Многофункциональная Система безопасности угольных шахт - практика применения систем определения местоположения и оповещения персонала

http://dx.doi.org/10.30686/1609-9192-2018-2-138-93-98

ГРАНИ

V НАУЧНО ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ФИРМА

Многофункциональная система безопасности угольных шахт —

практика применения систем определения местоположения и оповещения персонала

А.В. Новиков, канд. техн. наук, директор по внедрению ООО НПФ «ГРАНЧ» К.В. Паневников, начальник отдела анализа и внедрения ООО НПФ «ГРАНЧ»

И.В. Писарев, начальник группы проектирования и создания АСУТП ООО НПФ «ГРАНЧ»_

О нормативных требованиях

В соответствии с [1] горные выработки угольных шахт, надшахтные здания и сооружения должны быть оборудованы многофункциональной системой безопасности (МФСБ) -комплексом систем и средств, обеспечивающим организацию и осуществление безопасности ведения горных работ, контроль и управление технологическими и производственными процессами в нормальных и аварийных условиях. С учетом установленных опасностей шахты конкретный состав МФСБ определяется проектной документацией.

В состав МФСБ должна входить, в числе прочих, группа систем, отвечающих за связь, оповещение и определение местоположения персонала.

Требования к параметрам и функциям систем данной группы получили развитие по приказу Ростехнадзора № 450 от 31.10.2016 г., согласно которому определяется обязательным применение национального стандарта ГОСТ Р 551542012 в объеме 6-го раздела (стандарт).

Сущность основных требований стандарта:

- система определения местоположения персонала должна непрерывно в режиме реального времени отображать на мнемосхеме шахты местонахождение каждого спустившегося в шахту работника с разрешением ±20 м;

- система общешахтного аварийного оповещения в горных выработках должна обеспечивать: оповещение об авариях людей, находящихся под землей во всех зонах подземных горных выработок, с автоматическим (контроль доставки) и ручным (контроль осознания) подтверждением получения сигнала об оповещении каждым шахтером; прием на поверхности сообщения об аварии, передаваемого из шахты:

- горный диспетчер должен иметь возможность вызвать работника к средствам связи через систему определения местоположения или массового оповещения;

- при аварии должен быть обеспечен оперативный поиск людей в завалах с начальной точки поиска - положения персонала, зарегистрированного системой наблюдения в начале аварии;

- информация от стационарных датчиков и индивидуальных средств контроля должна передаваться в систему аэрогазового контроля МФСБ. Сведения о превышении допустимой концентрации метана должны передаваться в органы государственного горного надзора.

Таким образом, применительно к рассматриваемым сис-

темам вводится термин «режим реального времени», при котором период обновления информации о местоположении персонала должен составлять 5 с, не более. Также становится обязательным наличие прямой (горный диспетчер - шахтер) и обратной (шахтер - горный диспетчер) оперативной, то есть в режиме реального времени, связи.

Своевременной является формулировка по режиму подачи аварийного оповещения: должны обеспечиваться контроль доставки (аппаратно - без участия адресата) и личное подтверждение получения команды каждым шахтером -контроль осознания.

Несколько «выпадает» из общей направленности на конкретику требование по передаче информации в систему АГК с индивидуальных средств контроля - не ясно, в каком режиме (оперативность, идентификация мест замеров) должна осуществляться передача информации от индивидуальных средств контроля в систему АГК. Также открытым остается вопрос по режиму отправки сведений о превышении допустимой концентрации метана в Ростехнадзор. Попытки провести аналогию с имеющимися в [2] требованиями такого рода к стационарным датчикам не будут иметь успеха, поскольку действие документа не распространяется на переносные средства измерений (СИ). В [1] также нет указаний по методике передачи - в режиме реального времени с идентификацией мест замеров либо в момент попадания СИ в зону считывателей без идентификации мест замеров, либо по выходу на-гора по окончании смены, когда о времени и месте производства замеров поздно вести речь.

