CC BY
69
УДК 65.011.56 В.Л. Конюх
ПРОМЫШЛЕННАЯ АВТОМАТИЗАЦИЯ В КОНЦЕПЦИИ РУДНИКА БУДУЩЕГО
Предстоящий переход к добыче полезных ископаемых на глубине более 1,5 км затруднит применение традиционных способов ведения подземных работ. Нагревание выработок за счет тепла центра Земли и изменение свойств горных пород приведут к росту затрат на жизнеобеспечение горнорабочих. Увеличатся потери времени на доставку людей к месту работы и обратно. Станет сложнее согласовывать горные работы во времени и пространстве. Радикальным решением проблемы становится переход к управлению подземными машинами с поверхности (рис. 1).
Рассредоточенные под землей рабочие места соединены высокоскоростной информационной сетью с выходом к имитаторам кабин машинистов на поверхности. Самоходные машины оснащены бортовыми телекамерами, устройствами навигации в выработках, системами автоматического управления и через цифровой радиоканал связаны с распределенными в выработках антеннами. Управление простыми для автоматизации операциями, такими как движение машины по выработке, осуществляется бортовой системой машины, а сложными, такими как зачерпывание горной массы, - из кабины машиниста на поверхности. Имитационное моделирование комбинированного управления несколькими машинами с поверхности на языке вРБЭ/И показа-
ло, что один оператор может переключаться на управление 3-4 погрузочно-транспортными машинами [1]. В 1993 г. канадская горнодобывающая компания «Инко» впервые продемонстрировала управление погрузочнотранспортной машиной с поверхности на канадском руднике «North Mine» [2]. Идея развивается в системах «Robominer» (ф. «Automated Mining Systems», Канада) на рудниках Канады и Германии, «AutoMine» ( ф. «Sandvik Tamrock», Финляндия) на рудниках Швеции, Чили и ЮАР, «MI-NEGEM» ( ф. «Caterpillar», США), Научного центра «^КО»(Австралия) на рудниках Австралии. Скандинавская программа «Интеллектуальный рудник» содержит 28 проектов по навигации самоходных машин, роботизации погрузочно-транспортных машин, автоматизации бурения, заряжания и набрызг-бетонирования, создания подземной информационной сети, оперативного управления рудником [ 3]. Подобная программа «KUJ 2000» разрабатывается для шведского рудника «Кируна»[4].
Переход к управлению подземными машинами с поверхности позволит полнее использовать самоходное оборудование, сократить затраты на жизнеобеспечение горнорабочих, уменьшить потери рабочего времени на перемещение персонала, а в перспективе - перейти к планированию горных работ в режиме реального времени и безлюдной добыче руды.
Появление микропроцессоров в 70-х годах прошлого века привело к пересмотру принципов промышленной автоматизации. Стали быстро развиваться распределенные системы автоматизации с дистанционным программированием управляющих устройств, пятиуровневое компьютерноинтегрированное производство (CIM), системы обобщенного контроля и приобретения данных (SCADA), роботы с адаптивным и интеллектным управлением, системы технического зрения, промышленные шины, системы радиочастотной идентификации (RFID), мультиагентное управление, интеллектуальные датчики, имитационное моделирование систем, электронные производства [5]. Оказалось, что перепрограммируемое управление рабочим оборудованием выгоднее совершенствования конструкций. До сих пор горное дело остается на последнем месте по уровню автоматизации [6]. Это объясняется как изменчивостью технологической среды, так и консерватизмом горных инженеров.
Цель статьи - анализ приложений промышленной автоматизации в концепции рудника будущего, разрабатываемой по заказу ОАО «ГМК «Но-рильскНикель».
Рис. 1. Концепция рудника будущего: 1 - бурильная установка; 2 - погрузочно-транспортная машина; 3 - машина для набрызг-бетонирования; 4 - зарядная машина; 5 - кабина оператора
С позиции системного подхода выделим основные элементы рудника будущего:
• распределенная по выработкам информационная сеть для передачи голосовой, цифровой и видеоинформации в реальном времени;
• система обмена информацией между самоходным оборудованием и стационарной сетью;
• человеко-машинный интерфейс для управления подземными машинами с поверхности;
• бортовая система управления горной машиной;
• система навигации и позиционирования самоходных машин в выработках;
• система оперативного и стратегического планирования добычи.
