book - pl - Instytut Technik Innowacyjnych EMAG

Transkrypt

CZASOPISMO NAUKOWO-TECHNICZNE
NR 1(467)
STYCZEŃ 2010
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 1
1. Rozszerzenie kontroli w rejonach ścian wydobywczych
o pomiary ciśnienia w aspekcie zagrożenia wybuchowego
2. Model układu odbioru produktów w procesie
wzbogacania węgla w osadzarce
3. Optymalizacja produkcji grupy zakładów przeróbki węgla
przy uwzględnieniu ograniczeń dotyczących sieci powiązań
produkcyjnych układu nadrzędnego
dr inż. S. Trenczek
5
15
prof. dr hab. inż. S. Cierpisz
dr inż. J. Joostberens
mgr inż. D. Kowol
dr hab. inż. K. Kalinowski
dr inż. R. Kaula
25
4. Zintegrowany system łączności telefonicznej
i alarmowo-rozgłoszeniowej dla małych kopalń
na przykładzie Kopalni Gipsu i Anhydrytu w Niwnicach
30
dr inż. K. Miśkiewicz
dr inż. A. Wojaczek
inż. D. Wójcik
5. Iskrobezpieczeństwo systemu łączności radiowej z kablem
promieniującym
36
dr inż. K. K. Miśkiewicz
dr inż. A. Wojaczek
6. Automatyczny system dialogowy oparty na klasyfikatorze
rozmytym i automacie skończonym w bezpieczeństwie pracy
42
7. Propozycja systemu ekspertowego opartego o rozmyte
wnioskowanie do oceny jakości węgla
46
mgr inż.W. Głowacz
dr inż. A. Gornig
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,
dr hab. inż. Marek Jaszczuk prof. nzw. w Pol. Śl., 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. 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, mgr inż. Piotr Wojtas,
Redaktor techniczny – mgr Urszula Gisman
Adres Redakcji: ul. Leopolda 31, 40-189 Katowice, tel. (32) 2007700, 2007570
e-mail: [email protected]
Nr 1(467) STYCZEŃ 2010
ROK XLVIII
S. TRENCZEK
С. ТРЕНЧЕК
EXTENSION OF CONTROL WITH PRESSURE MEASUREMENT AT AREAS OF WORKING FACES REGARDING EXPLOSION HAZARD
РАСШИРЕНИЕ КОНТРОЛЯ
В ОБЛАСТИ ДОБЫЧНЫХ ЛАВ НА ИЗМЕРЕНИЯ
ДАВЛЕНИЯ В АСПЕКТЕ ОПАСНОСТИ ВЗРЫВА
There have been recalled in the paper the ignition and explosion of
methane in the hard coal mine “Borynia” including hypothetical
reasons of those events. The conclusions of the Commission (appointed to investigate the reasons and circumstances of the events) in
relation to pressure recording have been discussed. A method of
implementation of a new control system for barometric pressure level
at explosion hazardous areas of working faces has been presented.
Advices on instruments for pressure measurement including requirements of their parameters and location have been characterized.
Припомнено о случае воспламенения и взрыва метана в шахте
«Борыня», а также о принятых гипотетических причинах. Обсуждены выводы Комиссии (назначенной для исследования
причин и обстоятельств происшествия), связанные с регистрацией давления. Представлен способ применения новой системы
контроля барометрического уровня в районах добычных лав,
с опасностью взрыва. Проведена характеристика рекомендации
в области приборов измерений давления, в том числе требований в области их параметров и местоположения.
S. CIERPISZ
J. JOOSTBERENS
D. KOWOL
DISCHARGE UNIT MODEL OF PRODUCTS
IN A COAL PREPARATION PROCESS IN A JIG
A stratified, dynamic model of a receiving zone of coal preparation
products in a jig has been presented in the paper. The parameters
which influence the distribution of density layers in a bed are an
overflow intensity of undersize product, feed flow intensity,
a characteristic of feed washability and a height of overflow threshold. There have been examined the changes of location of a float
caused by the changes of the parameters above mentioned as well as
their impact on a distribution density in a jig.
K. KALINOWSKI
R. KAULA
OPTIMISATION OF PRODUCTION OF A GROUP OF COAL
PREPARATION PLANTS CONSIDERING LIMITATIONS RELATING TO A NETWORK OF PRODUCTION CONNECTIONS
OF A SUPERORDINATED SYSTEM
The paper concerns the problems of a master control in a system of
a group of coal preparation plants. The results of optimisation analysis of a network of connections among coal producers and consumers
have been presented. The limitations in the problem considered are
the quantities and qualities of coal mixtures accepted in commercial
contracts. An optimisation analysis has been made in the work allowing for an additional assumption concerning the limitations of
a number of possible commercial contracts between individual coal
producers and coal end-users. The influence of the assumed limitations on the economic results of production has been determined. The
analytic description of static models of technological coal preparation
systems has been a base of research. The research has been done by
simulative methods.
С. ЧЕРПИШ
Я. ЕСТБЕРЕНС
Д. КОВОЛ
МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОДУКТОВ
В ПРОЦЕССЕ ОБОГАЩЕНИЯ УГЛЯ
В ОТСАДОЧНОЙ МАШИНЕ
В статье представлена слоевая, динамическая модель сферы
получения продуктов обогащения угля в отсадочной машине,
в которой параметрами, влияющими на расположение плотностных слоев в пласте является напряжение получения продукта, находящегося внизу, напряжение протекания садива, характеристика обогащения садива и высота максимального порога.
Исследовали изменения расположения поплавка, вызванные
изменениями вышеуказанных параметров и их влияние на
плотность распределения в отсадочной машине.
К. КАЛИНОВСКИ
Р. КАУЛА
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОДУКЦИИ ГРУППЫ ПРЕДПРИЯТИЙ
ОБРАБОТКИ УГЛЯ, УЧИТЫВАЯ
ОГРАНИЧЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ЦЕПИ
СВЯЗИ ВЫШЕСТОЯЩЕЙ СИСТЕМЫ
Статья касается вопросов высшего управления в системе группы
предприятий обработки угля. В статье представлены результаты
анализа оптимизации, касающегося связи между производителями и потребителями угля. Ограничениями в описанной проблеме являются: количество и качество продуктов составов угля
принятых в коммерческих договорах. В статье проведен анализ
оптимизации с дополнительным допущением, касающимся
ограничений, связанных с количеством возможных коммерческих договоров между индивидуальными производителями
и потребителями угля. Определено влияние принятых ограничений на экономические результаты производства. Основанием
исследований было аналитическое описание моделей статических технологических систем обогащения угля. Исследования
проведены методами симуляции.
4
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
K. MIŚKIEWICZ
A. WOJACZEK
D. WÓJCIK
К. МИСЬКЕВИЧ
А. ВОЯЧЕК
Д. ВУЙТИК
INTEGRATED TELEPHONE AND ALARM-BROADCASTING
COMMUNICATION SYSTEM FOR SMALL
MINES AT AN EXAMPLE OF THE GYPSUM ANHYDRITE
MINE IN NIWNICE
ИНТЕГРИРОВАННАЯ СИСТЕМА ТЕЛЕФОННОЙ
И ТРЕВОЖНО-ОПОВЕЩЯЮЩЕЙ СВЯЗИ МАЛЫХ ШАХТ
НА ПРИМЕРЕ ШАХТЫ ГИПСА
И АНГИДРИТА В СЕЛЕ НИВНИЦЕ
A structure of the telephone and alarm-broadcasting communication
system for the Gypsum and Anhydrite Mine (KGiA) “Nowy Ląd”
has been discussed. This is an example of a communication system in
a network version designed for small mines and made on the basis of
the HETMAN/Z system. A characteristic feature of the system is
a shared redundant mine-control/alarm server SDA for telephonecommunication and alarm-broadcasting handling. To improve reliability of a telecommunication system of a mine, in case of failure in
station equipment there have been developed appropriate proceeding
procedures with using local communication devices. The system
presented in the paper has an individual Approval for use in mines.
Обсуждено строение системы телефонной и тревожно-оповещающей
связи для Шахты Гипса и Ангидрита (KGiA) «Новы Лонд» («Nowy
Ląd»). Пример системы связи в сетевой версии для малых шахт,
осуществленный на основе системы HETMAN/Z. Характерной
чертой системы является общий редундантный диспетчерский сервер
(SDA) для обслуживания телефонной и тревожно-оповещающей
связи. Для более безотказного действия телекоммуникационной
системы шахты, на случай аварии станционных устройств,
разработаны соответствующие процедуры (с применением локальных
средств связи), в случае повреждения станционных элементов
системы. Описанное решение получило индивидуальное разрешение
на применение в горных предприятиях.
K. MIŚKIEWICZ
A. WOJACZEK
К. МИСЬКЕВИЧ
А. ВОЯЧЕК
INTRINSIC SAFETY OF RADIO-COMMUNICATION
SYSTEM WITH RADIATING CABLE
ИСКРОБЕЗОПАСНОСТЬ СИСТЕМЫ
РАДИОСВЯЗИ С ИЗЛУЧАЮЩИМ КАБЕЛЕМ
There has been paid attention in the paper to communication systems
using specially installed cable circuits (including active amplifiers) for
directional electromagnetic wave propagation in mine workings. The
problem of intrinsic safety of a radio-communication system using
a radiating cable has been discussed. A manner of approach to this
problem has been presented for an example of such system which
operates in a methane mine. The parameters of an intrinsically safe
supply unit for line amplifiers of the telecommunication system
decide mainly about intrinsic safety of the whole system.
В статье обращено внимание на системы связи, использующие
специально монтированные траектории проводов (вместе с активными усилителями) для показания направления электромагнитных
волн в выработках. Обсуждена проблема искробезопасности системы
радиосвязи, пользующейся излучающим кабелем. Представлен
способ подхода к этому вопросу для примера структуры такой
системы, эксплуатированной в шахте метана. О искробезопасности
всей системы говорят прежде всего параметры искробезопасного
блока питания, примененного для питания линейных усилителей
телекоммуникационной системы.
В. ГЛОВАЧ
W. GŁOWACZ
AUTOMATIC DIALOG SYSTEM BASED
ON A FUZZY CLASSIFIER AND A FINITE
STATE MACHINE IN WORK SAFETY
The paper aims at presenting the potential of use of an automatic dialog
system in work safety [6], [7]. The automatic dialog system allows
establishment of a contact between a user and a computer. The dialog
system analyses sentences of a user and generates its own sentences in
a natural language. The natural language is defined by structural methods including automatic machines. There has been presented in the
paper the implementation of the dialog system in Python language.
АВТОМАТИЧЕСКАЯ ДИАЛОГИЧЕСКАЯ
СИСТЕМА, ОСНОВАННАЯ НА РАЗМЫТОМ КЛАССИФИКАТОРЕ И КОНЕЧНОМ АВТОМАТЕ
В БЕЗОПАСНОСТИ
Целью статьи является представление возможности применения
автоматической диалогической системы для безопасности работы
[6], [7]. Автоматическая диалогическая система предоставляет возможность установить контакт между пользователем и компьютером.
Диалогическая система анализирует фразы пользователя и генерирует свои фразы на естественный язык. Естественный язык определен
при помощи формальных методов, в том числе автоматов. Представлена имплементация диалогической системы на язык Python.
А. ГОРНИГ
A. GORNIG
PROPOSAL OF AN EXPERT SYSTEM BASED
ON FUZZY LOGIC DESIGNED
FOR EVALUATION OF COAL QUALITY
The paper presents necessity of development of an expert system based
on fuzzy logic to be designed for coal quality evaluation. The introduction includes a foredesign (basic assumptions) of an expert system. Next
there has been determined a concept of coal quality. Furthermore the
parameters of coal have been described regarding a forecasted process
of coal preparation aimed at production of a commercial product. A
specificity of a coal preparation plant has been shown, which should be
taken into account in the expert system to be developed.
ПРЕДЛОЖЕНИЕ ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ,
ОСНОВАННОЙ НА РАЗМЫТОМ ЗАКЛЮЧЕНИИ ОЦЕНКИ
КАЧЕСТВА УГЛЯ
В статье представлена необходимость образования экспертной
системы, основанной на размытии заключения оценки качества
угля. Во введении описаны основные предпосылки экспертной
системы. В дальнейшей части уточнено понятие качества угля
и описаны параметры угля под углом прогнозированного процесса обогащения, изготовляющего коммерческий продукт.
Показана специфика предприятия обработки угля, которая
должна быть учтена в образованной экспертной системе.
dr inż. STANISŁAW TRENCZEK
Instytut Technik Innowacyjnych EMAG
Rozszerzenie kontroli w rejonach ścian wydobywczych
o pomiary ciśnienia w aspekcie
zagrożenia wybuchowego
Przypomniano zdarzenie zapalenia i wybuchu metanu zaistniałe w kopalni „Borynia” oraz przyjęte hipotetyczne przyczyny. Omówiono wnioski Komisji (powołanej
do zbadania przyczyn i okoliczności zdarzenia) związane z rejestracją ciśnienia.
Przedstawiono sposób zastosowania nowego systemu kontroli poziomu barometrycznego w rejonach ścian wydobywczych zagrożonych wybuchem. Scharakteryzowano zalecenia w zakresie przyrządów pomiarów ciśnień, w tym wymagania w zakresie ich parametrów oraz lokalizacji.
1. WPROWADZENIE
W dniu 4 czerwca 2008 r. około godziny 22 38
w oddziale G-2 w rejonie ściany F-22 w pokładzie
405/1łg kopalni „Borynia” – należącej do Jastrzębskiej Spółki Węglowej – miało miejsce zapalenie
i wybuch metanu. W strefie zagrożenia znajdowało
się 36 pracowników, z których wypadkowi zbiorowemu uległo 23 pracowników, w tym 6 pracowników doznało obrażeń śmiertelnych, 5 obrażeń ciężkich oraz 12 pracowników doznało lekkich obrażeń
ciała [6]. Poszkodowani to 19 pracowników
KWK „Borynia” i 4 pracowników firmy ZOK, prowadzącej prace związane z odmetanowaniem rejonu
ściany F-22 (rys. 1).
W rejonie ściany F-22 pokład 405/1łg zaliczony
był do III kategorii zagrożenia metanowego, klasy B
zagrożenia wybuchem pyłu węglowego, I stopnia
zagrożenia wodnego, kategorii A i B zagrożenia działaniem pyłów szkodliwych dla zdrowia. Pokład był
niezagrożony radiacyjne naturalnymi substancjami
promieniotwórczymi, a zagrożenie tąpaniami nie
występowało. Ponadto pod względem zagrożenia
pożarem endogenicznym był zakwalifikowany do II
grupy samozapalności – z okresem inkubacji pożaru
wynoszącym τink=70 dni, a pod względem zagrożenia
klimatycznego do III poziomu krytycznego (tpg =
41÷43°C).
Prognoza metanowości bezwzględnej dla wydobycia 2800 Mg/dobę wynosiła 22,45 m3 CH4/min. Ściana F-22 przewietrzana była system na U, z dopływem
powietrza świeżego chodnikiem F-22 i chodnikiem
F-22c o wydatku 1500 m3/min i odpływem chodnikami F-22b i F-22a (rys. 1).
2. USTALENIA Z PRAC KOMISJI
Ponieważ dochodzenia prokuratury i postępowania
wyjaśniające przeprowadzone przez nadzór górniczy
pewne fakty ustaliły, a pewnych zagadnień nie wyjaśniły nie można było w sposób jednoznaczny określić
inicjału i przebiegu zdarzenia [6]. Dotyczy to przede
wszystkim niespójności zeznań w zakresie miejsca
przebywania jednego z poszkodowanych – przodowego brygady wiertniczej. Zeznał on bowiem, że w chwili zdarzenia siedział w chodniku F-22b na wysokości
zbioru XVII razem ze swym współpracownikiem,
czego nie potwierdzają takie fakty jak między innymi
to, że współpracownik ten został ciężko poparzony
(m.in. oparzenie głowy, tułowia, kończyn górnych
i dolnych) i został znaleziony w czasie akcji
6
Rys. 1. Prawdopodobna lokalizacja poszkodowanych w rejonie ściany F-22 w chwili zapalenia i wybuchu metanu
w dniu 04.06.2008 r. o godz. 2238 [wg 6]
ratowniczej w zawodnionym miejscu chodnika F-22b,
gdzie się chłodził, natomiast przodowy doznał obrażeń
lekkich (m.in. złamania uda), nie jest poparzony,
a znaleziono go w ścianie F-22. Ponadto według zeznania kierownika akcji na dole, przodowy ten powiedział – po wytransportowaniu go do bazy ratowniczej
zlokalizowanej na poziomie 838 m, że „w momencie
zdarzenia znajdował się w rejonie skrzyżowania ściany z chodnikiem nadścianowym, zauważył „coś niebezpiecznego” w chodniku nadścianowym i zaczął
uciekać do ściany pod prąd powietrza”. Inne istotne
fakty, między innymi takie jak:
 zapisy czujnika prędkości powietrza przepływającego przez ścianę z dnia 4 czerwca 2008 r., wykazujące że:
 do godz. 22.04 prędkość wahała się
w granicach od 1,0 m/s do 1,4 m/s, w tym miały miejsce liczne ostrzeżenia (razem 78), a od
godziny 18.00 do momentu zdarzenia prędkość
powietrza osiągała przez cały czas próg
ostrzegawczy,
 o godzinie 22.05 trwał przez 4 minuty alarm,
gdy prędkość powietrza spadła do 0,5 m/s,
 o godzinie 22.38 czujnik zarejestrował rewersję
powietrza,
 zapisy wskazań czujników BT-153 i BT-152 otwarcia tam zabudowanych w chodniku F-20 i pochylni
F-22 w pokładzie 405/1, z których wynikało, że:
 najdłuższy czas otwarcia tamy w pochylni F-22
w pokładzie 405/1 (BT-152) odnotowano od
godziny 8.46 do 9.16 (30 minut),
 najdłuższy czas otwarcia tamy w chodniku F-20
w pokładzie 405/1 (BT-153) odnotowano od
godziny 21.22 do 22.07 (45 minut),
 równoczesne otwarcie tam miało miejsce w godzinach 22.03-22.06,
 wyniki analiz prób gazów pobieranych dla wczesnego wykrywania pożarów endogenicznych, potwierdzające występowanie tlenku węgla za tamami odgradzającymi w chodniku F-22b oraz tlenu
o zawartości kilkunastu procent za tamami izolującymi zroby,
7
Fot. 1. Uszkodzony przewód [wg 5]
Fot. 2. Uszkodzenie zapory wodnej [wg 5]
 brak zapisów parametrów pracy stacji odmetanowania w okresie poprzedzającym zdarzenie, który
to fragment taśmy rejestracyjnej został wycięty
(bez polecenia) i pozostawiony w „bezpiecznym
miejscu”, lecz w niewyjaśnionych okolicznościach
zaginął,
 stwierdzenie uszkodzonego przewodu elektroenergetycznego, zasilającego wyłącznik stycznikowy
agregatu hydraulicznego wiertnicy na zbiorze nr
XVIII w chodniku F-22b (fot. 1),
 rodzaj uszkodzeń zapory przeciwwybuchowej
workowej, zabudowanej w chodniku F-22b
w odległości od 128 do 167 m od ściany F-22,
charakteryzujący się śladami opalenia worków
wodnych na północ i południe od strefy zlokalizowanej około 140 m od ściany F-22 (fot. 2),
w tym przemieszczenie worków wodnych
w kierunku ściany F-22, z których najdalszy od
miejsca zabudowy zapory zlokalizowano 55 m
od ściany,
 nieszczelność na rurociągu odmetanowania, zlokalizowana przy kolektorze znajdującym się w chodniku F-22b w odległości około 108 m od ściany,
który został podparty podkładami (fot. 3), co
świadczyło o tym, że rozszczelnienie musiało mieć
miejsce przed zdarzeniem,
 stosowanie klejów w ściany F-22 – na dzień przed
zdarzeniem – dwuskładnikowego kleju poliuretanowego „PUROSTAT AS”, w ilości 78 kg, dla uszczelnienia szczelin uskokowych występujących na wybiegu ściany, w rejonie sekcji 78 i 80, w związku
z przypinaniem łaty węgla o grubości od 0,5 do 1,1 m
po stronie skrzydła wiszącego uskoku,
zostały uwzględnione w trzech przyjętych hipotezach
[6]. Wykorzystano też analizy stanu zagrożenia pożarami endogenicznymi [1] i zagrożenia metanowego [2].
8
Fot. 3. Rozszczelnienie rurociągu [wg 5]
3. HIPOTEZY PRZEBIEGU ZDARZEŃ
W przyjętych hipotezach [7] uwzględniono, że
wystąpił wpływ czynników zakłócających stan równowagi pomiędzy wyrobiskami z opływowym prądem powietrza a zrobami, wynikający zarówno
z rozkładu pola potencjałów aerodynamicznych, jak
i oddziaływania depresji stacji odmetanowania.
Podobnie też uważano, że stan równowagi mógłby
być zaburzony:
 zmianą – faza dynamiczna – w przepływie powietrza w rejonie ściany,
 lub/i spadkiem depresji stacji odmetanowania,
także zatrzymaniem pracy stacji,
 lub/i zmniejszeniem ujmowania gazu z otworów
poprzez ich częściowe lub całkowite odcięcie od
depresji stacji odmetanowania (przykręcenie lub
zamknięcie zaworu przy kolektorze).
Punktem wyjścia każdej hipotezy jest skumulowanie, na około 40 minut przed zdarzeniem, co najmniej
dwóch niekorzystnych czynników powodujących
zakłócenie istniejącego stanu równowagi gazów
w zrobach zawałowych ściany F-22, to jest:
 zaburzenia przepływu powietrza przez ścianę
spowodowanego, najpierw – od godz. 21.22 do
godz. 22.07 – otwarciem tamy wentylacyjnej
w chodniku F-20 w pokładzie 405/1, a następnie –
w godzinach 22.02-22.06 – ,,krótkim spięciem
wentylacyjnym” na skutek jednoczesnego otwarcia tam wentylacyjnych zabudowanych w pochylni F-22 i chodniku F-20, kiedy to prędkość powietrza przepływającego przez rejon ściany F-22
zmniejszyła się do 0,5 m/s,
 rozszczelnienie – prawdopodobnie również około
godz. 22.00-22.10 – rurociągu odmetanowania
w chodniku F-22b w odległości około 109 m przed
ścianą F-22, w związku z czym wystąpił spadek
depresji na stacji odmetanowania.
W hipotezie pierwszej przyjęto, że krótko przed
zdarzeniem doszło do pożaru endogenicznego szczelinowego w „płocie” węgla znajdującego się na południe od frontu ściany. Gazy będące produktem wcześniejszej fazy samozagrzewania węgla, jak i pożaru
endogenicznego szczelinowego przepływać mogły
w kilku różnych kierunkach [4] – przede wszystkim
do bardzo pojemnych zrobów – przez co niemożliwe
było wcześniejsze ich wykrywanie. Konsekwencją
zaburzeń wentylacyjnych mieszanina metanowopowietrzna o stężeniu wybuchowym utrzymująca się
w zrobach zawałowych ściany F-22, a w szczególności na odcinku pomiędzy ostatnią sekcją obudowy
zmechanizowanej a sekcją nr 90, mogła się rozszerzyć i dopłynąć do miejsca pożaru.
W hipotezie drugiej przyjęto, że wtłaczaniu kleju
poliuretanowego „PUROSTAT AS” (w dniu 3
czerwca 2008 r.) w rejon uskoku zlokalizowanego na
wybiegu ściany F-22 – na wysokości sekcji obudowy
ścianowej nr 78 i 80 – towarzyszyć mogły czynniki
sprzyjające powstaniu inicjału zapalenia i wybuchu
metanu. Mianowicie klej mógł przepłynąć poprzez
szczelinę uskokową do zawału (zrobów), czyli za
sekcje obudowy ścianowej i tam utworzyć większą
objętościowo masę („bryłę”) spoiwa. Ponadto mogły
wystąpić dodatkowo inne, niekorzystne czynniki,
takie jak nieprawidłowy skład chemiczny komponentów, niewłaściwa proporcja mieszania komponentów,
znaczne zawilgocenie górotworu przyspieszające
czas reakcji wiązania, co generować mogło temperaturę wiązania komponentów dużo wyższą niż 160°C.
Wysoka temperatura w zrobach – zbliżona do temperatury pierwotnej górotworu, wynoszącej około
40-43oC – znacząco opóźniała proces stygnięcia spoiwa, szczególnie zaś jego jądra, co mogło wpłynąć na
rozwój procesu samozagrzewania prowadzący do samozapalenia spoiwa.
Przyjęto też, że nie wykrycie objawów pożaru sugeruje, iż do samozapalenia spoiwa musiałoby dojść
tuż przed zdarzeniem. Potwierdzają to badania kleju
poliuretanowego przeprowadzone we Francji [10],
które na niewielkiej próbce kleju pokazały, że do
pożaru może dojść w czasie od 3 do 6 godzin po
zakończeniu prac iniekcyjnych. W omawianym przypadku ilość zastosowanego kleju była większa od
ilości badanej, przez co nie można wykluczyć, że do
samozapłonu mogło dojść później. Tym bardziej, że
„bryła” spoiwa znajdowała się w zrobach, gdzie temperatura była znacznie wyższa niż w opływowym
prądzie powietrza, do którego odnoszą się badania.
Zatem hipotezę to uprawdopodabnia.
W fazie statycznej równowagi wentylacyjnej pomiędzy wyrobiskami z przepływowym, ustabilizowanym prądem powietrza a zrobami ściany F-22,
połączonych ze zrobami pozostałych ścian w pokładzie 405/1 i zrobami pokładu 404/1 – mieszanina
metanowo-powietrzna o stężeniach wybuchowych,
znajdująca się w zrobach, nie sięgała miejsca samozagrzewania spoiwa kleju „PUROSTAT AS” rozwiniętego później do jego samozapłonu i palenia się.
Najprawdopodobniej znajdowała się ona stosunkowo
blisko chodnika F-22b.
Skutkiem przebiegu procesów według hipotez
pierwszej i drugiej mogło dojść w zrobach do zapalenia i wybuchu metanu powodującego wzrost ciśnienia gazów, a następstwem tego było:
 wypchanie gazów ze zrobów do ściany F-22 i do
chodnika F-22b – także poprzez nieszczelność
w rurociągu odmetanowania,
 wypływ płomienia ze zrobów na ostatnich 35 sekcjach
obudowy (stąd ślady opalenia osłon na stojakach od
strony zrobów) oraz zerwanie przewodów podłączonych
do czujników metanometrii automatycznej zabudowanego w ścianie nad napędem przenośnika ścianowego,
 oraz jednoczesny:
 przepływ rozrzedzającej się, wypchanej do
chodnika F-22b objętości metanu na długości
około 100 m oraz jej wymieszanie się z metanem wypływającym przez nieszczelność
rurociągu, a po dalszym przepłynięciu około
40 m (140 m od ściany) nastąpiło wzmocnienie siły wybuchu zainicjowane doganiającym mieszaninę wybuchową płomieniem, co
