ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

INCREASE OF OVERALL PERFORMANCE OF AUTOMATED PROCESS CONTROL SYSTEMS OF THE UNDERGROUND MOUNTAIN ENTERPRISES

Шатунова Наталья Анатольевна

аспирант, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»,

РФ, г. Санкт-Петербург

E-mail:

АННОТАЦИЯ

В статье представлен результат научных исследований, касающихся разработки метода по повышению эффективности работы автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) в области связи автоматизированных систем подземных горных предприятий. Показано, что одной из важных задач АСУ ТП горных предприятий является повышение помехоустойчивости сбора, обработки и трансляции технической информации о состоянии технических систем оборудования и ходе технологических процессов на предприятиях. Метод направлен на достижение максимальной дальности, устойчивости и надежности связи АСУ ТП и базовых станций и в конечном итоге на повышение эффективности работы электротехнического комплекса предприятия.

ABSTRACT

The result of the scientific researches concerning development of a method on increase of overall performance of automated process control systems (Industrial control system) in the field of communication of the automated systems of the underground mountain enterprises is presented in article. It is shown that one of important tasks of industrial control system of the mountain enterprises is increase of a noise stability of collecting, processing and broadcast of technical information on a condition of technical systems of the equipment and the course of technological processes at the enterprises. The method is directed on achievement of the maximum range, stability and reliability of communication of industrial control system and base stations and finally on increase of overall performance of an electrotechnical complex of the enterprise.

Ключевые слова: автоматизированные системы управления технологическими процессами горных предприятий, электротехнический комплекс.

Keywords: automated control systems of technological processes of mines, electrotechnical complex.

 

Проблема повышения эффективности работы АСУ ТП в настоящее время и в ближайшем будущем будет актуальна по причине необходимости автоматизации процесса не только производства, но и управления его энергоснабжением. Эта проблема тесно связана с обеспечением устойчивости приема и передачи информационных сигналов о состоянии системы энергоснабжения электротехнического комплекса предприятия.

Одной из важных задач в этом направлении является задача по обеспечению устойчивости приемо-передачи сигналов в подземных условиях.

При разработке метода устойчивого приема сигнала в условиях воздействия на устройства автоматического управления электромагнитных помех промышленного характера в подземном сооружении, необходимым представляется разработать метод проведения эксперимента.

Результаты данного эксперимента могут в дальнейшем быть использованы при уточнении и анализе математических моделей помехозащищенного приема, что позволит усовершенствовать решение одной из важных задач АСУ ТП горных предприятий, а именно повысить помехоустойчивость сбора, обработки и трансляции технической информации о состоянии технических систем оборудования и ходе технологических процессов на предприятии.

Известно, что распространение сигнала в горных выработках шахт происходит с некоторыми особенностями и отличается от пути и законов распространения радиосигнала на открытой местности в свободном пространстве. Основными факторами, влияющими на качество распознавания сигнала на приемной стороне и в разной степени ухудшающими степень распознавания, являются [1–3]:

• Быстрые замирания сигнала (вследствие многолучевой структуры распространения сигнала, наличия интерферирующих лучей в канале передачи);
• Медленные замирания (вследствие многолучевого характера распространения радиоволн в закрытом промышленном объекте, из-за затенения приемника статическим объектом);
• Аддитивные помехи (вызванные работой на одинаковых частотах различных устройств);
• Изменение мощности сигнала (вследствие поглощения части энергии излучаемого сигнала в окружающей среде в телекоммуникационном канале).

Автомобильные тоннели, забои и выработки шахт, тоннели метро и железных дорог обладают характеристиками с точки зрения распространения радиосигнала, которые нельзя не учитывать, когда мы описывает среду телекоммуникационного канала, расположенного внутри этого подземного объекта. Радиоканал АСУ ТП применительно к ним не может считаться в таких случаях постоянной системой со статическими параметрами, что не позволяет эффективно управлять режимами электропотребления.

В статьях [6–7] рассматривались базовые принципы возникновения телекоммуникационных помех при радиопередаче в канале связи АСУ ТП. Создание систем передачи информации в сложных условиях подземных сооружений возможно при условии исследования особенностей среды распространения радиосигнала.

Параметры канала передачи АСУ ТП в определенный момент времени можно определить лишь с некоторой долей вероятности.

Внутри подземных горных выработок наблюдается, как правило, интерференционный характер поля. Этот эффект возникает за счет многократных переотражений от подвижных и фиксированных предметов и препятствий.

