Koncepcja systemu FAMAC KWM
W warunkach zagrożenia metanowego jednym z głównych czynników ograniczających wydobycie, są wyłączenia energii w rejonie przodka ścianowego, spowodowane wykryciem przez systemy automatycznej metanometrii przekroczenia dopuszczalnych stężeń metanu. Wznowienie produkcji jest możliwe dopiero po potwierdzonym przez obsługę spadku koncentracji metanu do bezpiecznego poziomu i uruchomieniu całego ciągu odstawy. Ze względu na brak energii elektrycznej (w tym oświetlenia) możliwości wykorzystania czasu przestoju na inne czynności są ograniczone.
Głównym zadaniem Systemu Kontroli Wydzielania Metanu typu FAMAC KWM jest ograniczenie liczby przestojów spowodowanych wyłączeniami zasilania przez kopalniane systemy bezpieczeństwa, przy jednoczesnym maksymalnym wykorzystaniu możliwości produkcyjnych kombajnu ścianowego, poprzez uzależnienie dopuszczalnej prędkości kombajnu od jego pozycji w ścianie i od bieżącej dynamiki wydzielania metanu wzdłuż wyrobiska ścianowego tak, aby nie dopuścić do osiągnięcia niebezpiecznego stężenia.
Sercem systemu (rys. 1) jest komputer dołowy, do którego spływają dane aerologiczne z rejonu (rozkład stężenia metanu wzdłuż ściany, ciśnienie bezwzględne, prędkość przepływu powietrza w chodniku podścianowym) oraz dane dotyczące procesu urabiania (położenie, prędkość, obciążenie napędów) z kombajnu. Dodatkowo ręcznie wprowadzane są istotne informacje o zdarzeniach mających wpływ na zagrożenie metanowe w rejonie, a także o pracach wykonywanych przez obsługę, których dostępne w systemie czujniki nie mogą samodzielnie zarejestrować. Wydajna analiza i archiwizacja zróżnicowanych danych wymagała zaprojektowania zintegrowanego środowiska opartego na nowoczesnych nierelacyjnych bazach danych: przeznaczonych szeregom czasowym dla danych z czujników oraz przechowującym dane w formie dokumentów dla informacji o zdarzeniach.
Rys. 1. Schemat poglądowy systyemu FAMAC KWM
Działanie systemu polega na śledzeniu dynamiki wydzielania metanu w powiązaniu z przebiegiem procesu urabiania i zmianami parametrów wentylacyjnych w rejonie, i na tej podstawie wyznaczeniu optymalnej (maksymalnej) w danych warunkach prędkości maszyny urabiającej, która jest na bieżąco przesyłana do systemu sterowania kombajnu ścianowego.
Ze względu na unikalny charakter danych agregowanych przez system, konieczne było opracowanie specjalnego narzędzia analizy wizualnej (Aplikacja Webowa połączona z bazą danych szeregów czasowych), które czytelnie prezentuje zmianę rozkładu stężenia metanu wzdłuż ściany w korelacji z danymi procesu urabiania (np. położenie maszyny) i pozwala analizować wpływ parametrów procesu na zagrożenie metanowe. Docelowo przewiduje się integrację tego narzędzia z aplikacją systemu FAMAC KWM.
Budowa systemu FAMAC KWM
W skład systemu FAMAC KWM (rys. 2) wchodzą zabudowane na wybranych sekcjach (np. co 10÷20 sekcji) autonomiczne głowice metanometryczne (1) przyłączone za pośrednictwem skrzynek rozgałęźnych (6) do biegnącej wzdłuż przodka ścianowego magistrali systemowej. Każda głowica wyposażona w złącze elektryczne jest zabudowana w stalowej osłonie/zawiesiu zwiększającym odporność na narażenia mechaniczne i zapewniającym wygodną jej kalibrację lub wymianę (rys.3).
Rys. 2. Urządzenia systemu FAMAC KWM
Na wejściu do ściany (od strony chodnika podścianowego) oraz na jej końcu zabudowany jest czujnik ciśnienia bezwzględnego (4). Do wejścia napięciowego czujnika przyłączony jest anemometr skrzydełkowy (5). Podobnie jak głowice metanometryczne, czujniki ciśnienia są przyłączone do magistrali za pomocą skrzynek rozgałęźnych (6 i 8).