Информационные сети для сбора информации от распределенных под землей датчиков не могут быть использованы для управления подземным оборудованием из-за узкой полосы пропускания, невозможности обмена информацией в реальном времени, низкой надежности, запаздывания сигналов,. Так, запаздывание команды управления более 0,3 с приведет к столкновению неуправляемой машины со стенкой выработки. В качестве линий передачи информации на зарубежных рудниках применяют коаксиальный кабель или оптическое волокно. Для протяженных вырабо-
ток на российских рудниках более перспективно применение витой пары проводов с передачей цифровой информации по стандарту 1ЕС 61158-3.
Обмен информацией между самоходными машинами и оконечными устройствами информационной сети возможен с помощью распределенных антенн и радиомодема, работающего по перспективному протоколу 3в [7]. Особенностью человеко-машинного интерфейса для рудника будущего является создание эффекта активного присутствия оператора в зоне работы горной машины. На поверхность потребуется передавать информацию о зонах и режимах работы машин, состоянии оборудования, усилиях на рабочих органах. Откроются возможности записи режимов работы машин, сопоставления текущей видеоинформации, полученной с борта машины и из зоны ее работы.
Автоматическое управление частью рабочих операций будет выполняться по программе, записанной в бортовой программируемый контроллер машины. Для этого потребуется ввести электрогидравлическое управление рабочим оборудованием, оснастить машину бортовыми телекамерами и набором датчиков (на погрузочно-транспортной машине приходится размещать около 150 датчиков), сформировать алгоритмы управления машиной на языках стандарта 1ЕС 61131-3, разделить функции управления между оператором и бортовой системой, обеспечить безопасность работы машины в штатных и нештатных ситуациях. Самоходная машина с автоматизированным управлением приобретает признак шахтного робота - перепрограммирование движений многофункционального рабочего органа [8]. Так, оперативная оценка степени К заполнения ковша погрузочно-транспортной машины по вре-
мени свободного опускания ковша [9] или давлению в поршневой полости гидроцилиндра стрелы [10] позволит автоматически выбирать решение о продолжении или окончании погрузки:
К = (Т т + Т,)/[ Тп + Т, + (1 - Р ) пТ Л
где Тт - время движения; Т5- время погрузки; Р - вероятность повторения зачерпывания; п- среднее число повторных зачерпываний до заполнения ковша; Т* - среднее время зачерпывания.
Имитационное моделирование рабочей смены на языке вРБЭ/Н и в виде сети Петри для двух стратегий погрузки показало, что при доставке руды на 80-100 м заполнение ковша на 70 % выгоднее, чем повторение зачерпываний до полного заполнения ковша, поскольку потери времени на повторные зачерпывания будут компенсированы дополнительными рейсами [11].
Система навигации необходима для ориентации движения машины по выработке. В качестве направляющей испытывался светоизлучающий кабель, подвешенный к кровле [12]. Из-за сложности выбора направления движения на разветвлениях и необходимости создания навигационной инфраструктуры рудника разрабатывают бортовые системы автономной навигации, измеряющие расстояния до препятствий вращающимся лазерным сканером [13]. Определение положения самоходной машины в пространстве (позиционирование) необходимо для координации горных работ во времени и пространстве, предотвращения столкновений, смены режимов управления. На машине устанавливают измерители пройденного пути и углов поворота, акселерометры, набор гироскопов и лазерный сканер, а также определяют положение машины по стационарным маякам.
3____________L
2
Рис. 2. Получение информации о заполнении ковша для системы планирования горных работ: 1 - носитель информации; 2 - антенна; 3 - контроллер; 4 - устройство записи/считывания; 5 - датчик заполнения ковша; 6 - компьютер диспетчера
В качестве источника информации для оперативного и стратегического планирования горных работ предлагается применить систему радиочастотной идентификации (RFID), содержащую устойчивый к воздействиям среды носитель информации (тэг, транспондер) 1, стационарную антенну 2, контроллер 3, устройство записи-считывания информации 4 (рис. 2).
По окончании погрузки бортовой датчик 5 измеряет степень заполнения ковша. Результат измерения вводится в бортовой транспондер 1 . При прохождении машины мимо стационарной антенны 2 устройство 4 считывает с транспондера информацию о номере машины, местах погрузки и разгрузки, степени заполнения ковша и через информационную сеть рудника вводит ее в компьютер 6 [14].
В горном деле система радиочастотной идентификации может применяться также для решения задач:
• распознавание машины, движущейся по выработке;
• учет горнорабочих под землей;
• предотвращение неразрешенного управления;
• распределение приоритетов при управлении несколькими машинами;
• мониторинг добычи по машинам и зонам работ;
• мониторинг ресурса оборудования и расхода топлива.
Решение поставленных задач позволит перейти к компьютерной интеграции систем добычи и организации работы горнодобывающего предприятия (рис. 3).