potwierdza (między innymi) rozkład skoksowanych ziaren węgla w chodniku F-22b od
tego miejsca w dwie strony, a także zadziałanie czujnika ciśnienia zabudowanego na
9
wentylatorze chłodnicy w chodniku F-22a
i otwarcie na jedną sekundę tamy oddzielającej TW-1081 w chodniku F-20, a także rozrzucone w stronę ściany worki zapory przeciwwybuchowej,
 wybuch metanu rozprzestrzeniający się w ścianie w kierunku chodnika F-22c (podścianowego) i w chodniku F-22c, co obrazują rozkład
skoksowanych ziaren węgla w ścianie, krótkotrwała rewersja i otwarcie tamy wentylacyjnej
TW-1085 w pochylni F-22 – powodujące też
chwilowe zatrzymanie przepływu powietrza.
Hipoteza trzecia opiera się na tym, że w chodniku
F-22b stwierdzono uszkodzony przewód elektroenergetyczny, zasilający znajdujący się około 140 m od
ściany wyłącznik stycznikowy agregatu hydraulicznego wiertnicy na zbiorze nr XVIII (fot. 1), co mogło
być źródłem zwarcia doziemnego, oraz na tym, iż od
tego miejsca są ślady wskazujące na rozprzestrzenianie się wybuchu w dwie strony (fot. 2).
Wystąpić mogło jednocześnie kilka przyczyn powodujących powstanie mieszaniny wybuchowej
w chodniku F-22b, co oznacza, że w okresie bezpośrednio poprzedzającym zdarzenie metan do chodnika F-22b mógł dopływać z kilku różnych źródeł,
kilkoma różnymi drogami i mógł nie być rejestrowany. Pierwsza to ciśnienie eksploatacyjne powodujące
szczelinowe wypływy metanu ze spągowych warstw
węgla do wyrobisk przyścianowych. Wypływy takie
występować mogą w odległości przekraczającej nawet 100 m od ściany i mogą być przyczyną tworzenia
się przystropowych nagromadzeń metanu. Ponadto,
w chodniku F-22b na odcinku przekraczającym 100
m występują w jego sąsiedztwie krawędzie eksploatacyjne wyżej wybieranych pokładów, a w odległości około 100 m przed ścianą równoleżnikowy uskok
(prostopadły do osi chodnika) o zrzucie 0,8 m. Zarówno krawędź jak i uskok również umożliwiać mogły emisję metanu z calizny do wyrobiska na skutek
kumulacji w sąsiedztwie tego wyrobiska naprężeń
rozciągających. Metan mógł też dopływać z nie zaizolowanych (nie zamkniętych) otworów odmetanowania. W czasie wizji stwierdzono, że w otworach
występował systematyczny wzrost stężenia metanu po
każdorazowym ich przepłukaniu. Kolejnym źródłem
dopływu metanu mógł być uszkodzony (częściowe
rozerwanie) rurociąg odmetanowania o średnicy 300
mm na 98 m chodnika F-22b (fot. 3) – około 107 m
od ściany F-22). Powierzchnię nieszczelności oszacowano na około 50% powierzchni przekroju poprzecznego rurociągu [2], a skutek tego musiał zostać
zarejestrowany na stacji odmetanowania. Jednak –
jak już wspomniano, taśma z rejestracją parametrów
pracy z tego okresu zaginęła. Stąd też trudno jedno-
10
a)
b)
Rys. 2. Modelowy rozkład koncentracji metanu na skrzyżowaniu ściany z chodnikiem wentylacyjnym
(przy stosowaniu przegrody wentylacyjnej [5]):
a) w płaszczyźnie poziomej;
b) w płaszczyźnie pionowej zlokalizowanej w odległości 0,5m od ociosu przeciwległego ściany
znacznie przyjąć lub wykluczyć jakiś konkretny
przepływ ujmowanego gazu i powietrza do i z rurociągu. Ponadto, jak pokazują wyniki prowadzonego modelowania komputerowego rozkładu stężeń metanu
w chodnikach wentylacyjnych ścian przewietrzanych
systemem na U po caliźnie węglowej z zastosowaniem
przegrody wentylacyjnej – takiej, jaka była zastosowana
w rejonie ściany F-22 – mogło dochodzić do nierównomiernego rozkładu stężenia metanu. Największe
stężenia metanu i o największym zasięgu (licząc od
czoła chodnika w kierunku wylotu) występują w rejonie
połowy wysokości wyrobiska oraz w sąsiedztwie ociosu
przeciwległego do ściany. Zasięg występowania podwyższonych stężeń metanu na ociosie chodnika może
być znaczny, sięgający nawet kilkudziesięciu metrów
od ściany. Ilustruje to przykład [5] modelu opracowanego na podstawie danych z rejonu ściany F-22, z którego wynika (rys. 2), że prawidłowo zabudowany czuj-
nik mógł nie wykryć metanu o stężeniu przekraczającym dolną granicę wybuchowości.
Zatem przyjęto, że w warunkach zakłóconej równowagi gazowej mógł wystąpić wypływ metanu ze
zrobów ściany F-22, a następnie przepływ mieszaniny metanowej w chodniku F-22b i jej wymieszanie
z metanem wypływającym przez nieszczelność rurociągu oraz z metanem wypływającym (w niewielkich
ilościach) z pozostałych, wyżej opisanych źródeł.
Zapalenie i wybuch metanu nastąpiły od znajdującego się około 31 m na północ od miejsca rozszczelnienia (140 m przed ścianą F-22) uszkodzonego przewodu elektroenergetycznego zasilającego wyłącznik
stycznikowy agregatu hydraulicznego wiertnicy na
zbiorze nr XVIII. Przewód ten był w tym czasie pod
napięciem, a wyłączenie go spod napięcia przez system metanometrii automatycznej nastąpiło 8 sekund
po wybuchu.
Towarzysząca wybuchowi metanu fala ciśnienia
oraz płomień stopniowo wygaszały się w kierunku
północnym, gdyż nie napotykały na swej drodze
mieszaniny metanowo-powietrznej o palnym lub
wybuchowym stężeniu. Natomiast w kierunku
południowym, po dotarciu do zrobów od strony
chodnika F-22b spowodowały zapalenie i wybuch
metanu w zrobach oraz jego rozprzestrzenienie się
poprzez zroby i ścianę do chodnika F-22c
i w chodniku F-22c.
4. ZNACZENIE POMIARÓW CIŚNIENIA
W wyniku działań komisji sformułowano wnioski
i zalecenia, które ukierunkowano przede wszystkim
na zapobieżenie w przyszłości takim zdarzeniom [6].
Kilka z wniosków i zaleceń ma na celu umożliwienie
w przyszłości jednoznacznego określenia przyczyn
zdarzenia. Dotyczy to wniosków odnoszących się do
przedsiębiorców wydobywających węgiel kamienny,
zapisanych w p. 12.II.6:
W rejonach ścian, przy współwystępowaniu zagrożeń:
metanowego II-IV kategorii, pożarowego i tąpaniami:
 stosować systemy gazometrii automatycznej
o działaniu ciągłym,
 rozbudować systemy gazometrii o pomiary ciśnienia bezwzględnego i różnicowego,
 zsynchronizować w czasie urządzenia łączności,
bezpieczeństwa i alarmowania.
Monitorowanie ciśnienia barometrycznego i różnicowego [9, 8] pozwoli na określenie poziomów
zmian ciśnienia tolerowalnych i nietorelowalnych
w danym rejonie. Jeśli do tego można byłoby dodać
wiedzę o rozkładzie pola potencjałów aerodynamicznych w danym rejonie, to możliwa byłaby analiza
i ocena przepływów gazów przez zroby. Głównie
migracji tlenu – istotnej dla rozwoju procesu samozagrzewania, migracji tlenku węgla (produktów samozagrzewania) – istotnej dla wyrobisk z opływowym prądem powietrza, a także migracji metanu –
istotnej zarówno ze względu na jego ewentualny
wypływ do opływowego prądu powietrza, jak
i przemieszczanie się w zrobach do ewentualnie występującego tam miejsca (źródła) procesu samozagrzewania, co w konsekwencji może grozić zapaleniem i wybuchem metanu. W związku z tym prowadzone są prace nad Mikrosystemem Barometryczno-Sygnalizacyjnym (MsBS), na który składać się
będą:
 w pierwszej kolejności – monitorowanie ciśnienia
bezwzględnego i ciśnienia różnicowego, jako wypełnienie zapisów komisji,
11
 w dalszej perspektywie – monitorowanie rozkładu
pola potencjałów aerodynamicznych w rejonie danej ściany.
Jednak już realizacja pomiarów w zakresie ciśnienia spowoduje, że otrzymywać się będzie dane charakterem odpowiadające roli „czarnej skrzynki”
w odtwarzaniu przyczyn i okoliczności wypadków
samolotowych. Mając bowiem wyniki pomiarów
ciągłych w zsynchronizowanym, jednoznacznie określonym czasie oraz parametry ciśnienia, szczególnie
różnicowego [9] możliwe będzie odtworzenie zdarzenia pod względem czasu, miejsca powstania oraz
siły oddziaływania. A to powinno wystarczyć do
tego, by – niezależnie od mogących powstać rozbieżności, np. w wyniku zeznań świadków – ustalić
w sposób jednoznaczny przyczyny zdarzenia.
Pomiar ciśnienia bezwzględnego w wybranych
punktach rejonu wentylacyjnego ma służyć kilku
celom. Przede wszystkim rejestracji zmian spowodowanych takimi czynnikami, jak: zmiany ciśnienia
atmosferycznego na powierzchni, manipulacja urządzeniami wentylacyjnymi (tamy, lutniociągi itp.),
dynamiczne zmiany ciśnienia wywołane procesami
technologicznymi (roboty strzałowe, ruch maszyn),
stanami awaryjnymi (gwałtowny wypływ metanu,
wody, podsadzki płynnej) i stanami krytycznymi
(wybuch metanu lub/i pyłu węglowego, wyrzut metanu lub/i skał), a także uzupełnieniu bieżącej (ciągłej) kontroli procesu wentylacji, w oparciu o którą
możliwe jest podjęcie oddziaływania zapewniającego
utrzymanie stanu wentylacji w granicach przewidzianych przepisami. Ponadto pozwolą na kontrolę tendencji zmian ciśnienia wraz z jego predykcją dla określenia poziomu możliwego zaburzenia procesu wentylacji, uzyskanie natychmiastowej informacji o początku i kolejności zdarzeń dynamicznych o charakterze
awaryjnym i krytycznym, a także o rodzajach zdarzeń
dynamicznych – na podstawie charakterystycznych
przebiegów zmian ciśnienia bezwzględnego. Układ
taki pozwoli też na zsynchronizowanie dynamicznego
przebiegu zmian ciśnienia bezwzględnego z systemem
alarmowo-rozgłoszeniowym.
Z kolei pomiar ciśnienia różnicowego ma służyć
rejestracji charakterystyki dynamicznych zmian ciśnienia dla określenia czasu zapoczątkowania wybuchu lub/i wyrzutu, określenia miejsca zapoczątkowania wybuchu i odtworzenia przebiegu zdarzeń. Czujnik ten, z zapisanym przebiegiem zmian odgrywać
będzie rolę „czarnej skrzynki” w przypadku zdarzeń
o charakterze wybuchu lub wyrzutu.
Aby zapewnić precyzję w interpretacji zjawisk
czujnik pomiaru ciśnienia bezwzględnego powinien
charakteryzować się zakresem pomiarowym
800÷1300 hPa, natomiast czujnik do pomiaru ci-
12
śnienia różnicowego zakresem pomiarowym co
najmniej 7500 Pa. Ponadto każdy z tych czujników
powinien zapewniać:
 częstotliwość dyskretnych pomiarów rzędu 10 Hz,
co zapewni wystarczającą dokładność pozwalającą odtworzyć przebieg wybuchu, wyrzutu,
 odczyt pomiarów z częstotliwością nie mniejszą
niż co 2 sekundy,
 bufor pamięci o pojemności dwóch (minionych)
dób, z automatyczną kasacją wyników doby
wcześniejszej (starszej),
 możliwość bezpośredniego lub pośredniego podłączenia do systemu monitorowania stosowanego
w danej kopalni,
 zasilanie autonomiczne zapewniające pracę po
przerwaniu zasilania zewnętrznego przez okres co
najmniej 6 godzin,
 możliwość zsynchronizowania czasu rejestracji pomiaru z czasem rzeczywistym systemu monitorowania,
 transmisję cyfrową.
Szczególnie ważna jest precyzja pomiarów ciśnienia bezwzględnego, którą czujnik powinien zapewniać z dokładnością ±0,3 hPa dla ciśnienia absolutnego w zakresie 800÷1300 hPa, przy rozdzielczości
odczytu 0,01 hPa.
Przy ciśnieniu różnicowym ważne jest – ze
względu na sposób jego funkcjonowania [9], by
zabudowany czujnik był kontrolowany z częstotliwością raz na miesiąc pod względem drożności
króćców wlotowego i wylotowego (a w razie potrzeby udrażniany). Ponadto, ustalony być powinien (w Planie ratownictwa) sposób wytransportowania czujnika (czujników) przed izolacją rejonu i miejsca docelowego ich zdeponowania,
w celu wykorzystania rejestracji wyników pomiarów do analizy zdarzenia.
Mając na uwadze przyszłościowy Mikrosystem
Barometryczno-Sygnalizacyjny (MsBS) ważne jest,
by przyrząd pomiarowy mógł wykonywać także
inne pomiary parametrów niezbędnych do obliczenia wartości potencjału aerodynamicznego, to jest
temperatury i wilgotności powietrza.
rejonu określić poziomy zmian ciśnienia: tolerowalnego i nietolerowalnego. Wyznaczenie ich wartości
kryterialnych wymaga następujących działań [8]:
 określenia bazowej wartości różnicy ciśnień ∆PB
pomiędzy dopływającym (dopływającymi) ∆PD
a odpływającym (odpływającymi) ∆PO prądem
powietrza przy zakładanym sposobie stabilizacji
kierunku przepływu i wydatku powietrza (sprawne
– zamknięte – tamy wentylacyjne w rejonie ściany)
dokonane w okresie ustabilizowanego, stałego ciśnienia atmosferycznego
∆PB = ∆PD– ∆PO, Pa,
(1)
 określenia maksymalnej wartości różnicy ciśnień
∆Pmax pomiędzy dopływającym (dopływającymi)
∆PD a odpływającym (odpływającymi) ∆PO prądem powietrza przy awaryjnym stanie wentylacji
(otwarte tamy wentylacyjne) dokonane w tym samym okresie ustabilizowanego, stałego ciśnienia
atmosferycznego
∆Pmax = ∆PDmax – ∆POmax,
(2)
 ustalenia różnicy ciśnień rejonu ∆PR
∆PR = ∆Pmax – ∆PB, Pa
(3)
 ustalenia zakresu tolerowalnych zmian ciśnienia
∆PT w przedziale do 10% lub do 20% (według oceny kierownika działu wentylacji) różnicy pomiędzy
wartościami bazową a maksymalną to jest ∆PT =
0,1÷0,2 ∆PR.
Stosownie do poziomu zagrożeń występujących
w danym rejonie wymagane jest opracowanie procedur (przez kierownika działu wentylacji) na okoliczność zmian dynamicznych ciśnienia barometrycznego:
 nietolerowalnych ∆PN, to jest większych od
zmian tolerowalnych a mniejszych niż wartość
nie przekraczająca 50% pomiędzy wartościami
różnicy bazowej ∆PB a różnicy maksymalnej
∆Pmax, czyli
0,1÷0,2 ∆PR < ∆PN  0,5 ∆PR,
5. MONITOROWANIE REJONU POD KĄTEM
ZMIAN CIŚNIENIA
Monitorowanie rejonu pozwala oceniać i wyróżniać zmiany stanu równowagi występującego pomiędzy opływowym prądem powietrza a zrobami i jego
istotnym sąsiedztwem, co umożliwia szybką reakcję
na zmianę tego stanu. Jednak nie każda zmiana wymaga interwencji. Dlatego ważne jest, by dla danego
 krytycznych ∆PK, to jest przekraczających 50%
różnicy pomiędzy wartościami różnicy bazowej
∆PB a różnicy maksymalnej ∆Pmax, czyli ∆PK > 0,5
∆PR.
oraz zapoznanie z nimi osób odpowiedzialnych za
monitorowanie bezpieczeństwa w danym rejonie.
Dla umożliwienia właściwej oceny kontrolowanego rejonu ściany niezbędne jest dostosowanie lokalizacji czujników do systemu przewietrzania [8].
Zasadą przy tym jest, że czujnik ciśnienia
bezwzględnego P B w rejonie ściany zabudowany jest:
 w wyrobiskach z dopływającym prądem powietrza świeżego – w odległości do 20 m od skrzyżowania, w którym ten prąd powietrza się oddziela,
 w wyrobiskach z odpływającym prądem powietrza zużytego – w odległości do 20 m od skrzyżowania, w którym prąd powietrza łączy się
z innym,
co pokazują przykłady przedstawione na rys. 3, 4,
5, 6.
Z kolei czujnik ciśnienia różnicowego PR powinien być zabudowany:
 w wyrobisku (wyrobiskach) z odpływającym prądem powietrza zużytego – w odległości do 20 m od
skrzyżowania, w którym prąd powietrza łączy się
z innym, co ilustrują przykłady na rys. 3, 4, 5, 6,
 w przypadku utrzymywania za ścianą dwóch wyrobisk – w każdym z nich (przykład – rys. 6).
13
Rys. 5. Przykład lokalizacji czujników
pomiaru ciśnienia bezwzględnego (PB)
i ciśnienia różnicowego (PR) przy przewietrzaniu
systemem na Z
systemem na H
systemem na U
systemem na Y
Jak już wcześniej podano, czujnik pomiaru ciśnienia
bezwzględnego stanowić ma element opracowywanego Mikrosystemu Barometryczno-Sygnalizacyjnego
MsBS. Zatem warto do pomiarów zastosować taki
czujnik, który posiada więcej funkcji. Czujnikiem
spełniającym wymagania funkcjonalne jest czujnik
THP-2 (fot. 4), którego budowę oparto o wysokiej
klasy przetwornik ciśnienia bezwzględnego [3].
Fot. 4. Przyrząd THP-2 do pomiaru parametrów
i wyznaczania potencjału aerodynamicznego
14
Jest czujnikiem stacjonarnym, przeznaczonym do
ciągłego pomiaru ciśnienia, temperatury i wilgotności
względnej powietrza w wybranych miejscach kopalni. Wyniki tych pomiarów w powiązaniu z miejscem
pomiarowym w kopalnianej sieci wentylacyjnej służą
do obliczania w systemie SMP-NT wartości potencjału aerodynamicznego.
6.
6. PODSUMOWANIE
Wśród przyczyn uniemożliwiających jednoznaczne
określenie przyczyny zapalenia i wybuchu metanu
w kopalni „Borynia” są brak jednorodnego systemu
monitorowania zagrożeń i parametrów środowiska
oraz brak integracji stosowanych rodzajów monitorowania pod względem czasu rejestracji.
W wyniku prac komisji przyjęto pożar endogeniczny szczelinowy i pożar spoiwa klejowego jako dwa
hipotetyczne inicjały związane z zagrożeniem pożarowym oraz inicjał trzeci – od zwarcia doziemnego.
Zastosowanie czujników pomiarów ciśnienia barometrycznego i ciśnienia różnicowego pozwoli
określić – w przypadku zdarzenia – czas i miejsce
inicjału oraz odtworzyć przebieg zjawiska.
Czujniki pomiaru ciśnienia bezwzględnego charakteryzować się muszą odpowiednią charakterystyką
parametrów, w tym dokładnością pomiarów.
Monitorowanie i ocenę stanu równowagi pomiędzy
wyrobiskami z opływowym prądem powietrza a zrobami umożliwi Mikrosystem BarometrycznoSygnalizacyjny, co pozwoli na szybką reakcję w razie
zaistnienia stanu awaryjnego lub krytycznego.
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
Analiza sposobu przewietrzania oraz zagrożenia pożarowego
w rejonie ściany F-22 w pokł. 405/1, na poziomie 838 m
w JSW S.A. KWK „Borynia” w Jastrzębiu Zdroju. Praca pod redakcją J. Sułkowskiego. Katowice-Gliwice 2009, niepublikowane.
Analiza zagrożenia metanowego i zabezpieczeń gazometrycznych
w rejonie ściany F-22 w pokładzie 405/1łg, na poziomie 838m,
w JSW S.A. KWK „Borynia” w Jastrzębiu Zdroju. Praca pod redakcją P. Krzystolika. Katowice, Kraków 2009, niepublikowane.
Budziszewski A., Mróz J., Szczygielska M.: Stacjonarny czujnik do
ciągłego pomiaru parametrów fizycznych powietrza i obliczania potencjałów aerodynamicznych. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2008, nr 12, s. 41-45.
Dziurzyński W., Pałka T.: Rozpływ powietrza, metanu i gazów pożarowych w rejonie ściany F-22 pokład 405/1 w KWK „Borynia” przed
wybuchem metanu. Materiały 5. Szkoły Aerologii Górniczej, Wrocław, 13-16 październik 2009, CUPRUM Wrocław, s. 19-32.
Łukowicz K.: Szczególne przypadki wystąpienia warunków sprzyjających zagrożeniu wybuchem metanu. W: Działania prewencyjne w rejonach ścian, eksploatowanych przy współwystępowaniu zagrożenia
metanowego II-IV kategorii oraz zagrożenia pożarami endogenicznymi. Wyd. WUG, Katowice 2009, s. 26-43.
Sprawozdanie Komisji powołanej decyzją Prezesa Wyższego Urzędu
Górniczego z dnia 5 czerwca 2008 r. dla zbadania przyczyn i okoliczności zapalenia i wybuchu metanu oraz wypadku zbiorowego, zaistniałych w dniu 4 czerwca 2008 r. w Jastrzębskiej Spółce Węglowej
S.A., Kopalni Węgla Kamiennego „Borynia” w Jastrzębiu Zdroju.
7. Trenczek S.: Hipotezy przyczyn zapalenia i wybuchu metanu na
kopalni „Borynia”. W: Działania prewencyjne w rejonach ścian, eksploatowanych przy współwystępowaniu zagrożenia metanowego IIIV kategorii oraz zagrożenia pożarami endogenicznymi. Wyd. WUG,
Katowice 2009, s. 3-25.
8. Trenczek S.: Zasady stosowania czujników pomiarów ciśnienia
bezwzględnego i różnicowego. W: Działania prewencyjne w rejonach
ścian, eksploatowanych przy współwystępowaniu zagrożenia metanowego II-IV kategorii oraz zagrożenia pożarami endogenicznymi.
Wyd. WUG, Katowice 2009, s. 52-60.
9. Trutwin W.: Monitorowanie ciśnienia atmosfery w rejonie ściany przy
występowaniu zagrożeń skojarzonych. Działania prewencyjne w rejonach ścian, eksploatowanych przy współwystępowaniu zagrożenia
metanowego II-IV kategorii oraz zagrożenia pożarami endogenicznymi. Wyd. WUG, Katowice 2009, s. 44-51.
10. Wachowicz J.: Materiały organiczne do konsolidacji i uszczelniania
górotworu – zagrożenia związane z ich stosowaniem
w kopalniach węgla. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska
w Górnictwie 2004, Nr 7, s. 10-14.
Recenzent: prof. dr hab. inż. Wacław Trutwin
prof. dr hab. inż. STANISŁAW CIERPISZ
dr inż. JAROSŁAW JOOSTBERENS
Politechnika Śląska
mgr inż. DANIEL KOWOL
Instytut Techniki Górniczej KOMAG
Model układu odbioru produktów
w procesie wzbogacania węgla w osadzarce
W artykule przedstawiono warstwowy, dynamiczny model strefy odbioru produktów
wzbogacania węgla w osadzarce, w którym parametrami wpływającymi na rozkład
warstw gęstościowych w łożu są: natężenie odbioru produktu dolnego, natężenie
przepływu nadawy, charakterystyka wzbogacalności nadawy i wysokość progu przelewowego. Badano zmiany położenia pływaka wywołane zmianami powyższych parametrów oraz ich wpływ na gęstość rozdziału w osadzarce.
WSTĘP
Węgiel surowy (miał) w większości wzbogacany
jest w osadzarkach, których działanie opiera się na
rozwarstwieniu materiału w pulsacyjnym ośrodku
wodnym. W trakcie kolejnych cykli pulsacji następuje
rozwarstwienie ziaren; ziarna o większej gęstości (zawartości popiołu) lokują się w dolnych warstwach łoża
osadzarki, natomiast ziarna o małej gęstości – w górnej części łoża. Produkt dolny (odpady lub przerost)
odprowadzany jest z osadzarki poprzez układ odbioru
z regulowaną szczeliną odbiorczą, a produkt górny
(koncentrat) odprowadzany jest nad progiem przelewowym. Rozdział materiału w osadzarce na produkt
górny i dolny określony jest gęstością rozdziału równą
gęstości warstwy materiału, która w połowie przechodzi do produktu górnego i w połowie do produktu
dolnego. Położenie warstwy rozdziału określane jest
poprzez pływak metalowy o gęstości dobranej do
gęstości ośrodka wodnego na wysokości położenia
warstwy rozdziału. Zasadniczym warunkiem poprawnego działania układu sterowania odbiorem produktów
wzbogacania z osadzarki jest poprawny pomiar położenia warstwy materiału o gęstości równej zadanej
gęstości rozdziału. Położenie pływaka powinno zależeć wyłącznie od położenia warstwy rozdziału.
Badania laboratoryjne i przemysłowe [1, 2] wykazują jednak, że położenie pływaka, w stosunku
do warstwy rozdziału, zmienia się pod wpływem
zmian szeregu parametrów, które mają wpływ na
prędkość opadania (i wznoszenia) pływaka traktowanego jako ziarno o znacznych rozmiarach. Badania wykazują, że zmiana gęstości rozdziału
w stosunku do zadanej wartości, na skutek powyższych niekorzystnych oddziaływań, może dochodzić do 0,05 g/cm3, a czasami mogą przekraczać tę
wartość. Powoduje to, że w trakcie procesu wzbogacania w osadzarce okresowo mogą wystąpić
znaczne fluktuacje zawartości popiołu w produktach wzbogacania, fluktuacje ich ilości oraz straty
węgla w odpadach. Problem ma istotne znaczenie
ekonomiczne, ponieważ w osadzarkach wzbogacanych jest kilkanaście milionów ton węgla rocznie
i nawet nieznaczne pogorszenie procesu rozdziału
odbija się w znacznych bezwzględnych wartościach produktu.
W celu zbadania wpływu zmian nadawy w osadzarce na efekty rozdziału łoża na produkt górny
i dolny przeprowadzono badania laboratoryjne
i przemysłowe zachowania się pływaka w łożu
osadzarki oraz przeprowadzono badania symulacyjne procesu rozdziału materiału w układzie sterowania układu odbioru produktów.
16
h
h
h
Rozkład prędkości
warstw
v
v
h
v
h
h
Rozkład gęstości
warstw
Nadawa
r
r
r
O SAD ZAR KA
Strefa
rozdziału
Strefa
odbioru
h
Koncentrat
Odpady
Odpady
Pólprodukt
Rys. 1. Ilustracja rozkładu gęstości i prędkości warstw wzdłuż łoża osadzarki
w(r)
h
f(r)
h
0,5
h
v6
v5
v4
h5
qi
li
hi
v1
r
rr
a,%
Charakt. wzbogacalności Krzywa rozdziału
r
L
Profil natężeń
przepływu
V
Profi
l prędkości
L
Profil położenia
warstw
Rys. 2. Ilustracja procesu formowania się warstw gęstościowych
1. MODEL ROZKŁADU GĘSTOŚCI
MATERIAŁU W ŁOŻU OSADZARKI
Proces rozdziału materiału w łożu osadzarki zachodzi w każdym cyklu pulsacji i na skutek przepływu tzw. wody górnej i dolnej postępuje od wlotu
nadawy do końca osadzarki. Typowe osadzarki
stosowane w polskich kopalniach są maszynami
trójprzedziałowymi, w których w pierwszej kolejności następuje wydzielenie frakcji ciężkiej (dwa
pierwsze przedziały), a następnie wydzielenie półproduktu i koncentratu.
rozkładzie gęstości, w końcowej części strefy rozdziału, przedstawiony jest w uproszczeniu na rys. 2.
Frakcje nadawy o udziałach wi(r), na skutek różnic
w gęstościach i pulsacyjnego ruchu ośrodka wodnego
lokują się od największych gęstości w pobliżu sita
osadzarki do najmniejszych gęstości w górnej części
łoża. Proces rozdziału nie jest idealny, a jego imperfekcję wyznacza krzywa rozdziału maszyny f(r, rr)
podająca prawdopodobieństwo przejścia ziaren
o gęstości r do koncentratu.
Ilość koncentratu (górną granicę warstwy qi) dla
gęstości rozdziału rr = ri oraz ciągłej funkcji w(r),
oblicza się ze wzoru [5, 9]:


Qki  w( r )  f ( r , ri )  dr
2.1. Model strefy rozdziału
(1)
0
Ilustrację rozkładu gęstości materiału z wysokością
łoża przedstawiono poglądowo na rys. 1.
Na początku osadzarki materiał jest wymieszany,
ma w przybliżeniu stałą gęstość i stałą prędkość poziomego przemieszczania się w funkcji wysokości
łoża. Wraz ze stopniowym wydzielaniem się warstw
od gęstości największych do najmniejszych profil
rozkładu gęstości warstw i ich prędkości staje się
coraz bardziej nieliniowy. Proces wzbogacania (rozdziału) węgla i formowania się warstw o pewnym
Podobnie do wzoru na ilość koncentratu Qki (1)
można obliczyć zawartość popiołu w koncentracie:

Aki 
1
 w( r )  f ( r , ri )  a( r )  dr
Qki 0

(2)
gdzie:
a(r) – zawartość popiołu we frakcji gęstościowej
nadawy r
17
Względne natężenie przepływu frakcji qi obliczyć
można jako różnicę ilości koncentratu dla gęstości
rozdziału ri i r(i-1) :




qi  w( r )  f ( r , ri )  dr  w( r )  f ( r , r (i  1))  dr (3)
0
0
Warstwy o gęstościach ri poruszają się z prędkościami zależnymi od ich gęstości (odległości od sita
osadzarki). Przybliżoną zależność prędkości poruszania się warstw w kierunku poziomym od ich gęstości
podaje wzór [8]:
v(h)  a  h  b  h2
(4)
gdzie
a, b – współczynniki określane eksperymentalnie.
Różna prędkość warstw qi powoduje zmiany
w grubości poszczególnych warstw określone przez
poniższą zależność:
li  qi / vi  b 
oraz hi 
i
l
(5)
i
2.2. Model strefy odbioru produktów
Ilustrację zachowania się warstw gęstościowych
materiału w strefie odbioru produktów przedstawiono
na rys. 4.
Dla nominalnego natężenia przepływu nadawy oraz
dla natężeń mniejszych gęstość rozdziału w stanie
ustalonym nie zależy od położenia progu przelewowego i wyznaczona jest jedynie natężeniem odbioru
produktu dolnego. Dla większych natężeń przepływu
nadawy gęstość rozdziału zmniejsza się wraz ze
wzrostem obciążenia osadzarki. Bilans masowy/objętościowy przepływu materiału w strefie odbioru przedstawiono na rys. 5.
Wprowadźmy następujące oznaczenia:
q(i)
vi
hi
li
qg(i)
1
qd
S
b
H
1
0,9
prędkosć warstwy , m/s
0,8
– natężenie przepływu i-tej warstwy,
– prędkość przepływu i-tej warstwy,
– położenie i-tej warstwy względem sita,
– grubość i-tej warstwy,
– natężenie przepływu części i-tej warstwy do
produktu górnego,
– natężenie przepływu produktu dolnego,
– powierzchnia strefy odbioru,
– szerokość łoża,
– położenie progu przelewowego.
0,7
Bilans masowy/objętościowy w czasie dt w strefie
odbioru produktów dla dolnej warstwy w1 (i=1, oraz
0 < h1 < H) jest następujący [4, 7]:
0,6
0,5
0,4
0,3
q1  dt  qd  dt  dV 1
dh1
S
 v1  l1  b  dt  qd  dt
dt
0,2
0,1
0
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2
t
h1(t ) 
gęstość warstwy, g/cm3
Rys. 3. Przykładowa [10] zależność prędkości
przepływu warstw od ich gęstości
a)
t
b
 v1  l1  dt  qd  dt  l1( war. pocz .)
S 0
0


z ograniczeniami:
dV1 = 0 dla h < 0 i (q1-qd) < 0
b)
c)
h
A
Produkt “górny”
Nadawa
Pływak
Prędkość warstwy
H
A
h6
h5
h4
h3
h2
h1
Produkt “dolny”
Rys. 4. Ilustracja zachowania się położenia warstw gęstościowych dla zmian ilości nadawy:
a) nadawa nominalna, b) nadawa mniejsza, c) nadawa większa
(6)
18
qg(i)
v6
v5
q(i)
v4
h
h5
v1
l1
Prędkość warstwy
qd(i)
Rys. 5. Bilans masowy przepływu materiału w strefie odbioru
Bilans mas/objętości dla warunku h1 > H określony
jest przez równanie:
q
1
dt

q
ddt

q
g
1
dt

dV
1
dh
1
S
 
v
1
l1b
dt

q
ddt

q
g
1
dt(7)
dt
q
g
1
b
v
1
(
h
1

H
)
dla qd = 0,
dla qd = q1,
i
 q  dt  q
i
i
d
 dt  dVi
1
S
dhi

dt
t
hi 
i
 v  l  b  dt  q
i
i
d
t
i
  v  l  dt   q
b

S 0
 dt
(8)
1
i
i
1
d
 dt 
i
 l (war. pocz.)
i
1
0
 dt  qgi  dt  dVi
i
dhi

vi  li  b  dt  qd  dt  qgi  dt
dt
1
qgi  kgi ( v1,..vi)  ( f (h(1..i ))  H )

