Автоматизированная система наблюдения, оповещения и поиска персонала при авариях в шахтах

А.И. Благодарный, с.н.с.; О.З. Гусев, м.н.с.; С.С. Журавлёв, м.н.с.; А.С. Зензин, к.т.н., директор; Е.П. Золотухин, к.т.н., зам. директора по научной работе; Л.С. Каратышева, н.с.; В.В. Колодей, с.н.с.; Э.Г. Михальцов, к.т.н., зав. лаб.; Г.П. Чейдо, к.т.н., зав. лаб.; Р.А. Шакиров, зав. сектором; С.Р. Шакиров, с.н.с., канд. физ.-мат. наук

Общеизвестно, что профессия шахтёра является одной из самых опасных. Достаточно вспомнить такие трагедии, как взрыв метана на шахте «Ульяновская» в Кузбассе, унёсший жизни 110 горняков, и аварию на шахте «Юбилейная», где по той же причине погибло 39 человек. Поэтому обеспечению безопасности и условиям труда горняков всегда должно уделяться особое внимание. Одним из обязательных мероприятий по технике безопасности на угольных шахтах является внедрение системы наблюдения и оповещения людей об авариях.

В настоящей статье представлен аппаратно)программный комплекс, предназначенный для мониторинга местоположения персонала, оповещения и поиска людей, застигнутых аварией.

В последние годы на угольных шахтах России сложилась тяжёлая ситуация в области охраны труда и техники безопасности. При этом, к сожалению, произошло увеличение смертельного травматизма, показатель которого за период с 2001 по 2007 год увеличился на 40% [1]. В числе основных причин гибели людей на предприятиях подземной угледобычи является их несвоевременное оповещение о произошедшей аварии, а также отсутствие у горноспасателей информации о фактическом местоположении горняков в её момент.

Правила безопасности предусматривают, что каждая шахта должна быть оборудована системами наблюдения и оповещения людей об авариях независимо от места их нахождения, а также средствами поиска застигнутых аварией людей [2]. Ранее для оповещения персонала шахты об аварии использовали кратковременное отключение электроэнергии, проводную и высокочастотную радиосвязь, и даже ароматическую сигнализацию по вентилируемым каналам. Но при всех своих плюсах и минусах ни один из этих методов не способен дать информации о местоположении застигнутых аварией горнорабочих.

В связи с этим в Конструкторско-технологическом институте вычислительной техники СО РАН (КТИ ВТ СО РАН) были проведены работы по созданию системы наблюдения и оповещения персонала (СНиОП), построенной на принципах современных информационных технологий и способной решать следующие задачи:

  • определение местоположения персонала;
  • оповещение персонала в аварийных ситуациях на опасных по газу (метану) и угольной пыли производствах;
  •  хранение информации и последующее использование ее при разработке комплексных общешахтных мероприятий по технике безопасности.

Кроме того, СНиОП должна отвечать таким требованиям, как высокая надежность при работе в шахтах, опасных по метану и угольной пыли; гибкость при настройке и конфигурировании; открытость для развития и подключения других систем и оборудования; обеспечение высокой эффективности работы диспетчеров и простоты в обслуживании.

В результате в КТИ ВТ СО РАН была разработана система, обладающая следующими функциональными возможностями:

  • автоматическая регистрация входа персонала в шахту и снятие регистрации при выходе из шахты и с возможностью взаимодействия с системой автоматизации табельного учёта персонала;
  • непрерывный контроль местоположения персонала; - оперативное формирование информации о маршруте следования персонала;
  • оперативная выработка и исполнение управляющих решений, направленных на обеспечение спасения персонала, застигнутого аварией;
  • удобное эргономичное отображение в диспетчерских пунктах информации о текущей дислокации персонала;
  • подача световой и звуковой сигнализации в аварийных и предаварийных ситуациях персоналу шахты, застигнутому аварией (групповое и персональное оповещение);
  • своевременное формирование и предоставление персоналу горных спасателей документов по дислокации персонала шахты, застигнутого аварией;
  • оснащение команды горных спасателей мобильными средствами поиска людей, застигнутых аварией в условиях задымлённости и, возможно, заваленных породой, с сохранением времени обнаружения и возможностью последующего копирования информации в базу данных.

