Перспективны обеспечения функциональной безопасности на шахтах в угольной промышленности России

УДК 622 8

Э.С. Лапин, А.Ю.Шишкин

ПЕРСПЕКТИВЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ НА ШАХТАХ В УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ РОССИИ

Технологический процесс (ТП) на шахте угольной промышленности - это сложная многозадачная структура, требующая четкой слаженной работы большого коллектива ИТР и рабочих, обеспечивающих этот процесс. Если учесть, что угольная шахта имеет повышенную опасность производства, то значение управления технологическим процессом многократно возрастает.

Составными частями ТП любого предприятия являются:

- собственно технология (последовательность приемов или способов,

определение рабочих систем, применение определенного оборудования и т.д. для получения продукта);

- технологическая безопасность;

- функциональная безопасность;

- обратная связь при управлении процессом

Следует пояснить, что авторы подразумевают под технологической и функциональной безопасностью. Технологическая безопасность (ТБ) - нормальное функционирование производственного процесса при изменениях различных внешних и внутренних параметров среды, т.е. определенной технологии и техники с характеристиками, соответствующими требованиям ПБ и других нормативных документов.

Функциональная (эксплуатационная) безопасность (ФБ) в понимании авторов - это обеспечение безопасности производственного процесса посредством действий людей, участвующих в технологическом процессе. Причем ФБ следует разделить на три аспекта: первый -это управление технологическим процессом с целью обеспечения безопасности, второй - это контроль параметров среды для обеспечения безопасного технологического процесса, и третий -это создание комфортных услсвий для людей, участвующих в технологическом процессе. При этом комфортные условия должны подразумевать и нормальное психологическое состояние людей, участвующих в ТП, а именно: отсутствие таких психических состояний человек, как чувства тревоги, страха, неуверенности и т.п.

Функциональная безопасность на угольных шахтах во многом обеспечивается контролем и управлением состояния рудничной атмосферы в различных режимах работы (нормальный и аварийный), а исходя из анализа крупных аварий, произошедших в последнее время на шахтах России, очень важное место в этой системе занимает именно аварийный режим.

В настоящее время для целей функциональной безопасности на угольных шахтах России используется различная аппаратура контроля и управления:

- аппаратура автоматической газовой защиты «Метан»;

- аппаратура контроля и поступления воздуха в тупиковые выработки АПТВ. которая позволяет контролировать и управлять работой вентиляторов местного проветривания, управлять работой групповых аппаратов тупиковых выработок в зависимости от состояния их проветривания-;

- аппаратура «Ветер», которая предназначена для работы в системе централизованного диспетчерского управления вентиляторами местного проветривания, рассредоточенными группами (до 10) на нескольких пунктах: автоматического контроля состояния рудничной атмосферы в тупиковых забоях; контроля состояния вентиляционных сооружений в сети горных выработок шахт.

Эксплуатируются также различные системы для автоматизации управления работой главных вентиляторных установок и т.п.

Пульты управления различных систем располагаются в помещениях диспетчерской и операторов АГК Горные диспетчеры шахт следят и управляют технологическими процессами.

М

шраллельно операторы АГК контролируют и частично управляют состоянием рудничной ¿гчосфсры.

Следует отметить, что каждая из перечисленных систем, как правило, работает гтоятельно и мало зависит от других систем. Системами управляют оператор АГК и горный спетчер, и от их совместных действий зависит состояние технологичхкой и функциональной ^опасности на предприятии. При этом обратная связь в управлении ТП на предприятии во шюгом зависит от профессионализма этих люлей.

К сожалению, эксплуатируемая сегодня аппаратура не позволяет получать информацию о параметрах рудничной атмосферы в аварийных режимах, а также хранить информацию о параметрах рудничной атмосферы и о технологических процессах управления этими параметрами з гиде, удобном для ее дальнейшего использования. На современном этапе развития науки и техники эта аппаратура морально устарела

Необходимо отметить, что в мировой практике использования автоматизированных систем «ентроля и управления основными технологическими процессами (АСУТП) накоплен достаточный опыт применения таких систем на горнорудных предприятиях. Первый опыт в этой области имеет и угольная промышленность России. Комплексы оборудования фирмы Трансмиттон» (Великобритания) с середины 90-х годов эксплуатируются на нескольких шахтах Кузнецкого угольного бассейна. Опыт эксплуатации системы фирмы «Трансмиттон» на ОАО Шахта «Комсомолец» (г.Ленинск-Кузнецкий) освещен на страницах журнала «Уголь» в ноябре 1997 г

Результатом совместной работы инжиниринговой фирмы «Ингортех» при Уральской государственной горно-геологической академии, специалистов ОАО «Челябинскуголь» и «Уголь-Фоуд» России стало появление многофункционального информационно-управляющего комплекса аппаратуры «Микон 1Р». В сентябре 1998 года на шахте «Центральная» ОАО «Челябинскуголь» комплекс «Микон 1Р» запущен в опытно-промышленную эксплуатацию.