О параметрах систем, находящихся в эксплуатации

Анализ распространенных в настоящее время на угольных шахтах страны систем определения местоположения (позиционирования) показывает (табл. 1), что они не отвечают требованиям стандарта, поскольку:

- позиционирование выполняется только «с точностью до участка горных выработок», что существенно уступает параметру: «с разрешением ±20 м»;

- данные о местоположении персонала предоставляются в диспетчерскую шахты дискретно - при попадании индивидуальной метки в зону действия считывателей, расставленных в шахте на значительном, как правило, удалении друг от друга, - с интервалами, не отвечающими режиму реального времени.

Подобное положение наблюдается и в системах оповеще-

Табл. 2 Характеристика систем оповещения

ООО НПФ «ГРАНЧ»

Табл. 1 Характеристика систем определения местоположения персонала на основе считывателей

Характеристика системы Наименование системы

Система СПГТ-41 [3] Комплекс «Талнах» [4]

Принцип действия Зональное (ограниченное считывателями) позиционирование персонала и техники Зональное (ограниченное считывателями) позиционирование персонала и техники

Скорость передачи данных - кабель/радио Двусторонняя радиосвязь (полудуплекс): скорость передачи - 1024 кБод. Двусторонняя проводная связь (полудуплекс): скорость передачи - 9,6 кБод Двусторонняя радиосвязь: скорость передачи - 1024 кбит/с. Проводная связь: скорость передачи - до 32 Мбит/с

Точность определения координат местоположения объекта Координаты объекта определяются по месту нахождения считывателей, в зонах действия которых находится объект - протяженность зон составляет от десятков метров до нескольких километров Координаты объекта определяются по месту нахождения считывателей, в зонах действия которых находится объект - протяженность зон составляет от десятков метров до нескольких километров

Период обновления данных на АРМ оператора 5 с Не указан

Скорость передвижения объекта Максимально допустимая - 12 м/с Не указана

Гарантированная дальность считывания меток 25 м Обмен данными - на расстоянии от 10 до 150 м

Время работы от аккумуляторов при потере сетевого питания Не менее 10 ч Не менее 3 ч

Наименование системы Принцип действия Метод сигнализации на индивидуальном устройстве Подтверждение в получении Связь: «шахтер -диспетчер» Период повторения сигнала

Комплекс СУБР-1П [5] Вырабатываются сигналы аварии, индивидуального (селективного) вызова и сигналы текстовых сообщений, которые преобразуются и излучаются посредством передающей антенны в виде электромагнитных волн Мигание лампочки светильника: при приеме общего сигнала - 8, при приеме индивидуального вызова - 4 нет нет не указан

Система «Радиус-2» [6] Диспетчер шахты с пульта передающего устройства, что на поверхности шахты, передает цифровые кодовые радиосигналы аварийного оповещения или персонального вызова сквозь толщу горных пород Мигание лампочки светильника нет нет не указан

Комплекс «Талнах» [4] Диспетчер шахты передает сигналы аварийного оповещения или персонального вызова Мигание лампочки светильника: 3 вспышки - сигнал разрушения системы оповещения, 2 вспышки - персональный вызов, 5-10 миганий -авария нет нет не указан

ния (табл. 2). Анализ таких систем, находящихся в эксплуатации на некоторых шахтах, позволяет сделать вывод, что аварийное оповещение отправляется без подтверждения о получении, то есть не обеспечивается гарантированность в доставке всем шахтерам, находящимся в шахте. А это указывает на их несоответствие стандарту.

Целесообразно поэтому рассмотреть другую группу систем, присутствующих на рынке, поставщики которых заяв-

ляют об их полном соответствии обязательным требованиям стандарта по характеристикам и функциям.

