Алгоритм выбора местоположения элементов беспроводных систем управления электротехническими комплексами подземных горных комбайнов

Н.А. Шатунова, аспирант, ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

В.А. Шпенст, д.т.н., ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Эффективная работа беспроводных систем управления электротехническими комплексами подземных горных комбайнов возможна при условии учета всех факторов, которые влияют на устойчивость и качество передаваемого радиосигнала. Разработка методики помехоустойчивого приема сигнала беспроводных систем управления электротехническими комплексами комбайнов подземных горных выработок требует проведения предварительного экспериментального исследования с помощью виртуального моделирования.

При проектировании беспроводных систем управления электротехническими комплексами подземных горных комбайнов перед разработчиками стоит вопрос совершенствования беспроводной связи для минимизации энергетических и экономических затрат на размещение базовых станций и репитеров в горных выработках. Системы управления, в том числе беспроводные, являются неотъемлемой частью электротехнического комплекса.

Системы дистанционного управления работой электротехнических комплексов в настоящее время применяются в горной промышленности практически повсеместно: в управлении производственными процессами, электротехническими устройствами (включая проходческие и добычные комбайны), вентиляционными установками и т.п.

Последние научные достижения и разработки в области микроэлектроники, микропроцессорной техники, компьютерной техники и информационных технологий свели к минимуму возможные ограничения степени сложности или технической реализуемости современных дистанционных систем управления электротехнических комплексов.

Установлено, что варианты трасс и характер распространения радиосигнала в подземных горных выработках могут быть определены согласно следующим основным факторам [4–6]:

- электромагнитные свойства горных пород, по которым пройдена выработка, и материалов крепей и перегородок;

- наличие и состав армированного пояса в полу и потолке;

- конструктивные особенности расположения горных выработок относительно друг друга и геометрическая форма их сечения.

Определено, что степень влияния указанных факторов может быть различна в зависимости от того, какой из них преобладает в данном конкретном случае.

Результаты математического эксперимента могут быть использованы при уточнении математических моделей помехозащищенного и устойчивого приема сигнала в системах беспроводной связи между электротехническим комплексом и пультом оператора в горных выработках.Рис. 1 Алгоритм совершенствования существующих беспроводных систем управления электротехническими комплексами комбайнов подземных горных предприятий

Рис. 1 Алгоритм совершенствования существующих беспроводных систем управления электротехническими комплексами комбайнов подземных горных предприятий

На рис. 1 представлен разработанный алгоритм проектирования систем беспроводного управления электротехническими комплексами комбайнов подземных горных предприятий, который включает в себя блоки по совершенствованию беспроводной связи в системах управления.

Практическая реализация данного алгоритма предусмотрена в виде математического моделирования в виртуальной среде HFSS.

При условии, что у математических моделей есть свойство полной адекватности моделируемому процессу, появляется также свойство полного или частичного замещения реального процесса или явления математической моделью [3].

Точность соответствия модели реальному процессу является адекватностью физической модели, физическая модель всегда приближается к реальному процессу или объекту моделирования с той или иной степенью точности. Виртуальные компьютерные модели, выполненные в современных программных пакетах, допускают замещение реального объекта математической моделью, так как выполняют расчеты согласно математическим формулам с высокой степенью точности и малой погрешностью в силу большого количества итераций.

Для того, чтобы результаты моделирования и эксперимента были достоверны, необходимо придерживаться предлагаемой и разработанной авторами методики проведения экспериментального исследования (рис. 2).Рис. 2 Методика проведения экспериментального исследования

Рис. 2 Методика проведения экспериментального исследования

С помощью компьютерной модели можно получить наглядное представление о некоторых свойствах реального объекта или процесса, которые невозможно или трудно оценить без использования математической модели. Компьютерная модель представляет собой физическую реализацию абстрактных математических выражений, компьютерное моделирование является одной из разновидностей физической реальности.

При проведении виртуального компьютерного моделирования картины распределения электромагнитного поля в пространстве подземной горной выработки принимаем граничные условия, изложенные в [2].

