CC BY
5
Оригинальная статья
УДК 622.002.5:62-519 © С.М. НикитенкоН1, М.С. Никитенко1, Д.Ю. Худоногов1, С.А. Кизилов1, А.С. Александер2, 2024
1 ФИЦ УУХ СО РАН, 650000, г. Кемерово, Россия
2 ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», 634050, г. Томск, Россия
Н е-mail: [email protected]
Original Paper
UDC 622.002.5:62-519 © S.M. NikitenkoH1, M.S. Nikitenko1, D.Yu. Khudonogov1, S.A. Kizilov1, A.S. Aleksander2, 2024
1 The Federal Research Center of Coal and Coal-Chemistry of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Kemerovo, 650000, Russian Federation 2 National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, 634050, Russian Federation H e-mail: [email protected]
Автономизация управления горным оборудованием: состояние и перспективы*
Autonomous control of mining equipment: current state and perspectives
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2024-10-94-99
НИКИТЕНКО С.М.
Доктор экон. наук, главный научный сотрудник ФИЦ УУХ СО РАН, 650000, г. Кемерово, Россия, e-mail: [email protected]
НИКИТЕНКО М.С.
Канд. техн. наук, заведующий лабораторией ФИЦ УУХ СО РАН, 650000, г. Кемерово, Россия
ХУДОНОГОВ Д.Ю.
Научный сотрудник ФИЦ УУХ СО РАН, 650000, г. Кемерово, Россия
КИЗИЛОВ С.А.
Канд. техн. наук,
научный сотрудник ФИЦ УУХ СО РАН, 650000, г. Кемерово, Россия
АЛЕКСАНДЕР А.С.
Магистрант ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский
Томский политехнический университет», 634050, г. Томск, Россия
* Статья подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки России (Соглашение № 075-15-2022-1190).
Задача обеспечения безопасности на горнодобывающих предприятиях не теряет своей актуальности, и один из перспективных путей ее решения - широкое внедрение систем автоматизации. Человеку все чаще приходится взаимодействовать с автоматизацией в сложных системах. Отсюда возникает задача проектирования пультов дистанционного управления с учетом требований эргономики, инженерной психологии, технической эстетики для обеспечения оперативной и безопасной работы оператора. В данной статье представлен обзор разработанных различными компаниями пультов дистанционного управления, обсуждается важность разработки интерфейса «человек - машина» и схем взаимодействия.
Ключевые слова: автоматизация, горные машины, пульт дистанционного управления, эргономика, промышленный дизайн. Для цитирования: Автономизация управления горным оборудованием: состояние и перспективы / С.М. Никитенко, М.С. Никитенко, Д.Ю. Худоногов и др. // Уголь. 2024;(10):94-99. DOI: 10.18796/00415790-2024-10-94-99.
Abstract
The task of ensuring safety at mining operations remains topical and one of the promising ways to solve it is the widespread introduction of automation systems. Humans have to interact more and more often with automation in complex systems. Hence the task arises to design remote control panels with due account for the requirements of ergonomics, engineering psychology technical aesthetics to ensure prompt and safe work of the opera tor. This paper presen ts an overvie w of remote con trols de veloped by various companies and discusses the importance of designing the human-machine interface and interaction scenarios. Keywords
Automation, mining machines, remote control panel, ergonomics, industrial design.
Acknowledgements
The publication was prepared with the financial support of the Russian Ministry of Education and Science (Agreement No. 075-15-2022-1190). For citation
Nikitenko S.M., Nikitenko M.S., Khudonogov D.Yu., Kizilov S.A., Aleksander A.S. Autonomous control of mining equipment: current state and perspectives. Ugol'. 2024;(10):94-99. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-5790-2024-10-94-99.
ВВЕДЕНИЕ
Автономное оборудование решает различные задачи горной отработки, но все они направлены на достижение трех основных целей: сокращение себестоимости добываемого ресурса, повышение производительности и безопасности ведения горных работ.
