CC BY
53
— Коротко об авторах -------------------------
Потресов Д.К. - проф., д-р техн. наук,
Львов Д. А. -
Московский государственный горный университет.
© С.С. Кубрин, М.В. Хиврин, В.М. Шек, А.М. Могирев,
2008
С.С. Кубрин, М.В. Хиврин, В.М. Шек,
А.М. Могирев
ЛОКАЛЬНАЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И СИГНАЛИЗАЦИИ ВЗРЫВООПАСНОСТИ ШАХТНОЙ АТМОСФЕРЫ
Оперативный и достоверный анализ состава воздушной среды непосредственно в горных выработках важен для обеспечения безопасности шахтеров как с точки зрения опасности для здоровья вдыхаемых газов, так и взрывоопасности атмосферы. Особенно важное значение это приобретает в аварийных ситуациях, когда необходимо быстро развернуть систему газового мониторинга в горных выработках на расстоянии до 1 км и более. Основой такой системы должны являться датчики, обеспечивающие измерение величины концентрации компонентов рудничной атмосферы, значительно отличающийся от нормальной. Проведенный анализ принципов действия, достоинств и недостатков различных типов датчиков показал, что термокаталитические и термокондук-тометрические сенсоры не могут применяться в экстремальных ситуациях, когда в атмосфере может быть недостаток кислорода или присутствуют примеси токсичных, отравляющих сенсоры, газов. Поэтому создание высоконадежной и эффективной оптико-
электронной системы контроля и сигнализации опасности и взрывоопасности шахтной атмосферы на базе инфракрасных сенсоров является актуальной задачей.
При эксплуатации в этих условиях хорошо зарекомендовали себя оптоэлектронные сенсоры. Оптоэлектронные сенсоры обладают высокой чувствительностью, надежностью, селективностью и быстродействием около 0,7 сек. Функционирование их не зависит от наличия кислорода и присутствия агрессивных примесей в рудничной атмосфере. Кроме этого они позволяют производить измерение концентраций в широком диапазоне.
С 1996 по 2007 год проводились работы по совершенствованию схемы и конструкции приборов. Улучшение характеристик связано, в особенности, с применением высококачественных оптических излучателей и фотоприемников. Значительный опыт ФГУП "Гипроуглеавтоматизация" и ОАО РНИИ "Электронстандарт" в области разработки ИК абсорбционных газоанализаторов явился предпосылкой для создания конкурентоспособной мобильной и оперативной системы газового анализа, отвечающей требованиям мирового уровня.
На основе результатов совместных научно-исследовательс-ких и опытно-конструкторских работ была разработана локальная оптико-электронная система контроля и сигнализации опасности и взрывоопасное шахтной атмосферы (ШСКА). В разработке программного обеспечения и техническом сопровождении изготовления опытного образца принимали участие специалисты ООО «ЮНИКОМ».
ШСКА предназначена для измерения концентрации горючих и токсичных газов в рудничной атмосфере и должна обеспечивать контроль параметров атмосферы в аварийных, предаварийных ситуациях и при производстве различных работ, в том числе в горных выработках, не оборудованных штатными приборами системы аэ-рогазового контроля.
Сущность разработки состоит в следующем. ШСКА состоит из соединенных посредством стандартного канала связи двух многоканальных газоанализаторов (МГ). В контролируемом пространстве на расстоянии до 1 км размещаются два многоканальных идентичных по конструкции и программному обеспечению оптоэлектронных газоанализатора один из которых выполняет функцию управляющего базового блока и позволяет получать информацию
как от выносных датчиков, так и в месте установки, а второй - выносного датчика. При соединении МГ, один из них выполняет функции базового блока управления, Информационно базовый блок и выносной датчик объединены через стандартный канал связи К.8-485. Многоканальные газоанализаторы МГ могут быть использованы как автономные переносные приборы со временем работы при нормальных условиях от полностью заряженного встроенного источника питания не менее 16 часов. Многоканальные газоанализаторы МГ Г в составе ШСКА имеет два оптических датчика для измерения концентрации углеводородов (калибровка по метану) и углекислого газа и три электрохимических датчика. При необходимости, для увеличения рабочего диапазона контролируемых концентраций, количество оптических датчиков может быть увеличено до 4-х.
