Рівень розвитку гірничої промисловості в Україні досить високий. Вона цілком забезпечує потреби країни за рахунок власних ресурсів. Однак і аварійність на вугільних шахтах залишається високою. Однією з причин високої аварійності на шахтах є перевищення граничного рівня концентрації метана в рудничній атмосфері, що часто приводить до раптових вибухів з великим числом жертв. Існуючі в даний час програми, розроблені в різних інститутах, що припускають відвід метану з вуглевидобувних шахт, не відповідають сучасним вимогам по двох основних причинах:

• дані програми припускають використання методів гідророзриву, що не відповідає сучасним вимогам по енергоємності і вартості;
• дані програми не дозволяють боротися з причиною, зв'язаною з мимовільним викидом метану в кам'яновугільних шахтах, що приводить до аварій, зв'язаних з людськими жертвами.

Для контролю рівня концентрації метана застосовуються системи автоматизованого контролю стану рудничної атмосфери. Використовувані зараз системи контролю фізично і морально застаріли, на багатьох шахтах давно виробили свій ресурс. З метою підвищення безпеки роботи в шахтах потрібна заміна існуючих систем контролю стану рудничної атмосфери. Однак фінансове положення шахт не дозволяє установити сучасні дорогі системи контролю шахтної атмосфери. Одним з рішень цієї проблеми в короткий термін і з прийнятними витратами є модернізація існуючих систем.

Кінцевим результатом роботи повинен бути запропонований алгоритм цифрової обробки дискретних значень сигналу, алгоритм контролю рудничної атмосфери і мікропроцесорна структура, на якій можливо буде реалізувати дану систему аналізу концентрації метану.

Перехід від аналогової системи до цифрового вносить багато змін не тільки в апаратну частину. Для використання процесорів цифрової обробки сигналів (ЦОС) необхідно вирішити задачу проектування програмного забезпечення, що буде керувати цифровим процесором.

Для доказу можливості використання ЦОС у даній системі, необхідно провести ряд досліджень, зв'язаних із впливом різних параметрів на систему в цілому:

• аналіз існуючих алгоритмів і розробка спеціалізованого алгоритму;
• визначення оптимальної розмірності алгоритму;
• дослідження формату представлення даних у процесі обчислення;
• дослідження формату представлення вхідних даних;
• дослідження реакції алгоритму на перешкоду в електричному ланцюзі;
• визначення динамічного діапазону;
• розробка алгоритму аналізу рудничної атмосфери;
• обґрунтований вибір процесора ЦОС;
• розробка мікропроцесорної структури.

Тому що ДоННТУ і Макіївський науково-дослідницький інститут проводять спільні розробки шахтного устаткування, то передбачається, що дані дослідження й отримані результати знайдуть своє застосування в гірничій промисловості. Нова система менш габаритна, чим використовувані тепер, але це не заважає їй замінити кілька блоків з аналоговими схемами.

По шляху модернізації шахтного устаткування пішли розроблювачі системи автоматизованого контролю параметрів рудничної атмосфери і керування вентиляцією шахт - Макіївський науково-дослідницький інститут (МакНДІ) і Донецький Національний технічний університет (ДонНТУ). Був розроблений апаратно-програмний комплекс КАГІ, за допомогою якого здійснюється контроль концентрації метана в шахтній атмосфері.

Сигнали від датчиків концентрації метану надходять у КАГІ через апарат сигналізації (АС). Як датчики метану використовуються стандартні датчики метану (ДМ) з уніфікованим струмовим виходом, сумісні з АС. Апарат сигналізації здійснює перетворення сигналів, що надходять від трьох датчиків концентрації метана, в один сигнал, що передається на поверхню в пристрій прийому інформації (ППІ). До автомата сигналізації може бути підключене від одного до трьох датчиків метана.

