Автоматизированная система адаптивного распределенного управления как средство повышения надежности и энергоэффективности горнодобывающего предприятия

С.Р. Шакиров, к.ф.-м.н., зам. директора по научной работе; А.И. Благодарный, научный сотрудник; О.З. Гусев, ведущий инженер; В.В. Колодей, главный конструктор проекта; А.С. Мамаев, младший научный сотрудник; Э.Г. Михальцов, к.т.н., зав. лабораторией; Г.П. Чейдо, к.т.н., зав. лабораторией, Конструкторско-технологический институт вычислительной техники Сибирского отделения РАН

В настоящей статье описываются методы построения распределенных автоматизированных систем управления оборудованием горно-шахтного предприятия и представлены основные характеристики разработанных для таких систем программируемых контроллеров.

Основные задачи, решаемые автоматизацией горнодобывающих предприятий:

повышение технико-экономических показателей предприятия;
обеспечение производственной безопасности;
постоянное продвижение в направлении создания малолюдной и безлюдной технологий добычи ископаемых [1].

В числе технико-экономических показателей современных горнодобывающих предприятий проблемным остается высокое удельное энергопотребление, до нескольких раз превышающее средние мировые показатели [2]. К тому же предприятия работают в условиях устойчивого роста цен на энергоносители, что делает особенно актуальными любые мероприятия по энергосбережению. Одним из способов повышения энергоэффективности предприятия остается комплексная информатизация и автоматизация технологических процессов. Большой объем и разнородность технологического оборудования, а также сложные и постоянно меняющиеся условия рабочей среды являются факторами, определяющими жесткие требования как к архитектурным решениям, так и к параметрам системы автоматизации. Система управления технологией типичного горно-шахтного предприятия содержит до десятка специализированных комплексов (рис. 1).

Принципы построения перспективной системы управления технологическими процессами горнодобывающего предприятия должны быть основаны на следующих положениях:

в ядро системы управления закладывается модель технологических процессов;
в процессе работы предприятия производится непрерывный мониторинг как параметров технологии, так и природных и техногенных параметров производственной среды;
на основании текущих параметров состояния производится выработка управляющих воздействий и коррекция параметров модели;
увеличивается вес (значимость) автоматического управления;
используется высокоэффективная гетерогенная система коммуникаций;
принимаются специальные меры противодействия кибератакам.

Пространственная протяженность, сложность коммуникаций и жесткие требования к скорости реакции вынуждают применять распределенное управление, когда часть автоматических управляющих воздействий реализуется программно-техническими средствами, установленными в непосредственной близости от объекта управления (т.н. локальная автоматика (рис. 2). Подготовка к переходу на безлюдные технологии усиливает значение локальной автоматики. Однако и в этом случае информация должна быть генерализована на верхнем уровне в общей базе данных. Локальная автоматика отчитывается перед верхним уровнем о произведенных действиях и о причинах, стимулировавших эти действия. На верхнем уровне на базе генерализованной информации вырабатываются решения, касающиеся не только оперативного, но и стратегического управления технологическим комплексом.

Рис. 2 Архитектура системы управления

В основе управления предприятием находится анализ отклонения текущих и прогнозируемых технологических параметров от модели процесса. Модель, заложенная в систему управления, может иметь различный уровень детализации, различный уровень строгости и различную форму представления. Здесь мы обсуждаем только модели, специализированные по технологическим подсистемам, общая модель производства рассматривается в системах типа MES или ERP.

Специализированная модель объекта (рис. 3) определяет множество его выходных параметров при заданной совокупности входных сигналов. В автоматических системах управления отклонения выходных параметров корректируются подачей соответствующих воздействий, являющихся функцией рассогласования. В автоматизированных системах по величине рассогласования формируется сообщение персоналу, который должен своими действиями вернуть объект в технологические границы.

Технологические процессы горно-шахтного предприятия характеризуются нестационарностью параметров, что связано с изменяющимися свойствами добываемой горной массы и характеристиками внешней среды, а также изменениями в режимах работы и износом оборудования. Эта нестационарность повышает роль мониторинга, который должен быть усилен прогнозированием. Модель должна адаптироваться к нестационарным параметрам процессов [3, 4].