Сигнал от передатчика базовой станции системы управления распространяется по тоннелю. Виртуальная модель является одноэтажной, то есть расположенной без уклона в одной плоскости. Выбор последнего параметра обусловлен тем, что моделирование многоэтажных сложных моделей представляет трудность в первую очередь для вычислительной техники, так как требуются значительные аппаратные и программные ресурсы.

Материал стен представляет собой армированный бетон, а именно металлическую сетку с бетонным напылением (толщиной 0,05 м). Через каждые 0,6–0,8 м по длине выработки установлена железная арочная крепь. В зависимости от частоты сигнала материал стен тоннеля можно считать однородным или неоднородным. При достаточно низких частотах армированием можно пренебречь и считать стенки тоннеля не содержащими балки-арки, а состоящими сплошь из них. Комплексы камер горных выработок должны проектироваться таким образом, чтобы их взрывобезопасность была максимальной.

Главным объектом управления, для которого может потребоваться необходимость размещения беспроводных систем управления электротехническими комплексами комбайнов в данных камерах подземных горных выработок, являются вентиляторные установки, проходческие щиты, конвейеры и прочие электротехнические комплексы, стабильная связь с которыми во время проведения горных работ является необходимой для организации безлюдной выемки полезных ископаемых и повышения безопасности в горном производстве.

Согласно [1] технические средства связи (проводные и беспроводные) должны характеризоваться параметрами надежности связи и скоростью восстановления связи после отказа. По картине распределения электромагнитного поля в подземной горной выработке можно определить затухание на любом расстоянии от источника электромагнитного сигнала, а также с заданным процентом покрытия и энергетического баланса линии связи определить расстояние для установки дополнительного репитера либо базовой станции.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что выбор места размещения элементов беспроводных систем автоматического управления технологическими процессами электротехнических комплексов горных предприятий должен производиться на основе данных, полученных в ходе математического моделирования и аналитического расчета. Данные должны учитывать характеристики электромагнитной картины поля и данные о степени затухания сигнала в подземной горной выработке, в зависимости от структуры выработки, удаленности источника сигнала от приемника и наличия факторов фиксированного и мобильного затенения.

Информационные источники:
1. ГОСТ Р 55154-2012 Оборудование горно-шахтное. Системы безопасности угольных шахт многофункциональные. Общие технические требования
2. Егоров П.В. Проектирование угольных шахт: учеб. Пособие / П.В. Егоров, А.Н. Супруненко, А.И. Набоков; ГУ КузГТУ. Кемерово, 2005. 221 с.
3. Н.И. Федунец, С.С. Кубрин. Перспективы и проблемы построения автоматизированных радиотелеметрических систем управления технологическими процессами в шахтах и рудниках. МГГУ, 2010. С. 290–301.
4. Шатунова Н. А. Повышение эффективности работы автоматизированных систем управления технологическими процессами подземных горных предприятий.// Наука вчера, сегодня, завтра / Сб. ст. по материалам XХХI междунар. науч.-практ. конф. 2 (24). Часть II. Новосибирск: Изд. АНС «СибАК», 2016. С. 61–69.
5. Шпенст В.А., Шатунова Н.А. Математические характеристики радиопомех телекоммуникационных каналов подземных промышленных объектов // T-COMM. М., 2014. 11. С. 55–58.
6. Шпенст В.А., Шатунова Н.А. Анализ влияния промышленных радиопомех на помехоустойчивость телекоммуникационных каналов // М. Век качества. 2014., №5/6. С. 22 24.
7. Shklyarsky Y.E., Skamin A.N., “High harmonic minimization in electric circuits of industrial enterprises”, World Applied Sciences Journal, no.30 (12), pp. 1767–1771, 2014.
Ключевые слова: системы управления, электротехнические комплексы, горные комбайны, подземные горные выработки, телекоммуникация, связь, электротехнический комплекс.

Журнал "Горная Промышленность"№3 (127) 2016, стр.84