Структура системи контролю рудничної атмосфери

Автомат сигналізації формує безупинний синусоїдальний сигнал від кожного з трьох підключених датчиків, якщо концентрація метану не перевищує припустимий рівень - 2,5%. Крім того, сигнал від одного з датчиків передається у виді постійного струму, величина якого пропорційна концентрації метану. Ці сигнали змішуються і передаються по двухпроводній лінії зв'язку на поверхню. Частоти синусоїдальних сигналів дорівнюють 14, 20 і 26 кГц відповідно для першого, другого і третього датчика. Нижче представлена анімація даного процесу .

Формування безупинних синусоїдальних сигналів від датчиків і їхнє змішування

У випадку перевищення концентрації метана вище заданого рівня (2,5%), зафіксованого одним з датчиків, що відповідає синусоїдальний сигнал переривається з частотою 3 - 5 Гц. Таким чином, у лінію передаються відеоімпульси з частотою 3 - 5 Гц із частотою того датчика, що зафіксував рівень перевищення концентрації метана. У випадку обриву лінії зв'язку з датчиком АС також видає відеоімпульси з частотою 3 - 5 Гц. Така несправність прирівнюється до аварійної ситуації і вимагає негайного втручання диспетчера шахти.

Відеоімпульс з появою аварійної ситауції

Відсутність несучих частот говорить про обрив лінії зв'язку АС з поверхнею чи відсутності напруги живлення.

Крім сигналів від датчиків метана АС формує також сигнал телефонного виклику частотою 1 кГгц.

У системі КАГІ при визначенні параметрів рудничної атмосфери використовується система обробки сигналів від АС, в основі якої лежить аналоговий спосіб обробки інформації. Сигнал, що надходить від АС, фільтрується за допомогою смугових аналогових фільтрів, налаштованих відповідно на частоти 1, 14, 20 і 26 кГц. Після фільтрації формуються дискретні сигнали, що відбивають стан датчиків метана. Потім ці сигнали за допомогою модулів дискретного введення мікропроцесорного субкомплекса контролю і керування (МСКК) надходять у центральну ЕОМ.

За допомогою фільтра нижніх частот з вихідного сигналу АС виділяється постійна складова струму, пропорційна величині концентрації метана. За допомогою схем модулятора-демодулятора здійснюється гальванічна розв'язка по постійному струму і формування на виході напруги, пропорційної величині концентрації метана. Цей сигнал за допомогою модуля аналого-цифрового перетворення МСКК передається в центральну ЕОМ.

Конструктивно схеми перетворення сигналів від одного апарата сигналізації реалізовані у виді окремої плати. Ці плати встановлюються в стійки УПІ. Кількість апаратів сигналізації в шахті може досягати декількох десятків.

Аналогові фільтри досить складні пристрої, що вимагають налаштування в процесі виготовлення й експлуатації. Аналогові схеми мають також наступні недоліки:

• аналогові елементи піддаються впливу температури. Їхні властивості і характеристики змінюються з температурою;
• аналогові елементи мають допуски. У серійному виробництві це створює труднощі при налаштуванні пристроїв;
• електронні компоненти старіють, їхні характеристики і властивості міняються згодом. Це вимагає періодичного налаштування фільтрів, що значно ускладнює експлуатацію пристроїв.

Ці недоліки приводять до зростання вартості виробництва й обслуговування аналогових систем.

Використання цифрових систем обробки сигналів (ЦОС) дозволяє вирішити дані проблеми. У даній роботі досліджується один з можливих підходів до рішення задачі обробки сигналів від АС, заснований на швидкому перетворенні Фур'є (ШПФ).

Характеристики алгоритмів ШПФ, реалізованих на персональному комп'ютері (ПК) і на спеціалізованих процесорах ЦОС, можуть істотно відрізнятися. Це зв'язано з тим, що ПК і процесор ЦОС використовують різні типи арифметики (із комою, що плаває, і з фіксованою комою), мають різні формати даних, а, отже, і різний динамічний діапазон, точність представлення даних. Обмежена розрядність представлення даних приводить до виникнення ефектів, що впливають на результат роботи алгоритму ШПФ. До таких ефектів можна віднести:

• шум квантування вхідних даних при аналого-цифровому перетворенні;
• переповнення розрядної сітки в процесі обчислень;
• округлення проміжних результатів обчислень.

