book

CZASOPISMO NAUKOWO-TECHNICZNE
NR 5(483)
MAJ 2011
INNOWACYJNE WYROBY
PROCESY TECHNOLOGICZNE
MECHANIKA
ENERGOELEKTRONIKA
AUTOMATYKA
INFORMATYKA TECHNICZNA
TELEKOMUNIKACJA
AEROLOGIA
ZAGROŻENIA NATURALNE I BEZPIECZEŃSTWO
EKOLOGIA I OCHRONA ŚRODOWISKA
ORGANIZACJA I ZARZĄDZANIE
НОВАТОРСКИЕ ИЗДЕЛИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
МЕХАНИКА
ЭНЕРГОЭЛЕКТРОНИКА
АВТОМАТИКА
ТЕХНИЧЕСКАЯ ИНФОРМАТИКА
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЯ
АЭРОЛОГИЯ
ЕСТЕСТВЕННЫЕ ОПАСНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТЬ
ЭКОЛОГИЯ И ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
ОРГАНИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ
INNOVATIVE PRODUCTS
MANUFACTURING PROCESSES
MECHANICS
POWER ELECTRONICS
AUTOMATICS
TECHNICAL INFORMATICS
TELECOMMUNICATION
AEROLOGY
NATURAL HAZARDS AND SAFETY
ECOLOGY AND ENVIRONMENT PROTECTION
ORGANISATION AND MANAGEMENT
PL ISSN 0208-7448
Wydawca: Instytut Technik Innowacyjnych EMAG
SPIS TREŚCI nr 5
1. Bezpieczeństwo funkcjonalne i niezawodność dyspozytora
w zakładzie przemysłowym na przykładzie kopalni
podziemnej
5
2. Zastosowanie metodyki Common Criteria podczas
procesu projektowania urządzeń na przykładzie czujnika
gazometrycznego
12
3. System RST-1 do radiowego sterowania tamami
śluzy wentylacyjnej
19
4. Detektor gazów z wykorzystaniem absorpcji fal
elektromagnetycznych w zakresie środkowej podczerwieni
23
5. Kompatybilność elektromagnetyczna urządzeń górniczych
w świetle doświadczeń
27
6. Z życia EMAG-u
33
dr inż. Kazimierz Miśkiewicz,
dr inż. Antoni Wojaczek
dr inż. Piotr Wojtas
mgr inż. Adam Broja
mgr inż. Damian Cała,
mgr inż. Marcin Małachowski
mgr inż. Karol Śpiechowicz
mgr Adrian Szczurek
mgr inż. Ryszard Ligarski
dr inż. Andrzej Nowrot
mgr inż. Roman Pietrzak
Rada Programowa Wydawnictw EMAG-u:
mgr inż. Marek Chagowski, prof. dr hab. inż. Stanisław Cierpisz – Przewodniczący Rady,
dr hab. inż. Piotr Czaja prof. nzw. w AGH, prof. dr hab. inż. Marian Dolipski, prof. dr hab. inż. Jerzy Frączek,
prof. dr hab. inż. Marek Jaszczuk, prof. dr hab. inż. Adam Lipowczan, dr inż. Piotr Litwa,
prof. dr hab. inż. Maciej Mazurkiewicz, prof. dr hab. inż. Bogdan Miedziński, prof. dr hab. inż. Tadeusz Orzechowski,
dr inż. Roman Pilorz doc. w Pol. Śl., doc. dr inż. Franciszek Szczucki, dr inż. Stanisław Trenczek – Sekretarz Rady,
prof. dr hab. inż. Stanisław Wasilewski, prof. dr hab. inż. Andrzej Zorychta
Komitet Redakcyjny:
Redaktor Naczelny – dr inż. Piotr Wojtas, Z-ca Redaktora Naczelnego – dr inż. Władysław Mironowicz,
Sekretarz Redakcji – mgr inż. Antoni Kurzeja,
Redaktorzy działowi: mgr inż. Józef Koczwara, dr inż. Janusz Strzemiński, mgr inż. Janusz Tobiczyk,
dr inż. Stanisław Trenczek, prof. dr hab. inż. Stanisław Wasilewski,
Redaktor techniczny – mgr Urszula Gisman
Adres Redakcji: ul. Leopolda 31, 40-189 Katowice, tel. (32) 2007700, 2007570
e-mail: [email protected]
Nakład: 150 egz.
Nr 5(483) MAJ 2011
ROK XLIX
K. MIŚKIEWICZ
A. WOJACZEK
P. WOJTAS
К. МИСЬКЕВИЧ
А. ВОЯЧЕК
П. ВОЙТАС
FUNCTIONAL SAFETY AND RELIABILITY
OF A SUPERVISOR IN AN INDUSTRIAL PLANT
EXEMPLIFIED BY AN UNDERGROUND MINE
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И НАДЁЖНОСТЬ
ДИСПЕТЧЕРА В ПРОМЫШЛЕННОМ ПРЕДПРИЯТИИ
НА ПРИМЕРЕ ПОДЗЕМНОЙ ШАХТЫ
A mine supervision centre is an important element of the system for
control, security and supervision of processes taking place in
a modern underground mine. There are a number of hazards in the
mine (e.g. methane explosion hazard, rock bursts hazard). In order
to reduce an excessively high level of risk, there are certain systems
used in the mines, such as gas monitoring-, geophysical- as well as
alarm and communication systems. These systems make the socalled
electric/electronic/electronic
programmable
system
(E/E/PES) related to safety and are supervised by the mine supervision centre. The article features a sample functional structure of
such a centre in an underground mine, describes the role of the
supervisor and presents the possibilities to evaluate the supervisor’s
reliability.
Диспетчерская является важным элементом системы управления,
безопасности и контроля процессов, происходящих в современной
подземной шахте. В шахте существует ряд опасностей (например,
опасность взрыва метана и удароопасность). Для минимализации
сверх высокого уровня риска в шахтах используется в том числе
газометрические, геофизические и оповещательные системы,
которые совместно (под надзором диспетчерской предприятия)
создают т. наз. электрическую/ электронную/ программируемую
электронную систему (E/E/PES), связанную с безопасностью.
В реферате представлено пример функциональной структуры
шахтной диспетчерской, указано на роль диспетчера и показано
возможности оценки надёжности диспетчера.
A. BROJA
D. CAŁA
M. MAŁACHOWSKI
K. ŚPIECHOWICZ
A. SZCZUREK
А. БРОЯ
Д. ЦАЛА
М. МАЛАХОВСКИ
К. CПЕХОВИЧ
А. ЩУРЕК
THE USE OF THE COMMON CRITERIA METHODOLOGY
IN THE PROCESS OF DEVICE CONSTRUCTION
EXEMPLIFIED BY A GAS MEASURING SENSOR
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДИКИ COMMON CRITERIA
ВО ВРЕМЯ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВ
НА ПРИМЕРЕ ГАЗОМЕТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА
The article features the results of works related to the use of the
Common Criteria methodology (ISO/IEC15408) in the construction
of gas measuring sensors which comply with the requirements for
anti-explosion mining devices. The key assumptions of the Common Criteria standard were presented along with particular phases
of creating a Security Target document which describes a security
concept for the assessment of a gas measuring sensor. The authors
presented the structure of this theoretical device and determined all
assets whose description is indispensable to define the security
problem. The subjects related to the production and exploitation of
the sensor were characterized, as well as threats which may negatively influence the security of the device. Finally, the assumptions
concerning the sensor operations were described.
Реферат представляет результаты работ, связанных с использованием
методики Common Criteria (ISO/IEC15408) в проектировании газометрических устройств, которые отвечают требованиям установленным для шахтных устройств во взрывобезопасном исполнении.
Рассмотрено ключевые концепции стандарта Common Criteria
и отдельные этапы создания документа Security Target, описывающего концепцию безопасности для оценки, например, газометрического
датчика. Описано конструкцию теоретического устройства,
представлено все ресурсы, которые необходимо указать для
определения проблемы безопасности. Рассмотрено субъекты,
связанные с производством и использованием датчика, опасности,
которые могут негативно повлиять на безопасность устройства
и представлено концепции, касающиеся его работы.
R. LIGARSKI
Р. ЛИГАРСКИ
RST-1 SYSTEM FOR RADIO CONTROL
OF VENTILATION LOCK DAMS
СИСТЕМА RST-1 ДЛЯ РАДИОУПРАВЛЕНИЯ
ПЕРЕМЫЧКАМИ ВЕНТИЛЯЦИОННОГО ШЛЮЗА
The article presents the RST-1 system which is being implemented
in a mine. The system allows radio control of ventilation lock dams.
The ventilation lock in the heading is made of two dams located
about 150 m from each other. There is a transport unit passing
through the lock. The driver has a Radio Operator Controller which
enables remote opening and closing of the dam doors as well as
monitoring the state of the lock on the display of the controller. The
RST-1 intrinsically safe control system consists, among others, of
two functional blocks fixed on the long side of the lock. These
blocks are equipped with sub-assemblies for radio communication
in the Bluetooth standard as well as cable communication in the
CAN and/or RS-485 standard. The functional blocks monitor the
state of sensors that show the position of the dam doors, control the
semaphores and actuators.
Рассмотрено внедряемую на шахте систему RST-1, позволяющую на
радиоуправление перемычками вентиляционного шлюза. Шлюз
в шахтном штреке создают две перемычки, размещённые друг от
друга на растоянии приблизительно 150 м. Через шлюз перемещается
Траснпортный Узел. Управляющий узлом имеет Операторский
Радиокомандоконтроллер, который позволяет на дистанционное
открывание/закрывание дверей перемычек и мониторинг состояния
шлюза на экране дисплейя командоконтроллера. Искробезопасная
система управления RST-1 состоит в частности из функциональных
блоков, устанавливаемых по длине шлюза, которые оснащены
элементами для радиокоммуникации в стандарте Bluetooth и проводной коммуникации между собой в стандарте CAN и/или RS-485.
Функциональные блоки ведут мониторинг состояния датчиков
положения дверей перемычек, управляя семафорами и исполнительными сервомоторами.
4
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
A. NOWROT
А. НОВРОТ
GAS DETECTOR BASED ON THE ABSORPTION
OF ELECTROMAGNETIC WAVES IN THE RANGE
OF MIDDLE INFRARED
ГАЗОИНДИКАТОР С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АБСОРБЦИИ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ДИАПОЗОНЕ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ИНФРАКРАСНОЙ ЧАСТИ СПЕКТРА
One of the most efficient methods to examine the chemical composition of
gases is the method which makes use of the absorption of electromagnetic
waves in the range of infrared. The instruments which use this
phenomenon have been commonly applied in laboratories and enable to
detect many chemical compounds simultaneously. Unfortunately, these are
large-size devices and are not adapted to work in explosion atmospheres.
The gas detector presented in this article will enable to determine the
concentration values of only few selected compounds in the atmosphere,
e.g. methane. Yet, at the same time, it will have a smaller size and lower
power consumption in comparison with laboratory apparatus.
Additionally, the detector can be adapted to work in explosion
atmospheres. The developed detector will work in the range of middle
infrared where methane shows the strongest absorption of infrared
radiation. This solution will allow to have a device which is more sensitive
than near-infrared devices available on the market. Based on the conducted research it will be possible to develop a commercial version of a modern multi-gas detector which is going to be competitive with standard
technologies.
Один из наиболее эффективных методов исследования химического
состава газов использует абсорбцию электромагнитных волн
в диапозоне инфракрасной части спектра (infrared - IR). Приборы,
использующие данное явление, уже давно всеобще используются
в лабораториях и дают возможность обнаружения одновременно
большого количества разных соединений. К сожалению, эти
устройства очень больших размеров и они не приспособлены
к работе во взрывной атмосфере. Газоиндикатор, которого концепция будет представлена в настоящем реферате, позволит на определение концентрации только нескольких выбранных соединений в атмосфере, например, метана, однако в то же время будет
характеризоваться меньшими размерами и намного меньшим потреблением мощности по отношению к лабораторным устройствам.
Кроме этого он может быть адоптирован для работы во взрывной
атмосфере. Проектируемый газоиндикатор будет работать в диапозоне центральной инфракрасной части спектра, где метан
проявляет самую высокую абсорбцию излучения IR. Данное решение позволит получить прибор, который по сравнению с доступными
на рынке устройствами этого типа, использующими близкую
инфракрасную часть спектра, будет иметь более высокую
чувствительность. На основании проведенных испытаний, появится
возможность создания в будущем коммерческого современного
датчика разных газов, конкурентного стандартным технологиям.
R. PIETRZAK
Р. ПЕТЖАК
ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY
OF MINING DEVICES IN THE LIGHT OF CONDUCTED
EXPERIMENTS
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ
ГОРНЫХ УСТРОЙСТВ
В СВЕТЕ ОПЫТОВ
The article features the problems concerning the operations of mining
devices that were detected at their evaluation during electromagnetic
compatibility tests. These tests were applied to devices designed to work in
the underground of mines. The tests were carried out in the
Electromagnetic Compatibility Laboratory of the Institute of Innovative
Technologies EMAG in Katowice. The presented test/measurement results
refer to the tests carried out in laboratory conditions and do not refer to
tests/measurements conducted outside the laboratory – in the place where
the devices are installed, the so-called IN SITU measurements. The problems were presented based on resistance tests to Electrical Fast Transient
EFT/BURST [9], voltage dips, short breaks and changes in voltage [10],
as well as the measurements of electromagnetic radiation disturbances [8].
Due to information confidentiality (quality polity of the accredited testing
laboratory), the details concerning the examined devices are confidential.
Рассмотрено проблемы, возникшие в работе устройств во время
оценки их функционирования в ходе испытаний электромагнитной
совместимости, в частности на примере устройств, предназначенных
для работы в подземной части шахты. Испытания были проведены
в Лаборатории Испытаний Электромагнитной Совместимости (EMC)
в Институте Инновационной Техники ЭМАГ в Катовицах.
Представляемые результаты испытаний/измерений являются
результатом тестов, выполненных в лабораторных условиях, и не
касаются результатов испытаний/измерений устройств, выполненных вне местонахождения лаборатории – в месте установки
устройств, т. наз. измерений IN SITU. Проблемы представлено на
примерах исследований устойчивости на серии быстрых переходных
электрических состояний [9] (Electrical Fast Transient EFT/BURST),
падения напряжений, короткие перебои и изменения напряжения
[10], а также на измерениях электромагнитных излучаемых
возмущений [8. Ввиду конфиденциальности информации (политика
качества аккредитированной исследовательской лаборатории),
подробности, касающиеся исследуемых устройств, были скрыты.
dr inż. KAZIMIERZ MIŚKIEWICZ
dr inż. ANTONI WOJACZEK
Katedra Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa
Politechniki Śląskiej
dr inż. PIOTR WOJTAS
Instytut Technik Innowacyjnych EMAG
Bezpieczeństwo funkcjonalne i niezawodność
dyspozytora w zakładzie przemysłowym
na przykładzie kopalni podziemnej
Dyspozytornia jest istotnym elementem systemu sterowania, bezpieczeństwa i nadzoru
procesów zachodzących we współczesnej kopalni głębinowej. W kopalni występuje szereg zagrożeń (np. zagrożenia wybuchem metanu, zagrożenia tąpaniami). Dla zmniejszenia zbyt dużego poziomu ryzyka, w kopalniach stosuje się między innymi systemy gazometryczne, geofizyczne, alarmowo-rozgłoszeniowe, które wspólnie (pod nadzorem dyspozytorni zakładowej) tworzą tzw. elektryczny/elektroniczny/programowalny elektroniczny system (E/E/PES) związany z bezpieczeństwem. W artykule przedstawiono przykładową strukturę funkcjonalną dyspozytorni kopalni głębinowej; wskazano na rolę dyspozytora i pokazano możliwości oceny niezawodności dyspozytora.
1. WSTĘP
Prowadzenie działalności w wielu dziedzinach
prowadzi często do powstawania różnego rodzaju
ryzyka związanego z możliwością utraty życia,
zdrowia, zniszczenia urządzeń (majątku o znacznej
wartości) czy zagrożenia dla środowiska. W niektórych przypadkach ryzyko jest zbyt duże, co może się
objawić szeregiem katastrof o dość rozległych skutkach. Przykłady takich zdarzeń można spotkać np.
w energetyce jądrowej (katastrofa w elektrowni jądrowej Czernobyl 1), w przemyśle chemicznym (zakłady chemiczme Bhopal 2 w Indiach), petrochemicznym (pożar w rafinerii Milford Haven 3, wybuch na
platformie wiertniczej Piper Alpha na Morzu Północnym 4). Również w polskim górnictwie w ostatnich
latach mieliśmy do czynienia z katastrofami (KWK
Halemba 5, KWK Wujek-Śląsk 6).
