book - pl - Instytut Technik Innowacyjnych EMAG

Transkrypt

CZASOPISMO NAUKOWO-TECHNICZNE
NR 1(479)
STYCZEŃ 2011
INNOWACYJNE WYROBY
PROCESY TECHNOLOGICZNE
MECHANIKA
ENERGOELEKTRONIKA
AUTOMATYKA
INFORMATYKA TECHNICZNA
TELEKOMUNIKACJA
AEROLOGIA
ZAGROŻENIA NATURALNE I BEZPIECZEŃSTWO
EKOLOGIA I OCHRONA ŚRODOWISKA
ORGANIZACJA I ZARZĄDZANIE
НОВАТОРСКИЕ ИЗДЕЛИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
МЕХАНИКА
ЭНЕРГОЭЛЕКТРОНИКА
АВТОМАТИКА
ТЕХНИЧЕСКАЯ ИНФОРМАТИКА
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЯ
АЭРОЛОГИЯ
ЕСТЕСТВЕННЫЕ ОПАСНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТЬ
ЭКОЛОГИЯ И ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
ОРГАНИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ
INNOVATIVE PRODUCTS
MANUFACTURING PROCESSES
MECHANICS
POWER ELECTRONICS
AUTOMATICS
TECHNICAL INFORMATICS
TELECOMMUNICATION
AEROLOGY
NATURAL HAZARDS AND SAFETY
ECOLOGY AND ENVIRONMENT PROTECTION
ORGANISATION AND MANAGEMENT
PL ISSN 0208-7448
Wydawca: Instytut Technik Innowacyjnych EMAG
SPIS TREŚCI / CONTENTS nr 1
1. Nowe podejście do problematyki monitorowania
zagrożeń naturalnych w kopalniach węgla kamiennego
3
New Approach to the Problem of Environmental
Hazards Monitoring in Coal Mines
2. Zagrożenie pożarowe a działania profilaktyczne
w świetle badań
dr inż. Z. Krzystanek
dr inż. B. Bojko
dr inż. S. Trenczek
mgr inż. K. Śpiechowicz
mgr inż. P. Wojtas
15
dr inż. S. Trenczek
22
dr inż. G. Pach
dr inż. P. Wrona
30
mgr inż. J. Utikal (tłumaczenie)
Fire hazards and prevention actions in the light
of conducted research
3. Koncepcja systemu wentylacji dla podziemnego obiektu
turystycznego powstałego w dawnej kopalni węgla
kamiennego
Conception of ventilation system for underground
tourist object located in abandoned coal mine
4. Standardowe sterowania w czasie rzeczywistym
dla celów automatyzacji w górnictwie podziemnym
Real-time-capable, standardised control systems
for automation tasks in underground mining
Rada Programowa – Program Board
mgr inż. Marek Chagowski, prof. dr hab. inż. Stanisław Cierpisz – przewodniczący – chairman
dr hab. inż. Piotr Czaja prof. nzw. w AGH, prof. dr hab. inż. Marian Dolipski, prof. dr hab. inż. Jerzy Frączek,
prof. dr hab. inż. Marek Jaszczuk, prof. dr hab. inż. Adam Lipowczan, dr inż. Piotr Litwa,
prof. dr hab. inż. Maciej Mazurkiewicz, prof. dr hab. inż. Bogdan Miedziński, prof. dr hab. inż. Tadeusz Orzechowski,
doc. dr inż. Roman Pilorz, doc. dr inż. Franciszek Szczucki, dr inż. Stanisław Trenczek – sekretarz – secretary,
prof. dr hab. inż. Stanisław Wasilewski, prof. dr hab. inż. Andrzej Zorychta
Komitet Redakcyjny – Editorial Board
Redaktor Naczelny – Editor-in-chief mgr inż. Piotr Wojtas,
Z-ca Redaktora Naczelnego Vice Editor-in-chief – dr inż. Władysław Mironowicz,
Sekretarz Redakcji – Editorial Staff Secretary mgr inż. Antoni Kurzeja
Redaktorzy działowi – Sub-Editors: mgr inż. Józef Koczwara, dr inż. Janusz Strzemiński, mgr inż. Janusz Tobiczyk,
dr inż. Stanisław Trenczek, prof. dr hab. inż. Stanisław Wasilewski
Redaktor techniczny – Technical Editor mgr Urszula Gisman
Adres Redakcji – Address of the Editor's Office: ul. Leopolda 31, 40-189 Katowice, tel. (32) 2007700, 2007570
e-mail: [email protected]
dr inż. ZDZISŁAW KRZYSTANEK
dr inż. BOŻENA BOJKO
dr inż. STANISŁAW TRENCZEK
mgr inż. KAROL ŚPIECHOWICZ
mgr inż. PIOTR WOJTAS
Instytut Technik Innowacyjnych EMAG
Nowe podejście do problematyki monitorowania
zagrożeń naturalnych w kopalniach węgla kamiennego
New Approach to the Problem of Environmental
Hazards Monitoring in Coal Mines
Przedstawiono wybrane wyniki prac badawczo-konstrukcyjnych związanych z opracowaniem nowego systemu należącego do kategorii systemów bezpieczeństwa. Zapewnia on monitorowanie i prognozowanie zagrożeń wentylacyjnych, których źródłem jest eksploatacja górnicza w ścianach i przodkach kopalń węgla kamiennego
o wysokiej koncentracji wydobycia. Istotą projektu było stwierdzenie, że analizę parametrów charakteryzujących poziom zagrożeń naturalnych w większości przypadków prowadzi się obecnie w oderwaniu od informacji o przebiegu procesu produkcyjnego, stanie maszyn i urządzeń. Tymczasem w kopalniach, stosujących wysokowydajne technologie urabiania, proces ten ma największy wpływ na kształtowanie
się poziomu, a przede wszystkim na dynamikę zjawisk wentylacyjnych prowadzących
do powstawania stanów awaryjnych (przymusowe wyłączenia energii elektrycznej),
krytycznych czy katastrofogennych. Potwierdzają to analizy danych z zainstalowanych w polskich kopalniach systemów monitorowania parametrów bezpieczeństwa.
Wynika stąd wniosek, że w kopalni o wysokiej koncentracji wydobycia i wysokim poziomie skojarzonych zagrożeń, bezpieczeństwo nie może być rozpatrywane jako pojęcie niezależne. Stanowi ono bowiem nieodłączną część procesu produkcyjnego,
a jego poziom zależy nie tylko od czynników naturalnych, lecz także od stanu maszyn
i urządzeń ciągu technologicznego oraz sposobu prowadzenia urabiania i sterowania przebiegiem produkcji węgla. W artykule przedstawiono wynikającą stąd nową
koncepcję systemu monitorowania zagrożeń naturalnych w ścianie wydobywczej,
zwięźle opisano funkcje opracowanego dla jej realizacji prototypowego systemu
oraz scharakteryzowano wybrane urządzenia dołowe.
The article presents some research carried out with the aim to design a new system
which belongs to the mine safety systems category. The system ensures monitoring and
prediction of ventilation hazards in high output longwalls, whose source is mining activity. The essence of the project is that so far the analysis of parameters which describe the environmental hazards level has been made in most cases without information about the production process. Meanwhile, in the mines which use modern mining technologies, this process has the greatest impact on the formation of level dynamics of the ventilation phenomena that lead to a rise of emergency states and even catastrophes. This is confirmed by the analysis of data from monitoring systems installed
in Polish mines. The lesson here is that in the mines of high production and high level
of environmental hazards, safety is an integral part of the production process, and its
level depends not only on natural issues but also on the state of machines and equipment of the technological line as well as the method of coal mining and control of the
coal production process. This article presents a new concept of the system for environmental hazards monitoring in longwalls and developments and briefly describes its
main functions and selected underground equipment.
