CC BY
74
DOI 10.30686/1609-9192-2020-6-10-12
Цифровая трансформа открытых горных р| и новое поколени карьерной технЙ
Д.Я. Владимиров, канд. техн. наук, действительный член АГН, зам. генерального директора ГК «Цифра» А.Ф. Клебанов, канд. техн. наук, чл.-корр. РАЕН, директор по науке ГК «Цифра» И.В. Кузнецов, канд. воен. наук, главный конструктор АО «ВИСТ Групп»
Автоматизация горнодобывающих предприятий с открытым способом добычи полезных ископаемых прошла за последние десятилетия уже несколько важнейших этапов [1]. Уровень развития технологий и современное состояние цифровой трансформации открытых горных работ связаны с применением комплекса информационно-вычислительных и телекоммуникационных технологий, таких как:
• широкополосные системы передачи данных;
• системы удаленной диагностики технического состояния карьерной техники и предиктивного технического обслуживания [2];
• анализ больших объемов данных, получаемых от автоматизированных систем управления горнотранспортными комплексами (АСУ ГТК), и построение прогнозных моделей управления производством и промышленной безопасностью на открытых горных работах [3];
• методы искусственного интеллекта и роботизированных транспортно-погрузочных комплексов [4].
Эффективное применение «классических» технологий цифровой трансформации, таких как Анализ больших данных, Искусственный интеллект, Облачные вычисления, Прогнозная аналитика, Промышленный интернет вещей и Робототехника - невозможно без развития и комплексной цифровизации бортовых систем карьерной техники как источника первичной информации для управления, контроля и создания цифровых моделей производственных процессов. Наиболее высоким уровнем и «насыщенностью» цифровыми системами диагностики и управления обладает карьерная техника, работающая в составе роботизированных комплексов добычи и транспортировки полезных ископаемых. Роботизированная карьерная техника должна работать в составе АСУ ГТК и непрерывно передавать в диспетчерский центр диагностическую информацию о состоянии узлов и агрегатов, эксплуатационные параметры, а также обеспечивать дистанционное и полностью автономное (без участия человека) выполнение основного технологического цикла работы, включая движение, погрузку, разгрузку, экскавацию, бурение и другие технологические операции. Такая техника должна быть оснащена цифровыми бортовыми роботизированными системами управления (БРСУ КТ). Обобщенная структурная схема построения БРСУ КТ представлена на рис. 1.
Цифровая трансформация открытых горных работ и новое поколение карьерной техники
Д.Я. Владимиров, А.Ф. Клебанов, И.В. Кузнецов e-mail: aleksey.klebanov@zyfra.com
Аннотация: В статье рассмотрены вопросы построения и комплексной цифровизации карьерной техники. Приведены обобщенная структурная схема и состав бортовой роботизированной системы управления карьерной техники (БРСУ КТ). Более подробно рассмотрен вариант построения БРСУ карьерным автосамосвалом (БРСУ КС) и структура бортовой роботизированной системы карьерного автосамосвала БЕЛАЗ. Предложен вариант компоновки автосамосвала Autonomous Ready (готового к роботизации) - модификации, отвечающей всем требованиям, предъявляемым к автосамосвалам поколения цифровой трансформации (DT): возможностью работы в составе АСУ ГТК и роботизированных комплексов управления, а также наличием современных бортовых систем безопасности и удаленной диагностики. Показано, что цифровая карьерная техника поколения DT позволит горным предприятиям перейти на современный уровень цифровой трансформации открытых горных работ и сохранит инвестиции при модернизации горнотранспортного комплекса.
