CC BY
35
© С.З. Шкундин, В.В. Стучилин, 2014
УДК 622:658.011.56
С.З. Шкундин, В.В. Стучилин
КОНЦЕПЦИИ ПОСТРОЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ РФ
Рассмотрены общие концепции построения информационно-измерительных систем обеспечения безопасности в угольных шахтах РФ. Проведен параметрический анализ таких систем. В результате исследования выделены наиболее важные параметры ИИС обеспечения безопасности. ИИС обеспечения шахтной безопасности, построенная на основе АСУТП, обладает доступом к оперативной информации, использует современные технологии интеграции систем и данных, открытую и масштабируемую систему, имеет оптимальное соотношение цены и функциональности, гибкое решение и современные компоненты интеграции, экономию при внедрении за счет активного привлечения специалистов предприятия.
Ключевые слова: угольные шахты, информационно-измерительные системы, безопасность шахт, горные работы.
Угольные шахты России испытывают трудности с надлежащим воздухоснабжением, что, как правило, объясняется большой протяженностью выработок и их малым поперечным сечением. Ситуация усугубляется (что подтверждается ростом числа взрывов и опасных ситуаций в угольных шахтах) несовершенством или отсутствием в шахтах информационно-измерительных систем (ИИС) обеспечения безопасности. Установка в шахтах современного оборудования, позволяющего обеспечить постоянный автоматический мониторинг параметров безопасности, является высокоприоритетной задачей для угольной промышленности. При этом цель заключается в том, чтобы сделать использование такого оборудования обычной практикой работы угледобывающих предприятий. Наличие подобных систем в шахтах сегодня представляет собой стандартную международную практику и позволяет определять наличие опасных концентраций газа, признаков пожаров на ранних стадиях, проблем с изоляцией электрических сетей и др. Подобные
системы существуют и в российских шахтах, однако, в большинстве случаев являются морально устаревшими и не отвечают современным требованиям.
Кроме того, на современном этапе развития угольная промышленность России и Кузбасса в частности, стремится к повышению производительности труда.
В решении этих задач может помочь комплексная автоматизация шахт, как единого целого. На сегодняшний момент на шахтах Кузбасса наблюдается разрозненная автоматизация важных технологических процессов. В основном это процессы аэрогазового контроля и автоматизированной газовой защиты, управление электроснабжением, конвейерным транспортом, погрузкой угля. Эти системы в большинстве случаев функционируют как изолированные. Из-за этого их эффективность снижается. Кроме того, эти системы обычно морально устаревшие, спроектированные в начале семидесятых годов и нуждаются в замене. Поэтому при эксплуатации
этих систем нередки аварии, которых можно было бы избежать при отсутствии ошибок в этих автоматизированных системах. В настоящей статье приводится структурный анализ действующих сегодня ИИС обеспечения безопасности угольных шахт.
Одним из центральных вопросов такого анализа, является вопрос выбора контроллера - мозгового центра системы.
Сейчас построение шахтных ИИС возможно по двум схемам: централизованная схема; распределенная схема.
Централизованная схема - это когда один большой контроллер стоит на поверхности и обрабатывает информацию от всех датчиков и управляет всеми устройствами. Достоинством такой схемы является простота настройки и обслуживания контроллера, снижение требований к контроллеру в плане защищенности. Недостатки такой схемы также очевидны:
• большое количество линий связи (проводов);
• ограниченное расстояние до датчиков (малый радиус охвата);
• ограниченное количество точек контроля.
Возможно, такая схема подходит для маленькой шахты на начальном этапе. Но большинство шахт имеют большую протяженность выработок, и централизованная схема им не подходит по многим причинам. Поэтому, почти все системы автоматизации представленные на рынке, используют распределенную схему размещения контроллеров.
При распределенной схеме размещения контроллеров, несколько контроллеров располагаются непосредственно в лаве или других выработках шахты и соединены специальной сетью для передачи цифровых данных. Топология такой сети может быть различной - звезда, кольцо, шина и т.п., это зависит от типа контроллера.