Tego rodzaju katastrofy (szczególnie w Czernobylu) zwróciły uwagę na kulturę bezpieczeństwa
(ang. Safety Culture) jako istotny aspekt zapewnienia odpowiedniego bezpieczeństwa, a także na tzw.
„błędy intencji” (errors of intention). Błędy intencji
dotyczą przypadków, kiedy operator uważa (błędnie),
że postępuje właściwie i może uniemożliwić właściwą pracę systemów zabezpieczających [5].
0F
1F
2F
3F
4F
5F
1
26 kwietnia 1986 r.
2 grudnia 1984 r.
24 lipca 1994 r.
4
6 lipca 1988 r.
5
21 listopada 2006 r.
6
18 września 2009 r.
2
3
Rys. 1. Wybrane warstwy zabezpieczeniowe
w obiekcie podwyższonego ryzyka
6
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
W obiektach podwyższonego ryzyka (np.
w przemyśle chemicznym) stosuje się szereg warstw
zabezpieczeń pokazanych na rys. 1, [4], takich jak:
BPCS 7 – system sterowania i pomiarów wykorzystujący komputerową wizualizację połączoną z archiwizacją danych i raportowaniem,
AS 8 – system alarmowy informujący operatora
o zagrożeniu awarią za pośrednictwem komunikatów,
sygnałów wizualnych oraz dźwiękowych (stosując
interfejs maszyna – człowiek HMI – ang. Human
Machine Interface); operator w oparciu o otrzymane
dane musi dokonać analizy sytuacji i wykonać odpowiednie działania zapobiegające możliwości wystąpienia awarii,
SIS 9 – system automatyki zabezpieczeniowej wykonujący założone funkcje bezpieczeństwa w przypadku braku reakcji operatora na sygnały alarmowe.
związanego z bezpieczeństwem. Na rysunku 2 i rysunku 3 pokazano schematy blokowe systemów sterowania bez zastosowania i z zastosowaniem systemów E/E/PES. Często systemy E/E/PES tworzą dodatkową petlę oddziałującą na sterowany obiekt,
realizując określone funkcje bezpieczeństwa.
Do analizy funkcji wyłączeń można zastosować
formalne (ilościowe i jakościowe) metody bezpieczeństwa funkcjonalnego. Podejście do takiej analizy,
obejmujące cały okres życia systemu z uwzględnieniem projektowania, produkcji i eksploatacji, przedstawiono między innymi w normach [PN-EN 61508
część 1-6].
6F
7F
8F
Rys. 2. Ogólny schemat blokowy
typowego systemu sterowania
Rys. 3. Ogólny schemat blokowy układu sterowania
z zastosowaniem
systemu E/E/PES realizującego
funkcje bezpieczeństwa
Obniżenie zbyt dużego poziomu ryzyka (nieakceptowalnego) można uzyskać między innymi przez
zastosowanie tzw. elektrycznego/elektronicznego/
programowalnego elektronicznego systemu (E/E/PES)
7
ang. Basic Process Control System
ang. Alarm System
9
ang. Safety Instrumented System
8
2. BEZPIECZEŃSTWO FUNKCJONALNE
– PODSTAWOWE POJĘCIA
Bezpieczeństwo jest to brak niemożliwego do zaakceptowania ryzyka fizycznego zranienia lub szkody [TR61508-0]. Jeżeli poziom ryzyka jest większy
od akceptowalnego, to niezbędne jest zastosowanie
odpowiednich systemów (SIS – Safety Instrumented
System) elektrycznych, elektronicznych, elektronicznych programowalnych (E/E/PES), które powodują
utrzymanie bezpiecznego stanu procesu w odniesieniu do konkretnych niebezpiecznych zdarzeń.
Bezpieczeństwo funkcjonalne jest częścią ogólnego bezpieczeństwa i dotyczy prawidłowego działania
systemów E/E/PES. Dla każdego zdarzenia zagrażającego określa się funkcję bezpieczeństwa realizowaną przez E/E/PES.
Istotnym parametrem systemów E/E/PES jest nienaruszalność bezpieczeństwa rozumiana jako prawdopodobieństwo, że system związany z bezpieczeństwem wykona w sposób zadowalający wymagane
funkcje bezpieczeństwa w określonych warunkach
i w określonym przedziale czasu. Ilościową miarą
nienaruszalności bezpieczeństwa jest poziom nienaruszalności bezpieczeństwa (SIL – Safety Integrity
Level). Definicję poziomów SIL podano w tabeli 1
[PN-EN 61508-3].
Tabela 1
Poziomy nienaruszalności bezpieczeństwa
Rodzaj pracy
Częste przywołanie lub
praca ciągła
Rzadkie przywołanie
SIL
Średnie prawdopodobieństwo
niewykonania funkcji
bezpieczeństwa (PFdavg)
Prawdopodobieństwo
uszkodzenia niebezpiecznego
na godzinę (FFD)
4
3
2
1
10-5 do 10-4
10-4 do 10-3
10-3 do 10-2
10-2 do 10-1
10-9 do 10-8
10-8 do 10-7
10-7 do 10-6
10-6 do 10-5
Nr 5(483) MAJ 2011
Rzadkie przywołanie oznacza, że system związany
z bezpieczeństwem jest przywołany nie częściej niż
raz na rok i nie częściej niż dwukrotność testów okresowych. Częste lub ciągłe przywołanie oznacza, że
system związany z bezpieczeństwem jest przywoływany częściej niż raz na rok i częściej niż wynosi
dwukrotność testów okresowych [PN-EN 61508-6].
3. SYSTEMY GAZOMETRYCZNE JAKO
PRZYKŁAD SYSTEMU REALIZUJĄCEGO
FUNKCJĘ BEZPIECZEŃSTWA
W KOPALNIACH GŁĘBINOWYCH
W przypadku kopalń z zagrożeniem wybuchem
metanu jako system E/E/EP stosuje się system metanometryczny połączony z układem automatycznego
wyłączenia energii elektrycznej w zagrożonym rejonie. Funkcją bezpieczeństwa w kopalnianych systemach gazometrycznych jest wyłączenie (bezpośrednie lub poprzez tzw. matrycę wyłączeń w centrali
metanometrycznej na powierzchni) łącznika (np.
ROK) w sieci elektroenergetycznej niskiego (NN)
lub średniego (SN) napięcia w przypadku, gdy koncentracja metanu zmierzona przez metanomierz przekracza wartość dopuszczalną. Na rysunku 4 pokazano
przykład struktury realizującej określoną uprzednio
funkcję bezpieczeństwa [1].
7
metanometrycznej) otwarcie styku wyłączającego
metanomierza M2. Droga informacji realizującej
funkcje bezpieczeństwa została oznaczona linią przerywaną. Lokalizację metanomierzy oraz ich progi
wyłączające określa Kierownik Działu Wentylacji
zakładu górniczego, natomiast strukturę systemu
wyłączeń (wyłączników wyłączających zasilanie),
określa dział Głównego Elektryka.
W systemach gazometrycznych przy realizacji
funkcji bezpieczeństwa zastosowano zasadę, że
w razie dającego się przewidzieć uszkodzenia sprzętu
lub braku poprawnej transmisji następuje uruchomienie funkcji bezpieczeństwa, która powoduje wyłączenie zasilania pewnego rejonu kopalni mimo, że
nie doszło do przekroczenia dopuszczalnej zawartości metanu w kontrolowanych wyrobiskach (tzw.
„bezpieczeństwo pozytywne”).
4. ROLA DYSPOZYTORA W SYSTEMACH
STEROWANIA
W obiektach przemysłowych systemy sterowania,
jak również systemy związane z bezpieczeństwem,
powinny uwzględniać działanie człowieka bardzo
często występującego jako operator (dyspozytor).
Rolę operatora systemu przedstawiono w postaci
schematu blokowego na rysunku 5 [4].
Rys. 4. Przykład systemu gazometrycznego
jako systemu związanego z bezpieczeństwem
W przykładzie z rysunku 4 pokazano 2 metanomierze M1 i M2 podłączone do centrali metanometrycznej. Styk wyłączający metanomierza M2 jest przyłączony do urządzenia pośrednicząco-kontrolnego, tzw.
stacji dołowej. Wyjście stacji dołowej poprzez urządzenie separacyjne SUS oddziałuje na wyłącznik
sieci elektroenergetycznej SN 6 kV.
Przekroczenie dopuszczalnej koncentracji metanu
zmierzonej przez metanomierz M1 również spowoduje (za pośrednictwem matrycy wyłączeń w centrali
Rys. 5. Rola operatora w różnych stanach obiektu
Dyspozytor otrzymuje informacje z nadzorowanego procesu technologicznego za pośrednictwem takich urządzeń jak tablice synoptyczne, monitory
systemów wizualizacyjnych (tzw. interfejs operatora
HMI 10), systemy łączności, systemy alarmowania,
telewizja przemysłowa, systemy monitorowania.
Następnie przeprowadza on diagnozę stanu nadzoro9F
10
ang. Human Machine Interface
8
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
wanego procesu, podejmuje odpowiednie decyzje
i oddziałuje na sterowany proces technologiczny
elementami wykonawczymi (rys. 6). Na rysunku tym
pokazano, w formie schematu blokowego, proces
podejmowania decyzji przez operatora (dyspozytora)
[16]. Proces podejmowania decyzji w sytuacji alarmowej można rozłożyć na pewne czynności elementarne i przedstawić w postaci drzewa zdarzeń.
Rys. 8. Przykład dekompozycji zadań
dyspozytora w sytuacji alarmowej
w postaci drzewa zdarzeń [16]
`
Rys. 6. Schemat blokowy interakcji
między operatorem i procesem technologicznym
Przykłady drzew zdarzeń dla procesu podejmowania decyzji przez operatora pokazano na rysunku 7
i rysunku 8. Drzewo zdarzeń zawiera pewną liczbę
czynności elementarnych wykonywanych kolejno po
sobie. Każda z tych czynności elementarnych może
być wykonana prawidłowo (zakończona sukcesem)
lub nieprawidłowo (prowadząca do błędu). Sukces
lub błąd zdarza się z określonym prawdopodobieństwem. Ponieważ człowiek (pełniący rolę operatora
czy dyspozytora) jest elementem pewnego systemu
technologicznego, dla oceny niezawodności całego
systemu niezbędne jest również określenie „niezawodności człowieka”. Tego rodzaju niezawodność
określa się za pomocą metod analizy niezawodności
człowieka zwanej skrótowo HRA 11.
10F
Rys. 7. Przykład dekompozycji zadań dyspozytora
w sytuacji alarmowej w postaci drzewa zdarzeń [4]
11
ang. Human Reliability Analysis
Suttinger i Sossman podali przykład analizy niezawodności układu automatyki zabezpieczeniowej
(SIS) z uwzględnieniem niezawodności operatora
[12]. Analiza została przeprowadzona z zastosowaniem drzewa niesprawności (Fault Tree), a prawdopodobieństwo błędnej reakcji operatora systemu na
pojawienie się alarmu oszacowano jako równe 0,01.
W dyspozytorni kopalnianej funkcjonuje zazwyczaj
kilku dyspozytorów: dyspozytor główny, dyspozytor
metanometrii, dyspozytor geofizyki. Na rysunku 9
pokazano schemat blokowy funkcjonowania dyspozytorni kopalnianej obejmujący:
− alarmowanie (z wykorzystaniem np. Systemu Telefonii Alarmowo-Rozgłoszeniowej STAR) i ewakuacja załogi w przypadku przekroczenia dopuszczalnej zawartości metanu (System MetanowoPożarowy SMP),
− alarmowanie i ewakuacja załogi w przypadku wystąpienia zjawisk sejsmicznych,
− wyprzedzające wyłączenie zasilania w przypadku
wystąpienia wstrząsów sejsmicznych.
Dyspozytor metanometrii otrzymuje informacje
o wynikach pomiaru zawartości gazów w powietrzu
(CH 4, CO) oraz prędkości powietrza. Wyniki są
prezentowane na ekranach monitorów, a w przypadku osiągnięcia stanów alarmowych przez mierzone wielkości generowane są alarmy (optyczne
i akustyczne). W przypadku wystąpienia stanów
alarmowych dyspozytor może w zależności od
sytuacji nadać poprzez sygnalizatory alarmowe
(ZITG) odpowiednie komunikaty dla załogi
w wyrobiskach podziemnych. W przypadku
stwierdzenia przez dyspozytora geofizyki zagrożenia tąpaniami można korzystając z systemu łączności (ZITG) przeprowadzić ewakuację załogi z zagrożonego rejonu, a w przypadku wystąpienia
wstrząsów przy pomocy systemu gazometrycznego
zrealizować wyprzedzające wyłączenie zasilania
urządzeń w zagrożonym rejonie.
Nr 5(483) MAJ 2011
9
Rys. 9. Schemat blokowy funkcjonowania dyspozytorów kopalni w powiązaniu z systemem łączności alarmowej
(STAR), systemem gazometrycznym (SMP-NT, SEMP) oraz systemami sejsmologii i sejsmoakustyki (ARAMIS/ARES)
5. NIEZAWODNOŚĆ DYSPOZYTORA
Integracja systemów gazometrycznych i alarmowania ma na celu w pewnym sensie „wyręczyć” dyspozytora z podejmowania niektórych akcji. Dla określenia, jak integracja wpłynie na niezawodność całego systemu, niezbędne jest określenie niezawodności
czynności wykonywanych przez dyspozytora.
Niezawodność człowieka w systemach technicznych ocenia się stosując analizę niezawodności człowieka HRA. Człowiek, który jest elementem systemu
może zawieść w następujący sposób [MANHAZ]:
− nie wykona przewidzianego zadania,
− wykona zadanie nieprawidłowo,
− wykona czynności prowadzące do degradacji (np.
uszkodzenia) systemu technicznego, w którym
funkcjonuje.
Czynniki wpływające na zachowanie się człowieka
zwane PSF 12 można podzielić na:
11F
12
PSF – Performance Shaping Factors
− zewnętrzne, obejmujące środowisko pracy, takie
jak: maszyny, urządzenia, instrukcje pisemne i ustne, a także stres,
− wewnętrzne, wiążące się z indywidualnymi cechami osób,
− czynniki stresujące.
W analizie HRA wyróżnia się:
− poziomy czynników stresujących, takie jak:
− bardzo niski (niewystarczający dla zachowania
odpowiedniego poziomu czujności przy wykonywaniu zadań),
− optymalny,
− umiarkowanie wysoki,
− bardzo wysoki;
− zależności między różnymi zadaniami wykonywanymi przez człowieka, takie jak:
− zerowa zależność,
− niska zależność,
− umiarkowana zależność,
− wysoka zależność,
− całkowita zależność;
10
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
− świadomość skutków błędu (obawa wyłączenia
urządzenia ze względu na straty ekonomiczne, mimo że sytuacja awaryjna wymaga wyłączenia urządzenia).
− ASEP – Accident Sequence Evaluation Program,
Wyróżnia się następujące błędy popełniane przez
człowieka:
− błędy pominięcia:
− pominięcie całego zadania,
− pominięcie kroku zadania;
− błędy kolejności,
− błędy czasu wykonania zadania:
− zbyt wcześnie,
− zbyt późno;
− błędy jakościowe:
− zbyt mało,
− zbyt dużo.
Czynniki PFS dzielą się na 3 kategorie [7]:
− zewnętrzne w stosunku do człowieka,
− wewnętrzne związane z cechami osobniczymi,
− stresujące.
Zewnętrzne czynniki PFS obejmują:
− cechy sytuacyjne odnoszące się do:
− rozwiązania miejsca pracy (np. dyspozytorni),
− jakości środowiska pracy (temperatura, wilgotność, hałas, oświetlenie, wibracje),
− godzin pracy i przerw w pracy,
− zmianowości,
− dostępności sprzętu, narzędzi i materiałów,
− obsady stanowisk pracy,
− struktury organizacyjnej,
− zasad polityki w zakresie bezpieczeństwa,
− systemów wynagradzania, nagród, motywacji,
zainteresowania dobrą pracą;
− charakterystyki zadań i sprzętu:
− wymagania percepcyjne,
− wymagania co do przewidywania sygnałów
i alarmów przy znacznym obciążeniu innymi zadaniami wymagającymi uwagi.
Sposób wykonania zadań przez dyspozytora dzieli
się na:
− odruchy wyuczone – podświadome działanie wynikające z zapamiętanych wzorców zachowania,
− wyuczone zasady – działanie według zapamiętanych lub napisanych instrukcji,
− oparte na wiedzy – działanie w sytuacjach nierutynowych, gdzie istotną rolę odgrywają procesy poznawania i podejmowania decyzji.
