Создание систем микросейсмического контроля горных выработок на основе промышленных сетей

© В.Х. Ханов, В.А. Мансуров, 2002

УДК 622:53.087

В.Х. Ханов, В.А. Мансуров

СОЗДАНИЕ СИСТЕМ МИКРОСЕЙСМИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК НА ОСНОВЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ СЕТЕЙ

В работе на примере подземных объектов, требующих длительной эксплуатации, рассматриваются вопросы создания систем микросейсмического контроля горных выработок на основе промышленных сетей.

Рассматривая системы микросейсмического контроля горных выработок с точки зрения взаимодействия образующих ее устройств, можно отметить, что они являются централизованными сетями сейсмоприемников. В случае простой локальной системы мониторинга несколько сейсмических сенсоров образуют нижний уровень иерархии сети, верхний уровень иерархии образует центральная станция обработки данных. В сложных системах, состоящих из нескольких десятков сенсоров, можно выделить промежуточные узлы накопления данных и элементы (узлы и протоколы) межсетевого взаимодействия отдельных локальных подсистем.

До настоящего времени системы микросейсмического контроля создавались на основе частных коммуникационных решений разработчиков микросейсмической аппаратуры. В каждом отдельном случае использовалась собственная система передачи данных, включающая самостоятельно разработанные технические интерфейсы и протоколы взаимодействия узлов сети. Параметры сети мониторинга ограничивались технической идеологией разработчика, что не позволяло гибко конфигурировать систему исходя из потребностей микросейсмического контроля. Расширение или модернизация системы становились возможными на основе ранее заложенной идеологии, которая в силу своего ограниченного использования препятствовала включению в систему иных подсистем с другой сетевой идеологией. Изолированные несовместимые сетевые решения препятствовали развитию больших систем мик-росейсмического контроля, так как приводили к излишним экономическим затратам при ее создании и последующем обслуживании. Поэтому при проектировании крупных, сложно структурированных микросейсмиче-ских систем необходимо использовать открытые, не зависимые от поставщика системы передачи данных.

Такими системами являются так называемые промышленные коммуникационные сети (полевые шины fieldbus), предназначенные для связи сенсорных и исполнительных цифровых устройств с более высокоуровневыми компонентами промышленной автоматизации. Сегодня существует много типов промышленных сетей. К наиболее известным и применяемым в мире открытым промышленным сетям относятся: CAN, LON, PROFIBUS, Interbus-S, FIP, FF, Device-NET, SDS, ASI, HART и другие. Fieldbus-системы, изначально предназначенные для систем промышленной авто-

матизации, могут быть использованы при создании сетей микросейсмиче-ского контроля.

Большой спектр предложений ЙеЫ-Ьш-систем осложняет проблему выбора при создании конкретной системы. При выявлении предпочтений в качестве критериев обычно используют следующие [1, 2]:

• объем передаваемых данных в единицу времени;

• время передачи фиксированного объема данных;

• максимальная длина физической среды передачи (шины);

• допустимое число узлов на шине;

• помехозащищенность;

• контроль ошибок и восстановление данных;

• уровень стандартизации (стандарт фирмы, национальный стандарт или международный стандарт).

Последний критерий является обобщающим всех вышеприведенных. Обретение статуса международного стандарта гарантирует, что данная йеМЬш-система по совокупности всех приведенных критериев является оптимальной. Соответствие международному уровню стандартизации позволяет прогнозировать и инвестировать будущее разрабатываемой системы.

На выбор йеМЬш-системы существенное влияние оказывают специфические свойства объекта контроля.

В настоящее время все большее значение приобретает проблема освоения недр Земли, для размещения подземных объектов различного назначения, требующих длительной эксплуатации. Особое значение имеет проблема размещения экологически опасных объектов атомной промышленности (атомные электростанции, хранилища и могильники радиоактивных отходов). Подземное расположение объектов атомной промышленности в пригодные для этих целей геологические структуры на современном этапе развития цивилизации является наиболее реальным, безопасным и экономически приемлемым способом изоляции их из среды обитания человека. Горный массив при этом выступает в качестве основного длительно действующего естественного природного барьера, предотвращающего радиоактивное загрязнение окружающей среды. Поэтому основная проблема экологической безопасности подземных объектов атомной промышленности состоит в обеспечении долговременной стабильности окружающих его горных пород и соответственно сохранении его изолирующих свойств.

