Анализ и выбор платформы физического и канального уровней информационно-измерительной системы обеспечения безопасности участка угольной шахты на основе сенсоров нового поколения

И.Е. Соловьева

АНАЛИЗ И ВЫБОР ПЛАТФОРМЫ ФИЗИЧЕСКОГО И КАНАЛЬНОГО УРОВНЕЙ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ УЧАСТКА УГОЛЬНОЙ ШАХТЫ НА ОСНОВЕ СЕНСОРОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

~П настоящее время в России возобновились активные

-Я-М разработки полезных ископаемых, в том числе угля. В связи с увеличением числа опасных ситуаций в угольных шахтах становится актуальным вопрос обеспечения уровня безопасности, соответствующего современным требованиям.

Одной из основных проблем в области безопасности ведения горных работ является несовершенность систем воздухоснабжения. Угольные шахты России испытывают трудности с надлежащим воздухоснабжением, что, как правило, объясняется большой протяженностью выработок и их малым поперечным сечением. Ситуация усугубляется (что подтверждается ростом числа взрывов и опасных ситуаций в угольных шахтах) несовершенством или отсутствием в шахтах информационно-измерительных систем обеспечения безопасности.

Установка в шахтах современного оборудования, позволяющего обеспечить автоматический контроль параметров безопасности, является высокоприоритетной задачей для угольной промышленности. Внедрение таких систем помогает снизить число аварий в угледобывающей промышленности.

При этом цель заключается в том, чтобы сделать использование такого оборудования обычной практикой работы угледобывающих предприятий. Наличие подобных систем в шахтах сегодня представляет собой стандартную международную практику и позволяет определять наличие опасных концентраций газа, признаков пожаров на ранних стадиях, проблем с изоляцией электрических сетей и др.

Подобные системы уже существуют в российских шахтах, но в большинстве случаев не отвечают современным требованиям.

В связи с этим возникает необходимость разработки новой системы контроля аэрогазовой среды шахты. Кафедра ЭИС МГГУ во главе с профессором С.З. Шкундиным разрабатывает такую систему с использованием современных информационных технологий, применением цифровой обработки сигналов и других передовых методов для улучшения характеристик создаваемой системы. Данный проект должен создаваться с учетом достоинств и недостатков предшествующих разработок.

В результате предполагается выявить новизну разрабатываемой информационно-измерительной системы, провести анализ существующих общешахтных систем обеспечения безопасности, определить платформу физического и канального уровня для передачи данных в информационно-измерительной системе обеспечения безопасности участка угольной шахты на основе сенсоров нового поколения, выбрать метод для определения оптимальной транспортной системы.

Основными предпосылками для этого являются использование сенсоров нового поколения, а также разработка уникальных алгоритмов мониторинга и управления в информационноизмерительной системе.

Целью настоящей научной работы является анализ существующих на сегодняшний день систем общешахтного мониторинга и выбор наиболее оптимальной платформы в качестве основы для создания информационно-измерительной системы обеспечения безопасности участка шахты.

Структура разрабатываемой системы

В разрабатываемой системе можно выделить три уровня:

- Верхний уровень - операторские станции, коммуникационное оборудование, серверы, локальные вычислительные сети и программное обеспечение.

- Средний уровень - контроллерное и сетевое оборудование для поверхностных и подземных объектов.

- Нижний уровень - датчики и исполнительные механизмы для поверхностных и подземных объектов.

Структура уровней разрабатываемой системы представлена на рис. 1.

Для выбора оптимальной платформы физического и канального уровней рассмотрим существующие на сегодняшний день системы общешахтного мониторинга.

Промежуточный уровень системы

Нижний уровень

Рис. 1. Структура уровней разрабатываемой системы

Обзор существующих решений

В Российской Федерации в настоящее время внедрены и используются следующие системы мониторинга состояния шахтной среды:

- автоматизированная система мониторинга и управления шахтными технологическими процессами на базе контроллера Granch SBTC2, установленная в Кузбассе на шахте «Распадская» г. Междуреченск;

- «Микон» («Ингортех», Россия), установленная на многих шахтах Кузбасса и Воркутинского угольного бассейна, являющаяся близким аналогом по структуре к системам «Davis Derby»;

- автоматизированный комплекс контроля рудничной атмосферы АКМР-М производства Смоленского ПО «Аналитприбор», установленный на шахтах «Егозовская», г. Ленинск-Кузнецкий, «Осинниковская» ОУК «Южкузбассуголь»;

- «Мопагс» («Transmitton», Великобритания) -установленная в Кузбассе в начале - середине 90-х годов 20 столетия на шахтах «Распадская», г. Междуреченск, «им. СМ. Кирова» и «Комсомолец», г. Ленинск-Кузнецкий, «Чертинская», г. Белов;

- «Davis Derby» (Великобритания) - модернизация систем «Мопагс» в 2000 - 2002 г;

- «Siemens» (Германия) - фрагменты системы

(функционирует только контроль энергопотребления) установлены на шахте «Воргашорская», г. Воркута;

- кроме того, из сертифицированных в России и рекомендованных к внедрению систем можно считать интегрированную систему контроля параметров безопасности угольных шахт STAR-SMP-NT, разработанную по общеевропейской программе EUREKA EI2822.

