CC BY
49
УДК 622:654.9
Автоматизация управления технологическими процессами при отработке мощных пластов с выпуском угля подкровельной толщи
С.А. Кизилов, аспирант ФИЦ УУХ СО РАН, ассистент кафедры «Информационные и автоматизированные производственные системы» КузГТУ им. Т.Ф. Горбачева
М.С. Никитенко, инженер лаборатории геомеханики угольных месторождений ФИЦ УУХ СО РАН; канд. техн. наук, доц. кафедры «Технология машиностроения», ст. преп. кафедры «Горные машины и комплексы» КузГТУ им. Т.Ф. Горбачева Б. Неоджи, Ph.D., Associate Professor in Electronics & Communication Engineering Department of JIS College of Engineering, Kalyani, W.B, India
П.И. Николаев, ст. инженер лаборатории моделирования горнотехнических систем ФИЦ УУХ СО РАН, ассистент кафедры «Информационные и автоматизированные производственные системы» КузГТУ им. Т.Ф. Горбачева И.С. Кузнецов, инженер лаборатории моделирования горнотехнических систем ФИЦ УУХ СО РАН, ассистент кафедры «Информационные и автоматизированные производственные системы» КузГТУ им. Т.Ф. Горбачева_
ВВЕДЕНИЕ
В связи с исчерпанием легкодоступных и богатых месторождений горнодобывающего комплекса в России и за рубежом в настоящее время в работу вовлекаются запасы, со сложными горно-геологическими условиями разработки -возрастает глубина, залегание отмечается в крутых мощных пластах, высокой газоносностью угольных пластов. Однако применяемое горнодобывающее оборудование и современные технологии извлечения полезных ископаемых из мощных крутых и крутонаклонных пластов не обходятся без постоянного присутствия людей в очистных и подготовительных забоях ввиду сложности технологии добычи. При этом ошибки в управлении или влияние человеческого фактора на качество управления более сложного технологического процесса соответственно повышают риски возникновения аварийных ситуаций. В связи с этим дальнейшее развитие горнодобывающей отрасли и совершенствование системы безопасности горных работ в решающей степени зависят уже не только от применения новых современных видов оборудования и технологий отработки. Немаловажными факторами являются динамика и качество создания, а также глубина внедрения современных автоматизированных систем управления технологическими процессами и диспетчеризации ведения горных работ.
Необходимость в повышении эффективности разработки трудноизвлекаемых полезных ископаемых в сложных горно-геологических условиях и в шахтах, опасных по газу и пыли, создают потребность в переходе на отработку технологии «безлюдной» выемки полезных ископаемых автоматизированным и автоматическим оборудованием, доведенным до уровня роботизированных комплексов [1].
В связи с вышеизложенным актуальными задачами являются разработка не только новых технических решений по отработке мощных крутых пластовых месторождений [2], но и современных автоматизированных средств управления и диспетчеризации оборудования горнодобывающего комплекса. Кроме того, разрабатываемые новые технологические схемы [3] и технические средства по извлечению полезных ископаемых [4, 5], управлению оборудованием и его диагностике [6-10] позволяют сформировать основы концепции создания роботизированных комплексов для отра-
ботки и выемки пластовых месторождений полезных ископаемых (уголь, алмазосодержащая руда и т.д.) с системой управления, работающей с учетом, в том числе, состояния горного массива и его динамических проявлений. Первым шагом к ее созданию является автоматизации управления технологическими процессами при отработке мощных пластов с выпуском угля подкровельной толщи, которая должна касаться как пооперационно самого процесса выпуска, так и системы управления и диспетчеризации работы оборудования очистного комплекса.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Эффективная работа очистного комплекса зависит от слаженной работы крепи, конвейера, очистного комбайна. Поэтому, как правило, применяются системы комплексной автоматизации, обеспечивающие и электрогидравлическое управление крепью с постов управления, расположенных на секции крепи, и дистанционное - с центрального пульта управления, установленного на штреке, с привязкой к конвейеру и положению очистного комбайна.
