Интеллектуальная система контроля, прогнозирования и управления участком шахты, предотвращения взрывов рудничного газа Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 99" МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99

Ю.Н. Камынин, проф., д.т.н., В.А. Камынин, студ.,

Гипроуглеавтоматизация МГГУ

Интеллектуальная система контроля,

прогнозирования и управления участком шахты, предотвращения взрывов рудничного газа

Основные функции выполняемые системой

Система предназначена для автоматизации процесса принятия решения при выполнении следующих основных функций:

♦ контроля текущей величины газообильности участка шахты в точке установки датчика метана;

♦ прогнозирования времени достижения нижнего предела взры-ваемости рудничной атмосферы;

♦ фиксации момента появления недопустимой довзрывной концентрации метана;

♦ фиксации момента появления нижнего предела взрываемости с быстродействием менее двух секунд;

♦ прогнозирования времени нахождения участка шахты под действием взрывной концетрации рудничного газа;

♦ отключение низковольтной системы электроснабжения машин а при необходимости и высоковольтной и тем самым предотвращение аварии раньше, чем поток взрывной концентрации газа достигнет возможного источника воспламенения газа в выработке;

♦ громкоговорящего оповещения работающих на участке, о недопустимой концентрации газа, путях вывода людей из аварийных зон и недопустимости фрикционного искрения ручным инструментом и электрического искрения ручными приборами;

♦ выработки управляющих воздействий и распоряжений службе вентиляции об изменнении режима вентиляции на загазированном участке шахты;

♦ диагностического контроля аппаратуры измерения метана, пусковой аппаратуры, системы электроснабжения.

В первую очередь система должна непрерывно контролировать выполнения §238 правил безопасности (ПБ) [2] и с большим быстродействием оповещать диспетчера и руководство шахты о невыполнении какой-то функции в заданный отрезок времени.

Отбор информации о загазованности, конторолируемого участка шахты длинною до 400 метров, представляет собой сложную задачу, так как место выделения метана чаще всего неизвестно, интенсивность выделения метана является случайной величиной, устойчивое распределение концентрации метана в выработке математически не определено, диффузия метана в воздушном потоке так же представляет собой сложную математическую задачу, датчики метана могут находиться как в работоспособном, так и в неработоспособном состоянии [3].

Время нарастания концентрации метана от начального до нижнего предела взрываемости и образования загазованного участка выработки с взрывной концентрацией, зависит как от метанообиль-ности м3/мин, так и скорости воздуха, то есть от работоспособности системы вентиляции.

Определение текущей величины газообильности участка шахты производится в системе по разнице значений между предыдущим и текущим значением замеров показания датчика метана с учетом интервала времени между замерами.

Прогнозирование времени достижения нижнего предела взры-ваемости рудничной атмосферы производится с учетом найденного значения текущей величины газо-обильности, сечения и длины выработки для которой производится прогноз. Как показывают расчеты

уже при величине газообильности 5 м3/мин время достижения взрывной концентрации 5% от начального значения 2%, составляет 10-15 мин. За это время желательно вывести людей с участка шахты в выработку со свежей струей воздуха.

Функция системы о снятии напряжения с питающего кабеля в случае образования у буровых станков, комбайнов и врубовых машин местных скоплений метана, достигших 2% (§238 ПБ), в настоящее время выполняется автоматически за счет анализаторов метана АТ1-1,АТ3-1 с датчиком метана ДМВ и отключающей катушки пускателя или фидерного автомата. Указанная функция в системе дополняется диагностическим контролем аппаратуры измерения метана и пусковой аппаратуры системы электроснабжения. Если датчик метана выдал сигнал о недопустимой концентрации в пускатель или фидерный автомат низкого напряжения, а отключение электроэнергии не произошло то тогда вырабатывается предположение что фидорный автомат не работоспособен и система принимает решение об отключении высоковольтной ячейки, подающей напряжение на загазованный участок.

Система контролирует запрет подачи электроэнергии на участок шахты и допускает после снижении концентрации метана до 1% (§238 ПБ) снятие запрета на возобновление работы буровых станков, комбайнов и врубовых машин.

