CC BY
70
© С.С. Кубрин, В.В.Тимофеев, 2011
С. С. Кубрин, В.В. Тимофеев
РАЗВИТИЕ КАНАЛОВ ПЕРЕДА ЧИ ИНФОРМАЦИИ С ДИСТАНЦИОННЫМ ПИТАНИЕМ
Определены перспективы дальнейшего совершенствования информационных магистралей и подачи питания для средств автоматизированных систем. Ключевые слова: линии связи, информационные магистрали, дистанционное питание.
Лотребность в получении информации, управлении механизмами и оборудованием на всем протяжении развитии человечества была крайне необходимо. В зависимости от уровня развитии техники и технологии появлялись различные устройства, приборы и средства связи, сбора информации и передачи управляющих команд, распоряжений и воздействий. Такая же потребность существовала, существует и будет существовать в горном производстве. Особенно она важна при подземном способе разработки полезных ископаемых, когда основное производство является опасным производственным объектом. К таковым относятся рудники и угольные шахты. Для увеличения производительности труда в забоях используют средства механизации и автоматизации как очистных, так и добычных работ. В современных условиях используются высопроизводительные выемочные комплексы, позволяющие увеличить нагрузку на забой до 2-3 млн. т угля в год.
Для Российской Федерации технологические запасы угля характеризуются высокой метаноносностью (в среднем 8,3 кг/т) превышающей почти в два раза среднемировой показатель (4,9 кг/т). При возрастании скорости движения горных работ в условиях высокопроизводительных забоев значительно возрастает метановыде-ление. Большее количество метана, выделяющееся в шахтную атмосферу, при выемке угля высокопроизводительными забоями отрицательно сказывается на безопасность ведения горных работ в шахте, снижает эффективность применения современной угледобывающей техники, увеличивает загрязнение парниковыми газами атмосферы Земли. Для удаленного контроля и управления за раз-
личными горными машинами и механизмами и за контролем ситуации в шахте используют различные автоматизированные системы сбора, контроля и управления. Такие системы объединяются в автоматизированные системы диспетчерского управления (АСДУ) шахты или рудника. Элементы таких систем нуждаются как в каналах передачи информации и исполнительных команд, так и в электропитании. Существует всего три альтернативы. Первая - использовать один и тот же канал для передачи информации, управляющих команд и питания (это в основном использование проводных линий). Вторая - для передачи информации, управляющих команд использовать один канал (оптоволоконную, радио связь), а для питания другой канал. И третья - каждый элемент системы обладает встроенным автономным источником питания и информационным каналом.
В сфере современных телекоммуникаций происходят глобальные изменения: стремительно развиваются средства и способы связи, непрерывно увеличиваются ее возможности, совершенствуются технологии. В последние годы развитие телекоммуникационных технологий в горной промышленности идет с использованием второй альтернативы. В связи с этим происходит внедрение новых средств связи, как для нужд производства, так и для обеспечения его безопасности. Наряду с традиционной проводной связью предпринимаются попытки внедрения новых более прогрессивных средств связи, точнее средств связи, обладающими дополнительными возможностями - гибкостью (радио связь), высокой пропускной способностью (волоконно-оптическая связь) и т.д.. Детальный анализ существующих средств коммуникации для рудников и шахт и условий их применения и использования позволяет сделать основной вывод - использование одного вида связи, «на все случаи жизни» нецелесообразно, так как все вышеприведённые средства имеют различные, зачастую взаимоисключающие, преимущества и недостатки.
Так, например, проводные линии связи, особенно под землёй, со временем изменяют свои параметры в худшую сторону, на больших расстояниях заметно затухание сигнала. Волоконнооптические линии способны пропустить информационные сигналы с огромной скоростью, но большие проблемы возникают при их ремонте в подземных условиях. Радиосвязь под землёй связана с большими проблемами в связи с сильным затуханием радиосигнала
практически во всём диапазоне частот в подземных выработках. Решение ищут, используя направляющую среду (волновод) для распространения сигнала в выработке, либо используя большое количество ретрансляторов радиосигнала. Тем не менее, последние достижения сотовой и мобильной телефонной связи открывают заманчивые перспективы для разработчиков рудничной и шахтной радиоаппаратуры.
