Научно-технические вопросы изменения организации управления открытыми горными работами с применением роботизированной карьерной техникой

К.Н.Трубецкой, Академик РАН, Председатель Научного совета по проблемам горных наук РАН

М.В. Рыльникова, д-р техн. наук, профессор, зав. отделом ИПКОН РАН

Д.А. Клебанов, канд. техн. наук, директор по развитию АО «ВИСТ Групп»

М.А. Макеев, директор по проектам АО «ВИСТ Групп»

Развитие отраслей добычи твердых полезных ископаемых и стремление руководства горнодобывающих компаний к сокращению издержек и повышению объемов производства, а также появление новых перспективных месторождений и развитие информационных технологий (ИТ), электроники и машиностроения позволяют полагать, что в ближайшие 3–5 лет должны появиться в России и за рубежом роботизированные системы грузоперевозок. Данные системы позволяют повысить эффективность и безопасность горных работ за счет роботизации ключевых технологических процессов горного производства, таких как роботизация управления буровыми станками, роботизация грузоперевозок, роботизация погрузки и работ вспомогательной техники.

Роботизированные системы грузоперевозок, включающие программное обеспечение управления техникой, роботизированную или дистанционно-управляемую технику, технологическую инфраструктуру роботизаци, должны быть интегрированы в единую систему управления горнодобывающим предприятием. Под роботизированной системой понимается такая степень автоматизации карьерного транспорта и горной техники, при которой техника полностью и частично работает без водителей и машинистов, а управляется на основе алгоритмов движения, заданных оптимальными параметрами движения и работы техники. Создание участков с работой роботизированной техникой или системы «Интеллектуальный карьер» гарантирует повышение производительности и безопасности открытых горных работ за счет удаления человека из опасной зоны, устранения простоев, связанных с человеческими факторами, управления техникой в оптимальных режимах, а также автоматической оптимизации грузопотоков в карьере и других производственных процессов.

Общая схема в части автоматизации и роботизации горных проектов «Интеллектуальный Карьер» представлена на рис. 1 [1].

Рис. 1 Структурная схема системы «Интеллектуальный Карьер»

Рис. 1 Структурная схема системы «Интеллектуальный Карьер»

Одним из основных факторов эффективности проекта является максимальное уменьшение влияния и возможностей влияния человека на работу системы. Основная горнодобывающая техника оснащается системами автономного и дистанционного управления, способными выполнять свои функции полностью или частично без участия человека.

Функционал программного обеспечения обеспечивает оперативное управление и работу горной техники в автоматическом режиме, планирование и управление ремонтами и техническим обслуживанием по реальной наработке узлов, обеспечивать работу службы безопасности предприятия. Модульный принцип работы программного обеспечения позволяет работать с аналитическими формами, использовать значительные объемы данных (в том числе и для задач оптимизации в течение смены). Также это позволяет достаточно быстро разрабатывать дополнительные модули и функциональность для оперативной работы диспетчера и других служб (диаграмма работы, удаленная диагностика в режиме реального времени, накопительная статистика за смену, история движения за длительное время и т.п.). База данных программного обеспечения является составной частью именно системы диспетчеризации и управления техникой, а не только системы отчетности.

Одним из преимуществ программного обеспечения системы «Интеллектуальный Карьер» является активное использование web-интерфейса для представления аналитики и отчетов, настройки и администрирования системы, что позволяет существенно расширить круг пользователей системы и сделать возможным контроль параметров работы предприятия извне – например, для управляющей компании, а также расширить аналитические возможности при анализе и планировании горных работ.