4
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
1. WSTĘP
1. INTRODUCTION
Eksploatacja górnicza w ścianach i przodkach
głębokich kopalń węgla kamiennego o wysokiej
koncentracji wydobycia prowadzona jest w coraz
trudniejszych warunkach. Poziom zagrożeń występujących podczas prowadzenia robót górniczych zależy od rodzaju i liczby tych zagrożeń,
w tym coraz częściej od tak zwanych zagrożeń
skojarzonych. Ważny jest również stan techniczny
i bieżące parametry pracy maszyn i urządzeń ciągów technologicznych. Do monitorowania parametrów atmosfery i poziomu zagrożeń wentylacyjnych w górnictwie polskim stosuje się systemy
z centralnym zasilaniem i czujnikami umieszczonymi na obrzeżach kontrolowanych rejonów [9].
Do monitorowania stanu pracy i parametrów eksploatacyjnych w górnictwie stosowane są systemy
opracowane przez producentów maszyn i urządzeń ciągów technologicznych. Dane pomiarowe
z tych systemów rejestrowane i analizowane są
oddzielnie, mimo że zależność warunków środowiskowych od stanu urządzeń produkcyjnych jest
ewidentna. Prawdopodobnie jest to podstawowa
przyczyna zdarzających się ciągle w kopalniach
wypadków i katastrof, pomimo stosowania nowoczesnych systemów zabezpieczeń metanometrycznych, gazowych, a także sejsmicznych [2,3].
W ramach projektu badawczego realizowanego
przez Instytut EMAG we współpracy z ukraińskim instytutem Avtomatgormasz [5] opracowany
został prototyp nowego systemu, w którym założono rozszerzenie zakresu pomiarów, integrację
danych o środowisku i informacji technologicznych oraz wprowadzenie elementów prognozowania zagrożeń naturalnych. Zmiany te mają na celu
poprawę bezpieczeństwa i wyników ekonomicznych zakładów górniczych. Środki realizujące te
cele to wprowadzenie nowych rozwiązań technicznych umożliwiających pełniejszą niż dotychczas analizę parametrów bezpieczeństwa, z kontrolą sprowadzoną na niższy poziom. Opracowany
w wyniku realizacji projektu system, oprócz realizacji funkcji automatycznego zatrzymywania
ciągów technologicznych przy zagrożeniu wybuchem, ma możliwość wypracowywania i bezzwłocznego przekazywania zainteresowanym
służbom informacji (krótkoterminowych prognoz)
pozwalających na uniknięcie stanów bezpośredniego zagrożenia i związanych z tym przymusowych postojów.
Mining operations in the longwalls and coal faces
of deep hard coal mines with high concentration of
production are carried out in more and more difficult environmental conditions. The level of hazards
which occur during mining operations depends on
the kinds and frequency of these hazards and on the
so called associated hazards. Additionally, it is important to consider the technical condition and
working parameters of machines and ancillary
equipment. In Poland, the ventilation parameters
and hazards are monitored with the use of systems
[9] equipped with sensors placed on the boundaries
of monitored areas (longwalls, developments). The
operating conditions and parameters are monitored
with the use of systems developed by the manufacturers of machines and ancillary equipment. The
measuring data from these systems are archived and
analyzed separately, though the dependencies between environmental conditions and the condition of
production equipment are evident.
The EMAG Institute, in co-operation with the
Ukrainian Avtomatgormash Institute, had been carrying out a research project [4,5] with a view to develop a new monitoring system. It was assumed that the
system would have an extended range of measurements, would integrate the environmental data with
information on the current state of technological
equipment, and would feature some elements for
natural hazards prediction. These modifications were
to increase the safety and the economical effects of
the mining industry. The new technological solutions
make it possible to analyze safety parameters in
a more extensive manner and to bring the monitoring
process to a lower level (underground). Apart from
the function enabling to stop an activity whenever an
explosion hazard occurs, the proposed system works
out, and sends to all involved personnel, warning
and/or alarm messages which allow to avoid direct
danger and reduce the related down-times.
The research undertaken with respect to the new
system concept is carried out independently of the
analysis of the hazards causes. The hazards do occur
in mines in spite of state-of-the-art protection systems
installed there to detect gas and seismic hazards [2,3].
The research was indispensable to solve the issues of
mining safety in modern mines with high concentration of coal faces.
Nr 1(479) STYCZEŃ 2011
5
Najważniejsze cele projektu sformułowano następująco:
1) rozszerzenie zakresu pomiarów za pomocą czujników stacjonarnych tak, aby możliwa była ciągła
kontrola parametrów bezpieczeństwa w ścianach
i przodkach, czyli tam, gdzie znajdują się źródła
zagrożeń, a ich poziom i dynamika są największe,
2) rozszerzenie zakresu pomiarów w ścianach
i przodkach o informacje technologiczne (stan
pracy maszyn i urządzeń, położenie maszyny urabiającej itp.) niezbędne do wypracowywania prognoz i decyzji sterujących,
3) zapewnienie środków technicznych umożliwiających przetwarzanie i analizę danych pomiarowych
oraz podejmowanie i realizację decyzji sterujących w czasie rzeczywistym w lokalnym (rejonowym) centrum dyspozytorskim, położonym
w bezpośredniej bliskości monitorowanego obiektu, tzn. ściany lub przodka,
4) zapewnienie środków technicznych umożliwiających transmisję zbieranych i przetworzonych informacji z lokalnych centrów dyspozytorskich na
powierzchnię w celu wykorzystania ich w rutynowej działalności profilaktycznej.
The directions of the research had to include the
following:
1) extending the range of measurements by means of
fixed type measuring instruments in order to ensure on-line monitoring of safety parameters within longwalls and development faces, i.e. in places
where the hazards originate and where the level
and dynamics of the hazards are the highest,
2) extending the range of measurements in longwalls
and development faces by technological data
(operating conditions of machines and equipment,
location of a mining machine, etc.) indispensable
to work out prognoses and control decisions,
3) providing technical measures to enable the processing and analysis of measurement data, as well
as to make and perform control decisions in real
time in a point which is considered a local
(underground) control centre, located next to the
monitored facilities, i.e. longwall or coal face,
4) providing technical measures to enable the transmission of selected processed data from local control centres to the surface, with a view to use these
data in routine prevention actions.
2. KONCEPCJA STRUKTURY SYSTEMU
2. STRUCTURE OF THE DESIGNED SYSTEM
Realizacja nowego systemu monitorowania i prognozowania zagrożeń miała na celu, jak już wspomniano we wstępie, poprawę bezpieczeństwa i wyników ekonomicznych zakładów górniczych, poprzez
wprowadzenie nowych rozwiązań technicznych
umożliwiających pełniejszą niż dotychczas analizę
parametrów bezpieczeństwa. Ponieważ ma on wypracowywać i przekazywać zainteresowanym służbom dołowym i powierzchniowym informacje pozwalające na uniknięcie stanów bezpośredniego zagrożenia i związanych z tym przymusowych postojów, niezbędne jest oparcie go na odpowiednim systemie transmisji.
Trzonem nowej struktury (Rys. 1) jest zintegrowany światłowodowy system transmisji (µZIST), składający się z zestawu lokalnych stacji transmisji danych zabudowanych w czynnych ścianach i przodkach przygotowawczych. Stacje lokalne systemu
transmisji są wyposażone w interfejsy umożliwiające
komunikację z urządzeniami pomiarowymi i technologicznymi zlokalizowanymi w obrębie obiektów
monitorowania i umożliwiają przekazywanie danych
do lokalnego centrum dyspozytorskiego (RCD) oraz
do powierzchniowej części systemu monitorowania
i prognozowania.