Однако, с другой стороны, хотелось бы подчеркнуть особую роль проводных линий связи в подземных коммуникациях. Дело в том, что ни волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), ни тем более радиоканал не способны передать вместе с информацией какое-либо практически используемое количество электрической энергии. Как можно предположить, речь идёт о дистанционном питании, которое, несомненно, является полезным техническим приёмом при контроле и управлении распределёнными в пространстве технологическими объектами. Но особенно актуальным данный вопрос становиться для горнодобывающего производства ввиду его особой специфичности, которая выражается не только в его распределённой структуре, а, в первую очередь, в особенностях рудничной атмосферы и особых требованиях взрывобезопасности, предъявляемых к оборудованию и всему технологическому процессу.
Использование дистанционного питания с поверхности в горных информационно - управляющих системах приводит к существенным преимуществам по сравнению с аппаратурой, работающей только на «местном» питании, т.е. питающейся от местной электрической сети. Это полная независимость от местных (подземных) источников питания, появляется возможность съёма информационных сигналов в энергонеобеспеченных местах, отпадает необходимость в дорогих специализированных искробезопасных источниках для питания подземных блоков аппаратуры, а так же в достаточно энергоёмких дополнительных источниках бесперебойного питания со временем резервирования до 16 часов.
Кроме того, источник дистанционного питания с искробезопасным выходом, находящийся на поверхности вне взрывоопасной зоны, может быть размещён в обычном корпусе общепромышленного исполнения в отличие от подземных источников «местного» питания в специальных металлических корпусах исполнения РВ.
Однако, несмотря на столь очевидное преимущество, аппаратура с дистанционным питанием не получила широкого распространения на горнодобывающих предприятиях как отечественных, так и зарубежных. Причина видимо в том, что задача решалась прямолинейно, используя наиболее простой и наглядный метод частотного разделения сигналов и питания в аппаратуре с частотным уплотнением.
Как известно, сам способ обеспечения двухсторонней связи с частотным разделением сигналов является довольно энергоёмким по причине одновременной и параллельной работы всех приёмников и передатчиков, нагружающих одну общую линию. При этом, чем больше частотных каналов в аппаратуре, тем больше потребление энергии. Большое затухание высокочастотного сигнала в линии и обеспечение высокой степени помехозащищённости так же требуют увеличения мощности передатчика. Но с другой стороны, мощность источника дистанционного питания ограничена требованиями искробезопасности.
Поэтому в зарубежной аппаратуре с разветвлённой информационной структурой подземные блоки дистанционно питались лишь частично, а полностью питать подземную часть удавалось только при небольшом количестве блоков на одной линии, не слишком протяжённой и разветвлённой.
В качестве примера можно привести аппаратуру телемеханики УТШ, выпускавшуюся в своё время Днепропетровским заводом шахтной автоматики. Несмотря на довольно высокое напряжение дистанционного источника (120 В) осуществлялось питание максимум четырёх подземных блоков на линии протяжённостью не более 10 км.
С целью дальнейшего развития данного направления предпринимается попытка использовать наиболее привлекательный с точки зрения энергосбережения способ передачи двоичной (цифровой) информации с временным разделением сигналов и дистанционным питанием. Основное его преимущество заключается в том, что передача информации происходит последовательно во времени, как относительно подземных блоков, входящих в систему, так и относительно каждого двоичного сигнала - одного бит информации. В связи с этим очевидно, что при увеличении объёма передаваемой информации энергопотребление системы практически не увеличивается, а увеличивается только время передачи, что очень удобно
при реализации дистанционного питания всей распределённой информационной структуры от одного источника, расположенного на поверхности. Правда, в данном случае, речь идёт о последовательной передаче информации с периферии системы на поверхность. Если же система работает с центральным управляющим блоком (в телемеханике он назывался блок ПУ), расположенном на поверхности, то даже при адресном опросе как информация, так и дистанционное питание должны подаваться на все подземные блоки одновременно, что накладывает свои специфические требования к каналу передачи информации.