Наибольший эффект адаптивное управление приносит, будучи примененной в таких энергоемких технологических комплексах горного предприятия, как конвейерный транспорт, система вентиляции, водоотлив. В этих системах энергосберегающий эффект определяется соответствием мощности, потребляемой приводами, текущим нагрузкам. Управление мощностью привода может быть как непрерывным, так и дискретным. Например, протяженные шахтные конвейеры имеют распределенный привод, состоящий из нескольких приводных головок, содержащих несколько двигателей. Опыт сопровождения реализованных нами шахтных систем управления показывает, что даже дискретная подстройка привода путем изменения объема подключенных двигателей снижает энергопотребление до 12%. Переключения производятся в зависимости от количества транспортируемой горной массы, которая вычисляется интегрированием показаний электронных весов, встроенных в систему. Дальнейший прогресс в энергосбережении связан с переводом привода на частотное управление, что сопряжено с модернизацией инфраструктуры предприятия. После такой реконструкции можно будет получать более строгие решения задачи оптимизации энергопотребления.

Локальная автоматика реализуется на базе программируемых контроллеров. Расширение функциональных возможностей системы в направлении адаптивного управления, диагностики и повышения энергоэффективности предъявляет повышенные требования к архитектуре, техническим характеристикам и даже конструктивному исполнению контроллеров. Локальные контроллеры обеспечивают мониторинг параметров системы, управление объектом, передачу информации на рабочее место диспетчера и создание архива. Архивированию подлежат как параметры текущего режима работы оборудования, так и дополнительные характеристики оборудования и рабочей среды: электрические, механические, тепловые, диэлектрические, химические, радиационные и другие.

По текущим параметрам режима можно оценивать степень загрузки оборудования и выдавать сигналы или управляющие воздействия в случае перегрузки. Известно, что исключение перегрузок благоприятно сказывается на надежности оборудования в части ее безотказности и долговечности.

В КТИ ВТ СО РАН в течение многих лет ведутся работы в области автоматизации горно-шахтного оборудования [5]. В настоящее время разработан контроллер нового поколения – мультипроцессорный многоканальный контроллер ММК [6], который за счет двухпроцессорной архитектуры обеспечивает не только измерения параметров электротехнического оборудования и их анализ, но и диагностику состояния оборудования и передачу полученной информации в АСУ ТП предприятия по расширенному перечню интерфейсов. На рис. 4 приведена структурная схема Мультипроцессорного многофункционального контроллера ММК.

ММК обеспечивает контроль следующих параметров, относящихся к надежности:

пофазные характеристики – ток, напряжение;
частота;
качество электроэнергии (11 параметров по ГОСТ 13109);
активная мощность;
реактивная мощность;
коэффициент мощности.

Кроме того, контроллер выполняет функции счетчика электроэнергии (дифференцированные по виду энергии и времени потребления) и производит запись (осциллографирование) параметров нормальных рабочих и аварийных процессов.

По дискретным входам/выходам ММК обеспечивает:

ввод дискретных сигналов телесигнализации, выдаваемых датчиками контактного или бесконтактного типа. Питание цепей телесигнализации обеспечивается от встроенного изолированного источника питания. Имеется восемь, шестнадцать или двадцать четыре дискретных входа типа «сухой контакт» (в зависимости от конфигурации); шесть мощных выходов телеуправления (17 А, 250 В); восемь маломощных выходов телесигнализации или телеуправления (250 В, 100 мА);
автоматическую выдачу команд телеуправления по назначенному при конфигурации каналу на любом из входов сигнализации либо в любом из каналов телеизмерений;
использование любого из входов телесигнализации в качестве входа счетчика импульсов для подключения стандартных счетчиков электрической энергии, имеющих импульсный выход;
использование любого из входов телесигнализации в качестве входа для запуска осциллографирования.