Ведущие эксперты утверждают, что дистанционно управляемая и роботизированная техника будет получать все более широкое распространение с введением в эксплуатацию новых горизонтов и месторождений. Нет сомнения и в том, что именно новые разработки наиболее привлекательны для автоматизации и будут наиболее экономически эффективны, так как их дорогостоящая инфраструктура и организация работ будут изначально строиться под современные требования. Как пример: в мире около 60 горнодобывающих предприятий эксплуатируют автономное оборудование, а общее количество автоматизированных машин компании Sandvik в мире недавно перешло отметку в 500 единиц. Статистика говорит, что общая наработка автономной техники Sandvik в мире с нулевым показателем травматизма уже перешагнула отметку в 3 млн часов. При этом приводится еще один важный показатель: одно из предприятий Канады держит рекорд по сроку окупаемости системы AutoMine - 54 дня, достигнутый в первую очередь за счет роста производительности [1].
Однако, как показали исследования авторов, при разработке систем дистанционного управления (СДУ) горношахтным оборудованием они практически не рассматриваются с позиции взаимодействия СДУ с человеком, которое может осуществляться через дистанционное управление вне зоны видимости машины или в пределах видимости [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10].
При варианте «вне зоны видимости» управление забойными машинами и комплексами реализуется с помощью средств автоматики, устройств контроля, защиты и блокировки, а также путем передачи информации от этих технических средств на пульт. При таком управлении предъявляются повышенные требования к конструкции машин в части устойчивости и надежности их работы, выполнения функций технологического назначения и удовлетворения требованиям как объекта автоматизации. Длительный опыт перевода выемочного комплекса в режим дистанционного управления показывает, что усложняющиеся условия эксплуатации требуют значительного сокращения числа различных датчиков, средств контроля и защи-
ты, упрощения и вместе с тем повышения надежности применяемых средств.
При варианте «в пределах видимости» представляется возможность изменить условия управления в пользу безопасности и комфорта, так как оператор может находиться на безопасном расстоянии (как правило, не более 3-5 м) от работающей машины. Операции по управлению в этом случае осуществляются с вынесенного пульта дистанционного управления (ПДУ), с которого можно выполнять функции включения машины и отдельных ее органов. При таком управлении, как указывалось в Справочнике работника энергомеханической службы участка шахты (1989 г.), не исключается наличие на машине определенных технических средств автоматики (авторегуляторы нагрузки, приборы газового контроля и пр.).
Соответственно, при проектировании ПДУ, которые призваны обеспечить необходимые скорость, точность и безопасность работы оператора, особенно в аварийных ситуациях, должны учитываться требования эргономики, инженерной психологии, технической эстетики. Однако, как показывает опыт, применение пультов дистанционного управления сдерживается многими трудностями (большая масса пульта (до 15 кг), сложность использования в ограниченном пространстве и пр.). По этой причине, как правило, такие пульты размещают на машине и не используют в качестве носимого пульта дистанционного управления, предназначенного для перемещения из одного места в другое одним лицом, конструктивно выполненного для размещения на операторе или в руках (руке) оператора1.
ОБЗОР ПУЛЬТОВ
ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ
Промышленность выпускает достаточно большую номенклатуру пультов управления, как стационарных, так и дистанционных, которые применяются для управления различными горными машинами с высокой степенью автоматизации. Пульты, которые позволяют управлять горношахтным оборудованием на расстоянии, выпускаются различными компаниями.
Компания ЕЕР Е1екто-Е1ек:готк Ргапрс является одной из ведущих в области эффективных технологий автоматизации и управления в горнодобывающей промышленности. Основой серии интеллектуальных и инновационных продуктов и приложений ЕЕР является РКА_тайс® - комплексная система управления забоем. Искробезопасные блоки управления РКА_та^с®, разработанные компанией ЕЕР, обеспечивают абсолютно точное электрогидравлическое управление и могут автоматически выполнять до 24 функций (рис. 1).
Компания «ЕЕР Е1екто-Е1ектошк Ргапрс» уже поставила и ввела в эксплуатацию более 60 комплектов современного автоматического управления для ведения подземных работ. В этом случае, как правило, подземный персонал требуется только для контролирования технологического процесса и при выполнении ремонта. Авто-
1 ГОСТ Р 60.6.9.2 - 2023.