На нижнем уровне I/O (Input/Output) входы и выходы перепрограммируемых устройств управления уровня CONTROL согласуют с разнообразными датчиками и исполнительными устройствами горных машин. Здесь решаются задачи нормализации цифровых сигналов, защиты от дребезга контактов, гальванической развязки, разделения зон взрывоопасности. Система обобщенного контроля и приобретения данных SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), используя сигналы распределенных дат-
Рис. 3. Уровни компьютерно-интегрированной добычи рулы
MRP
MES
SCADA
CONTROL
. I/O л------------
чиков, отображает на экране диспетчера ход добычи, архивирует показания датчиков, извлекает данные о себестоимости добычи и использовании машин, распознает предаварийные ситуации и формирует рекомендации по устранению аварий. На уровне контроля исполнения добычи MES (Mining Execution System) ведут оперативное управление горными работами в зависимости от геомехани-
1. Конюх В.Л., Рамазанов Р.А. Управление подземными погрузочно-транспортными машинами с поверхности //Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2004. - №4. - С. 61-66.
2. Baiden G. Combining teleoperation with vehicle guidance for improving LHD productivity an Inco-Limited // CIM Bullettin. - 1994.-№ 87 (981), pp.36-39
3. Seppanen P., Pukkila J. Intelligent mine
technology programme // Mine Mechanization and Automation.-Sweden: Lulea, 1993,
pp.79-82
ческой обстановки и состояния машин, выявляют «узкие места» в технологической цепи, планируют техническое обслуживание. Уровень планирования ресурсов добычи MRP ( Mining Resources Planning) предназначен для планирования работы рудника во времени и пространстве, оценки себестоимости, формирования программ отгрузки и анализа мирового рынка сбыта с целью получения наибольшей прибыли от добычи.
Решения по выработке концепции рудника будущего могут быть проверены путем проведения экспериментов «Что, если....? » на его имитационной модели [15].
Работа выполнялась по проекту У0043/995 «Подготовка кадров в области информационных технологий производства для Кузбасса» Федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 гг.».
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Nilsson J.-O. Future production system -KUJ 2000. A multi-million construction project // Proc. of the 2-nd Intern. Symp. on Mine Mechanization and Automation. USA: Golden,1993.
5. Конюх В.Л. Компьютерная автоматизация производства. Уч.пос. в 2 частях. Кемерово: КузГТУ, 2000, 118 и 113 с.
6. Конюх В.Л. Шахтная автоматика: Россия в мире // Уголь, 2003, № 6, с.37-39
7. Humphrey D.W. Die drahtlose sensorik // Computer &Automation. - 2004, №7, pp.20-23.
Подземное оборудование
8. Конюх В.Л. Шахтная робототехника. -Кемерово: Кузбассвузиздат, 2000. - 336 с.
9. Конюх В.Л., Чайковский Э.Г., Рубцова Е.В Способ определения степени загрузки ковша погрузчика. А. с. №1188261// Бюл. 1985. № 40.
10. Конюх В.Л., Чайковский Э.Г., Рубцова Е.В. Способ определения степени загрузки ковша погрузчика. А. с. №1239231// Бюл. 1986. №23.
11. Konyukh V. Use of Intelligent Automation for Mine Robot Cars // Proc. of the Third International Symposium on Mine Mechanization and Automation. - USA: Golden,V.1, pp. 1.45-1.56.
12. Belanger L. CCARM’s automatic vehicle guidance system// World Mining Equip-ment.-1994, V.15, № 4, p.41.
13. S. Scheding at al. Experiments in autonomous underground guidance // Proc. IEEE Conf. Robotics and Automation, USA: Albuquerque, NM, 1997, pp. 1898-1903.
14. Konyukh V. Remote controlled LHD machine as the medium source for mine planning / / Proc. of the Fourth International Conference “Mining Techniques 2005”, Poland: Krakow, 2005, pp.1-8.
15. Конюх В.Л., Зиновьев В.В. Имитационное моделирование в горном деле // Докл. 1-й Всероссийской научно-практической конференции «Опыт практического применения языков и программных средств имитационного моделирования в промышленности и прикладных разработках» (ИМ-М0Д-2003). СПб: ФГУП ЦНИИ ТС, 2003. Т.1, с. 106-110. ЕЕЕ
— Коротко об авторах------------------------------------------------------
Конюх Владимир Леонидович - доктор технических наук, профессор, Действительный член Академии горных наук, Новосибирский государственный технический университет.
---------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФЕДОТОВА Марина Евгеньевна Формирование экологической стратегии промышленного предприятия 08.00.05 к.э. н.
