1.4. Функции шиус

Определяющее влияние на структуру ШИУС оказывает перечень функций, которые должны быть реализованы. Можно говорить о ШИУС с минимальным и максимальным перечнем функций.

"Минимальная" ШИУС должна обеспечивать выполнение следующих функций:

- мониторинг параметров шахтной атмосферы и микроклимата (АГК);

- автоматическая газовая защита (АГЗ);

- мониторинг состояния основного и вспомогательного технологического оборудования, систем электроснабжения, гидроснабжения и пневмоснабжения;

- местное и централизованное, ручное, автоматизированное и автоматическое управление основным и вспомогательным технологическим оборудованием, системами электроснабжения, гидроснабжения и пневмоснабжения (проветривание тупиковых выработок - АПТВ, управление водоотливом, конвейерными, калориферными, вентиляционными установками и т.д.);

- отображение и хранение информации о состоянии горно-технологического объекта.

"Максимальная" ШИУС должна обеспечивать выполнение функций минимальной ШИУС и дополнительно:

- контроль положения и технического состояния механизированной крепи, проходческих, добычных комбайнов и транспортных средств;

- местное и централизованное управление всеми технологическими процессами добычи угля;

- мониторинг состояния угольных пластов, горного давления и смещения горных пород;

- мониторинг состояния выработанного пространства;

- прогнозирование пожаро-, взрыво-, ударо- и выбросоопасности;

- контроль и оптимизацию потребления электроэнергии, управление транспортными системами;

- оптимизацию добычи угля;

- учет и контроль положения персонала;

- голосовую связь с подземными элементами ШИУС и т.д.

Очевидно, что реализация "минимальных" ШИУС не вызывает значимых технических и организационных трудностей. Создание "максимальных" ШИУС связано со значительными капитальными вложениями, обусловленными необходимостью оснащения технологического оборудования встроенными микропроцессорными устройствами, разработкой новых датчиков, систем контроля положения шахтеров и т.д. Решение задач идентификации, прогнозирования и оптимизации также требуют финансовых и временных ресурсов.

Поэтому целесообразным представляется использование многофункциональных ШИУС, реализующих минимальный перечень функций, и постепенно и постоянно расширять их перечень за счет разработки новых технических средств, алгоритмов обработки информации, организационного и нормативного обеспечения.

1.4.1. Особенности и принципы развития, модернизации действующих ШИУС

Особенности модернизации и внедрения ШИУС

Проведенный анализ показывает, что реальные возможности и перспективы развития шахтных информационно - управляющих систем в России ограничиваются следующими особенностями, связанными с техническими требованиями, спецификой контролируемого пространства и экономическими возможностями угольных предприятий:

1) Шахтные информационно – управляющие системы должны строиться как многофункциональные и универсальные, поскольку только одновременный учет всех параметров, влияющих на геодинамические явления в горном массиве, позволяет создавать качественные модели прогноза событий, характеризующих безопасность ведения горных работ. Алгоритмические и программные средства многофункциональных систем на единой аппаратной платформе обеспечивают решение задач обеспечения безопасности горных работ, шахтной автоматики, оценки и прогноза опасных технических и геодинамических явлений и пожароопасности.

2) Линии передачи данных шахтных сетей должны совпадать с топологией контролируемого пространства, которое в большинстве случаев, с точки зрения возможности прокладки кабельных линий, имеет вид "дерева" и совпадает с сетью электропитания.

3) Электрические характеристики сигналов и технических средств передачи данных должны соответствовать требованиям искробезопасности, что ограничивает скорость передачи информации при использовании кабельных линий связи. При этом технически обоснованно стремление передать максимальное количество функций обработки информации и выработки сигналов управления на уровень агрегата, забоя, участка.

4) В настоящее время и в обозримом будущем в качестве основной физической среды передачи данных должны использоваться обычные шахтные телефонные кабели, в которых отсутствуют сформированные экранированные витые пары. Это позволяет говорить о необходимости разработки специальных интерфейсов и протоколов связи для ШИУС, которые должны соответствовать противоречивым требованиям искробезопасности, надежности, скорости передачи и низкой чувствительности к изменению параметров линий связи.

5) Основным способом обеспечения взрывозащищенности ШИУС должна быть "искробезопасная цепь". Это делает актуальной задачу снижения потребления энергии аппаратурой ШИУС. При этом для традиционных датчиков с аналоговым выходом более предпочтительным является выходной сигнал напряжения (0,4…2 В), а не тока (0…5 или 4…20 мА).