Принцип построения системы основан на модульной схеме, в которой существует основная часть и подключаемые к ней блоки. Такая схема позволяет оперативно заменять имеющиеся блоки или подключать новые для наращивания функциональности системы. К модулям системы могут относиться как дополнительные модули управления роботизированной техники при увеличении ее количества, так и новые функциональные решения системы диспетчеризации и контроля техники, такие как контроль качества технологических дорог, управление качеством добываемого полезного ископаемого. С учетом вышеописанной структурной схемы роботизированной системы грузоперевозок или системы «Интеллектуальнный Карьер», встает вопрос интеграции данной системы в типовые технологические схемы горных работ, которые выбираются по критериям достижения наилучших технико-экономических показателей по себестоимости, трудоемкости, приведенным затратам и производительности оборудования. В этих схемах определяются общая организация вскрышных и добычных работ, взаимосвязь отдельных процессов между собой и предусматривается совершенствование каждого процесса в отдельности [2–4].

Основными классификационными признаками при разработке типовых технологических схем являются: система разработки (вид транспорта), способ выемки горной массы, способ подготовки горной массы к выемке, тип погрузочного и транспортного оборудования. К дополнительным признакам относятся: способ погрузки, направление отработки заходки, число проходов экскаватора при отработке заходки, схемы подачи транспорта под погрузку и др. Данные классификаторы должны быть учтены при выборе схемы отработки, в том числе при анализе целесообразности применения роботизированной системы грузоперевозки или системы «Интеллектуальный Карьер».

Если на месторождении выбрана схема с применением технологического автомобильного транспорта, то применение системы «Интеллектуальный Карьер» может рассматриваться как возможная для применения. По способу подготовки горной массы к выемке схемы разделяются на три группы: без рыхления, с рыхлением буровзрывным способом и с механическим рыхлением. Схемы с рыхлением буровзрывным способом подходят для эффективного применения роботизированных буровых станков в составе системы «Интеллектуальный Карьер».

С точки зрения организации управления роботизированной системой грузоперевозки весь контроль за технологическим процессом управления роботизированной системой грузоперевозок осуществляется из диспетчерского центра, где на основе месячного планирования организовываются сменные задания на работу роботизированной техникой.

Отличие от традиционных методов управления заключается в том, что роботизированная техника управляется на основе программного обеспечения и контроля исполнения заданий и оптимальных режимов работы, автоматического контроля за ТОиР, управления всем технологическим транспортом и техникой, подсчета эксплуатационных KPI техники на основе объективной информации, полученной на основе наработки и анализа простоев. Сравнение плановых показателей и фактического исполнения плана обеспечивается визуализацией планового и реального графика выполнения работ в диспетчерском центре. На диаграмме (рис. 2) в режиме реального времени легко отслеживаются объекты с детализацией информации по текущему состоянию исполнения плановых показателей, в том числе в режиме сравнения с показателями сменносуточного задания.

Рис. 2 Диаграмма фактического исполнения плана

Рис. 2 Диаграмма фактического исполнения плана

Для визуализации и контроля исполнения сменного задания используется линейная схема движения (рис. 3), которая позволяет в режиме реального времени отслеживать текущее распределение автосамосвалов по экскаваторам, статус каждого объекта (загрузка, простой, скорость и т.п.), прогноз времени прибытия на погрузку\разгрузку, текущие выполненные объемы, состояние складов и т.д.

Управление горными работами в системе «Интеллектуальный Карьер» осуществляется горными инженерами и диспетчерами в модуле оперативного управления, предоставляющего собой оконную форму, в которой в графической форме отображается основная информация, необходимая диспетчеру в начале и в течение смены для управления карьером. В частности, отображаются текущее распределение роботизированных автосамосвалов по маршрутам, текущие характеристики и объемы, например руды, поданной на фабрику и на склад, состояние техники и другие данные. Из главного окна вызывается ряд вспомогательных окон, отображающих второстепенную информацию, например вызывается окно модуля контроля качества, где показывается детальная информация по складу.

Сменное планирование происходит в окне, где диспетчер задает оптимизационные группы. В состав группы входят экскаваторы, пункты разгрузки и автосамосвалы. В начале смены диспетчер может указать для группы режим ее работы. Диспетчером также на основе анализа плана горных работ и консультаций с технической дирекцией осуществляется выбор оптимизационной конфигурации работы роботизированной техники из списка. Конфигурация – это набор весов (степени значимости) критериев и других настроек, нацеленных на решение конкретной оптимизационной задачи. Например, может быть выделена группа, работающая с рудными потоками и группа, работающая с вскрышными потоками.

