Развитие мобильных устройств в составе компьютерных сетей угольных шахт
В.С. Ваганов, канд. физ.-мат. наук, эксперт приборостроительного кластера «Безопасность и оборудование ресурсодобывающих технологий» (БОРТ)
Т.В. Гоффарт, начальник научно-технического отделения ООО НПФ «ГРАНЧ»
И.С. Дубков, ведущий инженер ООО НПФ «ГРАНЧ»
На опасных производственных объектах, таких как угольные шахты, существует две группы задач: первая — повышение эффективности производственного процесса и выполнение плана, вторая — снижение показателей производственного травматизма, обеспечение безопасности работ и персонала. Решающее значение для выполнения этих обеих задач имеет связь.
Именно на основе систем связи строятся системы контроля и управления производственным процессом от уровня локальных автоматизированных систем управления до уровня MES (Manufacturing Execution System) и даже ERP-систем (Enterprise Resource Planning), а также многофункциональные системы безопасности (МФСБ) угольных шахт. В России состав и функции МФСБ регулируются Федеральными нормами и правилами «Правила безопасности в угольных шахтах» (ПБ) [1].
Аналогичные усилия предпринимаются в Китае, США, Южной Африке, Австралии. Системы непосредственного регулирования производственных процессов и оборудование как в нашей стране, так и за рубежом, каждое предприятие выбирает самостоятельно исходя из собственных потребностей и финансовых возможностей. Общим неизменно остается желание контролировать дистанционно и централизованно как процесс производства, так и параметры обеспечения безопасности проводимых работ. Также неизменной остается потребность угольных шахт в современной сети связи.
В большинстве случаев системы связи и на поверхности, и под землей реализуются на основе компьютерных сетей [2–4]. Это происходит в первую очередь благодаря общемировому тренду развития концепции мультисервисных сетей.
Мультисервисная сеть (МС-сеть) – единая сеть, способная передавать голос, видеоизображения и данные с максимальной эффективностью. Современные сети мобильной связи стандарта 4G и 5G, высокоскоростные офисные и производственные сети, интегрированные с облачными сервисами, нейронными сетями и базами данных – вот некоторые примеры таких сетей. МС-сети и системы связи позволяют передавать и коммутировать различные виды трафика (объём информации, передаваемой через компьютерную сеть за определённый период времени) со скоростями до 100 Гбит/с и выше. Для решения такого широкого спектра задач используется мультисервисная сеть, позволяющая организовать интеграцию большого количества различных подсистем. Потребность производственников минимизировать затраты на оборудование ведет к тому, что на рынке сегодня появляется все больше многофункциональных устройств, на базе которых строятся и сами сети, и системы автоматизированного управления, и системы безопасности. НПФ «ГРАНЧ» разрабатывает и выпускает компьютерные системы передачи данных и сетевые мобильные устройства для развития мультисервисных сетей, которые служат основой МФСБ угольных шахт и ряда систем управления производственными процессами. Линейка продукции расширяется, появляются новые устройства, которые несомненно расширяют возможности сетей и действующих решений.
Кроме того, особые условия эксплуатации компьютерных сетей под землей определяют инженерные решения и архитектуру устройств, на основе которых строятся современные системы безопасности и управления производственными процессами. Поэтому все устройства для МС-сетей производства НПФ «ГРАНЧ» сертифицированы с Ех-маркировкой РО/РВ и имеют пылевлагозащищенное исполнение. В состав МС-сетей производства НПФ «ГРАНЧ» входит как оборудование, используемое в качестве базовых сетевых узлов, составляющих инфраструктуру сети передачи данных, так и носимые индивидуальные устройства, выполняющие в сети функцию клиентов. В данной статье приводится обзор новых мобильных устройств, выпускаемых НПФ «ГРАНЧ», даны рекомендации по их применению на угольных шахтах.