Вычислительное ядро ММК построено по мультипроцессорной схеме. Обработка аналоговых сигналов, формирование кольцевого буфера измеренных и вычисленных величин и параметров производится микроконтроллером измерителей на основе процессора MC56F8367 фирмы Freescale. Объем внешнего ОЗУ, подключенного к микроконтроллеру измерителей, составляет 2 Мбайта, что достаточно для формирования кольцевого буфера измеренных и вычисленных величин и параметров для осциллограмм длительностью до 20 секунд. Производительность микроконтроллера измерителей позволяет оцифровывать, проводить гармонический анализ до сороковой гармоники основной частоты измеряемых напряжений и токов (10 каналов) с точностью 0,2%. Коэффициенты и параметры, определяющие конфигурацию и настройку аналоговых измерительных каналов, сохраняются в энергонезависимой памяти.

Управляющий процессор выполнен на базе встраиваемого PC-совместимого процессора. Его функции – создание и ведение базы данных, индикация состояния и конфигурирование контроллера; выполняются эти функции под управлением операционной системы Linux.

Микроконтроллер измерителей и управляющий процессор образуют единую вычислительную систему через общее быстродействующее двухпортовое ОЗУ. Таким образом, обеспечивается независимая бесконфликтная работа двух процессоров с максимально возможным быстродействием.

Отображение текущей информации с визуализацией графиков выполняется на полноцветном с диагональю 5" TFT дисплее. Местное управление режимами отображения информации и работой контроллера обеспечивается с помощью сенсорной панели.

По каналам обмена информацией через контроллер локальной сети ММК обеспечивает:

обмен информацией с цифровыми датчиками температуры системы мониторинга температуры критических точек – по цепям однопроводной шины через порт MicroLAN;
обмен информацией с АСУ ТП по проводниковым или оптическим каналам Интерфейса Ethernet 10/100, протокол TCP IP;
обмен информацией с АСУ ТП по гальванически развязанным цепям Интерфейса RS-485, протокол ModВus RTU.

Для применения в среде, опасной по взрывам метана и угольной пыли, разработан Модульный искробезопасный контроллер МИК (рис. 5).

Рис. 5 Внешний вид Модульного искробезопасного контроллера

В отличие от ММК данный контроллер предназначен для оперативного контроля и управления опасными производственными объектами, в первую очередь для работы в угольных шахтах, опасных по взрывам метана и угольной пыли [7].

Такая аппаратура должна удовлетворять жестким требованиям, обеспечивая искробезопасность и герметичность конструкции, что наряду с высокими техническими характеристиками создает особые требования при проектировании. МИК обеспечивает прием данных от датчиков, управление исполнительными механизмами, хранение и обработку полученной информации, визуализацию на экране TFT дисплея диагностической, конфигурационной и контрольной информации. Контроллер имеет два порта интерфейса RS-485 и порт шины CAN.

В устройстве все функции реализует процессор LPC2478 на основе архитектуры ARM7TDMI-S. Алгоритмы его работы записаны в энергонезависимой памяти (SD/SDHC-карты емкостью до 32 Гбайт). Графическая и алфавитно-цифровая информация выводятся на экран графического дисплея (диагональ 7", разрешение 800J480). С помощью функциональной клавиатуры оператор может менять параметры и режимы работы контроллера. Программное обеспечение МИК основывается на операционной системе Linux. Через интерфейс RS485 контроллер взаимодействует с другими устройствами, в том числе на верхнем уровне, причём наличие двух независимых выходов интерфейса позволяет выполнять ретрансляцию данных между устройствами.

При применении контроллера для управления технологическим объектом в минимальном варианте (один вход аналогового сигнала 4–20 мА, четыре входных дискретных сигнала и два выходных сигнала управления) устройство может быть размещено в одном корпусе – основном блоке контроллера. Процессор контроллера анализирует поступающие сигналы и в случае появления аварийной ситуации, принимает соответствующее решение – например, формирует команду на включение или выключение исполнительного механизма (включить вентилятор, остановить ленточный конвейер и т.п.). В этом случае от контроллера следует выходной дискретный сигнал, который через кабельный вывод поступает на технологический объект. Такие команды можно задавать и вручную с помощью мини-пульта. Графический дисплей отображает необходимую информацию.

