EMAG-u, Janusz Maciej Tobiczyk.
Program Gospodarczo-Konsumencki „Solidna
Firma” promuje podmioty gospodarcze kierujące się
w swojej działalności zasadami etyki i uczciwości,
rzetelnie i terminowo realizujące zobowiązania,
a także wykazujące się odpowiedzialnością wobec
środowiska oraz otoczenia społecznego. Certyfikaty
otrzymują te firmy, które dobrowolnie poddadzą się
trzystopniowej weryfikacji, dokonywanej przez ekspertów programu, klientów oraz partnerów gospodarczych. Patronat nad przedsięwzięciem sprawuje
Przedstawicielstwo Komisji Europejskiej w Polsce.
Tegoroczna edycja jest już ósmą w historii.
Lista osób przeszkolonych na kursach
organizowanych przez Ośrodek Szkolenia EMAG
w listopadzie 2009 r.
„Ochrona radiologiczna oraz zasady bezpiecznej pracy przy obsłudze urządzeń
zawierających izotopy promieniotwórcze”
1. Damian Cichocki
2. Mieczysław Dreja
3. Damian Janota
Sośnica - Makoszowy
4. Zenon Pawlas
5. Grzegorz Tomczyk

book - pl - Instytut Technik Innowacyjnych EMAG

Transkrypt

Podobne dokumenty

Wzory rysunków Laserowe urządzenie będzie słuyło do

Rozwiązać podaną ramę (wykresy M Q N ) HB 30 3 20 20 C 20 3 x

zał.13-rys.nr.19-przykład oprawy lampy

Harmonogram odbioru popiołu

lokalizator czujek

zał.13-rys.nr.20-przykład oprawy lampy

Rysunki przedstawiające przyrządy służące do mierzenia

Uszczelnienie statyczne X-RING/QUAD-RING