Программно-технический комплекс для построения систем управления горношахтным оборудованием и АСУ ТП подземной угледобычи

Е.С.Виленкин, руководитель службы автоматизации технологических процессов
А.Ю.Горлов,
ведущий специалист отдела автоматизации технологических процессов
ОАО «Объединенные машиностроительные технологии»

До настоящего времени человечество не смогло практически реализовать технологические процессы подземной выемки угля, которые не базировались бы на использовании сложных комплексов машин, выполняющих координированные действия в условиях агрессивной, слабодетерминированной, опасной операционной среды. Во многом эффективность добычи определяется опытом и интуицией специалистов и горнорабочих. Нисколько не умаляя роль обучения и тренинга, мы должны констатировать, что столь сложный технологический процесс не должен зависеть от субъективной оценки, когда ошибка чревата не только снижением объема или качества продукции, но и риском аварии оборудования или травмирования и гибели людей.

Безопасное и эффективное функционирование основного добычного оборудования и вспомогательных систем может быть обеспечено, если взаимосвязано решаются следующие три задачи: наблюдение за операционной средой; наблюдение за параметрами состояния технологического оборудования; управление технологическим комплексом с учетом оценок текущего и прогнозируемого состояния операционной среды и технических средств.

Сложность решения этих задач определяется такими факторами, как:

- значительная пространственная распределенность технологического объекта в целом;

- ограничение возможностей измерения параметров операционной среды, главным образом, зоной ее взаимодействия с технологическим оборудованием;

- отсутствие адекватных математи -ческих моделей, описывающих как собственно саму операционную среду и процессы в зоне контакта с ней, так и динамику агрегатиро -ванного оборудования. Большинство традиционных технических комплексов АСУ ТП, ориентированных на работу во взрывоопасных средах, базируется на архитектуре, предусматривающей размещение оборудования в двух зонах: опасной и безопасной. Например, операторские станции и источники искробезопасно-го электропитания подземной аппаратуры размещаются на поверхности, а датчики и исполнительные устрой-

ства размещаются в шахте вблизи объектов мониторинга и управления. Такая архитектура централизованной АСУ ТП обладает низкой живуче -стью (т.е. способностью выполнять рабочие функции в условиях повреждения компонентов системы и информационных магистралей).

С учетом специфики технологических процессов подземной угледобычи предпочтительным является применение архитектур децентрализованного управления, когда основной трафик измерительной и управляющей информации концентрируется в непосредственной близости каждого объекта мониторинга или управления. При этом экономическая эффективность перехода от централизованных АСУ ТП к децентрализованным распределенным системам будет зави-сить от цены, которую придется платить за высокую надежность компонентов системы, размещаемых в опасной зоне (под землей) и от соотношения выигрыша, получаемого вследствие сокращения объема требуемых информационных кабельных сетей (а значит и возросшей надежности системы в целом) и затрат на приобретение достаточно дорогих технических средств, предназначенных для работы в подземных условиях шахты.

Основными функциями АСУ ТП подземной угледобычи становятся: - накопление достаточного объема измерительной информации о со -стоянии операционной среды и тех -нических параметрах состояния технологического оборудования;

- совокупная обработка всех измерений с целью реализации оптимального управления технологическими процессами;

- сжатие информации и ее визуализация для представления обслужи -вающему персоналу в наиболее удобном виде для принятия решений (когда требуется вмешательство специалиста соответствующего уровня);

- электронное документирование действий персонала и архивирова -ние данных.

При этом персонал освобождается от значительной доли рутинной работы, связанной с поиском технических неисправностей, вводом локальных изменений технологического процесса для парирования паспорти -зованных нештатных ситуаций, об -работкой измерительной информации при проведении ситуационного анализа. В случае управления меха -низированной крепью автоматический контроль параметров состояния каждой секции позволяет осуществлять оптимальный цикл передвижки крепи практически без потери контакта с кровлей, снижая тем самым до минимума локальные механические возмущения кровли и, как следствие, уменьшая вероятность засорения угля вмещающей породой. Кроме того, регистрация изменений параметров состояния крепи во времени позволяет, при использовании соответствующих алгоритмов обработки, получать динамическую картину развития процессов взаимодействия

крепи с кровлей и почвой, вычислять оценки статистических характеристик случайных процессов, инициированных работой комплекса во вмещающих породах. Дальнейшая обработка получаемых статистических оценок позволит делать выводы о прогнозируемом поведении вмещающих горных пород, как во времени, так и в пространстве.