As it was mentioned before, the system for hazards
monitoring and prediction had been designed to improve the safety and economical effects in the mining
industry by providing new technical solutions, which
enable a more extensive analysis of safety parameters. As the system is to work out, and send to all
involved underground personnel, the data which
allow to avoid direct hazards and related forced
down-times, it is necessary to base the new solution
on a proper transmission system in order to achieve
this objective.
The core of the new structure (Fig. 1) is an integrated fiber-optic high-speed transmission system
(µZIST) consisting of a set of local transmission
stations located in all active longwalls and development headings. These stations are equipped with
interfaces which enable communication with measuring and technological devices located within the
monitored facilities. They continuously collect data
from measuring stations of ventilation (PPA), methane (PMS) and production parameters (MPT).
6
PMS
Metan
CO
V
T
PPA
Wentylacja
CH4
CH4
Zroby
CH4
Światłodowy
System
Transmisji
CH4
Kombajn/Obudowa
MPT
Metan
CO
V
T
PPA
Wentylacja
uZIST
Rejonowe Centrum Dyspozytorskie
TRCD
TRCD
Terminale
SRCD
Serwer
Rys. 1. Schemat rozmieszczenia urządzeń dołowych systemu w ścianie wydobywczej
Fig. 1. The layout of the new system equipment in a longwall area of a mine
W celu realizacji funkcji ostrzegania o sytuacjach
awaryjnych i przedawaryjnych, w systemie przewiduje się również sprzężenie systemu µZIST z urządzeniami głośnomówiącej łączności technologicznej.
Podstawowym zadaniem lokalnych stacji transmisji
jest pośredniczenie w zbieraniu danych pomiarowych
z czujników mierzących parametry bezpieczeństwa
i parametry technologiczne oraz ich transmisji na
powierzchnię i do zestawu urządzeń informatycznych
tworzących rejonowe centrum dyspozytorskie RCD.
Dane pomiarowe dostarczane są w sposób ciągły do
lokalnych stacji transmisji µZIST ze stacji pomiarowych PPA, PMS MPT, rozlokowanych w wyrobiskach ścian i przodków.
3. ZAKRES POMIARÓW I PRZETWARZANIA
DANYCH POMIAROWYCH
Baza danych podziemnej części systemu powinna
zawierać rejestrowane na bieżąco wyniki pomiarów
z zakresu aerologii (wentylacja ze szczególnym
uwzględnieniem zawartości metanu) [8] i stanu
obiektów technologicznych oraz oprogramowanie
niezbędne do bieżącej analizy stanu zagrożeń. Z kolei
część powierzchniowa zawiera oprogramowanie
przeznaczone do wykonywania prognoz stężenia
gazów w rejonie ściany. Parametry środowiska, określające poziom zagrożeń, są – zgodnie ze schematem
przedstawionym na rysunku 1 – monitorowane przez
następujące rodzaje stacji pomiarowych:
Additionally, the stations make it possible to transfer data to a computer-based local control centre
(RCD) and to the surface part of the system for hazards monitoring and prediction. The function of direct sending failure and pre-failure warning signals to
the underground staff is also provided, thanks to the
connection with a telecommunications system based
on loudspeakers.
To summarize, the basic task of the local station is
to perform an intermediary function as it collects
measuring data from sensors which measure safety
(environmental) and technological parameters, and
transmits these data to the surface and to the set of IT
equipment which makes up the local RCD control
and supervision station.
3. RANGE OF MEASUREMENTS
The database in the underground part of the system
should be made by measurement results from the
domains of aerology (ventilation with special regard
to methane content) and technological facilities and
should have software necessary for current analysis
of the hazard level. The surface part, in turn,
has software for predicting the concentration of gas
in the longwall face area. Safety (environmental)
parameters in the above-described structures are
monitored by the following kinds of measuring stations (Fig. 1):
7
 stacje PPA służące do wykonywania pomiarów
jakości i ilości powietrza (CO, O 2, prędkość przepływu powietrza, ciśnienie, temperatura), zlokalizowane na końcach wyrobiska ścianowego – na
jego wlocie i wylocie,
 stacje PMS służące do akwizycji danych metanometrycznych za pomocą sieci czujników (M) rozmieszczonych wzdłuż wyrobiska ścianowego, z
możliwością wykorzystania komunikacji bezprzewodowej,
 stacje MPT przeznaczone do akwizycji stanów
podstawowych urządzeń ciągów technologicznych
w rejonie ściany, tj. kombajnu, obudowy zmechanizowanej i przenośników.
Ponadto w kopalniach zagrożonych tąpaniami zestaw pomiarowy może być uzupełniony o stację
akwizycji danych sejsmicznych monitorującą sygnały z sieci geofonów.
Dane ze wszystkich monitorowanych urządzeń
(wentylacja, metan, maszyny i urządzenia ciągów
technologicznych, ew. sejsmologia) są przekazywane do lokalnej stacji transmisji, a stąd do urządzeń
komputerowych rejonowego i powierzchniowego
centrum dyspozytorskiego.
 PPA stations for air quality and quantity measurements (CO, O2, air velocity, temperature etc.),
located at the longwall face ends – in the intake
and outlet,
 PMS micro-stations for methane data acquisition
that collect measuring data from the network of
methane sensors (M) distributed along the
longwall face using wireless communication (no
additional cabling inside the longwall planned),
 MPT stations for data acquisition on the state of the
basic facilities of technological equipment in the
longwall face area, i.e. shearer (BPK), powered
roof support (Pop) and chain conveyor.
4. WYBRANE FUNKCJE I ALGORYTMY
4. SELECTED FUNCTIONS AND ALGORITHMS
Informacje o stanie środowiska i parametrach pracy
maszyn i urządzeń technologicznych rejestrowane są
w bazach danych urządzeń informatycznych rejonowego centrum dyspozytorskiego, a oprócz tego przesyłane na powierzchnię. Analiza danych może być
zatem realizowana zarówno lokalnie w RCD, gdzie
wykorzystuje się proste algorytmy zapewniające
lokalną kontrolę i ostrzeganie załogi z wykorzystaniem systemu głośnomówiącej łączności technologicznej, jak również w stacji kontroli i nadzoru na
powierzchni kopalni.
Podstawową funkcją systemu jest bieżące monitorowanie parametrów wentylacyjnych, bezpieczeństwa i produkcji wykorzystywanych przez personel
podziemny i kierownictwo kopalni. Jednakże dane
pomiarowe zbierane na bieżąco przez system umożliwiają także realizację szeregu przydatnych w praktyce obliczeń i analiz, które są wprawdzie określone
w polskich przepisach górniczych, ale nie zawsze
możliwe do realizacji w obecnie stosowanych systemach monitorowania. Niektóre z nich są wymienione
poniżej:
The data about the values of measured parameters
are transferred to the IT system, hereafter called the
local control centre (RCD in Fig. 1), located in an
excavation with a fresh air current, close to a
longwall heading with intake air coming to the face.
These data are also transferred to the surface. Data
analyses can be carried out both in underground
RCDs (for local warning and control using a loud
speaking communication system) as well as in the
control and supervision station on the surface of a
mine.
The basic function of the system is current monitoring of ventilation, safety and production parameters
for the use of the underground staff and mine management. However, the measuring data collected in
the proposed system make it possible to frame some
very useful on-line guidelines for calculations and
analysis which are stipulated by Polish mining regulations, but not always possible in today’s practice.
