Пшонко О.М., Галкин В.С., Белишев А.А. - Перспективы развития автоматизированной системы аэрогазового контроля и управления технологическим оборудованием шахт </h1>

Аннотация

Пшонко О.М., Галкин В.С., Белишев А.А. Перспективы развития автоматизированной системы аэрогазового контроля и управления технологическим оборудованием шахт. Рассмотрены шахтные приборы и системы контроля, серийно выпускаемые ФГУП СПО «Аналитприбор». Даны характеристика и перспективы развития автоматизированного комплекса контроля рудничной атмосферы АКМР-М.

Текст статьи

Федеральное Государственное Унитарное Предприятие «Смоленское Производственное Объединение «Аналитприбор» – ведущее российское предприятие в области разработки и производства газоаналитической техники, способствующей эффективному решению задач в области безопасности и охраны труда, энерго- и ресурсосбережения, защиты окружающей среды и контроля технологических процессов. Это приборы для измерения концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны и атмосферы, в технологических газах, в выбросах промышленных предприятий и в выхлопных газах двигателей.

ФГУП СПО «Аналитприбор» выпускает как отдельные газоанализаторы, так и комплексные системы для предприятий металлургии, нефтепереработки, нефтехимии, газодобычи, химических производств, предприятий энергетики, в том числе атомных станций, угольных шахт.

Предприятие имеет более чем 10-летний опыт разработки и производства газоаналитического оборудования для шахт, что с учетом многолетнего опыта эксплуатации позволило сформировать комплексный подход к проектированию систем аэрогазового контроля, средства и методы которой используются для мониторинга взрыво-, пожаро-, выбрособезопасности, а также для контроля качества воздуха и наличия в нем вредных газов.

В настоящее время ФГУП СПО «Аналитприбор» серийно выпускает следующие шахтные приборы и системы контроля:

1. Носимый газоанализатор метана АМТ-03. Газоанализатор относится к рудничному особовзрывобезопасному оборудованию (РО) с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» уровня «ia» группы I. Принцип действия газоанализатора – термохимический в диапазоне измерения от 0 до 2,5 % об. и термокондуктометрический в диапазоне измерения от 5 до 100 % об. Газоанализатор при минимальных массо-габаритных показателях (вес 240 грамм, 130х70х26), имеет цифровую индикацию контролируемого компонента, время непрерывной работы без подзаряда – 10 часов, хранение информации о результатах измерений за предыдущие 14 часов, возможность подключения к персональному компьютеру для просмотра и анализа результатов измерений.

2. Переносной измеритель ИКВЧ-ВЗ для контроля запыленности воздуха в шахтах и горных выработках, а также для контроля пылеотложений с целью прогнозирования накоплений взрывоопасных концентраций пыли. Измеритель относится к рудничному особовзрывобезопасному оборудованию (РО) с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» уровня «ia» группы I. Принцип работы оптический абсорбционный, основанный на методе определения оптической плотности пылегазовой среды по степени ослабления модулированного электро-магнитного излучения и пересчета в массовую концентрацию взвешенных частиц через калибровочный коэффициент, определяемый сравнительным методом. Диапазон измерения массовых концентраций пыли – (0,9–3000) мг/м³. Измеритель имеет стандартный цифровой интерфейс RS232 для подключения к персональному компьютеру для просмотра и анализа результатов измерений. Время работы без подзарядки 14 часов. Измеритель имеет малые габариты и массу не более 3,5 кг.

3. Измеритель скорости воздушного потока ДСПШ-20 для непрерывного автоматического измерения скорости воздушного потока в атмосфере угольных шахт – это совместная разработка с Московским государственным горным университетом. Измеритель относится к рудничному особовзрывобезопасному оборудованию (РО) с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» уровня «ia». Принцип действия измерителя – ультразвуковой. Измеритель состоит из блока питания и обработки и выносного измерительного преобразователя со штангой для крепления. Измеритель имеет три режима измерения:

измерение мгновенной скорости воздушного потока;

измерение средней скорости воздушного потока за заданный интервал времени (до 99 с);

измерение расхода воздуха в сечении выработки с учетом расположения измерительного преобразователя в сечении выработки (задается с клавиатуры блока питания и обработки).

4. Комплекс АКМР-М, предназначенный для:

непрерывного измерения объемной доли метана, кислорода, оксида углерода в рудничном воздухе;

измерения скорости воздушного потока при подключении ДСПШ-20;

защитного отключения электропитания шахтного оборудования и выдачи сигналов при достижении предельно допускаемых значений объемной доли метана (автоматическая газовая защита АГЗ);

выдачи управляющих сигналов при достижении предельно допускаемых значений объемной доли оксида углерода и кислорода;

сбора и обработки информации о состоянии (включено/выключено) технологического оборудования;

передачи информации на диспетчерский пункт, ее обработки и отображения.