Несколько контроллеров в минимальной комплектации успешно эксплуатируются в составе систем контроля натяжения конвейерных лент на шахте «Сибиргинская» ОАО «Южный Кузбасс» (Междуреченск, Кемеровской области). В автоматическом режиме система работает следующим образом: на вход контроллера поступает аналоговый сигнал о натяжении ленты от тензодатчика и в случае ослабления ленты и ее провисания контроллер дает команду на запуск лебедки для увеличения натяжения. Контроллер посредством тензодатчика постоянно контролирует натяжение ленты и при достижении необходимого значения останавливает лебедку.

При необходимости управления технологическим объектом с более широким списком входных и выходных сигналов и/или с сигналами другого типа (частотные сигналы, сигналы от датчиков температуры) в состав контроллера дополнительно вводится блок расширения с набором устройств сопряжения с объектом (УСО). Основной блок и блок расширения соединены между собой по шине CAN, блок расширения также имеет интерфейс RS-485. Блоки могут функционировать независимо друг от друга и входить в различные подсистемы автоматизации. В отличие от основного блока, имеющего законченную архитектуру, состав входящих в блок расширения устройств ввода-вывода определяется конкретной задачей при проектировании. Размещаются основной блок и блок расширения в пыле- и влагозащищенных корпусах, что необходимо при их применении в угольных шахтах.

Каждое УСО обеспечивает гальваническую изоляцию входных цепей от процессорных цепей и цепей входного электропитания не хуже 1 кВ, размер печатной платы 100J70 мм. Все устройства спроектированы так, чтобы устанавливать их внутри корпуса в линейки клеммных рядов, обеспечивающих удобное подключение внешних кабелей. Конструктивно УСО выполнены таким образом, чтобы монтаж блока расширения выполнялся исключительно на основе однотипных стандартных разъёмов, что значительно ускоряет его сборку и переконфигурацию.

Возможность адаптивного управления, основанного на использовании специализированных моделей объектов управления, обеспечена во всех контроллерах серий ММК и МИК гибкостью архитектурных решений, значительной вычислительной мощностью и достаточными объемами оперативной и энергонезависимой памяти, позволяющими вести собственные архивы данных и базы знаний.

Предлагаемая архитектура автоматизированной системы управления горно-шахтным оборудованием, содержащая компоненты для адаптивного управления, обеспечивает повышение надежности контроля и управления горно-шахтным оборудованием в потенциально опасных условиях, повышение энергоэффективности и позволяет получать объективные диагностические параметры.

ЛИТЕРАТУРА:

1. С.К. Голушко, Г.П. Чейдо, С.Р. Шакиров. На пути к безлюдной шахте. Наука из первых рук, 2012, №1 (43), с. 8–11.

2. И. Башмаков. Российский ресурс энергоэффективности: масштабы, затраты и выгоды. «Вопросы экономики». №2. 2009.

3. Sarmantay Rahimbekov. Адаптивный механизм управления горнотехническим объектом. http://gisap.eu/ru/node/10610.

4. Чернявский Г.И. Адаптивное управление техническим состоянием и безопасностью эксплуатации сложных технических систем в условиях ресурсных ограничений. Энергобезопасность и энергосбережение. Издание Московского института энергобезопасности и энергосбережения.

Энергобезопасность в документах и фактах №2, 2006 г. http://www.endf.ru/08_1.php.

5. А.И. Благодарный, О.З. Гусев, С.С. Журавлев, Е.П. Золотухин, Л.С. Каратышева, В.В. Колодей, Э.Г. Михальцов, Р.А. Шакиров, С.Р. Шакиров. Автоматизированная система контроля и управления ленточными конвейерами на угольных шахтах. Горная Промышленность, №5/2008, с. 38–44.

6. Гусев О.З., Колодей В.В., Михальцов Э.Г., Шакиров С.Р. Мультипроцессорный многофункциональный контроллер. Патент на полезную модель №116712. Приоритет полезной модели 31 августа 2011 г.

7. Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ 05-618-03), серия 05, выпуск 11, НТЦ Промышленная безопасность, Москва, 2007.