Технология отработки мощных пластов с управляемым выпуском предполагает использование секций крепи с устройством регулируемого выпуска угля на забойный конвейер. Отличительной особенностью таких крепей является наличие закрываемых выпускных окон, питателя, которые предназначены для выпуска и погрузки угля из подкровельной толщи на забойный конвейер [5, 11]. Питатель равномерно выпускает горную массу по всей площади проема выпускного окна, его производительность регулируется в широком диапазоне. Предусмотрена возможность одновременной работы группы питателей на забойный конвейер. Количество питателей, работающих в группе, определяется его производительностью. Если принять, что питатели работают в одинаковых условиях, их средневзвешенные производительности могут быть отрегулированы до необходимой величины полной загрузки конвейера при работе группы питателей [11].
В зависимости от исполняемых функций техническими устройствами, обеспечивающими выпуск угля на забойный конвейер, являются:
- заслон (отсечное устройство), обеспечивающий перекрывание выпускного окна секции;
76 | «Горная Промышленность» №6 (1 36) / 201 7
Рис. 1 IDEF0-модель механизированного выпуска угля подкровельной толщи
- питатель, инициирующим процесс движения выпускаемой горной массы;
- направляющий лоток, обеспечивающий функцию погрузки на призабойный конвейер при одновременной работе питателя.
Возможен вариант исполнения питателя и направляющего лотка в виде одного устройства - в зависимости от типа питателя.
Технические средства выпуска являются как самостоятельными устройствами, так и сборочными узлами единичной секции механизированной крепи, и функционально должны рассматриваться как неотъемлемая часть очистного комплекса. По этой причине разработку принципов автоматизированного управления техническими средствами выпуска на забойный конвейер даже на начальном уровне стоит рассматривать как разработку подсистемы управления, в перспективе интегрируемую в применяемую систему управления лавным комплексом.
МЕТОДОЛОГИЯ
Для обоснования подземных автоматизированных геотехнологий с элементами роботизации без постоянного присутствия людей в забоях применен системно-функциональный подход в виде методологии 1БЕБ0 [12, 13]. Для этого процесс выпуска угля подкровельной толщи разложен на технологические операции и разработана ГОЕБО-модель процесса механизированного выпуска угля подкровельной толщи (рис. 1), отображающая его организацию без использования средств автоматизации.
Как видно по модели на рис. 1, при механизированном выпуске все технологические операции по выпуску подкро-вельной толщи угля замкнуты на горнорабочем: он отслеживает ход очистных работ, положение очистного комбайна и механизированной крепи, запускает и останавливает работу питателя во время выпуска. При автоматизации процесса выпуска данные функциональные задачи переносятся на систему управления.
В результате проведенного аналитического обзора существующих систем управления очистными комплексами сделан вывод, что автоматизация технических систем при отработке угольных пластов лавными комплексами находится на высоком уровне и строится, как правило, на основе электрогидравлических систем управления; имеющиеся технические решения по автоматизации технических средств при отработке мощных угольных пластов с выпуском угля под-кровельной толщи на завальный конвейер [14, 15] интегрированы через предусмотренные свободные (резервные) ка-
налы управления исполнительными гидроцилиндрами отдельной секции на базе выпускаемых автоматизированных систем электрогидравлического управления.
Анализ диссертационных работ по специальности «Роботы, мехатроника и робототехниче-ские системы» по направлению исследований систем управления за последние 5 лет позволил сделать вывод, что отечественное роботостроение направлено на развитие адаптивных систем управления роботами и меха-тронными системами в недетерминированных условиях, а именно на создание совокупности мехатронных и роботизированных систем, решающих единую задачу управления с учетом изменяющейся внешней среды и целевых критериев эффективности и надежности за счет интеллектуализации систем управления.
Если рассматривать средства выпуска угля в качестве объектов автоматизации и роботизации, то шахтные условия являются достаточно детерминированными с точки зрения технологической и эксплуатационной среды и возможных режимов работы. Не требуют постоянной адаптации технических устройств по выпуску к рабочей среде. Позволяют рассматривать задачу по адаптивной автоматизации исключительно в рамках технологической функции, которой является определение границы выхода угля подкровельной толщи и начала появления фрагментов разрушенной угольной породы в выпускном окне п-й секции для обеспечения эффективной реализации площадного выпуска.
ПРИКЛАДНАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ И ИЛЛЮСТРАЦИЯ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Площадной выпуск предполагает одновременное открытие и погрузку угля из группы секций. Его эффективность зависит от числа и последовательности одновременно открываемых/закрываемых выпускных окон секций, работа которых должна быть увязана с загруженностью, положением забойного конвейера и положением очистного комбайна.