Skrzynki rozgałęźne są połączone wyposażonymi w 4-stykowe złącza, 20‑metrowymi, przewodami magistralnymi (3). Dwie żyły są wykorzystane jako linia zasilania 12V, a pozostałe jako magistrala komunikacyjna w standardzie RS 485.
Wszystkie czujniki są zasilane z jednego 12-woltowego iskrobezpiecznego zasilacza (7) zabudowanego w chodniku podścianowym.
Dane z układu pomiaru wydzielania metanu wzdłuż przodka ścianowego są przesyłane do zabudowanego w pociągu aparaturowym komputera górniczego (9).
W sąsiedztwie komputera jest zabudowany sygnalizator optyczno-akustyczny (10) informujący o ewentualnym uszkodzeniu systemu FAMAC KWM.
W komputerze dołowym działa aplikacja systemu FAMAC KWM odpowiedzialna za akwizycję i archiwizację danych, analizę dynamiki wydzielania metanu i określenie zalecanych parametrów urabiania, w celu zmniejszenia prawdopodobieństwa wyłączenia zasilania przez system centralnej metanometrii. Warunkiem działania systemu było wyposażenie kombajnu ścianowego w dwukierunkowe łącze komunikacyjne oraz układ identyfikacji położenia kombajnu w ścianie, a także odpowiednia modyfikacja oprogramowania kombajnu.
Rys. 3. Głowica metanometryczna w osłonie
Aplikacja systemu FAMAC KWM
Działanie systemu FAMAC KWM jest kontrolowane z zabudowanego w chodniku podścianowym górniczego komputera EH-O, na którym działa pracująca w technologii webowej aplikacja wizualizacyjna oraz aplikacje sterujące i komunikacyjne w postaci mikrousług.
Oprogramowanie posiada wbudowane mechanizmy automatycznej generacji kopii zapasowych, kontroli komunikacji z otoczeniem i monitorowania stanu komputera (użycie pamięci operacyjnej, zajętość dysku, obciążenie rdzeni procesora, czas od załączenia komputera).
Na głównym ekranie aplikacji (rys. 4) przedstawiono rozmieszczenie wszystkich czujników systemu FAMAC KWM w rejonie ściany. Dla każdego urządzenia widoczny jest jego stan, wartość wskazywana i wskaźnik trendu. W osobnym oknie przedstawiono podstawowe aktualne parametry pracy kombajnu – położenie, prędkość i obciążenie napędów oraz wyznaczoną przez system maksymalną dopuszczalną prędkość urabiania. Na ekranie aplikacji znajdują się również kontrolki komunikacji z podsystemem pomiaru parametrów aerologicznych, kombajnem i z powierzchnią.
Rys. 4. Ekran główny aplikacji systemu FAMAC KWM
Z ekranu głównego za pomocą rozwijanego menu można przejść do ekranów umożliwiających śledzenie przebiegów czasowych z wybranych czujników (rys. 5), konfigurację sieci czujników (rys.6), parametryzację algorytmu analizy zagrożenia metanowego i kontroli prędkości kombajnu, kontrolę komunikacji oraz zarządzanie archiwizacją danych.
Rys. 5. Przebiegi czasowe wskazań wybranych czujników podczas integracji z głowicami testowymi
Aplikację rozdzielono na cztery niezależne moduły:
- Komunikacja z systemem pomiarowym i obliczenia.
- Wizualizacja za pomocą paneli w przeglądarce internetowej.
- Rejestracja szeregów czasowych.
- Rejestracja danych w postaci dokumentów.
Rys. 6. Ekran konfiguracji systemu FAMAC KWM
Panele wizualizacyjne dostępne są lokalnie jako ekran główny na komputerze dołowym oraz możliwy jest ich zdalny podgląd z komputerów podłączonych do tej samej sieci.
Zastosowane nowoczesne technologie (Node.JS + NodeRED oraz Docker) pozwalają na pełną przenośność systemu. Może on zostać uruchomiony niezależnie od platformy sprzętowej i systemu operacyjnego (wprost lub po niewielkiej modyfikacji). Możliwe jest także rozproszenie systemu na wiele urządzeń i redundancję funkcjonalności na innych urządzeniach programowalnych. Niektóre moduły mogą zostać przeniesione bezpośrednio na sterownik kombajnowy, na powierzchnię lub, jeżeli zajdzie taka potrzeba, na serwery w infrastrukturze organizacji lub do chmury obliczeniowej.