Стоит отметить, что подобные эффекты могут возникать даже в том случае, если приемное и передающее устройства находятся в зоне прямой видимости, однако на приемное устройство приходят два или более сигналов в противофазе, распространяясь по путям разной длины, после отражения от различных объектов, которые расположены вдоль трассы распространения. Это могут быть всевозможные бетонные конструкции, стальные, металлические предметы, двери [12–13] и т. д. Эффект мертвой зоны может возникать, если длины трасс, по которым радиосигнал распространялся, отличны друг от друга на разное количество полуволн. Как правило, мертвые зоны обычно могут быть устранимы путем изменения положение передатчика или приемника на небольшое расстояние.

Анализ вышеприведенных факторов, ухудшающих устойчивость канала передачи АСУ ТП горно-электротехнических комплексов и систем, показал, что варианты трасс и характер распространения радиосигнала в подземных горных выработках может быть определен согласно следующим основным факторам:

• электромагнитные свойства горных пород, из которых состоит выработка, а также крепи и перегородки;
• наличие и состав армированного пояса в полу и потолке;
• конструктивные особенности расположения горных выработок относительно друг друга.

Характерно, что степень влияния указанных факторов может быть различна, в зависимости от того, какой из них преобладает в данном конкретном случае. В качестве примера представлены данные, полученные экспериментальным путем [1–2], характеризующие степень ослабления электромагнитного излучения некоторыми материалами.

Для описания замираний и искажений в сооружении возможно использовать экспериментальный подход, метод математического компьютерного моделирования и аналитический метод расчета.

С помощью аналитического метода возможно определить вариации поля с учетом некоторого количества простых конструктивных элементов. Аналитический метод позволяет учитывать такие эффекты распространения радиоволн, как дифракция на препятствиях, отражения от стен и перекрытий, прохождение сквозь объекты. С помощью него можно проанализировать зависимость характера распространения радиосигнала от материалов, геометрической формы объекта, размера и положения передатчика, его частоты. Но использование данного метода не достаточно удобно и не подходит при условии, что требуется описать распространение радиоволн в горных выработках со сложной конфигурацией внутреннего пространства с неоднородной структурой.

С помощью проведения экспериментальных исследований можно определить мелкомасштабные вариации поля и получить данные, наиболее приближенные к реальным условиям. Минусом этого подхода является то, что для изучения широкого частотного диапазона требуется большое количество экспериментов.

Исследования, проводимые на объектах промышленности [4–5], показывают, что строительные материалы, такие как кирпич, бетон, и некоторые другие в некоторой степени приводят к ослаблению электромагнитного поля. Бетон, из которого, как правило, изготавливаются стены и перекрытия, обладает слабой проводимостью. Его электромагнитные свойства зависят от уровня содержания влаги в образце.

Таблица 1.

Степень ослабления электромагнитного излучения некоторыми строительными материалами

Для оценки потерь на трассе передачи сигнала в канале передачи от АСУ ТП требуется математическое описание происходящих процессов.

Мощность передающего устройства определяется соотношением (1):

                                               1)

Энергетический запас радиолинии можно вычислить по формуле (2):

                                            2)

где:  и  – соответственно мощности передатчика и приемника в дБм,

G – ослабление, сигнала на линии связи в канале передачи, дБм.

Большинство моделей и алгоритмов помехоустойчивого приема радиосигналов, которые уже предложены некоторыми исследователями, не подходят для моделирования в нашем случае, так как описывают в основном распространение радиоволн и прием сигналов лишь в зданиях на поверхности, в офисах, жилых помещениях, гостиницах.

На основании вышеизложенных фактов и данных научных исследований ряда авторов [2–4; 8–11] разработан метод экспериментального исследования телекоммуникационного канала связи автоматизированных систем управления горно-электротехнических комплексов подземных сооружений.

Основными положениями предлагаемого подхода к экспериментальному исследованию каналов связи являются следующие:

Зона охвата некой базовой станции определяется в основном такими параметрами, как высота, на которую может быть поднята антенна, степень мощности, которую эта базовая станция излучает в эфир.

Электромагнитное поле, создаваемое базовой станцией в некоторой точке в подземном сооружении, будет рассчитываться исходя и соображений, что напряженность определяется суммой лучей, пришедших в некоторую точку по трассе прямой видимости и трассе отраженного сигнала.

Для проведения и постановки эксперимента необходимо задать его основные условия и требования:

• Приемник и передатчик должны находиться примерно на одном уровне в сооружении, примерно на уровне человеческого роста;
• Коэффициент усиления антенны должен быть постоянным для всех этапов измерений;
• Измерения проводятся в несколько этапов для определения мощности принимаемого сигнала с учетом изменяемого положения антенны (на расстоянии видимости по прямой, без учета прямой видимости);
• Для проведения измерений и эксперимента нам необходима горная выработка с достаточно большим количеством вытянутых по форме переходов и коридоров. Эти условия удовлетворяют поставленной в научной работе задаче поиска оптимального алгоритма приема.