Продолжительность выпуска угля подкровельной толщи предлагается определять в режиме реального времени в момент превышения порогового значения доли породы в выпускаемой массе. Для этого следует обозначить различные физические свойства угля и породы, которые можно зафиксировать в процессе их выпуска:
- различная насыпная плотность угля (200 кг/м3) и вмещающих пород (свыше 300 кг/м3). Отличить уголь и породу представляется возможным с помощью установленных перед выпускным окном датчиков веса горной массы;
- зольность угля влияет на его способность отражать и пропускать через себя ионизирующее излучение и рентгеновские лучи. Приборы, использующие эту закономерность, - золомеры, позволяют с помощью облучения потока угля рентгеновскими или гамма-лучами выявить его зольность [16], что позволяет вовремя остановить выпуск при попадании породы в окно механизированной крепи.
Для обеспечения полноты выпуска при определении зольности предполагается устанавливать не один датчик, а несколько - выше первого. Это позволит контролировать
«Горная Промышленность» №6 (136) / 2017 | 77
Рис. 2 IDEF0-модель автоматизированного выпуска угля подкровельной толщи
Рис. 3 Общая схема
устройства мобильного рабочего места оператора очистного комплекса
подход большого массива породы и закрывать впускное окно до момента ее падения на конвейер. Также система из нескольких золомеров позволит снизить вероятность преждевременного закрытия выпускного окна и остановки питателя при прохождении единичного фрагмента породы в рабочей зоне золомера.
Таким образом, система управления техническими средствами выпуска должна обеспечивать решение следующих задач:
- своевременное открывание/закрывание выпускного окна n-й секции для обеспечения работы комплекса в заданном режиме (площадной выпуск);
- адаптивное управление отсечным устройством и питателем в зависимости от состава выпускаемой горной массы, загруженности и положения конвейера.
На основе этого предложена концепция автоматизации процесса выпуска угля подкровельной толщи с элементами роботизации, представленный на IDEF0 модели (рис. 2).
Что касается системы управления и диспетчеризации работы оборудования лавного комплекса при отработке мощных пластов с выпуском угля подкровельной толщи, отметим, что разделение причин аварийных ситуаций с влиянием человеческого фактора на три основные категории:
• случайная ошибка, невнимательность или ослабление контроля за ситуацией;
• низкая квалификация обслуживающего персонала;
• грубое нарушение техники безопасности, зачастую сочетающееся с первыми двумя, -позволяет сделать вывод, что у современных систем диспетчеризации есть два серьезных недостатка: 1 - стационарное место оператора (подразумевается наличие приборов или мониторов с индикацией текущего состояния системы и фиксированное место расположения ор-
ганов управления); 2 - высокие требования к квалификации и физическому состоянию оператора.
В данном контексте технические средства на основе нейрокомпьютерного интерфейса Brain computer interface (BCI) являются весьма перспективными и актуальными для построения системы автоматизированного управления совместно с оборудованием дополненной реальности.
В настоящее время авторами, совместно с JIS Collage of Engineering, где специалистами уже ведется работа по исследованию базовых модулей системы управления на основе BCI [8, 9], прорабатывается концепция организации мобильного места оператора и интеграции оборудования BCI и дополненной реальности в систему автоматизированного управления. Кроме того, возможно расширение методов управления за счет использования метода электромиографии
(emg).
Основная цель - организация работы диспетчера автоматизированной системы управления технологическими процессами подземной разработки месторождений полезных ископаемых в новом качестве, без постоянной привязки к рабочему месту, со снижением вероятности совершения ошибки, потери визуального контакта с параметрами объекта управления, на основе виртуализации приборов управления и контроля.
Основная идея - совмещение технологий нейрокомпью-терного интерфейса, электромиографии и дополненной реальности для системы управления технологическими процессами подземной разработки месторождений полезных ископаемых.