Рис. 1 Структурная схема СНиОП

Рис. 1 Структурная схема СНиОП

Система построена по двухуровневому иерархическому принципу с разделением как по функциям, так и по местоположению на верхний (наземный) и нижний (подземный) уровни. Подсистема верхнего уровня обеспечивает диспетчерский контроль и ведение баз данных. Подсистема нижнего уровня осуществляет сбор и передачу на верхний уровень данных о местоположении персонала шахты и транслирование сигналов оповещения об аварии.

Состав оборудования нижнего уровня

Основой подсистемы нижнего уровня являются стационарные радиоконтроллеры, устанавливаемые в узловых точках шахты (на развилках и в штреках), и радиочастотные модули радиомаяков (радиометок), встроенные в головные светильники шахтёров.

Радиоконтроллер (РК) состоит из блока приёмо-передатчика и приёмо-передающей антенны и предназначен для построения систем передачи данных по радиоканалу. Ядром блока приёмо-передатчика является 8-битный AVR микроконтроллер AТmega128 фирмы ATMEL, программным обеспечением которого определяется алгоритм работы РК. Внешним радиочастотным устройством для микроконтроллера является однокристальный трансивер AT86RF211, обеспечивающий скорость передачи данных по радиоканалу до 64 кбит/с.

Применяемые антенны зигзагообразного типа позволяют реализовать хорошие характеристики при небольших габаритах, достаточно просты в изготовлении и настройке, обладают хорошей повторяемостью параметров при их производстве. РК имеет два порта последовательного интерфейса RS-485 со скоростью передачи данных до 57600 кбит/с для связи с АРМ диспетчера.

В отличие от стандартной реализации сети многоточечной конфигурации, когда все устройства подключаются к одной витой паре, в нашем случае каждый модуль выполняет функцию ретранслятора сигнала, что позволяет повысить скорость обмена данными, а также снять ограничения на количество подключаемых модулей и длину сети. Последнее обстоятельство особенно важно ввиду большой протяжённости и разветвленности подземных выработок, длина которых зачастую может достигать нескольких километров. Стандарт же RS-485, как известно, накладывает ограничение на максимальную длину линии связи в пределах одного сегмента сети в 1200 м.

Каждому устройству присвоен постоянный адрес обращения, обмен данными происходит по протоколу ModBus RTU.

Радиометка (РМ) собрана на основе 8-битного AVR микроконтроллера ATmega48 и однокристального трансивера AT86RF211 фирмы ATMEL и встраивается в сигнализатор метана СМС-7 (светильник головной взрывобезопасный) производства ПО «Электроточприбор» (Омск). Напряжение питания поступает от аккумуляторной батареи светильника через электронное предохранительное устройство головного светильника, чем обеспечивается искробезопасность модуля РМ. РМ выдает звуковой и световой сигналы аварийного оповещения, либо адресного вызова.

Сигналы с модуля РМ имеют приоритет перед внутренними сигналами сигнализатора (обрыв датчика, превышение установленного порога уровня содержания метана). Каждая РМ имеет свой уникальный идентификационной номер, который записан в память микроконтроллера. И поскольку головные светильники являются индивидуальным оборудованием, все номера, за исключением резервных, имеют однозначное соответствие с фамилиями и должностями работников шахты.

Приёмо-передатчики РК и РМ используют радиоканал с центральной частотой 868 МГц и частотной модуляцией несущей (девиация 50 кГц). Дальность действия радиочастотных каналов «метка-радиоконтроллер» равняется 350 м в режиме оповещения и 20 м в режиме наблюдения. РК устанавливаются в шахтах таким образом, чтобы в режиме оповещения зона радиопокрытия охватывала всё пространство горных выработок, в которых могут находиться люди.

В режиме наблюдения в зоне действия каждого РК образуется беспроводная информационная «микросеть», в которой все «абоненты» (РМ) общаются с «сервером» (РК) по одному радиоканалу в полудуплексном режиме. В таких случаях обычно используют технологии множественного доступа либо с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA-CD – Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection), либо с разделением по времени (TDMA – Time Division Multiple Access).