К их числу относятся системы, показанные в табл. 3. Как следует из представленных данных, отличительной особенностью этих систем является наличие непрерывной, в режиме реального времени, радиосвязи между индивидуальными устройствами, оснащенными так называемыми метками, и стационарными узлами связи. Также для этих систем

ООО НПФ «ГРАНЧ»

Табл. 3 Параметры систем с многоканальной связью

Наименование системы Скорость передачи данных по беспроводным каналам связи Параметр «разрешение» (по стандарту) Период обновления данных Реализация аварийного оповещения

Система «Исеть» [7, 8] 2 Мбит/с ± 3 м не указан не реализуется

Система «WiPan» [9] 250 кбит/с ± 10 м не указан реализуется

Система FLEXCOM [10] 250 кбит/с ± 20 м не указан реализуется

Система Strata [11] 150 Мбит/с ± 200 футов 30 с не реализуется

Система REALTRAC [12] не указана ± (30 - 50) м («Зоновое»); ± 1 м (при многократном увеличении числа узлов связи) не указан реализуется

Система «Кондор» [13] не указана ± 10 м не указан не реализуется

Система «SBGPS» [14] 150 Мбит/с ± 20 м;(3 ±1)м (вариант определяется исполнением технических устройств) 5 с реализуется

характерно для создания подземной инфраструктуры связи применение кабельных линий - полностью либо частично по назначению и протяженности выработок. При их повреждении связь в ряде случаев реализуется по беспроводным каналам (многоканальность связи). Конкретные варианты определяются конструктивным исполнением.

Эти системы, как правило, являются многофункциональными - определяют местоположение персонала и в нужный момент отрабатывают функции оповещения, включая подачу аварийного сигнала.

Данные, содержащиеся в показанных таблицах, получены из различных источников и основные из них - это руководства по эксплуатации. В ряде случаев из-за их отсутствия информация взята из имеющихся презентаций и аналогичных информационных материалов (сайтов), что, конечно, оставляет возможность для дискуссии.

Следует отдельно обратить внимание на систему REALTRAC в части параметра «разрешение», достигаемого при определении координат местоположения персонала. Авторами приводятся два варианта: ±50 м и ±1 м. Согласно [11] для реализации «зонового» (разрешение ±50 м) метода места установки узлов связи сочетаются с архитектурой и размерами (протяженностью) горных выработок, что может составлять от сотен метров до нескольких километров. В этом случае подача аварийного оповещения будет нереализуемой для индивидуальных мобильных уст-

Рис. 1 Устройство оповещения SBGPS Light-4

ной части таких зон. Получение второго, более точного, варианта возможно при значительном увеличении узлов связи - на расстоянии около 150 м друг от друга. В этой связи очень важно получить подтверждение заявленных принципов на практике - в условиях угольной шахты. Скорее всего, аналогичные особенности построения инфраструктуры связи имеют место в системе «Исеть», где декларируется возможность определения местоположения персонала, оснащенного мобильными средствами системы, с разрешением в ±3 м. Это же свойственно и системам «WiPan», «Кондор» по параметру «±10 м».

Поэтому, вне сомнений, достоверность представленных данных остается в компетенции заявителей - разработчиков и/или поставщиков систем.

Из данной группы многофункциональных систем безопасности практический опыт авторов статьи позволяет наиболее полно представить конструктивные и эксплуатационные особенности системы «SBGPS».

Поэтому далее приводится краткое описание системы «SBGPS».

О конструктивном устройстве

Система многофункциональная связи, наблюдения, оповещения и поиска людей, застигнутых аварией, «SBGPS» (система «SBGPS») выпускается серийно - сертификат соответствия требованиям ТР ТС 012/2011 «О безопасности оборудования для работы во взрывоопасных средах» № ТС RU С-RU.AA87.B00822.

Система «SBGPS» включает подземную и наземную части. Наземная часть - сервер, АРМ оператора системы - монтируется в АБК шахты. Подземная часть, предназначенная для работы во взрывоопасных средах, состоит из инфраструктуры связи на основе базовых станций (узлы связи) и индивидуальных технических устройств, в качестве которых применяется устройство оповещения, совмещенное с головным светильником шахтера (рис. ^.Контакт устройства оповещения с узлами связи осуществляется по беспроводному каналу - технология Wi-Fi. Работа узлов связи друг с другом ведется по кабельным линиям (ВОЛС, медный проводник), а в случае их повреждения (аварийная ситуация) - по каналу Wi-Fi (рис. 2).