S
Podobnie dla i-tej warstwy jej położenie h(i) można
wyznaczyć z bilansu masowego/objętościowego (dla
0 < hi < H):
 q  dt  q
d
1
qg1 = l1bv1
qg1 = 0.
i
z ograniczeniami: dVi = 0 dla h < 0 i (qi – qd) < 0.
Położenie warstwy hi dla warunku hi > H wyznacza się z równania:
Uproszczony model symulacyjny przedstawiający
położenie i-tej warstwy w funkcji czasu przedstawiony jest na rys. 6 (Matlab/Simulink).
Model strefy odbioru produktów (natężenie przepływu nadawy – poziom warstwy o wybranej gęstości) ma charakter nieliniowego układu całkującego.
Nieliniowość charakterystyki spowodowana jest
ograniczeniami zmian położenia warstwy poniżej sita
i powyżej progu przelewowego. W części liniowej
modelu przyjęto, że wzmocnienie elementu całkującego wynosi kos = 0,667 (dla danych: natężenie przepływu nadawy do 2 przedziału qn3 = 180 m3/h,
S = 1,5 m2, b = 3 m). Model strefy odbioru produktów.
H
qd
kg(v1...vi)
+
2 - gdy h<0
i
i (Sqvii-qd-kg(hi-H)<0
Sqi-1/vi-1
qi
Sqi/vib
+
+
-
-
+
+
(9)
f(h1...i)
Warunki
począkowe
1
kos
s
“0”
2
Warunek początkowy
Rys. 6. Model symulacyjny położenia i-tej warstwy w strefie odbioru produktów
hi
19
qd
hi
Qi/vi.b li
Położenie warstw
Nadawa
qi
Rozkład prędkości
warstw “vi”
H
rp
Gęstość
pływaka
MODEL STREFY ODBIORU
Model warstwy
Produkt
dolny
Model
pływaka
Hp
Położenie
pływaka
Gęstość warstwy
na wys. Progu H
Położenie
progu H
rH
Rys. 7. Model symulacyjny strefy odbioru produktów
Położenie warstw, cm
50
40
30
próg
20
10
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Czas, s
Rys. 8. Przykładowy przebieg zmian położenia warstw hi w zależności od zmian natężenia przepływu
produktu dolnego qd – qd=0 dla t(0-300 s), qd=80 t/h dla t(300-600), qd=20t/h dla t(600-1000)
oparty na wielu warstwach materiału łoża o różnych
gęstościach przedstawiony jest na rys. 7. Model ten,
uzupełniony o model pływaka, traktowany jest jako
model obiektu sterowania, którego podstawowym
zadaniem jest utrzymywanie warstwy o zadanej gęstości na wysokości progu przelewowego niezależnie
od występujących zakłóceń.
Zależność położenia warstw hi od parametrów
nadawy oraz wielkości sterujących (qd i H) badano
dla strefy odbioru z wykorzystaniem symulatora
przedstawionego na rys. 7. Przykładowy przebieg
położenia warstw hi dla wybranych zmian zakłóceń
oraz jednakowej prędkości przemieszczania się
warstw (0,1 m/s) przedstawiono na rys. 8.
Na rys. 9 przedstawiono analogiczny przebieg
zmian położenia warstw materiału w przypadku różnych prędkości przemieszczania się warstw (dane wg
rys. 3).
Analiza wyników symulacji położenia warstw hi
w zależności od zmian parametrów nadawy (łoża
na przejściu ze strefy rozdziału do strefy odbioru)
oraz od zmian natężenia przepływu produktu dolnego qd i zmian położenia progu H prowadzi do
następujących wniosków (dla obiektu bez sterowania odbiorem qd):
a) o gęstości warstwy, która jest warstwą rozdziału
(znajduje się na wysokości progu przelewowego
H) decyduje w stanie ustalonym głównie natężenie przepływu produktu dolnego qd,
b) gęstość warstwy rozdzielczej maleje wraz ze zwiększaniem się natężenia przepływu produktu dolnego qd,
c) zmiana położenia progu przelewowego w stosunku
do położenia nominalnego nie powoduje w stanie
ustalonym zmiany gęstości rozdziału (odbija się
jedynie w stanie przejściowym),
d) zwiększenie natężenia przepływu nadawy q
w stosunku do nadawy nominalnej powoduje
zwiększenie gęstości rozdziału; analogicznie
zmniejszenie natężenia przepływu nadawy wywołuje zmniejszenie gęstości rozdziału,
20
Położenie warstw, cm
45
40
35
30
próg
25
20
15
10
5
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Czas, s
Rys. 9. Przykładowy przebieg zmian położenia warstw hi w zależności od zmian natężenia przepływu produktu
dolnego qd dla różnych prędkości vi
qd=0 dla t(0-300s), qd=80 t/h dla t(300-600), qd=20t/h dla t(600-1000)
Przykładowe zależności gęstości rozdziału od natężenia przepływu produktu dolnego qd oraz położenia
progu przelewowego (w stanie ustalonym) przedstawiono na rys.10, 11, 12 i 13.
Rys. 10. Zależność gęstości rozdziału od natężenia
przepływu produktu dolnego qd
(prędkości warstw według rys. 3)
Rys. 11. Zależność gęstości rozdziału od położenia
progu H (dla qd=80,100,120 t/h – k prędkości
warstw wg rys. 3)
Rys. 12. Zmiana gęstości rozdziału na skutek skokowej zmiany położenia progu H
(przykład dla prędkości warstw vi=v)
Rys. 13. Zmiana gęstości rozdziału
na skutek skokowej zmiany qd
(przykład dla prędkości warstw vi=v)
21
2.3. Model pływaka
120
Pływak pierścieniowy
Wysokość łoża, %
szaniny woda-węgiel. Kształty i wymiary pływaków
stosowane przez różnych producentów oraz ich
własności metrologiczne zostały przedstawione
w pracach [1, 2]. Najpowszechniej w osadzarkach
krajowych stosowane są pływaki o kształcie prostopadłościanu i wysokości w zakresie 30-50% wysokości łoża osadzarki.
Do interpretacji położenia pływaka dla różnych
rozkładów gęstości materiału w łożu można zastosować:
a) model pływaka jako opadającego ziarna o wymiarach pływaka w ośrodku rozluzowanych opadających ziaren węgla (naturalny fizykalny model
odpowiadający rzeczywistemu zachowaniu się pływaka),
b) model pływaka zanurzonego w cieczy o rozkładzie gęstości występującej w łożu materiału.
Aby wyznaczyć położenie pływaka w łożu osadzarki o zmieniającym się rozkładzie gęstości przeprowadzono badania w laboratoryjnej osadzarce [3]
dla dwóch różnych składów gęstościowych materiału (linie ciągłe) przedstawionych na rys. 14 i w tabeli 1. Z wykresu widać, że pływaki o kształtach stosowanych w osadzarkach przemysłowych zajmują
położenia stosownie do zmieniającej się gęstości
ośrodka. Pewne przesunięcie charakterystyki spowodowane jest głównie przez mechanizm faktycznego zachowania się pływaka poruszającego się
podobnie do ziarna materiału o wielkości i gęstości
pływaka. Na rys. 15 przedstawiono zależność położenia pływaka o gęstości wybranej warstwy odpowiadającej położeniu pływaka/ośrodka.
Pływak prostokątny 30
Pływak prostokątny 50
80
Nadawa
60
40
20
0
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
Gęstość ośrodka/pływaka, g/cm3
Rys. 14. Położenie pływaków doświadczalnych
w łożu osadzarki
90
Położenie plywaka o gęstości warstwy, %
Do pomiaru położenia warstwy rozdzielczej
w strefie odbioru osadzarki stosowane są powszechnie pływaki metalowe o gęstościach
dobranych odpowiednio do gęstości ośrodka mie-
100
80
70
60
50
40
30
20
20
30
40
50
60
70
80
Położenie warstwy,%
Rys. 15. Zależność położenia pływaka o gęstości
warstwy od położenia tej warstwy, %
Gęstość pływaka dobierana jest odpowiednio
do gęstości ośrodka (mieszanina wodawęgiel). Gęstościom ośrodka odpowiadają
gęstości warstw materiału suchego, których zależność zestawiono w tabeli 1.
Tabela 1
Analiza gęstościowa rozwarstwionego łoża
Nadawa 1
Nadawa 2
Gęstość
ośrodka, g/cm3
Gęstość
ziaren, g/cm3
Gęstość
ośrodka, g/cm3
Gęstość
ziaren, g/cm3
100,0
1,14
1,22
100,0
1,14
1,22
86,3
1,18
61,3
1,22
1,28
95,4
1,17
1,28
1,35
86,3
1,22
1,35
40,9
25,0
1,28
1,45
75,0
1,29
1,45
1,35
1,56
59,1
1,37
1,57
13,6
1,40
1,65
38,6
1,40
1,65
4,5
1,44
1,72
13,6
1,44
1,72
0,0
1,49
1,80
0,0
1,49
1,80
Wysokość
łoża, %
Wysokość
łoża, %
22
Zależność gęstości ośrodka od gęstości ziaren materiału podaje następująca zależność:
Rozkład zmian nadawy do osadzarki
60
50
(10)
1
rp  
H
h H
Liczba obs.
Liniowa zależność (10) powoduje, że wykres na
rys. 15 przedstawia jednocześnie zależność położenia
hipotetycznego pływaka poruszającego się w łożu
materiału suchego o identycznym rozkładzie gęstości
ziaren wyliczonym za pomocą równania (10).
Powyższa przybliżona analiza pokazuje, że dla
oceny wpływu zmian profilu gęstości warstw na
położenie pływaka można stosować model zastępczej
cieczy o danym rozkładzie gęstości i bilans siły ciężkości pływaka i siły wyporu.
W modelu pływaka zanurzonego w jednorodnej cieczy (prawo Archimedesa) o zmiennym profilu gęstości
r(h), średnią gęstość warstwy materiału odpowiadającej
wysokości pływaka oblicza się ze wzoru [1]:
40
30
20
10
0
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Rys. 16. Histogram wskazań wagi przenośnikowej
Rozkład klasy < 1.5 g/cm3
28
26
24
22
20
18
 r (h)  dh
16
14
12
10
8
6
h
4
2
2. ZMIENNOŚĆ NADAWY
0
48
52
56
60
64
68
72
76
Udział, %
Rys. 17.a. Rozkład klasy < 1,5 g/cm3
Rozkład klasy 1.5 - 1.8 g/cm3
40
35
30
Liczba obs.
25
20
15
10
5
0
4
6
8
10
12
14
16
Udział, %
Rys. 17.b. Rozkład klasy 1,5-1,8 g/cm3
Rozkład klasy 1.8 g/cm3
40
35
30
25
Liczba obs.
Nadawa do osadzarki w postaci miału surowego
30 (20) ÷ 3(0) mm zmienia się pod względem ilości
i jakości. Z punktu widzenia działania układu odbioru
produktów w osadzarce istotne są zarówno zmiany
natężenia przepływu, jak i zmiany udziału frakcji gęstościowych. Wielkość tych zmian w czasie oceniono
na podstawie przeprowadzonych pomiarów oraz na
podstawie danych literaturowych [5]. Zmiany natężenia nadawy określono na podstawie rejestrowanych
w ciągu kilkudziesięciu dni wskazań wagi przenośnikowej zainstalowanej na przenośniku taśmowym
nadawy do osadzarki. Histogram wskazań wagi (średnie za okresy 5 minutowe) przedstawiono na rys. 16.
Parametry rozkładu są następujące:
 wartość średnia: 280 t/h
 odchylenie standardowe: 88,6 t/h.
Do dalszej analizy symulacyjnej przyjęto zakres
zmian dwukrotnego odchylenia standardowego,
a więc zakres zmian ok. ± 60% nominalnego natężenia przepływu jako praktycznie maksymalnych występujących zmian ilości nadawy.
Zmienność charakterystyki wzbogacalności węgla
surowego określono na podstawie tzw. analiz ruchowych węgla surowego wykonywanych rutynowo na
każdej zmianie roboczej. Na rys. 17 przedstawiono
histogramy udziałów klas gęstościowych: koncentrat
(< 1,5 g/cm3), przerost ( 1,5 ÷ 1.8 g/cm3) oraz odpady
( >1,8 g/cm3).
550
Natężenie przepływu nadawy, t/h
Liczba obs.
ro  0,41  0,6  rz
20
15
10
5
0
16
20
24
28
32
36
40
44
Udział,%
Rys. 17.c. Rozkład klasy > 1,8 g/cm3
23
B)
A)
h
Produkt
górny
woda
Gęstość
rozdziału
hg
Hp
woda
hg1
hg2
Próg
Próg
Pływak
Pływak
H
Produkt
górny
Gęstość ośrodka
Produkt dolny
Produkt dolny
Rys. 18. Strefa odbioru produktów z pływakiem częściowo wynurzonym w wodzie (A)
i całkowicie zanurzonym w materiale(B)
Parametry rozkładów są następujące:
Wartość średnia,
%
Odchylenie standardowe,
%
Koncentrat
60,9
4,3
Półprodukt
8,2
1,7
Odpady
30,8
4,0
Zmiana gęstości rozdziału,
g/cm3
0,08
0,06
0,04
0,02
0
-60
-40
-20
-0,02
0
20
40
60
-0,04
-0,06
-0,08
Zmiana ilości produktu górnego, %
Rys. 19. Wpływ zmian ilości produktu górnego na zmiany gęstości rozdziału
Z danych literaturowych [5] zmienność frakcji
gęstościowych rejestrowana w ciągu kilku miesięcy wynosiła odpowiednio: koncentrat (średnia:
55,7% σk = 7,5%), półprodukt (średnia: 3,78 σp =
0,68%), odpady (średnia: 40,5% σo = 7,1%).
Do dalszych badań symulacyjnych przyjąć
można względny maksymalny zakres zmian klas
gęstościowych: ±30-40% wokół ich wartości nominalnej.
Wpływ zmian nadawy na gęstość rozdziału
w układzie sterowania odbioru produktów
W dalszej części analizę ograniczono do zbadania wpływu zmian nadawy na gęstość rozdziału
w układzie sterowania odbioru produktów (w stanie ustalonym). Założono, że układ sterowania
idealnie utrzymuje stałe położenie pływaka względem progu przelewowego, a zmienia się jedynie
rozkład gęstości materiału wzdłuż wysokości pływaka. Badano zmiany gęstości rozdziału w układzie z pływakiem nieznacznie wynurzonym z materiału w łożu oraz z pływakiem całkowicie zanurzonym w materiale (rys. 18). Obliczenia przeprowadzono dla przykładowych prędkości warstw
materiału podanych na rys. 3.
Na rys. 19 i 20 przedstawiono przykładowe
zmiany gęstości rozdziału wywołane zmianami
24
Rys. 20. Wpływ zmian gęstości warstwy w pobliżu progu przelewowego na zmiany gęstości rozdziału
ilości nadawy, produktu górnego oraz gęstości
produktu górnego lub jego frakcji (warstw). Na
rys. 19 przedstawiono wpływ zmian ilości produktu górnego na gęstość rozdziału w sytuacji gdy
pływak jest nieznacznie wynurzony z materiału (A)
(przykładowe dane: Hp=20 cm, hg=7 cm, rg=1,45
g/cm3,rr=1,6 g/cm3). Na rys. 20 przedstawiono
wpływ zmian gęstości dwóch frakcji (warstw)
w przypadku, gdy pływak jest całkowicie zanurzony materiale (hg1=hg2=3,5 cm, rg1=1,35 g/cm3,
rg2=1,5 g/cm3, rr =1,6 g/cm3).
w okresach, w których pływak jest nawet nieznacznie wynurzony z materiału i częściowo zanurzony
jest
w wodzie. Odbija się to w ilości i jakości produktu
górnego (koncentrat, półprodukt).
Na rozkład gęstości warstw wzdłuż wysokości łoża
istotny wpływ ma różna prędkość przemieszczania
się warstw gęstościowych w kierunku poziomym
oraz fakt, że górne warstwy mogą nie osiągać stanu
„zwartego” w końcowej części cyklu pulsacji. Szczególnie dotyczy to drobnych klas ziarnowych znajdujących się w nadawie.
WNIOSKI
Literatura
Model strefy odbioru produktów w osadzarce opisujący położenie poszczególnych warstw gęstościowych łoża umożliwia analizę wpływu zmian parametrów nadawy na zachowanie się pływaka jako podstawowego urządzenia pomiarowego w układzie
sterowania odbioru produktów. Model ten musi
uwzględniać wpływ położenia warstw dolnych łoża
na położenie warstw górnych.
Położenie pływaka o określonej gęstości w łożu
osadzarki zależy od rozkładu gęstości materiału
wzdłuż wysokości pływaka i w związku z tym gęstość warstwy rozdzielczej (gęstość rozdziału) znajdującej się na wysokości progu przelewowego zależy
od kształtu profilu gęstości warstw nad i pod progiem. Im bardziej nieliniowy rozkład gęstości warstw
tym większy wpływ zmian ilości nadawy i udziału
poszczególnych frakcji gęstościowych na gęstość
rozdziału. W skrajnych przypadkach zmiany ilości
nadawy lub udziału frakcji gęstościowych o ± 30%
w stosunku do nadawy „nominalnej” mogą powodować zmiany gęstości rozdziału o ±0,05 g/cm3.
Istotne zmiany gęstości rozdziału występują również
Cierpisz S., Kowol D.: Wpływ zmian parametrów nadawy na
fluktuacje gęstości rozdziału węgla w osadzarce. Mechanizacja
i Automatyzacja Górnictwa, nr 7 (426), Katowice 2006.
2. Cierpisz S., Heyduk A., Kowol D.: Symulacyjne badania wpływu
kształtu pływaka na fluktuacje gęstości rozdziału w osadzarce.
Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, nr 6 (437), Katowice
2007.
3. Cierpisz S., Kowol. D.: Charakterystyki pływaka jako elementu
pomiarowego w osadzarce. Materiały Konferencji KOMEKO
2008, Szczyrk 2008 .
4. Cierpisz S.: Automatyczna regulacja w układach zawiesinowych
wzbogacalników węgla. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej,
Gliwice 2002.
5. Cierpisz S. i in.: Komputerowe modele symulacyjne przebiegu
procesów wzbogacania węgla. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Monografia nr 41, Gliwice 2003.
6. Dietrych J.: Osadzarki. PWT, Katowice 1953.
7. Głowiak S: Zalety i wady ruchomego progu w osadzarce. Materiały XI Konferencji APPK, Szczyrk 2005.
8. Głowiak S.: Wybrane zagadnienia regulacji jakości produktów
wzbogacania w osadzarce. Materiały XII Konferencji APPK,
Szczyrk 2006.
9. King R.: Modeling & Simulation of Mineral Processing Systems.
Butterworth-Heinemann Linacre House, 2001.
10. Praca zbiorowa: Coal Preparation in South Africa. The South
African Coal Processing Society, Pietermaritzburg 2002.
11. Surowiak A.: Wpływ rozkładu właściwości fizycznych i geometrycznych ziaren na dokładność rozdziału w osadzarce na przykładzie węgla. Praca doktorska, AGH, Kraków 2006.
1.
Recenzent: dr hab. inż. Krystian Kalinowski prof. nzw. w Pol. Śl.
dr hab. inż. KRYSTIAN KALINOWSKI, prof. nzw. w Pol. Śl.
WSIiZ w Bielsku Białej, Politechnika Śląska
dr inż. ROMAN KAULA, prof. nzw. w Pol. Śl.
Optymalizacja produkcji grupy zakładów
przeróbki węgla przy uwzględnieniu ograniczeń
dotyczących sieci powiązań produkcyjnych
układu nadrzędnego
Artykuł dotyczy zagadnień sterowania nadrzędnego w układzie grupy zakładów
przeróbki węgla. W opracowaniu zostały przedstawione wyniki analizy optymalizacyjnej, dotyczącej sieci powiązań pomiędzy producentami i odbiorcami węgla.
Ograniczeniami w rozpatrywanym zagadnieniu są: ilości i jakości produktów mieszanek węgla przyjęte w umowach handlowych. W pracy została przeprowadzona
analiza optymalizacyjna z dodatkowym założeniem dotyczącym ograniczeń związanych z ilością możliwych umów handlowych pomiędzy pojedynczymi producentami
a odbiorcami węgla. Określony został wpływ przyjętych ograniczeń na wyniki ekonomiczne produkcji. Podstawę badań stanowił opis analityczny modeli statycznych
układów technologicznych wzbogacania węgla. Badania zostały przeprowadzone
metodami symulacyjnymi.
1. WSTĘP
W Katedrze Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa Politechniki Śląskiej od kilku lat prowadzone są analizy dotyczące zagadnień sterowania
i optymalizacji produkcji grupy zakładów przeróbki
węgla [3]. Z punktu widzenia sterowania produkcją,
grupa zakładów przeróbki węgla jest układem wielowarstwowym (hierarchicznym) składającym się
z kilku podsystemów o określonych funkcjach celu
yi oraz zmiennych sterowalnych xi dla i-tego podsystemu. Poglądowy schemat takiego nadrzędnego
układu sterowania obejmującego kilka podsystemów (układów technologicznych przeróbki węgla)
oraz jego powiązania kij z odbiorcami węgla oj
(o określonych dla każdego odbiorcy parametrach
ilościowo-jakościowych produktów) przedstawiono
na rys. 1. Analiza sieci powiązań pomiędzy grupą
zakładów przeróbczych i odbiorców produktów
węglowych pokazuje, że realizację zawartych umów
można wykonać na wiele sposobów, dostosowując
odpowiednio parametry ilościowo-jakościowe produktów jednego zakładu do odpowiednich parametrów produktów innych zakładów w rozpatrywanej
grupie [1, 2, 3].
Produkty wzbogacania pojedynczych układów
technologicznych można uzyskać za pomocą różnych technologii produkcji. Często stosowaną
w praktyce przemysłowej strukturą technologiczną,
dla układów technologicznych wzbogacania węgla
energetycznego, jest produkcja mieszanki w układzie wzbogacalnika grawitacyjnego (na przykład
osadzarki) ze strugą miału surowego bocznikującą
osadzarkę (rys. 2).
W strukturze tej w poszczególnym i-tym zakładzie
wzbogacania część nadawy kierowana jest do osadzarki, a pozostała część do bocznika. Nadawę
z bocznika miesza się z koncentratem z osadzarki
w celu uzyskania mieszanki o odpowiedniej wartości
zawartości popiołu Am (i, j ) . Mieszanka ta przeznaczona jest do utworzenia uśrednionej mieszanki
j-tego odbiorcy w jego centralnym obiekcie uśredniania. Pozostała część koncentratu M k (i,7) o zawar-
26
warstwa
sterowania nadrzędnego
optymalizacja
y1
k1
k 11
y 1 =f 1 (x )
ol
k 1j
k 1n
k i1
yi
ki
oj
k ij
y i =f i (x )
k in
km j
km 1
ym
km
on
km n
y m =f m( x )
Rys. 1. Schemat powiązań układu nadrzędnego przeróbki węgla
 opt
R
opt
UŚREDNIANIE
1
opt
11
1
(1,1
)A
(1,1
m
Tak
)
(1)
A (1)
Momzad
omzad
O1
Mm
(6)
(6)
Momzad
Aomzad
O6
A
opt
R
51
5
M k(1,7) A k(1,7)
,1)
5
52
m (5
 opt
O7
M
Ropt
m (5
,1)
Tak
ODBIORCY
R12
Mk ( 5
,7) A
Tak
EKSPORT
k ( 5 ,7 )
Rys. 2. Uproszczony schemat technologiczny układu nadrzędnego grupy zakładów i odbiorców węgla
tości popiołu Ak (i,7) kierowana jest do centralnego
obiektu uśredniania koncentratów przeznaczonych na
eksport. Uśredniona zawartość popiołu tego koncentratu powinna wynosić Akzad .
2. KRYTERIUM OPTYMALIZACJI SIECI POWIĄZAŃ GRUPY ZAKŁADÓW PRZERÓBKI
WĘGLA Z ODBIORCAMI
W monografii [3] przedstawiono wyniki wielu analiz dotyczących optymalizacji produkcji grupy zakładów przeróbki węgla przy określonych kryteriach
optymalizacyjnych. W niniejszym artykule przeprowadzono analizę uwzględniającą dodatkowe ograni-
czenia produkcyjne związane z maksymalną liczbą
dostawców i odbiorców węgla przyjętą w umowie
handlowej. W poniżej podanych analizach ograniczenia jakościowe parametrów dotyczą zawartości
popiołu w produkcie na eksport oraz zawartości popiołu mieszanek energetycznych. Wobec tego przyjęte (w pracy) kryterium optymalizacyjne ma postać:
 5