Основные принципы конструирования компонентов ПТК

Анализ функционирования управляющего оборудования, предназначен -ного для эксплуатации в условиях очистного забоя, выявил наиболее уязвимые конструктивные элемен -ты, отказ которых приводит к неработоспособности систем управления в целом. К ним в первую очередь относятся:

- наружные и внутриблочные разъемные и клеммные электрические соединения, в которых происходит либо ослабление электрического контакта, либо возникает утечка тока в результате проникновения влаги и угольной пыли;

- электронные модули с недостаточной степенью защиты от проникающей влаги и внутреннего конденсата, а также угольной пыли;

- электромеханические контактные переключательные устройства;

- многожильные кабельные соединения.

При проектировании устройств ПТК усилия были направлены на максимальное снижение риска возникновения отказов компонентов и системы управления в целом в результате воздействия различных факторов внешней среды и ошибок в действиях эксплуатационного персонала. Для этого все внутренние элек -трические соединения электронных модулей выполнены только пайкой. Практически для всех приборов использована технология объемного за -полнения герметизирующим компаундом, что позволило также значительно снизить степень влияния ударных и вибрационных нагрузок на электронные модули.

В качестве переключательных устройств применены герметизированные бесконтактные элементы или переключатели со степенью защи -ты не ниже IP 67. Разъемные электрические соединения выполнены с использованием малокон -тактных электрических разъемов со степенью защиты не ниже IP 67.

Кабельные электрические соедине -ния выполнены с использованием кабеля, содержащего только две или три витые пары проводов, с несколькими слоями изоляции. Кабели помещены в защитные резино-ткане-вые и резино-металлические рукава. Для защиты корпусов внешних разъемов от возможных механических повреждений использованы сдвижные металлические экраны.

Искробезопасные контроллеры и устройства сопряжения

Базовой технической единицей по -строения локальной или распределенной системы управления является локальный программируемый контроллер, осуществляющий обработку измеренных величин параметров состояния операционной среды и технических средств, определение и выдачу необходимых управляющих воздействий на исполнительные элементы, выполняющие те или иные операции, и принятие решения о пе -редаче управления оператору при возникновении ситуации, не предусмотренной алгоритмом управления.

Сопряжение контроллера с датчиками и с исполнительными элементами обеспечивают интеллектуальные коммутаторы, которые выполня -ют рутинные операции контроля технического состояния подключенных к ним устройств, предварительную обработку измеренных величин (масштабирование, фильтрацию помех и т.д.), контроль целостности кабельных соединений, отключение отказавших устройств с информированием об этом локального контроллера.

Локальный программируемый контроллер

Искробезопасный программируемый контроллер (ИБК) предназначен для сбора измерительной информации о состоянии горно-шахтного оборудо -вания и параметрах окружающей среды, ее обработки и выдачи управ -ляющих сигналов на исполнительные устройства. Контроллер относится к электрооборудованию группы I с уровнем взрывозащиты ia, применяемому в подземных выработках шахт , рудников и в наземных строениях , опасных

по рудничному газу и горючей пыли.

ИБК размещен в стальном корпусе, на задней крышке которого установлены разъемы для подключения кабелей электрического питания и соединения с внешними устройствами, а также акустический излучатель. На лицевой поверхности устройства размещены светодиодное табло с индикаторами состояния контроллера, периферийных устройств, каналов связи и окном приемо-пере -датчика канала инфракрасного обмена с портативным пультом операто -ра, кнопка экстренного выключения всех исполнительных устройств комплекса и кнопка блокировки включения исполнительных устройств, управляемых этим контроллером.

Для объединения контроллеров ИБК в сеть используется 4-провод-ная магистраль CAN 2.0.

Устройство не требует обслуживания при эксплуатации.

Коммутатор датчиков (КД) является устройством сопряжения контроллера ИБК с аналоговыми датчиками, устанавливаемыми на объекте управления. КД является программируемым устройством на базе микроконтроллера Fujitsu MB90F497 и осуществляет электропитание подключенных к нему датчиков стабилизированным искробе-зопасным постоянным напряжением 12В, автоматическую проверку целостности измерительных цепей, контроль соответствия измерений предустановленным физическим диапазонам, циклический опрос датчиков, преобразование аналоговых входных сигналов в дискретное 10-разрядное представление, цифровую фильтрацию измерений по заданному алго -ритму, передачу диагностической и измерительной информации в ИБК.

