ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Опасность горных работ общеизвестна. Причинами опасности являются те особые условия, в которых приходится вести горные работы.

Давление горных пород на кровлю и стены шахтных выработок, постоянно грозящее обвалами; удушливые и взрывчатые газы и пыль; скопление воды в толщах пород и верхних горизонтах и прорывы ее в действующие выработки; необходимость для значительной части шахтеров ежедневно передвигаться к месту работ по вертикальным или крутонаклонным выработкам; обычная теснота подземных выработок, скудное освещение, а в иных случаях плохое проветривание, высокая температура и влажность воздуха и постоянный проливной дождь водяных струй и брызг с кровли и стен выработок – все это создает целый ряд весьма серьезных, отчасти стихийных источников опасности для жизни и здоровья горнорабочих, которым приходится не только нести на себе риск промышленного рабочего вообще (повреждения инструментами, механизмами, машинами, проводами, падение тяжелых предметов, ожоги паром и т. п.), но и подвергаться воздействию многочисленных опасностей, присущих непосредственно горному делу.

Статистика несчастных случаев в промышленности показывает, что для горнорабочего риск погибнуть, по крайней мере, в 4 раза выше риска рабочего-металлиста. Подземные горные работы опасны еще в том отношении, что при них возможны массовые, катастрофического характера несчастные случаи такого масштаба, как ни в какой иной отрасли промышленного труда. Особенно опасны по своим последствиям взрывы газа и пыли, пожары и внезапные выделения газов.

1. Актуальность темы

Выбранная тема актуальна, так как обеспечение безопасности труда горнорабочих – важная проблема на сегодняшний день для всего мира и отдельно для нашего региона, учитывая его основную деятельность. Промышленный потенциал Донецка занимает 2-е место в области по объемам промышленного производства (после Мариуполя) и 1-е место по темпам роста. На территории города расположено 94 угледобывающих предприятия. Вместе с городом Макеевка – являлся крупнейшим промышленным узлом.

И сегодня угольная отрасль – одна из стратегических для Украины благодаря тому, что уголь собственного производства составляет львиную долю в объемах поставок на отечественные энергогенерирующие и коксохимические предприятия. Поэтому благополучие угольщиков – это составная часть и энергетической безопасности Украины, и экспортного потенциала металлургов (экспорт металлургической продукции обеспечивает до 40% общей валютной выручки в стране). Как неразумная приватизация, так и отсутствие финансирования на модернизацию предприятий могут негативно сказаться на экономике всего государства.

Угольная отрасль Украины лидирует по уровню травматизма и смертности на производстве. По официальной статистике каждый добытый миллион тонн угля на Украине забирает жизнь двух горняков. Для сравнения: в США – 0,03, в России – 1,1 [1]. Это связано с опасными условиями работы шахтеров, а также с несовременным, устаревшим оборудованием в шахте. И сегодня необходимо уделить особое внимание проблеме безопасности шахтеров.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью работы является разработка автоматизированной системы наблюдения и поиска горнорабочих в шахте, соответствующей НПАОП 10.0-1.01-08 «Правила безпеки у вугільних шахтах» [2].

Объектом исследования в работе является процесс поиска и наблюдения горнорабочих в шахте.

Предметом исследования выступают автоматизация процессов поиска и наблюдения шахтеров.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- исследовать и проанализировать существующие способы и средства поиска горнорабочих в шахте;

- провести анализ существующих систем наблюдения и поиска горнорабочих в шахте;

- разработать структуру и алгоритм работы автоматизированной системы наблюдения и поиска горнорабочих в шахте;
- выбрать комплекс аппаратно-технических средств для реализации разработанной системы.

В данной работе осуществлен обзор и анализсуществующих систем.

3. Обзор исследований и разработок

Ученые всего мира занимаются проблемами безопасности горнорабочих, но несмотря на постоянное совершенствование технологий, вопрос по обеспечению безопасности горнорабочих пока остается открытым. На сегодняшний день существует достаточно большое количество систем, занимающихся вопросами табельного учета, позиционирования и поиска горнорабочих.
Структура обзора системы: общее описание системы, выполняемые функции, техническая база, принцип работы.