Do analizy niezawodności człowieka stosuje się
szereg metod. Do najważniejszych można zaliczyć
następujące [6]:
− THERP – Technique for Human Error Rate Prediction [13],
− CREAM – Cognitive Reliability and Error Analysis
Method,
− SLIM – Success Likelihood Index Method [2],
− HEART – Human Error Assessment and Reduction
Technique [15],
− SPAR-H – Standardized Plant Analysis Risk – Human Reliability Analysis [SPAR-H].
W pracy [17] przeprowadzono ocenę niezawodności dyspozytora dla nadania sygnału alarmowego
w przypadku przekroczenia dopuszczalnej wartości
stężenia metanu. Ocena przeprowadzona została
metodą SPAR-H, uzyskując dla założonych czynników PFS wartość 0,034. Metoda SPAR-H zawiera szereg współczynników dla poszczególnych
czynników wpływających na pracę dyspozytora.
Wydaje się, że wybór metody dla oceny niezawodności dyspozytora oraz kalibracja metody (określenie współczynników modelu niezawodnościowego)
dla warunków kopalń głębinowych pozostaje
sprawą otwartą. Dla określenia współczynników
modelu niezawodnościowego dyspozytora przydatna może być metoda wykorzystująca oceny
ekspertów [9].
Istotnym czynnikiem wpływającym na niezawodność dyspozytora jest liczba alarmów, które są
przez niego odbierane. Istotna jest racjonalizacja
liczby alarmów wyświetlanych dyspozytorom
w zależności od sytuacji. Szczególnie istotna jest
eliminacja „potoków alarmów” [4]. Jako przykład
zbyt dużej liczby alarmów podaje się przypadek
eksplozji i pożaru w rafinerii Milford Haven, gdzie
w trakcie 11 minut przed eksplozją wystąpiło 270
alarmów. Tak duża liczba alarmów uniemożliwiła
dyspozytorom podjęcie właściwych działań [3].
6. ZAKOŃCZENIE
Dyspozytor jest istotnym elementem systemu
sterowania i nadzoru procesów zachodzących we
współczesnej kopalni głębinowej. Realizuje istotne
funkcje mające wpływ na bezpieczeństwo, np.
alarmowanie i ewakuacja załogi w przypadku zbyt
dużego stężenia metanu w wyrobiskach lub
w przypadku zaistnienia pożaru. Obecnie istnieją
techniczne możliwości integracji systemów pracujących w dyspozytorniach kopalnianych. Udało się
zrealizować na drodze sprzętowej i programowej
integrację systemów gazometrycznych i alarmowania oraz wdrożyć tak zintegrowane systemy
w kilku kopalniach [17,1].
Nr 5(483) MAJ 2011
11
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Cierpisz S. Miśkiewicz K., Musioł K., Wojaczek A.: Systemy
gazometryczne w górnictwie. Wydawnictwo Pol.itechni Śląskiej.
Gliwice, 2007.
Embrey D. E., Humphreys P. C., Rosa E., Kirwan B., Rea K.: SLIMMAUD – An approach to accesing human error probabilities using
structured expert judgement. NUREG/CR-3518 Washington DC 20555.
Hollender M., Beuthel C.: Intelligent alarming. Effective alarm management improves safety, fault diagnosis and quality control. ABB
Review 1/2007.
Kacprzak P., Kosmowski K.: Czynniki ludzkie w analizie rozwiązań
bezpieczeństwa funkcjonalnego. Bezpieczeństwo funkcjonalne Tom 3.
Warszawa 2009.
Kirwan B., Gibson H.: CARA: A Human Reliability Assessment Tool for
Air Traffic Safety Management – Technical Basis and Preliminary Architecture. Proceedings of the fifteenth Safety-critical Systems Symposium,
Bristol, UK, 13-15 February 2007.
Kosmowski K.: Analiza niezawodności człowieka w kontekście scenariuszy awaryjnych. Journal of KONBiN 3(6)2008.
MANHAZ. Poradnik metod ocen ryzyka związanego z niebezpiecznymi instalacjami procesowymi. Materiały Szkoły Tematycznej MANHAZ. Instytut Energii Atomowej. Otwock 2005.
Miśkiewicz K., Wojaczek A., Rej A.: Wybrane problemy bezpieczeństwa
funkcjonalnego w kopalnianych systemach gazometrycznych. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2007, nr 11.
Moraru R., Baburt G., Cioca L.: Human Reliability Model and Application for Mine Dispatcher inValea Jiului Coal Basin. Proceedings of
the International Conference on Risk Management, Assesment and
Mitigation. RIMA-10. Bucharest April 2010.
10. PN-EN
61508
Bezpieczeństwo
funkcjonalne
elektrycznych/elektronicznych/programowalnych elektronicznych systemów
związanych z bezpieczeństwem. Część 1 - 7.
11. SPAR-H. The SPAR-H Human Reliability Analysis Method. Idaho
National Laboratory. U.S. Nuclear Regulatory Commission Office of
Nuclear Regulatory Research. Washington, DC 20555-0001.
12. Suttinger L., Sossman C.: Operator Action Within a Safety Instrumented
Function, Westinghouse Savannah River Company Report WSRC-MS2002-00091,
2002,
Available
at:http://sti.srs.gov/
fulltext/ms2002091/ms2002091.html.
13. Swain A. D., Guttman H. E.: A handbook of human reliability analysis
with emphasis on nuclear power plant application. NUREG/CR-1278
Washington DC 20555.
14. TR61508-0. Functional safety and IEC 61508 Working draft of IEC TR
61508-0 Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems – Part 0.
15. Wiliams J. C.: HEART – A proposed methods for assessing and reducing human error. 9th Advances in Reliability Technology Symposium.
University of Bradford. April 1986.
16. Yllera J: Human Reliability Analysis. Training Course on PSA. Islamabad, Pakistan April 2004.
17. Wojtas P.: Wpływ integracji systemów dyspozytorskich i konfiguracji
sieci telekomunikacyjnych na ich niezawodność i funkcjonalność. Praca
doktorska. Politechnika Śląska. Gliwice 2010 (praca niepublikowana).
Recenzent: dr inż. Bożena Bojko
mgr inż. ADAM BROJA
mgr inż. DAMIAN CAŁA
mgr inż. MARCIN MAŁACHOWSKI
mgr inż. KAROL ŚPIECHOWICZ
mgr ADRIAN SZCZUREK
Instytut Technik Innowacyjnych EMAG
Zastosowanie metodyki Common Criteria
podczas procesu projektowania urządzeń
na przykładzie czujnika gazometrycznego
Artykuł przedstawia wyniki prac związanych z zastosowaniem metodyki Common Criteria (ISO/IEC15408) w projektowaniu czujników gazometrycznych, które spełniają
wymagania stawiane górniczym urządzeniom budowy przeciwwybuchowej. Omówiono kluczowe założenia standardu Common Criteria oraz poszczególne etapy tworzenia
dokumentu Security Target opisującego koncepcję bezpieczeństwa dla oceny przykładowego czujnika gazometrycznego. Opisano konstrukcję teoretycznego urządzenia,
określono wszystkie zasoby, których scharakteryzowanie niezbędne jest do zdefiniowania problemu bezpieczeństwa. Omówiono podmioty związane z produkcją i użytkowaniem czujnika, zagrożenia, które mogą w negatywny sposób wpłynąć na bezpieczeństwo urządzenia oraz przedstawiono założenia dotyczące jego pracy.
Projekt jest realizowany w ramach dofinansowania Unii Europejskiej, nr umowy
UDA POIG 01.03.01.156/08.
1. WSTĘP
Common Criteria (CC) to uznana na świecie norma
dostarczająca jasnej i wiarygodnej oceny możliwości
produktów IT w kwestii bezpieczeństwa. Dokonując
niezależnej, formalnej weryfikacji bezpieczeństwa
produktu, Common Criteria daje klientom większe
zaufanie do produktów IT w kwestii bezpieczeństwa
i prowadzi do podejmowania decyzji w oparciu
o dokładniejsze informacje. Klienci świadomi zagrożeń dla bezpieczeństwa informatycznego, wymagają
certyfikatów CC, jako decydującego czynnika
w podejmowaniu decyzji o zakupie danego produktu.
Ze względu na fakt, że wymagania certyfikacyjne są
jasno określone, sprzedawcy mogą w swojej ofercie
posiadać produkty stanowiące odpowiedź na bardzo
specyficzne potrzeby dotyczące zabezpieczeń, jednocześnie oferując szeroką gamę produktów.
Standard Common Criteria (CC, ISO 15408) udostępnia procedury pozwalające na zdefiniowanie
zagrożeń oraz zabezpieczeń, które na te zagrożenia
odpowiadają, a następnie przeprowadzenie formalnej
weryfikacji ich faktycznego działania w produkcie.
Certyfikacją według normy CC zajmują się niezależne, akredytowane laboratoria badawcze na całym
świecie [1].
Wynikiem procesu certyfikacji produktu lub systemu IT jest raport techniczny z przebiegu niezależnej oceny oraz certyfikat potwierdzający skuteczność
zabezpieczeń pod pewnymi warunkami. Proces certyfikacji może być prowadzony według różnych poziomów bezpieczeństwa (EAL – Evaluation Assurance Level), począwszy od EAL1 (tylko testy funkcjonalne) aż do EAL7 (formalna weryfikacja projektu
oraz testy).
Posiadanie certyfikatu CC nie gwarantuje, że produkt jest bezpieczny pod każdym względem – zapewnia jedynie o działaniu wszystkich zadeklarowanych przez producenta zabezpieczeń.
Międzynarodowy charakter certyfikatów Common
Criteria, przyjmowany przez coraz większą liczbę
państw, pozwala użytkownikom z innych krajów kupować produkty IT z większym zaufaniem, ponieważ
Nr 5(483) MAJ 2011
13
certyfikaty te są uznawane we wszystkich krajach akceptujących te normy [6]. Tabela 1 przedstawia najważniejsze terminy używane podczas procesu walidacji.
Tabela 1
Terminy używane w Common Criteria [1]
Akronim
Target of Evaluation
(TOE)
EAL - Evaluation
Assurance Levels
SAR – Security Assurance Requirement
SFR – Security
Functional
Requirements
+
TSF - TOE Security
Functions
Znaczenie
Przedmiot oceny, zestaw oprogramowania (software),
firmware i/lub sprzętu poddawany
ocenie i certyfikacji;
np. czujnik gazometryczny MCX 1.0
Predefiniowany zestaw wymagań dotyczących bezpieczeństwa – poziomy od
EAL1 do EAL7
Wymagania uzasadniające zaufanie do
zabezpieczeń
Wymagania funkcjonalne bezpieczeństwa
Zadanie zabezpieczeń
Funkcje zabezpieczeń TOE
Artykuł przedstawia kolejne kroki tworzenia dokumentu ST przez konstruktora urządzenia. Zaprezentowane zostały najważniejsze etapy przygotowywania dokumentu.
2. CHARAKTERYSTYKA
PRZEDMIOTU OCENY (TOE)
Jednym z pierwszych etapów pracy konstruktora
nad zadaniem zabezpieczeń jest opis i charakterystyka przedmiotu oceny.
Czujnik gazometryczny MCX 1.0 jest modelem
urządzenia pomiarowego, którego konstrukcja i zasada działania została oparta na wielu rozwiązaniach
z dziedziny gazometrii oferowanych przez Instytut
Technik Innowacyjnych EMAG [4].
Czujnik MCX 1.0 pozwala na ciągły pomiar stężenia metanu w zakresie 0÷100% oraz dodatkowo stężenia gazów mierzonych przez zaimplementowane
sensory, w zależności od wersji czujnika. Czujnik
charakteryzuje się szybkim czasem odpowiedzi oraz
elastycznym sposobem konfigurowania swojej funkcjonalności. Zasadniczym przeznaczeniem czujnika
gazometrycznego jest praca w ramach systemu metanometrii automatycznej. Pracując w ramach systemu
czujnik MCX realizuje funkcje związane ze sterowaniem wyjść dwustanowych. Sterując wyjściami czujnik MCX dokonuje automatycznych wyłączeń energii elektrycznej w przypadku przekroczenia stężeń
dopuszczalnych metanu. Wygląd opisywanego urządzenia przedstawia rysunek 1.
Rys. 1. Czujnik gazometryczny MCX 1.0
Czujnik MCX może również pracować lokalnie,
poza systemem metanometrii automatycznej.
W przypadku pracy lokalnej w czujniku nie są dostępne funkcje związane ze sterowaniem wyjść
dwustanowych. Czujnik składa się z dwóch połączonych obudów, z których jedna zawiera układ
elektroniczny metanomierza, a druga stanowi komorę przyłączową umożliwiającą dołączenie obwodów
zewnętrznych. Komora przyłączowa wyposażona
jest w trzy wpusty do wprowadzania kabli oraz
w złącze do przyłączania klawiatury kalibracyjnej.
Głowica pomiarowa wyposażona jest w wymienny
filtr składający się z siatki stalowej, folii hydrofobowej oraz warstwy węgla aktywnego. Obudowy
czujnika MCX i głowicy pomiarowej wyposażone
są w specjalne zawiesia umożliwiające ich zawieszenie pod stropem w wymaganej pozycji.
Układ elektroniczny czujnika MCX rozmieszczony jest na obwodach drukowanych, połączonych ze
sobą przewodami taśmowymi. Podział układu elektronicznego zaprojektowano tak, aby możliwe było
tworzenie, na życzenie użytkownika, wersji przyrządu różniącego się możliwościami funkcjonalnymi i ceną. Moduł procesora zawiera kontroler sterujący wszystkimi funkcjami czujnika MCX i odpowiedzialny za komunikację ze sterownikiem centrali
telemetrycznej.
Dla mikroprocesorowego czujnika gazometrycznego w wykonaniu iskrobezpiecznym typu MCX
zaprojektowano komory pomiarowe wyposażone
w jednolity, asynchroniczny interfejs szeregowy
umożliwiający podłączenie do podsystemu MCXcore (Rys. 3). Komory pomiarowe zasilane są napięciem z globalnego zasilania czujnika, co pozwala na
stabilizację napięcia dopiero w poszczególnych
komorach pomiarowych.
Otoczenie TOE (TOE physical environment) dostarcza do TOE mierzone sygnały (gaz znajdujący się
w otoczeniu czujnika), które są przetwarzane i kondycjonowane przez mikrokontroler komory pomia-
14
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
rowej. Przede wszystkim kontroluje skrośne działanie
detektora na temperaturę otoczenia (TOE physical
environment) oraz dryf (niestałość czasową) napięcia
na wyjściach sensora podłączonych bezpośrednio do
mikrokontrolera w podsystemie MCXdet.
Czujnik może być wyposażony w kilka komór pomiarowych, w których każda niezależnie posiada
funkcje zabezpieczające poprawność wprowadzonych danych ze środowiska TOE, weryfikację danych
oraz kontrolę poziomu ochrony otoczenia TOE.
W zależności od zastosowanej komory pomiarowej
wyróżnia się następujące elementy zabezpieczające
poprawność zapisu informacji i przekazania do monitora głównego (podsystemu MCXcore):
• sprawdzenie poprawności napięcia zasilania dostarczanego do detektora pomiarowego,
• kontroli i porównania sygnału napięciowego analogowego z detektora do wartości zapisanej w pamięci podczas produkcji i kalibracji komory pomiarowej,
• weryfikacji sygnałów cyfrowych z detektora poprzez porównanie z zakresem pomiarowych zapisanym w pamięci procesora podczas produkcji komory pomiarowej,
• porównania czasu pracy detektorów zapisanych
w pamięci procesora podczas produkcji komory
pomiarowej i wyłączenia pomiaru przy przekroczeniu „czasu życia” detektora,
• kontroli temperatury pracy czujnika i przekazanie
alarmu (awarii) do aplikacji głównej czujnika
w momencie przekroczenia dozwolonej temperatury pracy,
• kompensacji termicznej (ciśnieniowej) detektorów,
które nie posiadają automatycznej kompensacji.
Program zapisany w procesorze jest wprowadzany
przez producenta w laboratorium sprzętowoprogramowym o podwyższonych wymaganiach bezpieczeństwa, które zostało stworzone i pracuje zgodnie z normą Common Criteria.
Czujnik MCX może zapamiętać niektóre zdarzenia wraz z datą i czasem ich wystąpienia (np. data
i czas kalibracji czujnika, narażenia na przeciążenia gazowe podczas kalibracji). Wszystkie nastawy
konfiguracyjne czujnika MCX, tzn. wartości progów alarmowych, logiczny adres czujnika w systemie, sposób sterowania wyjściami dwustanowymi itp. ustawiane są tylko i wyłącznie ze stacji
powierzchniowej, ze stanowiska dyspozytora systemu w momencie przeprowadzania konfiguracji
danego czujnika.