ООО НПФ «ГРАНЧ»

Рис. 2 Структура подземной инфраструктуры связи системы «SBGPS»

Для решения ряда задач технологического и организационного характера применяется смартфон, в искробезопасном исполнении. Индивидуальное устройство мобильной связи (смартфон) и устройство оповещения находятся всегда на связи по радиоканалу с базовыми станциями (узлами связи).

В системе «SBGPS» корпуса узлов связи представляют собой штампосварные стальные оболочки, установка которых в горных выработках производится путем крепления к элементам крепи с применением болтовых соединений, что обеспечивает их повышенную стойкость к внешним повреждающим воздействиям (взрывная волна умеренной мощности, удары кусками породы и элементами конструкций передвижного оборудования и транспорта).

В системе «SBGPS» применена аккумуляторная поддержка работы инфраструктуры связи: встроенные АКБ в каждый узел связи обеспечивают их непрерывную работу 16 ч, не менее, что крайне важно, как для нормального режима работы шахты при непреднамеренных потерях сетевого питания, так и для аварийного - когда только беспроводные каналы остаются в рабочем состоянии.

Таким образом, в подземной инфраструктуре связи Системы «SBGPS» оптимальным образом сочетаются кабельные линии (нормальный режим работы) с беспроводными каналами (аварийный режим работы) с учетом нахождения в любых ситуациях на радиосвязи с подземной инфраструктурой индивидуальных (мобильных) устройств с обеспечением повышенной точности определения местоположения объектов контроля.

Система «SBGPS» способна к развитию подземной части за счет применения соответствующих технических устройств по мере развития горных выработок и появления новых объектов контроля.

Система предназначена для работы в непрерывном режиме.

О параметрах

1. Расстояние между узлами связи: (150-300) м - определяется гипсометрией и загруженностью выработки оборудованием и металлоконструкциями.

2. Скорость передачи данных по каналам:

- оптические IEEE 802.3 (100BASE-FX) - до 1 Гбит/с (между узлами связи и магистральные, включая выход на-гора);

- проводные IEEE 802.3 (100BASE-TX) - до 100 Мбит/с (между узлами связи);

- проводной RS-485 - до 0,5 Мбит/с (технологические цели);

- беспроводной IEEE 802.11 b/g/n (Wi-Fi) - от 1 до 150 Мбит/с (для подключения клиентских устройств, а также при повреждении кабельных линий - работа инфраструктуры связи в аварийных условиях).

3. Время хранения информации на сервере о местоположении контролируемых объектов - не менее 1 года. Примечание: Время хранения может быть увеличено за счет применения соответствующих электронных носителей - дополнительно к серверным.

4. Срок службы системы (с учётом своевременного технического обслуживания технических устройств) - 10 лет.

Основныефункции

1. Определение местоположения персонала в горных выработках и функции, реализуемые с использованием полученных данных:

- наблюдение и определение координат местоположения персонала, транспорта и грузов в горных выработках с разрешением ± 20 м в режиме реального времени - периодичность обновления данных - 5 с, не более (рис. 3);

- определение координат местоположения объектов контроля с разрешением до (3 ±1) м при применении базовых станций и устройств оповещения с модулями повышен-

ООО НПФ «ГРАНЧ»

ной точности позиционирования (прецизионный метод);

- определение скорости и направления перемещения (передвижения) объектов контроля;

- представление динамики изменения координат местоположения в горных выработках объектов контроля в прошлом времени;

- представление информации горному диспетчеру и речевого сообщения работнику о потере связи любого устройства оповещения с сервером системы и о восстановлении данной связи;

- табельный учет;

- формирование отчета по времени нахождения персонала в шахте, о потере связи, о координатах мест замеров содержания опасных газов датчиками, встроенными в устройство оповещения;

- автоматическое выявление своевременно не вышедших из шахты людей и представление информации (ФИО, должность, время) горному диспетчеру.