3.1 Система позиционирования персонала и транспорта СПГТ-1

Система позиционирования горнорабочих и транспорта СПГТ-41 предназначена для выполнения требований п.41 ПБ 05-618-03 и п.17 ПБ 03-553-03 в части обеспечения наблюдения за положением персонала и внутришахтного транспорта, находящихся в подземных выработках, и предоставление информации об их местонахождении шахтным и аварийно-спасательным службам [9].

СПГТ использует технологию активных RFID-меток и обеспечивает работу в аварийной ситуации в течение 16-24 часов при отсутствии сетевого питания.

Выполняемые функции:

    наблюдение за местонахождением и передвижением персонала в подземных выработках;

    наблюдение за местонахождением и передвижением внутришахтного транспорта;

    учет работы внутришахтного транспорта;

    контроль наличия людей впереди движущегося транспортного средства;

    организация табельного учета.

Основные программно-технические средства:

     радиоблоки (РБ);

     сервер - компьютер в промышленном исполнении;

     маршрутизатор – программируемый коммутатор сети Ethernet 10/100TX;

     барьеры искробезопасности (БИ);

     АРМ Диспетчера ;

     АРМ Ламповщика;

     АРМ Табельщика;

    считыватели (СЧ);

     повторители (ПВ);

     источники питания (ИП;

     автономная точка отметки (АТО) – постоянно излучающее устройство, имеющее автономное питание и не связанное с сервером системы проводными линиями связи. АТО закладывается в скважину (шпур), пробуренную в борту выработки в зоне, где необходимо контролировать появление ВШТ, и выполняет функцию идентификатора данной зоны (забоя, участка, выработки и т.п.);

     мобильное устройство регистрации (МУР) - приемопередатчик, выполняющий функцию идентификатора транспортного средства и обеспечивающий передачу данных от автономной точки отметки на стационарный считыватель.

Структура системы представлена на рисунке 1.

Система СПГТ-1

Рисунок 1 – Структура системы СПГТ-41

Принцип работы системы. Работа системы позиционирования горнорабочих и транспорта СПГТ-41 основана на регистрации маломощных высокочастотных приемопередатчиков (меток), встраиваемых в шахтные головные светильники горнорабочих, на стационарных считывателях, расположенных на поверхности и в подземных выработках. Метки горнорабочих входят в состав радиоблоков СУБР-02СМ, обеспечивающих одновременную работу в составе системы СПГТ-41 и комплекса аварийного оповещения СУБР-1П.

Основой проводной связи с интерфейсом RS-485 являются магистрали связи, количество которых определяется топологией контролируемой шахты (рудника). Деление магистрали связи на сегменты осуществляется с помощью повторителей, при этом длина сегмента не должна превышать 3,5 км и количество устройств на сегменте должно быть не более 14.

Позиционирование горнорабочих осуществляется путем фиксации сигнала персональных радиоблоков, встроенных в головные светильники, на стационарных считывателях УРПТ. Взаимодействие между считывателем и меткой системы позиционирования, встроенной в радиоблок, является двунаправленным и беспроводным.

Считыватели устанавливаются на входах в шахту (рудник), на границах участков, входах в штреки, уклоны, бремсберги и т.п., их количество определяется топологией горных выработок и желаемой точностью определения положения персонала. Расположение считывателей должно обеспечивать разделение подземного пространства на непрерывную систему зон (участков). Считыватели, установленные на входах в шахту (рудник), контролируют наличие персонала в подземных выработках. Считыватели, установленные в подземных выработках, контролируют наличие персонала в зонах считывания. Последовательная фиксация радиоблока горнорабочего на разных считывателях позволяет отследить маршрут его движения [3].

3.2 Аппаратно-программный комплекс АСТУ-АМИ

АСТУ-АМИ – это программно-аппаратный комплекс для шахт, сочетающий в себе возможности полной автоматизации табельного учета предприятия и решения традиционных задач контроля и управления доступом работников и посетителей на предприятие и его объекты [4].

