CC BY
83
В.В. Тимофеев, инж.,
Гипроуглеавтоматизация
Унифицированная искробезопасная система телемеханики с дистанционным питанием для горных предприятий
Эффективность горного производства непосредственно связана с состоянием систем производственно-технологической связи и телемеханики, которая осуществляет дистанционное управление и контроль технологических объектов в системе централизованного оперативно-диспетчерского управления шахты.
В связи с этим необходимо подчеркнуть, что в условиях рас-
средоточенного по площади производства, каким является угольная шахта, аппаратура телемеханики не только выполняет свою основную задачу экономии кабельной продукции, но и осуществляет автоматический контроль за состоянием уплотненных линий связи, облегчает контроль и обслуживание информационных цепей, что имеет непосредственное отношение к безопасности произ-
водства.
Состояние средств телемеханики на шахтах России в настоящее время, если не критическое, то близкое к этому.
Оно характеризуется тем, что в эксплуатации используется большое количество устаревшей аппаратуры, давно выработавшей свой ресурс, и к тому же снятой с производства. Эксплуатируемые устройства телемеханики имеют низ-
кую надежность (перерывы в передаче информации), что может привести к тяжелым последствиям, особенно в аварийных ситуациях.
Устаревшая аппаратура требует постоянного контроля, ремонта, наладки и регулировки, что приводит к большим эксплуатационным затратам за счет содержания многочисленного персонала. Все это сочетается с ограничением средств на закупку нового оборудования и дефицитом кабеля на шахтах. Очевидно, что, несмотря на сложную экономическую ситуацию в стране, назрела острая необходимость в замене парка устаревшей аппаратуры.
Острота ситуации подтверждается и тем, что простая замена на новые образцы выпускающейся уже 10-15 лет аппаратуры (например, «Ветер 1М», УТШ) не решает всех проблем, так как указанная аппаратура морально устарела и к тому же обладает существенными недостатками. Необходим качественный скачок, использующий новые технические решения в проводной передаче информации в сочетании с последними достижениями микроэлектроники и вычислительной техники, что повысит эффективность аппаратуры телемеханики, её надежность и, в конечном итоге, эффективность и безопасность производства.
Что касается эффективности существующих устройств шахтной телемеханики, то она недостаточна и имеет резерв для своего повышения. Дело в том, что в уплотненных информационных цепях в стоимость затрат входят затраты на саму аппаратуру и кабельную продукцию, которая в свою очередь состоит из общей линии связи, соединяющей центральный блок пункта управления (ПУ) и периферийные блоки контролируемых пунктов (КП), а также неуплотненных участков двухпроводного кабеля от КП до источников информации (датчиков). Причем, общая протяженность таких неуплотненных участков в шахтных условиях может превышать суммарную протяжен-
ность уплотненной линии связи.
Кроме того, хотелось бы обратить особое внимание на то, что именно эти неуплотненные участки проводных линий находятся в наиболее тяжелых условиях эксплуатации: пыль, влага, механические повреждения, отсутствие постоянного автоматического контроля. Если повреждение уплотненной линии связи легко обнаруживается самой аппаратурой, то обрыв или короткое замыкание в неуплотненных цепях, например телесигнализации (ТС), может интерпретироваться на ПУ как ложная информация.
Таким образом, в оптимальном варианте необходимо стремиться к максимальному сокращению таких неуплотненных участков за счет, например, продвижения блоков КП как можно ближе к источникам информации, что естественно потребует увеличения их количества на одной линии связи.
Задача усложняется тем, что, во-первых, количество блоков КП, подсоединенных к одной линии связи, в эксплуатируемой аппаратуре ограничено (не более 10). С другой стороны, сами блоки КП сложны, громоздки, имеют многофункциональную структуру, рассчитанную на уплотнение достаточно большого количества сигналов, а передача уменьшенного количества сигналов одним блоком КП приводит к избыточности и снижению эффективности за счет роста аппаратурных затрат.
Простое механическое разбиение блоков КП на более мелкие, с меньшим числом функций и сигналов не решает проблемы, так как увеличивается стоимость аппаратуры за счет дублирования в новых КП приемопередающей части и, что особенно важно, источников питания КП, которые имеют специальное искробезопасное исполнение и заключены в металлические взрывозащищенные оболочки.
Очевидно, что в данной ситуации задачу можно решить с помощью нестандартного технического решения, которое позволит не только увеличить количество приемопе-
редатчиков на одной линии, но и упростить (удешевить) блоки КП настолько, что сохранится эффективность уплотнения одним блоком КП, например, только 3-4-х сигналов датчиков ТС на расстоянии нескольких сот метров. Разумеется, при всей своей простоте и дешевизне аппаратура должна обеспечивать высокую надежность и помехоустойчивость информационных каналов.
