Автоматизированные системы навигации и управления горно-транспортным оборудованием

Караванов М.Ю. (АО «ПРИН» )

До проведения разного рода земляных работ (например, планировки, зачистки, выемки или засыпки), во время и после них требуется непрерывное проведе-ие съемок и разбивок для того, чтобы убедиться в соответствии выполненной работы техническому проекту. До недавнего времени этот проект составлялся вручную и использовался маркшейдерами уже в поле. С появлением систем автоматизированного проектирования (САПР) стала возможной точная и квалифицированная разработка инженерных проектов в виртуальном мире компьютеров. Но на этапе переноса проектов на местность автоматизация заканчивалась. Кроме того, некоторые преимущества САПР терялись при использовании двумерных чертежей. Другими словами, операторы горного оборудования все еще полагались на свой опыт и на деревянные колья, установленные маркшейдерами в соответствии с проектом.

Новые системы управления транспортом, разработанные за последние годы, объединяют последние достижения в области спутникового позиционирования (GPS) и подходящие средства САПР. Они позволяют оператору оборудования в обычных условиях видеть созданный компьютером объект и непрерывно обновлять топографическую информацию о нем. Эти системы могут сохранять схемы выполненных работ и сразу передавать результаты проектировщику для проверки. Конечная цель системы — полностью исключить этап разбивки объекта традиционными методами, осуществить электронную передачу проектных данных в транспортное оборудование сразу из офиса и непрерывно обновлять данные о перемещении машин и материалов.

Система позиционирования является фундаментальной частью автоматизированной системы управления, поскольку при любых операциях должно быть известно положение всего оборудования в пространстве.

Система управления должна обеспечивать операторов оборудования непрерывной и свежей информацией о их положении. В открытых карьерах самой производительной технологией является пространственное позиционирование с помощью спутниковой Системы Глобального Определения Местоположения — GPS.

За последние годы GPS буквально ворвалась в маркшейдерскую практику во всем мире и широко используется при создании обоснования для детальных съемок. Но только с появлением позиционирования в реальном времени стало возможным не только выполнять разбивку сетки скважин или планировку поверхности, но и создавать автоматизированные системы управления оборудованием.

Новая методика GPS-съемки — кинематика в реальном времени (RTK) — позволяет определять трехмерные координаты точек в движении с точностью менее дециметра на участках размером около 20 км. При этом точность этих координат можно увидеть сразу в поле, без необходимости последующих вычислений.

Для составления функциональной RTK-системы требуются специальные двухчастотные геодезические GPS-приемники и радиомодемы. Базовый приемник располагается на точке с известными координатами и передает собственные измерения подвижным приемникам с помощью цифровой радиосвязи. Подвижные приемники принимают эти данные, сравнивают со своими ис помощью встроенных алгоритмов инициализации вычисляют свое положение прямо в реальном масштабе времени. RTK-системы позволяют практически исключить временные затраты на подготовительную разбивку перед строительством или земляными работами.

Еще сравнительно недавно точное определение положения движущихся платформ с помощью GPS (в несколько сантиметров) требовало соблюдения слишком строгих условий и было невыполнимо в реальных условиях. Однако после разработки фирмой Trimble приемника Site Surveyor появился первый комплект GPS Total Station для высокоточных геодезических работ в реальном времени. С тех пор возможности комплекта постоянно расширялись и в 1995 году появился новый GPS-приемник 7400MSi — 4 поколение RTK-систем для точного позиционирования движущихся объектов. Приемник специально предназначен для надежной работы горнотранспортного оборудования, его отличает повышенная частота обновления координатных данных (до 5 раз в секунду) с малой задержкой. Специальная архитектура чипа приемника обеспечивает субметровую точность определений еще до завершения инициализации, а после нее (менее, чем через 1 минуту) уже сантиметровую точность в движении. С помощью новой технологии обработки сигналов Super-trak осуществляется улучшенное сопровождение спутников даже в сложных условиях, например, при сильных радиопомехах. 7400MSi имеет 4 последовательных порта и простой пользовательский интерфейс, с помощью которого он может быть связан с любым внешним устройством или управляющей системой. Приемник может быть сконфигурирован и как базовая, и как подвижная единица.
В этом году между компаниями Trimble и Aquila Mining Systems Ltd. (Монреаль, Канада) заключено соглашение о производстве управляющих и следящих систем контроля за бурением и земляными работами. Aquila — ведущий международный системный интегратор в горной промышленности. Теперь ее продукты для открытых разработок объединяются с GPS технологиями фирмы Trimble. На базе приемников 7400MSi и линий связи Trimble и Платформ Мониторинга Aquila (AMP) созданы новые системы TMS-Shovel и TMS-Drill. Благодаря этим системам оператор точно знает, где надо бурить или копать, днем или ночью, в любую погоду — и без необходимости предварительной разметки на местности. Модули систем могут предоставлять дополнительную информацию о глубине шахт, о составляющих породах, а также позволяет находить и пробуривать скважины в точках взрыва на установленную глубину. Системы TMS-Shovel и TMS-Drill совместимы с другим съемочным GPS оборудованием, используют общую базовую станцию на карьере и систему передачи данных. Они также могут быть составными частями диспетчерской системы.

