CC BY
48
© С.З. Шкундин, А.Ю. Грачев, В.В. Стучилин, 2013
УДК 616.24 - 073.173
С.З. Шкундин, А.Ю. Грачев, В.В. Стучилин
СОВРЕМЕННЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ
Рассмотрены вопросы повышение безопасности ведения горных работ. Исследован шахтный акустический анемометр серии АПА на соответствие требованиям электроискробезопасности по этим двум критериям.
Ключевые слова: безопасность горных работ, угольные шахты, электроискробезо-пасность, акустические анемометры.
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 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 угольной промышленности в России и в Кузбассе в частности, перед угольными предприятиями стоит вопрос о повышении 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 выполнены как изолированные системы. Из-за этого их эффективность снижается. Кроме того, эти системы обычно морально устаревшие, спроектированные в начале семидесятых годов и нуждаются в замене. Поэтому при использовании этих систем нередки аварии, которые возможно было предотвратить, но которые произошли из-за ошибок в этих автоматизированных системах. Поэтому стоит задача проанализировать вопросы построения комплексных систем угольного предприятия.
Одним из центральных вопросов такого анализа, является вопрос выбора контроллера - нервного центра системы
АСУТП. Из-за особенностей измерительных приборов (датчиков), которые выщают информацию в виде аналоговых сигналов (токи, напряжения, изменение сопротивления), необходимо преобразование этих сигналов в цифровое представление и выработка на основе преобразованных данных управляющих действий, что и делает контроллер.
Сейчас построение АСУТП шахты 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 подойдет 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 систему
АСУТП. От типа контроллера зависит тип используемых в системе датчиков и исполнительных механизмов. От типа контроллера зависит 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 АСУТП.
Общая концепция построения системы
Каждое предприятие заинтересовано в том, чтобы на основе информационной системы (ИС) получить законченное решение, которое должно представлять собой совокупность аппаратных и программных средств, услуг, позволяющих решить 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 информационными системами (включая глобальные информационные сети);
- масштабируемость (возможность при необходимости распространить ре-
шение на удаленные объекты, преобразовать систему в территориально-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.
Автоматизированная 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 АСУТП:
- открытость и гибкость архитектуры;
- возможность поэтапного наращивания;
- возможность интеграции и взаимодействия между собой различных подсистем АСУТП;
- возможность интеграции с существующими и вновь создаваемыми подсистемами АСУТП, в том числе других производителей.
При выборе АСУ 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 АСУ — 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 целый ряд АСУТП в задачи, которых
Таблица 1
Сравнительная таблица технических параметров коммерческих предложений по комплексу мониторинга газовой среды
Наименование системы Микон 1Р (Ингортех, Свердловск) ПРОМТЕХ (г. Москва) АНАЛИТ-ПРИБОР (г.Смоленск) Гранч (г. Новосибирск) EMAG (Польша) BECKER (Германия) Davis Derby (Великобритания) ВАШ WIN & FRANCIS (Великобритания)
Стоимость предложения, тыс. руб. 7 000,8 19 772,9 3 986, 737 10 880,39 20 133,873 44 073,4 15 883,3 27 175,5
Количество обслуживаемых подземных устройств одним комплектом поверхностного оборудования До 90 32000 2x14 Не ограничено (4 000 000 000) 64 (в одном комплекте) 1024 8 (в одном кластере) 127
Операционная среда системы ож SCADA for WINDOWS WINDOWS 2000 SCADA for WINDOWS , HTML SKMB в ос WINDOWS- NT SCADA for WINDOWS MineSCAD A for Windows NT SCADA for WINDO WS
Командо-контроллер, наименование ПВУ \7AL101P TROLEX ТХ2101 кед GRANCH SBTC-2 Концентратор CCD (CCD-1) RTU-3 CPU 8051 Minewatch PC-21 Baldwin & Francis BMAC
Операционная система контроллера ож Intouch Developme nt 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 — контрол-лер(КСД -датчик (исполнитель) Поверхность контроллер -датчик (исполнитель) Поверхность -концентратор - датчик (исполнитель) Поверхность изучающий 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 Про граммный, с поверхности Программный, подземный Программный, с поверхности Программный, подземный Программный, с поверхности Программный, подземный Программный, подземный
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
Время запаздывания, с - 1-2 - 0,001-0,1 10 - 1
Время автономной работы, ч 16 20 6 10 1 8 12
Продолжение таблицы 1
Напряжение питания 36, 127,660 127 36-127 30-280 Питание с по- 30-285 12 12 от
контроллеров, В верхности блока пи-
тания
Наличие резервного 36 с блоком нет есть есть есть есть нет есть
питания БАВР
Наличие дополнитель- обязательно обязатель- обязательно обязатель- нет обязательно обязатель- обяза-
ного блока питания но но но тельно
для датчиков