На данный момент выбор контроллера полностью определяет всю информационную систему. От типа контроллера зависит тип используемых в системе датчиков и исполнительных механизмов. От типа контроллера зависят линии связи и топология сети. От типа контроллера зависит тип БСДОД-системы или программного обеспечения верхнего уровня. Поэтому, выбирая контроллер, мы полностью определяем стратегию развития информационной системы.
Общая концепция построения системы
Каждое предприятие заинтересовано в том, чтобы на основе информационной системы получить законченное решение, представляющее собой совокупность аппаратных и программных средств, позволяющих решать наиболее актуальный круг задач за расчетное время с привлечением заранее просчитываемых финансовых и человеческих ресурсов.
В соответствии с этим в основу построения современной информационно-измерительной системы должны быть положены следующие принципы:
• соответствие государственным, международным и корпоративным стандартам и требованиям безопасности;
• высокая надежность технических и программных средств;
• использование современных датчиков;
• повсеместное использование методов цифровой обработки и передачи информации;
• многоуровневость и распределенность;
• работа в реальном времени;
• гибкость (легкость в настройке и внесении изменений);
• совместимость вниз с существующими техническими средствами;
• совместимость вверх с существующими перспективными информаци-
онными системами (включая глобальные информационные сети);
• масштабируемость (возможность при необходимости распространить решение на удаленные объекты, преобразовать систему в территориаль-но-распределенную);
• использование стандартных аппаратных и программных средств, интерфейсов и протоколов связи;
• простота и непрерывность аппаратного, алгоритмического и программного расширения и модернизации;
• возможность оперативного и интерактивного создания и изменения службой эксплуатации основных характеристик информационно-управляющих систем;
• использование стандартного графического интерфейса.
Информационная система может иметь ограниченную функциональность, что не дает задаче выйти за рамки целесообразности. При этом эксперты исходят из принципа, что если сложный продукт построен на верных принципах, то проблем с последующим наращиванием функциональности быть не должно.
Требования к современным ИС:
• открытость и гибкость архитектуры; возможность поэтапного наращивания;
• возможность интеграции и взаимодействия между собой различных подсистем;
• возможность интеграции с существующими и вновь создаваемыми подсистемами, в том числе других производителей.
При выборе ИИС на первый план выходит вопрос о соизмеримости ценности продукта и затрат, связанных с его приобретением, внедрением и использованием. При этом для получения объективной картины необходимо рассчитать не только стоимость покупки программного обеспечения и затраты на его внедрение (видимые),
но и некоторые скрытые (невидимые) затраты, например, стоимость владения, модернизации и утилизации.
Существует два основных способа снижения затрат для ИИС - технологический и процедурный.
Технологический способ:
• ориентация на технологии мировых фирм производителей ПО, что делает интерфейс системы и правила работы с ней дружественными к приложениям, которые находятся в массовом использовании;
• использование промышленных баз данных типа MS SQL Server или Oracle вместо специально разработанных под конкретную АСУ СУБД, что существенно удешевляет их обслуживание;
• упрощенная процедура обновлений, что позволяет провести автоматическое сравнение обновленной системы с рабочей версией и локализовать работу по переносу модификаций;
• возможность централизованного администрирования при инсталляции системы, что освобождает системного администратора от рутинной работы по поддержке версии и позволяет ему обслуживать больше аппаратуры.
Процедурный способ:
• развитие внутренней экспертизы по системе с целью самостоятельной отработки изменений в техпроцессе. В результате существенно снизятся расходы на дорогой консалтинг;
• создание единого центра данных. Для разветвленных бизнес -структур эта мера позволит ограничиться одной версией системы, уменьшить потребность в технических ресурсах и обойтись единственным центром администрирования вместо того, чтобы организовывать свой информационно-технологический департамент в каждом подразделении.
Обзор существующих аппаратных решений
В Российской Федерации в настоящее время внедрены и используются
Таблица 1
Сравнительная таблица технических параметров коммерческих предложений по комплексу мониторинга газовой среды.