Обе эти системы структурно похожи друг на друга, являются многофункциональными, интегрированными, решающими одновременно комплекс задач по обеспечению эксплуатационной и технологической безопасности угольных шахт. Более подробно мировую практику- применения такого рода систем следует рассмотреть в отдельной работе.

Комплекс «Микон 1Р» является основой для построения различных информационно-управляющих систем угольных шахт, а также предприятий как горной, так и других отраслей промышленности. На его основе могут быть построены системы контроля и управления пылегазовым режимом и средствами противопожарной защиты; системы управления безопасностью ведения работ; системы контроля, идентификации и прогноза различных геодинамических явлений; системы контроля и управления технологическим оборудованием и т.п Комплекс предназначен для непрерывного измерения параметров состояния горнотехнологических объектов (ГТО) и передачи информации на пульт диспетчера, а также се обработки, отображения и хранения К ГТО относятся очистные и подготовительные забои, транспортные линии и другие объекты в шахте и на поверхности.

Область применения Комплекса включает в себя подземные герные выработки, в том числе опасные по газу, пыли, внезапным выбросам в соответствии с Правилами безопасности в угольных шахтах (РД 05-94-95, М, 1995 г.).

Комплекс представляет из себя свободно конфигурируемую и свободно программируемую систему.

Основные функции Комплекса при его использовании на шахте «Центральная» сегодня следующие:

- мониторинг и идентификация параметров рудничной атмосферы;

- мониторинг, идентификация состояния и управление технологическим оборудованием и технологическими процессами:

- мониторинг, идентификация состояния и управление системами участкового электроснабжения, гидроснабжения.

В перспективе предлагается развитие следующих функций Комплекса:

- мониторинг, идентификация состояния и управление стационарным оборудованием

шахты;

- .мониторинг, идентификация состояния и управление системами электроснабжения и гидроснабжения шахты в целом;

- мониторинг и идентификация состояния угольного пласта;

- мониторинг горного давления и смещения горных пород;

- наблюдение проявлений гсодинамичсской активности.

Исходя из функциональных возможностей Комплекса, достаточно реально просматривается его использование в проекте «Безопасная шахта» как составного технического элемента

В основу построения Комплекса положены следующие системо-техннческне принципы:

- соответствие государственным стандартам и требованиям по безопасности;

- высокая надежность технических и программных средств;

- тотальное использование методов цифровой обработки и передачи информации;

- многоу ров новость и распределенность;

- работа в реальном времени;

- совместимость снизу с существующими техническими средствами;

- совместимость сверху с существующими и перспективными информационными системами (включая глобальные информационные сети);

- использование стандартных аппаратных и программных средств, интерфейсов и протоколов связи);

- использование программных средств, гарантирующих переносимость и быструю адаптацию;

- простота и непрерывность аппаратного, алгоритмического и программного расширения и модернизации;

- возможность оперативного интерактивного создания или изменения основных характеристик информационно-управляющих систем Комплекса службой эксплуатации;

- использование стандартного графического пользовательского интерфейса.

Основными особенностями Комплекса являются:

- аппаратная и информационная открытость и совместимость;

- простота и непрерывность аппаратного, алгоритмического и программного расширения и модернизация;

- возможность создания в горных выработках автономных информационно-управляющих

систем;

- максимально широкое использование компьютерной техники при обработке информации, в том числе средств электронного документирования и архивирования с возможностью получения «твердых» (бумажных) копий.

Структура технического обеспечения (рисунок) обусловлена спецификой решаемых задач и используемых методов многоуровневого и распределенного получения и обработки информации.

Типовая структу ра технических средств ГТО предусматривает использование для каждого объекта контроля (очистного забоя, подготовительного забоя, конвейерного штрека и т.п.) одного или нескольких подземных вычислительных устройств, расположенных на территории ГТО Также одно подземное вычислительное устройство может использоваться для контроля нескольких объектов.

Подземные вычислительные устройства (ПВУ) обеспечивают сбор и первичную обработку информации, выработку управляющих сигналов, обмен данными с наземными вычислительными устройствами. ПВУ могут функционировать автономно, осуществляя местный контроль, сигнализацию, отображение информации, защиту и управление энергосистемами, и одновременно являются составной частью информационно-управляющих систем на основе Комплекса.