АСТУ-АМИ реализует следующие функции:

- идентификация персонала и посетителей с помощью электронных карточек – пропусков и их аналогов – радиочастотных идентификаторов, встроенных в шахтерские светильники;

- контроль местонахождения и передвижения персонала и посетителей по территории предприятия, а также формирование сведений для обеспечения безопасных условий его работы;

- информационное обеспечение мероприятий по ликвидации аварийных ситуаций (в случае аварийной ситуации на основе данных о регистрациях ПО АСТУ-АМИ позволяет оперативно сформировать отчет о наличии работников на территории предприятия и его объектах);

- автоматическая регистрация прихода-ухода и других типов событий;

- контроль и управление доступом персонала и посетителей на предприятие и его объекты на основе прав доступа, с использованием выбранных технических средств, а также средств видеонаблюдения.

Структура системы представлена на рисунке 2.

ASTU-AMI

Рисунок 2 – Структура автоматизированной системы табельного учета и контроля доступа АСТУ-АМИ

В составе технических средств используются сертифицированные взрывобезопасные табельные идентификаторы, разработанные для систем автоматизированного табельного учета подземных трудящихся шахт и других предприятий, имеющих взрывоопасные условия. ВТИ позволяет осуществлять радиочастотное считывание идентификационных номеров карточек и идентификаторов, конструктивно встроенных в головные светильники непосредственно в шахте.

Система открыта для подключения новых типов устройств и расширения функциональных возможностей.

Набор функциональных возможностей системы определяется заказчиком, в зависимости от специфики реализуемого проекта.

Основные задачи, решаемые АСТУ:

- контроль и управление доступом в шахту;

- контроль нахождения шахтеров в определенных зонах в шахте;

- табельный учет подземных трудящихся и работающих на поверхности.

Идентификаторы в АСТУ:

- RFID карточки (контроль и управление доступом на территорию работников шахты и посетителей, отметка прихода на шахту и ухода учитываемых работников, получение/возврат светильников в ламповой);

- активные абонентские устройства в аккумуляторных банках светильников (автоматическая идентификация шахтера в зоне линейного считывателя системы позиционирования);

- пассивные RFID транспондеры в фарах светильников (регистрация получения/возврата светильников, управление доступом в шахту через турникет в ламповой, отметка спуска на нижней посадочной площадке наклонного ствола).

Основное оборудование АСП-ТУ:

- турникеты со считывателями карточек и пассивных транспондеров в фарах светильников в общепромышленном исполнении;

- считыватели карточек и пассивных транспондеров в фарах светильников во взрывобезопасном исполнении;

- линейные считыватели активных абонентских устройств в аккумуляторных банках светильников;

- коммуникационное и энергообеспечивающее оборудование излучающей кабельной сети;

- коммуникационное оборудование кабельных линий связи контроллеров турникетов на поверхности, вычислительная техника и сетевое оборудование.

Организация выдачи светильников в ламповой:

- шахтер передает свою карточку ламповщице, которая регистрирует ее поднесением к считывателю «Выдача»;

- проверив по фотографии на карточке принадлежность ее работнику, ламповщица приносит его светильник и поднесением фары к тому же считывателю «Выдача» регистрирует его выдачу (карточка может оставаться в ламповой до возврата светильника);

- при выдаче резервного светильника, ламповщица поднесением карточки шахтера к персонализатору вызывает на экран ПЭВМ его учетную форму, а затем поднесением фары светильника «прикрепляет» его к данному работнику.

Организация доступа в шахту осуществляется следующим образом:

- шахтер обязан («Инструкция по табельному учету предприятия») поднесением фары светильника к считывателю турникета в ламповой получить разрешение на спуск в шахту и зарегистрировать время начала движения к рабочему месту (ходовые);

- АСП-ТУ может блокировать турникет и не разрешить спуск: не в свою смену, в отпуске, на больничном, без нарко — или медосмотра;

- при выезде поднесением фары светильника к считывателю турникета шахтер обязан зарегистрировать факт и время выезда (ходовые и упряжка).