Наименование системы Микон 1Р (Ингортех, Свердловск) ПРОМТЕХ (г. Москва) АНАЛ ИТ-ПРИБОР (г. Смоленск) «Гранч» (г. Новосибирск) EMAG (Польша) BECKER (Германия) Davis Derby (Великобритания) BALDWIN & FRANCIS (Великобритания)
Количество обслуживаемых подземных устройств одним комплектом поверхностного оборудования до 90 32 ООО 2x14 не ограничено (4 ООО ООО ООО) 64 (в одном комплекте) 1024 8 (в одном кластере) 127
Операционная среда системы оих SCADA for WINDOWS WINDOWS 2000 SC ADA for WINDOWS, HTML SKMBв ОС WINDOWS-NT SC ADA for WINDOWS MineSCADA for Windows-NT SCADA for WINDOWS
Командо-контроллер, наименование ПВУ \7AL101P TROLEX ТХ2101 кед GRANCH SBTC-2 Концентратор CCD (CCD-1) RTU-3 CPU 8051 MinewatchPC-21 Baldwin & Francis BMAC
Операционная система контроллера оих Intouch Development ASSEMBLER Linux RT нет PLC CAN bus ISAGRAF based control logic
Структура системы поверхность -контроллер - датчик (исполнитель) поверхность -усилитель передачи -станция управления -станция сбора данных -датчик (исполнитель) поверхность (КУСД) -линия связи контроллер (КСД) -датчик (исполнитель) поверхность -контроллер - датчик (исполнитель) поверхность -концентратор -датчик (исполнитель) поверхность -излучающий кабель -модем -подземный компьютер - датчик (исполнитель) поверхность -универсальный блок управления (модуль управления) -датчик (исполнитель) поверхность -витая пара -подземный компьютер - датчик (исполнитель)
Способ автоматизации технологических процессов программный, подземный программный, с поверхности программный, подземный программный, с поверхности программный, подземный программный, с поверхности программный, подземный программный, подземный
Наименование системы Микон 1Р (Ингортех, Свердловск) ПРОМТЕХ (г. Москва) АНАЛ ИТ-ПРИБОР (г. Смоленск) «Гранч» (г. Новосибирск) ЕМАв (Польша) BECKER (Германия) Davis Derby (Великобритания) BALDWIN & FRANCIS (Великобритания)
Линия передачи данных, команд и связи с поверхностью четырех-проводная линия связи витая пара телефонного кабеля, оптоволокно 2 пары телефонного провода витая пара телефонного кабеля (оптоволокно) витая пара телефонного кабеля излучающий кабель с усилителями и разветвите-лями четырех-жильный кабель витая пара
Наличие резерва линии связи нет есть есть есть нет нет нет нет
Линия связи между подземными контроллерами четырех-проводная линия связи витая пара телефонного кабеля 2 пары телефонного провода витая пара телефонного кабеля нет излучающий кабель с усилителями и разветвите-лями четырех-жильный кабель витая пара
Линия связи между контроллером и датчиком витая пара телефонного кабеля витая пара телефонного кабеля витая пара телефонного кабеля витая пара телефонного кабеля витая пара телефонного кабеля витая пара телефонного кабеля витая пара
Максимальное расстояние от поверхности до контроллера, км 20 2 10 8,6 10 100 с усилителями через 350 м 10 10
Максимальное расстояние между контроллерами, км 20 2 10 8,6 100 с усилителями через 350 м 0,5 10
Максимальное расстояние от контроллера до датчика, км 5 2 3 2,5 2 2 1 1
Необходимое сечение, мм2 0,5 0,5 0,5 0,5 1,5 0,5 1,5 1,5
Скорость передачи данных, кБ/с 0,6 115 1,2 2000 0,6/1,2 9,6 150 19,2
Наименование системы Микон 1Р (Ингортех, Свердловск) ПРОМТЕХ (г. Москва) АНАЛ ИТ-ПРИБОР (г. Смоленск) «Гранч» (г. Новосибирск) ЕМАв (Польша) BECKER (Германия) Davis Derby (Великобритания) BALDWIN & FRANCIS (Великобритания)
Время запаздывания, с - 1-2 - 0,001-0,1 10 - 1