Obiektem weryfikacji (TOE) jest część wewnętrzna czujnika gazometrycznego – obudowa urządzenia
traktowana jest jako część otoczenia obiektu
(Rys. 2). TOE ma możliwość autonomicznej pracy,
jednakże jego podstawowym przeznaczeniem jest
praca jako element systemu telemetrycznego.
W przypadku takiego trybu pracy potrzebna jest
linia transmisyjna (zasilanie, transmisja), która
umożliwia połączenie TOE z modułem zasilającotransmisyjnym. Informacje z modułu przekazywane
są do głównego komputera PC, z poziomu którego
zarządza się systemem, urządzeniami i interpretuje
pomiary uzyskane z urządzeń.
MCX.1.0
OBUDOWA
CH4
CO
...
O2
T
Pb
TOE
D ETEKTOR
GAZU
MIKROKONTROLER
L CD
ZASILANIE:
PROGRAM
WY JSCIA
A NA LOGO WE
ZAS IL AN IE
PAMI ĘĆ
KLAWIATURA
KALIBRACYJ NA
WEJSCI E
KALIBRACYJ NE
UKŁADY WE /WY
KOM BAJN U
OSWIETL EN IA
itd .
WYJSC IE
C YFR OWE
SYSTEM
TELEMETRYCZNY
CZUJNIK
TOE physical
environment
CZUJNIK
Rys. 2. TOE i jego otoczenie
TOE IT environment
Nr 5(483) MAJ 2011
15
ŚRO DOWISKO
MCXobud
OBUDOWA
TOE
WYJŚCIA
Rys. 3. Interfejsy TOE [5]
Opis interfejsów
Przedstawiono te interfejsy czujnika MCX (Rys. 3),
które odpowiadają funkcjom zabezpieczającym TOE
oraz te, które posiadają zabezpieczenie przed ominięciem funkcji zabezpieczających TOE [5]. Przytoczono podstawowy opis interfejsów znajdujący się
w materiale dowodowym ADV_ARC.
Interfejsy podsystemu MCXdet:
• MCXdet: GAZ – Interfejs zewnętrzny transportu
gazu do komory pomiarowej.
• Interfejsy podsystemu MCXklaw:
• MCXklaw: KLAWIATURA – interfejs odpowiedzialny za przesyłanie danych z klawiatury kalibracyjnej do podsystemu MCXklaw.
Interfejsy podsystemu MCXtranzas:
• MCXtranzas: LINIA – interfejs, którym przesyłane
są dane pomiarowe, informacja o zaistniałych
przekroczeniach progów alarmowych, dane identyfikacyjne czujnika, stan wejść/wyjść dwustanowych do systemu telemetrycznego oraz zasilanie.
Interfejsy podsystemu MCXwewy:
• MCXwewy: WYJŚCIA – interfejs zawierający
wyjścia dwustanowe czujnika MCX,
• MCXwewy: WEJŚCIA – interfejs zawierający
wejścia dwustanowe czujnika MCX.
Interfejsy podsystemu MCXcore:
• MCXcore: OBUDOWA – interfejs mechaniczny
pośredniczący w zabezpieczeniu przed nieautory-
zowanym otwarciem obudowy, plomba zabezpieczająca dane i program w podsystemie MCXcore.
3. DEFINICJA PROBLEMU
BEZPIECZEŃSTWA
Zdefiniowanie problemu bezpieczeństwa czujnika
gazometrycznego dotyczy urządzenia oraz środowiska, w którym czujnik będzie pracował (TOE IT environment i TOE physical environment). Poszczególne
aspekty problemu bezpieczeństwa wyrażone są poprzez zagrożenia i politykę bezpieczeństwa organizacji, w której jest eksploatowany czujnik. Pierwszym
etapem definicji problemu bezpieczeństwa jest określenie chronionych zasobów oraz podmiotów związanych z cyklem życia TOE. Następnie konstruktor
identyfikuje zagrożenia, które mogą w negatywny
sposób wpłynąć na przedmiot oceny oraz definiuje
cele zabezpieczeń zarówno dla TOE jak i jego środowiska operacyjnego, które przeciwstawiają się tym
zagrożeniom.
Zasoby
Sekcja przedstawia wszystkie zasoby (Assets), których identyfikacja jest niezbędna do zdefiniowania
problemu bezpieczeństwa. Zasoby podzielone są
według ich logicznego oraz fizycznego przeznaczenia
i związku z TOE [1].
16
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
Tabela 2
Zasoby [2]
Symbol
DTO.SensorData
DTO.SensorID
DTO.UserData
DIT.TelemSyst
DIT.CalibKeyb
DIT.Power
DAP.DesignData
Opis
Przetwarzane wielkości fizyczne (ciśnienie, temperatura) lub chemiczne
(stężenie gazu) na wielkość elektryczną (informatyczną) oraz protokół transmisji
Dane identyfikacyjne czujnika
Dane użytkownika; Ustawienie progów alarmowych (wyłączenie energii)
Nadrzędny system telemetryczny
Urządzenie podłączane do czujnika w celu jego kalibracji i zmiany jego ustawień
Układy zasilane energią wyłączane przez czujnik (matryca wyłączeń)
Informacje dotyczące projektowanych rozwiązań (sprzętowych, informatycznych), dokumentacja projektowa
Kolejnym etapem jest określenie podmiotów związanych z cyklem życia TOE.
Podmioty
Sekcja definiuje podmioty (Subjects) związane lub współpracujące z TOE. Podmioty, pod kątem kryterium autoryzacji, podzielone są na dwie grupy – użytkowników autoryzowanych (SAU) oraz użytkowników nieautoryzowanych (SNA) [1].
Podmioty współpracujące z TOE [2]
Symbol
SAU.Developer
SAU.ManufPers
SAU.ServicePers
SAU.User
SAU.Dispatch
SAU.MiningAuth
SAU.MaintPers
SNA.MiningPers
SNA.HighPotIntrud
SNA.IndSpy
Tabela 3
Opis
Osoba zaangażowana w prace rozwojowe dotyczące czujnika
Osoba zaangażowana w procesy wytwórcze (wytwarzanie komponentów programowych
i sprzętowych) ich integrację i testowanie
Osoba odpowiedzialna za serwis czujnika i ewentualną naprawę
Osoba autoryzowana (dozór kopalni, górnik-metaniarz, górnik-elektryk)
Osoba zarządzająca z poziomu systemu telemetrycznego konfiguracją czujników oraz interpretująca dane wysłane
przez czujniki oraz stan urządzeń
Osoba odpowiedzialna za kontrolę poprawności pracy urządzeń (Wyższy Urząd Górniczy)
Personel obsługujący TOE (maintenance)
Osoba należąca do personelu kopalni, która w sposób celowy lub niecelowy może uszkodzić czujnik
Osoba bez uprawnień, próbująca TOE lub zniekształcić dane pomiarowe (rozkalibrować czujnik)
Osoba próbująca uzyskać nieautoryzowany dostęp do dokumentacji projektowej
Następnym etapem definicji problemu bezpieczeństwa jest zidentyfikowanie zagrożeń, które mogą negatywnie
wpłynąć na pracę przedmiotu oceny.
Zagrożenia
W poniższej sekcji przedstawione zostały wszystkie zagrożenia zidentyfikowane przez konstruktora dla czujnika, które mogą w negatywny sposób wpłynąć na bezpieczeństwo TOE lub bezpieczeństwo pracy TOE [1].
Tabela 4
Zagrożenia [2]
Symbol
TDA.Access
TDA.Faults
TDA.Calib
TDA.Test
TDA.PowerSupply
TDA.SensorID
TDA.ForceMajeure
TDA.Software
TPH.MechnicalOrgin
TPH.IndSpy
Opis
Możliwość dostępu przez użytkowników [SAU.Developer], [SAU.MaintPers], [SAU.ServicePers],
[SAU.User], [SNA.HighPotIntrud] do funkcji czujnika i sfałszowania jego danych [DTO.SensorData]
Błędy pomiaru i transmisji. Wyjaśnienie: uszkodzenie czujnika, linii transmisyjnej lub detektora
Możliwość nieautoryzowanej zmiany parametrów pracy czujnika [DTO.SensorData] przez personel serwisowy
[SAU.ServicePers]
Niewłaściwa procedura testowania [SAU.Developer]
Możliwość uszkodzenia czujnika przez użytkowników lub intruzów [SAU.User], [SNA.HighPotIntrud],
[SAU.ManufPers] poprzez podłączenie zasilania niezgodnego ze specyfikacją czujnika. Możliwość wyczerpania się baterii
Możliwość fałszowania indywidualnych i unikalnych identyfikatorów przez użytkowników [SNA.MiningPers]
Możliwość uszkodzenia czujnika przez tąpnięcia, czynniki atmosferyczne i środowiskowe takie jak:
wybuch, pożar, powódź, itd.
Możliwość modyfikacji oprogramowania w kontrolerze przez użytkowników lub intruzów [SNA.HighPotIntrud],
[SAU.ManufPers], [SAU.ServicePers]
Możliwość dostania się do wnętrza obudowy i modyfikacji lub uszkodzenia czujnika
przez użytkowników [SAU.User], [SNA.MiningPers]
Możliwość kradzieży danych projektowych przez nieautoryzowane osoby [SNA.IndSpy]
Nr 5(483) MAJ 2011
17
Kolejną czynnością w pracach konstruktora nad definicją problemu bezpieczeństwa jest określenie celów zabezpieczeń dla TOE oraz dla jego środowiska.
Cele zabezpieczeń
Konstruktor określając cele zabezpieczeń, które
stanowią rozwiązanie zidentyfikowanego problemu
bezpieczeństwa, musi uwzględnić założenia dotyczące otoczenia oraz przewidywane zagrożenia.
Ponadto konstruktor musi uzasadnić, że wobec
wszystkich zidentyfikowanych zagrożeń podjęto
środki zaradcze [7].
Cele zabezpieczeń przedstawione są w dwóch
aspektach: dla TOE i dla środowiska operacyjnego [1].
Cele zabezpieczeń dla TOE [2]
Symbol
OINT.DataTransProt
OINT.DataWrite
OACC.CalibCtrl
ODEX.DataChange
OADT.ErrorInfo
OINT.ElectProt
OEIT.TransCheck
OINT.PowInter
OEIT.DblCheck
OEIT.Log
OINT.TOESecur
Tabela 5
Opis
TOE zapewnia kontrolę poprawności protokołu przesyłu informacji z klawiatury kalibracyjnej
TOE zapewnia prawidłowość zapisu informacji w pamięci danych
TOE zapewnia identyfikację klawiatury kalibracyjnej
TOE przesyła informacje do systemu telemetrycznego o zmianie parametrów swojej pracy
spowodowanej podłączeniem klawiatury kalibracyjnej
TOE zapewnia wyświetlenie oraz przekazanie do systemu telemetrycznego informacji
o błędach w działaniu oprogramowania
TOE zapewnia odporność na wysokie napięcia; w skrajnych przypadkach następuje przepalenie się bezpiecznika
Otoczenie TOE wykrywa brak transmisji (bez zasilania czujnik przechodzi w tryb autonomiczny
– transmisja jest wyłączona)
Złącze zasilania znajduje się wewnątrz TOE, co uniemożliwia dostęp do obwodu elektrycznego
Wykrywanie podwojonych numerów identyfikacyjnych
Zapisywanie adresów i identyfikatorów czujników
TOE zapewnia kontrolę poprawności działania elementów, protokołów transmisyjnych,
ochronę części informatycznej i elektronicznej przed niepowołanym dostępem
Cele zabezpieczeń dla środowiska operacyjnego
Cele zabezpieczeń dla środowiska operacyjnego opisują w jaki sposób środowisko przeciwstawia się zidentyfikowanym zagrożeniom. Cele te również wspierają poznane cele zabezpieczeń dla TOE [8].
Cele zabezpieczeń dla środowiska operacyjnego [2]
Symbol
OEIT.DataTransmIntegrity
OEIT.MeasureData
OEIT.DataTransProt
OEIT.DataChange
OSMN.WorkOrg
OSMN.WorkSecur
OINT.CasePlomb
OADT.Audit
Tabela 6
Opis
System telemetryczny współpracujący z TOE zapewnia kontrolę integralności przesyłanych danych
System telemetryczny zapewnia kontrolę stanu detektora (wykrywanie awarii detektora, awarii zasilania)
Klawiatura kalibracyjna zapewnia kontrolę poprawności protokołu przesyłu informacji
System telemetryczny zapewnia informację o zmianie parametrów pracy czujnika
Otoczenie zapewnia odpowiednią organizację prac projektowych produkcyjnych
Otoczenie zapewnia odpowiednie zabezpieczenie danych projektowych
TOE zapewnia ochronę części elektronicznej i informatycznej przed nieautoryzowanym dostępem
Otoczenie zapewnia regularne kontrole i kalibracje urządzenia
4. PODSUMOWANIE
W artykule opisano wyniki prac związanych z zastosowaniem metodyki Common Criteria w procesie
projektowania urządzeń. Jako przedmiot oceny wybrano model czujnika gazometrycznego. Przedstawiono opis urządzenia, jego interfejsów i podsystemów, ze zwróceniem uwagi na elementy wymagane
do jego oceny wg standardu Common Criteria. Na-
stępnie opisano najważniejszy element definicji problemu bezpieczeństwa, na który składają się zasoby,
podmioty oraz zagrożenia związane z projektowaniem, produkcją oraz serwisowaniem urządzenia.
W wyniku prac prowadzonych w projekcie powstał
gotowy dokument Security Target, będący podstawą
do stworzenia pełnego materiału dowodowego. Artykuł przedstawia jego wybrane elementy.
Prace prowadzone w projekcie CCMODE, związane z tworzeniem kompletu materiału dowodowego
18
miały na celu zdobycie fachowej wiedzy o metodyce
standardu CC oraz na zweryfikowaniu możliwości
zastosowania tego standardu w procesie projektowania czujnika gazometrycznego. Biorąc pod uwagę
przeznaczenie opisywanego urządzenia i jego charakter, należy dołożyć wszelkich starań by takie czujniki
nie tylko pracowały w sposób niezawodny, ale również by ich praca była oparta na obowiązujących
standardach bezpieczeństwa. Metodyka Common
Criteria pozwala na uzyskanie wiedzy o poziomie
bezpieczeństwa certyfikowanego obiektu, jak również umożliwia standaryzację procedur dotyczących
projektowania, produkcji i serwisowania każdego
urządzenia, które przeznaczone jest do pracy w środowiskach wymagających wysokiego poziomu bezpieczeństwa.
Przeprowadzenie analizy problemu bezpieczeństwa
przykładowego czujnika gazometrycznego MCX
pozwoliło zespołowi projektowemu wzbogacić wiedzę z zakresu metodyki Common Criteria, co w najbliższej przyszłości umożliwi wprowadzenie zasad
obowiązujących w standardzie do procesu projektowania nowych rozwiązań sprzętowych i informatycznych. W czasach obecnych kładzie się duży nacisk na
efektywność i bezpieczeństwo produktów, a dzięki
coraz bardziej popularnej normie i certyfikacji CC
możliwe jest osiągnięcie wysokiego poziomu wiarygodności zabezpieczeń. Dlatego też wynikiem
wszystkich prac związanych z projektem CCMODE
ma być wprowadzenie standardu CC do procesu
produkcji wszystkich rozwiązań oferowanych przez
Instytut EMAG.
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Common Criteria for IT Security Evaluation, version 3.1, 2009;
Common Criteria Member Organizations, Part 1-3
MCX 1.0 – Mikroprocesorowy czujnik gazometryczny w wykonaniu iskrobezpiecznym – Security Target, ITI EMAG 2011,
niepublikowane.
Śpiechowicz K., Broja A., Mirek G., Małachowski M., Szczurek
A., Cała D.: Możliwość zastosowania metodyki Common Criteria
do projektowania czujników gazometrycznych (case study). Konferencja „Środowisko rozwojowe produktów i systemów informatycznych o podwyższonych wymaganiach bezpieczeństwa. Instytut Technik Innowacyjnych EMAG 2009.
Strona internetowa ITI EMAG; http://www.emag.pl/, 03.2011.
Materiał dowodowy ADV_ARC mikroprocesorowego czujnika
gazometrycznego w wykonaniu iskrobezpiecznym MCX.1.0. ITI
EMAG 2011, niepublikowane.
Białas A.: Konstruowanie zabezpieczeń produktów i systemów
informatycznych posiadających mierzalny poziom uzasadnionego
zaufania. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2009, nr 1.
Białas A.: Informatyczne produkty sprzętowe, oprogramowanie
oraz systemy o zadanym poziomie uzasadnionego zaufania.
Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2009, nr 12.
Białas A.: Wspólne Kryteria do projektowania i oceny zabezpieczeń (Common Criteria, ISO/IEC 15408). Autorskie szkolenie
wprowadzające dla odbiorców certyfikowanych produktów
informatycznych, niepublikowane.