Возможность вывода информации о состоянии комплекса непосредственно к оператору с прорисовкой интерактивных элементов управления комплексом обеспечивается системами дополненной реальности, доступ к основным экстренным функциям управления происходит через систему адаптивного автоматизированного управления на основе технологии интерфейса управления BCI. Система на основе BCI позволяет получить практически мгновенный сигнал от оператора и выполнить заданное действие, что является важным в экстренной ситуации. В данном случае оператору нет необходимости даже производить имитацию нажатия «клавиши аварийной остановки», общая схема устройства мобильного рабочего места оператора очистного комплекса показана на рис. 3.
Применение мобильного рабочего места оператора позволяет решить ряд проблем, связанных с безопасностью проведения работ в подземных выработках. Решаются такие проблемы, как утрата зрительного контакта на продолжительное время с индикаторами, выводящими информацию о состоянии работающего комплекса. Появляется возможность лучше обустроить эргономику рабочего места оператора и снизить его утомляемость. Оператор получает возможность производить управляющие манипуляции, находясь в любой точке диспетчерской комнаты, а не только непосредственно у стационарного пульта.
78 | «Горная Промышленность» №6 (136) / 2017
Управление оборудованием в рамках предложенной концепции происходит посредством взаимодействия рук оператора с виртуальными клавишами, отображаемыми на дисплее гарнитуры дополненной реальности, действия оператора отслеживаются с помощью двух различных систем, данные с которых сопоставляются, и происходит их верификация.
Первая система - это стандартный способ для систем виртуальной и дополненной реальности, работающий на основе полученной информации с встроенных видеокамер и датчиков положения. Но для высокой точности работы подобная система требует присутствия на отслеживаемых частях тела маркеров, которые очень неудобны в повседневном использовании.
Вторая система основана на использовании методов электромиографии - система отслеживает импульсы мышечной системы оператора и переводит их в команды для управления техникой. Подобная система хотя и требует крепления датчиков на теле оператора, но они при правильной установке практически не должны ощущаться.
Стоит отметить, что технические средства на основе ней-рокомпьютерного интерфейса, позволяющие дополнительно ввести резервный канал управления от диспетчера или оператора (пользователя) оборудования, сравнительно недавно вышли на рынок (начиная с 2003 г. Mindball (Interactive Productline), MindSet, MindWave (NeuroSky), Neural Impulse Actuator (OCZ Technology), EPOC и Emotiv Insight (Emotiv Systems), Mindflex (Mattel), XWave headset (PLX Devices), MyndPlay BrainBand (MyndPlay), OpenBCI (OpenBCI project), Muse (InteraXon) и т.д.) и являются недостаточно исследованными и испытанными в реальных условиях при применении на промышленных предприятиях для решения задач диспетчеризации. Кроме того, психофизиологическое состояние оператора имеет значительное влияние на качество и эффективность генерации управляющих воздействий. В связи с этим безусловно важными для решения являются следующие поставленные задачи:
1. Исследовать параметры сгенерированного сигнала оборудования на базе нейрокомпьютерного интерфейса, его достоверности, временной задержки, вероятности ошибки генерации управляющего воздействия.
2. Исследовать корректности генерации управляющего сигнала в зависимости от уровня владения оборудованием на основе нейрокомпьютерного интерфейса.
3. Исследовать зависимость психофизиологического состояния оператора на качество генерации управляющего сигнала как с подключением, так и без подключения подсистемы дополненной реальности.
4. Исследовать техническую возможность и качество взаимодействия гарнитур BCI с различными современными операционными системами, в т.ч. с мобильными устройствами.
5. Исследовать возможность управления горношахтным оборудованием с персонального компьютера при подаче внешнего управляющего сигнала.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предложенная концепция автоматизации процесса выпуска угля подкровельной толщи при отработке мощных пластов позволяет:
• обеспечить полноту выпуска угля подкровельной толщи;
• предотвратить разубоживание угля при установке датчика «уголь-порода» над выпускным окном крепи
для обеспечения возможности заблаговременного закрывания отсекающей заслонки;
• дозировать выпуск в зависимости от положения и загруженности конвейера, положения комбайна;
• предотвратить перегрузку конвейера;
• разгрузить обслуживающий персонал комбайна, находящийся непосредственно в забое, что положительно скажется на безопасности и улучшит условия труда;
• снизить влияние «человеческого фактора» при управлении процессом выпуска угля;
• организовать работу диспетчера автоматизированной системы управления технологическими процессами подземной разработки месторождений полезных ископаемых без постоянной привязки к рабочему месту со снижением вероятности совершения ошибки, потери визуального контакта с параметрами объекта управления;
• на основе полученной ГОЕЕ0 модели вести детальную проработку структурной и функциональной схем адаптивной системы с элементом роботизации, направленной на решение задачи управления техническими устройствами выпуска с учетом изменяющихся параметров технологической среды.