Входным сигналом КД от каждого датчика является значение напряже -ния в диапазоне 0.5-4.5 В, что продиктовано требованием минимиза -ции общего энергопотребления. К одному КД допускается подключение до 8 датчиков, а к одному ИБК - до 4 КД. Максимальное количество подключаемых локальных аналоговых датчиков - 32.

Устройство не требует обслуживания при эксплуатации.

Коммутатор дискретных сигналов Коммутатор дискретных сигналов (КДС) представляет собой программируемое устройство, выполненное на базе микроконтроллера Fujitsu MB90F497, предназначенное для ввода в контроллер ИБК информации о состоянии переключателей типа «нормально разомкнутый» или «нормально замкнутый» контакт. В качестве переключателей могут быть использованы магнито-контактные устройства, индуктивные датчики близости, электромеханические контакты и т.д. Один КДС обеспечивает выдачу искробезопасного напряжения 12 В и контроль состояния для 16 переключателей.

К одному ИБК допускается подключение до 4 КДС, т.е. максимальное количество контролируемых локальных дискретных цепей составляет 64.

Устройство не требует обслуживания при эксплуатации.

Коммутатор исполнительных дискретных устройств Коммутатор исполнительных устройств (КГК) является программиру -емым устройством, выполненным на базе микроконтроллера Fujitsu MB90F497, предназначенным для сопряжения контроллера ИБК с соленоидами электрогидроклапанов или реле. К одному КГК допускается подключение до 16 электрогидроклапа-нов или реле с напряжением питания 12 В. Для снижения электропотребления коммутируемой аппаратуры в КГК применен встроенный механизм широтно-импульсной модуляции (ШИМ) выходного сигнала со скважностью 2 и параметризацией длительности импульса.

КГК выполняет автоматическую диагностику цепей управления, обнаружение короткого замыкания и обрыва внешних электрических цепей и отключение поврежденных выходных цепей с выдачей результатов диагностики в ИБК.

Устройство не требует обслуживания при эксплуатации.

Коммутатор нагрузок Коммутатор нагрузок (КН) является программируемым устройством, выполняющим коммутацию внешних устройств с источниками ИЖЭГ-— питающего напряжения до 127 В 50 Гц, не имеющими гальваничес -кой связи с контроллером ИБК. Один КН осуществляет программно-управляемую коммутацию до 12 внешних устройств. В состав КН входит мо -дуль гальванической развязки, обеспечивающий электрическую изоляцию искробезопасных цепей КН и ИБК от внешних искроопасных и искробезо-пасных электрических цепей.

Устройство не требует обслужива -ния при эксплуатации.

Источник искробезопасного электропитания аппаратуры АСУ ТП

Одной из важнейших подсистем АСУ ТП подземной угледобычи является подсистема обеспечения аппаратуры искробезопасным электропитанием. В зависимости от технологического процесса выемки угля в конкретных горно-геологических условиях и от числа управ -ляемых элементов секции крепи такая массовая операция, как передвижка секции, может требовать одновременной активации от 2 до 8 электро-гидроклапанов на одной секции.

Необходимо учитывать и тот факт, что изменения потребляемой электрической мощности системы электропитания, зависящие от числа включенных потребителей, не должны сказываться на уровне выходного напряжения, питающего аппаратуру управления, что особенно важно в цепях питания электрогидроклапанов и датчиков. В противном случае в аппаратуре необходимо использовать вторичные преобразователи, стабилизирующие уровни напряжения, что заметно повышает ее стоимость.

Одним из основных недостатков ранее применявшихся систем централизованного электропитания сек -ционных контроллеров от одного (или нескольких) источника, находя -щегося на штреке, являются серьез -ные ограничения на количество одновременно включаемых в лаве исполнительных устройств, т.е. элек-трогидроклапанов. Применяемые в настоящее время системы распреде -ленного электропитания с размещенными в лаве источниками, каждый из которых снабжает искробезопас-ным напряжением группу из 3-10 секций, в значительной мере сняли, но не исключили полностью, указанные ограничения.

Оптимальным решением проблемы оказалось создание простого, дешевого и компактного секционного источника искробезопасного напряжения, размещаемого на каждой секции крепи, обладающего мощностью около 15 Вт, достаточной для питания всей аппаратуры секционного модуля. Такая организация электропитания аппаратуры управления значительно повышает живучесть системы управления в целом, т.к. при выходе из строя отдельного источника питания или межсекцион -ной кабельной перемычки все остальные секционные модули остают -ся работоспособными и позволяют продолжать управление комплексом в автоматизированном режиме, за исключением секции, непосредственно соединенной с местом возникновения неисправности.