матизация позволила улучшить безопасность и экономические показатели.
В некоторых странах полная автоматизация производственных процессов в очистных забоях осуществляется разработанной фирмой «marco System Analysis and Development GmbH» системой комплексного управления лавой «Robotic Mining» [11]. Система обеспечивает возможность компьютерного управления процессами и механизмами в лаве в полностью автоматизированном режиме c одного пульта. Происходящие в лаве процессы, положение механизмов и состояние лавы представляются при этом в визуальной форме в реальном режиме времени. Достигнутые успехи рассматривались компанией как промежуточные шаги к реализации ранее намеченной задачи по переходу от полной автоматизации к роботизации очистных работ [12]. Для дистанционного управления работой лавы фирмой marco был разработан компактный эргономичный пульт дистанционного управления (174x86x30.2 мм) с модулем RFID, позволяющий управлять всеми процессами в лаве из штрека (рис. 2).
Компания GHH Group [13] и специалисты из Nerospec SK разрабатывают решения как для полной автоматизации техники, так и для дистанционного управления. С помощью пульта радиоуправления T-RX100J от GHH Group (рис. 3) оператор может с безопасного расстояния управлять погрузочно-доставочными машинами, подземными самосвалами или буровыми установками. Основным преимуществом этого решения является возможность его эксплуатации не только с машинами GHH Group, но и с техникой других производителей.
Компанией СПАРК [14] разработан комплект дистанционного управления, предназначенный для беспроводного и проводного управления электротехническим и электрогидравлическим оборудованием в забоях угольных и сланцевых шахт, на пластах, опасных по газу и угольной пыли (рис. 4).
Пульты компании СПАРК имеют ряд преимуществ: элементы питания вы-
Рис. 1. Пульт управления PRA_matic (Elektro-Elektronik Pranjic) Fig. 1. The PRA_matic Control Panel (Elektro-Elektronik Pranjic)
Рис. 3. Пульт управления T-RX100J (GHH Group) Fig. 3. The T-RX100J Control Panel (GHH Group)
Рис. 2. Пульт управления pm32 (marco System Analysis and Development GmbH)
Fig. 2. The pm32 Control Panel (marco System Analysis and Development GmbH)
полнены в виде отдельного устройства, что позволяет производить их оперативную замену, а также зарядку без подъема на поверхность; имеется возможность заряда элемента питания пульта при использовании проводного режима работы; использование элементов питания с высокой емкостью позволяет обеспечить работу радиопульта в течение 8 и более часов без необходимости заряда; эргономика и информативный дизайн пульта максимально обеспечивают понимание принциповуправления, а входящий в комплект ремень на пояс позволяет оператору при необходимости освободить руки.
Рис. 4. Пульт управления компании СПАРК Fig. 4. Control Panel by the SPARK Company
Производственная компания «Ильма» [15] специализируется на разработке и изготовлении систем автоматизации и управления горношахтным оборудованием (рис. 5).
Пульт РПДУ обеспечиваетдистанционное радиоуправление проходческими комбайнами и другими видами шахтовой и рудничной техники. Корпус пульта выполнен из прочного стеклопластика. Сочетание джойстиков и кнопочной клавиатуры обеспечивает удобное и интуитивно понятное управления исполнительными устройствами. Обмен данными между РПДУ и приемным устройством, расположенным непосредственно на комбайне, осуществляется по современному цифровому помехоустойчивому протоколу. Размер и вес позволяют держать пульт одной рукой. С целью повышения безопасности горнопроходческих работ РПДУ оснащен функцией автоматического общего аварийного «стопа» в случае падения.
Рис. 5. Пульт радиоуправления
шахтовый РПДУ
Fig. 5. The RPDU Mine Control Panel
б
ПУЛЬТЫ УПРАВЛЕНИЯ УПДУ
(ФИЦ УУХ СО РАН)
В Институте угля ФИЦ УУХ СО РАН разработан универсальный пульт дистанционного управления (УПДУ) горношахтным оборудованием, который предназначен для использования в составе стендовой установки моделирования технологий скоростной проходки горных выработок и эффективной отработки труд-ноизвлекаемых запасов пластовых угольных месторождений подземным способом.
На первом этапе разработки УПДУ были исследованы условия работы машинистов горношахтного оборудования; соответствующие национальные и международные стандарты и нормы. Второй этап был направлен на разработку дизайн-концепции УПДУ, обеспечивающей максимально возможное эргономическое и антропометрическое оформление, рассчитанное на максимально широкий круг пользователей. Третий этап - разработка и изготовление полноразмерного действующего прототипа УПДУ. На этом этапе были решены задачи разработки спецификаций на техническое и программное обеспечение, создание дизайн-модели. На четвертом этапе в соответствии с ранее разработанной методикой были проведены испытания действующего прототипа УПДУ на демонстрационной моде-
Рис. 6. Пульты управления УПДУ (ФИЦ УУХ СО РАН)
Fig. 6. The UPDU Control Panels (Federal Research Center of Coal and Coal Chemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences)
ли шагающего гидрофицированно-го модуля. В итоге макет прототипа универсального пульта дистанционного управления роботизированными модулями успешно прошел контроль качества изготовления, все характеристики и свойства, все режимы функционирования пульта были отработаны.
Корпус УПДУ имеет размеры 300х100х50 мм. На лицевой панели корпуса расположены два дисплея для индикации технологических параметров и функций программируемых кнопок, не менее 20 программируемых клавиш управления. На боках и нижней панели корпуса расположены разъемы для подключения УПДУ к коммутационным устройствам, крепления и направляющие. УПДУ оснащен программируемым аппаратным модулем для управления экспериментальными образцами горношахтного оборудования разной конструкции (рис. 6).
УПДУ обеспечивает формирование сигналов управления к исполнительным блокам технологических систем по протоколу Ethernet и цифровым линиям. Он оснащен не менее 22 нажимными кнопками для ручного ввода команд, текущая функция каждой нажимной кнопки отображается на экране под ней, что дает возможность ей изменяться по заложенной в память универсального пульта программе. Пульт содержит два одноплатных компьютера и встраиваемый контроллер с возможностью реконфигурации портов ввода - вывода. Одноплатные компьютеры обеспечивают отображение интерфейса управления на встроенных в пульт экранах и его изменение согласно заложенной программе по командам от контроллера. Контроллер обеспечивает считывание процесса нажатия оператора на кнопки, обрабатывает их по заложенной в него программе, формирует управляющие сигналы к цифровым реконфигурируемым портам или на Ethernet-адаптер для управления ГШО.
ЭРГОНОМИКА
Существует немало конструкций пультов, в которых используются различные типы органов управления, по-разному скомпонованных и отвечающих за выполнение различных операций.
а
Для дополнительной защиты пульта от случайного падения, а также для удобства работы оператора на защитном корпусе пульта, как правило, располагаются ручки и система крепления к телу оператора. Такой подход обусловлен требованиями2: переносные пульты управления должны быть снабжены средствами для уменьшения вероятности случайного падения(например, ремнем или шейным ремнем); пройти испытания на свободное падение (испытание Ed) по ГОСТ 28218 и на удар (испытание Еа) по ГОСТ 28213 без видимых повреждений или последующей неправильной работы.
У рассмотренных выше некоторых вариантов пульта (см. рис. 3, 4) в передней части корпуса расположено крепление для лямки, на которой оператор может повесить пульт себе на шею и работать, держа его за ручки, которые имеют эргономически выгнутые под ладонь элементы для лучшего сцепления с руками оператора. В некоторых конструкциях пульта ручки расположены по бокам, выходя за корпус пульта, хотя это усложняет технологию изготовления пульта. Такое расположение ручек требуется для того, чтобы крепление ручек не соприкасалось с красной кнопкой в правой верхней части пульта. Такое расположение ручек обусловлено также общими эргономическими требованиями к пультам и органам управления: если орган управления находится рядом с индикатором, то ручка, управляемая правой рукой, должна находиться правее и ниже, а ручка, управляемая левой рукой, - левее и ниже индикатора.
Крепление пульта к телу оператора при помощи ремня было проверено авторами на эргономичность в двух экспериментах.
Первый эксперимент предполагал крепить ремень двумя свободными концами за спиной оператора (рис. 7, а). Такой способ оказался неэргономичным, так как в данном случае оператор не контролирует процесс полного закрепления и фиксирования ремня на своем теле, и руки оператора могут быть травмированы во время закрепления и фиксации ремня на талии.
Во втором эксперименте ремень был закреплен одним концом к корпусу пульта, второй его конец был длинным и свободным (рис. 7, б). При этом для закрепления ремня на теле оператора требовалось принять сидячую позу, обернуть вокруг талии свободный конец ремня, зафиксировать и застегнуть ремень при помощи бляшки на левом боку.
В результате проведенных экспериментов предпочтение было отдано варианту «б», так как оператор может контролировать закрепление ремня на своем теле, видеть все производимые им манипуляции с ремнем, и руки при этом не пострадают от вывихов и растяжений.
Следует отметить, что при разработке оборудования для горнодобывающей промышленности не всегда имеется возможность следовать принципам эргономики, промышленного дизайна. Оборудование для работы во взрывоопасных средах должно быть разработано и изготовлено таким образом, чтобы при применении его по
2 ГОСТ Р 59931-2021.
Рис. 7. Варианты эргономики крепления пульта
Fig. 7. Options for ergonomic mounting of the control panel
назначению и выполнении требований к монтажу, эксплуатации, перевозке, техническому обслуживанию и ремонту обеспечивалось выполнение следующих требований безопасности: оборудование должно обеспечивать взрывобезопасность при эксплуатации в течение всего предполагаемого срока службы; оборудование должно функционировать в фактических или прогнозируемых условиях окружающей среды; оборудование должно сохранять взрывобезопасность в изменяющихся условиях окружающей среды и при наличии внешних воздействий (влажность, вибрация, загрязнения, грозовые и коммутационные перенапряжения и др.) с учетом ограничений рабочих условий, установленных изготовителем3.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основании вышеизложенного материала можно сделать вывод, что реализация универсального пульта дистанционного управления горношахтным оборудованием выполнена с учетом модульности и унификации промышленных систем управления. Таким образом, есть возможность адаптировать интерфейс УПДУ к различным архитектурам ГШО.
Проектирование и изготовление корпуса универсального пульта реализованы с учетом особенностей эргономики оборудования для горнодобывающей промышленности и промышленного дизайна. Благодаря разработанному универсальному пульту дистанционного управления обеспечивается безопасность работы для оператора, имеющего возможность управлять оборудованием из безопасного места.
3 Технический регламент Таможенного союза «О безопасности оборудования для работы во взрывоопасных средах»(ТР ТС 012/2011).
Список литературы • References
1. Применение автономной и дистанционно управляемой техники на открытых горных работах // Горная промышленность. 2020. № 6. С. 56.
Use of autonomous and remotely operated equipment in surface mining. Gornayapromyshlennost. 2020;(6):56. (In Russ.).
2. Noort D.; McCarthy P. The Critical Path to Automated Underground Mining. In Proceedings of the First International Future Mining Conference and Exhibition, Sydney, Australia, 19-21 November 2008, Australasian Inst. Mining & Metallurgy. Carlton, Australia, 2008.
3. Jonak J., Gajewski J. Mining machines robotization on the example of the heading machine. Transport. Przemystowy i Maszyny Robocze. 2011;(4):66-69.
4. Mendyka P., Kotwica K., Stopka G., Czajkowski A., Ostapow L., Karli'nski J. Possibilities and Barriers in Implementation of Drilling Rig Remote Control. In Modern Technology and Safety in Mining; Kotwica, K., Ed.; Department of Mining, Dressing and Transporting Machines. Krakow, Poland, 2019, pp. 183-1905. Huang Z., Ge S., He Y., Wang D., Zhang S. Research on the Intelligent System Architecture and Control Strategy of Mining Robot Crowds. Energies. 2024;(17):1834. https://doi.org/10.3390/en17081834, https://www.mdpi.com/1996-1073/17/8/183.