В первом случае, если во время передачи пакета информации РМ обнаруживает сигнал, передаваемый другой РМ, она останавливает передачу и ждет в течение случайного промежутка времени, перед тем как снова начать передачу данных (данная технология нашла широкое применение в сетях типа Ethernet). Во втором случае все РМ используют разные временные слоты (интервалы) для передачи данных, т.е. каждой РМ предоставляется полный доступ к интервалу частоты в течение короткого периода времени (такая технология используется в сетях мобильной телефонной связи).

На первый взгляд TDMA кажется более предпочтительной, т.к. гарантирует доставку пакетов данных от всех РМ, находящихся в зоне действия данного РК, за определённый промежуток времени, в то время как CSMA-CD при большом количестве абонентов гарантировать этого не может. Но на практике, в нашем случае, более эффективным оказалось всё же применение именно технологии CSMA-CD, т.к. несмотря на то, что общее количество РМ на предприятии может достигать нескольких тысяч, одновременно в зоне действия одного РК их количество не превышает двух десятков.

В режиме оповещения используется тот же радиоканал с центральной частотой 868 МГц с той лишь разницей, что все РК непрерывно с заданной периодичностью посылают в эфир сигнал о возникновении аварийной ситуации, а все РМ работают исключительно в качестве приёмников (симплексный режим).

В качестве мобильного средства поиска людей, застигнутых аварией и, в том числе, оказавшихся под завалами, используется переносная версия РК с узконаправленной антенной и жидкокристаллическим экраном. Проведённые испытания показали, что РМ уверенно обнаруживается в сыром угле на глубинах до 4 м.

Для объединения всего технологического оборудования в единую сеть передачи данных используется многопортовый сетевой коммутатор (МСК) [3]. Основной функцией МСК является преобразование пакетов данных из интерфейса RSK485 в Ethernet 10/100 и наоборот. МСК имеет 8 независимых интерфейсов RS-485 и три дублированных оптических канала связи Ethernet 10/100, которые удовлетворяют требованиям стандарта IEEE 802.3 Industrial Ethernet и обеспечивают связь по многомодовому волокну без активного усилителя на расстоянии до 2000 м со скоростью передачи данных до 100 Мбит/с. Использование для передачи данных оптоволоконного кабеля позволяет получить высокую помехозащищенность линии от электромагнитных помех. Кроме того, каждый канал имеет дублирующую (резервную) линию связи, проложенную другим путем. Целостность линий связи автоматически проверяет МСК. В случае обрыва линии по резервному каналу передается сообщение о неисправности сети, а работа сети продолжается в обычном режиме по резервной линии.

Электропитание стационарных устройств подсистемы нижнего уровня (РК и МСК) осуществляется от бесперебойных источников питания производства КТИ ВТ СО РАН [3], которые преобразуют напряжения 36 В и 127 В из двух имеющихся в шахтах сетей переменного тока в постоянное искробезопасное напряжение 14 В. Сети 36 В и 127 В дублируют друг друга – работа возможна при наличии напряжения в двух сетях одновременно или в одной из них.

Для обеспечения бесперебойного питания при пропадании напряжения в обеих сетях в состав блока входит необслуживаемый герметизированный свинцово-кислотный аккумулятор, автоматически подключающийся к выходу. Всё подземное оборудование способно нормально функционировать при изменении питающего напряжения на 15% от номинального значения, время автономной работы составляет 8 часов.

Всё стационарное оборудование нижнего уровня выполнено во взрывобезопасном и ударопрочном исполнении и полностью отвечает требованиям документов по безопасности, надзорной и разрешительной деятельности в угольной промышленности [2, 4]. Входные/выходные цепи каналов связи имеют вид взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь ia». Искробезопасность обеспечивается гальванической развязкой электрических цепей и цепей питания электронных схем, а также применением схем, обеспечивающих ограничение мощности возможной искры за счет ограничения тока короткого замыкания.