Для обеспечения искробезопасным напряжением взрывозащищенного электрооборудования групп I и II с уровнем взрывозащиты ib (ia) предназначен взрыво-безопасный сетевой стабилизированный ис -точник питания (ССИП-1512, ССИП-3012).

ССИП имеет стальной корпус с объемной заливкой электроизоляционным теплопроводящим компаундом и может иметь различные конструктивные исполнения, в т.ч. с оконечной и проходной клеммной камерой силовых вводов. Электрическое подключение ССИП к искробе-зопасным потребителям осуществляется с помощью 6-контактного разъ -емного соединения Hirschmann.

Среди достоинств ССИП следует отметить чрезвычайно быструю реакцию на короткое замыкание во внеш -ней цепи, при этом выключение питания на выходном разъеме источника производится менее чем за 10 мксек. При устранении причин короткого замыкания во внешней цепи ССИП автоматически включается и обеспечивает электропитанием подключенные внешние устройства.

Устройство не требует обслуживания при эксплуатации.

Система информационного обмена

Протокол информационного обмена CAN применяется в системах реального времени для решения различных задач. В настоящий момент развива -ются несколько видов CAN-протоко -лов высокого уровня (CAL, CANOpen, DeviceNet, SDS), но в основе всех лежит канальный протокол CAN2.0. Интерфейс CAN характеризуется высокими скоростями передачи данных (до 1 Мбит/с) и помехоустойчивостью, а также способностью обнаруживать любые возникающие ошибки.

Для обеспечения высокой живучести и надежности системы целесообразно не использовать традиционную централизованную систему управления, а применять распределенное управление путем размещения интеллектуальных датчиков и исполнительных механизмов рядом с управляемым процессом. Связь между узлами такой системы осуществляется с помощью полевой шины. CAN - это система связи для мультиконтрол -лерных систем.

CAN-интерфейс регламентирован международными стандартами ISO 11898 для высокоскоростных и ISO 11519-1 для низкоскоростных приложений.

Высокая надежность интерфейса обусловлена линейной структурой шины и равноправностью ее узлов. Это означает, что модули могут взаимодействовать друг с другом непосредственно (наличие нескольких мастер-узлов), что значительно упрощает и ускоряет управление распределенной системой. Любое сообщение может быть послано одному или нескольким узлам. Все узлы одновре -менно (что важно для синхронизации в системе управления) считывают с шины одну и ту же информацию, и каждый из них решает, принять данное сообщение или игнорировать его. Отказавшие узлы автоматически отключаются от обмена по шине.

Применение дифференциальной линии передачи обеспечивает высокую помехоустойчивость за счет по -давления синфазных помех, дей -ствия встроенных механизмов обна -ружения ошибок (по спецификации - одна необнаруженная ошибка за 1000 лет при ежедневной 8-часовой работе сети на скорости 500 Кбит/с), автоматического повтора ошибочных сообщений, автоматического отключения неисправных узлов от об -мена по шине и устойчивости к электромагнитным помехам.

На физическом уровне есть возможность выбора разнотипных линий передачи данных: от витой пары до оптоволоконной линии связи.

Система операторского интерфейса

Портативный пульт дистанционного управления по ИК-каналу Пульт обеспечивает беспроводную двухстороннюю связь по инфракрасному каналу обмена информацией с ближайшим ИБК и через него со всей сетью контроллеров. Пульт имеет встроенный микроконтроллер, снабжен клавиатурой с пиктограммами команд и дисплеем для отображения сообщений, квитирующих прием команд контроллером-адресатом или инициированных любым из контроллеров с целью оповещения оператора о возникновении события, требующего реакции оператора. Микроконт -роллер осуществляет диагностику пульта, контроль заряда аккумулято -ра, проверку надежности канала связи. Количество пультов в сети ограничено только требованиями технологического процесса. Алгоритмы функционирования сети контроллеров предусматривают исключение конфликтов между командами, подаваемыми разными операторами, т.к. непрерывно осуществляют автомати -ческое определение местоположения каждого оператора и комбайна в лаве и формируют зоны безопасности для операторов, исключающие инициализацию команд, связанных с механическим перемещением оборудования в зоне непосредственной близости к оператору. Время непрерывной работы каждого пульта составляет несколько десятков часов, а текущее состояние аккумулятора индицируется на дисплее пульта.