Наземная часть комплекса АКМР-М включает в себя блок КУСД, осуществляющий обмен информацией между устройствами подземной части комплекса и ПЭВМ. Связь КУСД с ПЭВМ осуществляется по стандартному интерфейсу RS232 (к блоку КУСД возможно подключение до двух ПЭВМ). ПЭВМ осуществляет обработку, отображение и архивирование информации. С ПЭВМ осуществляется также передача сигналов управления в подземную часть комплекса.

Максимальный состав комплекса АКМР-М:

ПЭВМ – 2 шт.;

КУСД – 1 шт.;

КСД – 28 шт. (два луча по 14 шт.);

аналоговые датчики – 448 шт.;

дискретные датчики – 448 шт.;

количество релейных выходов подземной части – 448 шт.;

количество релейных выходов наземной части – 32 шт.

Длина линий связи:

датчики – КСД – 3 км;

датчики – аппараты питания – 3 км;

КСД – КСД – 10 км;

КСД – КУСД – 10 км.

Напряжение питания устройств подземной части комплекса от 36 В до 127 В переменного однофазного тока, имеется резервное питание на 8 ч работы от встроенных аккумуляторов.

5. Совместно с ФГУП ГУА подготовлен к выпуску комплекс ОПК – обнаружения пожаров на конвейерах, предназначенный для непрерывного автоматического дистанционного контроля распределения температуры вдоль конвейера с передачей информации на ПЭВМ об измеренной температуре и о превышении предельно допустимого значения интенсивности нагрева.

Особо взрывобезопасный уровень взрывозащиты обеспечивается видом взрывозащиты – «искробезопасная электрическая цепь».

Длина кабеля до 1 км, пределы измерения температуры воздушной среды от минус 30 до 95°С, разрешающая способность 20 м.

Принцип действия – оптический без выхода оптического излучения за пределы оптического кабеля. Волоконно-оптический кабель монтируется в горной выработке вдоль конвейерной линии и преобразует температуру окружающей среды в оптический сигнал. Разделение по дальности осуществляется с учетом временной задержки относительно излученного лазерного импульса. Полученное распределение амплитуды сравнивается с записанным ранее эталонным и вычисляется значение температуры. Данные о температурном распределении передаются блоками передачи данных по последовательному интерфейсу RS485 через блок искробезопасного барьера на поверхность и отображаются на ПЭВМ.

Накопленный многолетний опыт проектирования и изготовления промышленного взрывозащищенного оборудования, прогресс в электронных комплектующих позволяет реализовать функции аэрогазового контроля и управления технологическим шахтным оборудованием на новом качественном уровне.

Первое направление развития системы аэрогазового контроля состоит в существенном расширении номенклатуры стационарных датчиков контроля шахтной атмосферы и окружающей среды с целью получения дополнительной информации, увеличивающей достоверность контроля и расширяющей его функциональные возможно.

Объединение имеет техническую базу и многолетний опыт производства электрохимических датчиков СО, Н₂S, NО, NО₂, SО₂, НCl, Cl₂, NH₃, О₂, термохимических, термокондуктометрических, термомагнитных и оптических абсорбционных датчиков. Имеющиеся наработки и отлаженная технология позволяют в короткие сроки разработать в шахтном исполнении:

датчики диоксида углерода (СО₂) – серийно выпускается датчик-газоанализатор на оптическом абсорбционном принципе измерения с маркировкой 1ExibdIICT6X, энергетические характеристики соответствуют термохимическим датчикам;

датчики водорода (H₂) – серийно выпускается датчик-газоанализатор с маркировкой 1ExibdIICT6X, энергетические характеристики соответствуют термохимическим датчикам;

инфракрасные датчики метана (СН₂) – серийно выпускается датчик-газоанализатор на оптическом абсорбционном принципе измерения с маркировкой 1ExibdIICT6X, энергетические характеристики соответствуют термохимическим датчикам;

Технический уровень современных микромощных сенсоров атмосферного давления (P), депрессии (ΔP), температуры (T), влажности (W) в интегральном исполнении позволяют проектировать недорогие и компактные шахтные датчики.

В настоящее время на объединении ведется работа по унификации конструктивных и схемотехнических решений, что позволит при сохранении широкой номенклатуры выпускаемой продукции иметь в производстве ограниченный набор отлаженных электронных модулей. При этом каждый функциональный блок – это интеллектуальный элемент на информационной шине. Так построен технологический многокомпонентный газоанализатор ГАММА-100, и практика доказала удобство этого подхода, который сейчас распространяется на все стационарное оборудование.

В рамках этого подхода ведется совместная работа с разработчиками и изготовителями специализированных интегральных микросхем по созданию серии микросхем для первичных преобразователей. Цель работы – создание интеллектуальных датчиков с унифицированными питанием и выходным сигналом, позволяющего устанавливать в газоанализатор предварительно откалиброванные датчики, непосредственно в датчиках осуществить компенсацию внешних воздействующих факторов, достичь взаимозаменяемости датчиков.

