Концепция системы FAMAC KWM
В условиях метановой опасности одним из основных факторов, ограничивающих добычу, являются отключения энергии в районе забоя лавы системами автоматического контроля при обнаружении превышения допустимых концентраций метана. Возобновление добычи при этом возможно только после подтверждения ответственными лицами снижения концентрации метана до безопасного уровня и выполнения всей последовательности запуска системы. Из-за отсутствия электричества (а значит и освещения) возможности выполнения других работ во время простоя ограничены.
Основная задача Системы контроля выделения метана FAMAC KWM заключается в уменьшении количества простоев, вызванных отключениями электроэнергии системами безопасности шахт, с одновременным максимальным увеличением производительности очистного комбайна путём ограничения его допустимой скорости в зависимости от его положения в лаве и текущей динамики выделения метана вдоль выработки таким образом, чтобы не допустить достижения опасной концентрации метана.
Сердцем системы (рис. 1) является подземный компьютер, на который поступают данные о состоянии атмосферы (распределение концентрации метана вдоль лавы, абсолютное давление, скорость воздушного потока в нижнем доставочном штреке) и данные с комбайна о процессе добычи (местоположение, скорость, нагрузка на приводы). Кроме того, вручную вводится важная информация о событиях, влияющих на опасность выделения метана в районе добычи, а также о выполняемых работах, которые датчики, доступные в системе, не могут регистрировать самостоятельно. Эффективный анализ и архивирование разнородных данных потребовали разработки интегрированной среды на основе современных нереляционных баз данных, предназначенных для временных рядов данных с датчиков и хранения данных в форме документов с информацией о событиях.
Рис. 1. Принципиальная схема системы FAMAC KWM
Работа системы заключается в отслеживании динамики выделения метана в связи с ходом процесса добычи и изменениями параметров вентиляции в районе, и, на этой основе, в определении оптимальной (максимальной) скорости работы горной машины в данных условиях и передача полученных значений в систему управления очистным комбайном.
В связи с уникальным характером данных, агрегированных системой, необходимо было разработать специальный инструмент визуального анализа (веб-приложение, подключенное к базе данных временных рядов), который наглядно показывает изменения в распределении концентрации метана вдоль лавы и корреляцию концентрации с данными процесса добычи (например, местоположением машины), а также позволяет анализировать влияние параметров процесса на метановую опасность. Планируется интеграция этого инструмента с приложением системы FAMAC KWM.
Структура системы FAMAC KWM
Система FAMAC KWM (рис. 2) состоит из автономных метанометрических головок, встроенных в выбранные секции (например, 1 головка на каждые 10–20 секций) (1), соединённых через распределительные коробки (6) с системной шиной, идущей вдоль забоя лавы. Каждая головка снабжена электрическим разъёмом и установлена в стальном кожухе/подвесе, повышающем её устойчивость к механическим воздействиям и обеспечивающем её удобную калибровку и замену (рис. 3).
Рис. 2. Устройства системы FAMAC KWM
На входе в лаву (со стороны нижнего доставочного штрека) и в конце лавы установлен датчик абсолютного давления (4). Лопастный анемометр (5) подключён к входу напряжения датчика. Как и метанометрические головки, датчики давления подключаются к шине через распределительные коробки (6 и 8).
Распределительные коробки соединены 4-контактными разъёмами, 20-метровыми шинными кабелями (3). Два провода используются в качестве линии питания 12В, а остальные – в качестве коммуникационной шины по стандарту RS 485.
Все датчики питаются от одного искробезопасного источника питания 12В (7), установленного в нижнем доставочном штреке.
Данные из системы измерения выделения метана вдоль забоя лавы отправляются на горный компьютер, установленный в поезде с аппаратурой (9).
В непосредственной близости от компьютера установлено оптико-акустическое сигнальное устройство (10), включающееся в случае повреждения системы FAMAC KWM.
В подземном компьютере работает приложение системы FAMAC KWM, отвечающее за сбор и архивирование данных, анализ динамики выделения метана и определение рекомендуемых параметров добычи с целью снижения вероятности отключения питания центральной системой метанометрии. Для работы системы необходимо оснащение очистного комбайна оборудованием для двусторонней связи и системой для определения его положения в лаве, а также соответствующая модификация программного обеспечения комбайна.
Рис. 3. Метанометрическая головка в кожухе
Приложение системы FAMAC KWM
Работой системы FAMAC KWM управляет горный компьютер EH-O, установленный в нижнем доставочном штреке, на котором работает построенное на веб-технологиях приложение визуализации и приложения управления и связи в виде микросервисов.
В программное обеспечение встроены механизмы автоматического создания резервных копий, контроля связи со средой и мониторинга состояния компьютера (использование оперативной памяти, использование диска, загрузка ядер процессора, время включения компьютера).
На главном экране приложения (рис. 4) показано расположение всех датчиков системы FAMAC KWM в районе лавы. Для каждого устройства отображаются его состояние, текущее значение и индикатор тренда. В отдельном окне представлены основные текущие рабочие параметры комбайна – положение, скорость и нагрузка на приводы, а также максимально допустимая скорость отбойки, определяемая системой. Экран приложения также содержит интерфейс связи с подсистемой измерения параметров атмосферы, комбайном и поверхностью.
