ПРОМЫШЛЕННАЯ АВТОМАТИЗАЦИЯ В КОНЦЕПЦИИ РУДНИКА БУДУЩЕГО. В. Л. Конюх, 2007 удк 65. 011. 56В. Л. Конюх промышленная автоматизация в концепции рудника будущего
 Скачать 274.77 Kb.
|
|
39 © В.Л. Конюх, 2007 УДК 65.011.56 В.Л. Конюх ПРОМЫШЛЕННАЯ АВТОМАТИЗАЦИЯ В КОНЦЕПЦИИ РУДНИКА БУДУЩЕГО редстоящий переход к добыче полезных ископаемых на глу- бине более 1,5 км затруднит применение традиционных способов ведения под- земных работ. Нагревание выработок за счет тепла центра Земли и изменение свойств горных пород приведут к росту затрат на жизнеобеспечение горнорабо- чих. Увеличатся потери времени на дос- тавку людей к месту работы и обратно. Станет сложнее согласовывать горные работы во времени и пространстве. Ра- дикальным решением проблемы стано- вится переход к управлению подземны- ми машинами с поверхности (рис. 1). Рассредоточенные под землей рабо- чие места соединены высокоскоростной информационной сетью с выходом к имитаторам кабин машинистов на по- верхности. Самоходные машины осна- щены бортовыми телекамерами, устрой- ствами навигации в выработках, систе- мами автоматического управления и че- рез цифровой радиоканал связаны с рас- пределенными в выработках антеннами. Уп-равление простыми для автоматиза- ции операциями, такими как движение машины по выработке, осуществляется бортовой системой машины, а сложны- ми, такими как зачерпывание горной массы, - из кабины машиниста на по- верхности. Имитационное моделирова- ние комбинированного управления не- сколькими машинами с поверхности на языке GPSS/H показало, что один опера- тор может переключаться на управление 3-4 погрузочно-транспортными маши- нами [1]. В 1993 г. канадская горнодо- бывающая компания «Инко» впервые продемонстрировала управление погру- зочно-транспортной машиной с поверх- ности на канадском руднике «North Mine» [2]. Идея развивается в системах «Robominer» (ф. «Automated Mining Sys- tems», Канада) на рудниках Канады и Германии, «AutoMine» ( ф. «Sandvik Tamrock», Финляндия) на рудниках Швеции, Чили и ЮАР, «MINEGEM» ( ф. «Сaterpillar», США), Научного центра «CSIRO»(Австралия) на рудниках Авст- ралии. Скандинавская программа «Ин- теллектуальный рудник» содержит 28 проектов по навигации самоходных ма- шин, роботизации погрузочно- транспортных машин, автоматизации бурения, заряжания и набрызг- бетонирования, создания подземной ин- формационной сети, оперативного управления рудником [ 3]. Подобная программа «KUJ 2000» разрабатывается для шведского рудника «Кируна»[4]. Переход к управлению подземными машинами с поверхности позволит пол- нее использовать самоходное обо- рудование, сократить затраты на жиз- необеспечение горнорабочих, умень- шить потери рабочего времени на пере- мещение персонала, а в перспективе - перейти к планированию горных работ в режиме реального времени и безлюдной добыче руды. П 40 Появление микропроцессоров в 70-х годах прошлого века привело к пере- смотру принципов промышленной ав- томатизации. Стали быстро развиваться распределенные системы автоматизации с дистанционным программированием управляющих устройств, пятиуровневое компьютерно-интегрированное произ- водство (CIM), системы обобщенного контроля и приобретения данных (SCADA), роботы с адаптивным и ин- теллектным управлением, системы тех- нического зрения, промышленные ши- ны, системы радиочастотной идентифи- кации (RFID), мультиагентное управле- ние, интеллектуальные датчики, имита- ционное моделирование систем, элек- тронные производства [5]. Оказалось, что перепрограммируемое управление рабочим оборудованием выгоднее со- вершенствования конструкций. До сих пор горное дело остается на последнем месте по уровню автоматизации [6]. Это объясняется как изменчивостью техноло- гической среды, так и консерватизмом горных инженеров. Цель статьи – анализ приложений промышленной автоматизации в кон- цепции рудника будущего, разрабаты- ваемой по заказу ОАО «ГМК «Нориль- скНикель». С позиции системного подхода выделим основные элементы рудника будущего: • распределенная по выработкам информацион- ная сеть для передачи голо- совой, цифровой и видеоин- формации в реальном време- ни; • система обмена информацией между самоходным оборудованием и стационарной сетью; • человеко-машинный интерфейс для управления подземными машинами с поверхности; • бортовая система управления горной машиной; • система навигации и позицио- нирования самоходных машин в выра- ботках; • система оперативного и страте- гического планирования добычи. Информационные сети для сбора ин- формации от распределенных под зем- лей датчиков не могут быть использова- ны для управления подземным оборудо- ванием из-за узкой полосы пропускания, невозможности обмена информацией в реальном времени, низкой надежности, запаздывания сигналов,. Так, запазды- вание команды управления более 0,3 с приведет к столкновению неуправляе- мой машины