Подземные объекты атомной промышленности характеризуются рядом особенностей:

• как правило, они компактно занимают ограниченный объем подземного пространства, но при сложной системе выработок;

• выработки являются внеклассными, и грузонесущие естественные и искусственные конструктивные элементы их представляют единую поддерживающую систему «вмещающий массив - горная крепь»;

• в отличие от горнодобывающих предприятий нагрузки на конструктивные элементы на таких объектах формируются в процессе строительства, так как в дальней-

шем отсутствует прирост подземных пустот. Поэтому снижение устойчивости сооружения во времени обусловливается только процессами релаксации и ползучести. В связи с этим для повышения информативности контроля система микросейсмического мониторинга должна быть дополнена наблюдениями за несейсмическими величинами и показателями, характеризующими устойчивость контролируемого объекта, - деформациями, напряжениями, температурой, гидрогеологическим режимом, миграцией радионуклидов и

др.;

• высокая степень потенциальной опасности для человека и окружающей среды подземных объектов атомной промышленности предопределяет высокую надежность оценки их текущего состояния и прогноза будущего, что в свою очередь предопределяет большое число точек контроля;

• дополнительным требованием для подземных атомных производств (например, подземных атомных станций) является создание общей промышленной сети, включающей как систему геодинамического мониторинга подземных сооружений, так и систему (элементы системы) контроля параметров технологических процессов. Данный подход позволит существенно уменьшить затраты на создание и эксплуатацию такой сети.

С учетом указанного выше к сети микросейсмического контроля подземных объектов атомной промышленности предъявляются следующие требования:

• поддержка сейсмических (высокочастотных) и несейсмических (низкочастотных) видов измерения при соответствии первичных преобразователей входным диапазонам измеряемых величин;

• поддержка иерархической системы коммуникаций, позволяющей строить сложную составную сеть, при единой логической структуре информационной магистрали;

• поддержка достаточного количества подключений узловых контроллеров сети;

• высокая скорость передачи данных;

• поддержка удаленного программирования контроллеров;

• высокая защищенность от внешних неблагоприятных факторов эксплуатации (влажность, запыленность, повышенная температура, в ряде случаев - повышенный радиационный фон).

Данным требованиям отвечает промышленная сеть PROFIBUS. Она одной из первых среди fieldbus-систем получила статус сначала открытого национального, а потом открытого международного стандарта. Первоначально сеть PROFIBUS по заказу правительства была разработана в Г ермании группой из 13 компаний и 5 институтов на основе эталонной модели соединения открытых систем OSI (Open Systems Interconnection) в соответствии с международным стандартом ISO 7498. В 1991 году PROFIBUS получила статус национального стандарта DIN19245 и была объявлена открытым решением. В 1996 году PROFIBUS была включена в международный европейский стандарт EN50170. В настоящее время PROFIBUS рассматривается как кандидат на обретение международного IEC-стандарта.

PROFIBUS поддерживает три основных варианта:

• PROFIBUS PD. Оптимизированная для высокоскоростных и недорогих соединений, данная версия PROFIBUS разработана специально для связи между системами авто-

матизированного контроля и распределенными устройствами ввода-вывода на уровне устройств.

• PROFIBUS PA. Является расширением PROFIBUS PD. PROFIBUS-PA разработана специально для автоматизации процессов во взрывоопасных производственных условиях. Допускает передачу данных и питания по одной двухпроводной шине согласно международному стандарту IEC 1158-2.

• PROFIBUS FMS. Многоцелевое решение для задач автоматизации на уровне целых производственных участков. Мощные средства службы Fieldbus сообщений (Fieldbus Messaging Service) предлагают широкий диапазон функциональности и гибкости, включая удаленное программирование контроллеров сети.

PROFIBUS-DP и PROFIBUS-FMS используют одинаковую технологию передачи и унифицированный доступ к шине. Таким образом, они могут работать совместно на одной шине.

На физическом уровне в качестве передающей среды вариантов PROFIBUS-DP и PROFIBUS-FMS наиболее часто используется медный кабель (двухпроводная витая пара с экранированием или без) в соответствии с американским стандартом EIA RS-485. Топология сети - общая шина с 32 станциями в одном сегменте; при объединении четырех сегментов возможно расширение до 127 станций.

Максимальная длина кабеля зависит от скорости. Указанная в таблице длина [1] может быть увеличена за счет повторителей, но применение более трех повторителей не рекомендуется.