Some of them are listed below:
Besides, in mines endangered with rock-bump hazards a set of geophones is used to control seismic
activity of the longwall face area.
The data from all monitored facilities (ventilation
control, methane detection, seismology, technological
machines and equipment) are all transferred through
the local transmission station to the local (underground) and main (surface) control centres.
8
1) Prognozowanie trendów zmian wartości o szczególnym znaczeniu, np. stężenia metanu, prędkości
powietrza, tlenku węgla, temperatury powietrza
itp. W części powierzchniowej systemu proponuje
się zastosowanie do tego celu metod analizy wieloczynnikowej i wnioskowania maszynowego
[6,7] z uwzględnieniem informacji o stanie maszyn i wyposażenia technologicznego. W części
dołowej mogą być realizowane proste, szybkie algorytmy średniej ruchomej w oparciu o wyrażenie:
1) Predicting the trends in the changes of values of
special importance, e.g. methane concentration,
air velocity, carbon monoxide concentration, air
temperature, etc. It is expected to apply in the system the method of multi-factor analysis or other
prediction methods [6,7], additionally taking into
consideration the data on the condition of machines and technological equipment. However, in the
simplest case the moving average model can be
used, based on the expression:
A  Ar 1  ....... At  n 1
Ft  r
n
(1)
gdzie:
A – wartość liczbowa parametru w danym momencie,
t – łączna liczba punktów w serii pomiarowej,
n – liczba określająca okres uśredniania,
r – kolejny punkt serii pomiarowej.
2) Poza bieżącym monitorowaniem stężenia tlenku
węgla i innych parametrów aerologicznych,
w systemie możliwe jest bieżące wyznaczanie
wskaźników wykorzystywanych do wczesnego
wykrywania pożarów podziemnych, takich jak:
 objętość tlenku węgla V CO według wzoru:

V

CO = ( V  q’’CO)  0,001, [l/min] (2)
gdzie:
– wydatek powietrza (m /min),
q’’CO – stężenie tlenku węgla (ppm),
 przyrost stężenia tlenku węgla ΔCO według wzoru:
ΔCO = CO – COx ,
[%] (3)
Ar  Ar 1  ....... At  n 1
n
(1)
where:
A – numerical value of the parameter in a given
point of time,
t – total number of points in the series,
n – number determining the period,
r – successive point in the series.
2) Apart from current monitoring of the carbon monoxide concentration other factors and coefficients can be calculated for the purpose of underground fire detection, like:
 carbon monoxide volume V CO according to the
formula:

V
here:

V
q’’CO
3

V
Ft 
CO
= ( V  q’’CO)  0,001, [l/min] (2)
– air output, m3/min,
– carbon monoxide concentration, ppm,
 increase in the concentration of carbon monoxide
ΔCO according to the following formula:
ΔCO = CO – COx ,
[%] (3)
gdzie:
COx – zawartość tlenku węgla w prądzie powietrza
wlotowego,
CO – zawartość tlenku węgla w prądzie powietrza
wylotowego,
jak również prognozowanie trendów w zmianach
tych współczynników.
where:
COx – carbon oxide content in the station, in the intake air current,
CO – carbon oxide content in the station, in the
return air current,
as well as predicting the trends in the changes of
these coefficients.
3) Oprócz bieżącego monitorowania prędkości powietrza υ [m/s], obliczanie wydatku powietrza
w prądzie dopływowym do ściany V , po uprzednim wprowadzeniu do algorytmu wartości przekroju poprzecznego wyrobiska A [m2] w stacji
pomiarowej, zgodnie z wzorem:
3) Apart from current monitoring of the air velocity
υ [m/s], calculating the air volume in the intake
current coming to the face V – after entering to
the algorithm the numerical value of the working
cross-section A [m2] in the measuring station –
according to the formula:

V
=
υ · A · 60,
[m3/min]
(4)

V
=
υ · A · 60,
[m3/min]
(4)
4) Obliczanie i bieżące monitorowanie rozkładu pola
potencjałów aerodynamicznych [1] poprzez:
 wykorzystanie wyników pomiarów ciśnienia
barometrycznego [Pa], prędkości powietrza
[m/s], temperatury [ oC] i wilgotności względnej [%],
 wprowadzenie wartości głębokości niwelacyjnej [m] do algorytmu, który umożliwia obliczenie wartości potencjału aerodynamicznego w każdym monitorowanym węźle sieci
wentylacyjnej,
 obliczanie wartości potencjału w węźle.
5) Monitorowanie poziomu zagrożenia tąpaniami
(aktywności sejsmicznej górotworu) na podstawie
danych z sieci geofonów poprzez wykrywanie
i akwizycję zjawisk sejsmicznych oraz określanie
energii wstrząsów.
Po wykryciu (lub przewidzeniu) każdego nienormalnego, krytycznego lub niebezpiecznego stanu
system wysyła adekwatne ostrzeżenie i/lub wiadomość do personelu podziemnego i powierzchniowego
zgodnie z obowiązującymi przepisami górniczymi.
5. URZĄDZENIA DOŁOWE SYSTEMU
Opracowany w ramach projektu prototypowy system ma strukturę rozproszoną. Składa się z oddzielnych stacji pomiarowych, które monitorują stan zagrożeń naturalnych w najbardziej niebezpiecznych
punktach obiektów technologicznych oraz stan pracy
urządzeń i maszyn dołowych ciągów technologicznych. Informacje zbierane w stacjach pomiarowych
są przesyłane do rejonowego centrum dyspozytorskiego zlokalizowanego w pobliżu monitorowanego
obiektu. Sprzęt komputerowy zainstalowany w rejonowym centrum dyspozytorskim umożliwia bieżącą
analizę danych i wizualizację, a także wypracowywanie prognoz rozwoju zagrożeń w postaci krótkookresowych trendów. Informacje o zaistniałych lub
prognozowanych sytuacjach wzmożonego zagrożenia
mogą być rozgłaszane na obszarze monitorowanego
obiektu za pośrednictwem urządzeń systemu łączności głośnomówiącej. Wybrane informacje o stanie
zagrożeń są transmitowane na powierzchnię, do dyspozytorni głównej, za pomocą światłowodowego
systemu transmisji. Taka konstrukcja systemu zapewnia minimalizację kosztów okablowania niezbędnego do jego budowy i działania.
Ze względu na całkowicie odmienną, w porównaniu z obecnie produkowanymi systemami monitorowania zagrożeń, filozofię działania, w opracowanym
systemie nie mogły być zastosowane istniejące czujniki i urządzenia transmisji danych. Z tego powodu
9
4) Calculating and monitoring the distribution of the
aerodynamic potential field which is a very important parameter to assess the stability of a ventilation system (Bystron, 1999) through:
 making use of the results of the measurements of
atmospheric pressure [Pa], velocity [m/s], temperature [oC], and relative humidity [%],
 entering the value of the nodes depth [m] (to RCD)
into the algorithm which enables to calculate the value of aerodynamic potential in every node of the
ventilation network monitored by the new system,
 calculating the potential value in the node – based
on appropriate algorithms – according to one of the
variants (selected in a further stage of the project).
5) Monitoring the level of the rock-bump hazard
(seismic activity of the rock mass) using data
from a micro-network of geophones by detecting
and recording seismic events and determining the
energy of underground shocks.
On detecting (or predicting) any abnormal, critical
or danger state the system has facilities to send
adequate warning and/or messages to the underground and surface personnel.