Ключевые слова: карьерная техника, цифровая трансформация, открытые горные работы, бортовая роботизированная система управления, технологии цифровой трансформации, роботизированные транс-портно - погрузочные комплексы, карьерный автосамосвал Autonomous Ready, карьерный автосамосвал поколения DT
Digital Transformation of Surface Mining and New Generation of Open-Pit Equipment
D.Ya. Vladimirov, A.F. Klebanov, I.V. Kuznetsov
Abstract: The The paper addresses the issues of designing onboard systems and complex digitalization of open-pit mining equipment. A generalized schematic diagram and composition of the On-Board Robotic Control System for open-pit equipment (OBRCS OPE) are provided. The option of the On-Board Robotic Control System for mining dump trucks (OBRCS MDT) and schematics of the on-board robotic system of the BE-LAZ dump truck are described in more detail. Alayout option is suggested for an autonomous ready dump truck, a modification that meets all the requirements for the digital transformation (DT) generation of dump trucks i.e. the ability to operate as part of the mine fleet management systems and robotic control systems, as well as the availability of modern on-board industrial safety systems and remote diagnostics. The DT Generation of mining equipment will allow mining companies to achieve the up-to-date level in digital transformation of surface mining operations and will cut the amount of investments required in upgrading the mining transportsystem.
Keywords: Open-pit equipment, digital transformation, surface mining, onboard robotic control system, digital transformation technologies, complex robotic loading and transport systems, Autonomous Ready dump truck, DT Generation ofmining dump trucks
пду ПК
I 1
ПСДП г—* ПСПД пен
пссо
пси
под
Рис. 1 Структурная схема БРСУ КТ
Бортовая роботизированная система управления карьерной техники включает следующие компоненты:
• Компьютер бортовой КБ-01
• Подсистема исполнительная (ПСИ)
• Подсистема диагностики (ПСД)
• Подсистема сканирования окружения (ПССО)
• Подсистема экстренной остановки (ПСЭО)
• Подсистема дистанционного присутствия (ПСДП)
• Подсистема навигации (ПСН)
• Подсистема передачи данных (ПСПД)
• Переносной пульт дистанционного управления (ПДУ)
Кратко опишем назначение подсистем и составных частей
БРСУ КТ.
Бортовой компьютер КБ-01 обеспечивает режимы автономного и дистанционного выполнения карьерной техникой основного технологического цикла работы с помощью специализированного программного обеспечения.
Исполнительная подсистема обеспечивает управление работой карьерной техники и выполнение основных технологических операций (управление исполнительными механизмами карьерной техники).
Подсистема диагностики обеспечивает диагностику неисправностей, передачу диагностических сообщений и информации об опасных режимах работы в бортовой компьютер БРСУ КТ, передачу данных на электронную панель приборов карьерной техники, коммутацию электрических цепей управления.
Подсистема сканирования окружения обеспечивает сбор информации об окружающей обстановке; препятствиях; другой карьерной технике в зоне ведения горных работ;
построение и уточнение цифровой модели окружающей обстановки.
Подсистема экстренной остановки обеспечивает принудительное прекращение работы карьерной техники в случае сбоя в работе бортового компьютера, нажатия кнопок аварийной остановки на борту или ПДУ.
Подсистема дистанционного присутствия обеспечивает визуальный контроль оператором области горных работ в режиме реального времени с помощью бортовых видеокамер в автономном и дистанционном режимах управления.
Подсистема навигации обеспечивает высокоточное определение координат и курса движения карьерной техники; координат области погрузки/разгрузки; бурения, черпания и пр.
Подсистема передачи данных обеспечивает обмен данными между бортовым оборудованием БРСУ КТ и оборудованием оператора по высокоскоростному беспроводному каналу.
Переносной пульт дистанционного управления обеспечивает управление карьерной техникой оператором с помощью джойстиков, кнопок и переключателей на расстоянии до 1000 м в зоне прямой видимости и контроль состояния бортовых систем.
В 2016-2020 гг. АО «ВИСТ Групп», со стороны Российской Федерации, и ОАО «БЕЛАЗ», со стороны Республика Беларусь, приняли участие в опытно-конструкторских работах по научно-технической программе Союзного государства «Разработка нового поколения электронных компонентов для систем управления и безопасности автотранспортных средств специального и двойного назначения» («Автоэлектроника»), утвержденной постановлением Совета Министров Союзного государства от 12 мая 2016 г. №15.