со стенкой выработки. В качестве линий передачи информации на зарубежных рудниках применяют ко- аксиальный кабель или оптическое во- локно. Для протяженных выработок на российских рудниках более перспектив- но применение витой пары проводов с пе- Рис. 1. Концепция рудника буду- щего: 1 - бурильная установка; 2 - погрузочно-транс-портная маши- на; 3 - машина для набрызг- бетонирования; 4 - зарядная ма- шина; 5 - кабина оператора 41 редачей цифровой информации по стан- дарту IEC 61158-3. Обмен информацией между само- ходными машинами и оконечными уст- ройствами информационной сети воз- можен с помощью распределенных ан- тенн и радиомодема, работающего по перспективному протоколу 3G [7]. Осо- бенностью человеко-машинного интер- фейса для рудника будущего является создание эффекта активного присутст- вия оператора в зоне работы горной ма- шины. На поверхность потребуется пе- редавать информацию о зонах и режи- мах работы машин, состоянии оборудо- вания, усилиях на рабочих органах. От- кроются возможности записи режимов работы машин, сопоставления текущей видеоинформации, полученной с борта машины и из зоны ее работы. Автоматическое управление частью рабочих операций будет выполняться по программе, записанной в бортовой про- граммируемый контроллер машины. Для этого потребуется ввести электро- гидравлическое управление рабочим оборудованием, оснастить машину бор- товыми телекамерами и набором датчи- ков (на погрузочно-транспортной ма- шине приходится размещать около 150 датчиков), сформировать алгоритмы управления машиной на языках стан- дарта IEC 61131-3, разделить функции управления между оператором и борто- вой системой, обеспечить безопасность работы машины в штатных и нештатных ситуациях. Самоходная машина с авто- матизированным управлением приобре- тает признак шахтного робота - пере- программирование движений много- функционального рабочего органа [8]. Так, оперативная оценка степени К за- полнения ковша погрузочно- транспортной машины по времени сво- бодного опускания ковша [9] или давле- нию в поршневой полости гидроцилин- дра стрелы [10] позволит автоматически выбирать решение о продолжении или окончании погрузки: ) 1 ( /[ ) ( ds s m s m nT P T T T T K − + + + = где T m – время движения; T s - время по- грузки; P – вероятность повторения за- черпывания; n- среднее число повторных зачерпываний до заполнения ковша; T ds – среднее время зачерпывания. Имитационное моделирование рабо- чей смены на языке GPSS/H и в виде се- ти Петри для двух стратегий погрузки показало, что при доставке руды на 80- 100 м заполнение ковша на 70 % выгод- нее, чем повторение зачерпываний до полного заполнения ковша, поскольку потери времени на повторные зачерпы- вания будут компенсированы дополни- тельными рейсами [11]. Система навигации необходима для ориентации движения машины по выра- ботке. В качестве направляющей испы- тывался светоизлучающий кабель, под- вешенный к кровле [12]. Из-за сложно- сти выбора направления движения на разветвлениях и необходимости созда- ния навигационной инфраструктуры рудника разрабатывают бортовые сис- темы автономной навигации, измеряю- щие расстояния до препятствий вра- щающимся лазерным сканером [13]. Определение положения самоходной машины в пространстве (позициониро- вание) необходимо для координации горных работ во времени и пространст- ве, предотвращения столкновений, сме- ны режимов управления. На машине ус- танавливают измерители пройденного пути и углов поворота, акселерометры, набор гироскопов и лазерный сканер, а также определяют положение машины по стационарным маякам. 42 В качестве источника информации для оперативного и стратегического планирования горных работ предлагает- ся применить систему радиочастотной идентификации (RFID), содержащую устойчивый к воздействиям среды но- ситель информации (тэг, транспондер) 1, стационарную антенну 2, контрол- лер 3, устройство записи-считывания информации 4 (рис. 2). По окончании погрузки бортовой датчик 5 измеряет степень заполнения ковша. Результат измерения вводится в бортовой транспондер 1. При прохож- дении машины мимо стационарной ан- тенны 2 устройство 4 считывает с транспондера информацию о номере машины, местах погрузки и разгрузки, степени заполнения ковша и через ин- формационную сеть рудника вводит ее в компьютер 6 [14]. В горном деле система радиочастот- ной идентификации может применяться также для решения задач: • распознавание машины, дви- жущейся по выработке; • учет горнорабочих под землей; • предотвращение неразрешен- ного управления; • распределение приоритетов при управлении несколькими машинами; • мониторинг добычи по маши- нам и зонам работ; • мониторинг ресурса оборудо- вания и расхода топлива. Решение поставленных задач позво- лит перейти к компьютерной интегра- ции систем добычи и организации рабо- ты горнодобывающего предприятия (рис. 3). На нижнем уровне I/O (Input/Output) входы и выходы перепрограммируемых устройств управления уровня CON- TROL согласуют с разнообразными дат- чиками и исполнительными устройст- вами горных машин. Здесь решаются задачи нормализации цифровых сигна- лов, защиты от дребезга контактов, гальванической развязки, разделения зон взрывоопасности. Система обобщен- ного контроля и приобретения данных SCADA (Supervisory Control And Data Ac- quisition), используя сигналы распреде- ленных датчиков, отображает на экране 3 2 4 1 5 6 Рис. 2. Получение информации о заполнении ковша для системы планирования горных работ: 1 - носитель информации; 2 - антенна; 3 - контроллер; 4 - устройство записи/считывания; 5 - дат- чик заполнения ковша; 6 – компьютер диспетчера 43 MRP Подземное оборудование диспетчера ход добычи, архивирует по- казания датчиков, извлекает данные о себестоимости добычи и использовании машин, распознает предаварийные си- туации и формирует рекомендации по устранению аварий. На уровне контроля исполнения добычи MES (Mining Execution System) ведут оперативное управление горными ра- ботами в зависимости от геомехани- ческой обстановки и состоя- ния машин, выявляют «узкие места» в технологической цепи, планируют техниче- ское обслуживание. Уровень планирования ресурсов до- бычи MRP ( Mining Re- sources Planning) предназна- чен для планирования рабо- ты рудника во времени и пространстве, оценки себе- стоимости, формирования программ отгрузки и анализа мирового рынка сбыта с це- лью получения наибольшей прибыли от добычи. Решения по выработке концепции рудника будуще- го могут быть проверены пу- тем проведения эксперимен- тов «Что, если….? » на его имитацион- ной модели [15]. Работа выполнялась по проекту У0043/995 «Подготовка кадров в облас- ти информационных технологий произ- водства для Кузбасса» Федеральной це- левой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002- 2006 гг.». СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Конюх В.Л., Рамазанов Р.А. Управление подземными погрузочно-транспортными ма- шинами с поверхности //Физико-техни-ческие проблемы разработки полезных ископаемых. - 2004. - №4. – С. 61-66. 2. Baiden G. Combining teleoperation with vehicle guidance for improving LHD productivity an Inco-Limited // CIM Bullettin. – 1994.- № 87 (981), pp.36-39 3. Seppänen P., Pukkila J. Intelligent mine technology programme // Mine Mechanization and Automation.-Sweden: Lulea, 1993,pp.79- 82 4. Nilsson J.-O. Future production system - KUJ 2000. A multi-million construction project // Proc. of the 2-nd Intern. Symp. on Mine Mechani- zation and Automation. USA: Golden,1993. 5. Конюх В.Л. Компьютерная автоматиза- ция производства. Уч.пос. в 2 частях. Кемеро- во: КузГТУ, 2000, 118 и 113 с. 6. Конюх В.Л. Шахтная автоматика: Россия в мире // Уголь, 2003, № 6, с.37-39 7. Humphrey D.W. Die drahtlose sensorik // Computer &Automation. - 2004, №7, pp.20-23. 8. Конюх В.Л. Шахтная робототехника. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2000. – 336 с. MES SCADA CONTROL . I/O Рис. 3. Уровни компьютерно- интегрированной добычи руды 44 9. Конюх В.Л., Чайковский Э.Г., Рубцова Е.В Способ определения степени загрузки ковша погрузчика. А. с. №1188261// Бюл. 1985. № 40. 10. Конюх В.Л., Чайковский Э.Г., Рубцова Е.В. Способ определения степени загрузки ковша погрузчика. А. с. №1239231// Бюл. 1986. №23. 11. Konyukh V. Use of Intelligent Automation for Mine Robot Cars // Proc. of the Third Interna- tional Symposium on Mine Mechanization and Automation. - USA: Golden,V.1, pp. 1.45-1.56. 12. Belanger L. CCARM’s automatic vehicle guidance system// World Mining Equipment.- 1994, V.15, № 4, p.41. 13. S. Scheding at al. Experiments in autono- mous underground guidance // Proc. IEEE Conf. Robotics and Automation, USA: Albuquerque, NM, 1997, pp. 1898-1903. 14. Konyukh V. Remote controlled LHD ma- chine as the medium source for mine planning / / Proc. of the Fourth International Conference “Min- ing Techniques 2005”, Poland: Krakow, 2005, pp.1-8. 15. Конюх В.Л., Зиновьев В.В. Имитацион- ное моделирование в горном деле // Докл. 1-й Всероссийской научно-практичес-кой конфе- ренции «Опыт практического применения язы- ков и программных средств имитационного моделирования в промышленности и приклад- ных разработках» (ИММОД-2003). СПб: ФГУП ЦНИИ ТС, 2003. Т.1, с. 106-110. Д И С С Е Р Т А Ц И И ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ Автор Название работы Специальность Ученая степень УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ФЕДОТОВА Марина Евгеньевна Формирование экологической стратегии промышленного предприятия 08.00.05 к.э.н. Конюх Владимир Леонидович – доктор технических наук, профессор, Действительный член Академии горных наук, Новосибирский государственный технический университет. Коротко об авторах |