Следующее направление – уменьшение массогабаритных характеристик блоков системы. Применение современных преобразователей питания, одноплатных микроконтроллеров позволяет, применительно к характеристикам блоков комплекса АКМР-М, уменьшить массу датчиков до 2 кг, аппарата питания со встроенной аккумуляторной батареей и резервным источником до 10–12 кг; уменьшение функциональной и аппаратной насыщенности подземного контроллера за счет распределения его функций по устройствам, подключенным к локальной сети, также резко уменьшит массу и габариты блока.

Еще одно направление – изменение архитектуры информационной сети из централизованной в распределенную как на уровне подземных контроллеров, так на уровне информационной сети в целом. Построение подземного контроллера сбора данных предполагается не моноблочным, а наращиваемым из отдельных модулей согласно проекту привязки, и размещаемых в шкафу, обеспечивающем степень защиты от попадания твердых предметов и от проникновения воды не ниже IP55. Модульный принцип построения позволит избежать избыточности аппаратных средств, упростить текущий ремонт и снизить затраты на эксплуатацию. Электрически все модули – это самоопределяющиеся блоки на последовательной информационной магистрали контроллера, что позволяет производить автоконфигурирование контроллера после установки периферийных блоков и подключения датчиков.

Наиболее важным практическим следствием создания информационной сети является возможность осуществления удаленной параметризации и калибровки оконечных устройств. Наличие единой базы параметров, возможность обслуживания всех подключенных к сети оконечных устройств как с рабочего места оператора (диспетчера), так и с любого подземного контроллера выводит службу КИП предприятия на совершенно иной уровень оперативности и эффективности. Быстрая установка предельных уровней и режимов работы дает возможность гибко управлять производственным процессом, перенастраивать его согласно меняющимся условиям и задачам. Другая проблема, связанная с развитием системы, заключается в необходимости применять оборудование различных производителей. Сейчас практически все широко распространенные решения в этой сфере стандартизованы, что позволяет разработчикам выбирать оборудование из широкого спектра поставщиков, оптимизируя стоимость проекта и его технологическую структуру. Для жестких условий шахт главным требованием к сетям сбора данных, обмена информацией, контроля и управления технологическим оборудованием являются адаптивность и живучесть систем.

Адаптивность, т. е. возможность настройки при изменении конфигурации сети и ее элементов, обеспечивается применением датчиков с уникальным идентификационным номером, что обеспечивает автоматическую идентификацию при подключении к сети, реализуя функцию автоконфигурирования сети при развертывании и «горячей» замене датчиков в условиях шахты. Добавление или удаление отдельных точек ввода-вывода и даже целых узлов требует минимальных монтажных работ и производится без остановки системы автоматизации. Реконфигурация системы осуществляется на уровне программного обеспечения и также занимает минимальное время.

Живучесть, как способность выполнять установленные функции в условиях воздействия индустриальных помех и факторов внешней среды и отказов компонентов системы. Развитие системы АКМР-М в этом направлении базируется на применении открытых стандартных интерфейсов. В то же время накопленный собственный опыт при проектировании и реализации сетей передачи данных в рамках техники специального назначения, отработанные математические методы фильтрации, алгоритмические методы повышения надежности передачи, исключающие потерю данных, позволяют создавать быстродействующие, разветвленные сети с высокой помехоустойчивостью.

Опыт эксплуатации комплекса АКМР-М показал, что стандартные требования по ЭМС, предъявляемые к общепромышленным приборам, являются недостаточными для эксплуатации в жестких условиях шахт с электромагнитными помехами от работающего мощного электрооборудования и бросками питающего напряжения различной длительности и формы, что накладывает особые требования к помехоустойчивости аппаратно-программных средств. В настоящее время предприятие имеет опыт разработки, изготовления и эксплуатации не только шахтного, но и оборудования для атомных станций, которое прошло сертификацию на устойчивость к воздействию крайне жесткой электро-магнитной обстановки.

С увеличением сложности производимых многокомпонентных и многоканальных газоаналитических и управляющих систем, в настоящее время производится сдача систем заказчику «под ключ», адаптация под конкретные задачи аппаратного и программного обеспечения, интеграция газоаналитических систем в общую АСУ ТП предприятия. ФГУП СПО «Аналитприбор» осуществляет также обучение специалистов шахт. Удобным и выгодным для потребителя стало заключение с нашим предприятием договоров на абонентское техническое обслуживание, включая калибровку, регулировку, замену первичных преобразователей, имеющих ограниченный ресурс, послегарантийный ремонт, техническую и методическую помощь в эксплуатации и метрологической поверке сложного взрывозащищенного оборудования и систем.