2. Аварийное оповещение (оперативные сообщения - команды и сигналы):

- оповещение об аварии людей, находящихся во всех зонах подземных горных выработок с автоматическим (контроль доставки) и ручным (контроль осознания) подтверждением получения сигнала об оповещении каждым шахтером;

- прием на поверхности сообщения об аварии, передаваемого из шахты, в режиме реального времени;

- отправка шахтером горному диспетчеру сигнала «Тревога» об оказании помощи («тревожная кнопка») - с места происшествия негативного события (авария, травма);

- автоматическое формирование сообщения горному диспетчеру о том, что работник неподвижен в течение времени более 15 минут (по требованию временной интервал может быть уменьшен или увеличен);

- передача персоналу в случае аварии сообщения на устройство оповещения о безопасном (согласно ПЛА) маршруте выхода из шахты - управление движением;

- передача оперативных речевых сообщений подземному персоналу на устройство оповещения, записанных с помощью пульта горного диспетчера (на микрофон).

3. Поиск и обнаружение людей, застигнутых аварией:

- ведение оперативного поиска людей в завалах с начальной точки поиска - местоположения персонала, зарегистрированного системой в начале аварии и отображенного на

Методы определения местоположения в SEGPS

1 R5SI- Received Signal Strength Indicator - по уровню принимаемого сигнала

2 РМ - Precision method - с применением модулей ловышен ной точное™ позиционирования

Рис. 3 Схема определения координат местоположения персонала в системе «SBGPS

схеме шахты с высокой точностью;

- поиск и обнаружение людей, застигнутых аварией, путем локализации координат их местоположения по режиму «Поиск», в основу которого положено применение импульсной звуковой и световой сигнализации, генерируемой устройством оповещения в течение 48 ч, не менее;

- применение встраиваемых в устройство оповещения радиомаяков для поиска людей под и за завалами;

- регистрация (запись) указаний, связанных с ликвидацией аварии, с применением мобильной IP-телефонии.

4. Диагностирование технических средств и окружающей среды:

- контроль параметров сетевого питания и уровня заряда блока аккумуляторного устройств, входящих в состав системы;

- контроль в месте нахождения устройства оповещения и представление в режиме реального времени данных об объёмных долях опасных и вредных газов в рудничном воздухе, а также кислорода, с оповещением работника и горного диспетчера о выходе за допустимые пределы их значений, - с отображением координат места производства замеров;

- диагностирование локального повышения температуры в угольном пласте и технологическом оборудовании с применением тепловизионной камеры, встроенной в смартфон, с отображением мест замеров и передачей в режиме реального времени данных на пульт горного диспетчера;

- сбор и передача на верхний уровень параметров работы транспортных средств и другого горно-шахтного оборудования с применением специального оборудования (многофункциональный контроллер GAL) по инфраструктуре сети.

5. Оперативная связь. Благодаря применению индивидуальных устройств (устройство оповещения, смартфон) и при условии наличия подземной инфраструктуры связи в системе обеспечивается:

- предоставление мобильной телефонной связи по протоколу IP (мобильная IP-телефония);

- передача мультимедийных данных и данных телеизмерений.

В системе «SBGPS» возможно расширение функциональности без дополнительного аппаратного обеспечения, что

обусловлено наличием широкой пропускной способности

каналов связи.

В системе «SBGPS» предусмотрена возможность обмена информацией по линиям связи с другими системами и дополнительными устройствами, использующими стандартные протоколы передачи данных.

Программное обеспечение (ПО) системы «SBGPS» имеет оптимальную совместимость с ПО «Вентиляция», что обеспечивает высокую динамичность при работе (редактирование, управление и развитие) со схемой шахты (масштабная ЗБ-модель) в процессе эксплуатации системы (рис. 4).

Система «SBGPS», благодаря наличию современного устройства - подземного смартфона, успешно решает многие задачи по управлению производственными процессами, включая обеспечение «Единой книги предписаний» (ЕКП) и «Формирование сменных нарядов» (ФСН). В ближайших планах - решение задач по реализации системы дистанционного контроля промышленной безопасности (СДК ПБ).

ООО НПФ «ГРАНЧ»

Рис. 4 Диалоговое окно системы «SBGPS»

В системе «SBGPS» реализована технология передачи сообщений о выходе контролируемых параметров (технологические процессы и рудничная атмосфера) за установленные пределы в уполномоченные организации.