Очень важно учитывать в течение смены изменение условий работы. Самое простое и важное – учет поломок и возвращения в строй экскаваторов и самосвалов, причем учет автоматизированный.

Модуль статической оптимизации вызывается диспетчером из модуля оперативного управления и отображает результаты своей работы в окне модуля оперативного управления. Автоматически осуществляет начальное распределение автосамосвалов в начале смены по группам маршрутов, а также перераспределение их в течение смены в случае изменений ситуации в карьере (поломка экскаватора, изменение требований к качеству руды, подаваемой на фабрику, и т.д.). Итоги работы данного модуля используются как исходные данные для модуля динамической оптимизации. Модуль динамической оптимизации осуществляет перераспределение роботизированных автосамосвалов внутри каждой оптимизационной группы в течение смены в соответствии с заданными критериями оптимизации. Запускается автоматически после каждой разгрузки автосамосвала и передает в автоматическом режиме указания в систему управления автосамосвала при необходимости смены маршрута. Изменение маршрута также отображается в окне модуля оперативного управления. Предусматривается изменение маршрута автосамосвалу и в полуавтоматическом режиме, когда система выдает сообщение диспетчеру о необходимости смены маршрута, а диспетчер принимает решение.

Рис. 3 Линейная схема движения

Рис. 3 Линейная схема движения

Одним из важнейших элементов управления системы «Интеллектуальный Карьер» является модуль планирования технического обслуживания и ремонтов. Данный модуль становится логическим дополнением учета всех эксплуатационных коэффициентов работы техники и позволяет объективно посчитать наработку техники до следующего ТОиР, выстраивая цепочки периодичности технических воздействий на технические объекты по моточасам, пробегу или времени. Расчетное время проведения ТО можно скорректировать вручную для оптимальной загрузки ремонтных бригад. Механизм планирования ТО и ремонтов (далее модуль ТО и Р) обеспечивает решение следующих задач:

  • Ведение справочника о периодичности технического обслуживания. Периодичность может быть задана по времени, пробегу или моточасам. В дальнейшем данная информация используется при автоматизированном расчете следующего технического воздействия.
  • Автоматическое прогнозирование даты следующего планового воздействия на основе информации по моточасам, пробегу или времени с возможностью ручного внесения и корректировки информации. Данная форма предназначена как для планирования, так и для учета фактически выполненных работ.
  • Учет технической готовности мобильного объекта при формировании наряда на смену.

Для управления погрузочно-доставочным комплексом в системе «Интеллектуальный Карьер» предусмотрен специальный модуль, сочетающий в себе функции управления погрузочными средствами, такими как экскаваторы, погрузчики и роботизированные карьерные автосамосвалы. Управление погрузочными средствами осуществляется машинистом из кабины в ручном режиме управления, а автосамосвалами – в автономном режиме, без участия водителей. Основной задачей модуля является контроль над работой автоматизированных автосамосвалов (без участия водителей) при движении по заданным маршрутам в режиме автономного управления, в том числе погрузку и разгрузку. С помощью модуля система передает в бортовые компьютеры автосамосвалов данные о маршруте движения, конечной точки движения, текущей задачи, информацию о технике, находящейся в зоне работы и другую необходимую информацию. В состав модуля также входит механизм дистанционного управления автосамосвалами. Управление осуществляется диспетчером или оператором дистанционно управляемой техники из центра управления на всем маршруте движения.

Одновременно один оператор из пункта дистанционного управления может управлять дистанционно одной единицей техники и при необходимости переключить управление на другую технику, таким образом, обслуживать несколько единиц.

