АННОТАЦИЯ
Описана разработанная компьютеризированная система мониторинга и моделирования, предоставляющая в режиме реального времени информацию о параметрах подземной шахтной вентиляционной сети на каждом из выемочных участков. Моделирование производится путем обработки информации, поступающей от датчиков вентиляционной сети, с помощью специализированного программного обеспечения. Программное обеспечение предназначено для связи информационных электронных датчиков реального времени подземной шахтной вентиляции и программной сети для проведения моделирования, анализа значений ключевых параметров системы и принятия оперативных мер.
Результатом проекта является интернет-система, которая обеспечивает оповещение об изменениях в вентиляционной сети шахты, устранение причин изменений, ликвидацию неисправностей, улучшение баланса поступающего в шахту воздуха, отказ от использования труда рабочих для измерений и проверки параметров подземной вентиляции, уменьшение энергопотребления и управление режимом проветривания в чрезвычайных ситуациях.
Описаны основные направления работы, связанной с исследовательской деятельностью, которая заключается в модификации программного обеспечения, установке оборудования, тестирования и оптимизации работы добычных участков. Проект поддержан действующими шахтами и испытан на их системах вентиляции.
ВВЕДЕНИЕ
Компьютеризация процесса моделирования и мониторинга вентиляционной сети является важным фактором при ведении подземных горных работ. Основные требования к системе вентиляции – обеспечение оптимального распределения воздуха при производстве горных работ и выполнение законодательных предписаний и правил безопасности в отношении качества вентиляции. Распределение воздуха вентиляционной сетью упрощается при использовании средств моделирования и прогнозирования. Оперативный анализ характеристик системы вентиляции во время нормальных и ненормальных режимов работы может быть довольно сложным как в теоретическом, так и в аналитическом плане, требующем формирования решений с использованием компьютеризированной среды. Мониторинг системы обеспечивает возможность одновременно наблюдать за многими параметрами подземной среды. Мониторинг вентиляционной сети позволяет осуществлять контроль количества и давления воздуха, концентрации газа, а также выполнять психрометрические наблюдения.
Интеграция средств мониторинга и контроля рудничной среды в режиме реального времени в разработанную систему способствует выбору оптимальных параметров вентиляционной сети и обеспечению их оперативного анализа с использованием методов прогностического моделирования для выявления ненормальных режимов работы. Развитие сценариев типа «что будет, если» может быть смоделировано с использованием усовершенствованной и более надежной модели системы вентиляции с более высокой степенью точности прогнозирования.
Управление в реальном времени вентиляционной сетью может быть достигнуто путем использования современных систем управления и управляемых элементов вентиляционной сети. Интеграция модели, предназначенной для представления параметров вентиляции, формирования требований к воздушному потоку, контроля и оптимизации параметров вентиляционной сети, может быть реализована со значительным уровнем безопасности и существенным экономическим эффектом.
Цель данной работы состоит в описании программы научных исследований по разработке системы контроля и мониторинга параметров вентиляции в режиме реального времени.
ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ
Целью данного исследования является разработка компьютеризированной системы мониторинга и контроля параметров шахтной вентиляции, обеспечивающей предоставление информации в режиме реального времени о каждом участке подземной вентиляционной сети. Измерение значений скорости движения и давления воздуха на отдельных участках сети производится путем моделирования прохождения воздушных потоков через все остальные участки. Такой подход к моделированию системы вентиляции обеспечивает более глубокое понимание процесса циркуляции воздушных потоков по всем горным выработкам и позволяет контролировать пиковые, мгновенные и средние показатели температуры и концентрации газа в производственных целях. Это обстоятельство позволяет упростить задачу при ликвидации чрезвычайных ситуаций. В рамках системы в качестве инструмента исследования используется программа моделирования вентиляционной сети «Ventsim». Данное программное обеспечение предназначено для сбора информации от подземных датчиков мониторинга шахтной вентиляционной сети, проведения моделирования сети, анализа значений ключевых параметров системы и принятия оперативных мер.
После обновления показаний от датчиков программа моделирования перестраивает всю систему вентиляции шахты, формирует отчет о характеристиках воздушных потоков на всех участках и сравнивает значения параметров на отдельных участках с ожидаемыми значениями.
