Система диспетчеризации «КАРЬЕР»: от мониторинга большегрузных автосамосвалов к управлению горно-транспортным комплексом и оптимизации горных работ в карьере

Д.Я.Владимиров, А.Ф.Клебанов, «ВИСТ Групп»
А.И.Перепелицын, Федеральная служба по технологическому надзору

Эффективная работа современных горнодобывающих предприятий невозможна без развитого горно-транспортного комплекса (ГТК), включающего в свой состав большое количество машин и оборудования различного назначения (автосамосвалы, топливозаправщики, локомотивы и подвижной состав, экскаваторы, бульдозеры, грейдеры, буровые станки и другое вспомогательное оборудование). Поэтому на предприятиях значительное внимание уделяется увеличению производительности оборудования; организации планомерного его ремонта и обслуживания; обеспечению экономии всех видов материальных ресурсов, снижению расхода топлива, шин; оптимизации загрузки транспортных средств; стабилизации показателей качества руды, поступающей в переработку.

Решение этих задач и обеспечение эффективности эксплуатации ГТК в настоящее время невозможно без использования инженерными и управленческими службами горнодобывающих предприятий современных компьютерных технологий, методов автоматизированного управления технологическими процессами. АСУ ГТК, как часть автоматизированной системы горного предприятия, предназначена для управления выемочно-позрузочным, автомобильным и железнодорожным транспортом и буровыми станками; мониторинга основного и вспомогательного оборудования; управления и контроля объемов и качества руды, поступающей на переработку.

Реализация АСУ ГТК осуществляется, как правило, в три этапа:

1.    Управление экскаваторно-автомобильным комплексом, состав которого определяют парк автосамосвалов и топливозаправщиков, а также парк экскаваторов.

2.    Управление железнодорожным комплексом, состоящим из тепловозов, электровозов и вспомогательной железнодорожной техники.

3.    Управление работой бурового и вспомогательного оборудования, включающего буровые станки, бульдозеры, тракторы и автогрейдеры.

На первом этапе система АСУ ГТК обеспечивает следующие основные функции:

-    управление оборудованием в режиме реального времени и управление качеством руды при погрузке и ее разгрузке на складе;

-    контроль движения руды, вскрыши и в целом горной массы, контроль соблюдения маршрутов движения, а также загрузки автосамосвалов;

-    мониторинг работы двигателей и узлов автосамосвалов, эксплуатации шин, заправок и расхода топлива, времени технического обслуживания оборудования и т.д.

На втором этапе формирования АСУ ГТК добавляется возможность мониторинга местоположения железнодорожного транспорта, его погрузки и выгрузки, простоев и количества отгруженных думпкаров, а также контроля соблюдения скоростных режимов поездов, расхода топлива тепловозами, объемов и качества руды, подаваемой на дробильно-обогатительную фабрику, что позволяет оперативно получать цифровую транспортную модель карьера по участкам железнодорожных путей и итоговый график движения технологических поездов за смену).

На третьем этапе достигается возможность самонаведения буровых станков на проектную точку без предварительной маркшейдерской выноски, передачи координат пробуренных скважин в маркшейдерскую службу и бюро буро-взрывных работ для возможности своевременной корректировки проектов на бурение и взрыв, а также проводится мониторинг и контроль в реальном масштабе времени как параметров процесса бурения, так и технического состояния буровых станков.

Система диспетчеризации горно-транспортного оборудования «КАРЬЕР», разработанная российской компанией «ВИСТ Групп», внедряется на горных предприятиях России и СНГ с 1999 года. Изначально, на первых объектах внедрения (Полтавский ГОК, ЗАО «Черниговец») [1], система «КАРЬЕР» решала задачи мониторинга большегрузных автосамосвалов, т.е. слежения в режиме реального времени за состоянием самосвала (загрузкой, расходом топлива, скоростью, местоположением), учета этих параметров, а также простоев и нарушений технологических режимов эксплуатации автосамосвала. Эти работы проводились совместно с РУПП «Белорусский автомобильный завод». Дальнейшее развитие системы диспетчеризации «КАРЬЕР» направлено на создание на горном предприятии полнофункциональной системы управления горно-транспортным комплексом.

Модернизация системы идет по следующим направлениям:

-    развитие бортового оборудования транспортно-погрузочного комплекса;

-    развитие программного обеспечения диспетчерского центра;

-    развитие средств организации передачи данных в диспетчерский центр.