Статья подготовлена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» по теме «Разработка технологии эффективного освоения угольных месторождений роботизированным комплексом с управляемым выпуском подкровельной толщи» (Уникальный идентификатор БЕМЕЕ160417Х0173).
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ:_
1. Ермеков Т.Е., Несипбаев Ж.С., Сарсембаев Т.У. Научные основы создания роботизированных комплексов для горнодобывающей промышленности - Труды университета.-2001.
- N 1. - С. 46-47.
2. Малахов Ю.В. Стандартизация как инструмент развития технологий и инноваций в ТЭК. / Инновации в Топливно-энергетичеком комплексе и машиностроении. // Междунар. научн. -практ. конф. Сб. тр. - 2017. - С. 62-68.
3. Клишин В.И. Обоснование технологий разработки мощных пологих и крутых угольных пластов с выпуском угля. - ГИАБ, отдельный выпуск - 2013. - N 6. - С. 36-47.
4. Клишин В.И. Кокоулин Д.И. Крепь для отработки мощных крутых пластов угля подэтажной выемкой. Патент на полезную модель. RU1604472 U1 24.11.2015.
5. Клишин В.И., Анферов Б.А., Кузнецова Л.В. Направления совершенствования разработки мощных пластов с выпуском угля подкровельной толщи // В сборнике: Инновации в топливно-энергетическом комплексе и машиностроении (ТЭК-2017) сб. тр. Междунар. научн.-практ. конф. - 2017. - С. 57-63.
6. Садовец В.Ю., Кизилов С.А. Разработка технического устройства для проведения аварийно-спасательных работ на подземных объектах. - Технологии и материалы.-2016.
- N 3. - С. 4-7.
7. NikitenkoM.S., Yu. V. Malakhov, B. Neogi, P. Chakraborty, D. Banerjee. Robotic complex for the development of thick steeply-inclined coal seams and ore deposits. IOP CONFERENCE SERIES: EARTH AND ENVIRONMENTAL SCIENCE. 84 (2017) 012002. http://iopscience.iop. org/article/10.1088/1755-1315/84/1/012002
8. Nikitenko M.S. Evaluation of elements loading in the metal structures of powered support units. IOP conference series: Earth and environmental science. Сер. "International Scientific and Research Conference on Knowledge-Based Technologies in Development and Utilization of Mineral Resources" 2016. С. 012007. 10.1088/1755-1315/45/1/012007
9. Neogi B et al 2016 Cognitively Velocity Controlled Vehicle Patent IND File no. 201631017186 Indian Patent Journal no. 26/2016 http://www.ipindia.nic.in/writereaddata /Portal/IPO Journal/ 1_350_1/part1.pdf
10. Neogi B et al 2016 Thought Concentration Controlled Dexterous Prosthetic Arm for Handicapped. File no. 201631017174. Indian Patent Journal N26/2016. http://www.ipindia.nic.in/ writereaddata/Portal/IPOJournal/1_350_1/part1.pdf
11. Клишин В.И., Клишин С.В. Исследование процессов выпуска угля при отработке мощных пологих и крутых угольных пластов // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых.-2010.-N 2. - С. 68-80.
12. Широбокова С.Н. Использование инструментальных средств поддержки реинжени-ринга бизнес-процессов / Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М. И. Платова - 2014. - 194 с.
13. Николаев П.И., Зиновьев В.В. Методика обоснования подземных роботизированных геотехнологий без постоянного присутствия людей в забоях // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2016. - N 4. - С. 26-33.
14. Customized roof support systems // CAT.com URL: https://www.cat.com/en_US/products/ new/equipment/underground-longwall/roof-supports/18346354.html (дата обращения: 30.10.2017).
15. TIANDIScience&Technology Co. URL: http://tdtec.com (дата обращения: 30.10.2017).
16. Физические методы контроля зольности угля. М.: Недра, -1978. - С. 53-56.
«Горная Промышленность» №6 (136) / 2017 | 7 9