Це приводить до необхідності дослідити алгоритми ШПФ із метою визначення їхніх оптимальних параметрів для реалізації на процесорах ЦОС. Дослідження алгоритмів ШПФ і алгоритму аналізу стану рудничної атмосфери проводилися в системі моделювання MATLAB.

При виборі параметрів алгоритму ШПФ необхідно керуватися мінімальною вартістю апаратної реалізації пристрою цифрової обробки сигналів. Перше питання, що виникає при проектуванні системи ЦОС із ШПФ - його розмірність. Чим більше розмірність ШПФ, тим точніші результати, але при цьому вимагаються більш високі обчислювальні витрати, більший обсяг пам'яті, при цьому зростає імовірність переповнення розрядної сітки процесора. Частоти синусоїд, що містяться в сигналі АС, рознесені досить широко - на 6 кГц, тому розмірність алгоритму ШПФ може бути не високою. Дослідження показали, що для виділення частот 14, 20 і 26 кГц достатньо використовувати 128-крапкове ШПФ при частоті квантування вхідного сигналу 64 кГц. Нижче на малюнку показаний вхідний сигнал, що представляє суму синусоїд з частотами 1, 14, 20 і 26 кГц і результат роботи 128-крапкового ШПФ.

128-крапкове ШПФ

При реалізації ШПФ у процесорах ЦОС важливо визначити формат представлення даних, тому що це впливає на вибір процесора ЦОС. Використання формату даних з комою, що плаває, дозволяє, як правило, виключити виникнення переповнення розрядної сітки при обчисленні ШПФ. Однак, вартість процесорів, що виконують операції з комою що плаває, значно вище процесорів з фіксованою комою. Крім того, час виконання алгоритму БПФ у форматі з комою що плаває, значно більше, ніж з фіксованою. Для багатьох задач ЦОС 16-розрядного формату з фіксованої комою цілком достатньо.

У загальному випадку система моделювання MATLAB робить обчислення з даними, представленими 64 розрядами з комою що плаває. Ефекти квантування даних відбиваються на результатах математичних операцій, виконуваних суматорами й помножниками. Звідси випливає, що процес проектування системи ЦОС повинний включати аналіз ефектів квантування стосовно до тих процесорів, на яких передбачається реалізувати алгоритм ШПФ.

Квантоване ШПФ

У MATLAB є функції, що дають можливість працювати з трьома типами об'єктів - квантовниками сигналів, квантованими фільтрами і квантованим ШПФ, використовуючи різні формати представлення даних. Для створення об'єкта квантованого ШПФ використовувалася функція f=qfft('length',n,'quantіzer',[M N]), де n - розмірність ШПФ, М - довжина слова з фіксованою комою, N - кількість біт після коми.

На рисунку, предтавленому вище, приведені результати обчислення спектрів сигналу, що містить чотири синусоїди з частотами 1, 14, 20 і 26 кГц, за допомогою квантованого ШПФ із різними форматами даних. Розмірність ШПФ дорівнює 128, частота квантування вхідного сигналу 64 кГц. З рисунку видно, що при представленні даних у форматі [16 15] спектр сигналу сильно перекручений через велике число переповнень, а спектр сигналу у форматі [16 10] практично нічим не відрізняється від спектра не квантованого ШПФ. У цьому випадку були відсутні переповнення при обчисленні БПФ.

Дослідження квантованого ШПФ із квантованими вхідними даними показали, що квантування вхідного сигналу за рівнем не робить істотного впливу на спектр сигналу. Це означає, що може бути використаний 8-розрядний аналого-цифровий перетворювач (АЦП).