Вся система сертифицирована в Межотраслевом органе сертификации «Сертиум» (Москва) и имеет разрешение Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору на применение в рудниках и угольных шахтах, в том числе опасных по газу и пыли.

Состав оборудования верхнего уровня

Подсистема верхнего уровня аналогична применяемой в автоматизированной системе контроля и управления ленточными конвейерами (АСКУ ЛК), также разработанной в КТИ ВТ СО РАН [3], и состоит из нескольких автоматизированных рабочих мест (АРМ) диспетчера, объединенных в локальную вычислительную сеть (ЛВС) через сетевой разветвитель (Switch или Hub), который должен иметь оптические входы для подключения к МСК.

АРМ диспетчера представляет собой IBM PC совместимый компьютер, работающий под управлением сетевой многозадачной операционной системы реального времени (ОСРВ) QNX 4.25 и реализующий функции интерфейса оператора и сервера базы данных. OC QNX отличается наиболее высоким уровнем надежности [5], а также наименьшим среди всех ОСРВ временем переключения между задачами [6].

В качестве сетевого протокола ЛВС используется протокол Ethernet Qnet OC QNX. Обмен данными с устройствами нижнего уровня по оптоволоконной линии через МСК осуществляется на основе транспортного протокола UDP стека протоколов TCP/IP. На рис. 1 приведён пример структурной схемы СНиОП.

Программное обеспечение

В состав программного обеспечения (ПО) системы входят: ПО наземного вычислительного комплекса, а также ПО радиоконтроллеров и радиометок. ПО радиоконтроллеров и радиометок управляет работой микропроцессорных устройств и записывается в память микроконтроллеров этого оборудования на стадии изготовления.

Рис. 2 Главное окно программы интерфейса диспетчера

Рис. 2 Главное окно программы интерфейса диспетчера

Программное обеспечение верхнего уровня функционирует на рабочих станциях (АРМ диспетчеров) и, в свою очередь, в иерархическом плане подразделяется на два подуровня: уровень АРМ (программы интерфейса оператора, базы данных и декодирования данных) и уровень драйверов (драйверы и буферные программы).

Поскольку ПО СНиОП по своей структуре аналогично ПО АСКУ ЛК, подробное описание которого дано в работе [3], здесь ограничимся рассмотрением основных функций и возможностей программ интерфейса диспетчера и базы данных. Программа интерфейса оператора обеспечивает:

  • контролируемый вход персонала в систему;
  • ввод команд персоналом с помощью манипулятора и клавиатуры;
  • быструю оценку состояния технологического оборудования по панелям мнемосхем;
  • управление технологическими объектами с помощью динамических меню;
  • передачу управления следующей смене и выход персонала из системы.

Технологические объекты на мнемосхемах представлены в виде системы графических знаков. Сигналы состояния технологических объектов отображаются методом цветового кодирования соответствующих графических знаков и/или указанием текущего значения измеряемых величин.

На рис. 2 показано главное окно программы интерфейса диспетчера со схемой расположения выработок шахты и «пикетов» (мест расположения РК). «Пикеты» изображены графическими знаками кружков, при нажатии на который открывается отдельное окно со списком персонала, находящегося в текущий момент времени в зоне видимости данного РК.

При необходимости можно вывести и весь список персонала шахты с указанием текущего местоположения каждого работника (рис. 3).

Рис. 3 Окно программы интерфейса диспетчера с полным списком персонала шахты

Рис. 3 Окно программы интерфейса диспетчера с полным
списком персонала шахты

База данных представляет собой набор файлов, состоящих из записей событий в хронологическом порядке, т.е. упорядоченных по времени их поступления. Каждый файл содержит записи событий, произошедших за одни сутки, начиная с 0 часов.

Основными функциями базы данных являются:

  • обеспечение оперативного персонала и различных служб массивами данных;
  • контроль перемещения персонала в выработках;
  • анализ работы оборудования и ведение документации;
  • архивирование данных и просмотр информации из архива;
  • формирование технологических сообщений, ведомостей;
  • протоколирование действий персонала.