При выполнении функций контроля скорости воздуха призабойных пространств очистных выработок и в тупиковых выработках газовых шахт не менее 0.25 м/сек;

0.5 м./сек (в соответствии с §205 ПБ), если при этом скорость будет

меньше указанных величин диспетчер шахты должен получить сигнал об отклонении от нормы.

Система запрещает ведение работ, если в течении смены происходит 3 и более автоматических отключений электроэнергии (§238 ПБ), за счет решения счетных и временных функций.

Система фиксирует признаки, предшествующие внезапному выбросу или горному удару и в частности повышение текущей газо-обильности, загазирование участка с содержанием рудничного газа выше нижнего предела взрывае-мости, и в соответствии с §171 ПБ все рабочие ИТР должны выйти из выработки (производится громкоговорящее оповещение). При этом электроэнергия должна быть автоматически отключена системой. Работы могут быть возобновлены только по письменному разрешению главного инженера шахты (снятие блокировки системы электроснабжения участка шахты, громкоговорящее оповещение).

Система выполняет функции громкоговорящего оповещения работающих на участке, о недопустимой концентрации газа, путях вывода людей из аварийных зон, недопустимости фрикционного искрения. Это производится:

♦ в случае образования у буровых станков, комбайнов и врубовых машин местных скоплений метана, достигающих 2% (§238 ПБ), с последующей остановкой машин и снятия напряжения с питающего их кабеля; если обнаруживается дальнейший рост концентрации метана, или в течении 15 мин она не снижается, люди должны быть выведены на свежую струю;

♦ мгновенно, если будет зафиксирован нижний предел взрываемости в определенных точках пространства участка шахты, при этом, если произошел внезапный выброс, оповещается так же о включении в самоспасатель.

Математическая модель, для описания интеллектуальной системы.

В интеллектуальной системе предотвращения взрывов рудничного газа используется декларативная форма [1] представления знаний и в частности язык логических схем. База знаний состоит из набора логических формул, которые обеспечивает описания предметной области, связанной с предотвращением взрыва рудничного газа.

Модификация такой базы знаний происходит путем добавления или удаления логических формул. При этом могут быть выделены новые факты, не содержащиеся в явном виде в базе знаний.

Пусть дано несколько исходных утверждений, аксиом, или исходных логических переменных А1,..А1..Ат. Путем использования логических умозаключений из утверждений Аь.А1..Ат получается следствие ?1=ДА1..Ат), (логическими операциями функции ?1 являются например конъюнкция, дизъюнкция, инверсия), далее из следствий ?1,с2..ск получают новые комбинации 21=Ф(?1,с2..ск). Так комбинируя исходные положения друг с другом, а затем со следствием таких комбинаций и

далее полученных следствий друг с другом будем иметь все разрастающуюся “сеть” утверждений,

основанных на нескольких начальных (рис.1 ).

Фундаментом базы знаний (данных) является логика времени, логика пространства, логика причин и следствий, логика действий, логика оценки и логика норм.

Алгоритм автоматического управления имеющий п выходных автоматически выполняемых функций, целесообразно представить совокупностью булевых функций, [4] каждая из которых определяет закон функционирования схемы по одному выходу 21 2^1(Ть..,ТьРь..,РьТ1,..Л^)

Zn=Fn(T 1,. .,ТЬР:,.. ,РЬТ1,.. ,т™)

(1)

где ZlчZn-конечное множество управляющих воздействий на объект предотвращающих взрыв рудничного газа или сигнализация по выводу людей, или сигнализация о состоянии объекта; Т^Т - конечное множество опорных состояний наблюдаемого объекта; Р:чРк -конечное множество направлений перехода, наблюдаемого объекта из одного состояния в другое ( из РТ1 в РТ(1+1) или порядок перехода (история) между состояниями Рт1,Рт(1+1),Рт(1+]); - конечное

множество переменных определяющих время нахождения процесса в данном опорном состоянии Т1 или время перехода из одного

опорного состояния по направлению к другому ТТ1—^ХТ(1+1), или время между порядками перехода состояний х [Рт1,Рт(1+1 ),Рт(1+|)].

Характер изменения переменных Т,Р,х объекта регистрируется по наблюдаемым переменным АЬ..,Ат.