Рассмотрим кратко основные результаты, достигнутые в этих направлениях.

Бортовое оборудование

Система контроля загрузки и топлива СКЗиТ [1, 2], устанавливаемая на автосамосвалы грузоподъемностью 55–220 т непосредственно на заводе «БЕЛАЗ», интегрируется с другими бортовыми электронными системами управления и контроля состояния автосамосвала. В первую очередь это относится к Системе управления тяговым электроприводом [2] (СУТЭП), а также к системам диагностики основных узлов и агрегатов самосвала (контроль работы дизеля, давления в шинах и др.) (рис. 1). Такая интеграция позволяет качественно усовершенствовать алгоритмы работы систем, по сравнению с их автономным функционированием. Например, для более точного управления работой тяговым электроприводом необходима информация о загрузке автосамосвала, уклоне дороги при его движении, которая передается от СКЗиТ непосредственно в СУТЭП. Передача данных осуществляется по CAN-интерфейсу, которым оснащены бортовые контроллеры СКЗ 02.01 и СУТЭП. Подход к интеграции СКЗиТ и других бортовых электронных комплексов c помощью CAN-интерфейса является общим для развития электронных систем автосамосвала БелАЗ. При этом предусмотренное программно-аппаратное расширение СКЗ 02.01 радионавигационным блоком с встроенным GPS приемником (платой РНБ) – системой, управляющей передачей данных по выделенному радиоканалу, – делает возможным передачу информации от датчиков СУТЭП и систем диагностики непосредственно в диспетчерский центр, сохранение этой информации на сервере системы «КАРЬЕР» и последующую организацию автоматизированного рабочего места механика автобазы (АРМ-М) (рис. 2). Работа автосамосвала БелАЗ-75131 с интегрированными системами СКЗиТ и СУТЭП и непрерывной передачей данных в диспетчерский центр была продемонстрирована в январе 2004 г. на совещании потребителей РУПП «Белорусский автомобильный завод».

Система диспетчеризации «КАРЬЕР» допускает работу с самосвалами других производителей, также оснащенных электронными системами контроля и диагностики. Так, в июле 2004 г. в состав диспетчерской системы на Полтавском ГОКе были включены автосамосвалы Komatsu HD-785 и HD-1200 (рис. 3). Бортовой контроллер PLC II, установленный на этих самосвалах, был соединен по RS-232 с СКЗ 02.01, оснащенным блоком РНБ. Дальнейшее согласование протоколов обмена данными между СКЗ 02.01 и PLC II сделало возможным передачу в диспетчерские центры рудоуправления и автобазы Полтавского ГОКа информации о загрузке, расходе топлива (самосвалы оснащались дополнительно датчиком уровня топлива в баке УТ-90), а также местоположении парка автосамосвалов Komatsu, аналогично информации, передаваемой от автосамосвалов БелАЗ.

До 2004 года система СКЗиТ, вследствие конструктивных особенностей автосамосвалов БелАЗ, могла быть установлена на самосвалах грузоподъемностью от 55 т и выше. Для определения степени загрузки самосвала в этой системе используется методика интегрированного вычисления веса груза по давлению в газомаслонаполненных амортизаторах подвески, измеренному высокоточными электронными датчиками давления (WIKA). При этом конструкция автосамосвалов БелАЗ грузоподъемностью 30–45 тонн, оснащенных шестью двухкамерными подвесками, не позволяла распространить на них указанную выше методику определения загрузки.

С целью преодоления этих ограничений в 2003–2004 гг. была разработана и опробована в заводских и натурных условиях система контроля загрузки, адаптированная для автосамосвалов БелАЗ грузоподъемностью 30 – 45 тонн и основанная на применении датчиков силы, монтируемых непосредственно на технологических «пальцах» подвески (рис. 4). Было установлено, что для определения загрузки с точностью до 1.5% достаточно получение информации от 4-х датчиков силы и показаний инклинометра (ИК-02) – датчика продольного крена, который также как и в случае определения загрузки для большегрузных автосамосвалов, вносит существенные коррективы в работу алгоритмов.