Для осуществления бурения в автономном режиме также предусмотрен отдельный программный модуль, который осуществляет автономную работу станка и контроль параметров бурения, без участия машиниста наводится на скважины и бурит.

Автономный буровой станок будет выполнять следующие операции без участия машиниста:

  • наведение на проектные скважины;
  • выравнивание платформы;
  • бурение, в том числе наращивание и разбор бурового става;
  • контроль местоположения бурового станка на карте с отображением вспомогательной информации: текущего состояния каждой единицы (скорости, координат, уровня топлива и т.д.).

Передача точной информации о месте бурения на бортовой компьютер бурового станка, совместно с использованием системы высокоточной навигации также позволяет устранить проблему проведения некачественных буровзрывных работ – большого количества негабаритов. Наличие негабаритов в буровзрывных работах ведет к дополнительным затратам на дробление породы и приостановке процессов добычи. Некачественные буровзрывные работы происходят за счет неточного наведения бурового станка и неправильной инициации взрыва, а для качественного взрыва необходим проект заряжания скважин, учитывающий не только фактические координаты устьев скважин и ее наклона, но и измеренные в процессе бурения прочностные характеристики горных пород. Использование системы позволяет получить трехмерную привязку измеряемых величин. Проектировщики буровзрывных работ получают возможность конструировать зарядку скважин с учетом прочности отдельных слоев. Более точный расчет и последующее распределение заряда вдоль скважины наряду с более точным расчетом инициирования взрыва позволяет существенно уменьшить количество негабаритов при одновременной экономии взрывчатых веществ, минимизировать вредное влияние на окружающую среду.

При применении схемы отработки с применением железнодорожного транспорта основными функциями контроля и управления являются:

  • уточнение пространственного положения локомотивосостава на схеме дежурного по станции по спутниковой навигации;
  • дополнительный источник информации о пространственном расположении при ложных срабатываниях СЦБ;
  • визуализация состояния светофоров на бортовом терминале машиниста;
  • оповещение машиниста о работающих людях в зоне, прилегающей к ЖД путям;
  • автоматическое формирование состава с использованием информации о количестве осей.

Возвращаясь к отработке горной массы и параметрам геотехнологии при применении роботизированных систем грузоперевозок, необходимо учитывать возможности изменения ряда параметров для более эффективного проектирования новых месторождений и возможности доработки существующих месторождений. Основные элементы и параметры геотехнологии добычи полезных ископаемых открытым способом, которые могут быть изменены при использовании роботизированной системы грузоперевозок: угол откоса бортов карьеров, ширина технологической дороги и всех основных параметров внутриплощадочных автодорог, требования к уклону дорог, скорость карьерных автосамосвалов, требования к местам погрузки-разгрузки карьерных автосамосвалов, требования к переездам или сопряжениям участков роботизированных систем грузоперевозок с работой техники под управлением водителей и операторов, темп углубки. В связи с тем, что требования к безопасности при использовании роботизированной системы грузоперевозок могут быть пересмотрены, все параметры СНиПа автомобильного транспорта к внутриплощадочным автодорогам могут быть изменены в сторону уменьшения размеров. В предельном случае ширина технологической дороги может определяться только шириной разъезда роботизированных автосамосвалов. Аналогично такие параметры, как скорость роботизированного автосамосвала, угол уклона технологической дороги, а также угол откоса борта карьеров могут быть увеличены. Данные вопросы рассматривались в научных работах последних лет и в ближайшем времени могут быть утверждены как возможные для обоснования новых методов отработки с применения роботизированной техники и создания системы «Интеллектуальный Карьер».