Эксперимент следует проводить в разных условиях, а именно:

• Для разных конструктивных материалов стен (материалов и горных пород);
• С учетом и без учета наличия на пути следования сигнала факторов мобильного и фиксированного затенения;
• При условии нахождения передатчика и приемника в зоне прямой видимости и без нее;
• С наличием и без наличия на пути следования радиосигнала отражающих поверхностей;
• Препятствия на пути сигнала могут быть как подвижными, так и фиксированными;
• Эксперимент необходимо проводить на длинных вытянутых участках коридоров при наличии некоторого искривления коридора.

Эти же эксперименты необходимо смоделировать в виртуальной среде для получения статистических данных и подтверждения экспериментальных.

При условии, что у математических моделей есть свойство полной адекватности моделируемому процессу, появляется так же свойство полного или частичного замещения реального процесса или явления математической моделью.

Точность соответствия модели реальному процессу отражает адекватность физической модели, физическая модель всегда является приближенной реальному процессу или объекту моделирования с той или иной степенью точности. Виртуальные компьютерные модели, выполненные в современных программных пакетах, допускают замещение реального объекта математической моделью, так как выполняют расчеты согласно математическим формулам с высокой степенью точности и малой погрешностью в силу большого количества итераций.

Разработанный метод моделирования распространения радиоволн, создаваемых средствами связи автоматизированных систем подземных горных предприятий, позволит решить одну из важных задач АСУ ТП горных предприятий, а именно повысить помехоустойчивость сбора, обработки и трансляции технической информации о состоянии технических систем оборудования, ходе технологических процессов на предприятиях. Он позволит определить и выбрать места размещения базовых станций и репитеров для АСУ ТП при условии достижения максимальной дальности, устойчивости и надежности связи.

Список литературы:

1. Авдеев В.Б., Авдеева Д.В., Катруша А.Н., Макаров Г.В. Экспериментальные исследования особенностей распространения ОВЧ-СВЧ радиоволн внутри здания // Изв. вузов. Радиоэлектрон. 2004. – Т. 47. – № 3 – 4. – С. 70–76.
2. Авдеев В.Б., Бердышев А.В., Катруша А.П., Панычев С.Н. Трехкомпонентная модель распространения радиоволн внутри здания гостиничного типа // Распространение радиоволн. 2005. – Т. 1. – С. 306–309.
3. Авдеев В.Б., Катруша А.Н. Применение движущихся антенн для повышения эффективности радиоподавления мобильной УКВ-связи в здании // Радиотехника. 2006. – № 9.
4. Аунг Мьинт Эй, А.А. Пронин, А.В. Кондратов. Экспериментальное исследование затухания радиоволн внутри помещений на частоте 433 МГц. «Известия ВУЗов, Электроника – № 5», 2007 г. С. 86–88.
5. Аунг Мьинт Эй, Чжо Чжо Ньян Лин, А.В. Кондратов. Исследование затухания радиосигналов внутри помещений в зависимости от количества этажей и препятствий на частоте 433 МГц. «Исследование в области проектирования цифровых систем связи». Сборник научных трудов, МИЭТ, дек. 2007 г., С. 73–82.
6. Грачёв Н.Н. Радиопоглощающие материалы / Н.Н. Грачёв, Л.О. Мырова // Защита от опасных излучений – М., 2005. – С. 183–186.
7. Грачёв Н.Н. Экранирующие ткани / Н.Н. Грачёв, Л.О. Мырова // Защита от опасных излучений – М., 2005. – С. 186–189.
8. Баранчеев В.В. Математическая модель совокупности аддитивного шума в каналах с сосредоточенными помехами. ТУИС, вып. 68. 1974. С. 174–176.
9. Смирнов Н.И., Горгадзе С.Ф. Энергетические спектры шумоподобных сигналов различных типов. // Радиотехника и электроника, 1990, т. 35, № 3, С. 556–566.
10. Шабалина Н.А. Анализ особенностей среды распространения сигналов в телекоммуникационных каналах подземных сооружений // Телекоммуникации и транспорт. 2013. № 8. С. 157–160.
11. Шабалина Н.А. Особенности использования телекоммуникационных сетей в промышленности. – Научная дискуссия: вопросы технических наук: материалы VI международной заочной научно-практической конференции (7 февраля 2013 г.) – Москва: Изд. «Международный центр науки и образования», 2013. – С. 124–129.
12. Шпенст В.А., Шатунова Н.А. Математические характеристики радиопомех телекоммуникационных каналов подземных промышленных объектов. // T-COMM. 2014. Москва, № 11. С. 55–58.
13. Шпенст В.А., Шатунова Н.А. Анализ влияния промышленных радиопомех на помехоустойчивость телекоммуникационных каналов. // Век качества. 2014. Москва, № 5/6. С. 22–24.