TMS-системы включают платформу мониторинга AMP, приемник 7400MSi и радиомодем, размещенные в изолированном противоударном корпусе. Внешняя антенна закрепляется в защищенном от воздействия среды конусе. TMS-Drill имеет две антенны, что позволяет не только точно выводить машину на точку бурения, но и определять ориентацию бура даже в условиях магнитных возмущений. Платформа AMP имеет 10 последовательных портов и 50 входов для аналоговой и цифровой информации, что позволяет стыковать ее с многочисленными датчиками и бортовыми системами. Выносной графический дисплей установлен в кабине в противоударном корпусе и имеет легкочитаемый днем экран. На нем, используя встроенное программное обеспечение, изображается подвижная карта с положением бура машины относительно точек бурения и список возможностей системы. Дополнительные программные и аппаратные модули Aquila дают возможность выполнять слежение и автоматизированное управление бурением, или оперативно определять породы.

Системы TMS-Shovel и TMS-Drill значительно увеличивают производительность работ, снижая эксплуатационные расходы на горно-транспортное оборудование. Две компании согласовали дальнейшую программу совместной разработки новых продуктов для горной, строительной и добывающей промышленности.

Компания South Blackwater Ltd. (Квинсленд, Австралия) использует оборудование Trimble GPS Total Station на открытых разработках с 1991 года. Сейчас в компании исследуют возможности GPS реального времени для автоматизированного управления буровыми машинами. До этого компания уже определила эффективность этой системы для геодезических и маркшейдерских работ. Так, за один день работы бригада из двух маркшейдеров определяет положение 65 буровых скважин, на что с традиционным оборудованием им потребовалось бы 7 рабочих дней. Повторный контроль качества привязки тех же точек дал остаточные погрешности определения координат в среднем 3 см. Оборудование GPS Total Station используется также для выноса в натуру проектов, управления вскрышными работами, определения границ рудного тела и всего комплекса топографических работ — без использования дорогих аэрофотосъемо-чных работ. С учетом особенностей распространения УКВ-радиосигналов для увеличения надежности на карьере установлена собственная постоянная базовая станция с двумя ретрансляторами, расширяющими зону уверенной работы в удаленных частях разработки. Сами же приемники фирмы Trimble работают без сбоев даже в непосредственной близости от землеройных машин, вырабатывающих огромные магнитные поля.

Компания Stent (США) разработала высокоточную автоматизированную систему позиционирования свай (SAPPAR) на основе GPS приемников фирмы Trimble. Помимо них в систему включены измерители вертикальности мачты для исключения ошибок передачи координат на землю с 20-метровой высоты, где расположена GPS антенна. До начала работ в бортовой компьютер вводятся координаты свай. При выходе оборудования на точку на экране появляется рисунок, который становится более детальным по мере продвижения к ней. Когда до проектного положения остается менее 2 метров, на экране появляется круговая диаграмма с центром-сваей и индикатор вертикальности мачты. Если мачта не вертикальна, то изображение мигает и координаты не определяются до тех пор, пока оператор не установит ее в нужное положение. В компании подсчитано, что время на установку сваи существенно снижается при точности порядка 25 мм. Накопленная в компьютере информация используется в дальнейшем для составления итоговых отчетов о выполненных работах. Stent намеревается и далее развивать систему SAPPAR, прежде всего в области частичной и даже полной автоматизации операций. Другим направлением разработок будет повышение информативной емкости системы, например, при обработке измерений глубин и определения расположения и протяженности препятствий.

Один из ведущих мировых производителей строительного и горного оборудования — компания Caterpillar Inc. — также принимает активное участие в разработке и тестировании автоматизированных систем в содружестве со многими фирмами, предоставляя свое оборудование и динамическую базу данных.

В июне этого года компании Trimble и Caterpillar подписали Соглашение о намерениях по совместной разработке устройств для визуальной информации оператора и систем управления транспортом на основе GPS. GPS-составляющая этих систем будет производиться компанией Trimble под торговой маркой Caterpillar и распространяться через дилерскую сеть Caterpillar. По этому соглашению Caterpillar и Trimble используют дополнительные силы для внедрения GPS технологии в горную промышленность. Она должна позволить горному инженеру или маркшейдеру осуществить электронную передачу проектных данных в полевую машину сразу из офиса, а также непрерывно обновлять данные о перемещении материалов.

Выгоды горнодобывающим компаниям от их использования обеспечиваются уменьшением рабочей силы на съемке, снижением простоя машин, повышением качества работы и приводят к снижению стоимости за тонну для перемещения материала.

 

Журнал "Горная Промышленность" №3 1996, стр.57