В функции МГ базового блока входит:
- управление работой выносного датчика;
- вывод показаний выносного датчика на дисплей базового;
- выдача световой и звуковой сигнализации при превышении пороговых значений концентраций в месте размещения выносного датчика;
- периодическая прокачка объема собственных датчиков (забор пробы) атмосферным воздухом и измерение концентрации метана, углекислого газа, кислорода, водорода, угарного газа, а также измерение температуры и давления окружающей среды в месте собственного размещения;
- выработка световых и звуковых сигналов при превышении пороговых уровней концентраций в месте размещения базового МГ;
- замыкание нормально разомкнутых «сухих» контактов реле при превышении пороговых уровней концентрации;
В функции выносного датчика входит:
- периодическая прокачка объема датчиков (забор пробы) атмосферным воздухом и измерение концентрации метана, углекислого газа, кислорода, водорода, угарного газа, а также измерение температуры и давления окружающей среды;
- индикация результатов измерения на собственном индикаторе;
- выработка световых и звуковых сигналов при превышении пороговых уровней;
- замыкание нормально разомкнутых «сухих» контактов реле при превышении пороговых уровней концентрации;
- передача по запросу по стандартному каналу связи К8-485 текущих показаний на базовый блок.
Исходя, из возможных вариантов состояния рудничной атмосферы в предварительной и аварийной ситуации программа и аппаратные средства должны обеспечивать функционирование ШСКА при следующих параметрах рудничной атмосферы:
• температура окружающей среды от минус 20 до плюс 50
°С;
• атмосферное давление от 87,8 до 110 кПа (от 660 до 825 мм рт. ст.);
• запылённость до 1600 мг/м3.
Диапазоны измерения и пределы допускаемой основной погрешности ШСКА
Измеряемый Концентрация, Основная погрешность
параметр об.д. %, ррт измерения
атмосферы температура, давление абсолютная относительная, %
Метан (G,1-5)% ±(G,1 +G,G4 Сх)% -
(5-3G)% ±3% -
Диоксид (G - 2)% ±(G,1 +G,G4 Сх)% -
углерода (2 - 25)% - ±1G
Водород (опционно) (G - 4)% ±(G,1 +G.G4 Сх)% -
Моноксид (й-2С)мг/м3 ± 5 мг/м3 -
углерода (G - 1б) ррт,
(2С-125)мг/м3 (1б-ЮС) ррт - ±25
Кислород (Q,1 - 21)% ± (G,4 + G,G2 Сх)% -
• Сх - значение концентрации определяемого компонента на входе газоанализатора
Диапазоны измерения и пределы допускаемой основной погрешности ШСКА должны соответствовать значениям, указанным в таблице.
Функционирование многоканальных газоанализаторов (МГ) обеспечивается программируемым микроконтроллером АБиС831.
Многокомпонентный газоанализатор, являющийся базовым блоком управления системы ШСКА, представлен в структурной схеме как "Master" ("главный"). В зависимости от установки режима производится измерение или индикация параметров атмосферы.
В режиме измерения программа управляет прокачкой кюветы и последующим измерением температуры и давления. Эти данные выдаются на индикацию и участвуют в расчетах при определении концентрации газов, содержащихся в шахтной атмосфере. В дальнейшем программа отрабатывает данные о концентрации газов СН4, С02, 02, СО и выдает результаты на индикацию. После этого производится диагностика системы (заряд аккумуляторов и т.д.). Данные выводятся на индикацию и могут быть сохранены в памяти для последующей обработки. Режим измерений циклически повторяется.
Для обеспечения управления работы выносного датчика, обозначаемого в структурной схеме алгоритма как "Slave" ("подчиненный") базовый блок управления переходит в режим запроса и приёма информации. Выносной датчик в отсутствии запроса от базового блока работает автономно, измеряя параметры шахтной атмосферы и выдавая информацию на собственный дисплей. При получении команды "запрос" от базового блока выносной датчик выдаёт результаты измерений по линии связи интерфейса RS-485 на базовый блок, который в это время переходит в состояние приема информации.После этого выносной датчик снова переходит в состояние приема и процесс повторяется. Режимы работы многокомпонентных газоанализаторов "Master" или "Slave", задаются органами управления и отображения на дисплеях индикации.
Для передачи информации используется интерфейс RS-485. Интерфейс RS-485 -высокоскоростной помехоустойчивый последовательный интерфейс передачи данных для применения в промышленных системах сбора и передачи информации.
При реализации интерфейса RS-485 с использованием протокола МОББ^ устройства соединяются, используя технологию «главный-подчиненный», при которой только одно устройство (главный), может инициировать передачу (сделать запрос). Другие устройства (подчиненные) передают запрашиваемые главным устройством данные, или производят запрашиваемые действия. Главное устройство может включать в себя ведущий (HOST) процессор и панели программирования. Подчиненное устройство - датчик с цифровым выходом. Главный может адресоваться к индивидуальному подчиненному или может инициировать широкую передачу сообщения на все подчиненные устройства. Подчиненное устройство возвращает сообщение в ответ на запрос, адресуемый именно
ему. Ответы не возвращаются при широковещательном запросе от главного. Код функции в запросе говорит подчиненному устройству, какое действие необходимо провести. Байты данных содержат информацию, необходимую для выполнения запрашиваемой функции. Например, код функции 3 подразумевает запрос на чтение содержимого регистров подчиненного. Если подчиненный дает нормальный ответ, код функции в ответе повторяет код функции в запросе. В байтах данных содержится затребованная информация. Если имеет место ошибка, то код функции модифицируется, и в байтах данных передается причина ошибки. В сетях МОББ^ может быть использован один из
ШСКА
Рис. 1
двух способов передачи: А8СІІ или ЯТИ. При использовании А8-СІІ - режима каждый байт сообщения передается как два А8СІІ символа. Главное преимущество этого способа - время между передачей символов может быть до 1 сек. без возникновения ошибок при передаче. Программное обеспечение ШСКА объединяет в себе несколько независимых подсистем (рис. 1):
1. Подсистема управления многоканальным газоанализатором (МГ) на базе программируемого микроконтроллера АБиС831, реализующая алгоритм функционирования ШСКА (блок 1).