Переменные Т,Р, х являются функциями от переменных А1 и могут быть выраженными через них логическими функциями[4].

Используются также ранее полученные следствия ст1=f(A1..Am).

Задание математической модели конкретного объекта можно производить с помощью таблично формализованного языка [4] размещения логических и временных функций рис. 2.

мы, а так же возможное начало катастрофы в том числе неисправная работа устройств определяется уравнением вида:

г = и П,(<нРт) = и Пг(<нРт)+ и ПЛ(шРт)-

■■(2)

- знак логической конъ-

Рис. 2. Табличное размещение логических и временных функций

Математическая модель непрерывного наблюдения за реакцией системы при ее нормальном функционировании в том числе и исправной работе устройств систе-

где П

юнкции (произведение переменных ю, Р, т); и-знак логической дизъюнкции (сумма произведений переменных ю, Р, т); первое слагаемое - логическая сумма несовместимых событий (проверяемое устройство неисправно); второе слагаемое - логическая сумма совместимых событий (проверяемое устройство исправно); к-общее число переменных ю, Р, т).

Здесь несовместимое и совместимое события определяются произведением наборов переменных ю, временем т нахождения их в данном состоянии и порядком переходов Р из одного состояния в другое.

Математическая модель системы предполагает известными:

♦ конечное множество переменных ю(юь..,юк), представляющих входные и выходные переменные проверяемых блоков или устройств системы;

♦ соответствие значений выходных переменных Ъ входным А при исправной работе системы;

♦ совместимые и несовместимые наборы переменных ю;

♦ совместимое и несовместимое время т нахождения наборов

переменных ю в данном j-м состоянии;

♦ совместимые и несовместимые переходы Р из одного состояния переменных (ю_ц) в другое (юJ);

к -1

(=1

к - 1

Логическая сумма всех несовместимых событий:

Q = Ш®рх)

_1

составляет полную группу с вероятностью появления, равной единице, если проверяемое устройство неисправно. Инверсия этой функции: _______________

Q = ип арх)

Se2i-1

представляет функцию исправной работы устройства.

С помощью математической модели уравнения (2) реализуются функции типа:

♦ выявление неисправности в аппаратуре управления и отыскания в ней отказавшего блока;

♦ выдачи сигнала препятствующего подаче ложного управляющего сигнала в объект.

Логическая сумма всех совместимых событий:

Q = ип *(®Рх)

Йе2* _1

составляет полную группу, если проверяемое устройство исправно. Инверсия этой функции:

О= ~иш®рх7

Йе2*-1

представляет функцию неисправной работы.

При неисправной работе проверяемого устройства на одном или нескольких наборах функции принимают значение, например “1”. Тогда, если проверяемое устройство исправно, эти функции непременно на всех наборах будут иметь нуль.

Выбор одной из функций в качестве программной для диагностирования системы определяется экономическими критериями в зависимости от сложности реализации в конкретной технологической задаче.

С помощью математической модели уравнения (2) реализуются функции типа:

♦ выявление неисправности в аппаратуре управления и отыскания в ней отказавшего блока;

♦ выдачи сигнала препятствующего подаче ложного управляющего сигнала в объект.

Структурная схема интеллектуальной системы.

Структурную схему необходимо рассматривать, как совокупность машин, приборов и других средств, выполняющих следующие материальные, энергетические, информационные потоки [5]:

♦ полезного ископаемого от забоя до погрузки в железнодорожные вагоны;

♦ электроэнергии к механизмами шахты от поверхностной подстанции;

♦ людей в том числе связь между ними) в шахту и на поверхность;

♦ воздуха в шахту с поверхности;

♦ оборудования и материалов в шахту и на поверхность;

♦ воды из шахты на поверхность. Структурная схема рис 3. интеллектуальной системы основана на интеграции:

♦ организоционных структур с участием людей работающих на участке шахты, общешахтного диспетчера, а так же экспертов;

♦ технических средств пусковой и защитной аппаратуры системы электроснабжения участка шахты;

♦ технических средств громкоговорящей связи и оповещения;

♦ средств вентиляции и контроля за содержанием метана, скорости и расхода воздуха;

♦ средств подачи воды в заруб-ную щель забоя ( на схеме не показано );

♦ комплекса средств интеллектуальной деятельности содержащие научные методы, вычислительную и информационную технику;

Экспертная подсистема (рис.1), ориентирована на использование знаний профессионалов (экспертов), позволяет достаточно быстро вносить знания высококвалифицированных специалистов в ЭВМ (о месте повышения концентрации, сечении и длине выработки, режиме вентиляции, наличии пыли.