Время автономной работы,ч 16 20 6 10 1 8 - 12
Напряжение питания контроллеров, В 36, 127,660 127 36-127 30-280 Питание с поверхности 3 0-285 12 12 от блока питания
Наличие резервного питания 36 с блоком БАВР нет есть есть есть есть нет есть
Наличие дополнительного блока питания для датчиков обязательно обязательно обязательно обязательно нет обязательно обязательно обязательно
Дополнительные возможности управление конвейерами, управление энергоснабжением, управление механизмами шахты управление конвейерами, управление энергоснабжением, управление механизмами шахты управление конвейерами, управление энергоснабжением, управление механизмами шахты связь, управление конвейерами, управление энергоснабжением, управление механизмами шахты управление, конвейерами, управление энергоснабжением, управление механизмами шахты управление конвейерами, управление энергоснабжением, управление механизмами шахты, радиосвязь управление конвейерами, управление энергоснабжением, управление механизмами шахты связь, управление конвейерами, управление энергоснабжением, управление механизмами шахты
Типы датчиков сертифицированные датчики (аналоговые и цифровые) всех фирм-производите-лей с выходами 0,4-2 В или 4-20 мА сертифицированные датчики (аналоговые и цифровые) всех фирм-производи-телей любых диапазонов датчики в составе аппаратуры АКМР сертифицированные датчики (аналоговые и цифровые) всех фирм-производи-телей любых диапозонов датчики в составе аппаратуры ЕМАС сертифицированные датчики (аналоговые и цифровые) всех фирм-производите-лей с выходами 0,4-2 В или 4-2 0мА сертифицированные датчики (аналоговые и цифровые) всех фирм-производите-лей с выходами 0,4-2 В или 4-2 0мА сертифицированные датчики (аналоговые и цифровые) всех фирм-производите-лей с выходами 0,4-2 В или 4-2 0мА
Наименование системы Микон IP (Ингортех, Свердловск) ПРОМТЕХ (г. Москва) АНАЛ ИТ-ПРИБОР (г. Смоленск) «Гранч» (г. Новосибирск) EMAG (Польша) BECKER (Германия) Davis Derby (Великобритания) BALDWIN & FRANCIS (Великобритания)
Количество аналоговых входов 14 8*8 входов/ выходов аналоговых или цифровых 16 8 8 14 аналоговых или цифровых входов или выходов 14 аналоговых или цифровых входов +2 аналоговых выхода 12 (расширение до 40)
Количество дискретных входов 16 16 16 16 16 (расшире-ни е до 90)
Количество управляющих выходов 8 16 8 4 6 12 (расшире-ни е до 60)
Функция измерения и учета электроэнергии нет есть нет есть нет нет нет нет
Где применяется шахта Аба- шевская, Юбилейная, Есаульская, Листвяжная нет информации шахта Осин-никовская шахта Распадская шахты Польши шахты ЮАР Великобритания, Испания, Китай, Россия Великобритания, Австралия, ЮАР
Количество специального кабеля, км _ _ _ _ _ 33 24
Стоимость специального кабеля и соединительных муфт, тыс. руб 22 164 934,3
Стоимость контроллера, тыс. руб. 150,0 242,1 148,7 238,0 встроенный БП 369,6 165,7 523,3 встроенный БП + БП для датчиков 772,2 с БП
целый ряд ИИС обеспечения шахтной безопасности (на базе общешахтных АСУТП) в задачи, которых входит обеспечение безопасности ведения горных работ. Технические характеристики наиболее известных систем приведены в табл. 1.
Для выбора наиболее эффективной ИИС были проанализированы три системы, которые имеют наиболее высокие показатели по надеж-
ности, функциональности, скорости и т.д. (из систем приведенных в табл. 1). Технические параметры этих систем сведены в табл. 2. Выбор производился с использованием метода экспертных оценок.