Дополнительные воз- управление управление управление связь, управление управление управление связь,
можности конвейера- конвейе- конвейера- управле- конвейерами, конвейера- конвейе- управле-
ми, управле- рами, ми, управле- ние кон- энергоснаб- ми, управле- рами, ние кон-
ние энерго- управление ние энерго- вейерами, жением ние энерго- управление вейера-
снабжением энерго- снабжением управле- управление снабжением, энерго- ми,
управление снабжени- управление ние энер- механизмами управление снабжени- управле-
механизмами ем управ- механизмами госнабже- шахты механизмами ем, управ- ние энер-
шахты. ление ме- шахты нием, шахты, ра- ление ме- госна-
ханизмами управле- диосвязь ханизмами бжение
шахты, ние меха- шахты м, управ-
низмами ление
шахты механиз-
мами
шахты
Типы датчиков Сертифици- Сертифи- Датчики в Сертифи- Датчики в со- Сертифици- Сертифи- Серти-
рованный цирован- составе ап- цирован- ставе аппара- рованный цирован- фициро-
датчики ный датчи- паратуры ный датчи- туры ЕМАС датчики ный датчи- ванный
(аналоговые ки (анало- АКМР ки (анало- (аналоговые ки (анало- датчики
и цифровые) говые и говые и и цифровые) говые и (аналого-
всех фирм цифровые) цифровые) всех фирм цифровые) вые и
производи- всех фирм всех фирм производи- всех фирм цифро-
телей с вы- производи- производи- телей с вы- производи- вые) всех
ходами телей лю- телей лю- ходами телей с вы- произво-
0,4..2 В или бых диапо- бых диапо- 0,4..2 В или ходами дителей с
4..20мА зонов зонов 4..20мА 0,4.. 2 В выходами
или 0,4..2 В
4..20мА или 4..20
мА
Количество аналого- 14 8*8 вхо- 16 8 8 14 аналого- 14 анало- 12 (рас-
вых входов дов/выход ов аналоговых или цифровых вых или цифровых входов или выходов говых или цифровых входов+2 аналогово-вых выхода ширение до 40)
Количество дискрет- 16 - 16 16 16 - - 16 (рас-
ных входов ширение до 90)
Количество управляю- 8 - 16 8 4 - 6 12 (рас-
щих выходов ширение до 60)
Функция измерения и нет есть нет есть нет нет нет нет
учета электроэнергии
Где применяется Ш. Абашев- Нет ин- ш. Осинни- ш. Распад- Шахты Поль- Шахты ЮАР Велико- Велико-
ская, Юбилейная, Еса- формации ковская ская ши британия, Испания, британия, Ав-
ульская, Ли-ствяжная. Китай, Россия,. стралия, ЮАР,
Количество специаль- - - - - - 33 24
ного кабеля, км
Стоимость специально- - - - - - 22164 - 934.3
го кабеля и соедини-
тельных муфт, тыс.руб
Стоимость контролле- 150.0 242.1 148.7 238.0 369.6 165.7 523.3 772.2 с
ра, тыс. руб. встроенный БП встроенный БП + БП для датчиков БП
Таблица 2
Параметрический анализ систем АСУТП для шахт
№ Позиция Transmitton Микон-1Р АСУТП "Грани"
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 CRANCH эвтсг
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 >=40МБ
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 15000Е 4600/1109$.. 6000/4000 $
18 FRONT END DRIVER МС 40 ЭВМ 12 (ОРС-сервер)
19 Протокол CanBus SAP V7 части 2 и 3 ModBus/Ethernet (МоаВиэЛР)
20 Скорость 300 бод 600 бод до 2000000 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 4000000
24 Длина кольца 10 ООО м. 20 000 м. неограниченно
25 Цена 230 000 руб. за 2 ка-нала передачи данных. 3000 рублей за канал
26 Срок внедрения 5 мес. 6 мес. 8 мес.
27 Программное обеспечение MineScada Davis Darby QNX, шшш-интерфейс, любая БСАОА-система, ОРС-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 бальной 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 прогроматор 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 милисекунду, 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 - 2000000 бит/сек, у Микона - 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 ин-тегрированность 5 1 Микон не интегрируется или требут 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 00 2
Итого общая оценка:__
| Гранч: (5+4,45+4,8)73 = 4,75 | Микон-1Р: (1,25+2,73+2)/3 = 1,99
входит обеспечение безопасности ведения горных работ. Технические характеристики наиболее известных систем приведены в табл. 1.
Для выбора наиболее эффективной АСУТП были проанализированы три системы, которые имеют наиболее высокие показатели по надежности, 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.
Проведенный анализ показал, что АСУТП ООО НПФ «Гранч» более предпочтительна для эксплуатации в шахтах РФ и обладает следующими преимуществами:
- 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.
Система «Гранч» может обеспечивать:
- высокое качество диспетчерского управления;
- централизованный контроль и учет выработки и потребления энергоресурсов;
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
- 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 использования источников экономии производственных и непроизводственных затрат;
- снижение влияния "человеческого" фактора при подготовке и принятии управленческих решений.
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 БСДОЛ-систему) без риска несовместимости. ггш
Шкундин Семен Захарович - профессор, доктор технических наук, зав. каф. ЭИС, [email protected],
Стучилин Владимир Валерьевич - кандидат технических наук, доцент, ([email protected]) Московский государственный горный университет,
Грачев Александр Юрьевич - ген. директор НПФ «Гранч», [email protected],