Testy systemu FAMAC KWM
Wstępne testy systemu FAMAC KWM przeprowadzono między 26 stycznia a 20 marca 2019 r. dla konfiguracji pokazanej na rysunku nr 2. W trakcie testów potwierdzono odporność głowic pomiarowych na warunki panujące w wyrobisku ścianowym i nie stwierdzono istotnych rozbieżności pomiędzy wskazaniami systemu FAMAC KWM, a rejestrowanymi przez system centralnej metanometrii stężeniami metanu w rejonie ściany. Pomimo nieprowadzenia kalibracji czujników, przebiegi czasowe zarejestrowane przez większość głowic posiadają charakter zgodny z teoretycznym i odpowiadają przebiegowi procesu urabiania oraz są zgodne ze wskazaniami niezależnych przyrządów.
Podczas testów nie stwierdzono nadmiernej destrukcji urządzeń systemu, jednak istotnym problemem w jego eksploatacji było utrzymanie prowadzonych wzdłuż ściany przewodów magistralnych.
Istotnym utrudnieniem w prowadzeniu testów był fakt, że zabudowany bezpośrednio nad przenośnikiem taśmowym komputer chodnikowy w ścianie nie był podłączony do kopalnianej sieci Ethernet, w skutek czego był on praktycznie niedostępny podczas zmian roboczych.
Ze względu na zdecydowanie niższe od prognozowanych stężenia metanu w rejonie ściany, nie było możliwości weryfikacji możliwości ograniczenia liczby wyłączeń energii poprzez chwilowe ograniczanie prędkości urabiania kombajnu ścianowego.
Analiza danych z testów systemu FAMAC KWM
Do analizy zebranych danych zastosowano opracowane w ramach projektu specjalne narzędzia analizy wizualnej, umożliwiające wydajną graficzną analizę pochodzących z różnych źródeł danych. Napisana w języku JavaScript webowa aplikacja współpracuje bezpośrednio z bazą danych szeregów czasowych, wykorzystując jej możliwości dynamicznej agregacji danych, co pozwala na bardzo szybkie generowanie map rozkładu metanu, na które naniesiona jest pozycja kombajnu skorelowana z obciążeniem jego napędów (rys. 7).
Rys. 7. Korelacja pomiędzy położeniem kombajnu w ścianie a stężeniem metanu – jednorodna skala koloru
Wygenerowane na podstawie danych pomiarowych rozkłady stężenia metanu wzdłuż przodka ścianowego są w pełni zgodne z teorią - istotny wzrost stężenia w górnej części ściany (rys. 8).
Rys. 8. Rozkład stężenia metanu wzdłuż ściany
Ze względu na duże zróżnicowanie poziomów stężenia metanu wzdłuż długości ściany wpływ pracy kombajnu można zaobserwować jedynie dla ostatnich 20 sekcji. W celu uwypuklenia niewielkich zmian stężenia metanu w dolnej części ściany wprowadzono opcję normalizacji skali barw polegającą na indywidualnym skalowaniu skali barw dla każdego czujnika z osobna (normalizacja wskazania czujnika w obserwowanym zakresie czasu). Na wygenerowanych w ten sposób wykresach wyraźnie widoczny jest chwilowy wzrost stężenia metanu w sąsiedztwie maszyny urabiającej (rys. 9).
Rys. 9. Korelacja pomiędzy położeniem kombajnu w ścianie a stężeniem metanu – skala barw znormalizowana indywidualnie dla każdego z czujników
Podsumowanie testów systemu FAMAC KWM
W trakcie prób dołowych systemu FAMAC KWM potwierdzono techniczną możliwość automatycznej regulacji prędkości urabiania kombajnu ścianowego w celu ograniczenia wydzielania metanu w przodku ścianowym. Zabudowane na całej długości ściany autonomiczne głowice metanometryczne zapewniają informację o dynamice wydzielania metanu, co pozwala sądzić, że możliwa jest predykcja przekroczenia dopuszczalnego stężenia metanu w rejonie i na tej podstawie możliwe jest wyznaczenie maksymalnej dopuszczalnej prędkości urabiania. Takie rozwiązanie powinno pozwolić na zwiększenie dostępności maszyny urabiającej, poprzez istotne ograniczenie częstości wyłączeń zasilania kompleksu przez system centralnej metanometrii. Potwierdzenie skuteczności systemu FAMAC KWM będzie jednak możliwe po przeprowadzeniu dalszych prób w warunkach większego zagrożenia metanowego.
Łukasz Herb