Recenzent: dr inż. Andrzej Białas
mgr inż. RYSZARD LIGARSKI
Instytut Technik Innowacyjnych EMAG
System RST-1 do radiowego sterowania tamami
śluzy wentylacyjnej
Omówiono wdrażany w kopalni system RST-1 umożliwiający radiowe sterowanie tamami śluzy wentylacyjnej. Śluzę w chodniku kopalnianym tworzą dwie tamy odległe
od siebie o około 150 m. Przez śluzę przemieszcza się zespół transportowy. Kierowca
zespołu ma radiowy sterownik operatorski, który umożliwia zdalne otwieranie/zamykanie drzwi tam oraz monitorowanie stanu śluzy na ekranie wyświetlacza sterownika. Iskrobezpieczny system sterowania RST-1 składa się między innymi z bloków
funkcjonalnych mocowanych na długości śluzy, które wyposażone są w podzespoły do
komunikacji radiowej w standardzie Bluetooth oraz przewodowej pomiędzy sobą
w standardzie CAN i/lub RS-485. Bloki funkcjonalne monitorują stan czujników położenia drzwi tam, sterują semaforami oraz siłownikami wykonawczymi.
1. WPROWADZENIE
System RST-1 przeznaczony jest do radiowego sterowania dwiema tamami wentylacyjnymi śluzowymi
z układem zamykania typu ELHYD/3 produkcji
„ELEKTRON” S.C. Tamy tworzą śluzę wentylacyjną
zabudowaną w chodniku kopalnianym, po którym
przemieszcza się Zespół Transportowy (kolejka spągowa lub kolejka podwieszana). Dwuskrzydłowe
drzwi tamy otwieranie-zamykanie są siłownikiem
pneumatycznym sterowanym elektrycznie za pomocą
przenośnego Radiowego Sterownika Operatorskiego
typu RSO-26T, który jest na wyposażeniu kierowcy
Zespołu Transportowego. W stanach awaryjnych
drzwi tam mogą być sterowane ręcznie.
W rozwiązaniu systemu RST-1 wykorzystano sprawdzone w użytkowaniu na kombajnach ścianowych podzespoły elektroniczne systemu MAKS-DBC przeznaczone do radiowego sterowania i monitorowania pracy
kombajnu za pomocą łącza radiowego Bluetooth oraz
układy szeregowej transmisji danych pomiędzy urządzeniami w standardzie CAN i/lub RS-485.
2. BUDOWA SYSTEMU
Dla zapewnienia prawidłowej komunikacji radiowej, dwukierunkowej, w sieci sterowania i kontroli
pracy tamy nr 1 i 2 na długości około 300 m zastosowano trzy radiowe bloki funkcjonalne typu:
 RST-1/KPD1 – umieszczony przed śluzą,
 RST-1/SKPD – mocowany w środku śluzy,
 RST-1/KPD2 – umieszczony za śluzą,
z którymi komunikuje się sterownik radiowy RSO26T, oraz dwa bloki funkcjonalne typu:
 RST-1/SHKT1 – umieszczony przed śluzą,
 RST-1/SHKT2 – umieszczony za śluzą,
przeznaczone do sterowania urządzeń zewnętrznych
i monitorowania otwarcia/zamknięcia drzwi tamy
nr 1 i 2.
Bloki systemu zostały zainstalowane w szafkach
naściennych (rys. 1) mocowanych na ociosie
w chodniku transportowym.
Rys. 1. Zestaw bloków funkcjonalnych systemu RST-1
Całość systemu RST-1 podzielona została na dwa
niezależne obwody elektryczne: tamy nr 1 i tamy nr 2,
odseparowane galwanicznie od siebie. Każdy obwód
zasilany jest z oddzielnego zasilacza, który ma podwójne wyjścia iskrobezpieczne 12 V DC/1 A. Jedno
napięcie zasila elementy wykonawcze: rozdzielacz
elektropneumatyczny REPI, sygnalizatory UWAGA
TAMA i semafory, a drugie podzespoły do sterowania
i komunikacji (BSHkm, BKPi, SeM-1, STAB-1), które
znajdują się wewnątrz szafek bloków funkcjonalnych
(rys. 2). Wymagane przez te podzespoły napięcie
iskrobezpieczne 5 V DC uzyskuje się ze stabilizatora
STAB-1 zasilanego napięciem 12 V DC.
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
Wybór takiego sposobu zasilania podyktowany został
wymaganiami iskrobezpieczeństwa obwodów wyjściowych. Zastosowane zasilacze mają najkorzystniejsze
parametry wyjściowe L, C, zapewniające iskrobezpieczeństwo tak długich obwodów wyjściowych.
Wszystkie bloki funkcjonalne komunikują się pomiędzy sobą za pomocą magistrali z transmisją szeregową w standardzie RS-485 i/lub CAN. Zastosowany w bloku RST-1/SKPD separator magistrali
SeM-1 umożliwia transmisję w standardzie RS-485
pomiędzy obwodami tamy nr 1 i 2 z zachowaniem
separacji galwanicznej.
Dla zwiększenia odporności systemu RST-1 na zaburzenia elektromagnetyczne zewnętrzne oraz ograniczenia emisji promieniowanej wszystkie połączenia
elektryczne zewnętrzne wykonano za pomocą kabli
sygnalizacyjnych górniczych, które mają podwójne
ekranowanie: indywidualne dla każdej z żył oraz
ekran wspólny dla wszystkich żył. Ekrany wspólne
połączono z korpusami skrzynek, natomiast korpusy
skrzynek połączone są z ziemią odniesienia w jednym miejscu. Zakłada się, że konstrukcja (EMC)
zastosowanych zasilaczy tłumi zaburzenia elektromagnetyczne przewodzone, które mogą być wprowa-
Rys. 2. Schemat blokowy systemu RST-1
20
Nr 5(483) MAJ 2011
dzane do obwodów elektrycznych systemu RST-1 od
strony sieci zasilającej 230 V AC lub z obwodów
systemu RST-1 do sieci.
Bloki funkcjonalne RST-1/KPD1(2) współpracują z blokami RST-1/SHKT1(2) umieszczonymi
w bezpośrednim sąsiedztwie. Przy każdym bloku
RST-1/SHKT1(2) znajduje się zasilacz iskrobezpieczny. Po wewnętrznej stronie śluzy przy każdej
tamie umieszczono wyłączniki zatrzymania awaryjnego z przyciskiem STOP. Z obydwu stron każdej tamy w odległości około 3÷5 m od tamy
umieszczono semafory świetlne zielono-czerwone
oraz stale świecące się transparenty z napisem
UWAGA TAMA, mocowane razem z sygnalizatorem akustycznym.
Siłownik pneumatyczny otwierający/zamykający
drzwi tamy sterowany jest iskrobezpiecznym rozdzielaczem elektropneumatycznym typu REPI-5/2-3/4.
Stan otwarcia/zamknięcia drzwi tamy monitorowany jest za pomocą dwóch łączników krańcowych otwarcia/zamknięcia – jeden ma zestyki
normalnie zwarte, natomiast drugi zestyki normalnie rozwarte.
W rozwiązaniu systemu RST-1 przewidziano zastosowanie opcjonalnie:
 czujnika typu CPW-1 do pomiaru ciśnienia powietrza w instalacji zasilania siłownika tamy,
 bloku ręcznego sterowania tamą, umieszczonego
w śluzie od strony wewnętrznej tamy 1 i 2,
 modemu telefonicznego do transmisji danych na
odległość, który mocowany jest docelowo wewnątrz bloku RST-1/KPD1.
21
dolne, pole bieżących komunikatów tekstowych
generowanych przez blok funkcjonalny nadrzędny,
z którym połączył się sterownik RSO-26T – komunikaty pojawiają się naprzemiennie podczas występowania przekroczeń progów ostrzegawczych,
alarmowych lub w sytuacjach, gdy przekazywane
są informacje związane z działaniem systemu.
Pozostałe funkcje wewnętrzne sterownika realizowane są bez udziału zewnętrznego połączenia radiowego. Należą do nich np.: wybór języka menu, zmiana jasności podświetlenia wyświetlacza, informacja
o stanie akumulatora. Są one dostępne poprzez odpowiednie wybranie menu, podświetlenie funkcji
i zatwierdzenie klawiszem ENTER.

3. STEROWNIK RSO-26T
Rys. 3. Sterownik RSO-26T
Sterowanie tamami śluzy wentylacyjnej odbywa się
za pomocą sterownika RSO-26T (rys. 3) wyposażonego
w wyświetlacz LCD oraz niestabilizowane przyciski
funkcyjne. Sterownik zasilany jest z wymiennego
iskrobezpiecznego źródła akumulatorowego.
W trakcie pracy sterownika na jego wyświetlaczu
można wyróżnić trzy zasadnicze pola wyświetlania
(rys. 3):
 górne, na którym wyświetlane są ikony statusu
systemu,
 środkowe, gdzie wyświetlane jest menu lub plansze
graficzne przedstawiające stan otwarcia/zamknięcia
drzwi obydwu tam, określany na podstawie stanu
zestyków łączników krańcowych. Nieprawidłowe
kombinacje otwarcia/zamknięcia tych zestyków
traktowane są jako awarie, które wyświetlane są
w postaci komunikatów ostrzegawczych,
Po załączeniu RSO-26T przez około 2 sekundy wyświetlane jest logo powitalne, a następnie plansza
z wynikiem testu pamięci masowej i modułu radiowego. Następnie wyświetlana jest plansza wyszukiwania
radiowych bloków funkcjonalnych: RST-1/KPD1,
RST-1/SKPD, RST-1/KPD2, zdolnych do nawiązania
komunikacji z RSO-26T, które znajdują się w zasięgu
łączności radiowej. Po zakończeniu wyszukiwania
znalezione bloki funkcjonalne zostają zapisane w pamięci nieulotnej sterownika i prezentowane są w postaci
menu wyboru. Kierowca zespołu transportowego,
w zależności od miejsca znajdowania się w chodniku,
wybiera z listy blok radiowy, który jest zamocowany na
ociosie najbliżej sterownika. Powoduje to rozłączenie
sterownika z aktualnie połączonym i połączenie z wybranym. Z uwagi na ograniczony zasięg łączności radiowej i wymagania bezpieczeństwa kierowca zespołu
22
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
transportowego czynność tę wykonuje przed śluzą,
w śluzie pomiędzy tamami oraz za śluzą wentylacyjną
(rys. 4).
zostaje zamknięty, rozdzielacz elektropneumatyczny
zostaje wyłączony. Zespół transportowy wjeżdża do
śluzy. Następuje odwrotny cykl zamykania tamy nr 1.
Po jej zamknięciu zostaje odblokowana możliwość
otwarcia tamy 2. Przebieg sterowania tamy nr 2 jest
analogiczny.
Jeżeli czas otwierania/zamykania tamy przekroczy
30 sekund, następuje automatyczne zablokowanie
układu sterowania i na wyświetlaczu RSO-26T pojawia się odpowiednia informacja: UKŁAD TAMY 1(2)
ZABLOKOWANY – PRZEKROCZONY CZAS. Ten
stan można odblokować na sterowniku RSO-26T naciskając przycisk ODBLOKUJ (3). Zatrzymanie otwierania lub zamykania drzwi tam przyciskiem STOP (5)
na sterowniku RSO-26T można odblokować przyciskiem ODBLOKUJ (3). Pojawia się komunikat potwierdzający tę decyzję. Dopiero ponowne naciśnięcie
tego przycisku powoduje włączenie dźwiękowego
sygnału ostrzegawczego na co najmniej 5 sekund
i potem uruchomienie otwierania lub zamykania drzwi
tamy, która została wcześniej zatrzymana.
Proces otwierania/zamykania tamy może zostać zatrzymany w każdej chwili za pomocą wyłącznika
zatrzymania awaryjnego i/lub przycisku STOP na
bloku RST-1/SHKT1(2). W blokach tych można
wybrać rodzaj sterowania: sterowanie ręczne
(za pomocą przycisków na drzwiach bloku) lub sterowanie radiowe (za pomocą sterownika RSO-26T).
W przypadku awarii systemu sterowania drzwi tamy
można otworzyć/zamknąć za pomocą przycisków
znajdujących się na obudowie rozdzielacza elektropneumatycznego typu REPI-5/2-3/4.
Rys. 4. Miejsca mocowania w chodniku radiowych
bloków funkcjonalnych
4. STEROWANIE TAMAMI ŚLUZY
Literatura
1.
2.
W stanie spoczynku zaświecone są transparenty
UWAGA TAMA, a na sygnalizatorach świetlnych
(semaforach) są światła zielone. Zespół transportowy podjeżdża do pierwszej tamy. Na wyświetlaczu
sterownika RSO-26T wyświetlany jest odpowiedni
obraz i komunikat o stanie tamy nr 1 i 2. Kierowca
przyciskiem na sterowniku inicjuje otwieranie tamy nr
1. W tym momencie zostaje zablokowana możliwość
otwarcia tamy nr 2. Przy tamie nr 1 rozlega się 5sekundowy dźwiękowy sygnał ostrzegawczy, następnie zostaje przesterowany rozdzielacz elektropneumatyczny sterujący siłownikiem tamy; tama nr 1 zaczyna
otwierać się, zestyk łącznika zamknięcia drzwi tamy
otwiera się i powoduje przełączenie świateł na semaforach tamy nr 2 z zielonego na czerwone. Tama nr 1
zostaje otwarta, zestyk łącznika otwarcia drzwi tamy
3.
4.
5.
6.
Ligarski R.: System RST-1 radiowego sterowania tamami wentylacyjnymi śluzowymi z układem zamykania typu ELHYD/3. Dokumentacja konstrukcyjna nr K57.068.DK1. ITI EMAG. 2010 r.
Ligarski R.: System RST-1 radiowego sterowania tamami wentylacyjnymi śluzowymi z układem zamykania typu ELHYD/3. Dokumentacja techniczno-ruchowa. Instrukcja użytkowania i obsługi
nr K57.068.DTR1. ITI EMAG. 2010 r.
Ligarski R.: System RST-1 radiowego sterowania tamami wentylacyjnymi śluzowymi z układem zamykania typu ELHYD/3. Bloki
funkcjonalne: RST-1/KPD1, RST-1/SKPD, RST-1/KPD2. Dokumentacja techniczno-ruchowa. Instrukcja użytkowania i obsługi nr
K57.068.DTR1.1. ITI EMAG. 2010 r.
Ligarski R.: System RST-1 radiowego sterowania tamami wentylacyjnymi śluzowymi z układem zamykania typu ELHYD/3. Bloki
funkcjonalne: RST-1/SHKT1, RST-1/SHKT2. Dokumentacja techniczno-ruchowa.
Instrukcja
użytkowania
i
obsługi
nr
K57.068.DTR1.2. ITI EMAG. 2010 r.
Firma Innowacyjno-Wdrożeniowa „Elektron” s.c. – Tama wentylacyjna śluzowa z układem zamykania typu ELHYD/3 dla dróg kolejki
szynowej. Wersja 3 sterowania pilotem bezprzewodowym. 2010 r.
Pańków A., Mrozek M., Przegendza G., Wicher P., Ligarski R.:
System nowej generacji bezprzewodowego sterowania maszyn wydobywczych ze zdalnym monitorowaniem pracy maszyny i łącznością głosową między operatorami. Mechanizacja i Automatyzacja
Górnictwa 2004, nr 5.
Recenzent: dr inż. Jerzy Krodkiewski
dr inż. ANDRZEJ NOWROT
Instytut Technik Innowacyjnych EMAG
Detektor gazów z wykorzystaniem absorpcji
fal elektromagnetycznych
w zakresie środkowej podczerwieni
Jedna z najefektywniejszych metod badania składu chemicznego gazów wykorzystuje
absorpcję fal elektromagnetycznych w zakresie podczerwieni (infrared - IR). Przyrządy wykorzystujące to zjawisko od dawna są powszechnie stosowane w laboratoriach
i umożliwiają wykrycie równocześnie bardzo wielu związków. Niestety są to urządzenia o dużych wymiarach i nie są przystosowane do pracy w atmosferze wybuchowej.
Detektor gazów, którego koncepcja zostanie przedstawiona w niniejszym artykule,
umożliwi oznaczenie stężenia tylko kilku wybranych związków w atmosferze np. metanu, lecz jednocześnie będzie się cechował mniejszymi wymiarami oraz dużo mniejszym
poborem mocy w stosunku do urządzeń laboratoryjnych. Ponadto może zostać zaadaptowany do pracy w atmosferze wybuchowej. Projektowany detektor będzie pracował w zakresie środkowej podczerwieni, gdzie metan wykazuje najsilniejszą absorpcję promieniowania IR. Rozwiązanie to umożliwi uzyskanie większej czułości przyrządu w stosunku do dostępnych w handlu urządzeń tego typu wykorzystujących bliską
podczerwień. Na podstawie przeprowadzonych badań, stanie się możliwe skonstruowanie w przyszłości komercyjnego nowoczesnego czujnika różnych gazów, konkurencyjnego wobec standardowych technologii.