Устройство оповещения SBGPS Light-4
Одним из важнейших мобильных устройств в МС-сетях производства НПФ «ГРАНЧ» является индивидуальное устройство оповещения с функциями шахтерского головного светильника (УО). Связь между узлами инфраструктуры подземной сети (базовые станции, БС) и УО осуществляется по беспроводному каналу стандарта IEEE 802.11 b/g/n (Wi-Fi). Общий вид УО приведен на рис. 1. Устройство является мультифункциональным благодаря тому, что внутри корпуса фары светильника размещен серьезный вычислительный комплекс, позволяющий устройству не только освещать рабочую зону, но и выполнять ряд других полезных функций как самостоятельно, так и в составе многофункциональной системы связи, наблюдения, оповещения и поиска людей, застигнутых аварией, «SBGPS». Сетевая инфраструктура «SBGPS» проводит высокоскоростной обмен данными с поверхностью для тысяч таких устройств. О наличии-отсутствии связи, готовности к работе УО информирует пользователя голосовыми фразами и отправляет отчет на-гора.
Рис. 1 Устройство оповещения SBGPS Light 4
УО обеспечивает определение местоположения горняков в шахте с разрешением до ±4 м в составе системы «SBGPS».
Кроме этого, УО обеспечивает гарантированное индивидуальное оповещение шахтера об аварии, при этом осуществляется двухуровневое подтверждение доставки: автоматическое (средствами самого УО) и при участии человека, получившего сигнал, – посредством нажатия на кнопку управления УО. Это действие позволяет диспетчеру на поверхности определить состояние горняка и способность действовать в соответствии с Планом Ликвидации Аварии (ПЛА). Также встроенный акселерометр позволяет удаленно осуществлять контроль физического состояния человека. Если УО включено, но неподвижно в течение 15 минут – включается аварийный режим, диспетчер извещается о проблеме. УО в этом случае начинает подавать мощные периодические акустические и световые сигналы для облегчения поиска человека, застигнутого аварией либо оказавшегося в неподвижном состоянии вследствие травмы. Благодаря УО в шахте осуществляется односторонняя голосовая связь диспетчер-шахтер.
Диспетчер может прислать произвольное или заранее подготовленное голосовое сообщение на УО отдельного шахтера или целой группы людей. В системе «SBGPS» предусмотрен голосовой навигатор, который может выводить шахтеров по маршрутам, предусмотренным ПЛА, и в соответствии с оперативной обстановкой.
В корпусе фары УО, а также в аккумуляторном блоке могут быть установлены датчики опасных газов СН4, СО, СО2) и кислорода (до четырех различных сенсоров в одном устройстве). Обеспечивается возможность непрерывно передавать оперативную информацию об измеренной концентрации и координатах места замера на-гора. В случае выхода концентрации газов за установленные пределы УО информирует пользователя голосовыми фразами. При двойном нажатии на кнопку управления УО озвучит текущую концентрацию газов. Сигнал о предаварийном состоянии отображается также на пульте горного диспетчера.
Таким образом, светильник служит мобильным и измерительным прибором аэрогазовой обстановки в шахте. Персонал шахты, передвигаясь вдоль выработок, «сканирует» шахту при помощи мобильных УО. Открывается возможность производить анализ газовой обстановки на участках за произвольный период для выявления рисков возникновения аварий и их предотвращения. Уже сегодня на предприятиях, эксплуатирующих УО со встроенным датчиком метана, наблюдается снижение количества оповещений о превышении уровня концентрации метана вследствие заблаговременного (до аварии) устранения нарушений, благодаря своевременному оповещению о динамике газовой обстановки в шахте. Несмотря на наличие на рынке решений по встраиванию газовых сенсоров в головной светильник, альтернативного решения по привязке данных измерений к месту проведения замера на сегодня нет. Применяемые сегодня мобильные газоанализаторы не способны в режиме реального времени передавать свои измерения в систему АГК, а также не способны зафиксировать координаты места замера. А это дает реальную возможность применять УО вместо индивидуальных переносных газоанализаторов.