Описание работы СНиОП

Режим работы СНиОП – непрерывный, круглосуточный. Включение/выключение устройств нижнего уровня системы осуществляется включением/выключением питания. После подачи питания все устройства входят в рабочий режим автоматически.

Система имеет два режима работы: наблюдения и оповещения. В режиме наблюдения РК с некоторой периодичностью формируют сигналы опроса РМ. Уловив такой сигнал, РМ, находящаяся в зоне действия РК, формирует ответ в виде своего идентификационного номера, который затем сохраняется в оперативной памяти РК. Таким образом, опрашиваются все РМ, находящиеся в зоне досягаемости конкретного РК. Далее, по запросу с управляющего терминала диспетчера, РК отправляет свой идентификационный номер и идентификационные номера всех РМ, которые находились в его зоне действия с момента предыдущего запроса.

Управляющий терминал анализирует эти данные и делает однозначное заключение о местонахождении каждой находящейся в шахте РМ, эта информация с указанием времени события заносится в базу данных. Точность определения местоположения шахтёра зависит от расстояния между РК и в общем случае равна расстоянию между двумя соседними РК (от 250 м до 700 м). Периодичность опроса РК управляющим терминалом определяется максимальной скоростью прохождения шахтёрами зоны действия РК и обычно составляет 3–4 секунды.

В режим оповещения система переходит в случае аварийной ситуации. Критерием такого перехода может быть сигнал по сети передачи данных с терминала диспетчера системы, либо пропадание связи РК с поверхностью, которое интерпретируется РК как обрыв линии связи. В этом случае РК посылает аварийный сигнал, который улавливается РМ.

По этому сигналу РМ осуществляют оповещение об аварийной ситуации в шахте путём подачи через индивидуальный фонарь шахтёра звуковых и световых сигналов.

Сбор данных о контролируемых параметрах происходит непрерывно. Передача их в наземный вычислительный комплекс осуществляется циклически. В промежуток между циклами отправки информация накапливается в оперативной памяти РК.

В результате внедрения СНиОП на предприятии подземной угледобычи создаются условия для снижения травматизма и повышения эффективности спасения персонала шахты, застигнутого аварией, за счёт сокращения времени на получение исходных данных для формирования плана ликвидации аварии и его выполнения. Также появляется возможность для автоматизации системы табельного учёта персонала.

В настоящее время описываемая СНиОП успешно эксплуатируется в составе автоматизированной системы контроля и управления технологическими объектами (АСКУ ТО) производства КТИ ВТ СО РАН на шахте «Сибиргинская» (ОАО «Южный Кузбасс»).


ЛИТЕРАТУРА:

  1. В.Г. Килимник, Г.Г. Якубсон, Н.В. Ефимова. Подземная добыча угля в России. Состояние и достигнутые показатели // Горная промышленность, 2008, №5, с. 2224.
  2. Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ 0561803), серия 05, выпуск 11, НТЦ промышленная безопасность, Москва, 2007.
  3. А.И. Благодарный, О.З. Гусев, С.С. Журавлёв, Е.П. Золотухин, Л.С. Каратышева, В.В. Колодей, Э.Г. Михальцов, Г.П. Чейдо, Р.А. Шакиров, С.Р. Шакиров, Автоматизированная система контроля и управления ленточными конвейерами на угольных шахтах // Горная промышленность, 2008, №6, с. 3844.
  4. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и рассыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом (ПБ 0355303), серия 03, выпуск 33, НТЦ промышленная безопасность, Москва, 2007.
  5. С. Золотарёв, А. Фрейдман. АСУ ТП на базе операционных систем QNX и Windows NT для нефтегазовых предприятий. // ITрешения в нефтегазовой отрасли, №2 (2007), С. 3843.
  6. А. Благодарный, А. Зензин., Э. Михальцов, А. Петков, Г. Чейдо. Программируемая информационноуправляющая система – инструмент создания АСУ ТП магистраль ных нефтепроводов // ITрешения в нефтегазовой отрасли, №2 (2007), С. 5157.

Журнал "Горная Промышленность" №1 2009, стр.34