Направление развития бортового оборудования для реализации второго и третьего этапов создания АСУ ГТК (управление железнодорожным транспортом, буровым и вспомогательным оборудованием) определяется функциями, которые должна выполнять система на этих этапах. В большинстве случаев эти функции сводятся к мониторингу в режиме реального времени местоположения и состояния оборудования (информация о начале и завершении погрузки, выгрузки, движении, простоях и т.п.), соблюдения скоростных режимов, а также контролю за уровнем и расходом топлива. Эти задачи решаются установкой на транспортные средства СКЗ 02.01 с блоком РНБ и монтажом дополнительных датчиков состояния транспортных средств. Так, в проекте, реализуемом «ВИСТ Групп» в ЗАО «Черниговец», для определения расхода топлива на тепловозах устанавливаются как датчики уровня топлива поплавкового типа, аналогичные датчикам СКЗиТ автосамосвалов (УТ-90, УТ-60), так и расходомеры (СДМ). Для определения полезной работы транспортных средств (например, бульдозеров, грейдеров) может быть использована методика, основанная на определении комплексного показателя по датчикам позиционирования (GPS), датчику моточасов, расходомеру и датчику нагрузки на отвал, аналогичному описанному выше датчику силы, применяемому для определения загрузки малых БелАЗов. Следует отметить, что универсальность разработанного датчика силы (ДЗ-20) делает возможным его применение для определения загрузки практически любого грузоперевозящего транспортного средства. Например, в настоящее время рассматривается возможность применения этого датчика и других элементов системы «КАРЬЕР» для диспетчеризации и слежения за работой зарядных машин на базе КрАЗа и MAN, а также технологического транспорта ГМК «Норильский Никель».

Исключением от перечисленных выше «традиционных» задач мониторинга оборудования является задача самонаведения бурового станка на проектную точку скважины. Эта задача, также как и задача определения координат экскаватора с дециметровой точностью в плане и по высоте, может быть решена только при оснащении оборудования системами высокоточного позиционирования (СВП). Состав бортового оборудования, а также оборудования диспетчерского центра в этом случае существенно модифицируется. Вместо блока РНБ, обеспечивающего точность определения координат мобильного объекта порядка 3–5 метров в плане, необходимо использовать двухантенный GPS приемник и систему передачи данных RTK (рис. 5). Эволюцию развития системы диспетчеризации «КАРЬЕР» в связи с увеличением парка транспортных средств и требованиями к точности позиционирования экскаваторов и бурстанков иллюстрирует рис. 6., на котором схематично отражены этапы перехода системы от мониторинга большегрузных автосамосвалов к полному управлению горно-транспортным комплексом угольного разреза «Черниговский» в Кузбассе (отмеченные на рис. 6 системы видеонаблюдения и мониторинга технического состояния оборудования (МТСО), а также проблемы интеграции системы «КАРЬЕР» с АСУП «Галактика» и системой геологического моделирования и планирования горных работ выходят за рамки рассматриваемых в данной статье вопросов).

Программное обеспечение диспетчерского центра

Расширение функциональных возможностей программного обеспечения диспетчерского центра достигается за счет постоянного наращивания числа специализированных автоматизированных рабочих мест, которое происходит при расширении круга пользователей системы (функциональных служб горного предприятия) при переходе к полномасштабному управлению горно-транспортным комплексом. Так, если на первом этапе программное обеспечение диспетчерского центра включает в себя пять автоматизированных рабочих места пользователя, а именно: АРМ горного диспетчера, АРМ диспетчера автобазы, АРМ маркшейдера, АРМ системного администратора и АРМ технического директора, то к моменту завершения третьего этапа диспетчерский центр (понимаемый как распределенная информационная среда) может быть оснащен дополнительно АРМ начальника смены рудоуправления, АРМ производственного отдела рудоуправления, АРМ бюро буро-взрывных работ, АРМ начальника смены бурового участка, АРМ поездного диспетчера управления железнодорожным транспортом (рис. 7), АРМ службы ГСМ, АРМ инженера ТО, АРМ геологоразведочного отдела, АРМ производственного отдела разреза, АРМ директора по производству.