5. UNDERGROUND SYSTEM EQUIPMENT
The system developed within the project has a distributed structure. It consists of a set of separate
measuring stations which monitor the state of natural
hazards in the most dangerous points of technological
facilities as well as the operation status of mining
machineries and equipment in longwalls and developments. The data collected in the measuring stations
are sent to the district control centre located in the
vicinity of the monitored object. Computer equipment installed in the district control centre allows
current analysis and visualization of data as well as
preparing forecasts of the hazard development in the
form of short-term trends. Information of known or
predicted increased risk situations can be broadcast in
the monitored object area through a loudspeaking
communication system. Selected information about
the state of hazards can be transmitted to the surface
(to the main control room), using a fiber optic transmission system. This kind of system design minimizes the cost of wiring needed for its building and operation.
Due to a completely different philosophy of operations, in comparison with currently produced hazard
monitoring systems, no existing sensors and data
transmission devices can be applied to the developed
system. For this reason, it was necessary to develop
10
Rys. 2. Czujnik metanu ECH w dwóch wersjach wykonania
Fig. 2. Two versions of the ECH methane sensor
konieczne było opracowanie kompletnego zestawu
nowych urządzeń dołowych o konstrukcji uwzględniającej wymagania nowej koncepcji. Na zestaw ten
składają się następujące przyrządy pomiarowe
i transmisyjne:
1) Czujniki parametrów aerologicznych
Do pomiaru składu chemicznego i parametrów fizycznych powietrza kopalnianego w systemie prototypowym wykorzystano czujniki budowy iskrobezpiecznej kategorii ia, które mogą pracować w atmosferze wybuchowej. Przystosowane są do zasilania
napięciem o wartości znamionowej 12 V DC i wyposażone w interfejs przewodowy standardu CAN lub
RS-485, który służy do komunikacji z monitorem
stacji akwizycji danych w układzie magistralowym.
Czujniki wymagające okresowej kalibracji wyposażone są w interfejs radiowy ZigBee 2.4 GHz. Interfejs ten, oprócz możliwości bezprzewodowej kalibracji, może także być wykorzystany do transmisji danych pomiarowych drogą radiową.
Zestaw czujników parametrów aerologicznych tworzą:
 czujniki gazometryczne typoszeregu Exx o jednolitej konstrukcji mechanicznej i elektronicznej.
W skład typoszeregu wchodzi czujnik metanu ECH
(Rys. 2) oraz czujniki do pomiaru innych parametrów (CO, CO2, O2)
 przystosowane do wymagań systemu (zasilanie,
sygnał wyjściowy) czujniki parametrów fizycznych
AS-3CR (prędkość przepływu powietrza) i THP2CR (ciśnienie bezwzględne wilgotność, temperatura).
a complete set of new underground equipment whose
construction takes into account the new concept requirements. The set consists of the following measurement and transmission apparatus:
2) Pulpit operatorski POp-2
Pulpit POp-2 (Rys. 3) jest urządzeniem iskrobezpiecznym kategorii ia i umożliwia akwizycję, wizualizację i archiwizację danych z sieci iskrobezpiecznych czujników parametrów aerologicznych i technologicznych, wyposażonych w interfejs magistrali
CAN lub RS485. Dane te przesyłane są do urządzeń
transmisji danych z wykorzystaniem separowanego
interfejsu RS485. W tej funkcji pulpit jest wykorzys-
2) Pop-2 operator desktop
The Pop-2 desktop (Fig. 3) is an intrinsically safe
device with the ia category which allows the acquisition, visualization and archiving of data from an intrinsically safe network of sensors which measure
technological and ventilation parameters and are
equipped with a CAN bus interface or RS485. These
data are sent to the data transmission devices using an
isolated RS485 interface. In this function, the desktop
1) Ventilation parameters sensors
To measure the chemical composition and physical
parameters of mine air, the system uses intrinsically
safe sensors with the ia category which can work in
explosive atmosphere. They are designed for power
supply rated at 12V DC and are equipped with a
standard CAN or RS-485 interface which is used to
communicate with the data acquisition monitor station. The sensors that require periodic calibration
come with a ZigBee 2.4 GHz wireless interface. This
interface, in addition to wireless calibration, can also
be used for transfer of measurement data by radio
communication.
The set of ventilation parameters sensors consists
of:
 Exx series of gas content sensors of a uniform mechanical and electronic design. The series comes
with an ECH methane sensor (Figure 2) and sensors for measuring other air parameters (CO, CO2,
O2).
 Physical parameters sensors AS-3CR (air velocity)
and THP-2CR (absolute pressure, humidity, temperature) adapted to the requirements of the system
(power supply, output signal).
11
Rys. 3. Pulpit operatorski POp-2
Fig. 3. POp-2 operator desktop
tywany w systemie monitorowania i prognozowania zagrożeń, gdzie pełni rolę monitora lokalnych
stacji akwizycji danych pomiarowych. W zależności od wersji oprogramowania i konfiguracji złącz
może pracować (Rys. 1) jako monitor stacji pomiaru parametrów aerologicznych (PPA), metanometrycznych (PMS) lub technologicznych (MPT).
is used in the new hazard monitoring and forecasting
system where it works as a monitor in local data acquisition stations. Depending on the software and
configuration of connectors, it can be used (Fig. 1) as
a monitor of ventilation (PPA), methanometric
(PMS) or technological (MPT) parameters measuring
stations.
3) Zasilacz akumulatorowy EZA-1
Zasilacz akumulatorowy typu EZA-1 (Rys. 4) jest
iskrobezpiecznym zasilaczem buforowym przeznaczonym do zasilania elektrycznych urządzeń iskrobezpiecznych wymagających stabilizowanego napięcia stałego 12 V w sytuacjach awaryjnych, gdy zasilanie sieciowe zostało wyłączone. W prototypowym
systemie monitorowania i prognozowania zagrożeń
jest wykorzystywany do buforowego zasilania monitorów (pulpitów operatorskich) i czujników stacji
pomiarowych parametrów aerologicznych i metanometrycznych dla zapewnienia wymaganej przepisami
autonomicznej pracy w okresach, gdy wyłączone jest
zasilanie sieciowe.
3) EZA-1 battery power supply
The EZA-1 (Fig. 4) battery power supply is a buffered, intrinsically safe power supply designed to
power intrinsically safe devices requiring stabilized
voltage of 12 V in emergency situations where the
main power is switched off. In the prototype monitoring and hazard prediction system EZA-1 is used to
power the monitors (operator desktop) and sensors of
ventilation and methanometric parameters measuring
stations to ensure the required provisions of autonomous operation when AC power is switched off.
Rys. 4. Zasilacz akumulatorowy EZA-1
Fig. 4. EZA-1 battery power supply
12
Rys. 5. Górniczy komputer przemysłowy GKP-09
Fig. 5. GKP-09 mining industrial computer
4) Górniczy komputer przemysłowy GKP-09
Górniczy komputer przemysłowy (Rys. 5) jest
urządzeniem przeznaczonym do wizualizacji, rejestrowania oraz sterowania procesem wydobywczym
w kopalni węgla kamiennego. Komputer klasy IBM
PC wraz z pozostałymi podzespołami zamknięty jest
w ognioszczelnej osłonie i może pracować w środowiskach zaliczanych do stopnia a, b, c niebezpieczeństwa wybuchu metanu oraz klasy A lub B zagrożenia
wybuchem pyłu węglowego. W systemie monitorowania i prognozowania zagrożeń komputer GKP-09
pełni rolę terminala i jest na schemacie systemu
(Rys. 1) oznaczony symbolem TRCD. Wersja iskrobezpieczna komputera może służyć jako serwer rejonowego centrom dyspozytorskiego, zasilany podczas
przerw w zasilaniu sieciowym z zasilacza akumulatorowego EZA-1.