Был предложен, наиболее экономичный и эффективный способ совместной передачи информации и дистанционного питания в линию связи, суть которого коротко заключается в следующем. На выходе центрального поверхностного блока формируется последовательность импульсов, содержащая в себе все необходимые импульсно-кодовые комбинации для передачи информации в подземные периферийные блоки. По линии связи данные комбинации импульсов передаются в виде двуполярного (переменного) напряжения, при этом амплитуда их должна быть, по крайней мере, не меньше уровня питания электронных схем подземных объектов, на входе которых импульсная последовательность фиксируется приёмным устройством (линейным узлом) и выпрямляется для организации питания самой электронной схемы.
При этом очевидно, что при любых комбинациях информационных признаков кодоимпульсной манипуляции или, проще говоря, различном сочетании логических «нулей» и «единиц» в линии связи уровень выпрямленного напряжения в подземных электронных схемах не изменяется. А если предположить, что приёмное устройство под землёй имеет высокое входное сопротивление и его входной ток значительно меньше тока потребления самой электронной схемой подземного блока, то с некоторой долей допущения можно говорить, что передача самой информации от центрального блока происходит практически без заметных затрат энергии за счёт передачи по линии связи манипулированного напряжения для питания электронных схем и других объектов периферийного оборудования, например, датчиков различных параметров и величин.
В дальнейшем был разработан приёмник импульсных сигналов с высокоомным входом примерно на 500 1000 кОм, который, тем
не менее, обеспечивает высокую помехозащищенность канала за
счёт образования симметричного дифференциального интерфейса, который в отличие от известных подобных средств, собранных на операционных усилителях (интерфейс RS485),функционирует в системе однополярного питания и реализован на обычной цифровой логике. Данный дифференциальный интерфейс и симметричность дистанционно питаемой схемы позволяют устранить влияние как высокочастотной аддитивной помехи, равной по амплитуде сигналу, так и влияние синфазных наводок большой мощности в линии связи.
За счёт применения цифровой логики с малым потреблением в комплексе с оптимальным схемотехническим построением была разработана электронная схема подземного блока, потребление которого в дежурном режиме, т.е. в режиме приёма сигналов, оказалось в пределах нескольких десятков микроампер. Таким образом, появилась возможность увеличить количество подсоединённых к линии связи подземных приёмников информации и соответственно блоков без заметных потерь энергии в протяженной и разветвленной линии связи. А о нагрузке источника дистанционного питания можно сказать, что он работает практически в режиме холостого хода, если все подземные схемы находятся в дежурном режиме.
Кроме того, в данном случае достаточно просто реализуется двухсторонняя (дуплексная) связь по разветвлённой линии древовидной структуры от одного линейного источника, являющегося одновременно и источником дистанционного питания.
Поэтому канал передачи информации с поверхности можно назвать каналом напряжения, а обратную передачу с подземных блоков - каналом тока, который образуется при последовательной во времени кратковременной «закоротки» линии, реализуя, так называемую, токовую петлю.
При этом потери в линии связи преобладают активные, за счёт её омического сопротивления, а импульсный сигнальный ток практически постоянен по амплитуде и, как уже говорилось выше, нагрузка линии не зависит от количества передаваемой на поверхность шахты информации.
Увеличивая тактовую частоту, соответственно увеличим и скорость передачи информации, что в свою очередь приводит к увеличению реактивных потерь в линии за счёт её распределённой электрической ёмкости. Поэтому наиболее оптимальной считаем тактовую частоту примерно около 200 Г ц при работе по свободной
паре древовидной структуры с дальностью до 15 км и общей суммарной протяжённостью в 50 км, что соответствует электрической ёмкости не более 3 мкф. Но при этих же условиях, скорость передачи информации может быть увеличена за счёт двойного уплотнения сигналов в канале тока и применения полного дуплекса примерно до 400 бод.
Таким образом, имеем сравнительно недорогое, надёжное, приспособленное к горным условиям техническое средство для передачи информации совместно с дистанционным питанием с минимальными затратами его ограниченной искробезопасной мощности.