2. Подсистема передачи данных из флэш-памяти ШСКА в персональный компьютер в виде текстового файла (блок 2).
Подсистема обработки, хранения, анализа и распечатки данных, получаемых с ШСКА, в персональном компьютере БД-ШСКА (блок 3).
Алгоритм функционирования ШСКА представлен на рис. 2.
Программное обеспечение базы данных БД-ШСКА представляет собой автоматизированное рабочее место и предназначено для автоматизации процесса сбора, учета, обра-ботки, анализа и хранения данных, полученных в результате работы
ШСКА по измерению характеристик шахтной атмосферы. В состав программы входят следующие компоненты:
нормативно-справочная подсистема, обеспечивающая создание и пополнение ряда
таблиц с характеристиками газов, информацией о местах проведения работ и др.;
подсистема ввода оперативной информации по работе ШСКА; подсистема генерации отчетов по запросам пользователя.
Блок-схема функционирования МГ в составе ШСКА 50
Программа БД-ШСКА разработана на платформе Visual FOXPro и функционирует под управлением операционной системы Windows-98 и старше.
В процессе научно-технического сопровождения изготовления опытных образцов были проведены дополнительные теоретические и экспериментальные исследования по комплексному одномоментному измерению пяти газов в одном портативном многокомпонентном газоанализаторе и предложен алгоритм работы прибора, при котором уменьшается влияние перекрестной чувствительности сенсоров на водород Н2 и угарный газ СО.
Проведенные в соответствии с программой и методикой приемочные испытания подтвердили соответствие ШСКА требованиям промышленной эксплуатации.
Впервые созданная автономная система локального газового контроля с открытой, интегрируемой архитектурой может быть оперативно развернута в любых горных выработках персоналом с невысокой квалификацией. Новизна и положительный эффект разработанной системы ШСКА отражены в поданной заявке на патент «Локальная оптико-электронная система контроля и сигнализации». Результаты выполненной НИОКР могут быть применены на горнорудных предприятиях, предприятиях нефтегазового комплекса, а также при чрезвычайных ситуациях для контроля параметров опасной и взрывоопасной атмосферы.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Бурчаков А.С., Мустель П.И., Ушаков К.З. Рудничная аэрология - М.: Недра. 1971.
2 Правила безопасности в угольных шахтах ПБ 05-618-03 изд. НТЦ Гостехнадзора, 2004.
3 Фомин Г.С, Фомина О.Н. Воздух. Контроль загрязнения по международным стандартам. Справочник. "Протектор", М., 2002.
4 Белогуров Д.А., Хиврин М.В., Фомичева Т.Ю. Инфракрасный датчик концентрации метана для работы в условиях переменного давления. Сб. научных трудов "Производственная связь и автоматизация на угольных предприятиях" ГУ А., М., 1998.
5 Белогуров Д.А., Хиврин М.В., Фомичева Т.Ю. Абсорбционный оптический датчик высокой чувствительности в широком диапазоне контролируемой величины концентрации газа. Сб. научных трудов "Производственная связь и автоматизация на угольных предприятиях" ГУА, М, 1998.
6 Хиврин М.В., Гамарц Е.М., Травкин Е.К. Портативный многокомпонентный инфракрасный газоанализатор для предприятий со взрывоопасной атмосфе-
рой. Сб. научных трудов "Взрывозащищенная связь и автоматизация на угольных предприятиях". ГУА, М., 2000 г.
7 Хиврин М.В., Матвеев Б.А. Диодные оптоэлектронные пары для датчиков метана. Сб. научных трудов "Взрывозащищенная связь и автоматизация на угольных предприятиях". ГУА, М., 2000 г. "
8 Гамарц Е.М., Крылов В.А. Оптические газоанализаторы для безопасных технологий. ПЕТЕРБУРГСКИЙ ЖУРНАЛ Электроника № 1. С-Петербург, 2003 г.
— Коротко об авторах ------------------------------------------
Кубрин С. С., Хиврин М.В., Шек В.М., Могирев А.М. - Московский государственный горный университет.
© А.Э. Адигамов, 2008