MaxZ   Max  M ki 
 i 1


(1)
z ograniczeniami nałożonymi na parametry jakościowe i ilościowe produktów:
Ak  Ak _ zad
Am( j )  Am( j ) _ zad
M m( j )  M m( j ) _ zad
(2)
27
oraz ograniczeniami na powiązania produkcyjne
pomiędzy zakładami i odbiorcami mieszanek energetycznych:
(i, j )  (imax, j )
(i, j )  (i, jmax )
(3)
gdzie:
Z
– zysk (zł),
Mk(i) – masa koncentratu i-tego produktu, Mg,
Mm(j) – masa mieszanki energetycznej j-tego odbiorcy, Mg,
Am(j) – zawartość popiołu mieszanki energetycznej
j-tego odbiorcy, %,
Ak – zawartość popiołu koncentratu na eksport, %.
2. WYNIKI OBLICZEŃ OPTYMALIZACYJNYCH
W pracy przeprowadzono obliczenia optymalizacyjne dla funkcji celu (1) z ograniczeniami na parametry ilościowe i jakościowe (2). Założono, że
w umowach handlowych wprowadzono dodatkowy
warunek dotyczący liczby dostawców węgla do
każdego odbiorcy (i, j ) . W analizach założono, że
ograniczenia te dotyczą zarówno producentów jak i
odbiorców (3). Zależność wiążącą każdego odbiorcę energetyki z określoną (nie większą) liczbą
dostawców przedstawiono jako (imax , j ) . Warunek,
w którym producenci mogą dostarczać węgiel do
określonej liczby odbiorców określono wyrażeniem (i, jmax ) .
W tabeli 1 przedstawiono wyniki optymalizacji
przeprowadzonej dla ograniczeń produkcyjnych
związanych z maksymalna liczbą dostawców i odbiorców węgla przyjętą w umowie handlowej. Obliczenia przeprowadzono osobno dla ograniczeń związanych z liczbą producentów i liczbą odbiorców
węgla. W obliczeniach przyjęto, że maksymalna
liczba powiązań produkcyjnych dla każdego odbiorcy
wynosi pięć, a minimalna dwa. Sytuacja, w której
odbiorcy mogą otrzymywać węgiel ze wszystkich
kopalń jest przypadkiem bez ograniczeń i wartość
funkcji celu uzyskana w tym wariancie jest przyjęta
jako maksymalna. Wartość ta została przyjęta jako
wartość odniesienia równa 100%.
Na rys. 3-6 przedstawiono strukturę optymalnych
powiązań produkcyjnych uzyskanych dla różne wariantów ograniczeń przedstawionych w tabeli 1. Przyjęto na wykresach oznaczenia, w których literą O
oznaczono odbiorców energetyki zawodowej, natomiast literą K producentów węgla.
3. PODSUMOWANIE
W artykule przedstawiono wyniki analizy symulacyjnej dotyczącej optymalizacji produkcji grupy
zakładów przeróbki węgla, przy wprowadzeniu dodatkowych ograniczeń związanych ze strukturą powiązań produkcyjnych pomiędzy producentami
i odbiorcami węgla. W rozpatrywanym układzie nadrzędnym (rys. 2) teoretycznie istnieje możliwość dostarczania produktów do każdego z odbiorców energeTabela 1
Ograniczenia produkcyjne pomiędzy i-tym zakładem a j-tym odbiorcą
Ograniczenia na więzy produkcyjne (Ki,Oj) ≤ (Ki_max, Oj_max)
Założone maksimum powiązań
Optymalizacja powiązań
Funkcja celu
Mk max
%
Ograniczenia producentów węgla
(i,6)
(i,5)
100
(i,5)
(i,5)
100
(i,4)
(i,3)
99,79
(i,3)
(i,3)
99,79
(i,2)
(i,2)
97,13
Ograniczenia odbiorców węgla
(5,j)
(3,j)
100,00
(4,j)
(3,j)
100,00
(3,j)
(3,j)
100,00
(2,j)
(2,j)
98,07
28
100,00
90,00
K1
K2
K3
K4
K5
80,00
Mm , %
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
O1
O2
O3
O4
O5
O6
Rys. 3. Ilustracja optymalnych powiązań pomiędzy producentami i odbiorcami węgla,
wyznaczonych dla kryterium (1-2), przy założeniu ograniczeń sieci powiązań imax  2
100,00
90,00
K1
K2
K3
K4
K5
80,00
Mm , %
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
O1
O2
O3
O4
O5
O6
100,00
Mm , %
90,00
80,00
K1
70,00
K2
60,00
K3
50,00
K4
40,00
K5
30,00
20,00
10,00
0,00
O1
O2
O3
O4
O5
O6
Mm , %
29
100,00
90,00
80,00
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
K1
K2
K3
K4
K5
O1
O2
O3
O4
O5
O6
Odbiorcy
Rys. 6. Ilustracja optymalnych powiązań, pomiędzy producentami i odbiorcami węgla,
wyznaczonych dla kryterium (1-2), przy założeniu ograniczeń sieci powiązań jmax  2
getyki zawodowej z wszystkich zakładów. W praktyce przemysłowej taka sytuacja może być skomplikowana nie tylko pod względem technologicznym, ale
także logistycznym. Zatem istotnym jest przeprowadzenie analizy, w której określi się wpływ ograniczeń
związanych z liczbą maksymalnych powiązań produkcyjnych na wybraną funkcję celu (produkcję koncentratu na eksport). W przeprowadzonych obliczeniach założono dwa rodzaje ograniczeń na kontrakty
handlowe pomiędzy producentami i odbiorcami
energetyki: związane z maksymalną liczbą producentów dostarczających produkty do określonego odbiorcy oraz maksymalną liczbę odbiorów, z którymi
umowę ma poszczególny producent. Wyniki obliczeń
odniesiono do przypadku bez ograniczeń, w którym
możliwe są wszystkie powiązania produkcyjne pomiędzy producentami i odbiorcami (dla 5 zakładów
oraz 6 odbiorców istnieje możliwość 30 więzów
produkcyjnych).
Należy zauważyć, że niezależnie od przyjętych
ograniczeń, maksymalna liczba więzów produkcyjnych pomiędzy dowolnym odbiorcą a producentami
węgla nie przekracza trzech. Najlepsze wyniki uzyskano dla struktury powiązań, w której wybrane kopalnie dostarczają mieszanki do pięciu odbiorców
(rys. 5). Sytuacja ta miała miejsce dla wariantów:
(i,6), (i,5), (5,j), (4,j), (3,j). Jak wynika z przeprowadzonych obliczeń ilość koncentratu na eksport dla
układu z najmniejszą liczbą powiązań produkcyjnych
(najostrzejszymi ograniczeniami) jest mniejsza
o prawie 3% od wartości maksymalnej wyznaczonej
dla układu bez ograniczeń produkcyjnych.
Analiza układu pod kątem ograniczeń produkcyjnych przeprowadzona została dla jednej charakterystyki węgla surowego każdej kopalni. Kolejnym
etapem badań będzie określenie powiązań produk-
cyjnych omawianej grupy zakładów i odbiorców
węgla przy innych charakterystykach węgla surowego. Umożliwi to porównanie wyników optymalizacji produkcji dla różnych warunków technologicznych, a także pozwoli uzyskać istotne informacje dotyczące możliwych wariantów zawierania
kontraktów handlowych pomiędzy producentami
i odbiorcami węgla.
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
Cierpisz S., Kalinowski K., Kaula R., Pielot J.: Zastosowanie
modeli symulacyjnych w optymalizacji produkcji grupy zakładów wzbogacania węgla. Konferencja KOMEKO: „Innowacyjne systemy przeróbki surowców mineralnych”, Szczyrk,
21-23 marzec 2006.
Cierpisz S., Kalinowski K., Kaula R., Pielot J.: Maksymalizacja wartości produkcji sortymentów handlowych węgla o zadanych wartościach opałowych w układzie grupy kopalń. Materiały XII Konferencji „Automatyzacja Procesów Przeróbki
Kopalin”, Szczyrk, 31 maj–2 czerwca 2006, str. 53-64.
Cierpisz S., Kalinowski K., Kaula R., Pielot J.: Sterowanie
i optymalizacja produkcji grupy zakładów przeróbki węgla.
Monografia nr 107, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2006.
Cierpisz S. Kalinowski K., Kaula R., Pielot J.: Analiza produkcji grupy zakładów wzbogacania węgla w warunkach
zmiennej jakości wydobywanego węgla surowego. Kwartalnik
Górnictwo i Geologia, tom 1, Nr 4, 2006, str. 19-31.
Cierpisz S., Kalinowski K., Kaula R., Pielot J.: Zagadnienia
optymalizacji produkcji grupy zakładów wzbogacania węgla.
Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2009, nr 4, str.
3-14.
Recenzent: prof. dr hab. inż. Stanisław Cierpisz
dr inż. KAZIMIERZ MIŚKIEWICZ
dr inż. ANTONI WOJACZEK
Politechnika Śląska, Katedra Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa
inż. DARIUSZ WÓJCIK
Wyższy Urząd Górniczy
Zintegrowany system łączności telefonicznej
na przykładzie Kopalni Gipsu i Anhydrytu w Niwnicach
Omówiono budowę systemu łączności telefonicznej i alarmowo-rozgłoszeniowej
dla Kopalni Gipsu i Anhydrytu (KGiA) Nowy Ląd. Jest to przykład systemu łączności w wersji sieciowej dla małych kopalń zrealizowany na bazie systemu
HETMAN/Z. Cechą charakterystyczną systemu jest wspólny redundantny serwer
dyspozytorsko-alarmowy SDA) dla obsługi łączności telefonicznej i alarmoworozgłoszeniowej. Dla zwiększenia niezawodności działania systemu telekomunikacyjnego kopalni, na wypadek awarii urządzeń stacyjnych zostały opracowane
odpowiednie procedury postępowania (z zastosowaniem lokalnych środków
łączności) w wypadku uszkodzenia elementów stacyjnych systemu. Opisywane
rozwiązanie uzyskało indywidualne dopuszczenie do stosowania w zakładach
górniczych.
1. WPROWADZENIE
Aktualnie obowiązujące przepisy wymagają stosowania w podziemnych zakładach górniczych łączności alarmowo-rozgłoszeniowej i ogólnozakładowej
łączności telefonicznej [6, 7]. W kopalniach instaluje
się więc urządzenia stacyjne:
 ogólnokopalnianej centrali telefonicznej,
 centrali alarmowej (stojak separacji iskrobezpiecznej SSI-STAR i stojak liniowo-dyspozytorki SLDSTAR systemu STAR, stojak liniowo-separujący
SSI-SAT, serwer dyspozytorsko-alarmowy SDA
systemu HETMAN).
Urządzenia abonenckie tzw. telefony sygnalizatory,
a także przełącznice, zasilanie gwarantowane i sieć
telekomunikacyjna są wspólne zarówno dla systemu
łączności telefonicznej jak i alarmowo-rozgłoszeniowej.
W systemach alarmowania funkcje dyspozytorskiej
łączności głośnomówiącej i alarmowej są dostępne
nawet przy wyłączonej lub uszkodzonej centrali telefonicznej. W systemie HETMAN dodatkowo funkcje
łączności telefonicznej są dostępne nawet w przypadku wyłączenia lub uszkodzenia serwera dyspozytorsko-alarmowego SDA. Struktury systemów łączności telefonicznej i alarmowo-rozgłoszeniowej w
wersji iskrobezpiecznej i nieiskrobezpiecznej pokazano na rys. 1.
W polskim górnictwie funkcjonuje kilka małych
podziemnych zakładów górniczych. Jako przykłady
można wymienić [www.wug.gov.pl]:
 2 kopalnie glin ceramicznych zatrudniające około 140
pracowników i o rocznym wydobyciu 55 tys. ton
 2 kopalnie gipsu i anhydrytu zatrudniające około
200 pracowników i o rocznym wydobyciu 112 tys.
ton.
Cechą charakterystyczną takich kopalń jest nieduża
głębokość, brak zagrożeń wybuchem metanu i możliwość stosunkowo szybkiej ewakuacji załogi na
powierzchnię. Dla tych przypadków przyjęte rozwiązania techniczne systemów łączności telefonicznej
i alarmowo-rozgłoszeniowej powinny uzyskać indywidualne dopuszczenie Prezesa WUG. W artykule
przedstawiono rozwiązanie zrealizowane w KGiA
Nowy Ląd w Niwnicach.
31
SAT
HETMAN
Wersja nieiskrobezpieczna
Wersja iskrobezpieczna
STAR
Rys. 1. Różne struktury systemów łączności telefonicznej i alarmowo-rozgłoszeniowej w kopalniach.
CT – centrala telefoniczna, CPT cyfrowy pulpit dyspozytorski (łączności telefonicznej), SDA – serwer dyspozytorski alarmowy, PD-STAR, PD-SAT, PD-HETMAN – pulpity dyspozytorskie odpowiednich systemów alarmoworozgłoszeniowych, B – zespół separacji iskrobezpiecznej, T – telefon (dołowy), TS – telefon sygnalizator
System łączności telefonicznej i alarmoworozgłoszeniowej powinien:
 spełniać wymagania przepisów dotyczące ogólnozakładowej łączności telefonicznej, dyspozytorskiej
i systemów alarmowo-rozgłoszeniowych,
 umożliwiać realizację struktur rozproszonych (sieciowych),
 umożliwiać wykorzystanie innych istniejących
systemów łączności lokalnej do powiadamiania załogi o ewakuacji w przypadku ewentualnego
uszkodzenia systemu alarmowo-rozgłoszeniowego.
Rys. 2. Schemat blokowy systemu łączności telefonicznej
Wszystkie systemy przedstawione na rys. 1 można
wykonać w wersji rozproszonej (sieciowej) [2, 4, 8].
System HETMAN podejmuje próbę rozwiązania
problemu systemów łączności telefonicznej i alarmowo-rozgłoszeniowej dla małych kopalń (rys. 2).
2. CHARAKTERYSTYKA KOPALNI
NOWY LĄD
Kopalnia Gipsu i Anhydrytu (KGiA) „Nowy
Ląd” w Niwnicach zajmuje się wydobyciem i przeróbką anhydrytu i unikalnego białego gipsu cechsztyńskiego oraz produkcją materiałów na bazie wydobywanych surowców. Spółka jest niemal wyłącznym producentem gipsów specjalistycznych (medycznych, modelowych i dentystycznych) w Polsce.
Swoją przyszłość wiąże przede wszystkim z produkcją spoiw budowlanych na bazie własnych surowców naturalnych.
KGiA jest kopalnią niegazową. Kopaliny wydobywa się systemem komorowym. Transport podziemny
32
Rys. 3. Uproszczony schemat blokowy systemu łączności telefonicznej i alarmowo-rozgłoszeniowej
dla KGiA Nowy Ląd
urobku i materiałów odbywa się w przenośnikami
oraz zestawami ciągników kołowych (oponowych)
o napędzie spalinowym. Eksploatacja odbywa się
w dwóch polach:
 Pole Nowy Ląd,
 Pole Radłówka.
W Polu Nowy Ląd urobek na powierzchnię (z poziomu +80 do poziomu +240) transportuje się upadową skipową z maszyną linową. W Polu Radłówka
urobek na powierzchnię transportuje się upadową
(około 220 m, upad 12º), w której zainstalowane są
dwa przenośniki taśmowe. W upadowej tej mogą
poruszać się również pojazdy kołowe z napędem
spalinowym.
Pola Nowy Lad i Radłówka oddalone są od siebie
o kilka km i nie są połączone wyrobiskami podziemnymi. Obecna nazwa Spółki istnieje od 1997 roku,
kiedy to w struktury KGiA włączono również oddaloną o około 30 km Kopalnię Anhydrytu „Lubichów”. Ponad 95% udziałów w KGiA ma koncern
ATLAS, posiadający cztery własne kopalnie: gipsu,
anhydrytu i piasku kwarcowego.
3. SYSTEM ŁĄCZNOŚCI TELEFONICZNEJ I
ALARMOWO-ROZGŁOSZENIOWEJ DLA KGiA
MAN/Z w wersji sieciowej. W Polach Nowy Ląd
i Radłówka zainstalowano serwery dyspozytorskoalarmowe SDA połączone między sobą łączem dzierżawionym (TP SA) Frame Relay [5] o przepływności
2 Mb/s. Schemat blokowy systemu pokazano na rys. 3.
Oba serwery SDA (DGT Millenium) posiadają
między innymi niezależne:
 jednostki sterujące, pola komutacyjne, stanowiska
nadzoru, układy nagrywania rozmów oraz telefony
systemowe mogące pełnić funkcje telefonów dyspozytorskich,
 urządzenia zasilania gwarantowanego,
 łącza do sieci publicznej dwóch operatorów; za
pośrednictwem łączy stałoprądowych i ISDN (sieć
publiczna) oraz do operatora telefonii komórkowej
(za pośrednictwem bramek GSM).
Łącze Frame Relay przyłączone do przełączników
(switch) obu serwerów SDA (za pośrednictwem
routera) zapewnia:
 transmisję rozmów telefonicznych między Polami
Nowy Ląd i Radłówka (w tym także w trybie alarmowo-rozgłoszeniowym) za pośrednictwem kart
VoIP1,
 połączenie sieciowe dla potrzeb diagnostyki i zarządzania między jednostkami sterującymi serwerów SDA.
1
W KGiA Nowy Ląd zastosowano system łączności
telefonicznej i alarmowo-rozgłoszeniowej HET-
VoIP – Voice over Internet protocol [1]. Karta VoIP wielokanałowy interfejs pomiędzy centralą telefoniczną a zewnętrzną siecią komputerową
Awizo (telefon systemowy DGT) jest przyłączone
do serwera SDA Pola Nowy Ląd i obsługuje abonentów obu serwerów. Dyspozytorski pulpit alarmowy
z ekranem dotykowym DGT 3780 jest przyłączony
do serwera SDA Pola Nowy Ląd i obsługuje telefony
sygnalizatory JANTAR 2 przyłączone do obu serwerów SDA. Rozmowy obsługiwane przez pulpit alarmowy są rejestrowane w rejestratorze NetCRR.
W przypadku uszkodzenia łącza Frame Relay
zintegrowany system telekomunikacyjny obu ruchów będzie funkcjonował jako dwie niezależne
centrale telefoniczne abonenckie. Każda z central
obsługuje własnych abonentów, a także jest połączona z siecią publiczną. Połączenia między tymi
centralami nadal są możliwe za pośrednictwem TP
S.A. lub operatora GSM. W takiej konfiguracji
dostęp dyspozytora Pola Nowy Ląd do funkcji
alarmowo-rozgłoszeniowych telefonów JANTAR 2
Pola Radłówka jest niemożliwy. Obsługa funkcji
alarmowo-rozgłoszeniowych dla abonentów Pola
Radłówka jest wtedy realizowana z zapasowego
stanowiska dyspozytorskiego w biurze kierownika
Pola Radłówka, a rozmowy prowadzone w trybie
alarmowym są rejestrowane lokalnie w rejestratorze NetCRR zainstalowanym w polu Radłówka.
4. PRACA ZINTEGROWANEGO SYSTEMU
ŁĄCZNOŚCI W WARUNKACH USZKODZEŃ
Dyspozycyjność zintegrowanego systemu
łączności i alarmowania w warunkach ewentualnych uszkodzeń części stacyjnych elementów
systemu telekomunikacyjnego uzyskano przez
wykorzystanie dodatkowo istniejących lokalnych
środków łączności oraz opracowanie odpowiednich procedur postępowania. W opracowanych
procedurach uwzględniono następujące stałe
stanowiska pracy:
 Pole Nowy Ląd
 upadowa skipowa na zrębie (poziom +240 m),
 upadowa skipowa załadunek skipu (poziom
+80 m),
 maszynista.
 Pole Radłówka
 zasyp na ciąg przenośników taśmowych (na dole),
 wysyp przenośnika na powierzchni.
Do tego celu wykorzystane zostaną również lokalne systemy łączności, takie jak:
 lokalna łączność głośnomówiąca dla przenośników
taśmowych w pochylni Radłówka,
33
lokalna łączność głośnomówiąca dla przenośników
taśmowych w polu Nowy Ląd,
 telefoniczna łączność szybowa w polu Nowy Ląd.
Na rys. 4 pokazano schemat blokowy kopalni
z naniesionymi lokalnymi systemami łączności.
Dla systemu łączności telefonicznej i alarmoworozgłoszeniowej w KGiA Nowy Ląd opracowano
między innymi procedury określające czynności,
jakie należy wykonać w następujących sytuacjach:
 uszkodzenie łącza Frame Relay,
 uszkodzenie serwera SDA w polu Radłówka,
 uszkodzenie serwera SDA w polu Nowy Ląd.

4.1. Uszkodzenie łącza Frame Relay
Dyspozytor po otrzymaniu na pulpicie informacji
o alarmie powiadamia kierownika Pola Radłówka
w następujący sposób:
 łączami zewnętrznym TP SA. lub drugiego operatora (GSM), dzwoniąc do biura kierownika,
 dzwoniąc do telefonu ISDN (numer końcowy
z centrali TP SA) w biurze kierownika.
Jeżeli kierownik nie odbierze telefonu (bo jest czasowo nieobecny w biurze) to dyspozytor powiadamia
obsługę przesypu na powierzchni (stałe stanowisko
pracy) telefonem wewnętrznym centrali Radłówka
(przez łącza TP SA., bramkę GSM) lub telefonem
ISDN. Obsługa przesypu powiadamia kierownika na
powierzchni (szuka go na terenie zakładu pracy) lub
urządzeniami głośnomówiącymi GTL (jeżeli jest na
dole). Kierownik Pola Radłówka udaje się do swojego biura i stamtąd będzie obsługiwał zapasowy pulpit
dyspozytorski alarmowy. Na rejestratorze NetCRR
centrali Pola Radłówka będą rejestrowane rozmowy
telefoniczne prowadzone z zapasowego pulpitu dyspozytorskiego.
4.2. Uszkodzenie serwera SDA
Pola Radłówka
Dyspozytor (Pola Nowy Ląd) po otrzymaniu na
pulpicie alarmu o uszkodzeniu serwera SDA Pola
Radłówka powiadamia kierownika lub załogę Pola
Radłówka w następujący sposób:
 dzwoniąc na telefon ISDN (numer końcowy TP
S.A.) w biurze kierownika,
 jeżeli kierownik nie odbierze telefonu (bo jest czasowo nieobecny w biurze), to dyspozytor powiadamia obsługę przesypu na powierzchni (stałe stanowisko pracy) dzwoniąc na telefon ISDN (drugi
numer końcowy TP S.A.).
Obsługa przesypu powiadamia (przywołuje) kierownika głosem na powierzchni lub urządzeniami
34
Rys. 4. Uproszczony schemat blokowy lokalnych systemów łączności w KGiA Nowy Ląd
głośnomówiącymi GTL jeżeli jest na dole. Kierownik
Pola Radłówka zarządza natychmiastową ewakuację
pracowników dołowych
35
„małych kopalniach” i zakładach wykonujących
prace z zastosowaniem techniki górniczej.
Literatura
4.3. Uszkodzenie serwera SDA Pola Nowy
Ląd (alarm pilny)
1.
2.
Jeżeli serwer telekomunikacyjny SDA w polu Nowy Ląd (pomimo, iż podstawowe elementy SDA
pracują w gorącej rezerwie) zostanie uszkodzony, tak
że nie może funkcjonować, to dyspozytor udaje się
na stanowisko sygnalisty na zrębie upadowej skipowej, przez telefon szybowy powiadamia sygnalistę na
poziomie +80 m i wydaje mu polecenie, by przez
urządzenia łączności GTL nadać akustyczny sygnał
alarmowy oraz zarządzić ewakuację załogi. Dyspozytor może nakazać wykonanie tych czynności innemu
pracownikowi kopalni.
Dyspozytor powiadamia załogę Pola Radłówka
(kierownika lub w razie jego nieobecności obsługę
przesypu na powierzchni) i nakazuje podjęcie przez
kierownika funkcji tymczasowego dyspozytora Pola
Radłówka. Powiadomienie może być zrealizowane
przez dyspozytora telefonem komórkowym do bramki GSM Pola Radłówka i dalej do telefonu kierownika lub obsługi przesypu, albo do telefonu ISDN kierownika Pola Radłówka lub w razie jego nieobecności do obsługi przesypu.
5. ZAKOŃCZENIE
Opisane rozwiązanie systemu łączności telefonicznej i alarmowo-rozgłoszeniowej dla KGiA Nowy Ląd
należy traktować jako przykład rozwiązania systemu
łączności dla „małych kopalń”. Opracowane rozwiązania charakteryzują się:
 indywidualnym dopuszczeniem do stosowania
w zakładzie górniczym,
 opracowanymi procedurami postępowania w przypadku wystąpienia uszkodzeń elementów systemu
łączności,
 wykorzystaniem już istniejących lokalnych systemów łączności (systemy głośnomówiące, łączność
szybowa) do awaryjnego powiadamiania o zagrożeniach.
Zaprezentowane rozwiązanie techniczne oraz prawidłowa praca systemu w dłuższym przedziale czasu
może się przyczynić do nowego podejścia do systemów
łączności
telefonicznej
i
alarmoworozgłoszeniowej. Może również być wykorzystane
dla projektowania systemów łączności w innych
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Davidson J., Peters J.: Voice over IP. Podstawy. Wydawnictwo
Mikom. Warszawa 2005.
Dokumentacja atestacyjna systemu telekomunikacyjnego HETMAN. Część III. System telekomunikacyjny HETMAN/Z przeznaczony dla podziemnych zakładów górniczych. DGT Gdańsk,
2005.
Dokumentacja techniczna nr 3/KNL/2008 zintegrowanego systemu telekomunikacyjnego KGiA „Nowy Ląd” Sp. z o.o. Niwnice.
DGT Straszyn, 2008.
Galowy G., Kielar J., Kowalski A., Mazelanik K.: Kontrola gazometryczna, łączność telefoniczna i alarmowo-rozgłoszeniowa na
szybach peryferyjnych z wykorzystaniem systemów SMP-NT/A
i SAT. Materiały konferencji Zasilanie, informatyka techniczna
i automatyka w przemyśle wydobywczym. EMTECH 2009. Ossa
k. Rawy Mazowieckiej.
Papir Z.: Ruch telekomunikacyjny i przeciążenia sieci pakietowych. WKŁ. Warszawa 2001.
Rozporządzenie MG z dnia 28.06.2002 r. „w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego
zabezpieczenia przeciwpożarowego w podziemnych zakładach
górniczych”. Dz.U. 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, z późniejszymi zmianami.
Wojaczek A., Miśkiewicz K., Brzeski K.: Doświadczenia z uruchomienia systemu Hetman w KWK Wujek. Materiały XXXVI
Konferencji Sekcji Cybernetyki w Górnictwie KG PAN Telekomunikacja i Systemy Bezpieczeństwa w Górnictwie. ATI’2008.
Szczyrk, 2008.
Recenzent: mgr inż. Józef Koczwara
dr inż. KAZIMIERZ MIŚKIEWICZ
dr inż. ANTONI WOJACZEK
Politechnika Śląska, Katedra Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa
Iskrobezpieczeństwo systemu łączności radiowej
z kablem promieniującym
W artykule zwrócono uwagę na systemy łączności wykorzystujące specjalnie instalowane tory przewodowe (wraz ze wzmacniaczami aktywnymi) dla propagacji
kierunkowej fal elektromagnetycznych w wyrobiskach. Omówiono problem
iskrobezpieczeństwa systemu radiokomunikacyjnego, wykorzystującego przewód
promieniujący. Przedstawiono sposób podejścia do tego zagadnienia dla przykładowej struktury takiego systemu eksploatowanego w kopalni metanowej.
O iskrobezpieczeństwie całego systemu decydują przede wszystkim parametry
zasilacza iskrobezpiecznego zastosowanego dla zasilania wzmacniaczy liniowych systemu telekomunikacyjnego.
1. WSTĘP