1. WSTĘP
Absorpcja w podczerwieni jest jedną z najpopularniejszych metod analizy składu chemicznego nie
tylko gazów. Zjawisko to polega na pochłanianiu
fal elektromagnetycznych o określonych częstotliwościach charakterystycznych dla danych grup
funkcyjnych (związków chemicznych). Pochłonięta energia powoduje wzrost amplitudy drgań atomów molekuł. Drgania te mogą być rozciągające
symetryczne i asymetryczne, nożycowe, wahadłowe, wachlarzowe, skręcające. W oparciu o zjawisko absorpcji w podczerwieni dostępne są nowoczesne przyrządy pomiarowe m.in. Fourierowskie
spektrometry podczerwieni (FTIR), które umożliwiają jednoczesne wykrywanie wielu związków
chemicznych. Zagadnienia te zostały obszernie
omówione w pracach [1,2]. W większości gazów
występuje w charakterystyce widmowej wiele
prążków lub pasm absorpcyjnych. Związane jest to
z występowaniem lub nakładaniem się różnych
rodzajów drgań molekuł. W zakresie podczerwieni
przyjęło się rozgraniczać trzy podzakresy: bliską
podczerwień (NIR) dla długości fal do
3 µm, środkową (Mid-IR) od 3 µm do 30 µm oraz
daleką (FIR) powyżej 30 µm.
Wykorzystując obszar MIR możliwe jest dokonanie detekcji m.in. takich gazów jak metan, dwutlenek węgla, tlenek węgla, podtlenek azotu, chlorowodór, cyjanowodór (związek silnie toksyczny).
Charakterystykę widmową współczynnika transmisji w zakresie środkowej podczerwieni dla różnych gazów przedstawiono na rysunku 1. W spektroskopii w podczerwieni, oprócz długości fali, często stosowaną jednostką jest odwrotność długości
fali (liczba falowa) wyrażona w cm-1.
2. DETEKCJA METANU Z WYKORZYSTANIEM ABSORPCJI IR
Szczególnie istotnymi gazami z punktu widzenia
przemysłu wydobywczego są metan, tlenek węgla
oraz dwutlenek węgla.
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
24
Rys. 1. Charakterystyka widmowa współczynnika transmisji podczerwieni
przez ośrodek zawierający różne gazy [3] na drodze 50 cm przy koncentracji cząsteczek 250 ppm
Układy służące do detekcji metanu z wykorzystaniem absorpcji w bliskiej podczerwieni budowano
w USA już w latach 40. XX wieku [4]. Bliska podczerwień jest nadal często wykorzystywana w różnego rodzaju detektorach gazów ze względu na dużą
dostępność i sprawność energetycznych elementów
z tego zakresu. W przypadku metanu występują cztery silne pasma absorpcyjne. Charakterystykę widmową absorpcji w tym gazie przedstawiono na rysunku 2. Najsilniejsza absorpcja zachodzi dla środkowej podczerwieni w paśmie od 3,2 µm do 3,4 µm.
Rys. 2. Charakterystyka widmowa unormowanego
współczynnika absorpcji dla metanu [5]
Na podstawie analizy zmierzonej charakterystyki
widmowej dokonywana jest detekcja danego gazu.
Obecnie w praktyce laboratoryjnej polega to na
automatycznym porównaniu otrzymanej charakterystyki z wzorcem zapisanym w bibliotece. Możliwe
jest także określenie jakie izotopy pierwiastków
składowych tworzą dany gaz (związek chemiczny).
Przykładowo dla metanu zidentyfikowano widma
w podczerwieni dla różnych izotopów węgla i wodoru [6], tzn.: 12CH4, 13CH4, 12CH3D. Innym rozwiązaniem niż analiza widmowa w podczerwieni jest pomiar absorpcji dla jednej wybranej długości fali lub
kilku wybranych długości fal. Urządzenie wykorzystujące tę metodę wymaga prostszej konstrukcji
w stosunku do standardowych urządzeń laboratoryjnych. Należy również oczekiwać znacznie mniejszego poboru mocy. Dzięki temu możliwe jest zbudowanie przenośnego, przemysłowego detektora wybranego gazu lub kilku gazów. Najistotniejszą wadą
metody polegającej na pomiarze tylko jednej długości fali jest wpływ gazów innych niż badany na
wskazania przyrządu. Istnieje jednak wiele praktycznych zastosowań, gdzie efekt ten jest mało istotny.
Przykładowo wskazania czujnika metanu pracującego w zakresie od 3,2 µm do 3,4 µm mogą zostać
zakłócone (zawyżone) przez obecność metanolu lub
etanolu. Wiadomo jednak, iż w atmosferze np. kopalnianej związki te praktycznie nie występują.
Wpływ różnych gazów na poprawność wskazań występuje również w metanomierzach pellistorowych,
gdzie wykorzystywane jest zjawisko katalitycznego
spalania gazu [11]. Przyrządy wykorzystujące
w swojej zasadzie działania absorpcję w podczerwieni są w porównaniu do detektorów pellistorowych
zdecydowanie bardziej odporne na zniszczenie
wskutek działania różnych związków chemicznych.
Należy również zwrócić uwagę, iż czujniki pellistorowe faktycznie mierzą stosunek stężenia np. metanu do
stężenia tlenu. Wskazania przyrządu są wówczas pewną
funkcją tego stosunku. W przypadku detektorów IR,
pomiar stężenia metanu odbywa się niezależnie od
stężenia tlenu. Oznacza to, że przyrząd ten może
w szczególności pracować w atmosferze całkowicie
beztlenowej. Dzięki temu znacząco rozszerza się obszar
jego potencjalnych zastosowań.
Nr 5(483) MAJ 2011
3. KOMORA POMIAROWA DETEKTORA
NA PODCZERWIEŃ
Komora pomiarowa IR, którą schematycznie
przedstawiono na rysunku 3, zbudowana jest z dwóch
diod nadawczych podczerwieni, odbiornika podczerwieni oraz soczewek i filtrów optycznych zintegrowanych z tymi elementami. Badany gaz wnika do
komory pomiarowej dyfuzyjnie.
25
IR, w których t90 < 30 s, jest znacznie dłuższy od
czasu odpowiedzi urządzeń pellistorowych. Skrócenie czasu odpowiedzi jest zatem jednym z nierozwiązanych dotychczas problemów w konstrukcji
przemysłowych detektorów IR.
Kolejnymi istotnymi parametrami są stabilność
pracy oraz niepewność pomiarowa. Największy negatywny wpływ na te czynniki ma zmiana temperatury. Na rysunku 4 przedstawiono charakterystykę
widmową natężenia emitowanej fali podczerwieni dla
diody LED34HIGH-TEC-PR, na podstawie charakterystyk udostępnionych przez firmę Roithner Laser
Technik z Wiednia [7].
Rys. 3. Schemat komory pomiarowej IR.
1 – nadajniki podczerwieni, 2 – odbiornik
podczerwieni, 3 – gaz wewnątrz komory
Zastosowanie dwóch diod nadawczych umożliwia
autokalibrację detektora w ten sposób, że jedna
z diod emituje falę o długości nieabsorbowanej
przez badany gaz, natomiast druga dioda jest źródłem fali absorbowanej przez gaz. Rozwiązanie to
zostało zaproponowane m.in. przez firmę IBSG
z Sankt Petersburga [12]. Natomiast zastosowanie
więcej niż dwóch nadajników podczerwieni w komorze pomiarowej może pozwolić na pomiar stężenia wielu gazów.
Z punktu widzenia praktycznych zastosowań, najistotniejszymi parametrami przemysłowego detektora IR gazów są czas odpowiedzi, stabilność pracy
oraz niepewność pomiarowa. Pierwszy z wymienionych parametrów jest w dużej mierze zależny od
kształtu komory pomiarowej, rozmieszczenia w niej
elementów optoelektronicznych oraz od długości
fali IR. Kształt i wymiary komory pomiarowej mają
decydujący wpływ na szybkość dyfuzji badanego
gazu do jej wnętrza. Dla metanu wykorzystanie
pasm absorpcyjnych w zakresie NIR w otoczeniu
1,6 µm oraz 2,3 µm wymaga dłuższej drogi optycznej (większych wymiarów komory pomiarowej) niż
w przypadku zastosowania środkowej podczerwieni,
gdzie absorpcja jest zdecydowanie silniejsza i osłabienie wiązki IR następuje na krótszej drodze. Wykorzystanie pasm w zakresie NIR było dotychczas
podyktowane m.in. dostępnością elementów optoelektronicznych z tego obszaru. Czas odpowiedzi
dostępnych w handlu przemysłowych gazometrów
Rys. 4. Charakterystyka widmowa nadawczej diody
IR LED34HIGH-TEC-PR [7] dla różnych
temperatur przy nieaktywnym module Peltiera
Wzrost temperatury powoduje dwa negatywne
skutki: obniżenie natężenia fali podczerwieni oraz
dryf piku emisyjnego w kierunku większych długości
fal. Powoduje to istotne pogorszenie stabilności
(zmiany czułości i położenia zera) przyrządu. Temperatura wpływa również na czułość odbiornika podczerwieni. Na rysunku 5 zaprezentowano charakterystykę widmową fotodetektora IR P3981 firmy Hamamatsu [10].
Rys. 5. Charakterystyka widmowa czułości
fotodetektora IR P3981 firmy Hamamatsu [10]
przy nieaktywnym module Peltiera
26
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
Rozwiązaniem problemu dryfu punktu pracy jest
zastosowanie elementów optoelektronicznych zintegrowanych z modułem Peltiera i termistorem. Przykładem takiej konstrukcji jest przytoczona wcześniej
dioda LED34HIGH-TEC-PR (schemat budowy wewnętrznej zaprezentowano na rysunku 6) oraz fotodetektor P3981.
dowanie bardziej czułego detektora tego gazu. Ponieważ natężenie emitowanej podczerwieni w diodzie IR
oraz czułość fotodetektora IR zwiększają się wraz ze
spadkiem ich temperatury, możliwe jest skonstruowanie czujnika pracującego w różnych trybach czułości
i poboru mocy. W trybie standardowym przy niewielkim poborze mocy uzyskiwanoby dokładność porównywalną z dokładnością obecnie stosowanych detektorów pellistorowych. Natomiast w trybie o dużej dokładności, obniżana zostałaby temperatura elementów
IR kosztem większego poboru mocy. Prace konstruktorskie nad detektorami gazów wykorzystującymi
absorpcję w środkowej podczerwieni są prowadzone
w wielu ośrodkach na świecie [8, 9], także w Instytucie Technik Innowacyjnych EMAG [13, 14]. Obecnie
rozpoczęto nowy projekt badawczy w Instytucie
EMAG, w ramach którego powstają założenia konstruktorskie nowego detektora wykorzystującego wymienione w artykule nowoczesne elementy optoelektroniczne [15]. Niewątpliwie największym wyzwaniem jest skrócenie czasu odpowiedzi detektora IR na
zmianę stężenia metanu.
Rys. 6. Schemat budowy wewnętrznej diody
LED34HIGH-TEC-PR [7]
Element emitujący podczerwień (LED chip) został
umieszczony wraz z termistorem na module Peltiera
(TEC). Dzięki temu, sterując prądem płynącym przez
moduł TEC, utrzymywana jest stała temperatura
elementu emitującego podczerwień. Analogiczne
rozwiązanie zostało zastosowane w fotodetektorze.
Dzięki obecności modułu Peltiera, zmiany temperatury otoczenia nie powodują dryfu charakterystyk elementów optoelektronicznych i punkt pracy komory
jest stabilny. Pobór mocy modułu Peltiera zależy od
różnicy temperatur na jego końcach. Na podstawie
danych technicznych fotodetektora P3981 firmy Hamamatsu można wykazać, iż pobór mocy zintegrowanego modułu Peltiera jest silnie nieliniowy
w funkcji różnicy temperatur pomiędzy jego końcami. Uzyskanie nieznacznego obniżenia temperatury
elementu nadawczego lub odbiorczego wymaga dostarczenia niewielkiej ilości energii, natomiast zapewnienie różnicy temperatur ok. 65ºC wymaga już
mocy ponad 1 W.
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
4. PODSUMOWANIE
14.
Dzięki postępowi naukowemu, jaki dokonał się
w ostatnich latach, dostępne są obecnie w handlu nowoczesne elementy optoelektroniczne, wyposażone
w moduł Peltiera i termistor, pracujące w środkowej
podczerwieni. W zakresie tym m.in. metan wykazuje
najsilniejszą absorpcję. Dzięki temu możliwe jest zbu-
15.
Atkins P.W.: Chemia fizyczna PWN 2008.
Kęcki Z.: Podstawy spektroskopii molekularnej. PWN 1992.
Mid-Infrared Laser Applications in Spectroscopy. Solid-State MidInfrared Laser Sources, Topics Appl. Phys. 89, 445–516 (2003)
Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2003.
Richard C. Nelson,1 Earle K. Plyler, and William S. Benedict: Research Associate, Northwestern University, Absorption Spectra of
Methane in the Near Infrared, National Bureau of Standards Research
Paper RP1944 Volume 41, December 1948.
Demusiak G.: Nowe metody kontroli szczelności sieci i instalacji gazu
ziemnego, z wykorzystaniem ręcznych detektorów laserowych do
zdalnego wykrywania wycieków metanu, Instytut Nafty i Gazu, Kraków 2010.
Methane line parameters in HITRAN. Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer 82 (2003) 219–238.
www.roithner-laser.com
http://optosense.ru
Development of the detection system of methane leakage using
3.2 μm Mid-Infrared LED and PD. Institute of Gas Safety R&D, Korea Gas Safety Corporation
www.hamamatsu.com , P3981
Kasprzyczak L., Cuber J., Maślankiewicz G.: Katalityczne i termokonduktometryczne czujniki stężenia metanu – zasada działania, wymagania i badania. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2008,
nr 12, s. 32-39.
www.ibsg-st-petersburg.com, methane detection
Nowak D., Gralewski K., Maślankiewicz G.: Badanie nowej generacji
komór opartych na detektorach NDIR do pomiaru metanu i dwutlenku
węgla, Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2009, nr 10, s. 5-10.
Kasprzyczak L., Krzykawski D., Mirek G.: Pomiary stężeń trujących
i wybuchowych gazów przy użyciu mobilnego robota górniczego
w atmosferach niskotlenowych o dużej wilgotności, Materiały konferencyjne EMTECH 2009, 10-13 maja 2009, s. 115-121.
Nowrot A., Krzystanek Z., Maślankiewicz G., Korski W.: Zbadanie
przydatności różnych konstrukcji komór pomiarowych do budowy
detektora gazów na przykładzie metanu z wykorzystaniem absorpcji
fal elektromagnetycznych w zakresie środkowej podczerwieni. Praca
statutowa prowadzona w Instytucie EMAG, Etap pierwszy, 03/2010.
Recenzent: dr inż. Leszek Kasprzyczak
mgr inż. ROMAN PIETRZAK
Instytut Technik Innowacyjnych EMAG
Kompatybilność elektromagnetyczna
urządzeń górniczych w świetle doświadczeń
Omówiono problemy wynikłe w pracy urządzeń podczas oceny ich funkcjonowania
w trakcie badań kompatybilności elektromagnetycznej, m.in. na przykładzie wyrobów
przeznaczonych do pracy w podziemiach kopalń. Badania zostały wykonane w Laboratorium Badań Kompatybilności Elektromagnetycznej (EMC) w Instytucie Technik Innowacyjnych EMAG w Katowicach. Prezentowane wyniki badań/pomiarów są efektem testów przeprowadzonych w warunkach laboratoryjnych i nie dotyczą wyników badań
/pomiarów urządzeń wykonywanych poza siedzibą laboratorium – w miejscu instalacji
urządzeń, tzw. pomiarów IN SITU. Problemy przedstawiono na przykładach badań odporności na serie szybkich elektrycznych stanów przejściowych [9] (Electrical Fast
Transient EFT/BURST), zapady napięcia, krótkie przerwy i zmiany napięcia [10] oraz
na pomiarach elektromagnetycznych zaburzeń promieniowanych [8]. Ze względu na poufność informacji (polityka jakości akredytowanego laboratorium badawczego), szczegóły dotyczące badanych urządzeń zostały utajnione.
1. WSTĘP
Zgodnie z definicją, kompatybilność elektromagnetyczna to zdolność danego urządzenia elektrycznego
lub elektronicznego do poprawnej pracy w określonym środowisku elektromagnetycznym i nieemitowanie zaburzeń pola elektromagnetycznego zakłócającego poprawną pracę innych urządzeń pracujących
w tym środowisku [1].