Выводы:

1. По комплексу показателей, характеризующих технологии определения местоположения персонала в горных выработках шахты и подачи сигналов об аварии, как в шахту, так и из шахты на-гора, в плане оценки соответствия требованиям национального стандарта ГОСТ Р 55154-2012

представляют интерес системы, подземная инфраструктура которых строится на создании непрерывного радиополя в горных выработках шахты.

2. Система «SBGPS», производства НПФ «Гранч», полностью отвечает требованиям 6 раздела ГОСТ Р 55154-2012, а по ряду характеристик превышает их, в части наблюдения, оповещения и поиска людей, застигнутых аварией, и служит надежной основой для передачи больших потоков информации в режиме реального времени, как по кабельным, так и по беспроводным каналам связи для реализации функций других систем из состава МФСБ.

Информационные источники_

1. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности в угольных шахтах», утвержденные приказом Рос^хнадзора от 19.11.2013 № 550 (с изменениями по приказу Рос^хнадзора № 303 от 08.08.2017 г.).

2. Положение об аэрогазовом контроле в угольных шахтах (Утверждено приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 1 декабря 2011 г. № 678) (с изменениями по приказу Ростехнадзора № 303 от 08.08.2017 г.).

3. Система позиционирования горнорабочих и транспорта СПГТ-41. Руководство по эксплуатации РЭ 3148-001-44645436-2007.

4. Официальный сайт производителя: http://it-ind.ru. Видео-презентация производителя: «Талнах - комплексный подход к автоматизации и связи на добывающих предприятиях».

5. Комплекс СУБР-1П. Руководство по эксплуатации ТИС 6.0.0.00.000-01РЭ.

6. Официальный сайт производителя: http://www.radius-nvic.ru.

7. Система многофункциональной связи «Исеть» (СМС «Исеть»). Руководство по эксплуатации ИМ.091000.001.00 РЭ.

8. Презентация ООО «Ингортех» (вер. 13-11В): «Многофункциональные системы безопасности угольной шахты. Система многофункциональной связи СМС «Исеть».

9. Презентация Davis Derby: «Многофункциональная система безопасности Девис Дерби».

10. Презентация PBE&MRS: «PBE&MRS решения для горнодобывающей отрасли».

11. Официальный сайт производителя: https://www.strataworldwide.com.

12. Презентация RTLService: «Система безопасности, позиционирования и связи для подземных горных работ».

13. Видео-презентация компании «ДЭП»: «Кондор - система позиционирования персонала шахт и рудников».

14. Система многофункциональная связи, наблюдения, оповещения и поиска людей, застигнутых аварией, «SBGPS». Руководство по эксплуатации МКВЕ.466452.024 РЭ.

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СИСТЕМА БЕЗОПАСНОСТИ «УМНАЯ ШАХТА»- ГОРНАСС

Дистанционный мониторинг параметров безопасности ведения горных работ в режиме реального времени, в том числе: Сканирующий (динамический) газовый контроль; Позиционирование горнорабочих и ВШТ; Аварийное оповещение персонала с гарантией получения; Стойкость к воздействию ударно-взрывной волны импульсом не менее 6 кПа*с;

Передача данных под землей с фантастическими скоростями; Беспроводные технологии;

Соответствует требованиям главы 6 национального стандарта РФ ГОСТ Р 55154-2012 «Оборудование горно-шахтное. Системы безопасности угольных шахт многофункциональные. Общие технические требования».

— «яй 'Ш

шш

3 Ш

c^j IГ P А H Ч1 тел/факс+7 (383) 2 333 512;

'J info@granch.ru; http://www. granch.ru

СИ*; СО; ;„ СОа:Ог: © © о © QE3QIB Х+ ша о;;о ^^^ N411634 |

о  епсзи О*"»- О»1™- О'«-* Qrw О'Р"" О О CW О О — fern - Jr Х18 KlttZJ »FW очи Ä1* I&Uil

•в1Ч»чр В* ЬС. 1вЛ?йТТО«СИ1В!«017Ч 1 СЕ