Система разрабатывается для изучения воздействия температуры и газа на систему вентиляции. Подземные измерения и анализ температуры и концентрации газа производятся электронными преобразователями. Полученные данные изменяются для импортирования форм в сеть компьютеризированного программного обеспечения с целью анализа. Это позволяет рассчитать максимально допустимые значения температуры и концентрации газа для сети.
Основными преимуществами использования системы являются:
поиск и устранение неисправностей при возникновении любой аварийной ситуации в подземной системе вентиляции с непосредственным указанием места (т.е. с указанием номера трубопровода) и типа аварии (например, недостаточное количество воздуха, короткое замыкание, утечка воздуха);
мониторинг количества и качества воздуха в вентиляционных трубопроводах для определения эффективности проектирования вентиляции.
обнаружение отказа регулятора вследствие его неправильной настройки, внезапного повышения скорости движения воздуха или уменьшения перепада давления;
обнаружение остановки процесса проветривания и разгерметизации трубопровода вследствие изменения параметров воздушного потока (подобные изменения могут привести к образованию скоплений газа и их внезапному воспламенению);
обнаружение любых блокировок в воздушных трубопроводах вследствие отсутствия надлежащего использования оборудования;
мониторинг выработанного пространства, контроль утечек при внезапном изменении скорости движения или количества воздуха и повышении уровня загазованности;
предоставление общей оценки производительности вентиляторов для формирования рекомендаций по изменению их мощности до оптимального уровня в целях экономии затрат;
обеспечение эффективного пути эвакуации подземного персонала при возникновении чрезвычайной ситуации;
обеспечение надлежащих маршрутов доступа и отступления для работы горноспасательных команд;
проведение ответственными лицами или их помощниками подземных измерений и проверки параметров вентиляционной сети.
Цель данного исследования заключается в разработке компьютеризированной системы мониторинга и моделирования шахтной вентиляционной сети в режиме реального времени, предназначенной для воспроизведения динамических ситуаций, лучшего понимания процесса циркуляции воздуха по горным выработкам, контроля параметров рудничной атмосферы и принятия оперативных мер при ликвидации чрезвычайных ситуаций. Для моделирования системы вентиляции адаптирована программа «Ventsim», обеспечивающая сбор информации о процессе проветривания в реальном времени, перепрограммирование контролируемых объектов и передачу данных в форму для обеспечения немедленного обзора производительности сети шахтной вентиляции.
СИСТЕМНАЯ ИНТЕГРАЦИЯ
В настоящее время существует два концептуальных варианта интеграции системы мониторинга реального времени: управление алгоритмами телеметрической связи и использование собственной системы телеметрического управления программным обеспечением. Для рассмотрения этих вариантов были учтены многие факторы, в том числе уровень совместимости, присущий каждой системе. Управление алгоритмами телеметрической связи требует наличия программных драйверов, устанавливаемых в собственное программное обеспечение. Однако, на основе разработки интегрируемых решений может быть реализован более широкий спектр функций системы телеметрии. Поэтому выбрано использование собственной системы, требующей реализации связи между разработанной системой управления «Ventsim» и средой Windows 95.
Три основные цели проведения данного исследования:
идентификация существующего телеметрического оборудования и метода, с помощью которого осуществляется связь и управление программным обеспечением в рамках этой системы;
идентификация и развитие каналов связи с использованием мониторинга программных систем для запроса информации от датчиков, изменения информации в соответствии с запросом и представления этих данных в среде «Ventsim»;
модификации «Ventsim» обеспечивают использование разработанной системы мониторинга и дает возможность сетевого использования этой информации.
Развитие каналов связи. Каналы связи требуются для обеспечения взаимодействия между аппаратными средствами мониторинга. Программа «Ventsim» разработана с целью удовлетворения предъявленных к ней требований только в этом конкретном случае. Это решение возникло вследствие борьбы с проблемой ограниченного доступа к собственному программному обеспечению и ограниченных возможностей связи между двумя использующимися операционными системами (OS/2 Warp – система мониторинга, Windows 95 – «Ventsim»).