режим дегазации, пути вывода людей, работоспособности датчика метана и цепи передачи информации до стойки СПИ-1, работоспособности быстродейственного защитного устройства от утечек тока на землю, в системе электроснабжения и работоспособности фидерного автомата автоматического отключения электроснабжения и т.д.

В состав экспертной системы входит база знаний 1 и блок пополнения знаний 2, формирования ответа 3 и объяснения 4.

База знаний представляет совокупность правил (выражения для определения текущей газо-обильности, прогнозирование времени достижения недопусти-

мой концентрации, определение работоспособности: датчиков метана, аппарате сигнализации, фидерных автоматов электроснабжения, линий передачи информации и т.д.), определяющих факты и закономерности при развитии аварийной ситуации при загазованности участка.

В состав блоков, входящих в состав экспертной системы, лежит метод (механизм) логического вывода, база знаний определяется в виде логических выражений.

В блоке пополнения знаний логический вывод используется для определения новизны, полноты и непротиворечивости поступающих в систему знаний данных.

В блоке пополнения знаний находятся:

♦ текущее сопротивление изоляции, работающих в шахте электрических установок и кабелей (§ 547 ПБ);

♦ результаты проверки аппарата защиты от утечек тока (§546 ПБ);

♦ данные о каждом случае прорыва метана из почвы горной выработки или суфлярного выделения (§246 ПБ);

♦ значение параметров (метана, скорости воздуха и т.д.).

При этом основная идея состоит в автоматизации процесса контроля за параметром (объектом) с помощью контроля за отклонением значений параметров и получения динамических характеристик статистической обработкой.

Рис. 3. Структурная схема интеллектуальной системы контроля

Д1,Д2,Д3-датчик метана выносной, ДМВ и преобразователь параметров измерения ППИ; ЛС-аппарат сигнализации анализатора метана АТ3-1; ТМРК-метан реле для забойных машин; ДРВ-датчик расхода воздуха; ДСВ-датчик скорости воздуха; ГСО-громкоговорящая связь и оповещение; НПВ-датчик контроля нижнего предела взрываемости рудничной атмосферы; ПМВИ, ЛФВ,РПП,ПУПП-пусковая и защитная аппаратуры системы электроснабжения участка шахты; ВМП-вентилятор местного проветривания; КЯ-кабельный ящик; СПИ-1 -стойка приема информации от датчиков метана.

З

Такими статистическими характеристиками процесса могут быть: математическое ожидание, дисперсия, корреляционная и автокорреляционная функции, преобразование Фурье.

Обучение в интеллектуальной системе происходит в процессе нормальной эксплуатации при наблюдении за случайными входными и выходными сигналами-это есть статистический способ обучения интеллектуальной системы.

Переход к интеллектуальной фазе автоматизации шахтных

процессов предполагает построение общешахтной информационной сети ( рис 4.1 [5] ) из программируемых контроллеров.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. В.А. Геловани, О.В. Ковригин, Н.Д. Смольянинов. Методологические вопросы построения интеллектуальных систем в книге Системные исследования. Методологические проблемы. Издательство “Наука”, М., 1983.

2. Правила безопасности в угольных шахтах.Москва, 1995.

3. Ю.Н.Камынин, М.Б.Пильник. Отбор информации о загазованности контролируемого участка в сб. Abto-матизированный контроль и управление на угольных предприятиях. ‘TyA”,M.,1997.

4. Ю.Н. Камынин, Л.Г. Мельку-мова. Системы и устройства автоматики для горных предприятий на основе микроэлектроники и микропроцессорной техники., Москва, ”Недра”, 1992.

З. Ю.Н. Камынин, A.M. Онищенко, С.Г. Лаевский. Основы проектирования рудничной автоматик. Мо-сква,”Недра”, 1992.

© Ю.Н. Камынин, В.А. Камынин