Появляется возможность дистанционного питания от уже испытанных искробезопасных источников не только каналообразующей части аппаратуры информационных систем, но и дополнительной нагрузки, например различных датчиков, а наличие информационных каналов в данной системе позволяет автоматически поочерёдно подключать указанные элементы дополнительной нагрузки, значительно увеличивая их количество на одной линии связи.
Наряду с выполнением чисто информационных задач, предлагаемый метод дистанционного питания может успешно применяться в других системах, где особенно важна высокая надёжность и обеспечение автономным бесперебойным питанием. Например, системы безопасности, противопожарного обеспечения, охранные системы и т. д.
Дополнительной нагрузкой линии могут быть не только датчики, но и ранее никогда не функционировавшие в системных структурах различные исполнительные устройства, например, дистанционно управляемые телекамеры или звуковые и световые сигнальные излучатели.
Появляется важное преимущество, которое заключается в том, что в данной системе можно вести постоянный контроль работоспособного состояния не только линии, но и каждого периферийного устройства, а так же получить подтверждение о выполнение его функции предназначения.
В качестве примера технической реализации данной идеи можно привести искробезопасную аппаратуру звукосветовой сигнализации АЗСС. Аппаратура предназначена для централизованного оповещения с помощью звуковой и световой сигнализации пер-
сонала шахты в подземных выработках о возникновении аварийной ситуации с целью выхода из опасной зоны. Светозвуковой сигнал так же может носить предупредительный характер при пуске технологического оборудования и в других ситуациях.
Кроме того, за счёт использования информационно-управляющих свойств питающего напряжения организуется кратковременное включение сигнализаторов в определённом порядке с целью указания направления движения персонала практически на всём протяжении маршрута, т.е. образуется, так называемая, светозвуковая дорожка.
Аппаратура АЗСС состоит из центрального блока БУ С, в которой устанавливаются субблоки АЗСС в количестве до 6-ти штук. Каждый субблок АЗСС имеет искробезопасный выход на свою двухпроводную линию связи, к которой подсоединяются рудничные искробезопасные сигнализаторы (РИС) в количестве до 21 шт. Система работает как при линейной структуре, так и при разветвлённой (древовидной) линии связи. Наиболее эффективно данная сигнализация проявляет себя на расстояниях 5 ^ 7 км, хотя не теряет своей работоспособности на дальностях до 15 км.
Однако, наиболее успешные результаты были достигнуты при использовании данного метода централизованного дистанционного питания в разработке непосредственно горных информационно-управляющих систем (телемеханика). Была разработана аппаратура телемеханики искробезопасная ТМС-320И, опытные образцы которой, изготовленые на ЗАО «ИНБИС» в конце 90-х годов, успешно прошли испытания и находятся в эксплуатации на некоторых шахтах ОАО «Воркутауголь» (в частности на шахтах «Северная» и «Воргашорская»). Используется она в основном для контроля и управления локальными технологическими объектами. Аппаратура достаточно хорошо зарекомендовала себя в опытной эксплуатации, особенно по каналам телеуправления.
Выявленные в процессе эксплуатации недостатки, связанные в основном с использованием некачественных линий связи, были устранены при модернизации аппаратуры. Вместе с тем известно, что среди всех сигналов, задействованных в системе оперативнодиспетчерского управления, наибольшее количество составляют сигналы телеуправления (ТУ) и двухпозиционные сигналы телесигнализации (ТС) - примерно 70 80 %. Поэтому очевидно, что
использовать на шахте только один тип сложной аппаратуры для всех видов сигналов нерационально.
В качестве примера можно вспомнить аппаратуру телемеханики «Ветер 1М», которая 10 лет как снята с производства, но, тем не менее, до сих пор успешно эксплуатируется на многих шахтах РФ, что объясняется в первую очередь простотой обслуживания при эксплуатации, хорошей ремонтопригодностью и надёжным каналом связи по некачественным линиям, характерным для угольных шахт и рудников.