Систем контроля, схематически представленная на рисунке 1, разработана на основе отраслевых стандартов сети FTP и включает в себя два персональных компьютера, использующих одну из указанных выше операционных систем. Периодически пакет информации (содержится в текстовом файле) о результатах мониторинга отправляется на персональный компьютер в среду Windows 95. Вследствие использования эмулятора псевдореального времени информация доступна для «Ventsim» только периодически (как правило, с интервалом более 30 с).
Рисунок 1. Структурная схема интегрированной системы.
Модификации «Ventsim». Из-за ограничений предоставления информации об изменениях параметров вентиляционной сети для «Ventsim» предусмотрено использование текстового файла с соответствующими данными мониторинга. В этом файле содержатся значения контролируемых параметров вентиляционной сети за последние 30 с.
На рисунке 2 представлены основные модификации «Ventsim». На данном этапе модификации выполняются наиболее простыми с целью обеспечения удобства тестирования надежности разработанных проектов.
Рисунок 2. Модификации интегрированной системы реального времени «Ventsim».
Информация, представленная системой мониторинга, содержит результаты измерений скорости движения воздуха в двух различных местах. Эта информация предоставляется «Ventsim», позволяя использовать ее для расчета размеров воздушных трубопроводов и количества воздуха. Эти величины фиксируются для указанного участка, и сеть производит повторное моделирование для автоматического установления параметров воздушной сети, рассчитываемых на основе обновленной информации.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Степень использования компьютерных программ в горной промышленности как продуктивных исследовательских инструментов постоянно растет. Мониторинг системы вентиляции в режиме реального времени и компьютеризированный анализ ее параметров являются теми сферами, которым уделяется большое внимание. Преимущества разработанной системы заключаются в достижении высокой эксплуатационной безопасности и производительности вентиляционной сети. На сегодняшний день представленные разработки являются шагами к конечной степени развития полной автоматизации процесса проветривания с использованием систем мониторинга, моделирования и управления.
Arakawa, M., Takahashi, K., Tominaga, Y., Umeki, Y. (1989). The application of an expert system to control mine ventilation at the Taiheiyo coal mine under the open sea. In Proceedings of the 4th US Mine Ventilation Symposium (Ed: McPherson M.J.), pp 317-321 (Society of Mining, Metallurgy, and Exploration: Colorado).
Firganek, B. (1988). Environmental Monitoring in Polish Coal Mines. In proceedings of the Fourth International Mine Ventilation Congress (Ed: Gillies A.D.S.), pp 45-52 (The Australasian Institute of Mining and Metallurgy: Melbourne).
Hardcastle, S.G. (1995). 3D-CANVENT: An interactive Mine Ventilation Simulator. In proceedings of the 7th US Mine Ventilation Symposium (Ed: Wala A.M.), pp 467-472 (Society of Mining, Metallurgy, and Exploration: Colorado).
Hatakeyama, Y., Inoue, M., Kimura, Y., Sakai, T. (1992). Real Time Ventilation Network Analysis Based on Anemometers in an Underground Coal Mine, pp 345-350.
Katoh, T., Ono, S., Tominaga, Y. (1995). An Integrated System to Control Airflow Rate Distribution in a Complicated Ventilation Network, in proceedings of the 7th US Mine Ventilation Symposium (Ed: Wala A.M.), pp 473-478 (Society of Mining, Metallurgy, and Exploration: Colorado).
Ketler, A.E. (1997). Windows Based Computer Data Acquisition and Control System Provides Cost/Performance Benefits for Mine-Wide Monitoring. In proceedings of the 6thInternational Mine Ventilation Congress (Ed: Ramani R.V.), pp 77-81 (Society of Mining, Metallurgy, and Exploration: Colorado).
McDaniel, K.H., Strever, M.T., Wallace, K.G. (1995). Underground Ventilation Remote Monitoring and Control System. In proceedings of the 7th US Mine Ventilation Symposium (Ed: Wala A.M.), pp 69-74 (Society of Mining, Metallurgy, and Exploration: Colorado).
McDaniel, K.H., Wallace, K.G. (1997). Real Time Mine Ventilation Simulation, Mining Engineering, pp 71-75.