4) GKP-09 mining industrial computer
The GKP-09 mining industrial computer (Fig. 5) is
designed for visualization, recording and control of
underground mining processes. The IBM PC class
computer, along with other components, is housed in
an explosion proof enclosure and can operate in environments classified as level a, b, c of the methane
explosion hazard, and Class A or B of the coal dust
explosion hazard. The GKP-09 computer acts as
a terminal in the system of hazards monitoring and
forecasting and is indicated in the system diagram
(Fig. 1) as TRCD. An intrinsically safe version of the
computer can serve as a local control centre server,
powered by the EZA-1 battery power supply during
a power outage.
5) System transmisji
Urządzenia dołowe systemu monitorowania i prognozowania zagrożeń mogą współpracować z dowolnego typu systemem transmisji, wyposażonym
w interfejs RS-485. W rozwiązaniu prototypowym
zastosowano opracowany w ITI EMAG system typu
µZIST, zaprojektowany jako uniwersalny światłowodowy system transmisji o dużej przepustowości.
System składa się z oddzielnych pod względem konstrukcyjnym i funkcjonalnym urządzeń, w terminologii systemu nazywanych modułami, z których można
budować struktury komunikacyjne w układach ringu,
struktury drzewiaste i mieszane o różnej wielkości,
zależnie od potrzeb, upodobań i możliwości finansowych użytkownika.
5) Transmission system
The underground system equipment described
above can operate with any type of transmission system that is equipped with an RS-485 interface. The
µZIST system used in the prototype solution of the
new hazard monitoring system was developed as
a versatile fiber optic transmission system with large
capacity. It consists of separate modules which can
be used to build a structure of ring-, tree- and mixed
communication systems of different sizes, depending
on the needs, preferences and financial possibilities
of the user.
13
Obecnie dostępne są trzy moduły systemu µZIST:
 podstawowy element systemu – moduł transmisyjny typu Mt-FSE, spełniający funkcję punktu koncentracji danych i węzła światłowodowej sieci
szkieletowej,
 moduł interfejsów Mi-RS4 (zespół interfejsów
RS-422/485),
 moduł radiowego punktu dostępowego ZG-1x.
W opracowaniu jest moduł interfejsów typu MiMT4 umożliwiający komunikację z urządzeniami
obiektowymi za pomocą linii modemowych
V.32/V.32bis/V.34/V34bis. Wraz z rozwojem systemu, w zależności od zapotrzebowania, zestaw ten
może być uzupełniany o kolejne moduły i punkty
dostępowe.
At the moment there are three modules of the
µZIST system:
 basic element of the system – MT-FSE main
transmission module that acts as a point of data
concentration and fiber-optic skeleton network
node,
 Mi-RS4 interfaces module (for RS-422/RS-485
ports),
 ZG-1x radio access point module.
Another functional module, Mi-MT4, is being
currently developed. It enables communication
with field devices using modem lines
V.32/V.32bis/V.34/V34bis. With the development
of the system, this kit can be supplemented with
other modules and access points depending on
one’s needs.
6. PODSUMOWANIE
6. CONCLUSIONS
Zmiany wprowadzone w nowym systemie monitorowania i prognozowania zagrożeń mają na celu
poprawę bezpieczeństwa i wyników ekonomicznych
górnictwa. Wprowadzenie proponowanych nowych
rozwiązań technicznych umożliwiło bardziej dogłębne analizy parametrów bezpieczeństwa i monitorowania zagrożeń na najniższym poziomie struktury
systemu, tj. w pobliżu czoła ściany. Oprócz funkcji
automatycznego wyłączania urządzeń technologicznych w przypadku zagrożenia wybuchem, proponowany system wypracowuje i natychmiast wysyła do
wszystkich zainteresowanych pracowników dane
i wiadomości pozwalające im uniknąć bezpośrednich
zagrożeń i związanych z nimi przestojów i ewakuacji
pracowników.
The changes proposed in the new system for hazards monitoring and prediction are aimed at improving the safety and economical effects of the mining
industry. The introduction of the proposed new technical solutions enables to analyze safety parameters
more extensively and to monitor hazards in the underground, on the lowest level of the system structure, i.e. close to the mining area or development headings face. Apart from the function of automatic
turn-off of technological equipment in the case of an
explosion danger, the system works out and immediately sends to all involved personnel the data and
messages allowing them to avoid direct hazards and
the related compulsory down-times and staff evacuation.
7. UWAGI KOŃCOWE
7. FINAL NOTES
Testy funkcjonalne systemu przeprowadzono
w niegazowej kopalni Guido. Badania terenowe zostały wykonane w kopalni Bielszowice, zagrożonej
wybuchami metanu. Te testy, oprócz sprawdzenia
nowo zaprojektowanych przyrządów pomiarowych
i sprzętu telekomunikacyjnego w bardzo trudnych
warunkach prawdziwej kopalni, pozwoliły na przeprowadzenie badań w stanach nieustalonych metanu
i innych gazów w ścianie, spowodowanych procesem
produkcji węgla (praca kombajnu) i zakłóceniami
środowiskowymi.
Functional tests of the prototype system designed
according to the new concept were carried out in a
non-gassy mine Guido. Field tests are planned to
continue in one of the coal mines endangered with
methane and rock-bump hazards. These tests, apart
from testing newly designed measuring instruments
and communication equipment in very hard conditions of a real mine, make it possible to carry out
research on transient states of methane and other
gases emission within the longwall, caused by the
coal production process (operations of a shearer) and
environmental disturbances.
14
Badania przedstawione w artykule zostały wsparte
finansowo przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa
Wyższego jako projekt badawczy w latach 20072010.
The research outlined in the article has been supported by the Ministry of Sciences and Higher Education
of Poland from science financial resources as a research project in the years 2007-2010.
References
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Bystroń H.: Potencjały aerodynamiczne I wyznaczanie ich pól
w sieciach wentylacyjnych kopalń, podsieciach i rejonach, Archiwum Górnictwa, Tom 44, nr 1, 1999, str. 23-69.
Isakow Z., 2005: Kontrola zagrożeń sejsmicznych w kopalniach
w systemach opracowanych przez Centrum EMAG, Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2005, nr 5, Katowice, str. 41-46.
Krzystanek Z., Wojtas P., Bojko B., Isakow Z.: Zintegrowany
system monitorowania zagrożeń naturalnych w kopalniach, Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2004, nr 9, Katowice, str.
18-25.
Krzystanek Z., Bojko B., Trenczek S., Wojtas P.: New Concept of
Environmental Hazard Monitoring in Coal Mines, Proceedings of
the 9th International Mine Ventilation Congress, New Delhi,
10-13 November 2009, str. 959-965.
Krzystanek Z.: System monitorowania i prognozowania zagrożeń
w ścianach i przodkach kopalń węgla kamiennego o wysokiej
koncentracji wydobycia, Projekt badawczy Nr E!3943, Raport
końcowy, Katowice 2010.
Sikora M., Krzystanek Z., Bojko B., Śpiechowicz K.: Hybrid
adaptive system of gas concentration prediction in hard-coal
mines, Proceedings of the 19th International Conference on System Engineering, 19-21 August 2008, Las Vegas, Nevada , pp.
159-164.
Sikora M., Krzystanek Z., Bojko B., Śpiechowicz K.: Moduł
czyszczenia i agregacji jako komponent systemu predykcji stężenia gazów w kopalniach węgla kamiennego, Materiały konferencji EMTECH, Ossa k. Rawy Mazowieckiej, 10-13 maja 2009, str.
175-182.
Trenczek S.: Automatyczna aerometria w kontroli zagrożeń
wentylacyjnych, Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2005,
nr 3, str. 11-20.