В ходе выполнения ОКР была разработана роботизированная мобильная система управления карьерным автосамосвалом грузоподъемностью 110-130 т с электромеханической трансмиссией переменно-постоянного тока.
На рис. 2 показан вариант размещения бортового оборудования роботизированной мобильной системы на карьерном автосамосвале БЕЛАЗ серии 7513.
Система прошла успешные испытания в лабораторных, заводских (полигон) и полевых условиях на угольном разрезе «Черногорский» («СУЭК-Хакасия»).
Антенны
навигации и связи (правый борт)
Проблесковые маяки
Антенны навигации и связи
Шкаф автономного управления
30 лидар сканирования окружения Видеокамеры дистанц. присутствия
20 лидар п бокового обзора
Переговорное устройство Кнопка аварийного останова
Рис. 2 Вариант размещения бортового оборудования
роботизированноймобильнойсистемы на карьерном автосамосвале БЕЛАЗ серии 7513
Роботизированная техника ОАО «БЕЛАЗ» использует в своей работе схемотехнические и программные решения, отработанные в ходе испытаний роботизированной мобильной системы: результаты выполненных работ легли в основу конструкции БРСУ серийно выпускаемых роботизированных 130-тонных карьерных автосамосвалов БЕЛАЗ-7513Б..
Автосамосвалы БЕЛАЗ-7513Б. с апреля 2020 года работают в режиме опытно-промышленной эксплуатации (24/7) в АО «СУЭК».
Однако в настоящее время далеко не все карьеры и угольные разрезы России готовы к использованию в своей работе роботизированной карьерной техники. Как показал недавно проведенный Минэнерго РФ совместно с компанией.
ГК «Цифра» анализ уровня цифровизации предприятий угольной промышленности (на основе опроса 28 представителей руководства угольных компаний), лишь незначительная часть угольных компаний достигла высокого технологического и организационного уровня «цифровой зрелости», при котором могут быть экономически оправданы затраты на применение роботизированной карьерной техники. Между тем тенденции быстрого развития цифровых технологий в горной отрасли показывают, что уже через несколько лет для сохранения конкурентоспособности горнодобывающие компании будут постепенно переходить к применению безлюдных технологий. Как в таких условиях сохранить инвестиции, связанные с приобретением дорогостоящей горной техники, не предусматривающей вариантов дистанционного или автономного применения? Попробуем ответить на этот вопрос на примере современного роботизированного автосамосвала БЕЛАЗ. На рис. 3 представлена структурная схема бортовой роботизированной системы управления карьерным автосамосвалом.
LU
Датчики
гт=
Система^ экстренной остановки
Шкаф коммуникационный ШК-01
передачи данных
Система резервного питания
Модуль контроллера универсальный МКУ-01
Модуль контроллера ушверсальный МКУ-02
Модуль контроллера универсальный МКУ-ОГ
Предустановленные системы самосвала с возможностью цифрового управления
Система управления тормозной системой
Система управления оборотами двигателя
Система управления опрокидывающим
Кронштейны (с возможностью установки системы самоочистки)
Предустановленное вспомогательное оборудование
Посадочное место шкафа
Рис. 3 Структурная схема бортовой роботизированной системы управления карьерным автосамосвалом
На схеме показаны дополнительные системы и оборудование, которыми должен быть оснащен карьерный самосвал непосредственно на заводе или горном предприятии (белый цвет) для его «превращения» в самосвал-робот, и предустановленные на заводе для этих целей основные системы и вспомогательное оборудование (синий цвет). При этом оснащение дополнительными подсистемами и датчиками (навигация, связь, радары, лидары, видеонаблюдение и пр.) обеспечивающих «доводку» автосамосвала до роботизированного исполнения может быть довольно легко и быстро проведено непосредственно в условиях автохозяйства горного предприятия. С учетом постепенного перехода серийно выпускаемых автосамосвалов БЕЛАЗ на цифровое управление гидравликой и другими узлами и агрегатами цена само-