Na producencie (lub jego upoważnionym przedstawicielu) mającym siedzibę w krajach UE spoczywa obowiązek wystawienia deklaracji zgodności WE
dla danego urządzenia oraz naniesienie oznakowania
CE na wyrobie. Oznacza ono zgodność z „wymaganiami zasadniczymi” dyrektyw nowego podejścia,
którym podlega dane urządzenie.
Jednym ze sposobów wykazania zgodności z „wymaganiami zasadniczymi” jest ocena zgodności na
podstawie badań wykonanych według norm zharmonizowanych z odpowiednią dyrektywą nowego podejścia (na stronie Polskiego Komitetu Normalizacyjnego, www.pkn.pl, znajdują się wykazy norm zharmonizowanych z odpowiednimi dyrektywami: Normy
a prawo/Dyrektywy i Normy/Dyrektywy „nowego
podejścia” wymagające oznakowania CE [11]).
Normy
zharmonizowane
z
dyrektywą
2004/108/WE (EMC) to normy wyrobów lub grup
wyrobów oraz normy ogólne [3..6] (potocznie nazywane normami środowiskowymi). W normach
znajdują się wymagania dotyczące parametrów oraz
zakresu badań.
2. RODZAJE BADAŃ I POMIARÓW W ZAKRESIE KOMPATYBILNOŚCI ELEKTROMAGNETYCZNEJ (EMC)
W badaniach urządzenia na kompatybilność elektromagnetyczną (EMC) rozróżnia się:
• badania odporności na zaburzenia (ocena wrażliwości urządzenia),
• pomiary emisji zaburzeń elektromagnetycznych.
W laboratoriach badawczych, zajmujących się
kompatybilnością elektromagnetyczną, wykonuje się
szereg badań i pomiarów według odpowiednich norm
podstawowych. Najważniejszą grupę stanowią normy
z serii PN-EN 61000-4-x (gdzie x oznacza liczbę
odnoszącą się do danego typu badania lub pomiaru)
oraz część norm z serii PN-EN 550xx.
Wykaz badań odporności wykonywanych w Laboratorium Badań Kompatybilności Elektromagnetycznej w Instytucie Technik Innowacyjnych EMAG
przedstawiono w tabeli 1 i 2.
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
28
Wybrane normy dotyczące badań odporności na zaburzenia
Lp.
Nr normy
PN-EN 61000-4-2
Dotyczy
Badania odporności na wyładowania elektrostatyczne
PN-EN 61000-4-3
Badania odporności na pole elektromagnetyczne o częstotliwości radiowej
PN-EN 61000-4-4
Badania odporności na serie szybkich elektrycznych stanów przejściowych
PN-EN 61000-4-5
Badania odporności na udary
PN-EN 61000-4-6
przez pola o częstotliwości radiowej
PN-EN 61000-4-8
PN-EN 61000-4-9
Badania odporności na zaburzenia przewodzone, indukowane
Badania odporności na pole magnetyczne o częstotliwości sieci
elektroenergetycznej
Badania odporności na impulsowe pole magnetyczne
PN-EN 61000-4-11
Badania odporności na zapady napięcia, krótkie przerwy i zmiany napięcia
PN-EN 61000-4-12
Badania odporności na tłumione przebiegi sinusoidalne
PN-EN 61000-4-29
Badania odporności na zapady napięcia, krótkie przerwy
i zmiany napięcia występujące w przyłączu zasilającym prądu stałego
Wybrane normy dotyczące pomiarów emisji zaburzeń
Lp.
Nr normy
PN-EN 55011
Tabela 1
Tabela 2
Dotyczy
Pomiar emisji zaburzeń pochodzącej od urządzeń przemysłowych,
medycznych i naukowych (PMN)
PN-EN 55022
Pomiar emisji zaburzeń pochodzącej od urządzeń informatycznych
PN-EN 55016-1-2
Pomiar zaburzeń przewodzonych
PN-EN 55016-2-3
Pomiar zaburzeń promieniowanych
3. WYBRANE PROBLEMY WYNIKŁE
PODCZAS BADAŃ EMC
3.1. Badanie odporności na serie szybkich
elektrycznych stanów przejściowych
(Electrical Fast Transient EFT/BURST)
Badania odporności na serie szybkich elektrycznych stanów przejściowych (PN-EN 61000-4-4)
mają na celu symulację zaburzeń o charakterze
nieustalonym, jakie powstają podczas łączeniowych stanów przejściowych (odłączanie obciążeń
indukcyjnych, efekt odbijania styków przekaźnika
itp.).
Badanie to polega na „wstrzyknięciu” paczek
impulsów bezpośrednio w linie (dotyczy portów
zasilania) lub sprzęgniecie w przewód za pośrednictwem specjalnej klamry pojemnościowej (dotyczy portów sygnałowych, WE/WY, komunikacyjnych, sterowania, itp.). Impulsy generowane są
w liczbie 75 w paczce z częstotliwością 5 kHz (lub
100 kHz) w okresach 300 ms. Na rysunku 1 przedstawiono kształty i parametry czasowe sygnałów
EFT/BURST.
Rys. 1. Kształty i parametry czasowe zaburzeń serii
szybkich elektrycznych stanów przejściowych
(EFT/BURST)
Nr 5(483) MAJ 2011
29
Normy wyrobów lub grupy wyrobów (m.in. dla
urządzeń przeznaczonych do pracy w środowisku
przemysłowym) wymagają przeprowadzenia testów
odporności na serie szybkich elektrycznych stanów
przejściowych na przyłączu zasilania przy amplitudzie ±2 kV.
W Laboratorium Badań Kompatybilności Elektromagnetycznej w Instytucie Technik Innowacyjnych
EMAG bada się odporność urządzenia na zaburzenia
o amplitudzie impulsów do ±7,5 kV (na przyłączu
zasilania do 300 V AC/DC).
W wyniku wieloletnich doświadczeń stwierdza się,
iż w przypadku urządzeń przeznaczonych do pracy
w podziemiach kopalń, dobrą praktyką są testy urządzeń przy wyższych poziomach niż wymaga norma,
np. PN-EN 61000-6-2 (dla urządzeń pracujących
w środowisku przemysłowym).
Jako przykład omówiono urządzenie transmisyjne,
w którym przy testach na przyłączu zasilania dla
poziomu probierczego ±2 kV (zgodnego z wymaganiami normy PN-EN 61000-6-2) nie występowały
żadne zakłócenia.
Po zainstalowaniu i uruchomieniu w jednej z kopalń, urządzenie zawieszało się, blokując pracę innych urządzeń. Po ponownych badaniach EMC ustalono, iż przyczyną zakłóceń pracy urządzenia są
wyższe poziomy zaburzeń występujących w miejscu
instalacji o charakterze podobnym do BURST (ok.
±4 kV), w porównaniu z poziomami określonymi
w wymienionej normie (±2 kV). Dodatkowe badania
inżynierskie oraz modyfikacja urządzenia pozwoliły
na zwiększenie odporności urządzenia na impulsy
typu BURST do poziomu ±5 kV, co spowodowało,
że ponowne zakłócenia w pracy urządzenia nie wystąpiły.
3.2. Badanie odporności na zapady napięcia,
krótkie przerwy i zmiany napięcia
Badania odporności na zapady napięcia, krótkie
przerwy i zmiany napięcia (PN-EN 61000-4-11) mają
na celu symulację zaburzeń występujących w sieci,
wywołanych zwarciami w instalacjach lub nagłymi
dużymi zmianami obciążenia, powodowane stale
zmieniającymi się obciążeniami przyłączanymi do
sieci.
Badanie polega na obniżaniu napięcia zasilania AC
(lub płynnych zmianach napięcia zasilania) według
parametrów zapadów napięcia (% zapadu w stosunku
do napięcia znamionowego oraz czas trwania zapadu), które są określone w normach z wymaganiami.
W tabeli 3 przedstawiono przykładowe parametry
zapadów napięcia, a na rysunku 2 graficzną wizualizację tego typu zaburzeń.
Przykładowe parametry zapadów napięcia, krótkich przerw i zmian napięcia
Tabela 3
Norma wyrobu (grupy wyrobów)
Lp.
PN-EN 61000-6-1:2008
PN-EN 61000-6-2:2008
PN-EN 61326-1:2009
1.
0% UN/10 ms
0% UN/20 ms
0% UN/0 ms
2.
0% UN/20 ms
40% UN/200 ms
0% UN/200 ms
3.
70% UN/500 ms
70% UN/500 ms
70% UN/500 ms
4.
0% UN/5000 ms
0% UN/5000 ms
0% UN/5000 ms
X (dowolne)
np. 40% UN/500 ms
UN – znamionowe napięcie zasilania
a)
b)
70%
Rys. 2. Graficzna wizualizacja zaburzenia: a) zapadu napięcia do poziomu 70 % UN na czas 20 ms,
b) zapadu napięcia do poziomu 0% UN na czas 60 ms [13]
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
30
Tabela 4
Wybrane wartości dopuszczalne dla pomiaru elektromagnetycznych zaburzeń promieniowanych
Zakres częstotliwości
Od 30 MHz do 230 MHz
Od 230 MHz do 1 GHz
PN-EN 55011 klasa A
i PN-EN 61000-6-4
odległość pomiarowa
10 m
3m
Limit
dB(µV/m)
40
50
47
57
Większość norm wyrobów lub grupy wyrobów
wymaga testowania odporności na zapady napięcia,
krótkie przerwy i zmiany napięcia. W zależności od
normy wyrobu, wymagane są testy odporności przy
różnych parametrach % UN (UN – napięcie znamionowe) zapadu napięcia i czasu trwania tego zapadu.
Aparatura, będąca na wyposażeniu laboratoriów
badawczych zajmujących się badaniami EMC, niestety nie umożliwia wykonania testów odporności na
zapady napięcia, krótkie przerwy i zmiany napięcia
zasilania dla napięć wyższych niż 3×400 V AC.
Jako przykład omówiono przypadek urządzenia
sterującego, zasilanego napięciem 42 V AC. Urządzenie to zostało zbadane w laboratorium pod kątem
spełnienia wymagań normy PN-EN 61000-6-2 dla
urządzeń przeznaczonych do pracy w środowisku
przemysłowym. Dla wszystkich poziomów probierczych wymaganych przez tę normę nie wystąpiły
zakłócenia w pracy urządzenia.
Po instalacji urządzenia w jednej z kopalń, omawiane urządzenie, wyposażone w kilkanaście przekaźników zatrzaskowych, zawieszało się podczas
pracy, blokując pracę innych urządzeń współpracujących z tym urządzeniem. Inny egzemplarz tego urządzenia podobnie działał w nieprawidłowy sposób.
Kilkudniowe badania konstruktorskie pozwoliły na
wykrycie przyczyny zakłóceń, które występowały dla
zapadu napięcia o wartości 40 % UN (UN – napięcie
znamionowe) przy czasie 500 ms (kolumna oznaczona jako X w tabeli 3). Po wykryciu przyczyny niepoprawnej pracy urządzenia i jej wyeliminowaniu, ponowne zakłócenia w pracy omawianego urządzenia
nie pojawiły się.
3.3. Pomiar elektromagnetycznych zaburzeń
promieniowanych
Pomiar elektromagnetycznych zaburzeń promieniowanych (potocznie emisji promieniowanej) wymagany jest przez większość norm wyrobów lub grup
wyrobów w zakresie częstotliwości pomiarowych od
30 MHz do 1 GHz (dla urządzeń informatycznych
PN-EN 55011 klasa B
i PN-EN 61000-6-3
odległość pomiarowa
10 m
3m
Limit
dB(µV/m)
30
40
37
47
nawet do 6 GHz). Zmierzone wartości natężenia pola
elektromagnetycznego nie powinny przekraczać
przyjętych wartości dopuszczalnych. Najczęściej
określa się dwa limity dopuszczalne – dla urządzeń
klasy A (np. pracujących w środowisku przemysłowym) oraz klasy B (np. pracujących w środowisku
mieszkalnym, handlowym i lekko uprzemysłowionym). W tabeli 4 przedstawiono wartości dopuszczalne dla wymienionych klas dla dwóch odległości
pomiarowych (10 m i 3 m).
W Laboratorium Badań Kompatybilności Elektromagnetycznej Instytutu Technik Innowacyjnych
EMAG wykonuje się pomiary elektromagnetycznych zaburzeń promieniowanych z odległości pomiarowej 3 m.
Dobrym przykładem urządzeń, w których wszystkie zastosowane elementy składowe i podzespoły
posiadają oznaczenie CE, są komputery PC. Doświadczenie wykazało, iż zaledwie 20% dostarczanych do laboratorium zestawów komputerowych
spełnia wymagania pomiarów zaburzeń promieniowanych przy pierwszym podejściu. Najprostszym
sposobem obniżenia emisji promieniowanej jest taki
dobór podzespołów (karty grafiki, pamięci, karty
dźwiękowej itp.), aby wynik pomiaru znajdował się
w dopuszczalnym zakresie.
Na rysunku 3a, b, c, d przedstawiono przykładowe
wyniki pomiaru elektromagnetycznych zaburzeń
promieniowanych dla komputerów klasy PC, a na
rysunku 4a, b dla urządzenia przeznaczonego do
pracy w środowisku przemysłowym.
Przedstawione przykłady miały na celu wykazanie,
że należy zachować ostrożność w akceptowaniu
urządzeń posiadających oznakowanie CE, ponieważ:
Po złożeniu urządzenia z podzespołów posiadających CE warto jest więc zweryfikować poprzez badania jego kompatybilności elektromagnetycznej
(EMC).
Nr 5(483) MAJ 2011
31
b)
80
80
70
70
60
60
50
Level in dBµV/m
Level in dBµV/m
a)
PN-EN 55013 Electric Field Strength 3 m QP
40
30
50
30
20
20
10
10
0
30M
50
60
80
100M
200
300
400
500
800
0
30M
1G
PN-EN 55013 Electric Field Strength 3 m QP
40
50
60
80
100M
200
300
400
800
500
1G
Frequency in Hz
Frequency in Hz
PN-EN 55013 Electric Field Strength 3 m QP
PN-EN 55013 Electric Field Strength 3 m QP
Preview Measurement Detector Max Peak
Preview Measurement Detector Max Peak
Final Measurement Detector Quasi Peak
Final Measurement Detector Quasi Peak
c)
d)
80
80
70
70
60
50
Level in dBµV/m
Level in dBµV/m
60
PN-EN 55013 Electric Field Strength 3 m QP
40
30
50
30
20
20
10
10
0
30M
50
60
80
100M
200
300
400
500
800
0
30M
1G
PN-EN 55013 Electric Field Strength 3 m QP
40
50
60
80
100M
Frequency in Hz
200
300
400
500
800
1G
Frequency in Hz
PN-EN 55013 Electric Field Strength 3 m QP
PN-EN 55013 Electric Field Strength 3 m QP
Preview Measurement Detector Max Peak
Preview Measurement Detector Max Peak
Final Measurement Detector Quasi Peak
Final Measurement Detector Quasi Peak
Rys. 3.(a, b, c d) Wyniki pomiarów elektromagnetycznych zaburzeń promieniowanych
dla różnych zestawów komputerowych [źródło: archiwum własne]
a)
b)
80
80
70
70
60
PN-EN 61000-6-4 Electric Field Strength 3 m QP
50
40
30
Level in dBµV/m
Level in dBµV/m
60
40
30
20
20
10
10
0
30M
50
60
70
80
90 100M
230M
0
230M
Frequency in Hz
PN-EN 61000-6-4 Electric Field Strength 3 m QP
PN-EN 61000-6-4 Electric Field Strength 3 m QP
50
400
500
600
700
800
900
1G
Frequency in Hz
PN-EN 61000-6-4 Electric Field Strength 3 m QP
Preview Measurement Detector Max Peak
Preview Measurement Detector Max Peak
Final Measurement Detector Quasi Peak
Final Measurement Detector Quasi Peak
Rys. 4.(a, b) Wyniki pomiarów elektromagnetycznych zaburzeń promieniowanych
dla urządzenia przeznaczonego do pracy w środowisku przemysłowym,
zawierającego elementy informatyczne (klawiatura, komputer PC, ekran dotykowy)
[źródło: archiwum własne]
4. PODSUMOWANIE
W tekście opisano wybrane badania (pomiary)
z zakresu kompatybilności elektromagnetycznej
urządzeń górniczych. W przykładach zwrócono uwa-
gę na przypadki zachowania zgodności w odniesieniu
do odpowiednich norm oraz weryfikację tej zgodności w odniesieniu do stanu rzeczywistego w miejscu
instalacji wyrobu. Wykazano, iż poziomy probiercze
ustalane w normach z wymaganiami są ustalane na
zasadzie kompromisu pomiędzy warunkami rzeczy-
32
wistymi (wynik statystyczny pomiarów zaburzeń
elektromagnetycznych występujących w różnych
lokalizacjach), możliwościami technicznymi (dostępna aparatura na rynku) oraz kosztem badań i elementów ograniczających wpływ zaburzeń.