Существенно облегчает решение данной проблемы дистанционное питание блоков КП с поверхности шахты от единого искробезопасного источника по информационной линии связи. В этом случае отпадает необходимость в искробезопасных источниках на контролируемых пунктах, а сами блоки КП могут размещаться в облегченных пластмассовых корпусах.
Кроме того, дистанционное питание блоков КП не только облегчает решение вопросов искробезопас-ности, но так же существенно расширяет функциональные возможности аппаратуры: отсутствуют перерывы в связи по причине отключения местной сети питания на участке, появляется возможность снимать информацию в местах, где вообще нет никаких источников питания.
Несмотря на очевидную полезность и целесообразность дистанционного питания КП, данный технический прием практически не используется в мировой практике, видимо, из-за значительных мощностей потребляемы х бликашигКПной шахтной телемеханики только аппаратура УТШ имеет дистанционное питание, где разделение информационных сигналов и питания производится с помощью частотной селекции. Но эффективность данного способа не высока, так как, несмотря на достаточно высокое напряжение в линии связи (до 120 В), на ней размещаются только четыре КП.
Таким образом, намечается определенный круг задач, успешное решение которых позволяет создать более эффективную аппаратуру телемеханики с более гибкой структурой уплотнения информационных
требований.
Так, к примеру, малая искробезопасная мощность линейного источника должна сочетаться с большим количеством дистанционно питаемых им блоков КП на одной линии связи. Малая потребляемая мощность каждым КП должна сочетаться с высокой помехоустойчивостью информационных каналов и простотой схемного решения.
После многолетних поисковых работ, проведенных в институте «Гипроуглеавтоматизация» удалось получить положительные результаты в данном направлении. Была разработана аппаратура телемеханики ТМС-320, в которой впервые применен способ дистанционного питания блоков КП совместно с временной селекцией сигналов, требующей минимальных затрат электрической мощности.
Этот способ расширяет функциональные возможности аппарату-
168
ры, обеспечивает ее искробезопас-ность и дает возможность значительно увеличить количество блоков КП на одной линии (до 40-50 штук), которые размещаются в легких малогабаритных пластмассовых корпусах исполнения РО, Иа вместо тяжелых взрывозащищенных оболочек РВ1В.
Положительный результат стал возможен благодаря
применению новых разработок в области проводной передачи информации. В частности, на базе симметричного дифференциального интерфейса разработан
способ дуплексной передачи информации (возможен полный дуплекс с двойным уплотнением) с временным разделением сигналов по двухпроводной линии для системы древовидной структуры, работающей в режиме «многоточка».
При этом малая мощность одного линейного источника, расположенного на центральном блоке ПУ, задействованная для передачи
сигналов на все КП и обратно, сочетается с высокой помехоустойчивостью информационных каналов. Кроме того, дополнительная мощность этого же линейного источника используется для питания с поверхности электрических схем
блоков КП, подключенных к данной двухпроводной линии связи, количество которых на линии может быть больше двадцати, в зависимости от условий применения.
Разработан код для передачи информации совместно с тактовой частотой в режиме жесткой пошаговой синхронизации, что позволяет осуществлять диалог между ПУ и
КП по двухпроводной линии без прерывания тактовой частоты и дополнительных затрат времени на вхождение в синхронизацию.
Что касается быстродействия шахтных информационных систем, то для большинства задач оперативно-диспетчерского управления (по информации ТУ и ТС) достаточно 2-3 секунд. Исходя из этого, следует выбирать скорость передачи информации, учитывая при этом, что основным критерием является надежность информационных каналов при работе на длинных и разветвленных линиях в условиях угольной шахты. Так в указанной аппаратуре ТМС-320 тактовая частота не более 200 Гц, но аппаратура работоспособна на линии общей суммарной протяженностью 60 км (емкость линии 3 мкФ). При необходимости за счет двойного уплотнения (передача двух бит информации ТС на одном такте) можно повысить скорость передачи до 400 бит/сек на этой же линии. Аппаратура также допускает снижение сопротивления изоляции линии (утечка) до значений примерно в 2-3 кОм.