Организация возврата светильников в ламповой:

- при возврате светильника ламповщица поднесением его фары к считывателю «Возврат» регистрирует время и факт возврата светильника;

- установив светильник на зарядное место, ламповщица возвращает работнику его карточку после поднесения ее к тому же считывателю.

 Достоинства АСТУ-АМИ:

- практически абсолютная достоверность табельной информации;

- интеграция профессионального табельного учета с управлением доступом;

- многопользовательский режим и интеграция с задачами расчета зарплаты;

- полное соответствие отраслевым требованиям [5].

3.3 Система Радиус – 2

Система «Радиус-2» является комплексом, интегрирующим без значительных затрат в единой системе беспроводного подземного аварийного оповещения и персонального вызова новые дополнительные функции поиска людей, застигнутых аварией - подсистема «РадиусПоиск» и наблюдения местонахождения людей в шахте и автоматический табельный учет - подсистема «РадиуСкан».

Система «Радиус-2» обеспечивает повышение оперативности спасательных работ в аварийной ситуации и в управлении подземным горным производством. Горный диспетчер имеет возможность мгновенно передать с пульта, установленного на поверхности шахты, сквозь толщу горных пород в любое место шахты сигнал общего аварийного оповещения для эвакуации людей из шахты или персонального вызова шахтеру для связи с диспетчеров с ближайшего телефона.

Зона действия системы: в любом месте шахты на любую глубину сквозь горный массив не зависимо от проводимости пород.

Емкость кодов системы «Радиус-2»: персонального вызова - 1024, общего оповещения по типу аварии - 4. Передача цифровых или текстовых сообщений - 16 запрограммированных сообщений.

Принцип действия аппаратуры беспроводного подземного аварийного оповещения и персонального вызова показан на рисунке 3.

Radius-2

Рисунок 3 – Принцип действия аппаратуры беспроводного подземного аварийного оповещения и персонального вызова

Принцип действия аппаратуры беспроводного подземного аварийного оповещения и персонального вызова построен на использовании технологии передачи сигналов сквозь горный массив.

В случае предаварийной или аварийной ситуации (уровень содержания метана, пожар, обвал...) диспетчер шахты с пульта управления передающего устройства, установленного на поверхности шахты, передает кодовые радиосигналы аварийного оповещения или персонального вызова в подземные выработки сквозь толщу горных пород.

Шахтерское абонентское устройство приемное, встроенное в крышку светильника принимает сигналы и преобразовывает их в мигание лампы светильника различной частоты и длительности и в звуковые сигналы.

По типу этих сигналов шахтеры получают информацию о происходящих событиях в шахте - Авария или Вызов.

Интегрирующим сигнально-информационным устройством системы «Радиус-2» является шахтерское многофункциональное приемное устройство «Радиус 1-ПРМ 8».

Устройство приемное «Радиус 1-ПРМ 8» выпускается в различных вариантах исполнения в зависимости от типа шахтного головного светильника, в который он встраивается.

Все шахтные головные светильники - радиосигнализаторы (завод изготовитель: ООО «ПЗ Светотехника», г. Прокопьевск, ПО «Электроточприбор», г. Омск, ООО «Аэротест», г. Москва и др.) сертифицируются в составе системы «Радиус-2» в установленном порядке.

В зависимости от назначения встраиваемое устройство приемное 

«Радиус 1-ПРМ 8» c основной функцией:

-         оповещение об аварии, персональный вызов людей независимо от того в каком месте шахты они находятся дополняется функциями:

-         Поиск застигнутых аварией людей в шахте

-         Наблюдение местонахождения, автоматический табельный учет персонала шахты.

Управление устройством передающим осуществляется от пультов местного и дистанционного управления (ПДУ) или от персонального компьютера с помощью интерфейса RS-485 и программного обеспечения «Radius» для Windows.