Istnieje szereg ruchomych stanowisk pracy, np.
operatorzy lokomotyw elektrycznych, pojazdów
kołowych, kolejek (podwieszanych, czy spągowych),
naczynia wyciągowe w trakcie prac wykonywanych
w szybach itp., gdzie konieczne usługi telekomunikacyjne realizują systemy radiokomunikacyjne.
Środowisko techniczne podziemnych zakładów
górniczych stwarza specyficzne warunki dla systemów radiokomunikacyjnych [11]:
 Niewielka przewodność górotworu wywołuje duże
tłumienie fali elektromagnetycznej, co praktycznie
uniemożliwia (z wyjątkiem bardzo specyficznych
przypadków) wykorzystanie systemów radiokomunikacyjnych z propagacją fal elektromagnetycznych przez górotwór.
 W wyrobiskach należy budować złożoną infrastrukturę dla propagacji kierunkowej fal elektromagnetycznych. Czasami wykorzystuje się do tego
celu istniejące elementy wyposażenia wyrobisk
górniczych, np. przewód jezdny trakcji elektrycznej, czy liny nośne urządzeń wyciągowych.
 Urządzenia pracują w środowisku technicznym
podziemnej kopalni; są więc narażone na działanie
czynników chemicznych, mechanicznych i elektrycznych występujących w wyrobiskach. Obudo-

wa sprzętu powinna więc zapewniać stopień ochrony nie niższy niż IP54.
Zagrożenia wybuchowe występujące w podziemnych zakładach górniczych (metan, pył węglowy)
powodują konieczność stosowania urządzeń budowy przeciwwybuchowej (iskrobezpiecznej).
Nadajniki
systemów
radiokomunikacyjnych
w skrajnych warunkach mogą także odpalić zapalniki elektryczne.
Zasilanie lokalne elementów systemu radiokomunikacyjnego i problem ładowania baterii w zasilaczach iskrobezpiecznych z podtrzymaniem bateryjnym (częste wyłączania zasilania ze względów
technologicznych lub z powodów bezpieczeństwa,
przy wzroście stężenia metanu powyżej wartości
dopuszczalnej).
2. SYSTEMY RADIOKOMUNIKACYJNE WYKORZYSTUJĄCE KABLE PROMIENIUJĄCE
Centralnym elementem systemu radiokomunikacyjnego z kablem cieknącym jest stacja bazowa BS.
Do stacji bazowej, umieszczonej często na powierzchni, podłącza się jeden lub kilka przewodów
promieniujących. Dla kompensacji tłumienia sygnału
w przewodzie cieknącym, co kilkaset metrów stoso-
37
Rys. 1. Schemat blokowy systemu radiokomunikacji z kablem cieknącym o strukturze drzewa [4]
wany jest wzmacniacz antenowy W. W przypadku
rozgałęzienia kabla promieniującego stosuje się rozgałęźniki R zapewniające dopasowanie falowe. Na
końcach przewodu promieniującego instaluje się
terminatory lub anteny. Istniejące w kopalniach instalacje łączności bezprzewodowej, wykorzystujące
kable cieknące, mają strukturę drzewiastą, przedstawioną na rys. 1.
Wzmacniacze wymagają zasilania. Napięcie stałe
12 V z zasilacza wprowadza się do przewodu cieknącego poprzez sprzęgacze mocy. Zasilacze mają podtrzymanie bateryjne, a informacja o pracy bateryjnej
jest przesyłana do dyspozytora.
3. ISKROBEZPIECZEŃSTWO SYSTEMU
ŁĄCZNOŚCI RADIOWEJ
3.1. Iskrobezpieczeństwo urządzeń
wchodzących w skład systemu
Problem iskrobezpieczeństwa systemów telekomunikacyjnych instalowanych w kopalniach, wykorzystujących dostępne na naszym rynku urządzenia kilku
producentów, budzi w ostatnich latach pewne emocje. Niektórzy producenci w trosce o zachowanie
swojego monopolu w danej kopalni i uwzględniając
ewentualną dalszą rozbudowę (w oparciu już tylko
o „swoje urządzenia”), tanio sprzedanego w pierwszym etapie budowy danego systemu telekomunikacyjnego, określają w dokumentacjach technicznych
swoich urządzeń czy systemów, iż mogą one współpracować tylko z urządzeniami wyprodukowanymi
przez tego samego producenta.
Tego rodzaju zapisy nie zawsze są zgodne z prawem UE i odpowiednimi obowiązującymi normami
(np. PN-EN 50394-1). Trudno powiedzieć czy jest to
w pełni uczciwa postawa producentów w stosunku do
użytkowników.
W związku z tymi wątpliwościami na żądanie grupy TC 31 CENELEC (Comité Européen de Normalisation Electrotechnique) Komisja UE wydała
w tym zakresie odpowiednią interpretację. Została
ona zawarta we wprowadzeniu do normy [5].
Zwraca się uwagę, iż jeżeli system iskrobezpieczny
zbudowany jest z kilku wyrobów zaprojektowanych
tak, aby użytkownik mógł je zestawić (np. urządzenie
abonenckie, linia telekomunikacyjna, zespół separacji
iskrobezpiecznej, urządzenie stacyjne, wzmacniacz
torowy, rozgałęźnik, zestaw rozdzielczy itp.) to należy
poddać procedurze oceny zgodności każdy pojedynczy
wyrób, który może być wprowadzony do obrotu oddzielnie. Wynikowy system powinien być traktowany
jako instalacja i sam nie musi być przedmiotem procedur i wymagań dyrektywy 94/9/WE (ATEX).
Podobne stanowisko zajął w tej sprawie WUG
w Katowicach w swoim opracowaniu przybliżającym
nam dyrektywę 94/9/EC [12]. W opracowaniu tym
czytamy, iż powszechną sytuacją jest, że elementy,
które zostały certyfikowane są umieszczane na rynku
przez kilka podmiotów. Łączenie takiego sprzętu
i instalacja u użytkownika nie jest uważana (wg dy-
38
rektywy ATEX) jako produkcja. Rezultatem takiej
operacji jest instalacja i jest ona poza obszarem
dyrektywy 94/9/EC. Instalator musi zapewnić, że
początkowo zgodne elementy pozostaną wciąż zgodne, jeżeli zostaną one oddane do użytkowania. Dyrektywa nie reguluje procesu instalacji. Instalacja
takiego sprzętu podlega generalnie wymogom prawnym Krajów Członkowskich. System zawsze jest
instalowany na odpowiedzialność użytkownika.
łączone poprzez barierę iskrobezpieczną (zawierającą
kondensator sprzęgający). Ponieważ poszczególne
sekcje są sprzężone między sobą (a także z nieiskrobezpieczną stacją bazową) kondensatorami spełniającymi wymagania wg [6], iskrobezpieczeństwo każdej
sekcji może być rozpatrywane oddzielnie. W każdej
sekcji występuje zasilacz traktowany jako urządzenie
towarzyszące oraz jedno lub kilka urządzeń iskrobezpiecznych, takich jak: sprzęgacze, wzmacniacze,
rozgałęźniki, terminatory.
Wg literatury [9] oraz norm dotyczących iskrobezpieczeństwa [5, 6, 7, 8] ocena iskrobezpieczeństwa systemu iskrobezpiecznego może przebiegać następująco:
1. Wszystkie elementy składowe muszą być iskrobezpieczne, co jest potwierdzone deklaracją
zgodności i certyfikatami badań typu WE wykonanymi przez laboratoria notyfikowane.
2. Wszystkie elementy muszą mieć określone graniczne parametry iskrobezpieczeństwa. Dla wyjścia zasilacza jest to: maksymalne napięcie wyjściowe Uo, maksymalny prąd wyjściowy Io, maksymalna moc wyjściowa Po, maksymalna pojemność zewnętrzna Co, maksymalna indukcyjność
zewnętrzna Lo, a także stosunek zewnętrznych
indukcyjności do rezystancji Lo/Ro. Dla pozostałych elementów będą to: maksymalne napięcie
wejściowe Ui, maksymalny prąd wejściowy Ii,
maksymalna moc wejściowa Pi, maksymalna pojemność wewnętrzna Ci, maksymalna indukcyjność wewnętrzna Li.
3. Dla przewodu promieniującego znane są podane
przez producenta wartości parametrów jednostkowych Lk, Ck, Rk.
4. Dla każdego urządzenia iskrobezpiecznego muszą
być spełnione warunki dotyczące napięć i prądów:
3.2. Iskrobezpieczeństwo systemu radiokomunikacyjnego z kablem cieknącym
Iskrobezpieczeństwo systemu radiokomunikacji
z kablem cieknącym można ocenić dwojako:
 Na podstawie badań całego systemu w laboratorium notyfikowanym. W certyfikacie badania typu
WE systemu określone są możliwe konfiguracje
(np. liczba wzmacniaczy, rozgałęźników itp.) sekcji
kabla promieniującego (o danych parametrach) zasilanych z wyszczególnionych typów zasilaczy
iskrobezpiecznych.
 Wg norm [5, 8], oceniając system składający się
z elementów spełniających wymagania normy
PN-EN 60079-11, co jest potwierdzone certyfikatami badania typu WE dla każdego elementu systemu.
Przykładem systemowych certyfikatów badań typu
WE są certyfikaty dla systemów FLEXCOM
(KDB 04ATEX304X) i MULTICOM (KDB
06ATEX350X). W certyfikacie dla systemu MULTICOM podano między innymi, że przy zastosowaniu zasilacza TX6648 lub TX6649 można w jednej
sekcji zastosować 1 rozgałęźnik, 1 rozgałęźnik video,
1 tłumik oraz 1 wzmacniacz. W wymienionych certyfikatach nie ma ograniczeń co do długości przewodów promieniujących (typu FLFC3529).
Z punktu widzenia iskrobezpieczeństwa system
łączności radiowej z kablem promieniującym można
potraktować jako system składający się elementów
takich jak:
 stacja bazowa z wyjściem (wyjściami) dla kabla
promieniującego wyposażonym w barierę iskrobezpieczną,
 wzmacniacze, rozgałęźniki, terminatory, sprzęgacze mocy, zasilacze.
Wszystkie elementy są połączone pomiędzy sobą
kablem promieniującym. Radiotelefony ruchome nie
są połączone z resztą systemu i muszą być iskrobezpieczne (o poziomie ochrony ia). Ze względu na
ocenę iskrobezpieczeństwa system należy podzielić
na sekcje, z których każda jest zasilana z jednego
wzmacniacza. Poszczególne sekcje są rozdzielone
między sobą kondensatorami w sprzęgaczach mocy,
a sekcje sąsiadujące ze stacją bazową są do niej przy-
Uo  Ui
Io  Ii
(1)
5. Maksymalna pojemność zewnętrzna zasilacza
musi być nie mniejsza od sumy pojemności kabli i
urządzeń iskrobezpiecznych.
6. Maksymalna indukcyjność zewnętrzna zasilacza
musi być nie mniejsza od sumy indukcyjności kabli i urządzeń iskrobezpiecznych.
3.3. Analiza iskrobezpieczeństwa systemu
radiokomunikacyjnego MCA-1000
Przeprowadzono analizę warunków iskrobezpieczeństwa systemu MCA-1000. Do analizy zastosowano:
 parametry wybranych zasilaczy iskrobezpiecznych
pokazane w tabeli 1.
39
parametry graniczne wzmacniacza, rozgałęźnika,
terminatora, i sprzęgacza systemu MCA-1000 pokazane w tabeli 2.
 parametry
kabla cieknącego SLYWV-75-10:
Ck=51,2 nF/km Lk=300 H/km, Rk=8,6 /km,
Lk/Rk=34,9 H/.
Warto zauważyć, że dla zasilacza firmy TROLEX
nie podano wartości Lo, natomiast dla zasilacza firmy ELTEL podano możliwość dołączenia do zacisków wyjściowych kabla o przekroju nie większym
niż 1,5 mm2 o dowolnej długości. Dla wszystkich
urządzeń iskrobezpiecznych spełnione są warunki
dotyczące napięcia i prądu.
Tabela 1

Przykłady parametrów granicznych
zasilaczy iskrobezpiecznych
Producent
SOMAR
Trolex
typ
ZGP12/0,8
13,5
1,75
11,4
10
TX6649
45
Uo, V
Io, A
Po, W
Co, F
Lo, H
Lo/Ro,
H/
45
Elektrometal
TrazTel
ELTEL
EZI12MIDI
14,1
0,6
ZBI-1
12,35
1,8
10,45
32
ZIG12/07/08
12,5
1,79
10,75
10
16
100
-
50
190
400
44,63
12,1
1,9
*
43,4
Tabela 2
Graniczne parametry iskrobezpieczeństwa
elementów systemu MCA 1000
typ
Ui, V
Ii, A
Ci, nF
Li, H
W
R
T
S
Vmlad-IS
Ui=20
Ii=2
Ci=300
Li=3
VBU1-IS
Ui=30
Ii=2
Ci=400
Li=15
VTB-IS
Ui=30
VPC-IS
Ui=30
Ii=2
Ci=12
Li=1,8
Ci=20
Biorąc pod uwagę typową sekcję systemu MCA1000 zawierającą 4 wzmacniacze Vmlad-IS, sprzęgacz mocy VPC-IS, terminator VTB-IS oraz 5 odcinków kabla cieknącego po 350 m (razem 1750 m)
uzyskamy sumę pojemności kabla i urządzeń iskrobezpiecznych:
 Ci  4  300  12  20  1,750  51,2 
 1322 nF  Co  10000 nF
(2)
Spełnienie warunku pojemności dla zasilaczy z tabeli 1 i typowej długości kabli cieknących nie stanowi problemu.
W przypadku systemu zawierającego zasilacz
ZGP-12/0,8 (Lo=45 F), sprzęgacz mocy (Li=1,8
F) odcinek kabla cieknącego i wzmacniacz (Li=3
F) spełnienie warunku indukcyjności jest możliwe,
jeżeli długość kabla jest nie większa niż:
l
Lo  LiVmlad IS  LiVPCIS
 133 m
Lk
(3)
Taki sposób oceny spowoduje, że przy typowych
długościach przewodu cieknącego (350 m) żaden
system nie spełni warunku indukcyjności.
Istnieją przesłanki do innego sposobu uwzględniania indukcyjności kabla cieknącego:
 w normie PN-EN 60079-14 istnieje zapis „Jeżeli
urządzenie iskrobezpieczne nie zawiera indukcyjności, a urządzenie towarzyszące jest oznakowane
wartością Lo/Ro, to jeżeli wartość Lk/Rk dla kabla
jest mniejsza od Lo/Ro to nie jest konieczne spełnienie warunku dla Lo”,
 podobne podejście można znaleźć w pracy McMillana [1],
 w certyfikatach badania typu WE dla systemów
FLEXCOM i MULTICOM nie uwzględniono długości kabla cieknącego, natomiast dopuszczalne
konfiguracje zostały określone przez podanie liczby i rodzaju urządzeń iskrobezpiecznych, które
można zastosować w sekcji zasilanej z jednego zasilacza iskrobezpiecznego.
Należy zauważyć, że indukcyjności Li elementów
systemu MCA-1000 są rzędu kilku H (tabela 2)
z wyjątkiem rozgałęźnika potrójnego (15 H) i są
znacznie mniejsze od indukcyjności typowego odcinka kabla promieniującego (350 m odpowiada indukcyjności około 105 H).
Przydatna byłaby komputerowa metoda oceny
iskrobezpieczeństwa wykorzystująca identyfikację
parametrów zasilacza iskrobezpiecznego o nieliniowej charakterystyce [9].
3.4. Iskrobezpieczeństwo instalacji systemu
MCA-1000 w kopalni Pniówek
Kopalnia Pniówek posiada bardzo rozbudowaną
strukturę systemu radiokomunikacji użytkowaną
w szybach i na kilku poziomach eksploatacyjnych.
Aktualnie kopalnia eksploatuje około 20 km sieci
kabla promieniującego, z czego na poziomie 830
ponad 10 km.
W systemie MCA 1000 w KWK PNIÓWEK zastosowano kilkadziesiąt zasilaczy iskrobezpiecznych
z podtrzymaniem akumulatorowym. W większości są
to zasilacze typu ZGP-12-0,8 firmy SOMAR. Stosowane są jeszcze zasilacze firmy TROLEX.
40
Rys. 2. Przykładowa struktura i parametry elektryczne fragmentu sieci transmisyjnej określone
dla oceny iskrobezpieczeństwa systemu MCA 1000 – od strony zasilacza iskrobezpiecznego (Z1)
KWK PNIÓWEK zwróciła się więc do Katedry
Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa Politechniki Śląskiej o ocenę iskrobezpieczeństwa instalacji
systemu MCA-1000 w kopalni.
Zastosowano sposób oceny podany w punkcie 3.2
z modyfikacją dotyczącą sprawdzania indukcyjności.
Zaproponowano sprawdzenie dwóch warunków:
 indukcyjność zewnętrzna zasilacza musi być nie
mniejsza od sumy indukcyjności wewnętrznych
urządzeń iskrobezpiecznych, tzn.:
L

i
 Lo
(4)
dla każdej pętli od zasilacza do poszczególnych
urządzeń iskrobezpiecznych stosunek indukcyjności pętli (wraz z indukcyjnościami wewnętrznymi
urządzeń) do rezystancji pętli nie może być większy od wartości Lo/Ro zasilacza, tzn.:
L
R
i
i

