1.5. Варианты модернизации действующих систем аэрогазового контроля

Одной из основных проблем, существующих на предприятиях c подземной добычей полезных ископаемых, остается обеспечение контроля и управления безопасностью ведения горных работ. Большинство из используемых в настоящее время систем газового контроля и защиты, телеизмерения, телесигнализации, телеуправления и шахтной автоматики, обеспечивающих выполнение всех задач контроля и управления, были разработаны и внедрены более 20 лет назад. В настоящее время на шахтах используются системы "Метан" для реализации задач автоматического газового контроля (АГК) и защиты (АГЗ), "Ветер 1М" - для централизованного диспетчерского управления технологическим оборудованием и аппаратами электроснабжения, АУК для автоматического управления конвейерами, АПТВ, УКАВ, ВАВ и другие системы для автоматизации проветривания, водоотлива и т.д.

Система "Метан" состоит из наземной стойки приема информации (СПИ) и до 24 подключаемых к ней подземных аппаратов сигнализации (АС), к каждому из которых может быть подключено до трех датчиков концентрации метана. Каждый датчик может быть использован как источник аналогового сигнала о концентрации метана и как источник дискретного сигнала, свидетельствующего о превышении в точке измерения заданной предельной концентрации. Каждый АС может передавать на наземную стойку один аналоговый и три дискретных сигнала. В системе используются токовые сигналы 0…5 мА для передачи результата аналогового измерения с наложенными на него сигналами напряжения 80…500 мВ и частотами 14, 20, 26 для передачи дискретных сигналов, что позволяет уплотнить каналы связи и по двум проводам передавать информацию от трех датчиков. Подземная аппаратура системы "Метан" запитывается от местных источников электроэнергии, что не позволяет обеспечить контроль газового состояния в аварийных ситуациях, для которых характерны отсутствие электроснабжение в горных выработках и высокие концентрации метана, которые могут превышать максимально возможные для датчиков системы "Метан" 2.5% в несколько раз.

Система "Ветер" и ее модификации позволяет реализовать централизованный контроль и управления различным оборудованием с помощью наземного пульта управления (ПУ), к которому могут быть подключены до 10 подземных контрольных пунктов (КП). Каждый КП обеспечивает передачу на поверхность семи и с поверхности под землю трех дискретных сигналов. Сигналы, передаваемые с поверхности под землю, используются как команды управления. В системе "Ветер" уплотнение каналов связи между ПУ и КП достигается за счет периодического последовательного опросов КП, т.е. за счет их временного мультиплексирования.

Все остальные используемые на шахтах системы автоматики являются локальными, но имеют интерфейс с системой "Ветер", что позволяет строить на их основе системы диспетчерского контроля и управления, и в некоторых случаях с аппаратами сигнализации системы "Метан" для обеспечения газовой защиты. Так, например, для проветривания тупиковых выработок используется аппаратура АПТВ, применять которую необходимо с контрольными пунктами системы "Ветер" и аппаратами сигнализации системы "Метан".

Очевидно, что ШИУС, используемые для обеспечения безопасности ведения горных работ, должны соответствовать действующим нормативным документам. Правила безопасности (ПБ) в угольных шахтах определяют ПДК для пыли, оксида углерода, оксида и диоксида азота, сернистого ангидрид, сероводорода, что делает желательным постоянный контроль этих газов, максимально и минимально возможные скорости воздуха для различных выработок. Там же есть требования централизованого контроля положение вентиляционных дверей и состояние вентиляторных установок, постоянного ведения книги учета работы вентиляторных установок, книги замера метана и учета загазирования (углекислого газа), вентиляционного журнала. Также необходимо проводить расчет расхода воздуха и депрессии, проверку устойчивости проветривания и расчет вентиляции, должен осуществляться прогноз прорывов метана, контроль за ранними признаками самонагревания (самовозгорания) угля. Все это требует контроля содержания метана, оксидов и диоксидов углерода и азота, кислорода, водорода, тяжелых углеводородов, температуры, влажности и скорости воздуха, проведения депрессионных съемок и т.д.