свала с предустановленными на заводе цифровыми системами управления будет в скором времени незначительно отличаться от цены стандартного варианта 130-тонного карьерного автосамосвала, например, БЕЛАЗ-75137. Это обстоятельство открывает дополнительные возможности для сохранения горными компаниями своих инвестиций и формирования рынка роботизированной карьерной техники -автосамосвалы могут поставляться в модификации, практически полностью готовой к дистанционному и автономному управлению (в мировой практике применяется термин Autonomous Ready). Уровень автоматизации таких автосамосвалов в полной мере позволяет условно отнести их к цифровым автосамосвалам «5-ого поколения», или, что более точно, к автосамосвалам поколения цифровой трансформации (DT). Цифровые карьерные автосамосвалы поколения DT могут переоснащаться до автосамосвалов-роботов непосредственно в автохозяйствах при возникновении потребностей и готовности предприятия к организации роботизированной добычи. Для этого потребуется лишь установка дополнительного бортового оборудования системы автономного и дистанционного управления и развертывание инфраструктуры связи на участке горных работ с применением роботизированной карьерной техники.
Карьерный автосамосвал поколения DT будет обладать развитой системой диагностики и самодиагностики (в случае роботизированного применения), превосходящей по своим возможностям систему диагностики, выпускаемых в настоящее время серийных автосамосвалов. Помимо «штатного» набора диагностических параметров система диагностики и самодиагностики карьерного автосамосвала поколения DT должна обеспечивать анализ движения автосамосвала на маршруте - проскальзывание колес, состояние технологической дороги и прочие параметры, используемые в алгоритмах и режимах роботизированного управления.
Таким образом, когда уровень цифровизации горного предприятия еще не достиг возможности применения роботизированных технологий, модернизация парка карьерной техники за счет цифровых автосамосвалов поколения DT - позволяет сделать первый шаг к переходу на современный уровень цифровой трансформации. При этом совершенная система диагностики и самодиагностики цифрового карьерного автосамосвала поколения DT позволит по-новому и более качественно решать задачи, связанные с повышением эффективности и безопасности работы горнотранспортного комплекса.
В заключение следует отметить, что современный уровень электроники и робототехники позволяет создавать промышленные образцы и другой (помимо автосамосвалов) карьерной техники, готовой к роботизации (экскаваторы, бурстанки, бульдозеры, грейдеры, вспомогательная техника). Есть основания полагать, что применение образцов карьерной техники подобного класса (поколения DT) будет способствовать ускорению процессов цифровой трансформации открытых горных работ.
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ:
1. Клебанов А.Ф. Автоматизация и роботизация открытых горных работ: опыт цифровой трансформации // Горная промышленность. - 2020. - №1. - С. 8-12.
2. Клебанов А.Ф., Сиземов Д.Н., Кадочников М.В. Комплексный подход к удаленному мониторингу технического состояния и режимов эксплуатации карьерного автосамосвала // Горная Промышленность. - 2020. - №2. - С. 75-82.
3. Клебанов А.Ф., Владимиров Д.Я. Новые цифровые технологии управления промышленной безопасностью на открытых горных работах: Сб. тр. 4-й конф. Междунар. шк. акад. К.Н. Трубецкого: Проблемы и перспективы комплексного освоения и сохранения земных недр. - М.: ИПКОН РАН, 2020. - 524 с. (стр.22-27)
4. Трубецкой К.Н., Клебанов А.Ф., Владимиров Д.Я. Разработка, развитие и применение информационных систем управления в горнодобывающей промышленности России и других странах: от ГИС-технологий до интеллектуального горного предприятия: Монография «ИПКОНРАН - 50лет становления и развития горных наук» - М.: ИПКОН РАН, 2017. - 360 с. (стр. 308-323).