Вовлечение в систему управления горно-транспортного комплекса новых пользователей, охватывающих практически все организационно-технические службы комбината, невозможно без постоянного развития гибкости системы, повышения ее функциональности и удобства работы, что реализуется благодаря специальной многокомпонентной структуре программного обеспечения и применению новых технологий программирования. Программное обеспечение сервера приложений с помощью специально разработанной технологии UMP.NET обрабатывает входную информацию, как полученную от мобильных объектов, так и введенную пользователями, результаты этой обработки сохраняются в базе данных. При этом на сервере базы данных ORACLE хранится вся информация о работе оборудования, включая полную историю движения и показаний датчиков каждого мобильного объекта; данные о рейсах, в том числе расстояние транспортировки, массу и вид перевезенного груза; данные об остановках и нарушениях скоростного режима, итоговая информация по смене и суткам, и т. д. Программное обеспечение рабочих мест, построенное на базе нашего программного продукта XRTL Explorer, взаимодействует с базой данных через сервер приложений.

Таким образом, создание компонент UMP.NET и XRTL Explorer дает возможность пользователям по своему желанию самостоятельно разрабатывать и изменять функциональность системы диспетчеризации.

Управление горно-транспортным комплексом невозможно без развития методов автоматизированного диспетчерования оборудования и производственных процессов горного предприятия. В первую очередь это относится к оптимизации работы автомобильно-экскаваторным комплексом. С целью вычисления оптимального распределения автосамосвалов по маршрутам (экскаваторам и пунктам разгрузки) в соответствии с заданными критериями оптимизации, в частности, для поддержания определенного процентного содержания полезных компонентов при шихтовке, разработаны принципы работы модуля оптимизации горных работ в карьере.

Модуль «Оптимизация горных работ» предоставляет возможность использования большого количества критериев оптимизации, в том числе таких как:

-    качество шихтовки по руде (максимальная близость реального процентного содержания металла в руде к заданному);

-    общая производительность;

-    близость паспортной и вычисленной производительности экскаваторов;

показатель предпочтения экскаваторов (учет указаний диспетчера).

При работе модуля «Оптимизация горных работ» каждый критерий оптимизации оценивается численно, и ему сопоставляется его «вес», т. е. числовой коэффициент, отражающий его значимость (например, качество шихтовки имеет существенно больший «вес», чем близость паспортной и вычисленной производительности экскаваторов). При этом в качестве исходной информации в модуль вводятся следующие основные данные: длины маршрутов, число экскаваторов и пункты разгрузки, максимальная производительность экскаваторов и качество руды, количество автосамосвалов, а также выбирается один или несколько критериев оптимизации, и указываются предпочтения при выборе экскаваторов при распределении автосамосвалов. Эффективность и удобство использования такого подхода связаны с наличием цифровой геологической модели и модели поверхности карьера. В этом случае система может сама определять текущее процентное содержание полезного компонента в руде по положению экскаватора и, соответственно, содержимое самосвалов, загруженных у этого экскаватора. При отсутствии такой модели данные о процентном содержании полезного компонента в руде следует заносить вручную.

В течение рабочей смены модуль «Оптимизация горных работ» запускается автоматически после каждой разгрузки каждого самосвала, т. е. тогда, когда возникает необходимость в определении следующего маршрута для самосвала, при этом модуль способен автоматически учесть большое число факторов и принять оптимальные решения в режиме реального времени, что делает модуль оптимизации чрезвычайно важным средством для повышения эффективности производства.

Функция диспетчера в этом случае сводится к тому, что он должен в течение смены вносить данные о произошедших изменениях, которые могут повлиять на распределение автосамосвалов по экскаваторам, таких как поломки (и окончание ремонта) экскаваторов и самосвалов, изменения в процентном содержании руды при перемещениях экскаваторов, и т. д. Предполагается, что ближайшими объектами внедрения модуля оптимизации системы «КАРЬЕР» станут Ингулецкий ГОК (г. Кривой Рог), и СП «ЭРДЭНЭТ» (Монголия), так как задача стабилизации качества руды для этих предприятий принимает первоочередное значение.