Опытные образцы аппаратуры телемеханики ТМС-320, изготовленные на ЗАО «ИНБИС», установлены для эксплуатации на двух шахтах ОАО «Воркутауголь» -Комсомольской и Заполярной. Приемочные испытания проводились на шахте Комсомольская в ноябре 1997 года. Результаты испытаний подтвердили работоспособность данной аппаратуры в шахтных условиях. Аппаратура показала высокую надежность и помехоустойчивость проводного канала связи в условиях внешнего воздействия мощных электромагнитных полей (особенно на технологическом комплексе погрузки). За все время испытаний не было зафиксировано сбоев при передаче информации ТС на ПУ.
В течение прошедшего года аппаратура продолжала успешно функционировать, и не было зафиксировано ни одного случая отказа.
Результаты испытаний показали большой запас по надежности аппаратуры, по увеличению ее информа-
ГИАБ
сигналов. Сложность заключается в противоречивости поставленных
Рис. 1. Структурная схема телемеханики ТМС-320-И
ционной емкости и дальности действия по шахтным свободным телефонным линиям.
Аппаратура ТМС-320И выполняет функции телеуправления (ТУ) и телесигнализации (ТС). Из эксплуатируемой в настоящее время аппаратуры телемеханики наиболее близкими аналогами являются «Ветер 1М» и УТШ. По своим техническим характеристикам ТМС-320И значительно превосходит оба аналога почти по всем показателям (табл.1). Комплект состоит из центрального блока ПУ и до 20-ти дистанционно питаемых по информационной линии блоков КП трех модификаций:
♦ для передачи только сигналов ТС от контактных датчиков;
♦ для передачи ТС только от бесконтактных датчиков напряжения;
♦ для передачи ТС от контактных датчиков и передачи команд ТУ.
Количество и состав комплекта по модификациям определяется техническими требованиями заказчика.
Максимальное количество сиг-
налов ТС на комплект - 320
Максимальное количество сигналов ТУ на комплект - 60
Быстродействие или полный опрос 20-ти КП
- 2,5 сек Вес блока ПУ
- 10 кг Вес блока КП
- 2 кг Максимальное
удаление КП от ПУ
- 15 км Максимальная
суммарная протяженность линии связи - 60 км Удельное электропотребление ПУ -
0,03 Вт/канал Мощность линейного источника для связи и питания 20-ти КП
- 0,1 Вт Опытная эксплуатация аппаратуры в течение прошедшего года на ш. Комсомольская подтвердила ожидаемый положительный эффект.
Это значительное сокращение неуплотненных участков двухжильного кабеля за счет размещения простых малогабаритных блоков КП как можно ближе к источникам информации (датчикам). Экономия кабеля составила приблизительно 50 паракилометров.
При этом за счет простоты и дешевизны КП их избыточность при подключении всего 3-4-х датчиков практически не влияет на эффективность уплотнения.
Облегчается контроль и обслуживание оставшихся неуплотненными участков кабеля.
Значительно облегчается установка и эксплуатация аппаратуры за счет малого веса и габаритов, отсутствия необходимости источников питания в местах установки блоков
КП. Блоки КП легко транспортируются одним человеком и устанавливаются на свои рабочие места без дополнительной настройки и регулировки. Нет никакой необходимости в регулировке и при длительной эксплуатации. Значительно сократилось количество человеко-смен на монтаж, обслуживание, ремонт и ревизию.
Аппаратура сохраняет работоспособность при существенном ухудшении номинальных характеристик линий связи (снижение сопротивления изоляции, повышение электрической емкости линии), что особенно важно в условиях угольной шахты.
В заключении еще раз, в качестве перспективного направления, хотелось бы вернуться к вопросам дистанционного питания с поверхности. В оптимальном варианте дистанционное питание блоков КП должно сочетаться с автономным (дистан-ционным) питанием по этой же цепи и источников ин-ф о рмации (датчиков).
При питании даже простейших датчиков от своих отдельных (местных) источников питания нарушается автономность всей системы информации. К тому же этот источник должен соответствовать требованиям искробезопасности и должен быть размещен во взрывобезопасной оболочке, возникают проблемы при съеме сигнала из одной искробезопасной цепи в другую. Наиболее оптимальным датчиком с точки зрения его питания является контактный датчик типа «сухой контакт», так как он включается в цепи КП и практически не требует питания. Однако, функционально область применения его ограничена.
Представленная аппаратура телемеханики ТМС-320 имеет возможность без всяких схемных усложнений контролировать во входных цепях блоков КП сопротивление от 0 до 100 кОм с уровнем квантования в 1 кОм.
Таким образом, появляется возможность создания ряда дискретных датчиков, таких же автономных или пассивных по питанию, как и «сухой