Скорость (кБит/с) 9,6 19,2 93,75 187,5 500 1500 12000

Длина на сегмент, м 1200 1200 1200 1000 400 200 100

Все версии PROFIBUS (DP, FMS и PA) используют унифицированный протокол доступа к шине. Этот протокол реализован на канальном уровне 2 семиуровневой эталонной модели OSI. В PROFIBUS канальный уровень 2 называется Fieldbus Data Link (FDL). Он включает протокол управления доступа к среде (Medium Access Control, MAC), который определяет процедуры, разрешающие станции передавать данные.

Протокол доступа к шине PROFIBUS включает в себя процедуру маркерного доступа, который используют все мастера для связи друг с другом, а также процедуру связи мастер-подчиненное устройство для взаимодействия между мастерами и подчиненными устройствами.

Процедура маркерного доступа гарантирует, что права доступа к шине переходят к каждому мастеру на строго определенное время.

Процедура мастер-подчиненное устройство позволяет мастеру, который владеет маркером доступа, обращаться к подчиненным устройствам. Мастер может отправлять сообщения к подчиненным или читать сообщения от подчиненных. С таким методом доступа можно организовать системы следующей конфигурации:

• система только мастер-подчиненный;

• система только мастер-мастер;

• комбинация этих двух систем.

В PROFIBUS уровни с 3-го по 6-й модели OSI явно не выражены. Функции этих уровней, необходимые для конкретного приложения, объединяются в интерфейсе нижнего уровня LLI (Lower Layer Interface), который является частью прикладного уровня 7. Спецификация сообщений fieldbus -FMS (Fieldbus Message Specification) содержит прикладной протокол и предлагает множество разнообразных служб связи, включая и средства удаленного программирования контроллеров.

Рассмотренные характеристики позволяют с успехом использовать промышленную сеть PROFIBUS для создания сети передачи данных системы микросейсмического мониторинга подземных объектов атомной промышленности. При сложной топологии создаваемой сети версия PROFIBUS-FMS, позволяющая организовать сложно структурированную сеть, является более предпочтительной.

В качестве станций промышленной сети используются измерительные контроллеры (узловые контроллеры). В соответствии с некоторым регламентом производится периодический опрос узловых контроллеров (передача маркера обмена), которые на время маркера передают предварительно оцифрованные данные, поступающие от измерительных сенсоров, на следующий высший по иерархии уровень сети PROFIBUS. Каждый узловой контроллер может "замыкать'' на себя несколько измерительных каналов, количество которых определяется количеством измерительных сенсоров, установленных в его зоне «ответственности».

Версия PROFIBUS-FMS позволяет удаленно изменять параметры контроллеров, обеспечивающих регистрацию в реальном времени сигналов акустической эмиссии и микро-

сейсмической активности ^Э/МЛ). Узловой контроллер fieldbus-системы выполняет роль удаленной станции сбора данных, обеспечивающей полный цикл регистрации и предварительной обработки сигналов AЭ/MA - фильтрация, аналого-цифровое преобразование, канальное и групповое обнаружение, предварительное хранение, передача данных узлу-мастеру вышележащего уровня сетевой иерархии. Параметры узлового контроллера - чувствительность, динамический диапазон, рабочая полоса частот и др. - должны соответствовать физическим реалиям индуцированной сейсмичности. В сетях PROFIBUS этого не сложно добиться, так как в настоящее время более 150 фирм-производителей электронного оборудования выпускают широкий диапазон разнообразных устройств регистрации данных для этой fieldbus-системы [2]. Сложность заключается лишь в разработке специального программного обеспечения узловых контроллеров для реализации в реальном времени специфических процедур канального обнаружения сигналов и идентификации событий AЭ/MA. Однако при этом данная fieldbus-система предоставляет мощную поддержку создания пользовательской программной обработки, включая средства удаленного тестирования и перепрограммирования узловых контроллеров.

Таким образом, применение промышленных сетей открытых стандартов упростит построение систем микро-сейсмического контроля подземных объектов, требующих длительной эксплуатации.

------------------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вольц М. PROFIBUS - открытая шина промышленного применения// Мир компьютерной автоматизации, 1995, №1-2.

2. Любашин А.Н. PROFIBUS - открытая шина для открытых технологий// PcWeek, 1998, №8.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Ханов ВХ., Мансуров В.А. — Сибирская аэрокосмическая академия, г. Красноярск, Россия