Вместе с тем, существующие недостатки данной системы (большой вес и габариты, местное питание подземных блоков контролируемых пунктов (КП), низкая скорость передачи информации), а так же функциональная ограниченность (передача только телеуправления и телесигнализации) не являются серьёзным препятствием для её широкого распространения и эксплуатации, что лишний раз доказывает необходимость и востребованность потребителем аппаратуры подобного класса.
Таким образом, упомянутая выше телемеханика ТМС-320И не только успешно заменяет морально и физически устаревший «Ветер», но также за счёт своих высоких технических и стоимостных показателей является эффективным дополнением к большим и сложным информационно управляющим системам в угольных шахтах. Здесь хотелось бы особенно отметить, что высокая помехозащищённость каналов связи в ТМС при её минимальном энергопотреблении (мощность источника дистанционного питания для всех 20-ти блоков КП в комплекте всего 0,1 Вт) и невысокая удельная стоимость сигнала (один комплект ТМС заменяет примерно 3 ^ 3,5 комплекта аппаратуры «Ветер» при сопоставимых ценах) являются следствием использования дистанционного питания указанным выше способом.
Ещё одна важная особенность - ТМС-320И может работать по старым, оставшимся от заменяемой аппаратуры, линиями связи, что подтвердили эксплуатационные испытания и позволили, в свою очередь, выявить некоторые недостатки при работе по каналам телесигнализации. Связано это было в основном с тем, что состояние старых линий связи на некоторых участках оказалось крайне неудовлетворительным за счёт повышенной электрической ёмкости и снижения изоляции («утечка»). Особенно это было заметно на проводных линиях самого нижнего уровня - от блоков
КП до датчиков телесигнализации, максимальная дальность до которых в некоторых случаях может достигать 2,5 3 км.
Что касается общей суммарной протяжённости таких проводных линий, то она может быть даже в несколько раз больше суммарной протяжённости магистральной линии связи от поверхностного блока ПУ до всех подземных блоков КП. Простейший подсчёт показывает, что, если все 15 каналов ТС одного КП имеют свои датчики на расстоянии 1 км, то суммарная протяжённость таких линий для всех 20 блоков КП в комплекте составит 300 км.
В реальной обстановке на горном предприятии такая ситуация вряд ли возможна - могут остаться незадействованными некоторые блоки КП и каналы ТС в рабочих блоках, и дальности могут быть иногда не более 100 м, но общие протяжённости этих линий реально могут быть порядка 100 150 км. При этом данные линии нахо-
дятся, как правило, в самых тяжёлых условиях эксплуатации: повышенная влажность, механическое воздействие, влияние сильных электромагнитных наводок от работающего оборудования и другой аппаратуры, в том числе и радиоаппаратуры с низкочастотным сигналом. Указанные линии всегда были проблемным местом в подземной технологической связи, поэтому сокращая их за счёт дополнительного уплотнения можно получить не только прямой эффект от экономии кабельной продукции, но и улучшить качество связи.
А в качестве таких технических средств дополнительного уплотнения, по нашему мнению, наиболее целесообразно применять как раз блоки КП аппаратуры ТМС-320И - простые, надёжные и недорогие. Однако при работе по старым линиям связи из-за их топологии размещения не всегда возможно и рационально дополнительное уплотнение. Поэтому при модернизации аппаратуры ТМС особое внимание было уделено входным узлам каналов ТС в блоках КП. Сейчас входы защищены от влияния электромагнитных наводок, в том числе высоковольтных, а параметры подсоединённых линий могут быть в несколько раз хуже номинальных, что примерно соответствует предельной дальности на нормальной линии в 8 10 км.
Таким образом, необходим продуманный комплексный подход при организации информационных систем в подземных условиях. Не последнюю роль должны играть проводные линии, свойства которых, указанные выше, позволят достичь положительных резуль-
татов. А такие уже разработанные технические средства, как упомянутая здесь телемеханика ТМС-320И, недорогая и наиболее приспособленная к шахтным условиям, должны способствовать их широкому внедрению и эксплуатации,
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ---------------------------------------
Кубрин С. С. - доктор технических наук, УРАН ИНКОН РАН, e-mail: s_kubrin@mail.ru),
Тимофеев В.В. - инженер ФГУП «Гипроуглеавтоматизация».
А