Максимальное удаление пульта дистанционного управления от передатчика - 1 км. Для обеспечения управления на расстоянии более 1 км могут быть использованы локальные сети Ethernet (витая пара, оптоволокно, радиоканал) сетевые протоколы ModBus/RTU, ModBus/TCP или аналоговые модемы, работающие по выделенной телефонной паре.

Передача сообщений осуществляется посредством низкочастотных электромагнитных волн используя сетку частот с нижнего диапазона 25 Герц до 2500 герц с шагом 50 герц.

Сетка частот дает возможность выбрать оптимальную частоту просвечивания горных пород в зависимости от ее удельной проводимости. Передающее устройство может программно переходить с одной частоты на другую. Разделение по частоте позволит решить проблему совместимости шахтных полей избирательным образом [6].

В результате анализа современных систем безопасности в шахте была выявлена общая структура системы безопасности в шахте. Структура данных систем аналогична представленной на рисунке 4.

Общая структура
Рисунок 4 – Структура системы наблюдения и поиска горнорабочих в шахте

Как видно, основными элементами современных систем являются:

-  считыватели;

-  метки – уникальные идентификаторы горнорабочих;

-  система передачи данных – коммутаторы, сеть;

- поверхностный комплекс – автоматизированные рабочие места диспетчеров, серверы хранения информации.

Принцип работы системы следующий. В светильник каждого горнорабочего встроена уникальная метка. По всей шахте, в зависимости от ее топологии, расставлены считыватели этих меток. При прохождении шахтером через зону считывания, метка регистрируется считывателем и далее по сети передачи данных поступает на диспетчерский пульт. Таким образом, решаются два вопроса: табельный учет и позиционирование горнорабочих. А также в случае аварии горноспасателям предоставляется оперативная информация о последнем местонахождении шахтеров в шахте. Но остается открытым вопрос оповещения и поиска горнорабочего непосредственно за завалом. Диспетчер на поверхности должен видеть информацию о количестве горнорабочих в шахте и их конкретном местоположении (см. рис. 5).

Информация о горнорабочих в шахте
Рисунок 5 - Информация о горнорабочих в шахте (анимация: 5 кадров, 3 цикла повторений, 40,5 килобайт)

 

4. Использование беспроводных технологий в шахте

Рассмотрим подробнее используемый в приведенных системах идентификатор и особенности его использования. В качестве данных меток используется так называемая, RFID – метка. Она обладает своими преимуществами, в частности: бесконтактная работа, работа вне прямой видимости, хранение достаточно большого хранения данных, поддержка чтения нескольких меток, прочность. Все эти преимущества безусловно имеют место, но недостатки RFID – метки, делают их применение в шахтных условиях невозможным. К недостаткам или ограничениям использования RFID – метки относят:

1. Невысокие рабочие характеристики в присутствии радионепрозрачных и радиопоглащающих материалов. Такое поведение зависит от частоты. Технология в современном её состоянии плохо работает с такими материалами, а в некоторых случаях отказывает полностью.

2. Воздействие факторов окружающей среды. Условия окружающей среды могут оказывать негативное влияние на RFID-решения. Если рабочая среда содержит большое количество металла, жидкости и т.д. это может влиять на точность чтения меток в зависимости от частоты.

3. Воздействие помех от аппаратуры. На RFID-решение может отрицательно влиять неправильная установка аппаратуры (например, расположение и ориентация антенны).

4. Ограниченная проникающая способность энергии радиоволн. Хотя RFID не требует прямой видимости, существует предел проникновения энергии радиоволн, даже в радиопрозрачные объекты [7-8].

На сегодняшний день перспективной заменой технологии RFID является технология ZigBee. Рабочая частота 2.4 ГГц.  Она выигрывает по таким критериям как низкое энергопотребление и помехустойчивость. Также  технология ZigBee обладает следующими преимуществами:

Технология ZigBee не предназначена для передачи больших объемов информации. Однако для передачи показаний датчиков, объем которых редко превышает  десятков байт, не требуется высоких скоростей – в этом случае обязательны высокие показатели по энергопотреблению, цене и надежности [11].