Lo
Ro
Tabela 3
Wyniki oceny iskrobezpieczeństwa sekcji
kabla promieniującego z rys. 2
urządzenie
/kabel
S1
S1 - W1
C nF
L μH
12
1,8
5,1
30
W1
300
3
W1 - W2
17,9
105
W2
300
3
W2 - R1
5,6
33
R1
400
15
R1 - T1
5,1
30
T1
20
R1 - W3
5,1
30
W3
300
3
W3 - S2
17,9
105
S2
12
suma Ci Li
1401
(5)
Przyjęty sposób oceny iskrobezpieczeństwa systemu MCA-1000 został zaakceptowany przez jednostkę notyfikowaną OBAC Gliwice.
Przykład schematu blokowego jednej z sekcji kabla
cieknącego z zaznaczeniem parametrów iskrobezpieczeństwa pokazano na rys. 2. Zasilacz Z1 jest przyłączony do systemu teletransmisyjnego poprzez sprzęgacz mocy S1 (zasilania), który stanowi element
rozdzielający odcinki sieci zasilane z różnych zasilaczy. Zasilacz Z1 zasila 3 wzmacniacze liniowe (W1,
W2, W3). W linii transmisyjnej zainstalowano rozgałęźnik R1, dla rozprowadzenia sygnału w wyrobiskach przyległych (rozgałęźnych) i ewentualnej dalszej rozbudowy systemu komunikacji radiowej na
danym poziomie.
Wyniki obliczeń
R
L μH
R 
L/R
35
0,86
40,5
143
3,96
36,1
191
4,9
38,9
221
5,76
38,3
224
5,76
38,9
329
8,86
37,1
0,86
3,1
0,94
0,86
0,86
3,1
25,8
 Li
 Ci,  Li, 
Ri
dla sekcji
z rys. 2 pokazano w tabeli 3. Otrzymane wartości są
mniejsze od odpowiednich parametrów wyjściowych
zasilacza ZGP-12/0,8, co oznacza spełnienie warunków iskrobezpieczeństwa.
4. SPADKI NAPIĘĆ W SYSTEMIE TELEKOMUNIKACYJNYM Z KABLEM PROMIENIUJĄCYM
Prawidłowa praca systemu komunikacji radiowej
wykorzystującej kabel cieknący jest również uzależniona od prawidłowego zasilania wzmacniaczy. Prąd
stały płynący w kablu cieknącym wywołuje spadki
41
Rys. 3. Przykład schematu zastępczego do obliczania spadków napięć w sekcji przewodu cieknącego
napięć, co obniża wartość napięcia zasilającego poszczególne wzmacniacze. Przy analizie warunków
zasilania zakłada się, że:
 napięcie wyjściowe zasilacza Uz ma wartość znamionową,
 spadki napięcia na rezystancjach wewnętrznych
wzmacniaczy i rozgałęźników są pomijalne,
 prąd pobierany przez wzmacniacz ma wartość
znamionową i nie zależy od wartości napięcia zasilającego.
Na rys. 3 pokazano przykład schematu zastępczego
do obliczania spadków napięć w sekcji przewodu
promieniującego zasilającego 4 wzmacniacze. Napięcie U4 zasilające wzmacniacz W4 jest równe
U4  Uz  Iw  Rk  4  l1 3 * l2  2  l3  l4
(6)
Wstawiając do zależności (6) parametry systemu
MCA-1000 (Iw=0,14 A dla wzmacniacza z diagnostyką, Uz=12 V), przyjmując odległości między
wzmacniaczami 350 m otrzymamy napięcie zasilające wzmacniacz W4 równe U4=7,8 V, co jest wartością mniejszą od wymaganej wartości minimalnej
8 V.
5. PODSUMOWANIE
Instalacja w kopalniach systemu łączności radiowej
z wykorzystaniem przewodu promieniującego powinna być wykonana na podstawie projektu. Projekt
powinien uwzględnić:
 kompensację tłumienia sygnału przez wzmacniacze,
 zapewnienie minimalnej wartości napięcia zasilania
wzmacniaczy,
 spełnienie warunków iskrobezpieczeństwa (np. wg
metody podanej w punkcie 3.4),
 możliwość ewentualnej dalszej rozbudowy systemu.
Projekt powinien być opracowany przez osoby mające określoną wiedzę w tym zakresie i odpowiednie
uprawnienia do wykonywania tych czynności.
Literatura
1.
McMillan A.: Electrical Installations In Hazardous Areas.
Butterworth-Heinemann, 2002.
2. DTR
Dokumentacja
Techniczno-Ruchowa
systemu
komunikacji radiowej typu MCA 1000. Dok. nr P/T/6764/x,
Tranz-Tel, Kobiór, 2006.
3. Miśkiewicz K., Wojaczek A.: Nowe rozwiązania systemów
radiokomunikacyjnych dla kopalń podziemnych. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskie. Seria Górnictwo Zeszyt 274,
Gliwice 2006.
4. Miśkiewicz K., Wojaczek A.: Ocena iskrobezpieczeństwa
systemu radiokomunikacji typu MCA 1000. Załącznik do projektu zabudowy systemu MCA 1000 w KWK PNIÓWEK.
Prace Katedry Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa Politechniki Śląskiej (RG-1). Gliwice 2008.
5. PN-EN 50394-1 Urządzenia elektryczne w przestrzeniach
zagrożonych wybuchem. Grupa I – Systemy iskrobezpieczne.
Część 1: Konstrukcja i badania.
6. PN-EN 60079-11 Atmosfery wybuchowe – Część 11. Urządzenia przeciwwybuchowe iskrobezpieczne.
zagrożonych wybuchem – Część 14 Instalacje elektryczne
w obszarach ryzyka innych niż zakłady górnicze.
zagrożonych wybuchem gazów – Część 25: Systemy iskrobezpieczne
9. Walpole M., E.: Intrinically Safe (IS) Active Power Supplies.
Proceedings of Queensland University of Technology. Brisbane, March 2003.
10. Wiszniowski P.: Zastosowania nowych technologii łączności
bezprzewodowej w przemyśle wydobywczym. Mechanizacja
i Automatyzacja Górnictwa 2008, nr 5
11. Wojaczek A., Miśkiewicz K.: Wybrane problemy radiokomunikacji w podziemiach kopalń. Materiały KKRRiT, Warszawa
2009.
12. Wytyczne ATEX (wydanie drugie). Wytyczne zastosowania
dyrektywy Rady 94/9/EC z dnia 23 marca 1994 odnośnie
przybliżenia praw Krajów Członkowskich dotyczących urządzeń i systemów stosowanych w potencjalnie wybuchowym
otoczeniu. WUG Katowice, 2004.
Recenzent: prof. dr hab. inż. Jerzy Frączek
mgr inż. WITOLD GŁOWACZ
Akademia Górniczo-Hutnicza
Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki
Automatyczny system dialogowy
oparty na klasyfikatorze rozmytym
i automacie skończonym w bezpieczeństwie pracy
Celem artykułu jest przedstawienie możliwości zastosowania automatycznego systemu dialogowego w bezpieczeństwie pracy [6], [7]. 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 automatów.
Przedstawiono implementację systemu dialogowego w języku Python.
1. WPROWADZENIE
Nowoczesne systemy bezpieczeństwa pracy 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. 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.
2. PRZETWARZANIE JĘZYKA NATURALNEGO
Przetwarzanie języka naturalnego (ang. Natural
Language Processing, NLP) to dział sztucznej inteli-
gencji zajmujący się automatyzacją analizy, tłumaczenia i generowania informacji w języku naturalnym. W jego skład wchodzą:
 teoria gramatyk i automatów,
 teoria języków formalnych,
 reprezentacja wiedzy zawartej w tekstach.
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. Podstawowe terminy stosowane
w naukach o języku, a więc również w przetwarzaniu
języka naturalnego, to m.in.:
 syntaktyka – zajmuje się szykiem, związkami
i stosunkami zachodzącymi pomiędzy wyrazami
w zdaniu,
 semantyka – zajmuje się zależnościami pomiędzy
elementami języka i ich odpowiednikami ze świata
rzeczywistego, czyli znaczeniem tych elementów,
 fleksja – zajmuje się budową form wyrazowych
i ich odmianą,
 składnia – zajmuje się regułami, według których
wyrazy łączą się, tworząc poprawne zdania,
 gramatyka – zajmuje się opisem języka; w jej skład
wchodzą fleksja oraz składnia,
 wypowiedzenie – to komunikat językowy, podstawowa jednostka tekstu. Można powiedzieć, że to
tekst rozpoczynający się od dużej litery, a kończący
się kropką lub innym znakiem przestankowym,
zdanie – to rodzaj wypowiedzenia, który zawiera
podmiot i orzeczenie.
Naturalny język operuje pojęciami niedokładnymi
i jakościowymi. W celu opisania złożonych zjawisk
lub słabo zdefiniowanych pojęć, trudnych do opisania
przy pomocy klasycznego aparatu matematycznego
została sformułowana przez L. Zadeha teoria zbiorów
rozmytych [8].
L. Zadeh zaproponował pojęcie zmiennej lingwistycznej: ”Przez zmienną lingwistyczną rozumiemy
zmienną, której wartościami są słowa lub zdania
w języku naturalnym lub sztucznym”.
Klasyczny zbiór jest kolekcją obiektów jakiegoś
rodzaju z obszaru rozważań. Niech X oznacza pewną
przestrzeń rozważań, a A zbiór określony na tej przestrzeni. O każdym z elementów z tej przestrzeni
można jednoznacznie powiedzieć, czy należy do
zbioru A, czy nie. Jednym ze sposobów definiowania
zbioru jest zastosowanie predykatu P(x) oznaczającego, że każdy element x zbioru X ma własność P. Innym sposobem jest zdefiniowanie zbioru A za pomocą funkcji charakterystycznej A. Można zdefiniować
A na obszarze X w następujący sposób:
Funkcja A: X→{0;1} jest funkcją charakterystyczną zbioru A.
W teorii zbiorów rozmytych własność ta jest
uogólniana. W zbiorze rozmytym F na obszarze rozważań X nie jest konieczne, aby albo x F albo x F.
Funkcja charakterystyczna dla zbioru rozmytego
przyporządkowuje każdemu x z obszaru rozważań X
wartość z przedziału [0;1], a nie jak w przypadku
zbiorów ostrych z dwuelementowego zbioru {0;1}.
Funkcja F: X →[0;1] F(x) = f(x)
jest funkcją charakterystyczną zbioru rozmytego F.
Funkcja ta nazywana jest funkcją przynależności.
Interpretuje się jej wartość dla danego x jako stopień,
z jakim x należy do zbioru rozmytego. Każdy element x z obszaru rozważań X należy do zbioru rozmytego F zdefiniowanego na tym obszarze z pewnym stopniem przynależności (stopniem zaufania)
określonym przez F(x).
Funkcja przynależności może być dowolną funkcją
odwzorowującą obszar rozważań X na przedział domknięty [0;1]. W praktyce stosuje się tylko kilka
typów funkcji. Wykorzystuje się również opis funkcji
przynależności poprzez tabelę wartości.
Zastosowanie zbiorów rozmytych umożliwia stworzenie rozmytego modelu systemu, reprezentującego
istotne cechy za pomocą aparatu teorii zbiorów rozmytych. Najważniejszą cechą takich systemów jest
to, że ich podstawą jest pojęcie kodowania rozmytego informacji. Systemy rozmyte operują na zbiorach
rozmytych zamiast na liczbach, co umożliwia uogólnienie informacji [4], [5].

43
Automatyczne systemy dialogowe oparte są na botach, które są programami informatycznymi zawierającymi: bazę wiedzy, maszynę dialogową i automat
skończony. 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.
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 użytkownik, który prowadzi z botem następującą rozmowę:
Bot: Dzień dobry. Czym mogę służyć?
Użytkownik: Jaka jest temperatura w przodku?
Bot: 27 °C
Użytkownik: Jaka jest wilgotność w przodku?
Bot: 79 %
Użytkownik: Jakie jest stężenie metanu?
Bot: 1.5 %
Użytkownik: Ile osób pracuje na ścianie?
Bot: 16 osób
Użytkownik: Kiedy będzie zatrzymany kombajn?
Bot: O godz. 12
Użytkownik: Czy pracują wszystkie przenośniki?
Bot: Tak, wszystkie pracują
Użytkownik: Czy została naprawiona tama nr 8?
Bot: Tak, została naprawiona
Użytkownik: Czy została zainstalowana nowa pompa na poziomie IV?
Bot: Tak, została zainstalowana
Użytkownik: Czy zwiększył się przypływ wody?
Bot: Nie, nie zwiększył się
Języki użytkownika i bota można zdefiniować za pomocą gramatyk precedensyjnych [1], [2], [3] lub za pomocą deterministycznych automatów skończonych [2].
44
Def. Gramatyką precedensyjną nazywamy uporządkowaną czwórkę:
G = < N, , P, S > , gdzie:
N – skończony zbiór symboli nieterminalnych,
 – skończony zbiór symboli terminalnych,
P  N x ( N  ) – skończony zbiór produkcji,
S  N jest głową alfabetu.
Q jest skończonym zbiorem stanów,
 jest alfabetem,
: QQ jest funkcją przejścia ((q,a) – stan, do
którego przechodzi automat ze stanu q po przeczytaniu litery a),
qstartQ – stan początkowy automatu,
FQ – zbiór stanów akceptujących (automat przechodząc do tego stanu akceptuje dotychczas przeczytane słowo).
Język użytkownika zdefiniowano za pomocą automatu skończonego (rys. 2).
Def. Deterministycznym automatem skończonym
(DFA) nazywamy uporządkowaną piątkę
A=<Q,,,qstart,F>, gdzie:
Rys. 2. Język użytkownika zdefiniowany za pomocą automatu skończonego
Opracowano w języku Python program, który
pozwala prowadzić rozmowę pomiędzy użytkownikiem i botem. W programie poszczególne słowa
użytkownika są rozpoznawane z zastosowaniem
klasyfikatora rozmytego z trapezowymi funkcjami
przynależności, a zdania użytkownika są identyfikowane za pomocą automatu skończonego
(rys. 3).
45
Rys. 3. Fragment rozmowy prowadzonej za pomocą aplikacji napisanej w języku Python
7.
3. WNIOSKI
8.
Metody formalne pozwalają zdefiniować języki
użytkownika i bota. Użycie języka naturalnego jest
trudne ze względu na rozbudowaną strukturę.
Z przeprowadzonych badań wynika, że zastosowanie klasyfikatora rozmytego do rozpoznawania
poszczególnych słów użytkownika i automatów
skończonych do identyfikacji zdań użytkownika
jest skuteczną techniką rozpoznawania informacji.
Metody przetwarzania języka naturalnego mogą
być wykorzystane w projektowaniu automatycznych systemów dialogowych. Systemy dialogowe
ze względu na dużą szybkość działania i posiadaną
wiedzę zwiększają bezpieczeństwo pracy.
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Aho A.V., Ullman J.D.: The Theory of Parsing, Translation and
Compiling, Vol. I: Parsing, Vol. II: Compiling, Englewood
Cliffs, Prentice-Hall, 1973.
Blikle A.: Automaty i gramatyki. Wstęp do lingwistyki matematycznej, Warszawa, PWN, 1971.
Głowacz W.: Automatyczny system dialogowy w diagnostyce
maszyn elektrycznych. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2008, nr 12, Katowice, s. 14-18.
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.
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.
Hudy W., Jaracz K.: Wielokryterialna identyfikacja parametrów
silnika indukcyjnego przy zastosowaniu algorytmu ewolucyjnego, Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2005, nr 10, Katowice, s. 9-13.
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.
Zadeh L.A.: Fuzzy Sets, Information and Control, 8, 1965, pp.
338-353.
Recenzent: prof. dr hab. inż. Kazimierz Jaracz
dr inż. AGNIESZKA GORNIG
Propozycja systemu ekspertowego
opartego o rozmyte wnioskowanie
do oceny jakości węgla
W artykule przedstawiono potrzebę utworzenia systemu ekspertowego opartego
o rozmyte wnioskowanie do oceny jakości węgla. We wprowadzeniu opisano podstawowe założenia systemu ekspertowego. W dalszej części sprecyzowano pojęcie
jakości węgla i opisano parametry węgla pod kątem prognozowanego procesu
wzbogacania wytwarzającego produkt handlowy. Ukazano specyfikę zakładu przeróbki węgla, która powinna być uwzględniona w utworzonym systemie ekspertowym.
1. WPROWADZENIE – SYSTEMY
EKSPERTOWE
W inteligentnych systemach przemysłowych [24]
przetwarza się bazę wiedzy w sposób naśladujący
postępowanie człowieka-eksperta rozwiązującego
podobny problem [9]. Systemy ekspertowe są systemami starającymi się naśladować decyzje ekspertaczłowieka i potrafią to robić w wielokrotnie powtarzalny sposób.
Systemy ekspertowe są programami komputerowymi wykorzystującymi wiedzę i procedury rozumowania, przeznaczonymi do wspomagania rozwiązywania specjalistycznych problemów, które wymagają profesjonalnej ekspertyzy. Systemy ekspertowe
mogą dotyczyć rozwiązywania problemów o różnej
złożoności i szczegółowości, zawsze jednak wymagają wykorzystania pewnej wiedzy właściwej i dostępnej ekspertom danej dziedziny, czyniąc to
w sposób sformalizowany bez udziału tych ekspertów. Systemy ekspertowe tworzy się indywidualnie
do określonej dziedziny wiedzy lub określonego
problemu (systemy dedykowane).
Rozróżnia się 3 kategorie systemów ekspertowych:
 doradcze (ang.: advisory expert system),
 podejmujące decyzje (ang.: dictatorial expert system),
 krytykujące (ang.: criticizing expert system).
Cechą charakteryzującą strukturę systemu ekspertowego jest oddzielenie zgromadzonej wiedzy
(bazy wiedzy) od mechanizmu rozumowania (mechanizmu wnioskowania). Zdolność do wnioskowania i prezentowania rozwiązań powinna być
zachowana nawet w przypadku dostarczenia systemowi informacji nieprecyzyjnej, niepewnej
i niekompletnej.
Jakość systemu ekspertowego zależy przede
wszystkim od zakodowanej w nim wiedzy, a więc od
sposobu reprezentacji, jakości i ilości wiedzy o danym przedmiocie. Wyróżnia się 2 typy reprezentacji
wiedzy:
 proceduralną – polegającą na określeniu zbioru
procedur, których działanie reprezentuje wiedzę
o dziedzinie,
 deklaratywną, w której określone są zbiory specyficznych faktów i reguł.
Baza wiedzy zawiera dane numeryczne i lingwistyczne, określające m.in. doświadczenie, intuicję
ekspertów, uwzględnia relacje występujące między
zmiennymi. Tego typu wiedza wymaga specyficznej
reprezentacji w postaci poprawnie dobranego modelu. Informacje potrzebne do działania każdego systemu komputerowego to zasób wiedzy potrzebny do
wykonania procesu, jego sterowania, kontroli lub
oceny otrzymanych wyników. Informacje te powinny być pełne, nienadmiarowe oraz w formacie zrozumiałym dla systemu. Do wyodrębnienia i zaimplementowania potrzebnej wiedzy tworzy się model
stanowiący uproszczoną reprezentację rzeczywistości [3] będącej dziedziną tworzonego systemu komputerowego.
Dobrze spreparowana wiedza stanowi podstawę
systemów wnioskowania. Szczególnym przypadkiem
są rozmyte systemy wnioskowania, które w oparciu
o modele Mamdaniego lub Takagi-Sugeno pozwalają
operować wiedzą niekompletną, nieprecyzyjną
i z dużymi anomaliami.
W tworzeniu modelu istotnym jest pozyskanie wiedzy, która pozwoli podejmować optymalne decyzje.
Służą temu metody empiryczne oraz rozmyte metody
klasyfikacji danych. Wcześniej jednak bazę poddaje
się transformacji i normalizacji poprzez oczyszczanie, ujednolicanie, przesiewanie danych.
2. IDEA SYSTEMU EKSPERTOWEGO
W ZAKŁADZIE PRZERÓBKI SUROWCÓW
MINERALNYCH
Surowce mineralne pełnią zasadniczą funkcję
w gospodarce i dlatego należy w sposób przemyślany prowadzić ich użytkowanie [22]. Jest to
powiązane m.in. z wieloskładnikowością kopaliny
i koniecznością kompleksowego wykorzystywania
jej różnorodnych składników i właściwości. Wobec tego rozpatruje się procesy inżynierii mineralnej jako system, którego głównym zadaniem
jest osiąganie zamierzonych efektów technicznoekonomicznych, przy zapewnieniu minimalizacji
nakładów, a także minimalizacja nieodwracalnych
zmian w środowisku.
Złożona charakterystyka jakościowa surowców
mineralnych, a także liczne potrzeby odbiorców
produktów otrzymywanych z tych surowców,
powodują konieczność przeprowadzenia kolejno
znacznej liczby operacji jednostkowych, przybliżających stopniowo cechy jakościowe materiału
wejściowego (surowca) stanowiącego nadawę
procedury utylizacyjnej do zamierzonych cech
jakościowych żądanego produktu wyjściowego
(końcowego) [24]. Większość tych operacji służy
uzyskaniu z materiału wejściowego (nadawy) lub
z surowców wtórnych kilku produktów o właściwościach wzajemnie zróżnicowanych, odpowiadających standardom określonego produktu użytecznego. Zatem różnica pomiędzy urobkiem
z podziemia kopalń a produktem docierającym do
klientów jest istotą działalności kopalnianych
zakładów wzbogacania węgla. Obróbka w zakładach wzbogacania przeobraża górniczy urobek
w towar o wartości handlowej.
Zakłady przeróbki surowców mineralnych posiadają strukturę złożoną z wielu pojedynczych procesów, tworzących ciągi technologiczne o określo-
47
nych zadaniach. Surowy materiał uziarniony, zanim stanie się produktem handlowym, poddawany
jest procesom przeróbki mechanicznej i chemicznej, których celem jest rozdrobnienie zbyt dużych
ziarn, rozdział materiału na klasy ziarnowe poprzez przesiewanie, rozdział na frakcje o różnej
zawartości składnika użytecznego dla uzyskania
produktów handlowych o wysokiej jakości, mieszanie materiałów o różnej zawartości składnika
użytecznego, uśrednianie materiału ze względu na
wybrany parametr, i inne. Oprócz ww. operacji
występują systemy realizujące procesy pomocnicze, do których należą: system zamkniętego obiegu
wody, układy regulacji gęstości cieczy ciężkich,
układy regulacji pulsacji dla osadzarek, urządzenia
filtracji, suszenia, transportu, itp. Kontrola bieżąca
i regulacja automatyczna oraz optymalizacja zadań
całego zakładu wymaga mierzenia, rejestracji
i analizy wielu parametrów.
Celowym jest stworzenie systemu ekspertowego
w zakładzie przeróbki surowców mineralnych, który
obejmowałby m.in.:
 bazy wiedzy zawierające charakterystyki materiału, charakterystyki statyczne procesów, pomiary,
 modele procesów i algorytmy identyfikacji,
 procedury pomiarowe z uwzględnieniem błędów
wielkości mierzonych,
 kryteria sterowania pojedynczych procesów,
 plany produkcji i sprzedaży produktów.
System ekspertowy powinien operować takimi pojęciami jak: ceny, koszty, zyski, rentowność oraz
obejmować: wycenę kosztów funkcjonowania poszczególnych operacji w powiązaniu z różnymi
czynnikami składającymi się na warunki przebiegu
procesu, określenie ilościowego wpływu poszczególnych operacji procesu na jego wyniki ilościowe
i jakościowe, określenie wartości rynkowej głównych produktów przejściowych oraz końcowych
etapów procesów [1, 2].
Każdy proces technologiczny realizuje się
z przyjętym celem [24]. Do oceny stopnia osiągnięcia tego celu służy określenie skuteczności
procesu. Jest to stosunek rzeczywiście osiągniętych
wyników procesu do wyników założonych, przewidywanych lub teoretycznie możliwych do osiągnięcia. Przy ocenie skuteczności procesów technologicznych występują różnorodne wymagania
szczegółowe. Realizacja wieloproduktowych procesów technologicznych może wymagać określenia
ich skuteczności zarówno w odniesieniu do wybranego, pojedynczego produktu, jak i do grupy kilku
lub wszystkich produktów, przy czym indywidualne charakterystyki produktów mogą uzasadniać
zróżnicowane traktowanie ich rangi gospodarczej
48
[24]. Otrzymane w wyniku zastosowania metod
klasyfikacji typu clustering, klasy węgla mogą być
wykorzystywane m.in. do oszacowania ilości mieszanki energetycznej o zadanych parametrach jakościowych oraz do prognozowania wartości tej
mieszanki będącej produktem handlowym.
Według profesorów K. Sztaby i W. Blaschkego,
trwają prace nad wdrożeniem w gospodarce surowcami mineralnymi systemów oceny procesów przemysłowych opartych na zastosowaniu kryteriów
ekonomicznych, aby utworzyć wspólny system ocen
obowiązujący w gospodarce [22, 1]. Systemy te
powinny operować takimi pojęciami jak: ceny,
koszty, zyski, rentowność oraz obejmować: wycenę
kosztów funkcjonowania poszczególnych operacji
w powiązaniu z różnymi czynnikami składającymi
się na warunki przebiegu procesu, określenie ilościowego wpływu poszczególnych operacji procesu
na jego wyniki ilościowe i jakościowe, określenie
wartości rynkowej głównych produktów przejściowych oraz końcowych etapów procesów.
Klasyczne podejście do sterowania procesami,
polegające na budowie modeli matematycznych
i optymalizacji w oparciu o te modele, zaowocowało licznymi opracowaniami dotyczącymi automatyzacji procesów przeróbki węgla [6, 7, 14, 26,
29]. W tym nurcie można znaleźć prace poświęcone identyfikacji właściwości węgla surowego
decydujących o efektywności stosowanych modeli
matematycznych i kryteriów sterowania procesami przeróbczymi.
Różnica pomiędzy urobkiem z podziemia kopalń
a produktem docierającym do klientów jest istotą
działalności kopalnianych zakładów wzbogacania
węgla. Obróbka w zakładach wzbogacania przeobraża górniczy urobek w towar o wartości handlowej.
Przedziały wartości parametrów klas handlowych
węgla energetycznego określają polskie normy: PNG-04512:1980,
PN-G-04513:1981,
PN
ISO
334:1997, PN-G-04584:2001, PN-G-04511:11980.
Wartości parametrów klas handlowych zależą od
wartości opałowej węgla w stanie roboczym Qir,
zawartości popiołu w węglu w stanie roboczym Ar
i zawartości siarki w węglu w stanie roboczym Str.
Wyróżnikiem klasy węgla do celów energetycznych, wchodzących w skład oznaczenia są trzy liczby przedzielone ukośną kreską, z których:
 pierwsza wskazuje najniższą wartość opałową
węgla w stanie roboczym Qir (MJ/kg),
 druga wskazuje najwyższą zawartość popiołu
w węglu stanie roboczym Ar (%),
 trzecia wskazuje dziesięciokrotność najwyższej
zawartości siarki w węglu wstanie roboczym
Str (%).
3. POJĘCIE JAKOŚCI WĘGLA
Pojęcie jakości węgla jest ściśle związane z procesami przetwarzania węgla kamiennego i jego efektów jako produktów handlowych. Parametry jakości
węgla ściśle zależą od wykorzystania węgla jako
produktu procesów przeróbki, jego wartości handlowej, a także od obciążalności środowiska naturalnego powstałymi odpadami. W związku z tym,
jakość węgla jest rozumiana jako zbiór parametrów
wpływających na jego cenę i wartość, jako produktu
handlowego, oraz jako zbiór parametrów wpływających na wielkość obciążenia środowiska w analizowanych procesach.
Jakość węgla kamiennego jako materiału surowego do procesów przeróbczych, z punktu widzenia sterowania procesami elementarnymi oraz całości zakładu przeróbczego, była przedmiotem
wielu prac specjalistów automatyków i technologów [8, 14, 18, 28, 30].
W Polsce wyróżnia się następujące sortymenty
węgla:
 węgle sortowane, wzbogacane o uziarnieniu pomiędzy 8 a 200 mm sprzedawane jako: kostka,
orzech I, orzech II, groszek, groszek I, groszek II
stosowane w gospodarstwach domowych i niewielkich elektrociepłowniach; węgle te charakteryzują się niewielką zawartością podziarna, niską
zawartością popiołu i siarki oraz dużą odpornością
na kruszenie,
 miały energetyczne o uziarnieniu 0-20 mm lub
0-30 mm i określonej wartości opałowej; charakteryzują się dużą podatnością przemiałową, niską
lub średnią zawartością siarki oraz jednorodnością; używane są w dużych elektrowniach i elektrociepłowniach oraz cementowniach,
 miały koksujące – używane w koksowniach jako
główny składnik mieszanek wsadowych do produkcji różnych rodzajów koksu,
 groszki specjalne do produkcji żelazostopów,
 groszki niskopopiołowe do produkcji sadzy,
 miały do palenisk rusztowych o określonym
uziarnieniu.
Węgiel energetyczny stosowany jest głównie do
wytwarzania energii elektrycznej lub ciepła. Właściwości użytkowe węgla charakteryzują następujące parametry jakościowe [1, 20]:
 wartość opałowa [MJ/kg] – wpływa na ilość węgla
potrzebną do wytworzenia zadanej ilości energii,
zawartość popiołu [%] – wpływa na system nawęglania i usuwania popiołu, poziom emisji pyłów,
ilość niedopalonego węgla w popiele,
 zawartość siarki [%] – wpływa na tworzenie się
siarczanów (żużlowanie), korozję, poziom emisji
SO3, sposoby zagospodarowania odpadów;
 zawartość wilgoci [%] – wpływa na system nawęglania, magazynowania i usuwania popiołu,
wzrost zawartości wilgoci zwiększa objętość gazów odlotowych oraz zapotrzebowanie powietrza
do spalania;
 zawartość związków lotnych [%] – wpływa na
zachowanie węgla podczas składowania (utlenianie, skłonność do samozapłonu, utratę wartości
cieplnej).
Wartość opałowa to ilość ciepła odprowadzana
z komory spalania po zupełnym i całkowitym spaleniu jednostkowej ilości paliwa. Spalanie odbywa się
pod stałym ciśnieniem. Spaliny schładzane są do
temperatury początkowej substratów bez skroplenia
zawartej w nich pary wodnej [20]. Warunki te są
zbyt wygórowane i niemożliwe do spełnienia
w laboratorium. Dlatego w praktyce określa się
górną wartość opałową. Jest to całkowita ilość energii otrzymana z węgla. Wyznaczana jest jako ciepło
spalania i jest wyrażona w jednostkach energii na
jednostkę masy. Zmiana wartości opałowej węgla
powoduje zmianę ilości paliwa konieczną do wytworzenia założonej ilości energii. Wiąże się to
pośrednio z ilością emisji gazów do atmosfery oraz
ilością tworzących się, wymagających zagospodarowania, odpadów stałych.
Popiół jest pozostałością po całkowitym spalaniu
substancji organicznej i utlenieniu składników
mineralnych obecnych w węglu. Jest wykorzystywany jako wskaźnik stopnia czystości węgla. Wyższa zawartość popiołu powoduje niższą wartość
opałową, ponieważ popiół nie dostarcza żadnej
energii do układu. Popiół jest balastem podczas
transportu, wymaga odpylania gazów spalinowych
i powoduje powstanie odpadów paleniskowych
w ilości proporcjonalnej do zawartości popiołu
w węglu. Zawartość popiołu i jego skład wpływają
na operacje technologiczne w elektrowni. Wysoka
zawartość popiołu w węglu powoduje zaburzenia
w pracy układu nawęglania, młynów, kotłów,
w systemie odprowadzania popiołu, oddziałuje na
wymienniki ciepła i system zdmuchiwania sadzy,
wpływa na poziom emisji pyłów oraz ilość niedopalonego węgla w popiele. Zawartość popiołu jest
jednym z ważniejszych parametrów decydującym
o cenie węgla energetycznego [1, 21].
Najpoważniejszą konsekwencją zawartości popiołu w węglu energetycznym jest jego oddziaływanie