Wyniki badań i pomiarów uzyskane podczas testów
EMC urządzeń w Laboratorium Badań Kompatybilności Elektromagnetycznej Instytutu Technik Innowacyjnych EMAG w Katowicach pokrywają się
z pomiarami wykonanymi przez zespół badawczy
z Instytutu Łączności – PIB 2.
Zwrócono również uwagę, iż wykorzystanie podzespołów posiadających oznakowanie CE niekoniecznie musi oznaczać, iż wyrób finalny bez dodatkowych zabiegów (w postaci filtrów, obudów, ekranów
itp.) będzie spełniał wymagania. Oznaczenie CE jest
nadawane przez producenta danego urządzenia, stąd
konieczność wyważenia poziomu zaufania do producentów danych podzespołów, które montowane są
w produkowanych wyrobach.
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
USTAWA z dnia 13 kwietnia 2007 r. o kompatybilności elektromagnetycznej (Dz. U. z dnia 11 maja 2007 r. Nr 82 poz. 556).
Kompatybilność elektromagnetyczna i bezpieczeństwo funkcjonalne w kopalniach. Sprawozdanie Z21/1009/21 30 002
6/(67/2006), Instytut Łączności – Państwowy Instytut Badawczy,
dr inż. Mirosław Pietranik, 2006.
Norma PN-EN 61000-6-1:2008.
Norma PN-EN 61000-6-2:2008.
Norma PN-EN 61000-6-3:2008.
Norma PN-EN 61000-6-4:2008.
Norma PN-EN 61326-1:2009.
Norma PN-EN 55011:2010 + A1:2010.
Norma PN-EN 61000-4-4:2010 + A1:2010.
Norma PN-EN 61000-4-11:2007.
www.pkn.pl
http://www.electronics-projectdesign.com/ElectricalFastTransient.html
http://www.complianceclub.com/archive/old_archive/991215.htm#_Toc7417948
Recenzent: dr inż. Leszek Kasprzyczak
Z ŻYCIA EMAG-u
EMAG NA EXPO CABLE 2011
Instytut EMAG wziął udział w Targach Technologii, Wykorzystania Kabli i Przewodów w Przemyśle
Expo Cable 2011, które odbyły się 11 i 12 maja br.
w Centrum Targowo-Wystawienniczym Expo Silesia
w Sosnowcu. W targach, które zorganizowano po raz
pierwszy, wzięli udział m.in. producenci kabli i
przewodów, maszyn do wytwarzania, przetwarzania
kabli, producentów osłon kablowych, światłowodów,
gniazdek i osprzętu elektroinstalacyjnego, a także
inne firmy i instytucje związane z tą branżą. Instytut
EMAG zaprezentował ofertę swojego Centrum
Badań i Certyfikacji, w którego strukturach działa
m.in. akredytowane Laboratorium Badań Kabli
i Badań Środowiskowych.
SREBRNY MEDAL
DLA GÓRNICZEGO ROBOTA
Górniczy Mobilny Robot Inspekcyjny (GMRI) został nagrodzony Srebrnym Medalem 110. Międzynarodowych Targów Wynalazczości „Concours Lepine”, które w dniach 28 kwietnia – 8 maja 2011 r.
odbyły się w Paryżu.
GMRI to prototyp pierwszego na świecie robota
górniczego, będący efektem projektu rozwojowego
zrealizowanego przez Instytut EMAG przy współpracy z Przemysłowym Instytutem Automatyki
i Pomiarów z Warszawy. Został zaprojektowany
i zbudowany głównie do wspomagania akcji ratowniczych w górnictwie – może być wykorzystany
w kopalniach do mierzenia stężeń metanu, tlenu,
tlenku i dwutlenku węgla oraz wartości temperatury
i wilgotności, a także przekazywania obrazu telewizyjnego stanu wyrobisk. Po wprowadzeniu w rejon
otamowany przekazuje obraz oraz informacje
o wartościach stężeń gazów, temperaturze i wilgotności do stacji operatora. Dzięki temu można będzie
szybciej i trafniej ocenić warunki panujące w odizolowanym wyrobisku i podjąć decyzje o dalszych
czynnościach. Projekt, który sfinansowało Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, koordynował Instytut Technik Innowacyjnych EMAG, który był jednocześnie odpowiedzialny za opracowanie wszystkich podzespołów elektronicznych, pomiarowych,
wizyjnych, programowalnych, sterujących i oprogramowania pomiarowo-sterującego. Przemysłowy
Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP opracował
głównie część mechaniczną robota – korpus i napędy. Targi „Concours-Lepine” są jednym z najstarszych wydarzeń wystawienniczych we Francji.
W tegorocznej, jubileuszowej edycji tego wydarzenia, zaprezentowano 500 wynalazków z 14 krajów
świata (w tym 28 z Polski).
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
34
EMTECH 2011
W dniach 11 - 13 maja br. w Zawierciu odbyła się
międzynarodowa konferencja naukowo-techniczna
EMTECH 2011. Wszystkim uczestnikom serdecznie
dziękujemy za udział w obradach oraz poświęcone
czas i uwagę. Cyklicznie organizowana przez Instytut
Technik Innowacyjnych EMAG konferencja dotycząca zasilania, informatyki i automatyki w przemyśle wydobywczym jest uznawana za jedno z ważniejszych, branżowych wydarzeń tego typu w kraju. Jej
celem jest prezentacja nowych rozwiązań z zakresu
zasilania, informatyki technicznej oraz automatyki,
a także zagadnienia związane z wdrażaniem nowych
rozwiązań i wykorzystaniem innowacyjnych technik
i technologii do poprawy bezpieczeństwa pracy,
zwłaszcza w przemyśle wydobywczym. W obradach
tegorocznej konferencji wzięło udział ponad 140
uczestników. Wszystkim Państwu serdecznie dziękujemy za udział i już dziś zapraszamy do wzięcia
udziału w przyszłorocznym EMTECH-u.
Zgodnie z zapisami Ustawy o instytutach badawczych, minister nadzorujący – po zasięgnięciu opinii
Rady Naukowej – powołuje dyrektora instytutu badawczego na cztery lata. Kandydata na dyrektora
przedstawia ministrowi nadzorującemu komisja konkursowa, w której skład wchodzą osoby wskazane
przez Radę Naukową, zatrudnione w instytucie,
przedstawiciel ministra właściwego do spraw nauki
oraz przedstawiciel ministra nadzorującego. Dr inż.
Piotr Wojtas, sprawował funkcję dyrektora Instytutu
EMAG również w poprzedniej kadencji.
Dr inż Piotr Wojtas będzie pełnił funkcję dyrektora
Instytutu EMAG do 19 maja 2015 r.
SEMINARIUM
RADIOMETRYCZNY SYSTEM
STEROWANIA PROCESEM WZBOGACANIA
WĘGLA W OSADZARCE
24 maja 2011 r. w siedzibie Instytutu EMAG odbyło
się seminarium „Nowe technologie przeróbki węgla –
radiometryczny system sterowania procesem wzbogacania węgla w osadzarce”.
DR INŻ. PIOTR WOJTAS
DYREKTOREM INSTYTUTU EMAG
Z dniem 20 maja br. Minister Gospodarki, Waldemar Pawlak, powołał dr. inż. Piotra Wojtasa, na
funkcję dyrektora Instytutu EMAG (kadencja 20112015).
Podczas seminarium poświęconemu w całości problematyce automatyzacji procesu wzbogacania węgla
w wodnych osadzarkach pulsacyjnych przedstawiono
Nr 5(483) MAJ 2011
wyniki prac projektu badawczego pt. „Radiometryczny system sterowania pracą osadzarki pulsacyjnej”, zrealizowanego przez ITI EMAG. Celem projektu było opracowanie systemu sterowania procesem
wzbogacania węgla w osadzarce, zapewniającego
stabilizację gęstości rozdziału węgla oraz dodatkowo
umożliwiającego korektę parametrów cyklu pulsacji
ośrodka w przypadku istotnych zmian ilości i składu
densymetrycznego nadawy. Opracowany algorytm
pracy systemu sterowania oraz uzyskane pozytywne
wyniki badań przemysłowych prototypowego urządzenia stanowiły pozytywną przesłankę dla zaprezentowania różnorodnych konfiguracji zaawansowanych
systemów częściowego i kompleksowego sterowania
pracą sekcji wzbogacalników osadzarkowych –
w oparciu o gęstościomierz typu OS-C.
35
nych do składania wniosków w ramach dostępnych
konkursów. W ramach sesji Future Internet Research and Experimentation – FIRE (infrastruktura
budowana w celu umożliwienia szerokiej współpracy w konsorcjach naukowo-przemysłowych działających na rzecz nowych rozwiązań dla sieci Internet) zaprezentowany został realizowany m.in
w EMAG-u projekt „Laboratorium Technik Semantycznych w Informatyce LTS”. – Spotkanie było
doskonałą okazją do zaprezentowania Instytutu
EMAG na forum międzynarodowym i nawiązania
nowych kontaktów z potencjalnymi partnerami dla
przyszłych przedsięwzięć, zwłaszcza budowy nowych
konsorcjów dla projektów finansowanych z 7. Programu Ramowego – ocenia Adam Piasecki.
EMAG
NA ICT PROPOSERS’ DAY 2011
Przedstawiciel Instytutu EMAG wziął udział w ICT
Proposers’ Day 2011 – zorganizowanych przez Komisję Europejską Dniach Otwartych dla zainteresowanych projektami badawczo-rozwojowymi w dziedzinie technologii informacyjnych i komunikacyjnych (Budapeszt, 19-20 maja 2011 r.).
ICT Proposers’ Day 2011 to wydarzenie organizowane co dwa lata przez Dyrekcję Generalną Komisji Europejskiej ds. Społeczeństwa Informacyjnego i Mediów. Jego celem jest promowanie technologii informacyjnych i komunikacyjnych (ICT),
przekazywanie informacji o możliwości finansowania badań i rozwoju technologii oraz pomoc w nawiązywaniu współpracy przy projektach międzynarodowych. Spotkanie w Budapeszcie poświęcone
było głównie budowie sieci partnerstwa na rzecz
ICT w ramach 8. i 9. zaproszenia do składania
wniosków 7. Programu Ramowego Komisji Europejskiej, w którym do pozyskania jest ponad miliard
euro z funduszy UE.
W spotkaniach uczestniczyło ponad 2000 osób,
głównie ze środowisk akademickich, przedsiębiorstw i agend rządowych wszystkich państw
członkowskich UE, krajów kandydujących oraz
stowarzyszonych z UE – mówi Adam Piasecki,
kierownik Centrum Naukowo-Badawczego Instytutu EMAG, który reprezentował Instytut EMAG
podczas Dni Otwartych. – Do dyspozycji uczestników oddelegowano ponad 100 urzędników Komisji,
których zadaniem było dostarczanie informacji na
temat treści zaproszeń do składania wniosków
i doradzanie, w jaki sposób stosowne wnioski składać. Program wydarzenia wypełniły głównie sesje
tematyczne, w ramach których prezentowano idee
projektów proponowanych przez potencjalnych
wnioskodawców. Podczas ICT Proposers’ Day 2011
Instytut EMAG zaprezentował m.in. swoją ofertę
dotyczącą partnerstwa w konsorcjach organizowa-
WYBORY DO RADY NAUKOWEJ
23 maja 2011 r. w Instutucie EMAG odbyły się
wybory do Rady Naukowej – nowej, VII kadencji.
Rada Naukowa w instytutach badawczych jest organem stanowiącym, inicjującym, opiniodawczym
i doradczym w zakresie działalności statutowej oraz
w sprawach rozwoju kadry naukowej i badawczotechnicznej. W 24-osobowej Radzie Instytutu Technik Innowacyjnych EMAG VII kadencji zasiądzie 12
pracowników naukowych i badawczo-technicznych
wyłonionych w wyborach przez osoby zatrudnione
w jednostce (9 osób z tego grona musi posiadać stopień naukowy doktora) oraz 2 pracowników posiadających stopień doktora habilitowanego lub profesora.
Skład ten uzupełni 10 osób powołanych przez ministra gospodarki (posiadających stopień naukowy
doktora i wyróżniających się wiedzą oraz dorobkiem
naukowym w dziedzinach będących przedmiotem
działalności EMAG). Największą ilość głosów, a tym
samym miejsce w Radzie Naukowej VII kadencji
zdobyli następujący pracownicy Instytutu Technik
Innowacyjnych EMAG: dr inż. Andrzej Białas,
dr inż. Włodzimierz Boroń, dr inż. Andrzej Dzikowski, dr inż. Zbigniew Isakow, dr inż. Leszek Ka-
36
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
sprzyczak, dr inż. Marek Kryca, dr inż. Zdzisław
Krzystanek, dr inż. Jerzy Mróz, dr Marek Sikora,
mgr inż. Adam Piasecki, mgr inż. Tomasz Wałach
oraz mgr inż. Artur Kozłowski.
dziej utytułowanych innowacji EMAG-u w ostatnich
latach, a podczas Targów do kolekcji zgromadzonych
przez nią wyrazów uznania dołączyło kolejne, przyznane przez jury, wyróżnienie. Aparatura zdobyła
dotąd: Nagrodę Główną w konkursie „Innowacyjne
rozwiązania w budowie maszyn i urządzeń górniczych” (Katowice, wrzesień 2009 r.), Srebrny Medal
Międzynarodowych Targów Wynalazczości, Badań
Naukowych i Nowych Technik „Brussels Innova
2009” (Bruksela, listopad 2009 r.), Złoty Medal Międzynarodowych Targów Wynalazczości „ConcoursLepine” (Paryż, kwiecień-maj 2010 r.), Złoty Medal
Targów INPEX 2010 (Pittsburgh, czerwiec 2010 r.).
nagrodę Ministra Nauki i Szkolnictwa za międzynarodowe osiągnięcia wynalazcze (marzec 2011 r.) oraz
nominację do Godła Promocyjnego „Teraz Polska”
(maj 2011 r.).
PASAT M
wyróżniony po raz kolejny
Opracowana w EMAG-u aparatura sejsmiczna PASAT M otrzymała wyróżnienie podczas IX Międzynarodowych Targów Geologia 2011 „Geo-EkoTech”, które w dniach 25-26 maja 2011 r. odbyły się
w Warszawie.
Tegoroczna edycja Targów poświęcona była kwestiom geobezpieczeństwa, systemów zapobiegania
geozagrożeniom, monitoringu i rekultywacji środowiska. Podczas dwóch wystawienniczych dni, polskie
oraz zagraniczne firmy przedstawiały odwiedzającym
swoje osiągnięcia w dziedzinie geologii środowiskowej i inżynierskiej, geotechniki, geofizyki wiertniczej
a także geoinformacji. Instytut EMAG zaprezentował
opracowaną przez siebie przenośną iskrobezpieczną
aparaturę sejsmiczną PASAT M, która umożliwia
pomiar, gromadzenie oraz cyfrowe przesyłanie (do
dalszego przetwarzania) danych sejsmicznych. Za jej
pomocą można m.in. określać naprężenia w górotworze oraz ich zmiany w czasie i przestrzeni, wyznaczać
niejednorodności geologiczne przed eksploatacją,
wyznaczać parametry opisujące właściwości fizyczne
górotworu, a także badać grunt przed rozpoczęciem
robót budowlanych. PASAT M jest jedną z najbar-
Lista osób przeszkolonych na kursie
organizowanym przez Ośrodek Szkolenia EMAG
w maju 2011 r.
„Technologie naprawy i łączenia kabli oraz przewodów oponowych na znamionowe napięcia do 6 kV”
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Adam Dejneka
Tomasz Kołek
Aleksander Niepelt
Zbigniew Sosna
Krzysztof Swoiński
Tomasz Wilczek
Adam Hebda
Marek Latos
Piotr Kołosowski
Ireneusz Kowalczyk
KWK Marcel
KWK Marcel
KWK Marcel
KWK Marcel
KWK Marcel
KWK Marcel
KWK Wujek
KWK Wujek
KWK Wujek
KWK Knurów
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
Ireneusz Kotowicz
Damian Bałaga
Karol Dylka
Marcin Konka
Radosław Makola
Rafał Cebula
Rafał Jurny
Piotr Meder
Janusz Szkółka
KWK Knurów
Murcki-Staszic
Murcki-Staszic
Murcki-Staszic
Murcki-Staszic
ZG Janina
ZG Janina
ZG Janina
ZG Janina