Действующие правила требуют постоянного контроля только содержания метана и в некоторых случаях скорости воздуха, все остальные параметры могут контролироваться периодически. Можно предположить, что правила написаны с учетом ограничений, накладываемых характеристиками технических средств систем аэрогазового контроля, существовавших в момент написания этих правил.

Известные методы и алгоритмы оценки и прогноза состояния горно-технологического объекта и безопасности горных работ ориентированы на использование устаревшего оборудования и в большинстве случаев не соответствуют современному уровню развития науки и техники. Разработка новых методов и алгоритмов контроля, управления и прогноза затруднена из-за отсутствия технических средств мониторинга и необходимого количества априорной информации. Также из-за ограниченности технических средств не используются более совершенные алгоритмы газовой защиты, которые разработаны научными коллективами России и других стран.

Особенности и цели обеспечения шахт современными системами автоматизации

Перечислим основные характеристики используемых в настоящее время систем аэрогазового контроля, телеуправления, телеизмерения и телесигнализации и шахтной автоматики.

1. Основной функциональной характеристикой используемых в настоящее время систем является их узкая специализация, которая определена используемой элементной базой и схемотехническими решениями. Так система "Метан" обеспечивает только контроль концентрации метана в горных выработках, газовую защиту электрооборудования в этих выработках и одностороннюю передачу информации в диспетчерскую, АПТВ - только местное автоматическое управление проветриванием тупиковых выработок, АУК - только местное автоматическое управление конвейерами и т.д. Система "Ветер" является наиболее универсальной из используемых в настоящее время, т.к., по существу, представляет собой средство двунаправленной передачи информации.

2. Алгоритмы контроля и работы реализуются на схемотехническом уровне, т.е. в виде релейных и электронных аналоговых схем, что принципиально ограничивает вычислительную мощность существующих систем и возможности изменения их алгоритмического обеспечения. В некоторых системах предусмотрена возможность изменения параметров в неизменных алгоритмах контроля и управления, таких как пороги срабатывания защит, выдержки времени и т.п.

3. Для большинства систем характерна двухуровневая структура, основанная на использовании одного наземного устройства (СПИ в системе «Метан» или ПУ в системе «Ветер»), к которому подключено несколько подземных концентраторов сигналов (АС системы «Метан» или КП системы «Ветер»), к каждому из которых, в свою очередь, подключается несколько источников и приемников информации. Такая структура для специфических условий подземных горных работ не потеряла свою актуальность, о чем свидетельствуют публикации, описывающие современные компьютерные системы шахтной автоматики, подавляющее большинство из которых также являются двухуровневыми. Следует отметить, что обработки информации и выработка сигналов противоаварийного управления происходит на месте измерения, т.е. в горных выработках, однако информация, собираемая на наземных устройствах, не подвергается обработке и, по существу, не используется решения задач идентификации и прогноза и предотвращения опасных геодинамических явлений и пожароопасности.

4. Время создания, элементная база и двухуровневая структура предопределили схемотехнические решения, которые были положены в основу средств передачи информации, - это токовые и частотные сигналы с частотным уплотнение каналов связи или их временным мультиплексированием. При этом по линиям связи передаются аналоговые или дискретные сигналы, но не цифровые коды, что принципиально ограничивает их пропускную способность. В современных компьютерных системах используются цифровые технологии передачи информации.

5. Системы являются "закрытыми", т.е. они не обладают информационной совместимости друг с другом, исключение составляет система "Ветер". Также действующие системы не совместимы с современными компьютерными информационными системами, что не позволяет использовать собираемую информацию для эффективного управления производством и решения задач идентификации и прогноза опасных геодинамических явлений и пожароопасности.

6. До сих пор существующие технические средства позволяли создавать достаточные с точки зрения требований обеспечения безопасности, но ограниченные по функциональным возможностям системы контроля, защиты и управления. Можно предположить, что действующие системы в силу своей технической отсталости становятся препятствием на пути разработки и внедрения новых алгоритмов контроля, управления и обеспечения безопасности горных работ.