Одним из открытых вопросов, который остро стоит перед горнодобывающими компаниями и требует детального изучения и расчета, остается ответственность за реализацию плана при применении роботизированной системы грузоперевозок. Если в традиционной схеме отработки сервисные компании и производители техники могут гарантировать достижение эксплуатационных коэффициентов, связанных с КИО, КТГ и надежностью техники, что важно для всех инвестиционных проектов, то при применении роботизированной системы грузоперевозок или системы «Интеллектуальный Карьер» появляется новая сторона ответственности. Как мы видим из вышеописанного, фактически все процессы управления технологической цепочкой от бурения до отгрузки горной массы управляются при помощи программного обеспечения, а от надежности роботизации бортового оборудования зависит КИО и КТГ самой техники, что непосредственно влияет на организацию процесса управления, закупок. Ни сервисные компании, ни дилер техники, ни завод не могут быть сторонами ответственности за работоспособность сторонней системы управления производством, организацию технологической инфраструктуры системы «Интеллектуальный Карьер», эффективные алгоритмы движения и управления техникой. В связи с этим данную ответственность видимо должны разделить компании-поставщики роботизированных систем грузоперевозки и горнодобывающая компания, которая организует у себя данные участки.

В отличие от стандартной транспортной схемы добычи полезных ископаемых открытым способом при применении роботизированных систем грузоперевозок необходимо обеспечить последовательность внедрения организационных мероприятий управления горнотранспортным комплексом, среди которых:

  1. Внедрение современной АСУ ГТК «Карьер», обеспечивающей бесперебойное управление всем технологическим транспортом по оптимальным маршрутам и режимам работы.
  2. Регламентация ответственности за работоспособность технологической инфраструктуры системы, такой как системы связи, навигации, безопасности движения и работы техники
  3. Выделение зоны ведения горных работ, где планируется применение роботизированной техники
  4. Организация технологической инфраструктуры системы «Интеллектуальный Карьер»
  5. Закупка техники/подряд роботизированной техники.

При данной последовательности шагов в организации роботизированной системы грузоперевозок ответственность в предоставлении техники должна перейти от завода к компании-разработчику системы «Интеллектуальный Карьер». Данная компания становится фактически субподрядчиком по перевозке горной массы, с ответственностью за т·км и соблюдению заявленных КИО, КТГ работы всей системы «Интеллектуальный Карьер».

В связи с этим необходимо отметить важность большего вовлечения горнодобывающих компаний, научных институтов, заводов-производителей карьерной техники и инжиниринговых компаний, которые являются разработчиками роботизированных систем грузоперевозок, для обсуждения и согласования принципов работы и ответственности за параметры технической готовности и надежности таких систем, чтобы в процессе активной фазы внедрения по мере готовности технологий не оказалось нерешенных организационных вопросов.

Информационные источники:
1. Трубецкой К.Н., Кулешов А.А., Клебанов А.Ф., Владимиров Д.Я. Современные системы управления горно-транспортными комплексами / Под редакцией акад. РАН К.Н.Трубецкого. СПб.: Наука, 2007. 344с.
2. Трубецкой К.Н., Рыльников А.Г., Одинцев Н.В. Результаты внедрения оперативной системы диспетчеризации транспорта на предприятиях ОАО «Магнитогорский Металлургический комбинат» М.: Недропользование XXI век. 2007. №6. С. 65–68.
3. Трубецкой К.Н., В.В. Рашевский, Д.Я. Владимиров, А.Ф. Клебанов. Автоматизированные системы управления горнотранспортным оборудованием. Особенности и перспективы применения на предприятиях ОАО «Сибирская угольная энергетическая компания» (СУЭК). М.: Горная промышленность. 2007. №6 (76). С. 12–14.
4. Трубецкой К.Н. Перспективы применения роботизированной техники // Горный информационно-аналитический бюллетень. Труды научного симпозиума «Неделя горняка-2013» . Отдельный выпуск. 2013. 1. С. 354–363
Ключевые слова: Интеллектуальный Карьер, роботизированная линия грузоперевозок, диспетчеризация, АСУ ГТК, дистанционное управление, роботы, ТОиР, риски применения роботизированного транспорта, автотранспорт, БЕЛАЗ, цифровое горное предприятие, оптимизация работы горной техники

Журнал "Горная Промышленность"№5 (135) 2017, стр.27