Основными факторами, сдерживающими применение современных средств автоматизации для технологического процесса проветривания горных выработок являются большая пространственная распределенность шахтного поля и специфические условия работы оборудования.
В статьях [1,2] была обоснована возможность применения для контроля основных параметров шахтной атмосферы специализированных подземных замерных пунктов ПЗП, построенных с применением микроконтроллерных средств и позволяющих передавать информацию в управляющую ЭВМ непосредственно в цифровом виде.
На сегодняшний день самым простым, надежным и относительно дешевым средством передачи цифровой информации является последовательный интерфейс RS-485. Он использует полудуплексный (для 2-wire) протокол и способен передавать информацию с максимальной скоростью 100Mbps на расстояние до 1200м. Скорость передачи и помехозащищенность обеспечивается использованием сбалансированной линии связи. Средой передачи информации обычно является экранированная витая пара (STP) с экраном в качестве «земли». Стандарт RS-485 обычно предусматривает только 32 пары передатчик/приемник, но производители расширили возможности протокола RS-485, и теперь он поддерживает от 128 до 255 устройств на одной линии, а используя репитеры можно продлевать линию с RS-485 практически до бесконечности.
Отсутствие стандарта на связной протокол этого интерфейса побудило многих разработчиков периферийных устройств вести работы именно в этой области. И на базе электрических параметров RS-485 были построены так называемые полевые шины (Fieldbus), которые отличаются друг от друга именно программно-логическим протоколом передачи. На сегодняшний день их известно несколько десятков. Тем не менее, из столь широкого спектра полевых шин наиболее зарекомендовала себя технология Foundation Fieldbus, разработанная для удовлетворения требованиям, предъявляемым к современным системам промышленной автоматизации.
Основой визуального представления объектов автоматизации в технологии Foundation Fieldbus являются так называемые функциональные блоки, которые представляют собой пакетную реализацию функций управления, таких как, например, аналоговый ввод, аналоговый вывод и ПИД-регулирование [3]. Существуют также дополнительные стандартные функциональные блоки, предназначенные для управления процессом: блоки дискретного входа, блоки дискретного выхода, ПИД-контроллер, селектор сигналов, операторский ввод, блок отношение-смещение и блок отношение. Функциональные блоки встроены в полевые устройства, за счет чего обеспечивается необходимый уровень функциональных возможностей устройства.
Технология поддерживает такие немаловажные функции как автоконфигурирование, схожее с известным plug-and-play, функциональная совместимость и свобода выбора поставщика периферийного оборудования (для этого используется специальный язык описания устройств), диагностика и регламентная информация полевых устройств, программная коррекция ошибок и др.
Все вышеперечисленные достоинства Foundation Fieldbus особенно важны для шахтных условий, ведь технология ведения горных работ связана с постоянным перемещением оборудования (продвигание лав), а следовательно и переключением устройств в различных сегментах сети. Кроме того, при выходе из строя какого-либо оборудования оно может быть заменено оборудованием другого изготовителя.
Рисунок 1 – Структурная схема АСУП
На рисунке 1 приведена структурная схема многоуровневой автоматизированной системы управления проветриванием шахты, построенная с использованием на полевом уровне технологии Foundation Fieldbus.
Для обмена информацией между устройствами полевого уровня (ПЗП, ЗПВ и РРВ [2]) и УЭВМ необходимо использовать специальные устройства, называемые интерфейсные модули. Каждый такой модуль обслуживает веб-страницу на терминале оператора, куда подаются значения переменных процесса в формате с плавающей запятой и информация о состоянии любого устройства, а также может быть произведено конфигурирование первичных устройств и самого модуля. Отображение информации осуществляется путем присваивания тега. Интерфейс Ethernet позволяет считывать данные с любого первичного устройства или записывать их в него с помощью стандартного web-браузера (Internet Explorer, например) без применения дополнительного программного обеспечения. Для предотвращения несанкционированного доступа к данным имеется защита с помощью ввода имени пользователя и пароля.
Модули располагаются в околоствольных дворах и на поверхности. Подземные модули обеспечивают преобразование протокола Foundation Fieldbus, используемого полевыми устройствами, в протокол Modbus предназначенный для передачи информации на поверхность. Протокол Modbus является универсальным, поскольку специальный физический интерфейс для него не определен. Он может работать используя интерфейсы RS-232С, RS-422 или RS-485 в зависимости от назначения.
Модуль имеет четыре сегмента (выходных порта), с помощью которых обеспечивается соединение с 64 первичными устройствами, т.е. до 16 на сегмент. Для приема/передачи информации и управления самим модулем имеется 0 – вход. В каждом сегменте дополнительно имеется встроенный регулятор мощности, служащий для безопасной работы устройства во взрывоопасных зонах, являющийся по сути дела токовой отсечкой.
Поверхностный модуль отличается от подземного тем, что имеет еще один, дополнительный 0 – вход для протокола Ethernet, используемого для связи с подсистемой управления. Сам модуль используется как общий шлюз для связи с подземными модулями, т. е. для двухстороннего преобразования Modbus-Ethernet, а его выходные сегменты используются для связи с ЗПВ, ПЗП для вентилятора и АВК [1].
Локальная вычислительная сеть построена на основе технологии Ethernet, а точнее ее высокоскоростная модификация Fast Ethernet, способная передавать информацию на скорости 100 Мбит/с. С ее помощью осуществляется связь управляющей ЭВМ с серверами баз данных, терминалами инженеров-технологов и прокси-сервером. Сеть построена с применением специальных сетевых устройств: хабов, свичей и маршрутизаторов для осуществления распределенного трафика между участниками сети.
Таким образом, применение технологии Foundation Fieldbus совместно с интеллектуальными замерными станциями (подземными замерными пунктами) позволит значительно расширить возможности автоматизации процесса проветривания на горном предприятии.
Перечень ссылок
1. Левицкий Д. А., Оголобченко А. С. Обоснование структуры автоматизированной системы управления проветриванием горных выработок шахт// 3 международная научно-техническая конференция аспирантов и студентов «Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых».– Донецк 14-15 мая 2003г.
2. Левицкий Д. А., Оголобченко А. С. Автоматический контроль параметров рудничной атмосферы в горных выработках // 5 юбилейная межрегиональная молодежная научная конференция «СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ». Донецк 17-19 марта 2004г.
3. Гупта А., Каро Р. Foundation Fieldbus: выбор промышленной сети для автоматизации технологических процессов. – СТА, 1999 №3 с.16-20