Таким образом, видно, что ИИС обеспечения шахтной безопасности, построенная на основе АСУТП ООО НПФ «Гранч» более предпочтительна и обладает следующими преимуществами:
Таблица 2
Параметрический анализ ИИС обеспечения безопасности угольньж шахт
№ Позиция Transmitton Микон-Ш АСУТП «Гранч»
1 Страна-изготовитель Англия Россия Россия
2 Год изготовления 1994 2000 2004
3 Назначение Контроль АГЗ и защита оборудования Контроль АГЗ, защита оборудования, управление конвейерами, управление энергоснабжением управление механизмами шахты Комплексная автоматизация подземного шахтного технологического процесса. Контроль АГЗ, защита оборудования. Автоматизация технологического процесса поверхности
4 Фирма изготовитель Transmitton Ингортенх Гранч
5 Контроллеры Transmitton HD СЯДНСН БВТС2
6 Модульность Нет Нет Да
7 Питающее напряжение 127 В 36 В, 127 В, 660 В от 30..280 В
8 Диапазон датчиков 0,4-2 В 0,4-2 В любые
9 Энергонезависимая память нет 32 КБ >=40 МБ
10 Поверхностное исполнение нет нет да
11 Программная расширяемость нет нет да
12 Аналоговые входы 14 14 до 56
13 Цифровые входы 16 16 до 112
14 Реле 4 8 до 56
15 Счетчики 4 - до 56
16 Частота процессора 20 МГц 6 МГц 400 МГц
17 Расстояние до датчика 800 м 5000 м 2000 м
18 Коэффициент использования каналов 30-50 % 70-90%
19 Стоимость 15 000£ 4600/1109$.. 6000/4000 $
18 FRONT END DRIVER МС40 SBNI12 (ОРС-сервер)
19 Протокол CanBus SAP V7 части 2 и З ModBus/Ethernet (ModBus/IP)
20 Скорость 300 бод 600 бод до 2 000 000 бод
21 Число колец 4 4 25
22 Растояние до станции 2000 м 20 000 м 8600 м
23 Число станций в кольце 14 22 4 000 000
24 Длина кольца 10 000 м 20 000 м неограниченно
25 Цена 230 000 руб. за 2 канала передачи данных 3000 руб. за канал
26 Срок внедрения 5 мес. 6 мес. 8 мес.
27 Программное обеспечение MineScada Davis Darby QNX www-интерфейс, любая SCADA-система, OPC-сервер
1. Функциональная полнота
Подсистемы Гранч Микон-1р
Электроснабжение да сопряжение с «Ветерок»
Теплоснабжение да нет
Проветривание да да
Водоотлив да нет
Газовый контроль да да
Воздухоснабжение да нет
Автотабельный учет да (сопряжение «Бородино-М») нет
План ликвидации аварий да нет
Связь да (сопряжение «Бородино-М») нет
Подъемные установки да нет
Взвешивание да нет
Промтелевидение да нет
Пожаротушение да да
Прогнозирование горных ударов, внезапных выбросов обрушений да нет
Транспорт конвейерный да да
Транспорт рельсовый да нет
Контроль качества да нет
Снабжение расходными материалами да (технология RFID) нет
Закладка выроботанного пространства или обрушение да нет
Наземные объекты да нет
Коэффициент функциональности (положительные оценки суммируются и делятся на число параметров) 1 0,25
Нормированная оценка по 5-балльной шкале 5 1,25
2. Инструментальная технологичность
Параметры (оценка в баллах 0-5) Гранч Микон-1р Примечание
Простота установки и настройки системы 4 3 Гранч в меньшей степени нуждается в отладке
Использование промышленных баз данных (MS SQL или Oracle) 5 4 Кроме SQL сервера, в Микон, используется специализированная база реального времени
Открытость (возможность добавления нового функционала, перепрограммирование) 5 1 Засчет модульной структуры и программирования с поверхности Гранч вне конкуренции. Микон нужно перепрограммировать через специальный про-громатор на поверхности, после этого тащить в шахту
Простота администрирования 4 3 Гранч имеет больше настроек и на порядок сложнее Микона. У Микона нестандартное администрирование
Возможность централизованного администрирования и управления изменениями 5 2 Для администрирования Микона нужно спускаться в шахту
Разграничение прав доступа и защита информации 5 5 Защита реализована на уровне операционной системы Linux или Qnx. Есть шифрование
Масштабируемость 5 3 Гранч - радио 10 км (32 кБит/сек), оптоволокно - 100 км (2 Гбит/сек), интернет - неограниченно. Микон -радио 25 км (1200 Бит/сек)
Производительность 5 1 Гранч - опрос 56 каналов за 1 милисекун-ду, Микон - опрос 14 каналов за 1 мин.