Корпус пульта обеспечивает защиту электронного модуля от механических повреждений, проникновения пыли и влаги. Вес, габариты и компоновка пульта соответствуют современным требованиям эргономики.

Портативный пульт дистанционного управления по проводному каналу Для управления добычными машинами на расстояниях до 30 м создан микроконтроллерный операторский пульт, соединяемый с ИБК 4-проводным кабелем. Шильд-клавиатура лицевой панели пульта проектируется для каждой конкретной машины, содержит функциональные кнопки, позволяющие оператору осуществлять как дискретное, так и непрерывное управление устройствами и исполнительными органами машины. На корпусе пульта установлена фиксирующаяся кнопка блокировки выдачи исполнительных команд. Пульт содержит встроенные средства диагностики и контроля целостности кабельного соединения с ИБК. Пульт имеет разъемное соединение с информационным кабелем, защищенное от вла -ги и механических повреждений.

Пример оснащения участка очистной выемки угля

Ниже приведена структурная схема построения АСУ ТП участка очистной выемки угля на базе рассмотренных выше устройств из состава ПТК.

Каждая секция крепи оснащается источником питания ССИП-ПП со встроенным модулем приемо-передатчика шины внешнего CAN-интер -фейса, осуществляющим гальваническую развязку между ИБК разных секций крепи. Искробезопасное напряжение и информационные цепи CAN-интерфейса от ССИП-ПП поступают на магистральный вход ИБК секции. К шине внутреннего CAN-интерфейса подключаются: КГК для управления соответствующим количеством электрогидрокла-панов; один или два коммутатора аналоговых датчиков КД в зависимости от числа измеряемых аналоговых параметров состояния секции; КДС, если для управления секцией крепи необходимо регистрировать дискретные сигналы состояния ее подвижных элементов; ЭГБ - исполнительный электрогидравлический блок.

В штреке устанавливается ИБК, осуществляющий управление штрековым оборудованием, соединенный с шиной внешнего CAN-интерфейса через ССИП-ПП.

К шине его внутреннего CAN-ин-терфейса подключаются: один или несколько КН с необходимым количеством внешних искробезопасных и не-искробезопасных источников питания для включения внешних силовых устройств (пускателей, контакторов и т.д.); один или несколько КД для сбора измерительной информации от аналоговых датчиков; КДС для сбора сигналов от дискретных датчиков состояния штрекового оборудования.

Структурная схема ПТК АСУ ТП участка очистной выемки угля

Для установки параметров конфигурации и функционирования системы, осуществления передачи информации на поверхность, а также для обеспечения информационного обмена с подземной компьютерной рабочей станцией в штреке устанавливается вспомогательный ИБК, соединенный с общей магистральной ши -ной CAN-интерфейса.

Средства обучения персонала

Эксплуатация сложного комплекса горно-шахтного оборудования, осу -ществляющего технологический процесс подземной добычи угля в длинных лавах с применением раз -витых средств автоматизации, несомненно, требует высокого уровня подготовки эксплуатационного персонала. Для целей обучения (вклю -чая тренинг) персонала различного уровня создан комплексный стенд (КСФДО-32/64).

Стенд позволяет осуществлять:

- функциональную диагностику в заводских условиях секций механизированной крепи с электрогидравлическим управлением в количестве от 1 до 5 шт, контроль функционирования установленных на них управляющих электрогидро-блоков, компонентов силовой и управляющей гидравлики, дискретных и аналоговых датчиков, протоколирование работы секций;

- обучение персонала технологическим приемам управления операциями крепи, оснащенной системой электрогидравлического уп -равления;

- демонстрацию функционирования группы секций по заранее подго -товленным циклограммам выполнения операций.

Имеются программные средства создания виртуальной модели произ -вольного секционного контроллера и секции крепи, включая алгоритм функционирования, внешний вид, элементы операторского воздей -ствия, визуальной и звуковой индикации и сигнализации.

Выводы

Использование системного подхода к проектированию программно-техни -ческого комплекса средств автоматизации подземной угледобычи, осно -ванного на блочно-модульной схеме построения потребительских конфи -гураций оборудования, принципах пространственно-распределенной локализации электропитания аппаратуры, применении схемных и конструктивных решений обеспечения максимальной надежности и живучести, позволило создать техническую базу построения АСУ ТП, начиная от локальных систем управления отдельными машинами и агрегатами и заканчивая автоматизированной системой управления технологическими процессами добычного участка.

Журнал "Горная Промышленность" №1 2005