Без головного светильника персонал не имеет права спускаться в шахту, УО может заменять карту доступа на определенные участки, его можно применять для контроля отклонения человека от маршрута по выполнению наряда, встроенный Bluetooth-модуль позволяет осуществлять связь с любой носимой электроникой (от медицинских браслетов до шахтных смартфонов). Время автономной работы УО – 10 часов, поэтому УО надежно в течение всей смены может обеспечить не только безопасность шахтера и помощь ему в выполнении работ, но и позволить контролировать ход производственного процесса в шахте из любой точки планеты.
Взрывозащищенная PTT-гарнитура
Другим, не менее полезным для шахтеров мобильным устройством МС-сетей, является взрывозащищенная PTT-гарнитура (Push-to-talk). Гарнитура представляет собой изолирующие наушники, которые монтируются на любую типовую шахтерскую каску при помощи стандартного набора креплений. Внешний вид устройства показан на рис. 2.
Рис. 2 Взрывозащищенная PTT гарнитура
При наличии PTT-гарнитуры шахтеры могут общаться в режиме групповой голосовой связи. Связь работает по принципу: «один говорит – все слушают». Организовано несколько каналов, которые группируются по назначению, например, для бригады участка аэрологической безопасности, для бригады монтажа крепей и т.д. Применение PTT-гарнитуры оправданно при решении производственных задач, связанных с распределенным положением оборудования и работой нескольких бригад, таких, например, как запуск и наладка системы управления конвейерами. Абоненты, находящиеся на одном и том же канале, общаются друг с другом независимо от того, в каком месте шахты они находятся, при условии нахождения в зоне покрытия сети системы «SBGPS».
Гарнитура имеет встроенный аккумулятор и самостоятельно выполняет функции передачи и приема голоса. Гарнитура и УО могут работать совместно. В этом случае сообщения, приходящие от горного диспетчера на УО, автоматически транслируются на гарнитуру. Гарнитура дополнительно оснащена системой активного шумоподавления, что позволяет успешно использовать ее при работах в зоне высокого уровня производственных шумов, как, например, при передвижении крепей по мере отработки очередного этапа, монтаже крепей в монтажной камере и т.д. Применение PTTгарнитуры удобно при работах, которые требуют согласованности действий бригады или участка, таких как, например, ведение взрывных работ, продвижение энергопоезда. Устройство позволяет обеспечить эффективность и безопасность ведения работ в шахте.
Взрывозащищенный смартфон SBGPS Mphone
Группа мобильных устройств, предназначенных для применения в угольных шахтах и в рудниках, расширена за счет организации выпуска взрывозащищенного смартфона SBGPS Mphone (рис. 3). В устройстве реализованы стандартные функции современного смартфона с ОС Android: мобильная голосовая связь, отправка-прием текстовых сообщений, фото- и видеосъемка, установка и использование любых необходимых мобильных приложений. Кроме этого, смартфон комплектуется тепловизионной камерой и обеспечивает автоматическую загрузку фото- и видеоматериалов на сервер системы «SBGPS».
Рис. 3 Внешний вид смартфона SBGPS Mphone
Взрывозащищенный смартфон позволяет обеспечить в условиях подземных горных выработок шахты не только связь людей между собой, но и полноценную двустороннюю голосовую связь с любой точкой поверхности, что чрезвычайно важно для оперативного управления производственным процессом. Смартфон удобен в применении для организации связи с машинистом дизель-гидравлического локомотива (ДГЛ) и даже может быть использован в качестве монитора для отслеживания параметров ДГЛ или решения иных задач на внутришахтном транспорте (ВШТ). Посредством смартфона может быть организовано аварийное SMSоповещение. SMS может применяться в качестве альтернативного (резервного) способа связи, когда голоса не слышно или нет возможности говорить. Смартфон можно также применять техническому персоналу шахты для просмотра технической документации, справочников по ремонту и обслуживанию горношахтного оборудования. Тепловизионная камера позволяет проводить температурную диагностику оборудования, и определять потенциальные очаги возгорания на ранних этапах. Также с помощью тепловизора можно наблюдать за людьми в полной темноте или в условиях задымления, что очень важно при проведении спасательных работ в аварийных условиях. В рабочем режиме и при аварии смартфон может использоваться как личный навигатор шахтера. При проведении съемки при помощи смартфона происходит автоматическая загрузка фото- и видеоматериалов на сервер системы «SBGPS», что позволяет горному диспетчеру в режиме реального времени визуально оценить состояние выработок и оборудования шахты.