Wasilewski S., Isakow Z., Krzystanek Z.: Monitorowanie zagrożeń
naturalnych w polskich kopalniach głębinowych. Materiały 1.
Seminarium Instytutu, Centrum EMAG, Katowice 2005.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Bystroń H., 1999: Aerodynamic potentials and a designation of
their fields in mine ventilation networks, sub-networks and districts, Archives of Mining Sciences, Volume 44, 1999, Issue 1,
pp. 23-69 (in Polish).
Isakow Z., 2005: Assessment of seismic hazards in mines, in the
systems developed by the EMAG Centre, Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, Issue No 5, Katowice, pp. 41-46
(in Polish).
Krzystanek Z., Wojtas P., Bojko B., Isakow Z., 2004: Integrated
system for monitoring environmental hazards in mines, Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, Issue No 9, pp.18-25 (in
Polish).
Krzystanek Z., Bojko B., Trenczek S., Wojtas P., 2009: New
Concept of Environmental Hazard Monitoring in Coal Mines,
Proceedings of the 9th International Mine Ventilation Congress,
New Delhi, 10-13 November 2009, pp. 959-965.
Krzystanek Z., 2010: System for Monitoring and Prediction of
Hazards Arising in Longwalls and Headings of High Output Deep
Coal Mines, Research project No E!3943, Final Report (in Polish).
Sikora M., Krzystanek Z., Bojko, B., Śpiechowicz K., 2008: Hybrid adaptive system of gas concentration prediction in hard-coal
mines, Proceedings 19th International Conference on System Engineering, Nevada University Las Vegas, pp. 159-164.
Sikora M., Krzystanek Z., Bojko B., Śpiechowicz K., 2009: Cleaning and aggregating software module as a component of the system for gas concentration prediction in coal mines, Proceedings
EMTECH Conference on Automation and Information Technology in Mining Industry, pp. 175-182 (in Polish).
Trenczek S., 2005: Automatic mining aerometrics to control
ventilation hazards, Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, Issue No 3, pp. 11-20 (in Polish).
Wasilewski S., Isakow Z., Krzystanek Z., 2005: Monitoring of
environmental hazards in Polish deep mines. Proceedings of the
1st Seminar of the ZINT Institute, Centrum EMAG, Katowice
(in Polish).
Recenzent: dr inż. Jerzy Mróz
НОВЫЙ ПОДХОД К ПРОБЛЕМЕ МОНИТОРИНГА ПРИРОДНЫХ УГРОЗ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ
Представлены результаты исследований и разработки, связанные с созданием новой системы, относящейся к категории
систем безопасности. Она обеспечивает мониторинг и прогнозирование угроз вентиляции, источником которой является
горнодобывающая деятельность в забоях и проходческих участках угольных шахт с высокой производительностью. Суть
проекта в том, что анализ параметров, характеризующих уровень опасных природных явлений в большинстве случаев,
в настоящее время, находится в отрыве от информации о процессе производства, состоянии машин и оборудования. Тем
временем, в шахтах, процесс использования высокоэффективных технологий добычи оказывает наибольшее влияние на
уровень, и, прежде всего на динамику вентиляции, приводящих к образованию аварийных состояний (принудительное
отключение электрической энергии), критических или катострофических. Это подтверждается анализом данных полученных от систем мониторинг параметров безопасности, установленных на польских шахтах. Из этого можно сделать вывод,
что в шахтах с высокой производительностью добычи, безопасность не может рассматриваться как независимое понятие. В
самом деле, она является неотъемлемой частью производственного процесса, а ее уровень зависит не только от природных
факторов, но и от состояния машин, а также проведения и контроля технологического процесса добычи угля.
В статье представлена новая концепция системы мониторинга опасных природных явлений в добычных забоях шахты,
кратко описываются функции для реализации прототипа системы, а также выбор шахтного оборудования.
dr inż. STANISŁAW TRENCZEK
Instytut Technik Innowacyjnych
Zagrożenie pożarowe a działania profilaktyczne
w świetle badań
Fire hazards and prevention actions in the light
of conducted research
Scharakteryzowano wyniki badań ankietowych rejonów ścian eksploatowanych
w roku 2009 w trzech największych spółkach węglowych. Przedstawiono klasyfikację pokładów węgla pod względem zagrożenia pożarami endogenicznymi oraz
zakres skutków występowania procesu utleniania i samozagrzewania węgla. Podsumowano działania podejmowane przez kopalnie dla zapobieżenia powstawaniu
pożarów endogenicznych. Omówiono ich skuteczność w świetle zaistniałych
pożarów endogenicznych.
In the paper the Author characterized the results of survey research carried out for
faces which were exploited in 2009 in three biggest coal mining companies in
Poland. The classification of coal beds was presented with respect to the endogenous fires hazards and the range of effects caused by the coal oxidation and coal
self-heating processes. The paper gives a summary of actions undertaken by particular coal mines to prevent the emergence of endogenous fires. The efficiency of these
actions was discussed with respect to the occurred endogenous fires.
1. WPROWADZENIE
1. INTRODUCTION
Warunki prowadzenia eksploatacji pokładów węgla
kamiennego w Polsce są zróżnicowane pod względem
występowania
zagrożeń
naturalnych.
Trudno
w sposób obiektywny dokonać porównania danej ściany z innymi, które pokazywałoby jej „miejsce rankingowe” [3]. Dlatego Główny Instytut Górnictwa –
z udziałem grupy specjalistów Instytutu Technik Innowacyjnych EMAG – podjął się opracowania jednolitej klasyfikacji oceny poziomu potencjalnego oraz
poziomu rzeczywistego występujących zagrożeń. Jest
to realizowane w ramach projektu strukturalnego
pt. „Informatyczny system wspomagania kompleksowego zarządzania zagrożeniami górniczymi”. Projekt
ten jest sfinansowany ze środków Ministerstwa Nauki
i Szkolnictwa Wyższego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka. Jednym z zagrożeń
rozpatrywanych w tym projekcie jest zagrożenie pożarami endogenicznymi [1].
The conditions of hard coal beds exploitation in Poland vary in terms of the occuring natural hazards.
It is difficult to compare a given face with other faces
and this way attain a certain “rank” to it [3]. Therefore the Central Mining Institute, with the participation of experts from the Institute of Innovative Technologies EMAG, took up the preparation of a unified
classification to assess the level of potential and real
hazards. This work is carried out within the project
“Information System to Support Complex Management of Mining Hazards”. The project is financed by
the Ministry of Science and Higher Education within
the Innovative Economy Operational Programme.
One of the hazards investigated in the project is the
hazard of endogenous fires [1].
16
Poziom potencjalny zagrożenia pożarami endogenicznymi ukształtowany jest w oparciu o dokonane
wcześniej rozpoznanie właściwości węgla i dokonaną
na tej podstawie klasyfikację do odpowiedniej grupy
samozapalności. Z kolei podczas eksploatacji pokładu,
w rejonie ścian, występuje wiele innych czynników,
z których część wpływa na intensyfikację procesów
utleniania i samozagrzewania, co w konsekwencji może
doprowadzić do samozapłonu węgla. Praktyka pokazuje, że istnieje rozbieżność pomiędzy oceną poziomów
potencjalnego i rzeczywistego, występującego podczas
prowadzenia ruchu ścian.
Wiedza o poziomie potencjalnym zagrożenia pożarowego oraz o warunkach, w jakich eksploatacja będzie prowadzona, wykorzystywana jest do planowania
prac profilaktycznych. Powinny one zapewnić utrzymanie temperatury utleniania węgla poniżej temperatury krytycznej. W przypadku, gdy dojdzie do jej
przekroczenia, podejmowane muszą być działania
destymulacyjne, ukierunkowane na konkretne czynniki
[2] prowadzące do przekroczenia temperatury krytycznej i zainicjowania procesu samozagrzewania.