Переход к «событийной» системе

Анализ производственной деятельности горных предприятий показал, что при переходе к оперативному управлению горно-транспортным комплексом расширение видов вовлекаемых в систему диспетчеризации транспортных средств влечет за собой новые требования к технологии передачи данных от мобильных объектов в диспетчерский центр. Технологии циклического опроса транспортных средств присущи в этом случае ограничения, связанные с уменьшением частоты опроса каждой единицы мобильной техники при увеличении общего парка оборудования, охваченного системой диспетчеризации. Кроме этого, для каждого вида горного оборудования существует свои требования к частоте передачи информации о его работе. Для преодоления этих ограничений был использован «событийный» подход к организации передачи информации в диспетчерский центр. При таком подходе информация о работе автосамосвала, экскаватора, локомотива и др. передается в диспетчерскую по мере наступления определенных, присущих данному виду техники, событий. Такими событиями могут быть изменения координат объекта больше заданного, начало и окончание погрузочно-разгрузочного цикла, резкое уменьшение топлива и т.п. Таким образом, значительна часть функций обработки информации была переложена с программного обеспечения диспетчерского центра на бортовой контроллер. Переход к событийной системе, в которой все значимые для управлением ГТК события (простои, рейсы и другие производственные циклы, нарушения режимов работы и т.п.) формируются и хранятся в памяти БК, а не в диспетчерском центре, как в случае циклического опроса, позволяет за счет дальнейшего развития программного обеспечения диспетчерского центра и системы связи транспортного средства с диспетчерским центром (например, транкинговая система радиосвязи TETRA в ОАО «Южный Кузбасс») хранить информацию о его состоянии и в тех случаях, когда транспортное средство попадает в так называемые радиотеневые зоны или радиосвязь вообще временно пропадает, например, при включении широковещательного голосового режима.

Таким образом, реализация перечисленных выше направлений развития программно-аппаратного комплекса системы диспетчеризации «КАРЬЕР» позволяет уже в настоящее время существенно расширить возможную область применения системы и переходить от мониторинга большегрузных самосвалов БелАЗ к управлению и оптимизации работы горно-транспортного комплекса горного предприятия, включающего самосвалы грузоподъемностью 30–45 тонн, самосвалы других кроме БелАЗа производителей (Komatsu, CAT и др.), железнодорожный транспорт, погрузочно-разгрузочное, буровое и вспомогательное оборудование.

Система диспетчеризации «КАРЬЕР» используется на предприятиях России и СНГ. В России – это угольные предприятия Кузбасса: ЗАО «Черниговец», ОАО «Разрез Талдинский», ОАО «Южный Кузбасс», на Украине – железорудные комбинаты: ОАО «Полтавский ГОК», ОАО «Ингулецкий ГОК», ОАО «Криворожсталь». Круг пользователей системы постоянно расширяется и уже в ближайшее время система будет внедрена на Стойленском ГОКе, Оленегорском ГОКе, Ачинском глиноземном комбинате, Магнитогорском металлургическом комбинате, ОАО «Алданзолото» в России, Северном ГОКе – на Украине и СП «ЭРДЭНЭТ» в Монголии. Такое стремительное проникновение системы на рынок стран СНГ стало возможно благодаря ее высокой эффективности и быстрым сроком окупаемости (до одного года), а также технической готовностью к ее внедрению всех горных предприятий, использующих в своей работе автосамосвалы Белорусского автомобильного завода, так как ключевой элемент системы – бортовое оборудование автосамосвала СКЗиТ, устанавливается непосредственно на заводе-производителе начиная с 2000 г. и к настоящему времени этой системой оснащены автосамосвалы, работающие практически на всех крупных горных предприятиях – потребителях завода БелАЗ.

Для обеспечения технической поддержки разработанных «ВИСТ Групп» системы диспетчеризации «КАРЬЕР», системы контроля загрузки и топлива СКЗиТ и других бортовых электронных систем управления и контроля автосамосвала БелАЗ (в первую очередь – системы управления тяговым электроприводом СУТЭП) в 2001–2004 гг. созданы региональные технические центры «ВИСТ Групп» в Кузбассе (г. Кемерово), на Украине (г. Кривой Рог), Кольском полуострове (г. Апатиты). Эти региональные центры оказывают постоянную техническую поддержку в эксплуатации системы диспетчеризации «КАРЬЕР» и ее элементов на предприятии, а также осуществляют их гарантийное и послегарантийное обслуживание. 

ЛИТЕРАТУРА:
1. А.Ф.Клебанов, Д.Я.Владимиров, Л.В.Рыбак. «Система диспетчеризации большегрузных автосамосвалов «КАРЬЕР» на разрезе «Черниговский»: структура, функциональность, экономическая эффективность. «Горная Промышленность», № 1, 2003 г., с. 52–57.
2. Д.Я.Владимиров, А.Ф.Клебанов, С.Н.Кудин «Современный этап освоения информационных компьютерных технологий для автосамосвалов БелАЗ» «Горная Промышленность», специальный выпуск, 2004 г., с.24–28.

Журнал "Горная Промышленность" №4 2004