6. Hang P. Collaborative control of robots in intelligent mine. Ind. Mine Autom. 2021;(47):43-44.
7. Sheridan T.B., Parasuraman R. Humans vs automation in responding to failures: An unexpected value analysis. Hum Fact. 2000;(42):403-7.
8. Goosen E.V., Nikitenko S.M., Kagan E.S., Pakhomova E.O. Evolution of VAC in the context of coal industry advance in the conditions of digitization in Russia. Eurasian Mining. 2019;(2):36-40.
9. О реализации мер технической политики, направленных на обеспечение технологической независимости горнопромышленного комплекса в горно-шахтном оборудовании / Ю.В. Малахов, С.Ю. Кононенко, В.А. Ракитин и др. // Уголь. 2024;(5):124-132. DOI: 10.18796/0041 -5790-2024-5-124-132.
Malakhov Yu.V., Kononenko S.Yu., Rakitin V.A., Pashkov D.A. On the implementation of technical policy measures aimed at ensuring technological independence of the mining industry in mining equipment. Ugol'. 2024;(5):124-132. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-57902024-5-124-132.
10. Никитенко С.М., Гоосен Е.В. Государственно-частное партнерство в недропользовании: новые возможности для ТЭК России // Минеральные ресурсы России. Экономика и управление. 2017. № 1. С. 27-32.
Nikitenko S.M., Goosen E.V. Public-private partnership in mineral resources development: new opportunities for Russia's fuel and energy complex. Mineral'nye resursy Rossii. Ekonomika i upravlenie. 2017;(1):27-32. (In Russ.).
11. Роботизация очистного забоя - полностью автоматизированная высокопроизводительная лава с системой управления
«Marco» «Robotic mining» (шахта «Полысаевская») / М. Ройтер,
М. Крах, У. Кисслинг и др. // Фундаментальные и прикладные
вопросы горных наук. 2017. № 4(2). С. 263-269.
Reuter M., Krach M., Kiessling U., Veksler Yu. Robotics-fully automated
highly productive face with the Marco Robotic mining system (Poly-
saevskaya mine). Fundamental'nye i prikladnye voprosy gornykh nauk.
2017;4(2):263-269.
12. Ройтер М., Векслер Ю., Курфюрст В. От автоматизации к «роботизации» работ в очистных забоях шахт // Индустрия Казахстана. 2007. № 9. С. 34-40.
Reuter M., Veksler Yu., Kurfurst W. From automation to "robotization" of production heading. Industriya Kazakhstana. 2007;(9):34-40.
13. Агентство полного цикла «Маркетинг от Тимченко». URL: https://stimchenko.ru/coffee-break/роботизированная-и-дистанционно-упр/ (дата обращения: 15.09.2024).
14. Официальный сайт компании СПАРК. URL: http://www.sparc-mining.ru/production/kdu. (дата обращения: 15.09.2024).
15. Официальный сайт производственной компании «Ильма». URL: https://ilma-mk.ru/product/apparatura-distantsionnogo-radioupravleniya-kadruk/ (дата обращения: 15.09.2024).
Authors Information
Nikitenko S.M. - Doctor of Economics, Chief Researcher, The Federal Research Center of Coal and Coal-Chemistry of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Kemerovo, 650000, Russian Federation, e-mail: [email protected]
Nikitenko M.S. - PhD (Engineering), Head of Laboratory, The Federal Research Center of Coal and Coal-Chemistry of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Kemerovo, 650000, Russian Federation Khudonogov D.Yu. - Research Associate, The Federal Research Center of Coal and Coal-Chemistry of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Kemerovo, 650000, Russian Federation Kizilov S.A. - PhD (Engineering), Research Associate, The Federal Research Center of Coal and Coal-Chemistry of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Kemerovo, 650000, Russian Federation
Aleksander A.S. - Undergraduate Student, National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, 634050, Russian Federation
Информация о статье
Поступила в редакцию: 2.05.2024 Поступила после рецензирования: 16.09.2024 Принята к публикации: 26.09.2024
Paper info
Received May 2,2024 Reviewed September 16,2024 Accepted September 26,2024