Еще одной отличительной чертой от используемых технических средств в современных системах позиционирования, является то, что в системе с использованием технологии ZigBee не будет деления на считыватели, идентификаторы и поисковые устройства. Все эти устройства будут заменены на ZigBee модули, с разной спецификацией:

mesh
Рисунок 6 – Топология Mesh сети

Все эти устройства будут составлять единую карту устройств, которые способны обмениваться между собой информацией. Это связано с тем, что технология ZigBee поддерживает не только простые топологии беспроводной связи («точка-точка», «звезда»), но и сложную ячеистую топологию Mesh (см рис.7).

Сообщения поступают от узла к узлу, до тех пор, пока не достигнут конечного получателя. Возможны различные пути прохождения сообщений, что повышает доступность сети в случае выхода из строя того или иного звена [11].

Выводы

Анализ существующих систем наблюдения горнорабочих под завалами показал, что современные системы теоретически решают поставленные в «Правилах безопасности в угольных шахтах» задачи, но на практике представленные системы имеют ряд недостатков.

В связи с этим предлагается разработать автоматизированную систему наблюдения и поиска горнорабочих в шахте на базе существующих принципов и структуры системы, но с использованием технологии ZigBee.

Таким образом, новая система будет обладать рядом преимуществ по сравнению с предыдущими аналогами:

- точность позиционирования, за счет того, что данные устройства не подвержены влиянию окружающей среды, в отличие от RFID;

- доступна функция двухстороннего оповещения и связь между горнорабочими; 

- возможность поиска шахтера в случае аварийной ситуации.

Список источников

1. Аварии на шахтах Украины в 2007-2010 годах. Справка [Электронный ресурс]/ РИА Новости – Режим доступа: http://www.rian.ru/spravka/20100613/245849728.html

2. Про затвердження Правил безпеки у вугільних шахтах: Закон Украіни від 07.09.2011 N 960 // Офіційний вісник України. – 2011. – № 62 – Режим доступу: http://zakon2.rada.gov.ua/laws/show/z0327-05

3. Система позиционирования горнорабочих и транспорта СПГТ-41. [Электронный ресурс] – Электрон. дан. – Ingortech, 2007 - Режим доступа:http://www.ingortech.ru/index.php?option=com_content&task=view &id=98&Itemid=31

4. Брейман М.Г. К концепции автоматизации табельного учета горнодобывающих предприятий / М.Г. Брейман, В.Н. Терещенко//Уголь – 2006 –  №4. 56 с.

5. Трухин В.И.Украина и Кузбасс - интеграция на службе повышения безопасности и эффективности в угольной отрасли/Журнал "ТЭК и ресурсы Кузбасса", - 2004 г. Режим доступа:  http://shtrih-m.kuzbass.ru/articles/1

6. Система Радиус – 2 [Электронный ресурс] - Электрон. дан. – Научно-внедренческий инженерный центр «Радиус», 2005 - Режим доступа: http://www.radius-nvic.ru

7.  Финкенцеллер, Клаус. RFID-технологии. Справочное пособие / К. Финкенцеллер; пер. с нем. Сойунханова Н.М. — М. : Додэка-XXI, 2010. — 496 с.: ил. — Доп. тит. л. нем. — ISBN 978-5-94120-232

8. Преимущества и ограничения RFID технологии  [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.itproject.ru

9. Правила безопасности в угольных шахтах: Постановление Госгортехнадзора России № 50 / Начальник Госгортехнадзора России В.М. Кульечев. – М.: Москва – 2004. – 134 с.

10. Краткий теоретический курс по технологии беспроводных сетей ZigBee [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://indemsys.ru

11. Панфилов Дмитрий. Введение в беспроводную технологию  ZigBee стандарта 802.15.4/ Панфилов Дмитрий, Соколов Михаил//Электронные компоненты – 2004 – 12. С. 75.


Замечание

На момент написания данного реферата магистерская работа еще является не завершенной. Предполагаемая дата завершения: 1 декабря 2012 г., ввиду чего полный текст работы, а также материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя только после указанной даты.