Требования к серверам 3 4 У Гранча 3 сервера высокой производительности. У Микона 3 и больше средней производительности
Требования к рабочим станциям 3 3 Одинаковое для Гранч и Микон
Требования к производительности компьютерной и технологической сети 5 1 У Гранча - 2 000 000 бит/сек, у Мико-на - 600 бит/сек. Скорость компьютерных сетей одинаковая - 100 Мбит/сек
Итого (сумма оценок деленная на число параметров) 4,45 2,73
3. Прикладная технологичность
Параметры Гранч Микон-1р Примечание
Коммуникабельность или интегрированность 5 1 Микон не интегрируется или требует больших затрат для интеграции
Сопровождение системы фирмой разработчиком 4 4 Телефонная поддержка. Возможен выезд представителя
Настройка системы на индивидуальные нужды шахты 5 2 Гранч можно настроить под любую технологию
Модульность 5 1 Гранч позволяет достигнуть 70-90% использования каналов данных. У Микона этот праметр достигает 30-50%
Технические ограничения 5 2 У Гранч технических ограничений на порядок меньше Микон-1Р
Итого 4,8 2
Итого общая оценка:
«Гранч»: «Микон-1Р»:
(5+4,45+4,8)/3 = 4,75 (1,25+2,73+2)73 = 1,99
• оперативный доступ к оперативной информации;
• современные технологии интеграции систем и данных;
• открытая и масштабируемая система;
• оптимальное соотношение цены и функциональности;
• гибкое решение и современные компоненты интеграции;
• экономия при внедрении за счет активного привлечения специалистов предприятия;
• современный продукт, созданный в кооперации производственников и специалистов по
• информационным индустриальным системам.
По сравнению с другими системами, в «Гранч» заложена концепция открытой системы с максимальным набором функций. Система позволяет использовать любой датчик любого производителя. Кроме того, можно использовать широкий выбор программного обеспечения сторонних фирм (практически любой ОРС-сервер, любую современную БСДОД-систему) без риска несовместимости.
В заключении отметим, что проведенный анализ современных ИИС шахт показал, что такие системы обеспечивают:
• высокое качество диспетчерского управления;
• централизованный контроль и учет выработки и потребления энергоресурсов;
• оперативное и наглядное предоставление информации в реальном масштабе времени;
• сигнализацию нарушений технологических режимов;
• оптимальное функционирование технологических процессов;
• повышение качества продукции за счет большей ритмичности хода технологического процесса;
• увеличение выработки продукции за счет сокращения количества и длительности простоев оборудования
из-за несбалансированности производства;
• уменьшение затрат материалов и энергоресурсов на выпуск единицы продукции при увеличении оперативного контроля за расходами.
• повышение эффективности деятельности предприятия на основе оперативной и достоверной информации;
• создание информационного инструмента для обнаружения и использования источников экономии производственных и непроизводственных затрат;
• снижение влияния «человеческого» фактора при подготовке и принятии управленческих решений.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Шкундин Семен Захарович - доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой, e-mail: snkundin@mail.ru,
Стучилин Владимир Валерьевич - кандидат технических наук, доцент, e-mail: stuchilin@mail.ru, МГИ НИТУ «МИСиС».
UDC 622:658.011.56
CONCEPT OF CONSTRUCTION OF INFORMATION-AND-MEASUREMENT SYSTEMS FOR COAL MINE SAFETY CONTROL IN RF
Shkundin S.Z., Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Chair, e-mail: snkundin@mail.ru,
Stuchilin V.V., Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: stuchilin@mail.ru,
Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS».
General concepts of info-measurement systems for Russian coal mines safety delivering systems development are considered in the paper. The parametric analysis of such systems is given. As a result the most significant parameters of such systems are determined. Information-measuring systems software mine safety based on DCS, has access to operational information, uses modern technology integration of systems and data, open and scalable system that has an optimum ratio of price and functionality, flexible and modern integration components, saving in implementation due to active attraction of experts of the enterprise.
Key words: coal mines, information-measuring systems, safety of mines, mining operations.