6) Снижение потребляемой энергии делает возможным обеспечение ШИУС высоконадежными источниками питания, подключенными к подземным источникам энергии и снабженными аккумуляторными батареями. При этом источники питания должны обеспечивать работу ШИУС от аккумуляторных батарей в течение 24 и более часов.

Особенности систем связи

Основные технические сложности при реализации современных ШИУС связаны со средствами передачи информации. К промышленным и особенно к шахтным сетям предъявляются особые требования по надежности, помехоустойчивости, искробезопасности и дальности. Обычно для связи с удаленными цифровыми устройствами промышленного назначения используются полевые шины. К ним относятся несколько европейских (PROFIBUS (DIN 19245), FIP (UTE-C46-6xx), Bitbus (IEEE 1118), CAN (ISO/DIS 11898), Interbus-S (DIN 9258), SAP (BS6556.III)) и американских (Foundation, HART) конкурирующих стандартов. Ведется разработка общеевропейского стандарта EN 50170, объединяющего PROFIBUS и FIP. Большинство полевых шин в качестве физической среды передачи допускает использование различных электрических проводников и волоконно-оптических линий. С последними специалисты связывают радикальное решение проблем искробезопасности, помехоустойчивости и пропускной способности шахтных информационных сетей. Однако в настоящее время для отечественной горной промышленности такое техническое решение не представляется возможным и целесообразным. Более того, одно из основных экономически обоснованных требования к линиям связи - использование существующих и широко распространенных шахтных телефонных кабелей.

Большинство из общепромышленных интерфейсов и протоколов связи непосредственно не может быть применено в угольных шахтах, - топология контролируемого пространства и требования искробезопасности накладывают ограничения на возможность использования различных протоколов. Так, например, полевая шина может быть реализована на основе модифицированного протокола RS485 при условии ограничения токов короткого замыкания в линии связи. Без изменения могут использоваться специализированный британский SAP (BS6556, ч. II и III) и американский HART. Причем SAP подходит для связи между участковыми вычислительными устройствами и диспетчерской, а HART - для полевой шины. Следует отметить, что оба этих протокола используют частотную фазокогерентную модуляцию (метод FSK), что обеспечивает ограничение спектра передаваемого сигнала, и, как следствие, повышение качества и надежности передачи данных. Протокол SAP использует сигнал напряжения до 5 В с несущими частотами 1170 и 2125 Гц, а HART - токовый сигнал амплитудой 0,5 мА с частотами 1200 и 2200 Гц.

Очевидно, что интерфейсы и протоколы связи должны соответствовать требованиям искробезопасности, иметь гарантированное время доставки сообщений между устройствами на шине не более 0,5 с.

1.4.2.Принципы построения ШИУС

В основу построения современных ШИУС должны быть положены следующие системо - технические принципы:

- соответствие государственным стандартам и требованиям безопасности;

- многофункциональность;

- многоуровневость и распределенность;

- работа в реальном времени;

- повсеместное использование методов цифровой обработки и передачи информации;

- максимально возможное приближение вычислительных средств к объектам контроля и управления;

- высокая надежность технических и программных средств;

- обеспечение взрывобезопасности за счет использования искробезопасных уровней электрических сигналов и низкого энергопотребления;

- совместимость вниз с существующими техническими средствами;

- совместимость вверх 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 и интерактивного создания и изменения службой эксплуатации основных характеристик ШИУС;

- использование стандартного графического пользовательского интерфейса.

1.4.3.Программные средства ШИУС

Функции ШИУС позволяют определить необходимый перечень программных средств, необходимых для реализации функций ШИУС на основе изложенных принципов;

- средства сбора, передачи и обработки информации, база данных контролируемых параметров, сигналов управления и сигнализации;

- средства ведения архивов технических и технологических событий и обеспечения доступа к ним, в том числе множественного и удаленного;

- средства документирования технологического процесса и работы ШИУС;

- многооконный пользовательский графический интерфейс со средствами отображения информации и ввода управляющих воздействий;

- средства интерактивного создания и редактирования пользовательского графического интерфейса и т.д.

Перечисленные функции характерны для большого класса программных продуктов, называемых SCADA.

Отметим, что на основе коммерческих SCADA пакетов могут быть реализованы большинство функций шахтного технического и технологического контроля и управления. Однако ШИУС имеют свои специфические задачи, в первую очередь связанные с непрерывным изменением во времени и пространстве состава и структуры.