В міру виїмки вугілля збільшується відстань між АС і системою контролю рудничної атмосфери, що може приводити до значного ослаблення сигналу. У цьому випадку сигнал від АС буде сильно зашумлен. Для дослідження впливу шумів на роботу алгоритму БПФ при малому вхідному сигналі використовувалася програма MATLAB randn(m, n), що генерує дискретний білий шум з нормальним розподілом. Нижче на малюнку показані зашумлений вхідний сигнал і його спектр. Величина перешкоди в два рази перевищувала амплітуду синусоїд сигналу. З рисунку видно, що можуть з'являтися лінії спектра, що відповідають помилковим частотам. У ситуації, коли йде модуляція синусоїд прямокутним імпульсом (режим аварії) при відсутності сигналу АС, перешкода випадковим образом може інтерпретуватися як нормальний сигнал. Для усунення цього явища в алгоритмі аналізу рудничної атмосфери необхідно передбачити додаткову фільтрацію сигналу, що полягає в тім, що сигнал аварії буде виданий, якщо відсутність частоти вхідного сигналу підтвердиться підряд кілька разів. Дослідження показали, що алгоритм 128-крапкового квантованого ШПФ дозволяє легко виявляти частоти сигналів, якщо перешкода не перевищує по величині їхню амплітуду. У противному випадку потрібно підвищити розмірність ШПФ.

ШПФ сигнала з шумами

Тому що процес обчислення виконується безупинно, то для полегшення розуміння, він представлений у виді анімації.

Обчислення частотного спектра зашумленого сигналу

При реалізації алгоритму ШПФ у процесорах ЦОС важко точно реалізувати частоту квантування вхідного сигналу, кратну ступеня 2. На наступному рисунку показаний спектр сигналу з частотою квантування рівної 63 кГц. З рисунка видно, що спостерігається явище "розтікання" спектра. Однак це не заважає зафіксувати наявність сигналу визначеної частоти.

ШПФ сигнала з частотою квантування 63кГц

З метою дослідження і налагодження алгоритму аналізу стану рудничної атмосфери розроблена програма мовою C++ із графічним інтерфейсом, що забезпечує вивід інформації про стан АС і роботу алгоритму аналізу стану рудничної атмосфери. Написані мовою С++ програми БПФ і аналізу стану рудничної атмосфери можуть бути використані як програми-прототипи для розробки програм роботи процесора ЦОС. Програма візуалізації стану сигналів АС може бути використана в центральної ЕОМ диспетчера шахти для аналізу стану рудничної атмосфери.

Програма для дослідження і налагодження алгоритма

Подальшими задачами роботи є вибір найбільш придатного за всіма показниками, процесора ЦОС, розробка оптимальної мікропроцесорної структури, розробка тестового програмного забезпечення для нього, Дослідження реакції програми на критичну зміну параметрів, розробка алгоритму аналізу рудничної атмосфери.

Експерименти показали, що алгоритм ШПФ може бути реалізований на відносно недорогих 16-розрядних процесорах ЦОС, що мають можливість виконувати арифметичні операції у форматі [M N]. Для уведення вхідного сигналу може бути використаний 8-розрядний АЦП із частотою перетворення до 100 кГц.

Невелика розмірність алгоритму ШПФ дозволяє реалізувати ефективні алгоритми обробки сигналів, що надходять від декількох АС, що скорочує витрати устаткування в системі контролю за концентрацією метана. Застосування цифрових методів обробки сигналів у системі контролю рудничної атмосфери дозволяє спростити наземне устаткування системи контролю, підвищити вірогідність одержуваних результатів, скоротити витрати на обслуговування системи, зменшити трудомісткість виробництва і налагодження устаткування.

1. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов/ Пер. с англ.; Под ред. Ю.А. Александрова.- М.: Мир, 1978.- 836с.
2. Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов: Учебник для вузов. 2-е изд. – СПб.: Питер, 2006. – 751 с.: ил.
3. В. Дьяконов MATLAB 6: Учебный курс. СПб.: Питер, 2001. – 592 с.: ил.
4. Научно-техническое руководство по цифровой обработке сигналов. 2-е изд. Стивен В. Смит. 1997-1999, Калифорнийское техническое издательство Сан-Диего, Калифорния. Перевод выполнен фирмой Автэкс Санкт-Петербург. Авторы перевода: Покровский В. Н., Силантьев В. И., 2001.
5. Калабеков Б. А. Микропроцессоры и их применение в системах передачи и обработки сигналов. Учеб. пособие для вузов, 1988, 368 с.