49
na sprawność kotła. Składniki popiołu powodują
zarastanie, żużlowanie i korozję powierzchni
grzewczych. Ze względów konstrukcyjnych kotły
energetyczne są projektowane i dostosowane do
spalania paliwa o określonej jakości tzw. węgla
gwarancyjnego. Przy jego spalaniu kocioł uzyskuje
najwyższą sprawność i wydajność znamionową.
Możliwe jest pogorszenie jakości dostarczanego
paliwa do pewnego poziomu, ale wiąże się to z pogorszeniem sprawności kotła. Znaczne odstępstwa
od optymalnych parametrów, zarówno pogorszenie
jak i polepszenie, pogarszają sprawność. Obniżenie
wartości opałowej powoduje wzrost zużycia węgla
ze względu na wymaganą ilość ciepła dostarczaną
do kotła oraz ze względu na obniżoną sprawność
kotła. Węgiel o zbyt wysokiej wartości opałowej
powoduje
z kolei wzrost zawartości części palnych w żużlu
i popiele lotnym oraz zwiększa stratę wylotową.
Oszczędność w konsumpcji paliwa w porównaniu
ze źle dobranym węglem szacuje się na 5% – 25%
redukcji w koszcie eksploatacji kotła [1, 21].
Siarka w węglu występuje w połączeniach organicznych i nieorganicznych. Najczęściej występuje
w związkach z żelazem. Siarka organiczna utlenia
się podczas spalania i trudno ją oddzielić konwencjonalnymi metodami. Siarka występuje we wszystkich rodzajach węgla w ilości nawet do kilkunastu
procent. Zawartość siarki w węglu jest jednym
z najważniejszych parametrów węgla handlowego
dla energetyki.
Powyższe parametry węgla są wyznaczane w analizach laboratoryjnych (technika analizy jakościowej, analizy pierwiastkowej inne). Na podstawie
tych parametrów można oszacować emisję dwutlenku siarki, pyłu oraz ilość odpadów.
Zmienna jakość węgla wpływa na różne wartości
gospodarcze węgla. Decyduje to o złożoności wyznaczania poprawnych relacji pomiędzy jakością
węgla a jego ceną. Dlatego system cen oparty na
właściwościach technologicznych węgla powinien
uwzględniać indywidualne cechy każdego urobku.
Dla producentów węgla korzystniejszym jest funkcjonowanie indywidualnych cenników węglowych
dostosowanych do oferty jakościowej węgla tego
zakładu [2]. Stworzenie takich cenników wymaga
znajomości klas węgla, które powinny jak najwierniej przedstawiać właściwości węgla. Rozwiązaniem może być wyznaczenie rzeczywistych klas
węgla w oparciu o istniejący zbiór właściwości
węgla i przyjęte formuły cenowe.
Do oszacowania cen i wartości węgla jako produktu końcowego będącego przedmiotem sprzedaży
można wykorzystać formuły sprzedażne oraz tablice
50
cennikowe proponowane przez prof. W. Blaschkego
[1, 19]. Podstawą oszacowania w systemie ekspertowym jest baza wiedzy reprezentująca strukturę
ilościowo-jakościową całego materiału, z którego
pobrane zostały próbki węgla.
są powszechnie używane przez technologów procesów przeróbki kopalin, a sposób pobierania materiału stanowiącego próbkę oraz jej masa są przedmiotem szeregu norm. Podstawą do podejmowania decyzji o liczbie próbek i ich wielkości, a także częstości ich pobierania jest wielkość dopuszczalnego
błędu dla udziału danej frakcji ziarnowej lub gęstościowej oraz przewidywany dopuszczalny koszt
opróbowania. Ponadto zagadnienie rozpoznawania
lub klasyfikacji materiału w oparciu o pobraną
próbkę statystyczną można sformułować w kategoriach zdarzeń losowych, których prawdopodobieństwo zajścia określają reguły Bayesa.
4. SYSTEM EKSPERTOWY UWZGLĘDNIAJĄCY SPECYFIKĘ ZAKŁADU PRZERÓBKI
WĘGLA
W strukturze zakładów przeróbki surowców mineralnych można wyróżnić zbiór pojedynczych współzależnych procesów. Tworzą one ciągi technologiczne o określonych zadaniach. Aby surowy materiał uziarniony stał się produktem handlowym, jest
on poddawany procesom przeróbki mechanicznej
lub chemicznej w celu:
 rozdrabnianie zbyt dużych ziaren,
 rozdziału materiału na klasy ziarnowe poprzez
przesiewanie,
 rozdziału na frakcje o różnej zawartości składnika
użytecznego (wzbogacanie) dla uzyskania produktów handlowych o wysokiej jakości,
 mieszanie materiałów o różnej zawartości składnika użytecznego,
 uśrednianie materiału ze względu na wybrany
parametr.
Operacjom tym towarzyszą procesy pomocnicze
realizowane przez:
 system zamknięcia obiegu wody dla całego zakładu,
 układy regulacji gęstości cieczy ciężkich,
 układy regulacji pulsacji dla osadzarek,
 urządzenia filtracji, suszenia, transportu i inne.
Kontrola bieżąca i regulacja automatyczna oraz
optymalizacja zadań całego zakładu wymagają mierzenia i rejestracji wielu parametrów [7]. Niektóre
z tych wielkości są wyznaczane poprzez badania
próbkowe z czasem dyskretnym lub ciągłym [24].
Jednym z podstawowych zadań jest uzyskanie żądanych produktów procesu wzbogacania. Podstawowymi charakterystykami materiałów uziarnionych,
w tym surowców mineralnych przeznaczonych do
dalszej przeróbki, półproduktów i produktów, są:
 charakterystyka składu ziarnowego reprezentująca
udziały klas ziarnowych o zróżnicowanej wielkości ziaren
 charakterystyka densymetryczna reprezentująca
udziały frakcji ziaren o zróżnicowanej wielkości.
Ponadto w zależności od przeznaczenia materiałów określa się zawartości w materiale składników
użytecznych lub nieużytecznych. Charakterystyki te
5. PODSUMOWANIE
Nowoczesne analizy danych, w tym data mining,
klasyfikacja danych typu clustering, a przede
wszystkim tworzenie systemów z bazą wiedzy
w oparciu o analizę danych i wiedzę ekspertów,
które zastępują tradycyjne w automatyce modele
matematyczne procesów i systemów wraz z systemami sterowania, można również zastosować do
wielu procesów przetwarzania węgla, które są bardzo złożone ze względu na wielowymiarowość
wielkości opisujących procesy, ograniczone możliwości pomiarowe istotnych parametrów węgla,
potrzebę uwzględnienia wiedzy ekspertów – technologów. Utworzenie systemu ekspertowego zawierającego bazę wiedzy o jakości węgla pod kątem wybranych procesów technologicznych, uwzględniającego specyfikę zakładu przeróbki węgla będzie
tematem dalszej pracy.
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Blaschke W., Mokrzycki E., Zhongijan Shan: Coal preparation
economics. New Trends in Coal Preparation Technologies and
Equipment. Gordon and Breach Publishers, 1994.
Blaschke W.: System cen energetycznego węgla kamiennego.
Studia, rozprawy, monografie 77. Wydawnictwo Instytutu
Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN. Kraków.
2000.
Bubnicki Z.: Logic-algebraic method for knowledge-based
systems, Proc.1 st Int. Symposium on Mathematical Models in
Automation and Robotics. Międzyzdroje. 1994.
Bubnicki Z.: Metody logiczno-algebraiczne dla dynamicznych
reprezentacji wiedzy. Inżynieria Wiedzy i Systemy Ekspertowe, pod red. Z. Bubnickiego i A. Grzecha, t. I, str. 133-142.
Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej. Wrocław.
1997.
Cholewa W., Moczulski W.: Reprezentacja wiedzy w diagnostycznych systemach doradczych. Techniki komputerowe.
1988.
Cierpisz S.: Automatyzacja zakładów przeróbki mechanicznej
węgla. Mat. Konf. pt. Automatyzacja zakładów przeróbki me-
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
chanicznej węgla. Szczyrk. 1995. str. 1-13.
Cierpisz S.: Optymalizacja produkcji jednego zakładu i grupy
zakładów wzbogacania węgla. XI Konferencja Automatyzacji
Procesów Przeróbki Kopalin. Materiały konferencyjne.
Szczyrk. 2005
Cierpisz S., Pielot J.: Symulacyjne statyczne modele procesów i układów sterowania w zakładach wzbogacania węgla.
Monografia. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej. Gliwice.
2001.
Czogała E., Frączek J., Sułkowski J.: Simulation of fuzzy
control of the ventilation process in the longwalls with
methan
emission
(Polish).
Archiwum
Informatyki
Teoretycznej i Stosowanej, T.7. 1995.
Fayyad U. M.: Data Mining and Knowledge Discovery: Making Sense Out of Data. Microsoft Research. IEEE Expert 11.
1996.
Gornig A.: Zastosowanie metod klasyfikacji danych w ocenie
jakości węgla. Praca doktorska. Gliwice. 2006.
Holsheimer M., Siebes A.: Data mining. The Search for
Knowledge in Databases. Amsterdam.
Jagielski J.: Inżynieria wiedzy w systemach ekspertowych.
Lubuskie Towarzystwo naukowe. Zielona Góra. 2001.
Kalinowski K., Krasucki F.: Wybór funkcji identyfikującej
nadawę dla automatycznego sterowania procesem wzbogacania węgla. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej. Z.86.
Gliwice. 1977.
Kaufman Leonard, Rousseeuw Peter J.: Finding Groups in
Data. An Introducion to Cluster Analysis. A WileyIntersciences Publication. USA. 1990.
Korbicz J.: Advances in fault diagnosis systems. Proc. 10th
IEEE Int. Conf. Methods and Models in Automation and Robotics, MMAR, Miedzyzdroje. 2004. Vol. 2. (referat
plenarny).
Korbicz J., Koscielny J.M., Kowalczuk Z., Cholewa W.: Fault
Diagnosis. Models, Artificial Intelligence, Application) Berlin
Heidelberg: Springer –Verlag. 2004.
Krasucki F., Walaszek-Babiszewska A.: Algorytmy wyznaczania nadawy. Mat. Symp. KG PAN NT. Automatyzacja
Procesów Przeróbki Mechanicznej Węgla. Str. 74-77. Katowice. 1978.
Lorenz U.: Metoda oceny wartości węgla kamiennego energetycznego uwzględniająca skutki jego spalania dla środowiska
przyrodniczego. Studia Rozprawy Monografie 64. Wydawnictwo Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią
PAN. Kraków. 1999.
51
20. Mielecki T.: Wiadomości o badaniu i własnościach węgla.
Wydawnictwo Śląsk. Katowice. 1972.
21. Pieczyński A.: Reprezentacja wiedzy w diagnostycznych
procesach przemysłowych. Monografia. Lubuskie Towarzystwo Naukowe. Zielona Góra. 2003.
22. Smakowski T., Budka J.: Ceny transakcyjne węgla kamiennego. Mat. Sympozjum „Koncepcje racjonalnych zmian systemowych i organizacyjnych w górnictwie węgla kamiennego”.
Wyd. GIG. Katowice. 1989.
23. Sugeno M.: Fuzzy Control and Applications. Wykłady Studiów doktoranckich z przedmiotu infoirmatyka i sztuczna inteligencja. Oviedo. Hiszpania.1998.
24. Sztaba K.: Identyfikacja i ocena wybranych właściwości
surowców mineralnych oraz procesów ich przeróbki. Praca
zbiorowa. Wydawnictwo Instytutu Gospodarki Surowcami
Mineralnymi i Energią PAN. Kraków. 2003.
25. Takagi T., Sugeno M.: Fuzzy identification of systems and its
applications to modeling and control. IEEE Transaction on
Systems, Man, and Cybernetics. 1985. vol. 15. No 1.
26. Tumidajski T.: Modelowanie matematyczne układów technologicznych przeróbki surowców mineralnych. Praca zbiorowa.
IGSMiE PAN. Kraków. 2004.
27. Turksen I.B.: Theories of set and logic with crisp or fuzzy
information granules. J. Adv. Comput. Intell. 1999.
28. Walaszek-Babiszewska A.: Identyfikacja statyczna procesu
wzbogacania węgla w cieczach ciężkich w układzie automatycznego sterowania. Praca doktorska. Gliwice. Politechnika
Śląska, Wydział Górniczy. 1980.
29. Walaszek-Babiszewska A.: Modele stochastyczne opróbowania węgla. Zeszyty Naukowe Politechniki Śl., Górnictwo,
z. 203. Gliwice. 1992.
30. Walaszek-Babiszewska A.: Statistical investigation of feed for
identification of coal envichment process. Proc. Int. Conf.
Automatical Regulation Systems (ARS). Ostrava. 1981.
31. Wierzchoń S.: Metody reprezentacji i przetwarzania informacji niepewnej w ramach teorii Dempstera-Shafera. Warszawa.
1996.
Recenzent: dr inż. Adam Heyduk

book - pl - Instytut Technik Innowacyjnych EMAG

Transkrypt

Podobne dokumenty

Chemiczne badania kryminalistyczne

Dzień Edukacji Narodowej - Szkoła Podstawowa nr 6 w Oleśnicy