Источники питания (ИП) способны создавать искробезопасные цепи при автоматическом переключении на аккумуляторное питание при исчезновении напряжения в системе электроснабжения. Питание от аккумуляторов позволяет не менее 15 часов получать оперативную информацию о состоянии параметров рудничной атмосферы на аварийном или смежных с аварийным участках шахты, что даст возможность принимать более четкие решения при ликвидации аварии.

Структу ра технического обеспечения:

ЭВМ - персональный компьютер; Г1У - печатающее устройство, ББП - блок бесперебойного питания. НУ11ПИ -наземное устройство приема и передачи информации; ПВУ - подземное вычислительное устройство, ИГ1 -истсчиик питания; СЬЦСО, С?В) - анапоговые датчики; БПР - блок промежуточного реле; КУ - контролируемое

устройство

Диапазон питающего напряжения аналоговых датчиков (6-15 В) позволяет удалять их от блока питания на расстояние до 3 км.

Сечение провода, обычно используемого для питания датчиков, составляет 0.5 ... 1.5 мм и зависит от тока потребления и расстояния от источника питания до датчика.

В Комплексе применены датчики фирмы «ТЯОЬЕХ» (кислород, водород, угарный газ. скорость воздушного потока) и датчики метана совместного производства фирмы «М1СОЫ» и НПЦ АТБ. Датчики отличаются высокой надежностью, малым весом, небольшими размерами и малым током потребления. Датчики имеют линейную зависимость выходного сигнала от измеряемого параметра, погрешность измерения от 0.5 до 3.0 % от диапазона, срок службы чувствительного элемента от 1 до 2 лет, имеют стандартные выходные сигналы от 0.4 до 2.0 В или по току от 4 до 20 мА.

Обмен информации между наземной и подземной частями Комплекса, а также внутри подземной части осуществляется по стандартным телефонным кабелям различной емкости, которые широко используются на шахтах России. Применение такого кабеля позволяет значительно снизить затраты на внедрение комплекса «Микон 1Р» в сравнении с другими аналогичными системами, такими, как ранее отмеченная система «Трансмитгон».

Связь между ПВУ и НУГ1ПИ осуществляется с помощью модемных плат, входящих в их состав. Применяемый метод передачи (частотная модуляция с переключением частот в моменты перехода сигнала через ноль) данных позволяет осуществлять дуплексный обмен информации между наземными и подземными вычислительными устройствами на расстоянии до 20 км по четырехпроводной линии связи.

В Комплексе реализован SAP протокол передачи данных (BS6556 части 2 и 3).

В состав Комплекса входит наземное устройство приема и передачи информации, служащее для преобразования частотно-модулированного сигнала, используемого для передачи данных и команд между модемными платами ПВУ и НУППИ, в цифровой код.

Программное обеспечение Комплекса по своей структуре и назначению относится к классу программных средств SCADA.

Состав программных средств Комплекса типичен для SCADA-подобных систем. В него входят:

- система у правления базой данных;

- диалоговый редактор базы данных;

- диалоговые графические редакторы статических, динамических изображений и специальных символов;

- диалоговые генераторы отчетов, позволяющие формировать отчеты по текущим и архивным данным;

- средства отображения текущих событий (событий реального времени);

- средства сбора и отображения архивных данных;

- средства поддержки сетевой работы многих рабочих станций и операторов в пределах локальных и глобальных сетей;

- человеко-машинный интерфейс;

- средства разграничения прав доступа и защиты информации и средств управления;

- средства горячего резервирования и автоматического обеспечения надежности, устойчивости и непрерывности вычислительного процесса.

Перечисленные средства составляют ядро информационной структуры Комплекса.

Особенностью программного обеспечения (ПО) Комплекса является возможность свободного перепрограммирования системы в зависимости от изменения условий или мест использования составных частей Комплекса, либо при наращивании и разветвлении сети ПВУ.

В состав прикладного ПО входят специализированные программные средства, используемые на этапе разработки технического задания, технического проекта и рабочей документации

Структура используемого программного обеспечения позволяет путем создания соответствующих программ связи с конкретным техническим устройством легко включить его в техническую и информационную структуру Комплекса.

Таким образом, если учесть перечисленные функциональные возможности и особенности Комплекса, а также отечественное программное обеспечение на новой операционной платформе, то видно, что становится возможным решение задач как автоматизации систем управления безопасностью, так и в целом технологическими процессами горного предприятия.

С применением Комплекса можно реализовать некоторые требования ПБ, которые сегодня не реализованы из-за отсутствия технических средств. Кроме того, появляется возможность контролировать горное производство в различных аспектах: горно-геологических, технических, технологических и др. в реальном времени, с учетом условий среды, и, имея определенный объем информации, анализировать состояние производства При реализации второго уровня управления потенциально возникают обратные связи, в перспективе способные привести к авторегуляции системы.