Основные технические характеристики перечисленных выше систем приведены в табл. 1.

Из вышеприведенных следующие системы имеют наиболее высокие показатели по надежности, функциональности, скорости и т.д. Рассмотрим их подробнее:

1. «Davis Derby» (Великобритания);

2. «Микон» («Ингортех», Россия);

3. Автоматизированная система мониторинга и управления шахтными технологическими процессами на базе контроллера Granch SBTC2;

4. Автоматизированный комплекс контроля рудничной атмосферы АКМР-М производства ПО «Аналитприбор».

Выбор оптимальной аппаратной платформы

системы

Предварительный анализ позволил выделить наиболее важные технико-экономические параметры, которые необходимо прежде

всего рассматривать при выборе оптимальной платформы для вновь создаваемой системы. Это следующие параметры:

314

Таблица 1

Сравнительная таблица технических параметров систем мониторинга газовой среды

Наименование системы Микон IP

Стоимость предложения, тыс. руб. 7 000,8 19 772,9 3 986, 737 10 880,39 44 073,4 15 883,3 27 175,5

Количество обслуживаемых подземных устройств одним комплектом поверхностного оборудования До 90 32000 2x14 Не ограничено (4 000 000 000) 1024 8 (в одном кластере) 127

Операционная среда системы QNX SCADA for WINDO WS WINDO WS 2000 SCADA for WINDOWS, HTML SCAD A for WIND OWS MineSCAD A for Windows NT SCAD A for WIND OWS

Командо-контрол лер, наименование ПВУ VAL101P TROLEX TX2101 кед GRANCH SBTC-2 RTU-3 CPU 8051 MinewatchP C-21 Baldwin& Francis BMAC

Способ автоматизации технологических Программный , подземный Програм мный, с поверхно сти Програ ммный, подзем Программный, с поверхности Программ ный, с поверх Программный, подземный Програм мный, подзем

процессов ный ности ный

Линия передачи данных, команд и связи с поверхностью Четырехпровод ная линия связи Витая пара. Телефон ного кабеля, оптоволокно 2 пары телефон ного провода Витая пара телефонного кабеля (оптоволокно ) Излуча ющий кабель с усилит елями и разветв ителями Четырехжиль ный кабель Витая пара

Наличие резерва линии связи нет есть есть есть нет нет нет

Линия связи между подземными контроллерами Четырехпровод ная линия связи Витая пара телефонного кабеля 2 пары телефо иного провода Витая пара телефонного кабеля Излуча ющий кабель Четырехжиль ный кабель Витая пара

Линия связи между контроллером и датчиком Витая пара телефонного кабеля Витая пара телефонного кабеля Витая пара телефон ного кабеля Витая пара телефонного кабеля Витая пара телефон того кабеля Витая пара

Максимальное расстояние от поверхности до контроллера, км 20 2 10 8.6 100 с усилит елями через 350 м 10 10

Максимальное расстояние между контроллерами, км 20 2 10 8.6 100 с усилит елями через 350 м 0.5 10

Скорость передачи данных, кБ/с 0.6 115 1.2 2000 9.6 150 19.2

Наличие резервного 36 с блоком БАВР нет есть есть есть нет есть

315 ¡16

Таблица 2

Параметрический анализ ИИС обеспечения безопасности угольных шахт

Наименование системы Микон IP

Стоимость предложения, тыс. руб. 7 000,8 3 986, 737 10 880,39 15 883,3

Количество обслуживаемых подземных устройств комплектом поверхностного оборудования До 90 2x14 Не ограничено

Операционная среда системы QNX WINDOWS 2000 SCADA for WINDOWS, HTML MineSCADA for Windows NT

Командо-контроллер, наименование ПВУ VAL101P кед GRANCH SBTC-2 MinewatchPC-21

Способ автоматизации технологических процессов Программный, подземный Программный, подземный Программный, с поверхности Программный, подземный

Линия передачи данных, команд и связи с поверхностью Четырехпроводная линия связи Витая пара. телефонного кабеля, оптоволокно Витая пара телефонного кабеля (оптоволокно) Четырехжильный кабель

Скорость передачи данных, кБ/с 0,6 1,2 2000 150

Наличие резерва линии связи нет есть есть нет

Максимальное расстояние 20 2 8.6 10

317

от поверхности до контроллера, км

Максимальное расстояние между контроллерами, км 20 2 8.6 0.5

Наличие резервного питания 36 с блоком БАВР нет есть нет

Параметры (оценка в баллах 0..5) Гранч Микон-1р Примечание

Простота установки и настройки системы 4 3 Гранч в меньшей степени нуждается в отладке.