Сегодня уже производится апробация применения смартфона для работы в шахте с мобильным приложением «Единая книга предписаний и формирования сменных нарядов» (ЕКП и ФСН), позволяющим закрывать выполненные наряды непосредственно в шахте.
Фото- и видеоматериалы как с камеры видимого диапазона, так и с тепловизионной камеры, можно прикреплять к заносимым в ЕКП и ФСН предписаниям и нарядам.
Таким образом, взрывозащищенный смартфон SBGPS Mphone полезен не только для организации голосовой связи, но и для контроля производственного процесса, а также предотвращения рисков возникновения аварий и поиска людей в случае аварийной ситуации.
Контроллер многофункциональный GAL
Развитие сетевых устройств НПФ «ГРАНЧ» получено за счет разработки и постановки на производство мобильного устройства – многофункционального контроллера GAL (Granch Adaptive Linker), предназначенного для сбора информации от электротехнических устройств различных подвижных объектов, передачи этих данных и данных, необходимых для определения своего местонахождения, в составе системы SBGPS (рис. 4).
Рис. 4 Контроллер многофункциональный GAL
Каналы связи GAL:
- беспроводной стандарта IEEE 802.11 b/g/n;
- проводной стандарта IEEE 802.3 (100BASE-TX);
- проводной по требованиям ISO 11898 (CAN);
- проводной канал связи с интерфейсом RS-485.
При отсутствии связи с сервером, расположенным на поверхности, контроллер сохраняет данные телеизмерений во встроенном «черном ящике». Время автономной работы – не менее 16 часов. Помимо адаптивной передачи потока данных телеметрии ДГЛ на-гора, GAL можно использовать для подключения к нему стороннего оборудования, например, видеокамеры, различных датчиков, пульта машиниста ДГЛ или пульта механика, осуществляющего обслуживание ДГЛ.
На сегодня GAL прошел тестирование на ДГЛ нескольких ведущих производителей, показал свою применимость для решения задач контроля производственных процессов, связанных с перевозкой грузов и выполнением работ с использованием ДГЛ. Удаленный контроль параметров ВШТ, обеспечиваемый GAL, позволяет проводить анализ работы механизмов и заблаговременно планировать ремонт или замену частей ВШТ, а также исключить простои ВШТ.
Малогабаритная активная метка Granch
Рис. 5 Внешний вид метки активной Granch
Метка активная малогабаритная Granch (рис. 5) предназначена для определения координат местоположения ВШТ, передвижного оборудования и перевозимых грузов в выработках шахты, оснащенных инфраструктурой системы «SBGPS», с отображением координат с разрешением ±20 м. Информация о местоположении контролируемых объектов передается в режиме реального времени на пульт горного диспетчера. Алгоритмы работы и методы определения координат аналогичны алгоритмам при работе с УО. Встроенный первичный источник питания рассчитан на работу в течение трех лет.
Станция базовая мобильная SBGPS Master
Станция Базовая Мобильная SBGPS Master (СБМ) (рис. 6) применяется в качестве узла сети передачи данных и в качестве опорной точки системы позиционирования, поддерживает беспроводные (Wi-Fi, Bluetooth) и проводные (Ethernet) каналы связи, обеспечивает беспроводную связь с УО взрывозащищенными смартфонами и другим мобильным и стационарным оборудованием МС-сетей в рамках стандарта IEEE 802.11a/b/g/n (Wi-Fi). СБМ может быть включена в работу как в режиме точки доступа, так и в режиме Ad-Hoc/Mesh.
Рис. 6 Общий вид станции базовой мобильной SBGPS Master
СБМ обеспечивает маршрутизацию информационных потоков по сети, достаточных для передачи информации с датчиков, мобильной и стационарной телефонной связи, видеонаблюдения; обеспечивает резервирование каналов связи: через неповрежденный кабельный канал или через специально выделенный радиоканал. Имеет встроенный литий-железо-фосфатный аккумулятор (LFP, LiFePO4) (емкость определяется функциональными требованиями заказчика), а также может быть запитана от внешней сети 127 или 220 В при комплектации модулем проводного питания. СБМ является основным элементом мобильной подземной беспроводной инфраструктуры и рекомендована для применения при оперативном развертывании полнофункциональной системы связи в подземных объектах при проведении спасательных операций, а также на участках подземных выработок шахт и рудников, не оборудованных стационарным оборудованием сети системы «SBGPS», или на участках, где функционирование системы «SBGPS» нарушено.
Взрывозащищенный мультиметр Granch
Взрывозащищенный мультиметр Granch – полностью цифровой мультиметр с автоматическим переключением диапазонов.
Рис. 7 Внешний вид взрывозащищенного мультиметра Granch
Предназначен для измерения:
- силы постоянного и переменного тока;
- напряжения постоянного и переменного тока;
- сопротивления;
- позволяет осуществлять проверку цепи (проверка целостности проводника, «прозвонка»).
Дополнительные функции:
- измерение температуры;
- проверка работоспособности транзисторов;
- проверка емкости конденсаторов;
- измерение частоты;
- проверка диодов.
Ударопрочная защищенная конструкция позволяет прибору работать в жестких условиях эксплуатации. У мультиметра эргономичный и современный дизайн, имеет подставку-упор для удобного вертикального расположения. Светодиодная подсветка дисплея. Степень защиты от внешних воздействий – IP67. Степень защиты от поражения электрическим током (ГОСТ 12.2.007.0) – III. Вес – 690 г. Маркировка взрывозащиты PO Ex ma ia | Ma X.
Заключение
Концепция мультисервисных сетей значительно упрощает создание производственных многофункциональных систем безопасности, поскольку позволяет реализовать множество различных функций управления и контроля на основе универсальной инфраструктуры цифровой связи. В свою очередь, эта инфраструктура строится на основе универсальных узлов связи, использующих различные среды для передачи данных (кабели связи, оптические линии связи, беспроводные каналы связи). При построении линий связи особенно в условиях опасных производственных объектов необходимо учитывать проводные линии питания инфраструктуры. Применение автономных резервных источников питания узлов связи – обязательное условие обеспечения функционирования систем безопасности. Разумное сочетание этих факторов позволяет получить высокие результаты в разрезе трех основных параметров оценки систем безопасности: надежность, доступность и выживаемость [4].
Использование высокопроизводительных мобильных устройств в составе МФСБ позволяет уменьшить объем трафика реального времени за счет появления вычислительных ресурсов локального уровня. Высокопроизводительные мобильные устройства существенно увеличивают общую выживаемость системы за счет образования локальных соединений в случае аварийной и нештатной ситуации. Новые, совместные применения мобильных устройств обеспечивают появление новых функций системы безопасности и в конечном итоге увеличивают надежность МФСБ. Использование открытых, универсальных протоколов связи, стандартных электронных и программных модулей в архитектуре системы повышает доступность системы в целом.
Выпускаемая НПФ «ГРАНЧ» многофункциональная система безопасности «SBGPS» разработана с учетом всех перечисленных общесистемных требований, а новая линейка высокопроизводительных мобильных устройств позволит расширить ее функциональность.