Рис. 4. Главный экран приложения системы FAMAC KWM
С главного экрана при помощи раскрывающегося меню можно перейти к экранам, которые позволяют отслеживать динамику показаний выбранных датчиков (рис. 5), конфигурацию сети датчиков (рис. 6), параметры алгоритма анализа метановой опасности и контроля скорости комбайна, а также позволяют управлять связью и архивированием данных.
Рис. 5. Динамика показаний выбранных датчиков при интеграции с тестовыми головками
Приложение разделено на четыре независимых модуля:
- Связь с измерительной системой и вычисления.
- Визуализация при помощи панели в веб-браузере.
- Регистрация временных рядов.
- Регистрация данных в виде документов.
Рис. 6. Экран конфигурации системы FAMAC KWM
Панели визуализации доступны локально в виде главного экрана на подземном компьютере, а также их можно просматривать удалённо с компьютеров, подключенных к той же сети.
Использование современных технологий (Node.JS + NodeRED и Docker) обеспечивает полную мобильность системы. Она может работать независимо от аппаратной платформы и операционной системы (непосредственно или после небольшой модификации). Также возможно распределение системы по множеству устройств с резервированием функциональности на других программируемых устройствах. Некоторые модули могут быть перенесены непосредственно на контроллер комбайна, на поверхность или, при необходимости, на серверы в инфраструктуре организации или в «вычислительное облако».
Испытания системы FAMAC KWM
Предварительные испытания системы FAMAC KWM проводились между 26 января и 20 марта 2019 года в конфигурации, показанной на рисунке 2. В ходе испытаний была подтверждена устойчивость измерительных головок к условиям, существующим в лавной выработке, и не было обнаружено существенных расхождений между показаниями системы FAMAC KWM и концентрацией метана, зарегистрированной центральной системой метанометрии в районе лавы. Несмотря на то, что датчики не были откалиброваны, динамика показаний, зарегистрированная большинством головок, соответствует теоретическим значениям, ходу процесса отбойки и показаниям независимых приборов.
В ходе испытаний не было существенных повреждений устройств системы, однако существенной проблемой эксплуатации было обслуживание магистральных кабелей, проложенных в лаве.
Значительной трудностью при проведении испытаний было то, что штрековый компьютер, установленный непосредственно над ленточным конвейером в лаве, не был подключен к шахтной сети Ethernet, в результате чего он был практически недоступен во время работы.
Из-за намного более низкой, чем прогнозировалось, концентрации метана в районе лавы было невозможно проверить возможности ограничения количества отключений электроэнергии путём временного ограничения скорости отбойки, выполняемой очистным комбайном.
Анализ данных испытаний системы FAMAC KWM
Собранные данные анализировались при помощи специальных инструментов визуального анализа, разработанных в рамках проекта, обеспечивающих эффективный графический анализ данных из различных источников. Веб-приложение, написанное на языке JavaScript, работает напрямую с базой данных временных рядов, используя её возможности динамического агрегирования данных, что позволяет очень быстро генерировать карты распределения метана с отображением на них положения комбайна и динамики нагрузки его приводов (рис. 7).
położenie kombajnu - положение комбайна
Рис. 7. Корреляция между положением комбайна в лаве и концентрацией метана – однородная цветовая гамма
Распределения концентрации метана вдоль забоя лавы, полученные на основе измерений, полностью соответствуют теории, а именно показывают значительное увеличение концентрации в верхней части лавы (рис. 8).
Рис. 8. Распределение концентрации метана вдоль лавы
Из-за большого разнообразия уровней концентрации метана по длине лавы влияние работы комбайна можно наблюдать только на последних 20 секциях. Чтобы подчеркнуть небольшие изменения концентрации метана в нижней части лавы, была введена опция нормализации цветовой шкалы, состоящая в индивидуальном масштабировании цветовой шкалы для каждого датчика в отдельности (нормализация показаний датчика во временном диапазоне наблюдений). Построенные таким образом графики чётко показывают временное увеличение концентрации метана в непосредственной близости от комбайна (рис. 9).
położenie kombajnu - положение комбайна
Рис. 9. Связь между положением комбайна в лаве и концентрацией метана – цветовая шкала нормируется индивидуально для каждого датчика
Результаты испытаний системы FAMAC KWM
В ходе подземных испытаний системы FAMAC KWM FAMAC KWM была подтверждена техническая возможность автоматической регулировки скорости отбойки очистным комбайном с целью ограничения выделения метана в забое лавы. Автономные метанометрические головки, установленные по всей длине лавы, предоставляют информацию о динамике выделения метана, что позволяет прогнозировать возможность превышения допустимой концентрации метана в районе, на основании чего можно определить максимально допустимую скорость отбойки. Это решение должно позволить повысить время продуктивного использования горнодобывающего оборудования за счёт значительного уменьшения частоты отключений электропитания комплекса центральной системой метанометрии. Подтверждение эффективности системы FAMAC KWM будет возможно после дальнейших испытаний в условиях большей метановой опасности.
Łukasz Herb