Количество обслуживаемых подземных устройств комплектом поверхностного оборудования 5 2 Гранч может обслуживать на порядок больше устройств

Стоимость предложения 4 5 Незначительная разница в цене

Использование промышленных баз данных (МБ SQL или Oracle) 5 4 Кроме SQL сервера, в Микон, используется специализированная база реального времени

Открытость (возможность добавления нового функционала, перепрограммирование) 5 1 За счет модульной структуры и программирования с поверхности Гранч вне конкуренции. Микон нужно перепрограммировать через специальный прогромматор на поверхности, после этого тащить в шахту.

Простота администрирования 4 3 Гранч имеет больше настроек

318

и на порядок сложнее Микона. У Микона нестандартное администрирование.

Возможность централизованного администрирования и управления изменениями. 5 2 Для администрирования Микона нужно спускаться в шахту.

Разграничение прав доступа и защита информации 5 5 Защита реализована на уровне операционной системы Linux или Qnx. Есть шифрование.

Масштабируемость 5 3 Гранч - радио 10 км.

Производительность 5 1 Гранч - опрос 56 каналов за 1 милисекунду, Микон -опрос 14 каналов за 1 мин.

Требования к рабочим станциям 3 3 Одинаковое для Гранч и Микон

Требования к производительности компьютерной и технологической сети 5 1 У Гранча - 2000000 Бит/с, у Микона - 600 Бит/с. Скорость компьютерных сетей одинаковая - 100 мбит/с

Итого (сумма оценок, деленная на число параметров) 4,58 2,74

1. Стоимость системы.

2. Количество обслуживаемых подземных устройств одним комплектом подземного оборудования.

3. Операционная среда системы.

4. Скорость передачи данных.

Для выбора наиболее оптимальной системы были использованы методы параметрической оптимизации - рассчитан показатель на основе весовых коэффициентов для каждой из приведенных в табл. 1 систем:

где i = номер параметра, k = весовой коэффициент, Р =значение параметра (табл. 1).

Весовые коэффициенты определяются на основании слияния конкретных параметров на технико-экономические параметры разрабатываемой системы. Определяющими критериями являются адекватность, точность, надежность, а также стоимость системы. В результате проведенных расчетов можно заключить, что в наибольшей степени для решения поставленных задач подходит система Granch SBTC2.

Автоматизированная система мониторинга

и управления шахтными технологическими

процессами на базе контроллера Granch SBTC2

Данная система разработана НПФ «Гранч».

Система передачи информации по двум витым парам телефонного кабеля по протоколу TCP/IP на расстояние до 8,5 км - «точка-точка». Максимальная скорость передачи информации до 2 мбит/с. И как говорилось выше (см. п. 2.1), данная скорость обеспечивается на расстояниях до 1 км и падает до 62 кбит/с на максимальном расстоянии.

Возможности контроллера довольно большие. В базовой комплектации он имеет:

- модуль ввода аналоговых сигналов с числом каналов, равным 8. Он позволяет осуществить измерение постоянного и переменного тока и напряжения в различных диапазонах, а также сопротивления;

- модуль ввода логических сигналов с числом каналов, равным 8. Он позволяет воспринимать как сигналы от датчиков типа «сухой» контакт, так и с датчиков с выходом «открытый коллектор» и сигнальные напряжения переменного тока;

- модуль управляющих сигналов с числом каналов, равным 8. Максимальные параметры коммутируемых цепей 400 В и 100 мА.

Заключение

В результате проделанной работы были сделаны следующие выводы:

1. Наиболее оптимальной платформой для информационно-измерительной системы обеспечения безопасности участка угольной шахты на основе сенсоров нового поколения является Автоматизированная система мониторинга и управления шахтными технологическими процессами на базе контроллера Granch SBTC2.

2. Для выбора платформы физического и канального уровня создаваемой системы использовались методы параметрической оптимизации, которые позволили решить задачу с достаточной точностью достоверности.

3. Результаты настоящей работы можно использовать в общей работе по созданию информационно-измерительной системы, обеспечения безопасности участка угольной шахты на основе сенсоров нового поколения.

1. Шкундин С.З. Физико-техническое обоснование акустического контроля скоростей газовоздушных потоков в системах обеспечения безопасности шахт. Диссертация на соискание степени доктора технических наук. - М.: МГГУ,

2. Стучилин В.В. Разработка алгоритмов САПР приборов шахтной акустической анемометрии. Диссертация на соискание степени кандидата технических наук. - М.: МГГУ, 2001.

3. Шкундин С.З. и др. Шахтные измерители скорости потока воздуха. - М.: МГГУ, 1998.

4. Гук М. Аппаратные средства локальных сетей. - СПб: Питер, 2002.

5. Нанс. Б. Компьютерные сети. - М.: Бином, 2003. ДШЭ

i = 1

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1990.

Коротко об авторе

Соловьева И.Е. - студентка гр. ИС-06.

Научный руководитель: Стучилин В.В., к.т.н. доц. Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru