book - pl - Instytut Technik Innowacyjnych EMAG

Transkrypt

CZASOPISMO NAUKOWO-TECHNICZNE
NR 10(488)
PAŹDZIERNIK 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 10
1. Sterowanie prędkością silnika krokowego
z zastosowaniem mikrokontrolera ATmega8
5
mgr inż. Łukasz Bączek
dr hab. inż. Zygfryd Głowacz
prof. ndzw. w AGH
2. Implementacja automatycznego systemu dialogowego
oparta o język Python bazę danych MySQL
11
mgr inż. Witold Głowacz
3. Dołowe sieci telekomunikacyjne z kablami miedzianymi
w kopalniach JSW SA
15
dr inż. Antoni Wojaczek
dr inż. Kazimierz Miśkiewicz
mgr inż. Jerzy Dzierżęga
4. Światłowodowe sieci telekomunikacyjne w kopalniach
24
dr inż. Antoni Wojaczek
dr inż. Kazimierz Miśkiewicz
mgr inż. Mieczysław Timler
5. Wpływ zmian składu ziarnowego nadawy na efekty
wzbogacania węgla w układach osadzarek
32
dr inż. Joachim Pielot
6. Metody wstępnego przetwarzania obrazu w wizyjnym
systemie monitoringu stanu technicznego obudowy
szybowej
40
dr inż. Adam Heyduk
dr inż. Henryk Kleta
7. Z życia EMAG-u
47
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 10(488) PAŹDZIERNIK 2011
ROK XLIX
Ł. BĄCZEK
Z. GŁOWACZ
Л. БОНЬЧЕК
З. ГЛОВАЧ
CONTROL OF A STEP MOTOR SPEED
WITH THE USE OF AN ATMEGA8
MICROCONTROLLER
УПРАВЛЕНИЕ СКОРОСТЬЮ ШАГОВОГО
ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ
МИКРОКОНТРОЛЛЕРА ATMEGA8
A controller of a bi-polar step motor was designed and
manufactured. The controller consists of an ATmega8 microcontroller, programmer, H bridge enabling the change of
the motor rotating direction, voltage stabilizer with built-in
current- and thermal limits as well as protection against
leaving a safe operating area, and finally an LCD alphanumeric display. The construction of the controller allows its
extension.
Выполнено проект и произведено контроллер шагового
двуполюсного двигателя. Контроллер состоит из микроконтроллера ATmega8, прогорамматора, мостика типа H, позволяющего на изменение направления вращений двигателя, стабилизатора напряжения, имеющего встроенные ограничения: токовые, температурные и защиту от покидания
района безопасной работы, LCD – клавиатурного дисплейя.
Конструкция контроллера даёт возможность его расширения.
W. GŁOWACZ
IMPLEMENTATION OF AN AUTOMATIC
DIALOGUE SYSTEM BASED ON THE PYTHON
LANGUAGE AND MYSQL DATA BASE
The article presents the implementation of an automatic
dialogue system based on the Python language and the
MySQL data base. The automatic dialogue system allows to
initiate contact between the user and his/her computer. The
dialogue system analyzes the user’s sentences and generates
its own sentences in a natural language. The natural language is defined by means of formal methods, including
grammars and automatons. The system can be used to control electric motors in the mining industry and to improve
the level of safety.
A. WOJACZEK
K. MIŚKIEWICZ
J. DZIERŻĘGA
В. ГЛОВАЧ
ИМПЛЕМЕНТАЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ
ДИАЛОГОВОЙ СИСТЕМЫ, ОСНОВАННОЙ
НА ЯЗЫКЕ PYTHON И БАЗЕ ДАННЫХ MYSQL
Представлено имплементацию автоматической диалоговой
системы, основанной на языке Python и базе данных
MySQL. Автоматическая диалоговая система позволяет
установить контакт между пользователем и компьютером.
Диалоговая система анализирует предложения пользователя и генерирует свои предложения в естественном языке.
Естественный язык определён при помощи формальных
методов, в том числе грамматики и автоматов. Система
может использоваться для управления электрическими
двигателями в горной промышленности и повышения
уровня безопасности.
А. ВОЯЧЕК
К. МИСЬКЕВИЧ
Е. ДЗЕРЖЕНГА
UNDERGROUND TELECOMMUNICATIONS
NETWORKS WITH COPPER CABLES
IN THE MINES OF JSW S.A.
ПОДЗЕМНЫЕ СЕТИ СВЯЗИ С МЕДНЫМИ КАБЕЛЯМИ В ШАХТАХ JSW S.A.
The article presents underground telecommunications bus
networks with symmetrical lines used currently in the mines
of the JSW S.A. mining company. The types of used mining
telecommunications cables were characterized, along with
typical configurations and the busy structure of telecommunications line. Attention was turned to the system which use
copper cables the most in their transmission systems. Some
remarks were presented on the exploitation and reasonable
use of these networks in the mines of JSW S.A.
В статье рассмотрены магистральные подземные сети связи
с симметрическими линиями, эксплуатируемые в настоящее время в шахтах JSW SA. Выполнено характеристику
видов используемых шахтных кабелей связи, типичных
конфигураций и структуры занятости линий связи. Обращено внимание на системы, которые в своих телетрансмссионных схемах главным образом используют медные кабели. Представлено замечания, связанные с эксплуэксплуатацией и рациональным использованием данных
сетей в шахтах JSW S.A.
4
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
A. WOJACZEK
K. MIŚKIEWICZ
M. TIMLER
А. ВОЯЧЕК
К. МИСЬКЕВИЧ
М. ТИМЛЕР
LIGHT PIPE TELECOMMUNICATIONS
NETWORKS IN MINES
ОПТОВОЛОКОННЫЕ СЕТИ
СВЯЗИ В ШАХТАХ
The article presents to light pipe telecommunications lines
used in mines. Typical configurations of these networks
were presented along with the possibilities to use them in
mines. Special attention was paid to the increasing role of
opto-telecommunications networks in wire transmission
systems. The authors discussed possible ways of data transmission in mines with the use of light pipe networks. Finally, the article features the selected data concerning light
pipe networks in the mines of the JSW S.A. mining company.
В статье представлены оптоволоконные сети связи, эксплуатируемые в горных предприятиях. Опредлены типичные конфигурации и возможное использование данных
сетей в шахтах. Обращено внимание на увеличивающуюся
роль оптоволоконных сетей связи в телетрансмиссионных
системах. Представлены возможные для использования
способы передачи данных в шахтах с использованием
оптоволоконных сетей. Представлено выбранные данные,
касающиеся оптоволоконных сетей, эксплуатируемых
в шахтах JSW S.A.
J. PIELOT
Ё. ПЕЛОТ
THE IMPACT OF CHANGES
IN COAL GRAIN COMPOSITION
OF THE FEED ON COAL PREPARATION
IN JIG SYSTEMS
ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЗЕРНОВОГО СОСТАВА
ИСХОДНОГО МАТЕРИАЛА НА ЭФФЕКТЫ
ОБОГАЩЕНИЯ УГЛЯ В УСТАНОВКАХ
ОТСАДОЧНЫХ МАШИН
The article features some analyses concerning the maximum
production output in nine different two-product jig systems
in the case of raw coal that is difficult to prepare. The author
illustrated the impact of changes in coal grain composition
of the feed on the quality of the concentrate and the production output in particular systems.
В статье представлены анализы максимального размера
производства в девяти разных технологических установ
ках двухпродуктных отсадочных машин в случае рядового труднообогащаемого угля. Проиллюстрировано влияние изменения зернового состава исходного материала на
качество концентрата и достигаемый размер производства
в отдельных предприятиях.
A. HEYDUK
H. KLETA
А. ХЕЙДУК
Х. КЛЕТА
METHODS OF PRELIMINARY IMAGE
PROCESSING IN THE VISUAL SYSTEM
FOR MONITORING TECHNICAL CONDITION
OF THE SHAFT LINING
The article features selected methods of image processing
used in the developed visual system for monitoring technical condition of the shaft lining. The authors presented
quantitative dependencies between the size of a real object
and the size of its image on a digital camera converter. The
following methods were discussed: the method of homomorphic correction of uneven lightning, and the method of
filtering the cracking lines and scratches used, both used for
the images of the shaft lining. The results can be used to
create the so called extended reality which makes it easier to
analyze a situation and make a decision.
МЕТОДЫ ВСТУПИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ В ТЕЛЕВИЗИОННОЙ
СИСТЕМЕ МОНИТОРИНГА ТЕХНИЧЕСКОГО
СОСТОЯНИЯ КРЕПИ ШАХТНОГО СТВОЛА
В реферате описаны выбранные методы преобразования
изображения, используемые в разрабатываемой системе
телевизионного мониторинга технического состояния
крепи шахтного ствола. Представлены количественные
зависимости между размерами настоящего объекта и величиной изображения на преобразователе цифровой камеры. Описан способ гомоморфизовой коррекции неоднородностей освещения и методы фильтрации посечек
и трещин, используемые для изображений крепи шахтного ствола. Результаты могут использоваться для создания
т. н. расширенной действительности, существенно облегчающей для человека анализ ситуации и принятие решения.
mgr inż. ŁUKASZ BĄCZEK
dr hab. inż. ZYGFRYD GŁOWACZ prof. ndzw. w AGH
Akademia Górniczo-Hutnicza
Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki
Katedra Maszyn Elektrycznych
Sterowanie prędkością silnika krokowego
z zastosowaniem mikrokontrolera ATmega8
Zaprojektowano i wykonano sterownik silnika krokowego bipolarnego. Sterownik
składa się z mikrokontrolera ATmega8, programatora, mostka typu H umożliwiającego zmianę kierunku obrotów silnika, stabilizatora napięcia, który posiada wbudowane ograniczenia: prądowe, termiczne oraz zabezpieczenie przed opuszczeniem
obszaru bezpiecznej pracy, LCD – alfanumerycznego wyświetlacza. Konstrukcja sterownika pozwala na jego rozbudowę.
1. WPROWADZENIE
Silniki krokowe zalicza się do grupy silników elektrycznych, gdzie impulsowe zasilanie prądem pozwala na wykonywanie ruchu obrotowego rotora z określoną prędkością i o określony kąt [1], [2], [3]. Cechą
odróżniającą omawiane silniki od innych maszyn
elektrycznych jest skokowe wirowanie wektora pola
magnetycznego. Wartości kąta obrotu i prędkości
zależą od liczby impulsów i budowy silnika – podobnie jak maksymalna prędkość obrotowa oraz momenty obrotowy i trzymający (czyli moment przy zerowej
prędkości obrotowej silnika zasilanego znamionowym napięciem). Silniki krokowe wymagają zastosowania odpowiedniego układu sterowania, który
generuje impulsy powodujące dyskretny ruch obrotowy rotora. W szczególności prędkość obrotowa
zależy od częstotliwości impulsów, a jej kierunek od
kolejności impulsów podawanych na jego uzwojenia.
2. PODZIAŁ SILNIKÓW KROKOWYCH
ZE WZGLĘDU NA SPOSÓB STEROWANIA
Silniki krokowe ze względu na sposób sterowania
dzielimy na bipolarne, które posiadają 4 wyprowadzenia i unipolarne wyposażone w 5 – 6 wyprowadzeń w postaci przewodów.
Silnik bipolarny
Silnik bipolarny o dwóch fazach ma jedno uzwojenie na fazę. W celu zapewnienia zmiany pola magnetycznego w każdym z uzwojeń musi być zapewniony
przepływ prądu w obu kierunkach. W silniku bipolarnym do zmiany pola magnetycznego w rdzeniu
wystarcza jeden przełącznik dwupozycyjny lub dwa
tranzystory włączane na przemian. Zaletą sterowania
bipolarnego jest dobre wykorzystanie momentu obrotowego dzięki temu, że całe uzwojenie jest w stanie
prądowym po otrzymaniu impulsu. Ogólnie rzecz
biorąc, silniki bipolarne wymagają bardziej rozbudowanego układu sterowania.
Silnik unipolarny
Silnik unipolarny ma jedno uzwojenie z odczepem
pośrodku. Istnieją także silniki posiadające po dwa
uzwojenia na fazę. Mogą one pracować zarówno
w trybie unipolarnym jak i bipolarnym. Przy sterowaniu unipolarnym jednocześnie jest włączona połowa pasma. Sterowanie unipolarne zapewnia przepływ prądu w danym uzwojeniu tylko w jednym
kierunku. Zaletą wariantu unipolarnego jest prostszy
układ połączeń i mniejsza liczba tranzystorów, wadą
zaś to, że jednocześnie pracuje tylko połowa uzwojenia, a zatem nie wytwarza się moment obrotowy
o pełnej wartości.
Rodzaje kroku i algorytmy komutacji
Najpowszechniejsze rodzaje sterowania to: falowe,
pełnokrokowe, półkrokowe oraz mikrokrokowe.
6
Sterowanie falowe
W sterowaniu tym zwanym również sterowaniem
jednofazowym w danym momencie zasilana jest
tylko jedna faza. W przypadku silnika dwufazowego
stojan jest zasilany zgodnie z sekwencją
AB→CD→BA→DC. Wynikiem tego rodzaju sterowania jest wykonanie pełnego cyklu.
Rys. 1. Sterowanie falowe
Sterowanie pełnokrokowe
W sterowaniu dwufazowym inaczej pełnokrokowym w każdej chwili zasilane są dwie fazy. Stojan
jest zasilany zgodnie z sekwencją AB; CD →
BA; CD → BA; DC → AB; DC. Wynikiem tego
rodzaju sterowania są takie same ruchy jak przy sterowaniu jednofazowym z tym, że pozycja wirnika
jest przesunięta o pół kroku.
Rys. 2. Sterowanie dwufazowe
Sterowanie półkrokowe
Sterowanie półkrokowe jest kombinacją sterowania
dwufazowego i jednofazowego. Co drugi krok zasilana
jest tylko jedna faza, a w pozostałych krokach dwie fazy.
Stojan silnika dwufazowego jest zasilany zgodnie
z poniższą sekwencją AB→B→AB→ A→AB→B→
AB→A. Wynikiem tego są obroty wirnika równe
połowie tych ze sterowania z jedną lub dwiema fazami włączonymi. Sterowaniem półkrokowym możemy zredukować efekt rezonansu mechanicznego,
który ujawnia się w dwóch poprzednich rodzajach
sterowania.
Rys. 3. Sterowanie półkrokowe
7
Sterowanie mikrokrokowe
Implementacja sterowania mikrokrokowego wymaga od sterownika możliwości zmiany amplitudy
prądu w każdym uzwojeniu. Wyróżnia się kilka typowych metod realizacji sterowania mikrokrokowego, mianowicie:
a) przebieg kwadratowy – metoda ta zapewnia najwyższy chwilowy moment obrotowy. Odbywa się
to jednak kosztem oscylacji wirnika.
b) przebieg sinusoidalny – metoda ta polega na wymuszeniu w każdym z uzwojeń odpowiednio prze-
suniętych w fazie, sinusoidalnych przebiegów
prądu. Zapewnia stały moment obrotowy. Jest to
najczęściej stosowana metoda. Wiele dostępnych
opisów sterowania mikrokrokowego pomija
w ogóle fakt istnienia innych realizacji.
c) przebieg arbitralny – trudno znaleźć uzasadnienie
zastosowania tej metody.
W celu opisania powyższych algorytmów najlepiej
posłużyć się przebiegami fazowymi i czasowymi
prądów w uzwojeniach silnika. Bardzo dobrze oddają
one ogólne idee sterowania i zwalniają z dodatkowych opisów słownych.
Rys. 4. Przebiegi fazowe przy sterowaniu mikrokrokowym, kolejno od lewej:
przebieg kwadratowy, przebieg sinusoidalny, przebieg arbitralny
Moment elektromagnetyczny silników krokowych
Moment elektromagnetyczny dowolnej nienasyconej maszyny elektrycznej można wyrazić jako
pochodną energii elektromagnetycznej układu Wm
względem kąta obrotu  części ruchomej tej
maszyny, w stosunku do nieruchomej osi odniesienia:
dWm
M s ( ) 
(1)
d
Po sprowadzeniu uzwojeń silnika skokowego
i ewentualnego magnesu trwałego do działania uzwojenia w postaci dwóch pasm zastępczych
w stojanie i wirniku w elektromagnetycznym stanie
ustalonym, energia magnetyczna układu może być
wyrażona następującym wzorem:
1
Wm  Ws  Wr  ( s I s   r I r )
2
(2)
Strumienie skojarzone stojana i wirnika możemy
przedstawić jako iloczyny prądów i indukcyjności
uzwojeń zastępczych:
 s  Ls ( ) I s  M sr ( ) I r
(3)
 r  Lr ( ) I r  M sr ( ) I s
gdzie:
Ls ( ), Lr ( )
M sr ( )
M s ( ) 
(4)
–
indukcyjności własne stojana
i wirnika;
– indukcyjność wzajemna.
dM sr
1 2 dLs 1 2 dLr
Is
 Is
 Is Ir
2 d 2 d
d
(5)
Dwa pierwsze człony równania przedstawiają
moment reluktancyjny, który jest wynikiem modulacji pola w szczelinie wywołanej przez poruszający się
wirnik. Trzeci człon równania reprezentuje moment
synchroniczny wzbudzeniowy.
3. CHARAKTERYSTYKI MECHANICZNE
Poza podstawowymi parametrami istotną rolę odgrywają charakterystyki mechaniczne zwane częstotliwościowymi charakterystykami momentu. Charakterystyka ta określa dobór silnika do określonych
wymagań stawianych napędowi oraz ograniczenia
w zakresie sterowania dla danego typu silnika.
8
Na rysunku 5 przedstawiono przykładową charakterystykę silnika krokowego.
przecięcia krzywej B z osią odciętych wyznacza
maksymalną częstotliwość pracy silnika. Obszar
pracy między krzywymi A i B jest nazywany
obszarem pracy przyspieszonej. Wyjście poza
obszar określony krzywą B skutkuje wypadnięciem z synchronizmu i zatrzymaniem się silnika.
Stosując odpowiednie układy zasilające można
powiększyć obszary wyznaczone przez krzywe A
i B do postaci obszarów, które są wyznaczone
przez krzywe A’ i B’.
4. ZASADA DZIAŁANIA STEROWNIKA
Rys. 5. Charakterystyka mechaniczna
silnika krokowego
Przestrzeń zakreślona przez krzywą A oraz osie
układu wyznacza tzw. obszar start – stopowy.
Obszar ten wyznacza prędkości i obciążenia, przy
których silnik pracuje synchronicznie i nie gubi
impulsów. Możliwe w nim jest przejście od stanu
ustalonego do stanu pracy kinematycznej w wyniku skokowego wzrostu częstotliwości impulsów
sterujących. Punkt przecięcia krzywej A z osią
rzędnych wyznacza maksymalny moment obciążenia jaki może występować przy rozruchu. Punkt
przecięcia krzywej A z osią odciętych wyznacza
maksymalną częstotliwość rozruchu nieobciążonego. Krzywa B wyznacza maksymalną wartość
prędkości dla danego obciążenia, przy której może
pracować silnik. Aby silnik mógł pracować w obszarze pracy wyznaczonym przez krzywe A i B
należy nim odpowiednio sterować. W obszarze tym
należy dostatecznie wolno i płynnie zmieniać częstotliwości impulsów sterujących. Silnik nadąża
w nim za impulsami sterującymi, ale nie realizuje
rozruchu, nawrotu i nie jest w stanie zatrzymać się
bez wybiegu przy przerwaniu komutacji. Punkt
Układ jest sterowany przez odpowiednio oprogramowany mikroprocesor. Do zasilania układu
wykorzystane zostały dwa oddzielnie pracujące
stabilizatory napięcia ograniczające napięcie na
wyjściu do 5 V. Jeden stabilizator za zadanie ma
zasilić LCD i uC, a drugi (stabilizator) silnik za
pomocą układu L293D, gdyż silnik generuje zniekształcenia, które mogą wpływać na pracę procesora. Cały układ został zasilony z zewnętrznego zasilacza napięciem stałym 12 V. Do L293D podano
napięcie zasilania silnika oraz zasilanie logiki
(wejścia Enable), służą one załączaniu i wyłączaniu mostka, dlatego podano na te wejścia 5 V, aby
mostek był aktywny. Sygnały wyjściowe z mostka
podłączono do zacisków silnika.
Oprogramowanie sterownika umożliwiło:
− tryb pracy automatyczny/ręczny,
− regulację prędkości silnika,
− wybór cyklu pracy silnika,
− wykonywanie pracy rewersyjnej (zmiany kierunku
obrotów).
Sterownik wyposażono w:
 4 przyciski (Góra, Dół, Prawo+, Lewo-), dzięki
którym można było się poruszać po MENU, które
jest ilustrowane na wyświetlaczu LCD;
 włącznik/wyłącznik zasilania;
 wyświetlacz LCD;
 diody LED sygnalizujące częstotliwość pracy
silnika;
 złącze ISP do programowania układu oraz wprowadzania poprawek do jego działania;
 potencjometr do regulacji kontrastu LCD;
 6 wyprowadzeń na złącza silnika (4 do sterowania
silnikiem bipolarnym i 2 napięcia dodatnie (5 V)
Rys. 6. Wykresy wielu kroków dla różnej
częstotliwości impulsów sterujących
w celu sterowania silnikiem unipolarnym);
 złącze USART.
9
Rys. 7. Wyrenderowana w 3D płytka PCB mikroprocesorowego sterownika
Idea działania urządzenia wygląda następująco:
Tryb pracy<==>Kierunek obrotu<==>Prędkość
Przejścia pomiędzy Trybem pracy, Kierunkiem obrotu a Prędkością realizowane są za pomocą przycisków „Góra” i „Dół”.
Zmiana trybu pracy:
Wciskając przycisk „Lewo” zmienia się sterowanie
(np. z półkroku na pełny krok), ponowne wciśnięcie
przycisku „Lewo” powoduje powrót na poprzednią
pozycję. Analogicznie wygląda działanie z przyciskiem „Prawo”.
Zmiana kierunku:
jeśli silnik stoi i naciskamy „Lewo”, silnik obraca się
w lewo
jeśli silnik stoi i naciskamy „Prawo”, silnik obraca się
w prawo
jeśli silnik obraca się w lewo i naciskamy „Lewo”,
silnik kontynuuje pracę
jeśli silnik obraca się w lewo i naciskamy „Prawo”,
silnik się zatrzymuje
(kolejne naciśnięcie „Prawo”, spowoduje ruch silnika
w prawo)
krokami w sekwencji sterującej silnikiem. Zawiera
się ona w przedziale od 53 do 250.
Sterowanie obrotami silnika polega na sekwencyjnym podawaniu stanu wysokiego na kolejne
wyjścia portu mikrokontrolera (PD4, PD5, PD6,
PD7). Sygnał ten doprowadzony do wejść układu
L293D powoduje zwieranie wyjść tego układu do
masy, a tym samym przepływu prądu przez kolejne
uzwojenia silnika. Im szybciej będą podawane
impulsy tym silnik będzie się szybciej obracał.
Maksymalny prąd, jaki można uzyskać z jednego
wyjścia to ok. 1 A.
Silnik sterowany w trybie półkrokowym, tzn. zasilane jest jedno uzwojenie lub dwa sąsiednie, dzięki
czemu uzyskujemy dwa razy więcej stabilnych położeń niż przy sterowaniu pełnokrokowym (a tym samym płynniejszy ruch przy małych prędkościach
obrotowych). Sekwencję sterującą przedstawiono
w tabeli 1:
Tabela 1
Sekwencja sterująca
jeśli silnik obraca się w prawo i naciskamy „Prawo”,
silnik kontynuuje pracę
jeśli silnik obraca się w prawo i naciskam „Lewo”,
silnik się zatrzymuje
(kolejne naciśnięcie „Lewo”, spowoduje ruch silnika
w lewo)
Zmiana prędkości:
Zwiększenie częstotliwości impulsów podawanych
na silnik odbywa się poprzez wciskanie klawisza ” + „.
Zmniejszenie częstotliwości impulsów podawanych na silnik odbywa się poprzez wciskanie klawisza „ – „.
Liczba w MENU Prędkość jest interpretowana jako
wartość opóźnienia w ms pomiędzy poszczególnymi
Oznaczenia:
+ zasilanie uzwojenia
- brak zasilania uzwojenia
0-1-2-3-4-5-6-7  Sekwencja dla półkroku
0-2-4-6  Sekwencja dla pełnego kroku (z wykorzystaniem zasilania jednej cewki – stabilizator mniej się
nagrzewa)
10
1-3-5-7  Sekwencja dla pełnego kroku (z wykorzystaniem zasilania dwóch cewek – mocniejszy silnik)
PCB. Sterownik został wykonany tak, aby była możliwość jego rozbudowy (złącze USART, ISP) oraz
aby był bardziej uniwersalny (poprzez wyprowadzenie dwóch dodatnich (+5 V) złączy na silnik – dla
silnika krokowego unipolarnego.
5. ELEMENTY UKŁADU
Każdy element znajdujący się w sterowniku ma
wpływ na pracę sterownika. Najważniejszymi elementami elektronicznymi wśród elementów sterownika są:
 mikrokontroler ATmega8 (skrót ang. MCU lub
μC) jest to system mikroprocesorowy w postaci
pojedynczego układu scalonego, który zawiera
jednostkę centralną CPU, pamięć RAM oraz na
ogół pamięć programu i układy wejścia – wyjścia,
 programator – urządzenie, które umożliwia komunikację komputer  MCU i jest wykorzystywane do programowania układu,
 mostek typu H (L293D) – układ elektroniczny
umożliwiający zmianę kierunku obrotu osi silnika (DC) poprzez zmianę polaryzacji (odwrócenie) zasilania silnika,
 stabilizator napięcia (LM7805) – posiada wbudowane ograniczenia: prądowe, termiczne oraz
zabezpieczenie przed opuszczeniem obszaru
bezpiecznej pracy,
 LCD – alfanumeryczny wyświetlacz wyposażony w sterownik HD44780 o liczbie wyświetlanych znaków 2×16.
6. PODSUMOWANIE
Zaprojektowano i wykonano sterownik silnika napędu dyskowego (silnika krokowego bipolarnego).
Podczas realizacji projektu napotykano liczne problemy oraz nieprawidłowości, które stopniowo
i sukcesywnie były eliminowane. Aby minimalizować napotykane problemy sterownik powstawał
przez „stawianie małych kroków”. Mianowicie, pisany był program i montowany układ uC sterujący
diodami LED, kolejno sprawdzano reakcje jednostki
centralnej na przyciski, sterowanie L293D typu prawo-lewo. Końcowym etapem było uruchomienie
wyświetlacza LCD i zbudowanie Menu. Wymagało
to zdobycia wiedzy z dziedziny programowania
w języku C, obsługi mikrokontrolera ATmega8, sterowania wyświetlaczem LCD, zasad sterowania silnikami krokowymi, rysowania schematów elektrycznych oraz lutowania i procesu wykonania płytki
Literatura
1.
2.
3.
Potocki L.: Silniki krokowe od podstaw. Elektronika dla Wszystkich 2002, nr 8, s. 26-29.
Potocki L.: Silniki krokowe od podstaw. Elektronika dla Wszystkich 2002, nr 9, s. 24-26.
Sochocki R.: Mikromaszyny Elektryczne. Oficyna Wydawnicza
Politechniki Warszawskiej. Warszawa 1996.
Recenzent: dr inż. Antoni Zdrojewski
mgr inż. WITOLD GŁOWACZ
AGH Akademia Górniczo-Hutnicza
Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki
Katedra Automatyki
al. A. Mickiewicza 30
30-059 Kraków
Implementacja automatycznego
systemu dialogowego oparta o język Python
i bazę danych MySOL
Przedstawiono implementację automatycznego systemu dialogowego opartego o język Python i bazę danych MySQL. Automatyczny system dialogowy pozwala nawiązać kontakt pomiędzy użytkownikiem i komputerem. System dialogowy analizuje
zdania użytkownika i generuje swoje zdania w języku naturalnym. Język naturalny
jest zdefiniowany za pomocą metod formalnych, w tym gramatyk i automatów. System może być użyty do sterowania silników elektrycznych w górnictwie i zwiększenia
poziomu bezpieczeństwa.
1. WPROWADZENIE
2. JĘZYK PYTHON
Nowoczesne systemy bezpieczeństwa transportu
mają własności systemów ekspertowych. W systemach ekspertowych wyróżnić można cztery elementy: bazę wiedzy, maszynę wnioskującą, interfejs użytkownika i bazę objaśnień. Baza wiedzy są
to reguły opisujące relacje między faktami, opisują
one jak system ma się zachować w danym momencie działania. Maszyna wnioskująca dopasowuje
fakty do przesłanek i uaktywnia reguły. Interfejs
użytkownika pozwala użytkownikowi kontaktować
się z maszyną wnioskującą i bazą wiedzy. Baza
objaśnień zawiera znaczenia symboli używane
przez użytkownika i system ekspertowy, umożliwiające porozumienie się. Systemy ekspertowe
przechowują zdobytą wiedzę uzyskaną z treningu
i doświadczenia. Mogą być implementowane do
wzbogacenia wnioskowania bota. Bot jest softwarowym robotem, który prowadzi rozmowę z użytkownikiem w oparciu o swoją bazę wiedzy, do
której włączono bazy wiedzy systemów ekspertowych [8]. Rozmowa użytkownika z botem może
być prowadzona w różnych językach, w szczególności w naturalnym języku polskim. Bot analizuje
zdania użytkownika i formułuje własne zdania
używając reguł wybranego języka i bazy wiedzy.
Język Python został napisany przez Guido van
Rossuma w 1990 roku [10]. W literaturze można
znaleźć różnorodne porównania Pythona z Perlem,
PHP oraz Javą. Python jest w równym stopniu
podobny do każdego z wymienionych, jak i różny
od nich. Podobieństwa i różnice łatwo określić,
zapoznając się z jego kilkoma podstawowymi cechami:
 Python jest językiem w pełni obiektowym. Odróżnia go to zarówno od Perla, jak i od PHP (pomimo faktu, że PHP z wersji na wersję coraz bardziej wspiera obiektowość – wciąż jednak czyni to
słabo).
 Pomimo tego, że jest językiem obiektowym, Python nie wymusza obiektowego stylu programowania. Pozwala programiście tworzyć również programy strukturalne i funkcyjne.
 Zmienne nie mają typów, wartości natomiast tak.
Ściślej rzecz ujmując, typy zmiennych w Pythonie
są w pełni dynamiczne. Oznacza to podobną do
PHP łatwość zmiany zastosowania zmiennych,
choć jednocześnie takie rozwiązanie potrafi dawać
inne efekty niż w Javie czy C++, gdzie przypisywane wartości muszą być zgodne z typem zmiennej
i kompilator ściśle tego pilnuje.
12




Python jest językiem interpretowanym – podobnie
jak PHP czy Perl, a w przeciwieństwie do C/C++
czy Javy. To znacznie ułatwia tworzenie i modyfikowanie programów, jednak nieco negatywnie odbija się na wydajności. Sytuację nieco poprawia
wbudowany mechanizm konwersji kodów źródłowych do zrozumiałej dla interpretera postaci binarnej, co przy kolejnych uruchomieniach skryptu
może dawać spore wzrosty wydajności.
Python, podobnie jak Java, jest dostarczany wraz z
bogatym zestawem bibliotek (głównie dedykowanych operacjom sieciowym). Python szeroko korzysta z dziedziczenia, dlatego łatwo jest nie tylko
implementować biblioteki w programach, ale także
je dziedziczyć, rozszerzać i tworzyć nowe. Dzięki
temu, podobnie jak w przypadku Javy, powstaje
wiele ciekawych rozszerzeń tych bibliotek, tworzonych przez niezależnych programistów.
Środowisko Pythona jest w pełni interaktywne.
Można na bieżąco wprowadzać kolejne polecenia i
oglądać wyniki. Bardzo ułatwia to tworzenie i debugowanie programów pisanych w tym języku.
Python intensywnie się rozwija, z tendencją do
wprowadzania maksymalnej zwięzłości kodu.
Przybliża go to do Perla, co nie podoba się części
webmasterów, którzy twierdzą, że dzieje się to ze
szkodą dla przejrzystości kodu.










Opcjonalna obsługa transakcji.
B-drzewa z kompresowanymi indeksami, które
znacząco wpływają na czas wyszukiwania i pobierania danych (wierszy) z bazy.
Istnieje możliwość "osadzenia" (ang. embed) serwera MySQL w aplikacji.
Duża liczba typów danych w kolumnach. Liczby,
ciągi znakowe, obiekty binarne (BLOB), data &
czas, typy wyliczeniowe, zestawy. W MySQL daną
kolumnę można dostosować do pewnej wielkości
danych, które będą w niej przechowywane (np.
TINYINT, a nie INT), tym samym uzyskuje się
większą wydajność i mniejsze zużycie pamięci
(również dyskowej). Istnieje możliwość definiowania niektórych typów danych jako narodowych
(różne standardy kodowania).
Obsługa klauzul agregujących i grupujących SQL.
Złączenia zewnętrzne (LEFT & RIGHT).
Komenda SHOW pozwalająca przeglądać informacje na temat baz, tabel i indeksów. Komenda
EXPLAIN opisująca pracę optymalizatora zapytań.
Bardzo prosty (z punktu widzenia administratora) system zabezpieczeń. Wszystkie hasła są szyfrowane.
Połączenia z serwerem przez: TCP/IP, ODBC,
JDBC.
Lokalizacja (w sensie językowym) serwera. Komunikaty m.in. po polsku.
3. BAZA DANYCH MySQL
4. DEFINICJA AUTOMATYCZNEGO
SYSTEMU DIALOGOWEGO
MySQL jest najpopularniejszą na świecie bazą
danych dostępną na licencji open source [11].
Dzięki swojej wydajności, szybkości działania,
stabilności i rozbudowanym mechanizmom zabezpieczeń jest wykorzystywana niemal do wszystkich zadań, do jakich może być potrzebna baza
danych. Stanowi zaplecze dla wielu aplikacji korporacyjnych, witryn WWW i sklepów internetowych. Bogactwo funkcji i możliwości to ogromna
zaleta środowiska MySQL, jednakże zapamiętanie
składni, parametrów i sposobów stosowania
wszystkich poleceń i rozszerzeń jest praktycznie
niemożliwe. Każdy, kto chce biegle posługiwać się
tą bazą, powinien mieć pod ręką materiały opisujące stosowany w niej język SQL.
Cechy MySQL:
 Wydajny dzięki C i C++.
 API dla wielu języków programowania: C, C++,
Eiffel, Java, Perl, PHP, Python, Ruby, Tcl.
 Pełna wielowątkowość, korzystająca z wątków
kernela. Oznacza to, że MySQL będzie pracował
na maszynie wieloprocesorowej.
Przetwarzanie języka naturalnego (ang. Natural
Language Processing, NLP) jest działem sztucznej
inteligencji zajmującym się automatyzacją analizy,
tłumaczenia i generowania informacji w języku
naturalnym. W jego skład wchodzą:
 reprezentacja wiedzy zawartej w tekstach [2], [7],
 teoria gramatyk i automatów [1], [3], [4],
 teoria języków formalnych [3],
 teoria zbiorów rozmytych [5], [6], [9].
Przetwarzanie języka naturalnego można podzielić na:
 przetwarzanie informacji w postaci tekstowej lub
symbolicznej,
 rozpoznawanie i generowanie mowy.
Język naturalny został wykształcony przez ludzi
na drodze długotrwałej ewolucji. Pełni różnorodne
funkcje. Stanowi skuteczny środek przekazywania
myśli, uczuć, opinii i wiedzy. W jego następstwie
później powstało pismo, które umożliwiło ich
trwałe zachowywanie.
5. REALIZACJA AUTOMATYCZNEGO
SYSTEMU DIALOGOWEGO
Automatyczne systemy dialogowe oparte są na
botach, które są programami informatycznymi
zawierającymi: bazę wiedzy i maszynę dialogową.
Strukturę bota pokazano na rys. 1.
Rys. 1. Struktura bota
Bot przyjmuje do analizy zdania użytkownika.
Bada ich składnię i znaczenie. Formułuje odpowiedzi i pytania, które wysyła do użytkownika.
Nowe zdania są zapisane w słowniku bota w celu
poszerzenia jego bazy wiedzy.
Poniżej przedstawiono fragment kodu źródłowego bota:
def bot (txt,licznik1,licznik2):
if txt == "":
return txt
txa=txt
import MySQLdb
db=MySQLdb.connect(host='mysql.agh.edu.pl',use
r='…',passwd='…',db='…')
cursor = db.cursor()
cursor.execute ("SELECT * FROM Z2")
result=cursor.fetchall()
for row in result:
a[row[0]]=row[1]
cursor.execute ("SELECT * FROM Z4")
result=cursor.fetchall()
licznik1=result[0][1]
licznik2=result[1][1]
……………………………………………………
cursor.execute("INSERT INTO Z6(klucz,wartosc)
VALUES('%s','%s')"%(txa,txt))
licznik2=licznik2+1
……………………………………………………
cursor.execute("UPDATE
Z4
SET
wartosc='%d'WHERE nazwa='licznik1'"%
(licznik1,))
cursor.execute("UPDATE
Z4
SET
wartosc='%d'WHERE nazwa='licznik2'"%
13
(licznik2,))
cursor.close()
db.close()
return txt
……………………………………………………
name = sys.argv [0]
hfile = name.replace (".cgi", ".history")
title = name.replace (".cgi", "").capitalize ()
licznik1=0
licznik2=0
readline.set_history_length (8)
try:
readline.read_history_file (hfile)
except IOError:
pass
print "Content-type: text/html\r\n\r\n"
print "<html>"
print
"<head><title>{0}</title></head>".format
(title)
print "<body>"
print "<h3>{0}</h3>".format (title)
form = cgi.FieldStorage ()
message = form.getvalue ("message", "")
readline.add_history ("User: " + message)
readline.write_history_file (hfile)
timer = datetime.now ()
message = bot (message,licznik1,licznik2)
print str (datetime.now () - timer)
readline.add_history ("Bot: " + message)
readline.write_history_file (hfile)
history = "".join (open (hfile, 'r').readlines ())
history = cgi.escape (history).replace ("\n",
"<br />\n")
print "<hr><p>{0}</p><hr>".format (history)
print "<form method='post' action='{0}'>".format
(name)
print "<p>User: <input type='text' name='message'
size='45'/></p>"
print "</form>"
print "Bot:<p
style='width:300px;height:20px;border:solid blue
1px'>{0}</p>" .format (cgi.escape (message))
print "</body>"
print "</html>"
6. TESTOWANIE SYSTEMU
W oparciu o pomiary system ekspertowy dokonał oceny warunków bezpieczeństwa w kopalni i
zapisał wyniki w swojej bazie wiedzy oraz bazie
wiedzy bota. Wynikami oceny jest zainteresowany
14
Rys. 2. Baza wiedzy bota w MySQL
użytkownik, który prowadzi z botem następującą
rozmowę:
rzystane w projektowaniu automatycznych systemów dialogowych. Systemy dialogowe ze
względu na dużą szybkość działania i posiadaną
wiedzę zwiększają bezpieczeństwo pracy.
Literatura
1.
Rys. 3. Fragment rozmowy użytkownika z botem
prowadzonej za pomocą aplikacji napisanej
w języku Python
7. WNIOSKI
Metody formalne pozwalają zdefiniować języki użytkownika i bota. Użycie języka naturalnego jest trudne ze względu na rozbudowaną strukturę. Z przeprowadzonych badań wynika, że
zastosowanie bazy wiedzy MySQL w rozpoznawaniu poszczególnych słów użytkownika i identyfikacji zdań użytkownika jest skuteczną techniką rozpoznawania informacji. Metody przetwarzania języka naturalnego mogą być wyko-
Aho A.V., Ullman J.D.: The Theory of Parsing, Translation and
Compiling, Vol. I: Parsing, Vol. II: Compiling, Englewood Cliffs,
Prentice-Hall, 1973.
2. Ajdukiewicz K.: Język i poznanie. PWN, Warszawa 2006, s. 107116.
3. Blikle A.: Automaty i gramatyki. Wstęp do lingwistyki matematycznej, Warszawa, PWN, 1971.
4. Głowacz W.: Automatyczny system dialogowy oparty na klasyfikatorze rozmytym i gramatyce precedensyjnej w bezpieczeństwie
transportu. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2010, nr 10,
Katowice, s. 24-27.
5. Głowacz A., Głowacz W.: Dc machine diagnostics based on
sound recognition with application of FFT and fuzzy logic,
Przegląd Elektrotechniczny (Electrical Review), R. 84, Nr
12/2008, pp. 43-46.
6. Głowacz A., Głowacz W.: Diagnostyka maszyny prądu stałego
oparta na rozpoznawaniu dźwięków z zastosowaniem LPC i logiki rozmytej..Przegląd Elektrotechniczny (Electrical Review),
R. 85, Nr 6/2009, pp. 112-115.
7. Lubaszewski W.: Słowniki komputerowe i automatyczna ekstrakcja informacji z tekstu, Uczelniane Wydawnictwa NaukowoDydaktyczne AGH, 2009, s. 257-260.
8. Santangelo A., Augello A., Gentile A., Pilato G., Caglio S.: A
Chat-bot based Multimodal Virtual Guide for Cultural Heritage
Tours. Proc. of PSC, Las Vegas, 2006, pp. 114-120.
9. Zadeh L.A.: Fuzzy Sets, Information and Control, 8, 1965, pp.
338-353.
10. http://internetmaker.pl/artykul/3423,1,wprowadzenie_do_pythona
_-_jezyk_oprogramowania_inny_niz_wszystkie.
11. http://pl.docs.pld-linux.org/uslugi_bazydanych__mysql.html.
Recenzent: dr inż. Antoni Zdrojewski
dr inż. ANTONI WOJACZEK
dr inż. KAZIMIERZ MIŚKIEWICZ
Politechnika Śląska, Katedra Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa
mgr inż. JERZY DZIERŻĘGA
Jastrzębska Spółka Węglowa SA
Dołowe sieci telekomunikacyjne z kablami miedzianymi
w kopalniach JSW SA
W artykule omówiono magistralne dołowe sieci telekomunikacyjne z liniami symetrycznymi, eksploatowane obecnie w kopalniach JSW SA. Scharakteryzowano rodzaje stosowanych telekomunikacyjnych kabli górniczych, typowe konfiguracje i struktury zajętości linii telekomunikacyjnych. Zwrócono uwagę na systemy, które w największym stopniu wykorzystują kable miedziane w swoich układach teletransmisyjnych. Przedstawiono uwagi związane z eksploatacją i racjonalnym wykorzystaniem
tych sieci w kopalniach JSW SA.
1. WSTĘP
Znane są dodatkowe zabezpieczenia podpoziomowych robót wydobywczych zarówno przed zadymieniem bezpośrednim, jak i zadymieniem prądem odwróconym w przypadku pożaru w prądzie schodzącym powietrza
W wyrobiskach dołowych kopalń eksploatuje się
obecnie sieci telekomunikacyjne zbudowane z telekomunikacyjnych kabli górniczych miedzianych typu
TKG z torami symetrycznymi o średnicach żył
0,8 mm. Od kilku jednak lat obserwuje się pewne
istotne zmiany w strukturach sieci kablowych w kopalniach. Obok kabli symetrycznych eksploatuje się
również kable koncentryczne z nieszczelnym oplotem, tzw. kable promieniujące. Kable te wykorzystywane są w łączności radiowej w wyrobiskach [3].
W ostatnim okresie w dołowych systemach teletransmisyjnych coraz większą rolę rozpoczynają
odgrywać także kable optotelekomunikacyjne. Pomimo początkowych obaw związanych z ich eksploatacją, a szczególnie z naprawami uszkodzonych
odcinków linii kablowych i trudnościami związanymi
z doprowadzeniem zasilania gwarantowanego do
urządzeń abonenckich, w kopalniach JSW SA obserwuje się duży rozwój tych sieci [14]. Należy zaznaczyć, iż obecnie w kopalniach JSW SA buduje się
najwięcej tego rodzaju sieci (w stosunku do kabli
magistralnych z żyłami miedzianymi). Powstaje pytanie czy kable optotelekomunikacyjne i kable promieniujące będą wypierać telekomunikacyjne kable
miedziane typu TKG?
2. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA SIECI
TELEKOMUNIKACYJNYCH KOPALŃ
JSW SA.
Sieć telekomunikacyjna [8] to systemy transmisyjne oraz urządzenia komutacyjne, a także inne
zasoby, które umożliwiają nadawanie, odbiór lub
transmisję sygnałów za pomocą przewodów, fal radiowych, optycznych lub innych środków wykorzystujących energię elektromagnetyczną, niezależnie od
ich rodzaju. To oznacza zestawienie i połączenie
urządzeń i linii telekomunikacyjnych w sposób
umożliwiający przekaz sygnałów pomiędzy określonymi zakończeniami sieci. Podstawowym zadaniem
sieci telekomunikacyjnej jest więc przesyłanie informacji (jakiejkolwiek natury) pomiędzy abonentami
tej sieci. Kopalniana sieć telekomunikacyjna składa
się więc z wielu sieci, oferujących różnorodne usługi
telekomunikacyjne. W kopalniach wyróżnia się następujące rodzaje sieci telekomunikacyjnych:
16
Telefoniczna łączności i alarmowania – dla systemów łączności ogólnozakładowej i systemów
alarmowo-rozgłoszeniowych – w sieciach tych
w JSW SA prowadzi się wyłącznie linie z obwodami iskrobezpiecznymi1..
 Transmisji danych – w kopalniach JSW SA nie
eksploatuje się już odrębnych sieci kablowych
(miedzianych) dla systemów transmisji danych.
Można jeszcze spotkać pewne linie kablowe, które
w większości wykorzystywane są tylko do jednego
systemu transmisji danych, np. geofizyki górniczej.
 Radiowe – dotyczy to w szczególności rozległych
sieci telekomunikacyjnych utworzonych z kabli
promieniujących [3].
 Wydzielone – dotyczy to odrębnych sieci komputerowych LAN eksploatowanych w systemach dyspozytorskich i serwerach telekomunikacyjnych
związanych z bezpieczeństwem, które łączą się
z pozostałymi sieciami komputerowymi kopalni
poprzez tzw. „serwery lustrzane” [9, 11].
 Światłowodowe – są to sieci wykorzystywane
głównie w systemach transmisji danych technologicznych, w systemach monitoringu wizyjnego
i zdalnego sterowania. W kopalniach JSW SA,
w których występuje zagrożenie wybuchowe, są to
w szczególności sieci budowane z elementów (zakończeń linii światłowodowych) posiadających
oznakowanie Ex op is [PN-EN 60079-28:2007].
 Międzycentralowe – struktura tych sieci jest
szczególnie ważna dla przedsiębiorcy (Zarządu
JSW SA) i kopalń łączonych, w których odrębne
do tej pory systemy dyspozytorskie są integrowane
w jeden system. W JSW SA dotyczy to kopalń Zofiówka i Borynia.
Różne sposoby charakteryzowania kopalnianych
sieci telekomunikacyjnych zależą nie tylko od przeznaczenia tych sieci (telefoniczna, transmisji danych), lecz także od innych kryteriów ich podziału,
takich jak np.:
 wykorzystywane medium transmisyjne (sieci światłowodowe, miedziane),
 specyficzna budowa linii kablowych (sieci szybowe, instalacyjne),
 rodzaj przesyłanego sygnału (sieci analogowe,
cyfrowe),
 obszar działania (sieci magistralne, lokalne, pośredniczące, rozległe) itp.
Każda sieć telekomunikacyjna składa się z węzłów
telekomunikacyjnych i łączących je łączy (systemów
transmisyjnych) [2]. Topologia każdej sieci telekomu-
nikacyjnej określa więc wzajemne relacje i sposoby
łączenia węzłów między sobą. W skład sieci telekomunikacyjnej wchodzą terminale przetwórcze (końcowe), medium transmisyjne (tory naturalne, kanały
transmisyjne itp.), węzły komutacyjne, koncentratory
kanałów czy danych, jak również wszelkiego rodzaju
urządzenia kontroli i sterowania, zapewniające utrzymanie w założonych granicach parametrów jakości
i niezawodności urządzeń tych sieci.
Sieci telekomunikacyjne eksploatowane w kopalniach
dzielą się na trzy zasadnicze grupy, które określono jako:
1. Dołowe sieci telekomunikacyjne: szybowe (KSx
na rys. 1), magistralne (KMx) i rozdzielcze (oddziałowe). Tym pojęciem określa się również sieci telekomunikacyjne prowadzone po powierzchni, tzw. sieci pośredniczące (oznaczenia KPx oraz
KSx – część powierzchniowa rys. 1) na odcinkach
od urządzeń stacyjnych w centralach i dyspozytorniach do zestawów rozdzielczych zlokalizowanych na nadszybiach szybów głównych i peryferyjnych (jest to tzw. sieć ogólnozakładowa w rozumieniu przepisów górniczych).
2. Kopalniane sieci telekomunikacyjne powierzchniowe2. Są to sieci telekomunikacyjne wewnętrzne
[8], sieci zlokalizowane na terenie zakładu górniczego, prowadzone zarówno do ważnych obiektów
zakładu górniczego (zakład przeróbczy, szyby
wentylacyjne, stacje odmetanowania itp.), jak
i czasem do znacznie oddalonych od centrali lub
dyspozytorni kopalnianej stacji abonenckich osób
fizycznych i prawnych (mieszkania prywatne,
ośrodki zdrowia, urzędy, przedsiębiorstwa współpracujące z daną kopalnią itp.).
3. Sieci telekomunikacyjne międzycentralowe3,
sieci teleinformatyczne rozumiane jako linie kablowe miedziane, światłowodowe czy linie radiowe, w których prowadzone są w zasadzie łącza
międzycentralowe central telefonicznych oraz łącza sieci komputerowych WAN.

3. DOŁOWE SIECI TELEKOMUNIKACYJNE
MIEDZIANE
Do podstawowych systemów telekomunikacyjnych
eksploatowanych w kopalniach JSW SA należy zaliczyć system iskrobezpiecznej łączności telefonicznej, system alarmowania i systemy gazometryczne.
2
1
W kopalniach metanowych powierzchniowe i dołowe sieci telekomunikacyjne, w których prowadzone są wyłącznie linie z obwodami
iskrobezpiecznymi nazywa się potocznie, chociaż niewłaściwie, tzw.
„sieciami iskrobezpiecznymi”.
3
Sieci te nazywane są również „zakładowymi sieciami telekomunikacyjnymi” lub „sieciami wewnątrzzakładowymi”. Powinno się je
określać zgodnie z [8] sieciami wewnętrznymi.
Sieci te nazywane były dawniej siecią telekomunikacyjną „węglową” lub siecią „resortową”.
17
Wymienione systemy posiadają następujące właściwości:




Ze względu na konieczność instalacji telefonów,
telefono-sygnalizatorów czy czujników gazometrycznych w większości wyrobisk kopalń eksploatuurządzenia stacyjne instaluje się w obiektach poje się telekomunikacyjne kable górnicze typu TKG.
wierzchniowych budynków central lub dyspozytorTak więc struktura wyrobisk dołowych i sieci wenni; stosowanie modułów wyniesionych jest sporatylacyjnej warunkuje budowę telekomunikacyjnych
dyczne,
sieci kablowych. Jest to z reguły struktura drzewiaurządzenia instalowane w pomieszczeniach zagrosta. Wymagania prawne [5, 9] dla tych sieci dotyczą
żonych wybuchem są budowy przeciwwybuchoprzede wszystkim wymogu prowadzenia do wyrowej, a urządzenia stacyjne są wyposażone w zespobisk dołowych linii kablowych przynajmniej dwoma
ły separacji iskrobezpiecznej dla podłączenia
szybami.
iskrobezpiecznych obwodów dołowych,
W tabeli 1 przedstawiono charakterystykę kablowej
sieci
teletransmisyjnej w kopalniach JSW SA. Zestaurządzenia abonenckie są centralnie zasilane
wiono
ilości i rodzaje kabli telekomunikacyjnych
z urządzeń stacyjnych,
eksploatowanych w poszczególnych kopalniach JSW
sieć kablowa jest przeznaczona wyłącznie dla obSA. Dane przedstawione w tabeli 1 dotyczą ilości
wodów iskrobezpiecznych na całej długości linii
(i pojemności) kabli liczonych na zrębie szybu. Nalewraz wydzieloną infrastrukturą (oddzielne przeży dodać iż z dniem 1.01.2011 r. nastąpiło formalne
łącznice, stojaki kablowe na powierzchni, szafy kapołączenie kopalni Borynia z kopalnią Zofiówka. We
blowe, zestawy rozdzielcze); stosowane są kable
wszystkich jednak tabelach, ze względu na aktualne
opancerzone, w osłonach niepalnych o średnicy żył
struktury tych sieci, zestawiano oddzielnie Ruch
0,8 mm.
Borynia i Ruch Zofiówka.
Tabela 1
Charakterystyka kablowej sieci teletransmisyjnej.
Zestawienie ilości i rodzajów kabli eksploatowanych w kopalniach JSW SA.
10×4
33×2
56×2
30×4
Borynia
1
18 (+1*)
4
Budryk
1
8 (+7*)
Jas-Mos
1
25 (+1*)
Kopalnia
5
Razem
ilość torów **
Zajętość torów ***
(około)
23
1 281
970
6
15
1 068
960
2 (1)
30
1 893
1 130
17 (+9*)
17
952
660
Pniówek
24 (+5*)
24
1 344
1 290
1 488
1 390
2
25
Razem (szt.)
3
23 (+5*)
115**
5
10 (1)
134
Razem tory (NN)
86
6 440**
300
1 200
Uwagi:
(+1*) Kable międzypoziomowe (KSM z rys. 1)
pomiędzy poziomami (rozpoczynające się na
wyższym i zakończone na najniższym poziomie).
**
Nie uwzględniano kabli międzypoziomowych, liczono na zrębie szybu.
***
Tor symetryczny, parowy w danej linii kablowej, stanowiący część danego systemu telekomunikacyjnego, nazywany również torem kablowym (abonenckim) 4 [10], skrętką
lub lokalną pętlą abonencką5 [8].
4
Razem
ilość kabli **
Krupiński
Zofiówka
1
100×2
(200×2)
Tor kablowy (abonencki) – wg [10] jest to para żył miedzianych
w kablach połączonych wzdłużnie, zawarta pomiędzy łączówką
przełącznicy głównej a gniazdkiem abonenckim.
Lokalna pętla abonencka – wg [8] jest to obwód łączący zakończenie sieci bezpośrednio z punktem dostępu do stacjonarnej publicz-
8 026
W kopalniach JSW SA rezygnuje się z instalacji
mniejszej ilości kabli telekomunikacyjnych o
większych pojemnościach (np. powyżej 100 NN),
na rzecz większej ilości kabli o mniejszych pojemnościach. Wynika to ze względów niezawodnościowych sieci kablowej i większej elastyczności
w konfigurowaniu sieci. Najczęściej eksploatowany jest kabel telekomunikacyjny typu YTKGXFoy
56×2×0.8 mm.
nej sieci telefonicznej, w szczególności z przełącznicą główną lub
równoważnym urządzeniem.
18
KS2 (część
powierzchniowa)
centrala
telefoniczna
KP1
KP2
szafa kablowa
nadszybie
dyspozytornia
KS1
KS3
KS2
KS4
KM 1
KM 2
KM 4
KM 6
poziom I
KSM1
KSM2
KM 3
dołowy zestaw
rozdzielczy
poziom II
KM 7
KM 9
KM 8
szyb nr I
szafa kablowa
podszybie poz II
KM 10
szyb nr II
Rys. 1. Przykładowa struktura magistralnej sieci telekomunikacyjnej (szybowej) kopalni,
KP – sieci pośredniczące (powierzchniowe), w których prowadzone są obwody iskrobezpieczne,
KS – sieci kablowe szybowe, KM – dołowe sieci kablowe magistralne,
KSM – sieci kablowe szybowe międzypoziomowe
Konfiguracja typowej sieci telekomunikacyjnej
szybowej kopalń JSW SA jest przedstawiona na rysunku 1. Przy budowie sieci w kopalniach JSW SA
uwzględnia się następujące założenia:
 do każdego szybu prowadzone są przynajmniej
dwie linie kablowe (KP1, KS2 do szybu nr I oraz
KP2 i KS3 do szybu nr II); wymóg ten nie dotyczy
szybów peryferyjnych,

na każdy poziom prowadzone są przynajmniej dwa
kable telekomunikacyjne różnymi szybami,

do każdego głównego poziomowego zestawu rozdzielczego przy szybach głównych przychodzi
przynajmniej jeden kabel innym szybem (poprzez
fragment sieci magistralnej poziomowej np. KS2
i KS3 +KM2+KM1),

na każdy poziom prowadzony jest przynajmniej
jeden bezpośredni kabel telekomunikacyjny (niepo-
siadający swojego rozszycia na wyższych poziomach).
4. SYSTEMY TELEKOMUNIKACYJNE
WYKORZYSTUJĄCE KOPALNIANE SIECI
TELEKOMUNIKACYJNE
4.1. Systemy łączności telefonicznej
i alarmowo-rozgłoszeniowej
W tabeli 2 zestawiono systemy telekomunikacyjne
wykorzystujące sieci kablowe miedziane w kopalniach JSW SA. W tabeli tej przedstawiono minimalne, maksymalne oraz średnie (liczone dla wszystkich
kopalń JSW SA) pojemności kabli wykorzystywane
przez poszczególne systemy telekomunikacyjne eksploatowane w kopalniach JSW SA.
19
Tabela 2
Minimalne, maksymalne oraz średnie wykorzystanie par przez poszczególne systemy telekomunikacyjne
w kopalniach JSW SA
Łączność telefoniczna
powierzchnia *1
Łączność foniczna
dół *2
Gazometria
Systemy
transmisji
danych
Geofizyka
Inne *3
Razem
dla dołu
900
400
200
20
20
40
680 NN
1300
800
460
40
100
80
1480 NN
średnio
630 NN
330 NN
30 NN
30 NN *4
50 NN
1070 NN
(w %) dotyczy dołu
58,9 %
30,8 %
2,8 %
2,8 %
4,7 %
100 %
ilość
min
ilość
max
*4 Wyliczone dla 6 kopalń. Ponieważ jednak systemy
geofizyczne stosowane są tylko w trzech kopalniach,
wiec dla kopalń, które stosują tego rodzaju systemy
ilość ta średnio wzrasta dwukrotnie (zobacz tab. 7).
W tabeli 3 scharakteryzowano urządzenia iskrobezpiecznej łączności telefonicznej dołowej
i alarmowej jakie są eksploatowane w kopalniach
JSW SA. We wszystkich kopalniach JSW SA
stosuje się centrale telefoniczne typu DGT Millenium w wersji NJ/16 (z wyjątkiem centrali KWK
Zofiówka w części macierzystej).
Wszystkie kopalnie eksploatują systemy telefonii iskrobezpiecznej typu UTI firmy TELVIS oraz
systemy alarmowania-rozgłaszania typu STAR
(KWK Borynia, KWK Budryk, KWK Zofiówka),
względnie SAT (KWK Jas-Mos KWK Krupiński,
KWK Pniówek).
Uwagi:
*1 Nie uwzględniano struktur liniowych centralek
lokalnych oraz sieci telekomunikacyjnych w obiektach Zakładu Przeróbki Mechanicznej Węgla.
*2 Nie uwzględniono układów łączności i sygnalizacji szybowej oraz wszystkich innych urządzeń przyszybowych (np. telefonia lokalna szybowa).
*3 Dotyczy np. „par pożarowych” rezerwowanych
w każdym TKG oraz torów kablowych do systemów monitorowania maszyn i zdalnego sterowania (np. torów, najczęściej modemowych i cyfrowych do systemów typu SMoK, ZMP-16, ATUT,
Bartec, w których sygnały w tych torach kablowych są prowadzone od urządzeń dołowych do
stanowisk powierzchniowych).
Tabela 3
Charakterystyka urządzeń iskrobezpiecznej łączności
fonicznej i alarmowej w kopalniach JSW SA
Kopalnia
Pojemność centrali telefonicznej
(NN)**
w tym łącza dołowe (NN)**
System UTI (NN)**
System STAR,
SAT (NN)**
Borynia
1616
576
384
192
Budryk
1616
768
576
192
Jas-Mos
1400
648
448
200
Krupiński
1200
448
240
208
Pniówek
1988
768
448
320*
Zofiówka
1822
800
480
320
Razem
9 600 NN
4 008 NN
2576 NN
1432
Uwagi:
* Kopalnia eksploatuje dodatkowo 64 sygnalizatory
(w wersji nieiskrobezpiecznej) zainstalowane na
powierzchni.
** Jest to pojemność znamionowa systemu wynikająca z dokumentacji podstawowej lub zain-
stalowanego wyposażenia liniowego (do którego można bezpośrednio przyłączać np. tory
kablowe abonenckie) w stojakach urządzeń
stacyjnych. Należy zaznaczyć, iż nie wszystkie
łącza abonenckie są wykorzystywane w danej
kopalni.
20
4.2. Systemy gazometryczne
Kopalnie JSW S.A. eksploatują głównie systemy
gazometryczne CST-40 i SMP-NT, a także 1 stojak
systemu KSP-2, co pokazano w tabeli 4. Stopień
wykorzystania telemetrycznych modułów liniowych
to około 70%.
Na rysunku 2 pokazano ogólny schemat blokowy
systemów gazometrycznych. Centrala telemetryczna
jest wyposażona w liniowe moduły telemetryczne dla
podłączenia dołowych obwodów iskrobezpiecznych.
centrala telemetryczna
tory
kablowe
abonenckie
stacja
dołowa
CH4
CH4
CO2
O2
czujniki
Rys. 2. Ogólny schemat blokowy systemu gazometrycznego
Tabela 4
Charakterystyka central gazometrycznych eksploatowanych w kopalniach JSW SA.
Średnia zajętość torów kablowych abonenckich w stojakach wynosi około 70%
Typ systemu gazometrycznego
Ilość stojaków
[szt.]
Pojemność
NN**
CST-40, CST40/A*
37
1445
SMP-NT***
12
768
KSP-2
1
40
RAZEM
50
2253
Uwagi:
* w tym dwa moduły wyniesione na szyby peryferyjne,
** jest to pojemność znamionowa systemu (wynikająca z dokumentacji podstawowej lub zainstalowanego wyposażenia w stojakach urządzeń stacyjnych, nie wszystkie łącza abonenckie są wykorzystywane w danej kopalni,
*** w kopalniach w skład systemów SMP-NT wchodzą różne typy stojaków urządzeń stacyjnych
(np. typu CMC-3MS, CMC-4).
Interesujący jest udział poszczególnych rodzajów czujników zainstalowanych w wyrobiskach,
co przedstawiono w tabeli 5. Z tabeli tej, zestawiającej typowe czujniki, z którymi współpracują
centrale systemów gazometrycznych, wynika, iż
przeciętnie w jednej kopalni eksploatowanych jest
około 300 różnego typu czujników monitorujących parametry środowiska technicznego podziemi kopalń węgla. Najwięcej jest metanomierzy
(około 60% wszystkich czujników zainstalowanych na dole), ale udział innych rodzajów czujników (w tym przede wszystkim czujników CO
i anemometrów) jest już bardzo znaczący (obecnie wynosi ponad 35%) i zmienił się w dużym
stopniu w stosunku do stanu jaki obserwowano
jeszcze kilka lat temu [1].
21
Tabela 5
Zestawienie typowych czujników stosowanych
w systemach gazometrycznych kopalń JSW SA
Kopalnia
Czujniki
CH4
Czujniki
CO**
Anemometry**
Inne**
Borynia
200
60
28
10
298
Budryk
128
95
50
10
283*
21
295
Jas-Mos
177
55
42
Krupiński
113
48
11
RAZEM
172
Pniówek
177
42
23
52
Zofiówka
262
99
46
32
439
RAZEM
1057
399
200
125
1781
(w %)
60 %
22 %
11 %
7%
100 %
Uwagi:
* W tym prawie 90 szt. linii abonenckich zajętych
dla centralek sygnałów dwustanowych (typu
CSD firmy HASO) realizujących funkcje alarmowych wyłączeń urządzeń elektroenergetycznych.
** W wielu przypadkach czujniki te są przyłączane
do central gazometrycznych poprzez centralki
dołowe typu CSA (HASO) lub CCD1 i MCCD01 (EMAG). Do jednego toru kablowego jest
przyłączonych wtedy kilka czujników (średnio
3 czujniki).
Wykorzystanie telemetrycznych modułów liniowych central gazometrycznych nie pokrywa się
z liczbą zainstalowanych metanomierzy i innych
czujników. Każdy metanomierz wymaga odrębnego telemetrycznego modułu liniowego. Pozostałe
czujniki przyłącza się na dole do stacji dołowych
(centralki CSA firmy HASO oraz centralki MCCD01 i CCD1 firmy EMAG). Do stacji dołowej można przyłączyć do 4 czujników innych niż metanomierze, a stacja dołowa wykorzystuje tylko jeden
telemetryczny moduł liniowy. Stosowane są również stacje dołowe z wejściami i wyjściami dwustanowymi (np. centralka sygnałów dwustanowych
CSD firmy HASO), które również wykorzystują
telemetryczny moduł liniowy.
4.3. Systemy transmisji informacji technologicznej
W związku z budową we wszystkich kopalniach
JSW SA powierzchniowych stanowisk obserwacyjnych urządzeń energomechanicznych (tzw.
dyspozytorni energomechanicznych) systemy
transmisji informacji technologicznych w kopal-
294
niach JSW SA oparte są przede wszystkim o sieci
światłowodowe. JSW SA posiada najbardziej
rozbudowane struktury tych sieci. Tematyka ta
stanowi przedmiot odrębnej publikacji [14].
W tym rozdziale omówione zostaną wyłącznie
systemy teletransmisyjne (w głównej mierze informacji dwustanowych) wykorzystujące kable
miedziane.
Charakterystyka systemów teletransmisyjnych
stosowanych w układach monitorowania pracy
podstawowych maszyn i urządzeń w kopalniach
JSW SA została przedstawiona w tabeli 6. Kopalnie JSW SA eksploatują system 30-kanałowy typu
FOD-900 z wyjątkiem KWK Krupiński, która eksploatuje system CTT-32. Średnio w jednej kopalni
zainstalowanych jest ponad 200 czujników dwustanowych. Połowa z nich to czujniki prądu (np.
typu CP-10, CPE – 50% wszystkich czujników
pracujących w kopalniach). Oprócz tego stosowane
są także: czujniki różnicy ciśnień (np. typu CCDI,
CCD około 8%), łączniki magnetyczne i wyłączniki krańcowe (np. typu KFS, WK około 10%), czujniki przepływu powietrza (np. typu CPP – około
12%), czujniki poziomu wody (np. typu CP-2 –
około 6%).
4.4. Systemy geofizyki górniczej
Do oceny zagrożeń tąpaniami stosuje się systemy
sejsmologiczne typu ARAMIS, SOS i AS-1 oraz
system sejsmoakustyczny typu ARES. Systemy
geofizyczne są eksploatowane w trzech kopalniach
JSW SA [12]. Zajmują one około 3% ogólnej ilości
w sieciach telekomunikacyjnych.
W tabeli 7 zestawiono systemy eksploatowane
w stacjach geofizyki górniczej w kopalniach
JSW SA.
22
Tabela 6
Charakterystyka systemów teletransmisyjnych eksploatowanych
w kopalniach JSW SA
Kopalnia
Typ systemu
Pojemność
ilość torów kablowych
Pojemność
(kanały)
Borynia
FOD-900
24 tory
720
Budryk
FOD-900
15 torów
450
Jas-Mos
FOD-900
30 torów
900
VENTURON
Krupiński
Pniówek
Zofiówka
2 tory
kontrola par. produkcji i bezpieczeństwa
CTT-32
20 torów
440
FOD-900
30 torów
900
inne systemy
7 torów
FOD-900
RAZEM
Uwagi
VENTURON, ZMP-16,
Betacontrol
30 torów
900
160 torów
Tabela 7
Zestawienie ilości podstawowego sprzętu w stacjach geofizyki górniczej
w kopalniach JSW SA [Tor]
Nazwa sprzętu
Jas-Mos
Pniówek
Zofiówka
Sejsmologia
Aparatura sejsmologiczna typu AS-1
1
Aparatura sejsmologiczna typu ARAMIS
2
System obserwacji sejsmologicznej typu SOS
1
Sejsmometry typu SPI - 70
30
Sondy sejsmologiczne typu DLM
25
4
Sondy sejsmologiczne GVu
20
4
Aparatura sejsmoakustyczna typu ARES
2
1
Geofony
7
4
1
1
16-kanałowy
1
32-kanałowy
32-kanałowy
10
43
Sejsmoakustyka
5. WNIOSKI
Odpowiadając na pytanie zadane we wstępie, czy
kable optotelekomunikacyjne i kable promieniujące
mogą zastępować telekomunikacyjne kable miedziane typu TKG? Na podstawie zestawień zawartych
w tabelach i wiedzy technicznej dotyczącej działania
systemów telekomunikacyjnych eksploatowanych
obecnie w kopalniach JSW SA jednoznacznie należy
odpowiedzieć, iż w najbliższych latach nie jest to
możliwe. Pomimo bezspornego faktu, iż kopalnie
JSW SA są liderami w przemyśle węglowym w zakresie wprowadzania systemów światłowodowych
i systemów wykorzystujących kable promieniujące,
nie obserwuje się zmniejszenia ilości eksploatowanych telekomunikacyjnych kabli górniczych typu
pojemność kasety 8NN
TKG z żyłami miedzianymi. Nadal sieci te są rozbudowywane w nowych rejonach zakładów górniczych.
Obecnie sieci światłowodowych nie można wykorzystać do budowy systemów łączności telefonicznej
i alarmowo-rozgłoszeniowej. W kopalniach metanowych nie ma możliwości zastosowania w wyrobiskach dołowych koncentratorów lub modułów wyniesionych central telefonicznych ze względu na brak
odpowiednich urządzeń w wersji przeciwwybuchowej klasy M1. Istnieje możliwość zastosowania urządzeń telefonii VoIP [13]. Są dostępne bramki VoIP
klasy M1 z interfejsem światłowodowym. Pozostaje
do rozwiązania:
 budowa szkieletowej sieci światłowodowej oraz
zapewnienie zasilania gwarantowanego urządzeń
transmisyjnych z podtrzymaniem bateryjnym (12
godzin wg obowiązujących przepisów),
23
transmisja sygnałów mowy i sygnalizacji (np.
DTMF),
 zdalne zasilanie telefonu oraz telefonu sygnalizatora w systemie alarmowania,
 zdalne ładowanie baterii akumulatorów w telefonie
sygnalizatorze.
W stosowanych obecnie systemach gazometrycznych nie można wykorzystać sieci światłowodowych
głównie ze względu na centralne zasilanie czujników
i stacji dołowych. Zastosowanie światłowodów wymaga innej struktury systemów gazometrycznych
(np. system MICON-3P wykorzystujący specjalizowane sterowniki z lokalnym zasilaniem wpięte do
pętli światłowodowej).
W najbliższej przyszłości telekomunikacyjne kable
miedziane będą wykorzystywane nadal w sieciach
dołowych głównie dla systemów łączności telefonicznej i alarmowo-rozgłoszeniowej, a także dla
systemów gazometrycznych i geofizyki. Sieci światłowodowe będą wykorzystywane w coraz większym
stopniu do transmisji danych z maszyn i urządzeń
dołowych oraz kamer telewizji przemysłowej [14].

4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
Literatura
1.
2.
3.
Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane. Dz.U. Nr 89
z 1994 r. poz. 414. z późniejszymi zmianami.
Ustawa z dnia 4 lutego 1994 r. Prawo geologiczne i górnicze.
Obwieszczenie Marszałka Sejmu Rzeczypospolitej Polskiej z dnia
14 listopada 2005 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu
ustawy. Dz.U. z 2005 nr 228, poz. 1947.
Ustawa z dnia 17 maja 1989 r. Prawo geodezyjne i kartograficzne. Tekst ujednolicony. Dz.U. z 2010 r. nr 193, poz. 1287.
PN-EN 60079-28:2007. Atmosfery wybuchowe - Część 28;
Ochrona sprzętu i systemów transmisji wykorzystujących promieniowanie optyczne.
Ustawa z dnia 16.07.2004 r. Prawo telekomunikacyjne. Dz.U.
z 2004 r. nr 171, poz. 1800.
Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 28.06.2002 r.
„w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu
oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego
w podziemnych zakładach górniczych”. Dz.U. z 2002 r. nr 139,
poz. 1169.
Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 26 października
2005 r. „w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać telekomunikacyjne obiekty budowlane i ich usytuowanie”. Dz.U. z 2005 r. nr 219 poz. 1864 wraz z załącznikami.
Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 30.04.2004 r. „w sprawie
dopuszczania wyrobów do stosowania w zakładach górniczych”.
Dz.U. z 2004 r. nr 99, poz. 1003.
Tor A., Dzierżęga J.: Znaczenie monitoringu oraz identyfikacji
pracowników dla poprawy bezpieczeństwa pracy i efektywności
produkcji w kopalniach JSW. Monografia pod red. A. Dyczko
i A. Wojaczka pt.: „Systemy telekomunikacyjne, monitoring wizualizacja podziemnej eksploatacji złóż”. Wyd. Fundacja dla
AGH. Kraków 2011.
Becker Mining Systems.: BCOM Voice over IP.
http://www.becker-mining.com/-runtime/cms.run/download/
Wojaczek A., Miśkiewicz K., Timler M.: Światłowodowe sieci
telekomunikacyjne w kopalniach. Materiały XXXVIII Konferencji ATI2011. Szczyrk, czerwiec 2011.
Cierpisz S., Miśkiewicz K., Musioł K., Wojaczek A.: Systemy
gazometryczne w górnictwie. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej. Gliwice, 2007.
Kabaciński W., Żal M.: Sieci telekomunikacyjne. WKiŁ Warszawa 2008.
Miśkiewicz K., Wojaczek A.: Systemy radiokomunikacji z kablem
promieniującym w kopalniach podziemnych. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej. Gliwice, 2010.
Recenzent: prof. dr hab. inż. Krystian Kalinowski
KOMUNIKAT
Centrum Badań i Certyfikacji Instytutu Technik Innowacyjnych EMAG
– Jednostki Certyfikującej Wyroby (Certyfikat akredytacji nr AC 053)
o wydanych i cofniętych certyfikatach
Wydano:
1. Certyfikat zgodności nr 3/11 uzyskany w certyfikacji dobrowolnej, system 1b ISO
(marzec 2011 r.)
Dostawca:
ELEKTROMONTAŻ Poznań S.A.
60-166 Poznań, ul. Wieruszowska 16
Wyrób:
Rozdzielnica średniego napięcia
Typ (odmiany): ODRA
2. Certyfikat zgodności nr 4/11 uzyskany w certyfikacji dobrowolnej, system 1b ISO
(marzec 2011 r.)
Dostawca:
ELEKTROMONTAŻ Poznań S.A.
60-166 Poznań, ul. Wieruszowska 16
Wyrób:
Rozdzielnica średniego napięcia dwusystemowa
Typ (odmiany): BRDA
dr inż. ANTONI WOJACZEK
dr inż. KAZIMIERZ MIŚKIEWICZ
mgr inż. MIECZYSŁAW TIMLER
Zakład Elektrotechniki Budowlanej i Przemysłowej
Światłowodowe sieci telekomunikacyjne
w kopalniach
W artykule omówiono sieci telekomunikacyjne światłowodowe, eksploatowane
w zakładach górniczych. Scharakteryzowano typowe konfiguracje i możliwe wykorzystanie tych sieci w kopalniach. Zwrócono uwagę na coraz większą rolę sieci
optotelekomunikacyjnych w systemach teletransmisyjnych. Przedstawiono możliwe
do wykorzystania sposoby transmisji danych w kopalniach z wykorzystaniem sieci
światłowodowych. Zaprezentowano wybrane dane dotyczące sieci światłowodowych
eksploatowanych w kopalniach JSW SA.
1. WSTĘP
W kopalniach eksploatuje się obecnie trzy rodzaje
sieci telekomunikacyjnych:
 zbudowane z kabli miedzianych symetrycznych,
 zbudowane z przewodów promieniujących wraz
z infrastrukturą zawierającą między innymi
wzmacniaki i rozgałęźniki [1],
 zbudowane z kabli światłowodowych.
W kopalniach stosuje się kable telekomunikacyjne symetryczne typu TKG z żyłami o średnicy
0,8 mm. Tego typu sieci wykorzystywane są
w systemach łączności telefonicznej, alarmoworozgłoszeniowej, systemach gazometrycznych,
systemach geofizyki, systemach transmisji sygnałów dwustanowych ze źródeł rozproszonych (np.
FOD-900), a także wąskopasmowej (modemowej)
transmisji danych w paśmie telefonicznym [5].
Modemy dla szerokopasmowej transmisji danych
(np. Mt-HDSL czy Mt-MDSL) nie znalazły szerszego zastosowania. Duże nakłady finansowe poniesione przez każdą z kopalń na zbudowanie tego
rodzaju sieci transmisyjnych w połączeniu z właściwościami systemów, które wykorzystują tego
rodzaju sieci (przede wszystkim telefonia, gazometria i geofizyka) powoduje, że sieci te będą eksploatowane i rozbudowywane we wszystkich kopalniach jeszcze przez wiele lat.
Sieci kabli promieniujących (wraz z infrastrukturą)
stosowane są głównie dla realizacji bezprzewodowej
łączności fonicznej (radiotelefony). W tego rodzaju
sieciach możliwa jest transmisja sygnałów analogowych z kamer, a także wąskopasmowa transmisja
danych (do 9600 b/s). Istnieją także rozwiązania
szerokopasmowej transmisji danych (niezbędne
urządzenia nie są aktualnie dostępne w wersji iskrobezpiecznej) [1]. W każdym przypadku charakterystyki częstotliwościowe elementów infrastruktury
(wzmacniaki, rozgałęźniki itp.) muszą być dopasowane do widma przesyłanych sygnałów.
Zapotrzebowanie na systemy transmisyjne o dużej
przepływności spowodowało potrzebę wdrażania do
kopalń techniki światłowodowej. Światłowody umożliwiają realizację systemów transmisyjnych (w tym także
budowy przeciwwybuchowej) o dużej przepływności
(1 Gb/s i więcej) i odległościach istniejących w kopalniach podziemnych (w tym także kopalń łączonych).
Pomimo początkowych obaw związanych z montażem,
a szczególnie z naprawami uszkodzonych odcinków
linii kablowych i trudnościami związanymi z doprowadzeniem zasilania gwarantowanego do urządzeń abonenckich obserwuje się duży rozwój tych sieci.
Środowisko techniczne podziemnych zakładów górniczych stwarza specyficzne warunki dla struktur kopalnianych sieci telekomunikacyjnych. Wdrażanie typowych i szeroko stosowanych w telekomunikacji powszechnej technologii cyfrowych napotykało w górnic-
twie na trudności związane z występowaniem w kopalniach podziemnych zagrożeń naturalnych i koniecznością stosowania iskrobezpiecznych urządzeń telekomunikacyjnych, co w konsekwencji uniemożliwiało bezpośrednie przenoszenie istniejących rozwiązań technicznych do kopalnianych systemów teletransmisyjnych.
2. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA
ŚWIATŁOWODOWYCH SIECI TELEKOMUNIKACYJNYCH
Pierwsze kable światłowodowe w polskim górnictwie zastosowano w systemach teletransmisyjnych
SDH (np. system FOX 515 zainstalowany w kopalniach miedzi i w LW Bogdanka) oraz w układach
sygnalizacji szybowej (np. w KWK Jas-Mos). Jednym z problemów, z jakim spotkali się użytkownicy
kabli optotelekomunikacyjnych w kopalniach, jest
brak możliwości centralnego (z powierzchni) zasilania urządzeń abonenckich. Tradycyjnie większość
eksploatowanych dotychczas systemów telekomunikacyjnych (ze względu na pewność zasilana urządzeń
abonenckich niezależnie od stanu dołowej sieci elektroenergetycznej) zasila urządzenia końcowe z części
stacyjnej linią teletransmisyjną.
W eksploatacji systemów telekomunikacyjnych z kablami światłowodowymi pewnym utrudnieniem jest
również szybka awaryjna naprawa odcinka kabla światłowodowego w przypadku wystąpienia uszkodzenia
(przerwania włókien kabla światłowodowego). W tym
przypadku należy z reguły posiadać specjalistyczny
sprzęt (np. spawarki światłowodowe) do łączenia tego
typu kabli, wymienić uszkodzony odcinek celem naprawy go na powierzchni, a w tym czasie uruchomić
połączenie prowizoryczne w sieci światłowodowej.
Obecnie technikę światłowodową stosuje się głównie w technologicznych systemach transmisji danych
takich jak: transmisja danych ze sterowników maszyn
i urządzeń, transmisja danych z zabezpieczeń elektroenergetycznych sieci 6 kV, a także sygnały z kamer telewizji przemysłowej. Tego rodzaju systemy
nie podlegają procedurze dopuszczeniowej, a także
nie muszą spełniać wymagań dotyczących autonomii
zasilania urządzeń dołowych [3, 4].
Podstawowe zadanie stawiane systemom transmisji
technologicznej, to pewna informacja zebrana
w krótkim czasie, która pozwala na podejmowanie
trafnych decyzji związanych z bieżącą produkcją,
a w szczególności w stanach przedawaryjnych i awaryjnych. Kolejnym elementem znacząco zwiększającym zapotrzebowanie na światłowodowe systemy
teletransmisyjne jest fakt eksploatacji w kopalniach
25
obiektów, którymi można zarządzać zdalnie. Pozyskiwanie informacji związanych ze stanami pracy
ciągów technologicznych możliwe jest dzięki wprowadzaniu do kopalń maszyn posiadających moduły
automatyki pozwalające na komunikację z zewnętrznymi systemami informatycznymi. Ważnym aspektem wprowadzania systemów światłowodowych do
wyrobisk jest wysoka odporność kanału transmisyjnego na zakłócenia elektromagnetyczne występujące
w środowisku technicznym podziemi kopalń.
W kopalniach zagrożonych wybuchem, w światłowodowych systemach teletransmisyjnych należy stosować
nadajniki z zabezpieczeniem op is1, tzn. ze źródłami
optycznymi wyposażonymi w ograniczniki prądu i/lub
napięcia, przy których moc optyczna nadajnika nie
przekroczy wartości bezpiecznych. Przykład oznakowania tego rodzaju elementów pokazano w tabeli 1.
Tabela 1
Przeciwwybuchowe (przeciwzapalne) oznaczenia
elementów światłowodowego
systemu teletransmisyjnego
I (M2/M1)
Ex ia op is I
Dla elementów aktywnych systemu światłowodowego
zasilanych z zasilaczy iskrobezpiecznych z ognioszczelną komorą przyłączową (M2), względnie ze źródeł
iskrobezpiecznych (M1) - zgodnie z: PN-EN 600790:2006, PN-EN 60079-11:2007, PN-EN 60079-28:2007
3. STRUKTURA KOPALNIANYCH SIECI
TRANSMISYJNYCH
Kopalniane światłowodowe systemy teletransmisyjne są częścią systemów (rys. 1) monitorowania
zawierających:
 urządzenia dołowe wyposażone w sterowniki (np.
PLC) udostępniające dla systemów nadrzędnych
dane dotyczące pracy urządzenia,
 sieć transmisyjną (abonencka) od monitorowanego
urządzenia do dołowego urządzenia teletransmisyjnego (np. koncentratora danych),
 węzły aktywne sieci światłowodowej (np. stacje
ALFA), sieciowe koncentratory danych, węzły
przetwornikowe, multipleksery i mediakonwertery,
 węzły pasywne sieci światłowodowej (przełącznice, urządzenia zapasu kabli światłowodowych),
 kable optotelekomunikacyjne dołowe, szybowe
i powierzchniowe,
 stojaki transmisji technologicznej światłowodowej
(np. STTS) zawierające: przełącznice, urządzenia
przetwornikowe, rejestratory, urządzenia sieciowe
i serwery SCADA,
1
ang. optical radiation inherently safe
26
stanowiska wizualizacji procesów technologicznych w pomieszczenia dyspozytorni, a także osób
dozoru kopalni.
W kopalniach najczęściej buduje się gwiazdowe
struktury sieci światłowodowych, w znacznym stopniu na strukturę sieci wpływa też układ wyrobisk
dołowych. W dołowych światłowodowych sieciach
telekomunikacyjnych możemy wyróżnić:
 Sieci szybowe – budowane kablami typu
YOTKGtsFoyn xJ lub xG, gdzie: J oznacza włókna
jednomodowe, G oznacza włókna wielomodowe,
a x ilość włókien światłowodowych.
 Sieci magistralne – budowane w przekopach
i chodnikach kablami typu YOTKGtsFtlyn.
 Sieci końcowe – budowane kablami miękkimi, nie
zbrojonymi pancerzami stalowymi. Kable te służą
do włączania urządzeń do punktów węzłowych sieci światłowodowej.
Światłowodowe systemy monitorowania obejmują
swym działaniem, tj. zbieraniem informacji, przede
wszystkim:
 kompleksy przodkowe i ścianowe, podporność
sekcji i odstawa urobku,
 zasilanie w energię elektryczną, rozdzielnie główne i rejonowe,
 odwadnianie, pompownie główne, pompownie
wysokociśnieniowe,
 stacje centralnej klimatyzacji, mieszalniki, chłodnice,
 sprężarki powietrza i monitoring rozpływów wody
ppoż,
 monitoring wizyjny miejsc niebezpiecznych, komór skipowych, dworców osobowych itp.
Przykładowa struktura systemu nadzoru procesów technologicznych przedstawiona została na
rysunku 1.

stanowiska
obserwacyjne
urządzeń
energomech.
stanowiska
obserwacyjne
urządzeń
energomech.
dyspozytornie:
główna
gazometryczna
stanowiska
obserwacyjne
urządzeń
energomech.
stojaki
STTS
przełącznica światłowodowa Fo/Fo
Fo
Fo
Fo
Fo
ALFA
RS
TKG
ALFA
Fo
OOSW
ALFA
RS
TKG
Fo
Fo
spręż.
pompy
kombajn
Fo
Fo
Fo
Fo
Fo
Fo
KA
Fo
K IP
KA
klim.
ppoż.
KA
K IP
Rys. 1. Przykładowa struktura systemu monitorowania i nadzoru procesu technologicznego w kopalni
OOSW – ognioszczelne optoelektroniczne stanowisko wizualizacji,
Fo – światłowód, KA – kamera z wyjściem analogowym, K IP – kamera IP
Sieć światłowodowa zawiera jeden główny punkt
gwiazdowy, którym jest stojak transmisji technologicznej światłowodowej (STTS). To w nim znajdują
się różnego rodzaju urządzenia przetwarzające, konwertujące sygnały z sieci światłowodowej do sieci
komputerowej, transmisji szeregowej itp. Znajdujące
się w stojaku serwery przetwarzają i archiwizują
transmitowane dane i udostępniają je na stanowiskach wizualizacji SCADA.
Typową budowę stojaków światłowodowego systemu teletransmisyjnego przedstawiono na rysunku 2.
[6].
27
Szafa nr 2
Szafa nr 1
Q1
POS-Watch PRO II
IFS1(VT)
Rej.1
POS-Watch PRO II
Rej.2
IFS2(VR)
POS-Watch PRO II
Rej.3
IFS 8k.D8x
AXIS
VE (AXIS)
KVM
MOXA
NPort1/32
MOXA
NPort2/32
SWG1
SWG2(1Gb/s)
ATEN
PC.SERW1
ADVANTECH
SW(100Mb/s)
PC.SERW2
D-link,
DMC1000
ADVANTECH
ATEN konsola
monitor+klawiatura
ATEN
półka
monterska
IBM Blade
serwer SCADA +
serwer lustrzany
P(8x12)
KZ
P2
Rys. 2. Przykład stojaka systemu transmisji technologicznej światłowodowej typu STTS (TIMLER); podano przykładowe typy urządzeń zastosowanych w tych stojakach; P – przełącznica modułowa (8 modułów × 12 włókien),
KZ – koła zapasów kabli światłowodowych, IFS – obudowa dla elementów systemu IFS (videokonwertery: VT
kamera/FO, VR FO/rejestrator, 8k.D8x konwerter Tx, Rx typu D8000), NPort – serwer portów szeregowych
MOXA typu 6550/32, Q – dzielnik ekranu, Rej – rejestratory cyfrowe obrazów; typ POS-Watch II VIDIUS Pro,
VE – video encoder AXIS Q 7900; sześciokanałowy moduł rejestratora video; konwerter sygnału z kamer analogowych do IP, SWG – switch gigaEthernet, SW – switch Ethernet 100Mb/s, D-link – obudowa D link do mediakonwerterów serii DMC; np. DMC515SC konwerter LAN/FO, DMC1000 sterownik zarządzający konwerterami,
KVM – konsola ATEN; przełącznik monitora i klawiatury do serwerów stojakowych, SERW – serwery
Podstawowymi elementami sieci umożliwiającymi
włączanie urządzeń aktywnych oraz kolejnych ciągów kablowych są przełącznice światłowodowe.
Przełącznice są nieaktywnymi punktami węzłowymi,
w których można dokonywać rozdziału sygnału,
przekrosowywania lub rozdzielania. Stanowią one
również punkt pomiarowy umożliwiający diagnozowanie linii.
Sygnały z urządzeń (rys. 1) mogą być wprowadzane do sieci systemu teletransmisyjnego (sieci światłowodowej) w dwojaki sposób:
 bezpośrednio, za pomocą istniejących interfejsów
światłowodowych znajdujących się w urządzeniach
monitorowanych,
 pośrednio, z wykorzystaniem koncentratorów światłowodowych (np. ALFA) z wejściami elektrycznymi (np. RS485, sygnał dwustanowy).
Koncentratory sygnałów stanowią logiczne punkty
gwiazdowe sieci transmisji technologicznej. Urzą-
dzenia monitorowane mogą być również podłączane
do sieci światłowodowej za pośrednictwem sieci
telekomunikacyjnej miedzianej:
 wydzielonej (przeznaczonej wyłącznie dla tego
systemu technologicznego), np. symetrycznymi typu TKG lub kablami typu UTP,
 wolnymi parami w liniach kablowych kopalnianej
sieci telekomunikacyjnej (w magistralnej lub rozdzielczej sieci ogólnokopalnianej).
4. ELEMENTY ŚWIATŁOWODOWYCH SIECI
TELETRANSMISYJNYCH
– KONCENTRATORY
Zasadniczym elementem dołowym teletransmisyjnego systemu światłowodowego są koncentratory
światłowodowe. W zależności od producenta posiadają one różne nazwy i oznaczenia, takie jak np.:
28
zasilacz
do STTS
Fo
Ethernet
Fo
TR
Zasilacz
12 V DC
LAN
Mediakonweter (IMC), SWITCH (D-Link, EDS)
LAN
LAN
LAN
LAN
LAN
LAN
NPort (np.Moxa)
RS
RS
LAN
RS
RS
LAN
LAN
IMC
IFS
Fo
Fo
LAN
DMC
Fo
Mod
ioLogic
BI1
BI1
ATUT
ZMP16
Betactr
poł. opcjonalne
V34
RS
TKG
linie iskrobezp
we/wy
analogowe
cyfrowe
stykowe
(M) Lokalne
stanowisko
nadzoru
ELSAP
UMT, UML
BbCM
DRK
RD 6kV (koncentrator K)
Rys. 3. Budowa przykładowej światłowodowej stacji przetwornikowej typu ALFA [6]
IFS – International Fiber Systems, IMC – Industrial Media Converter (np. urządzenia firmy Moxa), DMC – Digital Media Converter oznaczają powszechnie stosowane w kopalnianych systemach światłowodowych mediakonwertery, serwery portów szeregowych, multipleksery portów i inne elementy dla systemów światłowodowych stosowane w tych stacjach, a produkowane przez wiodące, światowe firmy w tym zakresie. Mod – modem, Bi – zespół
separacji iskrobezpiecznej, LAN – interfejs Ethernetowy, Fo – we/wy światłowodowe, ATUT, ZMP, ELSAP, UMT
Betacontrol, DRK – oznaczają elementy urządzeń automatyki dołowej i systemów telekomunikacyjnych, które
mogą być przyłączone do stacji przetwornikowej, RD – rozdzielnia dołowa 6 kV, TR – transformator w układzie
zasilania stacji, TKG – telekomunikacyjny kabel górniczy z żyłami miedzianymi

iskrobezpieczna stacja przetwornikowa typu ALFA
firmy TIMLER,
 iskrobezpieczna stacja lokalna typu RSS firmy
ELEKTROMETAL,
 koncentrator światłowodowy typu RMX firmy
RNT,
 multiplekser danych HYDRA FOD-MTC firmy
Tranz-Tel.
Uproszczoną budowę światłowodowej stacji przetwornikowej ALFA przedstawiono na rysunku 3.
W aktywnych stacjach dołowych możemy wyróżnić:
 konwertery sygnałów szeregowych RS, na transmisję światłowodową multipleksowaną (urządzenia
NPort + Switch na rys. 3),
 konwertery sygnałów szeregowych RS, sygnałów
dwustanowych, analogowych prądowych i napięciowych (ioLogic rys. 3) na transmisję Ethernetową
światłowodową,
 videokonwertery do współpracy z kamerami
z wyjściem analogowym,

ognioszczelne optoelektryczne stanowisko wizualizacji (OOSW, OSW) – służące do przetwarzania
sygnałów wideo oraz wyświetlania oprogramowania SCADA jako stanowisko terminalowe dołowe.
Narzędziem pomocniczym w systemach monitorowania jest telewizja przemysłowa pozwalająca na
bezpośrednią zdalną obserwację urządzeń i procesów
technologicznych (wraz z nagrywaniem obrazów).
Obraz w wielu przypadkach pomaga obsłudze zaglądnąć w miejsca niebezpieczne w trakcie eksploatacji lub daje dodatkową informację, której układy
automatyki nie są w stanie zrealizować.
Do tej pory podstawowym sposobem przesyłania
sygnałów z urządzeń dołowych w sieci światłowodowej była transmisja z urządzeń aktywnych wprost
do stojaka transmisji technologicznej światłowodowej znajdującego się na powierzchni. Wraz z rozwojem tych sieci, zwiększeniem ilości urządzeń aktywnych instalowanych na dole, pojemności kabli szybowych (96 włókien) stają się powoli niewystarcza-
29
jące. Dzięki standaryzacji transmisji, możliwe jest
zastosowanie w sieci światłowodowej bezpiecznych
(przeciwzapalnych) przełączników (switch) klasy M1
z podtrzymaniem bateryjnym i budowę szkieletowej
sieci transmisji światłowodowej. Powoduje to uwolnienie zajętych dotychczas włókien w kablach szybowych. Budowa systemu teletransmisyjnego z zastosowaniem przełączników (switch) likwiduje częściowo strukturę „punkt–punkt” (P2P).
W sieciach szkieletowych niezbędne jest zastosowanie w łączach pomiędzy węzłami przepływności
1 Gb/s, szczególnie w przypadku zastosowania kamer
o wysokiej rozdzielczości (rys. 1).
nych sygnał wideo podlega rejestracji w rejestratorze
video oraz jest przykazywany do enkodera video (np.
AXIS Q7900), gdzie zostaje przekształcony do postaci
cyfrowej (np. z kompresją MPEG-4). Dla niektórych
kamer (wymagających sterowania) stosuje się nadajniki i odbiorniki sygnału video z możliwością przesyłania sygnałów sterujących do kamer (np.
VT1930WDM, VR1930WDM). Na rysunku 4 pokazano schemat blokowy transmisji sygnału analogowego z kamer siecią światłowodową [5].
Ograniczeniem stosowania kamer z wyjściem analogowym z transmisją jak na rysunku 4 jest konieczność wykorzystania odrębnego jednego włókna
w sieci dla każdej kamery.
5. METODY TRANSMISJI DANYCH
ZA POŚREDNICTWEM SIECI ŚWIATŁOWODOWYCH
5.2. Transmisja z kamer IP
5.1. Transmisja z kamer o wyjściu analogowym
W przypadku kamer z wyjściem analogowym dla
wykorzystania sieci światłowodowej zastosowano
nadajniki video (np. VT4030) stosujące cyfrową modulację FM, sprzężone z odpowiednimi odbiornikami
video (np. VR4030). Dla transmisji sygnału z jednej
kamery wykorzystuje się jedno włókno jednomodowe
z dołu na powierzchnię. W stojaku urządzeń stacyj-
Kamery IP są elementami sieci komputerowej i posiadają swój adres sieciowy. Obraz z kamery może
być transmitowany w różnych formatach kompresji
(H264, Motion JPEG) z różną przepływnością (od
10 kb/s do 10 Mb/s). Sygnał wyjściowy z kamery
poprzez konwertery mediów, przełączniki Ethernetowe jest przekazywany do videoservera (rys. 5).
W liniach światłowodowych do transmisji wykorzystuje się 2 włókna jednomodowe. W tego rodzaju
rozwiązaniu sygnały z grupy kamer (np. z 8 kamer IP
przyłączonych do stacji ALFA) są transmitowane
parą włókien do dyspozytorni (rys. 5).
Rys. 4. Schemat blokowy transmisji sygnału analogowego
z kamer w sieci światłowodowej
Rys. 5. Schemat blokowy transmisji sygnału z kamer IP w sieci światłowodowej
SM – włókno jednomodowe
30
Rys. 6. Schemat blokowy transmisji sygnału interfejsów RS urządzeń dołowych w jednym włóknie światłowodowym
Rys. 7. Schemat blokowy transmisji danych z urządzeń dołowych w sieci Ethernet
5.3. Transmisja sygnału interfejsów RS
Niektóre sterowniki układów automatyki, czy cyfrowe zabezpieczenia w polach rozdzielń 6 kV są
wyposażone w interfejsy szeregowe do wymiany informacji z systemem wizualizacji. Transmisję danych
z portów szeregowych można zrealizować z wykorzystaniem multiplekserów łączy RS232/485 z wyjściem
światłowodowym (RS MUX). W dyspozytorni przez
zastosowanie serwerów portów szeregowych (Nport)
sygnały z interfejsów szeregowych urządzeń dołowych
są przykazywane po sieci komputerowej do serwerów
systemów wizualizacji (rys. 6).
Tak zrealizowany system transmisyjny jest przeźroczysty dla transmisji w łączu szeregowym. Zastosowany protokół transmisji w łączu szeregowym powinien zawierać mechanizmy kontroli poprawności
transmisji (np. protokół Modbus RTU). Omawiany
sposób transmisji przy zastosowaniu stacji ALFA
pozwala na transmisję danych z 8 interfejsów szeregowych w jednym włóknie światłowodowym.
W przypadku wielu urządzeń z interfejsem szeregowym RS mogą być zastosowane koncentratory.
5.4. Transmisja danych
w sieci Ethernet
ze
sterowników
Dane z dołowych sterowników są wprowadzane do
przełącznika Ethernet (switch) dołowej sieci komputerowej bezpośrednio (dla urządzeń z interfejsem
Ethernet) lub przez konwerter RS/Ethernet (dla urządzeń z interfejsem RS232/485), co pokazano na rysunku 7.
5.5. Transmisja danych w sieci szkieletowej
Zastosowanie światłowodowej sieci szkieletowej
zwiększa niezawodność transmisji. Sieć szkieletowa jest
zbudowana z zarządzalnych przełączników (switch)
i połączona liniami światłowodowymi o strukturze
pierścienia (rys. 8) lub o bardziej rozbudowanych strukturach. Uszkodzenie linii światłowodowej pomiędzy
przełącznikami sieci szkieletowej nie przerywa transmisji. Do przełączników sieci szkieletowej można dołączyć sterowniki urządzeń dołowych z interfejsami
Ethernet czy innymi (np. RS323/485) za pośrednictwem
stosownych konwerterów, a także kamery IP.
Rys. 8. Schemat blokowy transmisji danych z siecią szkieletową
31
Tabela 2
Charakterystyka sieci światłowodowych (Fo) w kopalniach JSW SA
Ilość kabli Fo
w szybach
Ilość
kamer
Długość
linii Fo
Liczba ścian
z dostępem
do sieci Fo
Borynia
2
13
ok. 20 km
4
Budryk
2
31
ok. 35 km
3
Jas-Mos
1
11
ok. 5 km
1
Krupiński
2
7
ok. 10 km
1
Pniówek
2
28
ok. 10 km
-
Zofiówka
3
19
ok. 20 km
2
Razem
12
109
100 km
12
Kopalnia
6. PRZYKŁADY WYKORZYSTANIA SIECI
ŚWIATŁOWODOWYCH W KOPALNIACH
W kopalniach sieci światłowodowe budowane są
najczęściej kablami jednomodowymi 96-włóknowymi. Instalacje zrealizowane jako sieci wielomodowe ograniczają bowiem jej zasięg działania. Sieć
światłowodowa na poziomy prowadzana jest już
dwoma szybami. W tabeli 2 przedstawiono przykładową charakterystykę sieci światłowodowych eksploatowanych w kopalniach JSW SA. Spółka ta posiada najbardziej rozbudowane sieci światłowodowe
w kopalniach węglowych [7].
Z tabeli 2 wynika, że najczęściej sieci światłowodowe wykorzystuje się do transmisji obrazów z kamer. W tabeli 3 przedstawiono lokalizacje kamer
w wyrobiskach na przykładzie kopalń JSW SA.
Tabela 3
Stan lokalizacja kamer telewizji przemysłowej
w wyrobiskach dołowych kopalń JSW SA
Lokalizacja kamer
Podszybia szybów
Dworce osobowe i materiałowe
Odstawa urobku
Załadunek, rozładunek skipu
Rozdzielnie dołowe
Pompownie główne
Razem (dół)
Razem
9
28
30
28
12
2
109
Systemy światłowodowe stwarzają nowe możliwości w zakresie szybkiej komunikacji z aparaturą po-
Monitoring rozdzielni głównej i odstawy, wizualizacja
załadunku skipu, pompowni i kombajnów ścianowych
(w trakcie realizacji).
Najbardziej rozbudowana sieć Fo w kopalniach JSW, sieć ta
jest rozprowadzona głównymi przekopami, jest doprowadzona do ścian na wszystkich poziomach.
Monitoring rozdzielni głównych poziomowych.
Monitoring odstawy głównej, sterowanie przenośnikami
z wykorzystaniem sieci światłowodowej, wizualizacja pracy
rozdzielń dołowych.
Wizualizacja pracy rozdzielń głównych poziomowych, na
wszystkich poziomach w kopalni wykonano sieć szkieletową
zgodnie z rys. 8. Światłowód łączy również szyby po powierzchni, sieć jest przygotowana do systemu identyfikacji osób.
Sieć doprowadzona jest do wszystkich rozdzielni rejonowych
oraz do stref zagrożonych tąpaniami, monitoring odstawy.
miarową i sterownikami przemysłowymi, a przede
wszystkim z urządzeniami zainstalowanymi w rozdzielniach elektroenergetycznych. Telewizja przemysłowa z wykorzystaniem kamer cyfrowych wielu
ważnych punktów technologicznych daje dodatkowe
możliwości w zakresie bezpiecznego sterowania
i nadzoru procesu technologicznego kopalni. Zapis
danych i obrazów ułatwia analizę zjawisk krytycznych, właściwą ich ocenę oraz podejmowanie prawidłowych decyzji.
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
7. WNIOSKI
Uwagi, zasadnicze zastosowanie
Miśkiewicz K., Wojaczek A.: Systemy radiokomunikacji z kablem
promieniującym w kopalniach podziemnych. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej. Gliwice, 2010.
PN-EN 60079-28:2007. Atmosfery wybuchowe - Część 28;
Ochrona sprzętu i systemów transmisji wykorzystujących promieniowanie optyczne.
Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 28.06.2002 r.
„w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu
oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego
w podziemnych zakładach górniczych”. Dz.U. z 2002 r. nr 139,
poz. 1169.
Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 30.04.2004 r. „w sprawie
dopuszczania wyrobów do stosowania w zakładach górniczych”.
Dz.U. z 2004 r. nr 99, poz. 1003.
Sobczyk J., Wojaczek A.: Monitorowanie maszyn i urządzeń
dołowych z wykorzystaniem systemu SMoK. Monografia pod
red. A. Dyczko i A. Wojaczka pt.: „Systemy telekomunikacyjne,
monitoring wizualizacja podziemnej eksploatacji złóż”. Wyd.
Fundacja dla AGH. Kraków 2011.
Timler M., Wojaczek A.: Światłowodowe systemy teletransmisyjne w układach monitorowania procesów technologicznych kopalń. Monografia pod red. A. Dyczko i A. Wojaczka pt.: „Systemy telekomunikacyjne, monitoring wizualizacja podziemnej eksploatacji złóż”. Wyd. Fundacja dla AGH. Kraków 2011.
Tor A., Dzierżęga J.: Znaczenie monitoringu oraz identyfikacji
pracowników dla poprawy bezpieczeństwa pracy i efektywności
produkcji w kopalniach JSW. Monografia pod red. A. Dyczko
i A. Wojaczka pt.: „Systemy telekomunikacyjne, monitoring wizualizacja podziemnej eksploatacji złóż”. Wyd. Fundacja dla
AGH. Kraków 2011.
dr inż. JOACHIM PIELOT
Wpływ zmian składu ziarnowego nadawy na efekty
wzbogacania węgla w układach osadzarek
W artykule przedstawiono analizy maksymalnej wartości produkcji w dziewięciu
różnych układach technologicznych osadzarek dwuproduktowych w przypadku węgla surowego trudno wzbogacalnego. Zilustrowany został wpływ zmian składu ziarnowego nadawy na jakość koncentratu oraz uzyskiwaną wartość produkcji w poszczególnych układach.
1. WSTĘP
Parametry produktów wzbogacania zależą od
wzbogacalności węgla surowego, konfiguracji układu
technologicznego przeróbki węgla i parametrów
rozdziału operacji przeróbczych. Porównanie efektów
wzbogacania węgla surowego w różnych układach
technologicznych, zwłaszcza porównanie wartości
produkcji o zadanej jakości pozwala określić jej przyrost względem wartości produkcji uzyskiwanej
z jednej osadzarki. Przyrost wartości produkcji może
być ekonomiczną przesłanką rozbudowy układu
wzbogacania.
W przedstawionych tutaj analizach do obliczeń
przyjęto charakterystyki węgla surowego trudno
wzbogacalnego. W tabeli 1 podana jest charakterystyka składu ziarnowego, a w tabeli 2 charakterystyka gęstościowo-jakościowa – taka sama w przypadku
wszystkich klas ziarnowych.
Tabela 1
Charakterystyka składu ziarnowego
nadawy węgla surowego
Numer
klasy
1
2
3
Wymiary
ziarn
[mm]
0,5 – 1
2 – 5
8 – 20
Udziały klas ziarnowych
nadawy
[%]
35
30
35
Tabela 2
Charakterystyka gęstościowo-jakościowa nadawy (0,5-20 mm)
Gęstość frakcji
Wychód frakcji
Zawartość popiołu
Zawartość siarki całkowitej
Wartość opałowa
[g/cm3]
[%]
[%]
[%]
[kJ/kg]
< 1,30
12,15
4,67
0,84
30 680
1,30 - 1,35
17,96
7,40
0,86
29 630
1,35 - 1,40
10,95
10,99
0,97
27 300
1,40 - 1,50
8,47
17,92
1,10
25 750
1,50 - 1,60
7,43
26,61
1,24
22 550
1,60 - 1,70
7,02
35,81
1,25
19 160
1,70 - 1,80
3,95
43,81
1,13
16 220
1,80 - 1,90
4,04
51,03
1,12
13 560
1,90 - 2,00
2,57
57,08
1,39
11 330
> 2,00
25,45
75,84
2,75
4 420
Razem
100,00
33,67
1,46
19 960
33
2. OPTYMALIZACJA
PRODUKCJI
RÓŻNEJ JAKOŚCI KONCENTRATU
W modelu osadzarki [4] dla trzech klas ziarnowych:
0,5-1 mm, 2-5 mm oraz 8-20 mm obowiązuje pięć
uogólnionych krzywych rozdziału, które przedstawione są na rysunku 1. Dwie pierwsze krzywe dotyczą
wzbogacania ziarn w klasie 0,5-1 mm (ważona wartość Ep = 0,177), kolejne dwie – w klasie 2-5 mm (ważona wartość Ep = 0,082), a ostatnia krzywa – w klasie
8-20 mm (Ep = 0,062). Kształt krzywych rozdziału
potwierdza zatem znany efekt łatwiejszego wzbogacania ziarn o większych wymiarach.
Prognozy wzbogacania dotyczą dziewięciu układów
technologicznych przedstawionych na rysunku 2.
W pierwszym układzie (1 os.) węgiel jest wzbogacany
w pojedynczej osadzarce, kolejne dwa (2 os. równ. I i 2
os. równ. II) to układy równoległego wzbogacania węgla w dwóch osadzarkach, które różnią się między sobą
wielkością otworów sita przesiewacza: w układzie 2 os.
równ. I w pierwszej osadzarce wzbogacane są ziarna
dwóch najdrobniejszych klas nadawy (1 i 2 w tabeli 1),
a w drugiej osadzarce ziarna największe (klasa 3), natomiast w układzie 2 os. równ. II w pierwszej osadzarce
wzbogacane są ziarna najdrobniejszej klasy nadawy (1),
a w osadzarce drugiej dwie pozostałe klasy (2 i 3).
W czwartym układzie (3 os. równ.) ziarna każdej klasy
nadawy są oddzielnie wzbogacane w trzech równoległych osadzarkach. Układ 2 os. wt. K jest układem
z wtórnym wzbogacaniem koncentratu przejściowego.
W dwóch następnych układach wykorzystane jest selektywne, wtórne wzbogacanie koncentratu przejściowego,
uzyskiwanego ze wzbogacania ziarn dwóch najdrobniejszych klas nadawy (2 os. wt. s. K I) albo dwóch
najgrubszych klas nadawy (2 os. wt. s. K II). W dwóch
ostatnich układach zastosowana jest recyrkulacja produktu pośredniego.
W obliczeniach optymalizacyjnych wykorzystano
algorytm maksymalizacji produkcji o zadanej jakości
[2]. Do obliczania wartości produkcji wykorzystana
została 4. wersja formuły sprzedażnej z 2002 roku [1].
Wartość produkcji (WP), która jest funkcją celu algorytmu maksymalizacji, określona jest w kolejnych
układach z rysunku 2 jedną z zależności:
WPi ( os1 )  M Ki ( os1 )  C Ki ( os1 )
WPi ( os1 ,  os1 ,  os 3 ) 
(1c)
M Ki ( os1 ,  os1 ,  os 3 )  C Ki ( os1 ,  os1 ,  os 3 )
Poszukiwane jest więc maksimum funkcji WPi
(max WPi) przy ograniczeniu równościowym zawartości popiołu w koncentracie końcowym:
AK = AKi
Liczba rozdziału
0,6
0,4
Klasy
ziarnow e
mm
0,2
0,0
1,2
(2)
przy kolejnych wartościach AKi zadawanych z krokiem 1%,
gdzie:
 os1 ,  os2 ,  os3 – gęstości rozdziału w osadzarkach
[g/cm3],
MK – masa koncentratu [Mg],
CK – cena jednostkowa koncentratu obl. z formuły
sprzedażnej [zł/Mg].
0,8
1,0
(1a)
WPi ( os1 ,  os 2 )  M Ki ( os1 ,  os 2 )  C Ki ( os1 ,  os 2 )
(1b)
1,0
0,8
PRZY
1,4
1,6
Zredukowana gęstość rozdziału
1,8
2,0
0,5-1 (1)
0,5-1 (2)
2-5 (1)
2-5 (2)
8-20
Rys. 1. Wybrane uogólnione krzywe rozdziału osadzarki dwuproduktowej
34
Nadawa
0,5-20 mm
osadzarka 2
os2
Koncentrat
d T1
os1
os1
Nadawa
0,5-20 mm
1 os.
Koncentrat
osadzarka 1
2 os. równ. I d T1 = 8 mm
2 os. równ. II d T1 = 2 mm
Odpady
Nadawa
0,5-20 mm
Odpady
osadzarka 3
os3
d T1 = 8 mm
osadzarka 2
os2
Koncentrat
d T2 = 2 mm
os1
Nadawa
0,5-20 mm
os1
os2
Koncentrat
osadzarka 1
osadzarka 1
3 os. równ.
Nadawa
0,5-20 mm
osadzarka 2
2 os. wt. K
Odpady
Odpady
osadzarka 2
os2
Koncentrat
d T1 = 8 mm
os1
Nadawa
0,5-20 mm
osadzarka 1
os1
os2
Koncentrat
osadzarka 1
osadzarka 2
d T1 = 2 mm
2 os. wt. s. K I
Odpady
Odpady
2 os. wt. s. K II
Koncentrat
Nadawa
0,5-20 mm
os1
Nadawa
0,5-20 mm
os2
os1
os2
Koncentrat
osadzarka 1
osadzarka 1
2 os. rec. KO
osadzarka 2
osadzarka 2
Odpady
2 os. rec. O K
Odpady
Rys. 2. Schematy rozpatrywanych układów technologicznych
Na rysunku 3 przedstawiono uzyskane wyniki
względnej, maksymalnej wartości produkcji, uzyskanej przy różnych zadanych zawartościach popiołu
w koncentracie końcowym. Każdy punkt na tych
wykresach uzyskany został przy każdorazowo optymalnych gęstościach rozdziału. Jako poziom odnie-
sienia przyjęta została maksymalna wartość produkcji
(traktowana jako 100%), uzyskiwana w układzie
z pojedynczą osadzarką. Kształt krzywych maksymalnej wartości produkcji ilustruje charakter układów technologicznych, które są nieliniowymi obiektami ekstremalnymi.
35
Wartość produkcji w układach z osadzarkami jest
zawsze większa niż w przypadku pojedynczej osadzarki przy tej samej zawartości popiołu w koncentracie. Przyrost wartości produkcji jest szczególnie
istotny w trzech układach: 2 os. wt. K, 2 os. wt. s. K I
oraz 2 os. rec. KO. Ze wstępnych szacunków kosztów wzbogacania wynika, że nawet w układach
wzbogacania równoległego przyrost wartości produkcji rekompensuje z nadwyżką koszty eksploatacyjne osadzarek. W przypadku więc, gdy w zakładzie
wzbogacania znajdują się dwie (trzy) osadzarki, to
celowym działaniem jest odpowiednie ich wykorzya)
stanie. Szczegółowych analiz wymaga rozstrzygnięcie kwestii, czy w odpowiednio krótkim czasie możliwe jest zrekompensowanie kosztów inwestycyjnych
zakupu i instalacji nowej osadzarki – nadmienić należy, że może to być z reguły osadzarka o mniejszej
wydajności, gdyż kierowana do niej byłaby mniejsza
ilość materiału do wzbogacania. Oczywiste wydaje
się również wzbogacanie w układzie równoległym
z rozdzielaniem klas ziarnowych, w przypadku gdy
jedna osadzarka ma zbyt małą wydajność w stosunku
do ilości węgla surowego.
100
Względna wartość produkcji, %
90
80
70
60
50
40
30
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
Zadana zawartość popiołu w koncentracie, %
1
2
2
3
2
2
2
2
2
os.
os.
os.
os.
os.
os.
os.
os.
os.
równ. I
równ. II
równ.
wt. K
wt. s. K I
wt. s. K II
rec. KO
rec. OK
1
2
2
3
2
2
2
2
2
os.
os.
os.
os.
os.
os.
os.
os.
os.
równ. I
równ. II
równ.
wt. K
wt. s. K I
wt. s. K II
rec. KO
rec. OK
b)
100
90
80
70
60
50
40
30
8
9
10
11
12
13
Zadana zawartość popiołu w koncentracie, %
14
Rys. 3. Maksymalna, względna wartość produkcji koncentratu końcowego w różnych układach:
a) dla całego możliwego do uzyskania zakresu zawartości popiołu,
b) dla zawężonego zakresu zawartości popiołu
36
Układ technologiczny to obiekt ekstremalny, więc
możliwy jest dobór optymalnego punktu pracy.
Optymalna jakość koncentratu, wynikająca z określonej wzbogacalności węgla surowego i zastosowanego układu technologicznego, powinna być znana
osobom zawierającym kontrakty handlowe. Zawartość popiołu w ramach kontraktów powinna jak najmniej odbiegać od optymalnej. W przypadku małej,
wymaganej zawartości popiołu opłacalne jest (przynajmniej w kwestii zrekompensowania kosztów eksploatacyjnych) stosowanie układów dwóch (lub
trzech) osadzarek. W przypadku wymaganej, gorszej
od optymalnej jakości koncentratu stosowanie więcej
niż jednej osadzarki nie jest celowe, gdyż wzrost
wartości produkcji jest nieznaczny.
Połączenie obydwu nadaw N1 i N2 w proporcjach
50% daje w efekcie tę samą charakterystykę składu
ziarnowego jak w tabeli 1. Można więc powiedzieć,
że wszystkie wyżej przedstawione wyniki obliczeń
dotyczą takiego właśnie przypadku – łączenia obydwu nadaw N1 i N2 w identycznych proporcjach.
W obliczeniach, których wyniki zostały niżej
podane, całkowita masa obydwu nadaw pozostawała
zawsze bez zmian, zmieniały się jedynie proporcje
ilościowe nadaw N1 i N2 w zakresach od 0:100%
do 100:0%. Wzrost udziału nadawy N1 (przy jednoczesnym zmniejszaniu się udziału nadawy N2)
oznacza większą ilość ziarn największych (klasa 3)
wzbogacanych dokładniej (z mniejszą niedokładnością Ep). Oznacza jednocześnie mniejszą ilość ziarn
najdrobniejszych (klasa 1), wzbogacanych z większą niedokładnością. Udział ziarn pośrednich (klasa
2) pozostawał każdorazowo niezmienny. Przy wzroście udziału nadawy N1 – i jednoczesnym zmniejszaniu się udziału nadawy N2 – można więc mówić
o poprawie składu ziarnowego nadawy, w sensie
poprawy dokładności wzbogacania. W dalszym
ciągu pod pojęciem zmian składu ziarnowego rozumiane są tak określone zmiany wzajemnych udziałów nadaw N1 i N2.
W obliczeniach do poprzedniego punktu wyznaczone zostały optymalne gęstości rozdziału w osadzarkach w poszczególnych układach wzbogacania
z rys. 2, zapewniające uzyskanie zadanej jakości
koncentratu końcowego, w warunkach niezmiennego
składu ziarnowego (uzyskane wartości produkcji są
przedstawione na rys. 3). Poniżej zostały rozpatrzone
tylko dwa przypadki zadanej jakości koncentratu
końcowego. Założono mianowicie, że zawartość
popiołu ma być:
 mniejsza od optymalnej (AK = 13%),
 optymalna (różna w poszczególnych układach, od
19,7% do 21,4%).
Na rysunkach 4 i 5 pokazany jest wpływ zmian
udziału nadaw N1 i N2 na zawartość popiołu
w koncentracie oraz wartości produkcji. Wszystkie
punkty przy równych udziałach obu nadaw (50%)
dotyczą sytuacji wyjściowej, przy wyznaczonych
wcześniej – w pkt. 2 – optymalnych gęstościach
rozdziału. Punkty położone na lewo dotyczą gorszego, a na prawo lepszego składu ziarnowego –
w sensie wyżej określonym.
Zawartość popiołu w koncentracie końcowym przy
zmianach proporcji nadaw N1 i N2 w przypadku
AKzad = 13% zmienia się najmniej (rys. 4a) w trzech
wymienionych w pkt.1. układach (na rys. 3-5 nazwy
tych układów są podkreślone), w których osiągana
jest największa wartość produkcji, a najbardziej
w układach 1 os., 2 os. wt. s. K II oraz 2 os. rec. OK.
3. WZBOGACANIE PRZY STAŁYCH GĘSTOŚCIACH ROZDZIAŁU I ZMIENNYM SKŁADZIE ZIARNOWYM WĘGLA SUROWEGO
Wzbogacalność, skład ziarnowy i natężenie przepływu węgla surowego charakteryzują się pewną
zmiennością, która wynika z różnych przyczyn. Jeśli
nadawa do zakładu przeróbki węgla gromadzona jest
w zbiorniku buforowym, wtedy następuje pewne
uśrednianie parametrów jakościowych, ale przede
wszystkim można ustabilizować natężenie przepływu. Wpływ zmian wzbogacalności na efekty wzbogacania był podejmowany w różnych publikacjach –
tutaj podane są prognozy wpływu zmian jedynie
składu ziarnowego, przy założeniu niezmiennych
charakterystyk wzbogacalności i stałego natężenia
przepływu [5, 6].
W celu prześledzenia wpływu zmian udziałów poszczególnych klas ziarnowych w węglu surowym
nadawa została rozdzielona na dwie nadawy N1 oraz
N2 o różnym składzie ziarnowym, co przedstawione
jest w tabeli 3, ale takiej samej charakterystyce gęstościowo-jakościowej (tabela 2). Można założyć, że
obie nadawy są mieszane, ale znajdują się w osobnych zbiornikach i mogą być zadawane w różnych
wzajemnych proporcjach i ze stałym natężeniem
przepływu wypadkowej nadawy.
Tabela 3
Charakterystyka składu ziarnowego nadaw
N1 oraz N2
Numer
klasy
1
2
3
Wymiary
ziarn
[mm]
0,5 – 1
2 – 5
8 – 20
Udziały klas
Nadawa N1
0
30
70
Nadawa N2
70
30
0
37
a)
16
Zawartość popiołu w koncentracie,
%
15
14
13
12
11
10
9
0
20
40
60
Udział nadawy N1,
80
100
1
2
2
3
2
2
2
2
2
os.
os.
os.
os.
os.
os.
os.
os.
os.
równ. I
równ. II
równ.
wt. K
wt. s. K I
wt. s. K II
rec. KO
rec. OK
1
2
2
3
2
2
2
2
2
os.
os.
os.
os.
os.
os.
os.
os.
os.
równ. I
równ. II
równ.
wt. K
wt. s. K I
wt. s. K II
rec. KO
rec. OK
%
b)
25
Zawartość popiołu w koncentracie, %
24
23
22
21
20
19
18
17
0
20
40
60
Udział nadawy N1, %
80
100
Rys. 4. Zawartość popiołu w koncentracie w układach z rysunku 2
przy różnych proporcjach nadaw N1 i N2:
a) Azad = 13%, b) Azad = Aopt
38
a)
96
94
Względna wartość produkcji,
%
92
90
88
86
84
82
80
78
0
20
40
60
Udział nadawy N1,
80
100
1
2
2
3
2
2
2
2
2
os.
os.
os.
os.
os.
os.
os.
os.
os.
1
2
2
3
2
2
2
2
2
os.
os.
os.
os.
os.
os.
os.
os.
os.
równ. I
równ. II
równ.
wt. K
wt. s. K I
wt. s. K II
rec. KO
rec. OK
%
b)
103
102
101
100
99
0
20
40
60
Udział nadawy N1, %
80
100
Rys. 5. Wartość produkcji koncentratu w układach z rysunku 2
przy różnych proporcjach nadaw N1 i N2:
a) Azad = 13%, b) Azad = Aopt
równ. I
równ. II
równ.
wt. K
wt. s. K I
wt. s. K II
rec. KO
rec. OK
Podobnie w przypadku optymalnych zadanych
(przy 50% udziałach obydwu nadaw) zawartości
popiołu w koncentracie z każdego układu, przy
zmianach proporcji nadaw N1 i N2 zawartość popiołu zmienia się najbardziej (rys. 4b) w tych samych
trzech układach jak przy AKzad = 13% oraz w układzie
2 os. rec. KO. W najmniejszym stopniu zmienia się
zawartość popiołu w układach 3 os. równ. oraz 2 os.
wt. s. K I.
Na rysunku 5 przedstawione są zmiany wartości
produkcji, obliczonej według zależności (1a–1c).
Zmiany zawartości popiołu (oraz wartości opałowej i zawartości siarki) zostały uwzględnione tylko
przy wyznaczaniu ceny jednostkowej koncentratu
z formuły sprzedażnej. Nie rozpatrywano przypadków płacenia ewentualnych kar umownych, wskutek gorszej jakości koncentratu od zakontraktowanej lub strat finansowych, wynikających ze stałej
kontraktowej ceny koncentratu w przypadku lepszej jego jakości.
Z rysunku 5 wynika, że poprawa składu ziarnowego w przypadku optymalnych zadanych zawartości
popiołu w koncentracie z każdego układu skutkuje
zawsze wzrostem wartości produkcji (rys. 5b).
W przypadku AKzad = 13% (rys. 5a) wzrost wartości
produkcji przy poprawie składu ziarnowego ma miejsce tylko w układzie z trzema równoległymi osadzarkami 3 os. równ., we wszystkich pozostałych układach wartość produkcji się zmniejsza – minimalnie
w układach z dwiema równoległymi osadzarkami
2 os. równ.I i 2 os. równ.II, a w największym stopniu
w układach 2 os. rec. OK., 1 os., oraz 2 os. wt. s. K II.
Ten bardzo niekorzystny efekt wynika z tego, że przy
dobrej jakości koncentratu gęstości rozdziału są
względnie małe – wzrost cen koncentratu, wynikający z poprawy jego jakości (rys. 4a), nie rekompensuje zmniejszania się jego wychodu [6].
4. WNIOSKI
Procesy wzbogacania mają decydujący wpływ na
zbyt produktów handlowych. Ważnym zagadnieniem
jest uzyskiwanie maksymalnej wartości produkcji
z węgla surowego przy różnych kontraktach handlowych. Istotne jest więc poszukiwanie nowych sposobów zwiększenia wartości produkcji.
W układach osadzarek możliwe jest uzyskanie
mniejszej zadanej zawartości popiołu w koncentracie
niż w przypadku pojedynczej osadzarki (rys. 3). Jest
to szczególnie wyraźne w trzech układach: 2 os. wt.
K, 2 os. wt. s. K I oraz 2 os. rec. KO (na rys. 3-5
nazwy tych układów są podkreślone).
39
Przy tej samej zadanej zawartości popiołu w koncentracie z grupy dwóch osadzarek w tych trzech
układach: 2 os. wt. K, 2 os. wt. s. K I oraz 2 os. rec.
KO możliwe jest uzyskanie znacząco większej wartości produkcji niż w przypadku pojedynczej osadzarki
– szczególnie w przypadku małej zadanej zawartości
popiołu.
Poprawa składu ziarnowego w przypadku optymalnych zadanych zawartości popiołu w koncentracie
skutkuje wzrostem wartości produkcji (rys. 5b) we
wszystkich układach. W przypadku lepszej zadanej
jakości koncentratu wartość produkcji może się
zmniejszać [6].
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Blaschke W., Grudziński Z., Lorenz U.: Koncepcja formuły
sprzedażnej węgla kamiennego energetycznego przeznaczonego
dla energetyki zawodowej. Inżynieria mineralna, z. spec. 3 (10)
2003, str. 185-193.
Cierpisz S., Pielot J.: Symulacyjne statyczne modele procesów
i układów sterowania w zakładach wzbogacania węgla. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej. Monografia nr 28. Gliwice 2001.
Głowiak S.: Wpływ składu ziarnowego nadawy na skuteczność
wzbogacania w osadzarce. XV APPK, Szczyrk, 2–4 czerwca
2009, s. 37-50.
Goodman F., McCreery J.: Coal Preparation Computer Model.
Vol.I. U.S. Environmental Protection Agency, Washigton 1980.
Pielot J.: Analiza maksymalnej wartości produkcji przy wzbogacaniu różnych klas ziarnowych węgla energetycznego w osadzarkach. Kwartalnik Górnictwo i Geoinżynieria, z. 4/1. Kraków
2010, s. 217-230.
Pielot J.: Wielokryterialna optymalizacja produkcji układów
technologicznych grup wzbogacalników grawitacyjnych. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej. Monografia nr 306. Gliwice
2011.
Yagun H., Shan L., Maixi L.: A Profit–Oriented Expert System for
Coal Washery Optimization. Coal Preparation 2002, 22, p. 93–
107.
Recenzent: prof dr hab. inż. Stanisław Cierpisz
dr inż. ADAM HEYDUK
dr inż. HENRYK KLETA
Politechnika Śląska, Katedra Geomechaniki, Budownictwa Podziemnego i Zarządzania Ochroną Powierzchni
Metody wstępnego przetwarzania obrazu
w wizyjnym systemie monitoringu
stanu technicznego obudowy szybowej
W artykule opisano wybrane metody przetwarzania obrazu wykorzystywane w opracowywanym systemie wizyjnego monitoringu stanu technicznego obudowy szybowej.
Przedstawiono ilościowe zależności między rozmiarami obiektu rzeczywistego a wielkością obrazu na przetworniku kamery cyfrowej. Opisano sposób homomorficznej korekcji
niejednorodności oświetlenia oraz metody filtracji spękań i zarysowań stosowane do obrazów obudowy szybowej. Wyniki mogą zostać wykorzystane do tworzenia tzw. rzeczywistości rozszerzonej w istotny sposób ułatwiającej człowiekowi analizę sytuacji i podejmowanie decyzji.
1. WPROWADZENIE
Szyby są podstawowymi wyrobiskami udostępniającymi złoże w kopalniach głębinowych i stanowią
podstawowe połączenie podziemi zakładu górniczego z powierzchnią, służące przez cały czas jego
pracy do:
 transportu ludzi, urobku i materiałów,
 doprowadzenia świeżego powietrza do wyrobisk
podziemnych i odprowadzenia powietrza zużytego,
 prowadzenia rurociągów powietrznych, wodnych
i podsadzkowych,
 prowadzenia kabli oraz przewodów elektrycznych,
sygnalizacyjnych, telefonicznych itp.
Z uwagi na realizację powyższych funkcji, o fundamentalnym znaczeniu dla ruchu zakładu górniczego, podstawowymi wymaganiami dotyczącymi szybów kopalń głębinowych są [6]:
 niezawodność pracy od chwili uruchomienia do
czasu likwidacji – czasem nawet przez kilkadziesiąt
lub więcej lat,
 absolutne bezpieczeństwo ludzi obsługujących szyb
i w nim transportowanych.
Stan obudowy szybowej ulega ciągłym, niekorzystnym zmianom. Podlegają one procesowi starzenia, są
eksploatowane przez bardzo długi czas, w trudnych
warunkach geologicznych, hydrogeologicznych (czę-
sto w kontakcie z zasoloną wodą), podlegają oddziaływaniu górotworu, zmianom termicznym, wstrząsom
dynamicznym wywołanym szybkim ruchem naczyń
szybowych. Według [2] zagrożenia dla obudowy szybowej stanowią następujące czynniki:
 warunki geologiczne i hydrogeologiczne – możliwość wdarcia się do szybu wody lub kurzawki
(wody z luźnym materiałem), występowanie poziomów wodonośnych z agresywną, zasoloną
wodą,
 oddziaływanie górotworu – ciśnienie górotworu
niekorzystnie oddziałujące na obudowę – znajomość wartości ciśnienia oraz aktualnego stanu
i wytrzymałości obudowy są podstawą określenia
tzw. współczynnika bezpieczeństwa, który decyduje o stanie zagrożenia dla szybu,
 zmiany termiczne – znaczne różnice temperatur
sezonowych, zwłaszcza w szybach wdechowych,
 drgania szybowe – wywoływane pracą różnych
maszyn na nadszybiu lub w bliskiej odległości od
szybu (przy szybkim przejeździe naczyń szybowych, zwłaszcza obciążonych, występują krótkotrwałe, lecz duże obciążenia dynamiczne).
Powyżej wymienione czynniki są główną przyczyną tego, że stan obudowy szybowej ulega ciągłym
niekorzystnym zmianom, którym – w celu zachowania bezpieczeństwa ruchu – trzeba skutecznie przeciwdziałać. Warunkiem takiego przeciwdziałania jest
41
Rys. 1. Schemat układu optycznego i oznaczenia parametrów decydujących
o wielkości obrazu obiektu rzeczywistego
odpowiednio wczesne wykrycie symptomów narastających uszkodzeń, określenie fragmentów obudowy
podlegających największym wytężeniom i podjęcie
odpowiednich środków zaradczych. W przypadku,
gdy szyb pełni funkcję, np. studni głębinowej w obszarach zlikwidowanych kopalń lub zły stan obudowy szybu uniemożliwia użycie wyciągu rewizyjnego,
o stanie obudowy można wnioskować jedynie na
podstawie oceny obrazu – filmu uzyskanego
z rejestracji za pomocą kamer opuszczonych do szybu. W tym przypadku ocena stanu technicznego
i bezpieczeństwa szybu jest oceną subiektywną, zależną praktycznie od percepcji i doświadczenia osoby
oceniającej taki materiał. W tych warunkach ocena
stanu obudowy szybu może być wykonana za pomocą metody komputerowego przetwarzania i cyfrowej
analizy obrazu powierzchni obmurza szybowego,
uwzględniającej rozkład i obraz uszkodzeń obudowy
wraz z numeryczną identyfikacją stanu wytężenia
obudowy szybu. Zastosowanie metod komputerowego przetwarzania i analizy obrazu w celu identyfikacji uszkodzeń obudowy szybu jest celowe, z uwagi na
następujące czynniki [4, 5]:
 ograniczone możliwości percepcyjne człowieka
przy analizie długich sekwencji obrazów,
 automatyzację porównywania filmów zarejestrowanych w dłuższych odstępach czasu,
 możliwość sformułowania obiektywnych ilościowych kryteriów oceny stanu obmurza na podstawie
informacji wizyjnej,
 niezbyt dużą czytelność obrazu związaną z zapyleniem i zawartością pary wodnej w powietrzu.
2. ZALEŻNOŚCI MIĘDZY ROZMIARAMI
OBIEKTÓW I ICH OBRAZÓW
A PARAMETRAMI UKŁADU OPTYCZNEGO
Ilość informacji obrazowej, zawartej w jednej ramce, zależy od rozdzielczości przetwornika kamery
oraz od wymaganego poziomu detekcji szczegółów
(np. minimalna szerokość wykrywanego zarysowania). Te czynniki decydują o doborze ogniskowej
obiektywu (a zatem i o kącie widzenia kamery – czyli
również o liczbie ramek niezbędnych do oceny całej
analizowanej powierzchni obmurza szybowego).
Podstawowym warunkiem efektywnego zastosowania metod fotogrametrycznych w diagnostyce stanu
technicznego jest możliwość odwzorowania rzeczywistych wymiarów obiektów na podstawie wymiarów ich obrazów. Odwzorowanie to uzależnione jest
od wielu czynników:
 położenia obserwowanego obiektu,
 parametrów układu optycznego (obiektywu),
 rozmiarów i rozdzielczości przetwornika (matrycy
CCD) kamery.
Schematycznie przedstawiono to na rysunku 1.
Opisując uproszczony (przez pominiecie grubości
soczewek, jako nieznacznej w porównaniu z innymi
odległościami występującymi na schemacie) układ
optyczny przedstawiony na rysunku 1 równaniem
Gaussa [1]:
1 1 1
 
f b g
(1)
42
oraz zależności między wielkością obiektu rzeczywistego Hrz i wielkością jego obrazu Hob jako H ob  b
Wartość współczynnika przeliczeniowego Cp zależy więc bezpośrednio jedynie od parametrów konstrukcyjnych przetwornika CCD (wysokości HCCD
oraz rozdzielczości NCCD w tym samym kierunku)
oraz od ogniskowej obiektywu f i od odległości
obiektywu od obserwowanego obiektu g.
Ponieważ producenci kamer podają zwykle jedynie
wymiar liniowy przekątnej matrycy przetwornika
DCCD oraz rozdzielczość w pionie NH i w poziomie
NW to wzór można zapisać w nieco dogodniejszej pod
tym względem postaci:
H rz
g
czyli b  g  H ob uzyskuje się:
H rz

H rz
1
1 1H

   rz  1
f g  H ob g g  H ob 
(2)
czyli
f 
g
H
1  rz
H ob
(3)
Cp 
W praktyce jednak niezbędna jest znajomość wartości współczynnika Cp pozwalającego w prosty sposób przeliczyć rozmiary obrazu Np wyrażone w pikselach na rzeczywisty rozmiar obiektu Hrz wyrażony
w jednostkach długości:
H rz  C p  N p
Cp 
Cp 
H rz
Np
(5)
2
H
 1000  25.4 19

 1 
 0.24
2011

1608  1208  50
25.4
2
2
Zatem np. obrazowi rzeczywistego spękania o szerokości Hrz = 2 mm będzie odpowiadało w tym układzie optycznym ok. 8 pikseli N  H rz  8 , a pole
pix
Ponieważ zgodnie z (3):
g 
H rz  H ob    1
f

(10)
2
W
Dla kamery Basler piA 1600-35gc o rozdzielczości
NHNW równej 16081208 pikseli i przekątnej
DCCD matrycy CCD równej 1’’ = 25,4 mm wyposażonej w obiektyw o ogniskowej f = 50 mm rejestrującej obraz z odległości g = 1000 mm wartość wpółczynnika Cp będzie równa:
(4)
współczynnik Cp może być więc zdefiniowany jako:
g 
  1
N N  f

DCCD
Cp
widzenia kamery będzie wówczas obejmowało obszar 386290 mm.
(6)
3. HOMOMORFICZNA KOREKCJA NIEJEDNORODNOŚCI OŚWIETLENIA
to
g 
H ob   1
 f

Cp 
Np
(7)
Ponieważ jednak rzeczywisty rozmiar obiektu Hob
na matrycy przetwornika CCD nie jest bezpośrednio
znany, to znając liczbę pikseli Np można go wyznaczyć jako:
H ob  N p
H CCD
NCCD
(8)
czyli
Cp 
H CCD  g 
  1
NCCD  f

(9)
Akwizycja obrazu (czyli proces jego pozyskania
w układzie optycznym i przetworzenia na postać
cyfrową dogodną do dalszej analizy) jest jedynie
pierwszym (wstępnym) etapem oceny całego złożonego procesu oceny stanu technicznego obudowy
szybowej.
Jednym z istotnych czynników utrudniających
wzrokową lub komputerową analizę obrazów obudowy szybowej jest nierównomierność oświetlenia
oraz występujące odblaski (np. elementów pokrytych
warstwą wody). Pierwszym etapem przetwarzania
obrazu, warunkującym prawidłowy przebieg dalszej
analizy powinna więc stać się wstępna korekcja jakości tego obrazu. Obraz obserwowanej powierzchni
I(x,y) można opisać jako wynik działania trzech
czynników schematycznie przedstawionych na rysunku 2:
43
Rys. 2. Schemat wpływu oświetlenia na proces formowania obrazu na przetworniku kamery
charakterystyki źródła światła L(x,y) zależnej od jego
parametrów oraz odległości położenia kątowego,
 charakterystyki obserwowanego fragmentu powierzchni R(x,y) zależnej od materiału, tekstury,
koloru,
 kąta nachylenia w stosunku do padającego światła
i osi układu optycznego.
Można to w przybliżeniu opisać zależnością:

I ( x, y)  K ( x, y)  L( x, y)  R( x, y)
(11)
Logarytmując punktowo każdy piksel obrazu uzyskuje się zależność:
Ln  I ( x, y)  Ln  K ( x, y)  Ln  L( x, y)  Ln  R( x, y) 
(12)
Logarytmowanie sygnału wejściowego przekształca punktowe mnożenie składowych sygnału na ich
punktowe sumowanie. Zsumowane sygnały mogą
być następnie rozdzielone przez filtrację liniową
i delogarytmowane w celu uzyskania obrazu skorygowanego. Takie przekształcenie określane jest mianem przekształcenia homomorficznego (czyli zachowującego kształt). Ponieważ wyszukiwane fragmenty
R(x,y) charakteryzują się znacznie mniejszymi rozmiarami niż obszary zmienności oświetlenia L(x,y),
czy też występujące w układzie optycznym zjawisko
winietowania K(x,y), więc wynikiem filtracji dolnoprzepustowej będzie właśnie uśredniony obraz opisujący niejednorodność oświetlenia na analizowanym
obszarze. Po odjęciu tego obrazu od logarytmu obrazu uśrednionego i zdelogarytmowaniu jasności każdego piksela uzyskuje się obraz różnicowy ze skorygowanym oświetleniem. Schemat algorytmu przedstawiono na rysunku 3, a przykładowe wyniki na
rysunku 4.
Rys. 3. Schemat podstawowych operacji przy przetwarzaniu homomorficznym
44
a)
b)
c)
d)
1
0.5
0
0
500
1000
1500
2000
2500
0
500
1000
1500
2000
2500
0
500
1000
1500
2000
2500
1
0.5
0
1.5
1
0.5
0
Rys. 4. Przykład homomorficznej filtracji nierównomierności oświetlenia
a) obraz wejściowy,
b) uśredniony obraz odwzorowujący nierównomierność oświetlenia,
c) wynik filtracji homomorficznej,
d) przykładowe profile jednej linii obrazu (odpowiednio od góry:
oryginalny, uśredniony i skorygowany)
4. SEGMENTACJA OBRAZU
Segmentacja obrazu (sceny) polega na podziale obrazu na rozłączne (bo dany punkt w przestrzeni,
a zatem i piksel na obrazie może należeć tylko do
jednego obiektu) obszary o określonych cechach.
W szczególnym, chociaż często występujących (np.
w zastosowaniach diagnostycznych) przypadku segmentacja ma na celu wydzielenie z tła tych struktur,
które będą podlegały dalszej analizie. Jest to więc,
z tego względu, najbardziej krytyczny fragment całego
procesu analizy obrazu, warunkujący w dalszych etapach jego poprawne działanie i użyteczność uzyskiwanych wyników pomiarowych. Obiektem stają się w
tym najprostszym przypadku części obrazu, przyjmujące wartość logiczną równą jeden, natomiast tłem
pozostałe obszary przyjmujące wartość logiczną równą
zero. W wyniku segmentacji uzyskuje się wówczas
obraz binarny. W przypadku ogólniejszym, gdy
w opisie sceny wyróżnia się kilka klas poszukiwanych
obiektów można tym klasom przypisać odpowiednie
numery (etykiety). Wówczas tłem stają się piksele
o wartości zerowej, natomiast wszystkie piksele
o wartościach różnych od zera (z jakiegoś skończonego zbioru etykiet) opisują poszczególne klasy poszukiwanych obiektów (symptomów diagnostycznych).
Metoda segmentacji powinna być dostosowana do
rodzaju obrazu, oczekiwanego efektu (czyli struktur,
które chce się wydzielić) oraz możliwości dalszego
przetwarzania obrazu binarnego. Istnieje bardzo wiele
metod segmentacji, prowadzących często do mocno
zróżnicowanych rezultatów dla takiego samego obrazu
wejściowego. Efekty różnych sposobów segmentacji
można ze sobą łączyć, wykorzystując maskowanie
i operacje logiczne na obrazach binarnych.
5. DETEKCJA KRAWĘDZI SPĘKAŃ
Po wstępnym wyrównaniu niejednorodności oświetlenia można przystąpić do detekcji spękań, zarysowań,
wycieków itp. symptomów świadczących o uszkodzeniu konstrukcji. Detekcja ta powinna zostać zakończona
procesem binaryzacji (progowania), gdyż na obrazach
binarnych (dwuwartościowych) można jednoznacznie
określić granice poszczególnych obiektów i dokonać
ilościowego opisu ich parametrów geometrycznych.
Metoda detekcji uszkodzeń powinna charakteryzować
się wysoką selektywnością ze względu na złożoność
opisywanej powierzchni, np. powinna reagować na
spękania jednorodnej powierzchni, a nie powinna reagować na zewnętrzne lub wewnętrzne krawędzie tej
powierzchni, związane z jej kształtem i strukturą przestrzenną np. w rejonie wlotów szybowych, czy jakimiś
dodatkowymi elementami np. zbrojeniem szybu. Stąd
też celowe jest poszukiwanie metod bardziej selektywnych, dopasowanych do charakteru poszukiwanych
symptomów. Ponieważ spękania betonu mają ze swej
45
istoty charakter liniowy (choć z rozgałęzieniami i załamaniami) to możliwy jest ich opis w postaci ciągu połączonych ze sobą odcinków linii (ciemniejszych od otoczenia), charakteryzujących się zróżnicowaną długością
i szerokością. Ze względu na fakt, że wnętrze spękania
umieszczone jest głębiej od otaczającej go powierzchni,
na obrazie pojawi się w postaci linii ciemniejszej od tła
występującego po obu stronach zarysowania.
Ze względu na specyficzny kształt spękań i zarysowań i zróżnicowanie ich oświetlenia, trudne jest
zastosowanie metody bezpośredniego progowania
(binaryzacji). Progowanie takie jest operacją lokalną
(bezkontekstową) choć może charakteryzować się
lokalnie adaptacyjnie ustawianą wartością progu.
Ponieważ profil jasności obszaru spękania ma kształt
w przybliżeniu podobny do odwróconej krzywej
Gaussa, można tę zależność wykorzystać do syntezy
filtru wydzielającego spękania z powierzchni obrazu.
Lokalna odpowiedź filtru, czyli wynik splotu odpowiedniego fragmentu obrazu z maską (zbiorem
współczynników) filtru będzie osiągała wartość tym
wyższą, im bardziej lokalny kształt profilu spękania
będzie bardziej zbliżony do kształtu maski filtru.
Ogólny opis profilu spękania I(x), gdzie I oznacza
jasność (intensywność) poszczególnych pikseli obrazu, x – odległość mierzoną w kierunku prostopadłym
do osi spękania, a x0 położenie osi profilu można
aproksymować wzorem:
 x  x0 


2

I ( x  x0 )  I 0 1  k  e 2


2




(13)
Poszczególne parametry występujące we wzorze
(13) przedstawione są schematycznie na rysunku 5.
Rys. 5. Uogólniony profil fragmentu spękania
z opisującymi go parametrami liczbowymi
Stąd też maska, czyli zbiór współczynników filtru
cyfrowego przeznaczonego do detekcji spękań
o określonej szerokości powinna mieć kształt funkcji
Gaussa (wyskalowanej zgodnie z zależnościami
przedstawionymi w p. 2 niniejszej pracy). Najłatwiej
(z najmniejszym kosztem obliczeniowym – odrębnie
dla każdego wiersza lub kolumny macierzy obrazu)
przeprowadzić bezpośrednio filtrację w kierunku
poziomym i pionowym – w kierunku prostopadłym
do linii spękania, a spękania nachylone pod określonym kątem można wykrywać jako ważoną sumę
sygnałów wyjściowych filtra pionowego i poziomego, przy czym współczynniki wagowe określone są
funkcjami trygonometrycznymi kąta nachylenia.
Ponieważ dokładne rozmiary poszukiwanych uszkodzeń nie są znane (choć znany może być ich przewidywany zakres), to celowe jest prowadzenie poszukiwań, czyli filtracji za pomocą filtrów o różnych
rozmiarach z poszukiwanego zakresu i wybór najsilniejszego sygnału wyjściowego (z filtru o rozmiarach
najbardziej zbliżonych do rozmiarów uszkodzenia)
dla danego piksela obrazu wejściowego. Przykłady
detekcji spękań nałożone na obrazy oryginalne
przedstawiono na rysunkach 6 i 7.
6. DALSZE ETAPY ANALIZY OBRAZU
Kolejnym krokiem po wyodrębnieniu obrazów
spękań (najczęściej w postaci binarnej, najłatwiejszej
do dalszej analizy) jest ich opis numeryczny. W pracy [3] zaproponowano wyznaczanie następujących
parametrów:
 długość rysunku – całkowita długość dendryczna
(czyli z odgałęzieniami) wszystkich rysunków
i spękań widocznych na analizowanym obrazie,
 średnia szerokość rysunku – określana jako stosunek pola powierzchni wszystkich spękań do ich
całkowitej długości,
 pole powierzchni wszystkich spękań widocznych
na obrazie,
 gęstość rysunku – stosunek całkowitej długości dendrycznej do pola powierzchni analizowanego obrazu,
 udział powierzchniowy – stosunek pola powierzchni wszystkich rys do całkowitego pola powierzchni
obrazu,
 orientację układu rysunku – np. zilustrowaną we
współrzędnych biegunowych lub opisaną w postaci
numerycznej wartości stopnia orientacji i wyboru
kierunku dominującego.
Parametry te mogą być wyznaczane zarówno dla
całego obrazu, jak i dla jego poszczególnych fragmentów, umożliwiając w ten sposób wyznaczenie
fragmentów podlegających największym wytężeniom, najbardziej narażonych na uszkodzenie lub też
decydujących o stateczności całej konstrukcji.
46
a)
b)
Rys. 6. Przykład detekcji pionowego spękania w obudowie szybowej
a) obraz oryginalny,
b) wyodrębniona linia pęknięcia nałożona na obraz oryginalny
a)
b)
Rys. 7. Przykład detekcji uszkodzenia złącza dwóch segmentów obudowy szybowej
a) obraz oryginalny,
b) złącze i ubytek nałożone na obraz oryginalny
2.
7. WNIOSKI
3.
Komputerowa analiza obrazu może być istotnym
czynnikiem wspomagającym makroskopową analizę
obudowy szybowej, zwłaszcza w przypadku ograniczonego lub utrudnionego dostępu do obmurza szybu. Bardzo duża powierzchnia podlegająca ocenie,
złożoność zagadnienia, zróżnicowane rodzaje, kierunki i rozmiary uszkodzeń, niejednorodność oświetlenia, wilgoć są istotnymi czynnikami utrudniającymi człowiekowi analizę stanu technicznego. Stad
też tak duże znaczenie ma wykorzystanie metod
cyfrowego przetwarzania obrazu, poprawiających
jego czytelność i automatycznie wyodrębniających
zauważone uszkodzenia. Nałożenie wyodrębnionych symptomów diagnostycznych na obraz rzeczywisty tworzy tzw. rzeczywistość rozszerzoną
(o dodatkowe informacje graficzne bądź tekstowonumeryczne), w istotny sposób ułatwiającą człowiekowi dalszą analizę i ocenę oraz podejmowanie
odpowiednich decyzji.
Literatura
1.
Cho H.: Optomechatronics. Fusion of Optical and Mechatronic
Engineering. CRC Press, Taylor & Francis 2006.
4.
5.
6.
Chudzicki A.: Ocena stanu obudów szybowych w kopalniach
przemysłu węglowego. Przegląd Górniczy 1987, nr 10.
Drobiec Ł., Jasiński R., Piekarczyk A.: Diagnostyka konstrukcji
żelbetowych. Tom 1. Metodologia, badania polowe, badania laboratoryjne betonu i stali. PWN, Warszawa 2009.
Heyduk A., Kleta H.: Wykorzystanie cyfrowej analizy obrazu do
wspomagania oceny stanu technicznego i bezpieczeństwa obudowy szybu. Budownictwo Górnicze i Tunelowe 2009, nr 3.
Kleta H., Heyduk A.: Analiza obrazu w zastosowaniu do oceny
stanu obudowy szybów. Budownictwo Górnicze i Tunelowe
2011, nr 1.
Turek M.: Eksploatacja podziemna pokładów węgla kamiennego
– współczesne wyzwania. Część 7. Drążenie, pogłębianie, obudowa i utrzymywanie szybów. Wiadomości Górnicze 2009, nr 10.
Z ŻYCIA EMAG-u
VALUESEC
– SPOTKANIE PARTNERÓW PROJEKTU
1 i 2 września 2011 r. w Instytucie EMAG odbyło
się spotkanie uczestników projektu ValueSec inaugurujące rozpoczęcie prac w ramach 4 pakietu zadań.
Wzięli w nim udział przedstawiciele partnerów projektu z Niemiec, Finlandii, Norwegii i Hiszpanii.
Projekt, którego celem jest opracowanie narzędzia
wspomagającego podejmowanie decyzji dotyczących
zabezpieczeń, rozpoczął się w lutym 2011 r. Realizuje go 9 instytucji z Niemiec, Finlandii, Norwegii,
Hiszpanii, Izraela oraz Polski (Instytut EMAG jest
jedynym krajowym partnerem w tym gronie, a także
liderem i głównym wykonawcą pakietu zadań nr 4
"Functional Design and Usability"). Podczas spotkania omówiono planowane prace, zwłaszcza podział
zadań między partnerów oraz zasady współpracy
i terminy zakończenia poszczególnych faz pakietu.
Omówiono również wstępną wersję kryteriów użyteczności (usability criteria) służących do wyboru do
implementacji w ramach projektu podstawowych
metod i narzędzi spełniających oczekiwania osób
podejmujących decyzje dotyczące zabezpieczeń.
Dyskutowano także nad organizacją procesu analizy
określonych teorii, metod, komponentów i narzędzi
z wykorzystaniem wspomnianych kryteriów użyteczności. Ważną częścią spotkania była prezentacja
opracowanych przez partnerów różnych typów oprogramowania, wraz z prezentacją proponowanej architektury narzędzia ValueSec. Partnerzy omówili także
wymagania i zakres ontologii ValueSec oraz niektóre
zagadnienia związane z zarządzaniem projektem.
CENTRUM NAUKOWO-PRZEMYSŁOWE EMAG
NA TARGACH KATOWICE 2011
W dniach 6-9 września br. w Katowicach odbyły się
Międzynarodowe Targi Górnictwa, Przemysłu Energetycznego i Hutniczego „Katowice 2011”. W wydarzeniu
tym wzięło udział również Centrum NaukowoPrzemysłowe EMAG.
Do stolicy Górnego Śląska, na jedną z najważniejszych i największych branżowych imprez wystawienni-
czych w Europie, przyjechało 400 wystawców z 15
krajów. W tym gronie nie mogło zabraknąć Centrum
Naukowo-Przemysłowego EMAG, skupiającego Instytut EMAG oraz spółki TELVIS, SEVITEL, EMAGSERWIS i CTT EMAG.
Podczas Targów CNP EMAG zaprezentowało dedykowaną przemysłowi wydobywczemu kompleksową ofertę z zakresu systemów geofizycznych, elektrotechniki, gazometrii i telekomunikacji oraz miernictwa przemysłowego i systemów informacyjnych,
obejmującą cały cykl innowacji: od etapu badań,
poprzez projektowanie i produkcję, aż po wdrożenie
i serwis. Jedną z atrakcji naszej ekspozycji był komputerowy symulator, za pomocą którego można kierować wirtualnym kombajnem górniczym. Ogromne
zainteresowanie odwiedzających Targi wzbudziły
również: prototyp górniczego mobilnego robota inspekcyjnego GMRI, który został opracowany do
wspierania akcji ratowniczych, nowy typ czujników
do monitorowania parametrów bezpieczeństwa
i produkcji, ognioszczelny komputer oraz systemy
alarmowania i łączności. „Pozagórniczą” ciekawostką stoiska był kiosk informacyjny, wyposażony
w opracowany w Instytucie EMAG system informacji publicznej dla osób z dysfunkcjami narządów
wzroku i słuchu infomat-e.
Ekspozycja CNP EMAG cieszyła się sporym powodzeniem zwiedzających oraz mediów (nasze stoisko odwiedziły m.in. ekipy TVP Katowice oraz
TVN24, które Targom i ofercie Centrum poświęciły
miejsce w swoich popołudniowych serwisach informacyjnych

book - pl - Instytut Technik Innowacyjnych EMAG

Transkrypt

Podobne dokumenty

Chemiczne badania kryminalistyczne

Dzień Edukacji Narodowej - Szkoła Podstawowa nr 6 w Oleśnicy