The potential level of the endogenous fires hazard
is determined by previous recognition of coal properties and, on this basis, its classification to proper selfignition groups. During the exploitation of a coal bed
there are many factors occuring in the face area.
Some of these factors influence the intensity of oxidation and self-heating processes which, in turn, may
cause self-ignition of coal. Therefore it can be observed in practice that there is a difference between
the assessment of the potential level and the real level
of the endogenous fires hazard occuring during the
face exploitation.
The knowledge about the potential level of the endogenous fires hazard and about exploitation conditions is used to plan prevention actions. These actions
should ensure that the temperature of coal oxidation
is below critical temperature. When the coal oxidation temperature rises above this limit, it is necessary
to undertake actions meant to diminish concrete factors that stimulate this process [2] to exceed the critical temperature limit, and the self-heating process
begins.
2. BADANIA ANKIETOWE UWARUNKOWAŃ
EKSPLOATACJI
2. SURVEY RESEARCH OF EXPLOITATION
CONDITIONS
Badaniami [1] objęto 176 ścian, których ruch był
prowadzony w 2009 roku, w tym:
 JSW S.A. – łącznie 52 ściany kopalń: Borynia –
8 ścian, Budryk – 6 ścian, Jas-Mos – 10 ścian, Krupiński – 6 ścian, Pniówek – 13 ścian i Zofiówka – 9 ścian,
 KHW S.A. – łącznie 12 ścian kopalń: MurckiStaszic – 4 ściany, Mysłowice-Wesoła – 2 ściany,
Wieczorek – 3 ściany i Wujek – 3 ściany,
 KW S.A. – łącznie 112 ścian kopalń: Bielszowice – 6 ścian, Bobrek-Centrum – 9 ścian, Bolesław Śmiały – 5 ścian, Brzeszcze-Silesia – 7 ścian,
Chwałowice – 6 ścian, Halemba-Wirek – 6 ścian,
Jankowice – 7 ścian, Knurów-Szczygłowice –
9 ścian, Marcel – 6 ścian, Piast – 10 ścian, Pokój –
5 ścian, Rydułtowy-Anna – 11 ścian, SośnicaMakoszowy – 10 ścian, ZG Piekary – 9 ścian oraz
Ziemowit – 7 ścian.
Pozyskano informacje o rozpoznaniu poziomu potencjalnego, to jest o:
 wskaźniku samozapalności dla ściany/rejonu
[Sza – oC/min],
 energii aktywacji utleniania węgla dla ściany/rejonu [A – kJ/mol],
 okresie inkubacji dla węgla w rejonie ściany
[τink – dni],
 grupie samozapalności,
The survey research [1] covered 176 faces which
were exploited in 2009, including:
 JSW S.A. – 52 faces in the mines: Borynia –
8 faces, Budryk – 6 faces, Jas-Mos – 10 faces,
Krupiński – 6 faces, Pniówek – 13 faces, and
Zofiówka – 9 faces,
 KHW S.A. – 12 faces in the mines: Murcki-Staszic
– 4 faces, Mysłowice-Wesoła – 2 faces, Wieczorek
– 3 faces, and Wujek – 3 faces,
 KW S.A. – 112 faces in the mines: Bielszowice – 6 faces, Bobrek-Centrum – 9 faces,
Bolesław Śmiały – 5 faces, Brzeszcze-Silesia – 7
faces, Chwałowice – 6 faces, Halemba-Wirek – 6
faces, Jankowice – 7 faces, Knurów-Szczygłowice
– 9 faces, Marcel – 6 faces, Piast – 10 faces, Pokój
– 5 faces, Rydułtowy-Anna – 11 faces, SośnicaMakoszowy – 10 faces, ZG Piekary – 9 faces, and
Ziemowit – 7 faces.
The acquired data concerned the recognition of the
potential level of the hazard, i.e.:
 self-ignition factor for the face/area [Sza – oC/min],
 activation energy of coal oxidation for the face/area
[A – kJ/mol],
 incubation period for the coal in the face area
[τink – days],
 self-ignition group,
17
a także o wynikach pomiarów rzeczywistych wczesnego wykrywania pożarów, to jest o:
 maksymalnej ilości tlenku węgla w wypływowym prądzie powietrza, V CO [l/min],
 maksymalnym przyroście stężenia tlenku węgla w
wypływowym prądzie powietrza, ΔCO [%],
 maksymalnej wartości wskaźnika Grahama
z rejonu zrobów.
Pozwoliło to dokonać bilansu przedstawionego
w tabelach 1 i 2.
as well as about the real measurement results of early
detection of fires, i.e.:
 maximum volume of carbon oxide in the outside air
current, VCO [l/min],
 maximum increase of carbon oxide concentration
in the outside air current, ΔCO [%],
 maximum value of Graham’s coefficient from the
goaf area.
This allowed to make the following comparisons
(Tables 1 and 2).
Tabela 1/Table 1
Zestawienie potencjalnych warunków z zakresu zagrożenia pożarami endogenicznymi
Set of potential conditions in field of endogenous fires hazard
Liczba ścian / Number of faces
Przedsiębiorca
Company
JSW
Grupa samozapalności / Self-ignition group
Okres inkubacji [dni] / Incubation period [days]
I
II
III
IV
V
≤ 60
> 60 ≤ 90
> 90
31
17
4
-
-
15
30
7
-
1
5
4
2
5
7
-
KW
14
40
19
17
22
47
60
5
Razem / Total
45
58
28
21
24
67
97
12
KHW
Tabela 2/Table 2
Zestawienie wyników wczesnego wykrywania pożarowego
Set of results of early fire detection
Liczba ścian / Number of faces
Przedsiębiorca
Company
VCO [l/min]
ΔCO [ppm]
G
≤ 10
> 10
≤ 10
> 10 < 26
≤ 0,0025
> 0,0025  0,007
> 0,007
JSW
38
14
47
5
41
9
2
KHW
11
1
11
1
11
1
-
KW
84
28
90
22
72
33
7
Razem / Total
133
43
148
28
124
43
9
Z ogólnej liczby 176 badanych ścian zdecydowanie
najwięcej znajduje się w pokładach węgla zaklasyfikowanego (tab. 1) do grupy o małej skłonności –
33% – i o bardzo małej skłonności do samozapalenia
– 25%. Do pozostałych grup należy mniej więcej
podobna procentowo liczba ścian: 16% do grupy
o średniej skłonności, 12% o dużej i 14% o bardzo
dużej skłonności. Z kolei w 38% ścian okres inkubacji węgla wynosi nie więcej niż 60 dni, w 55% nie
jest dłuższy niż 90 dni, a tylko w 7% ponad 90 dni.
Na tej podstawie można byłoby uznać badane ściany
za stosunkowo bezpieczne pod względem zagrożenia
pożarami endogenicznymi.
Out of 176 faces covered by the research, the biggest number are located in beds whose coal is classified (Table 1) to a group with low self-ignition tendency – 33% or to a group of very low self-ignition
tendency – 25%. A similar percentage of faces were
assigned to the remaining groups: 16% to a group of
medium tendency, 12% – high tendency, and 14% –
very high tendency. In 38% of faces the coal incubation period is no more than 60 days, in 55% – no
more than 90 days, and only in 7% – more than 90
days. On this basis it would be possible to classify
these faces as relatively safe as far as the endogenous
fires hazards are concerned.
18
Statystyka występowania stanów wskazujących
na zaawansowany proces utleniania węgla w zrobach rejonów eksploatacyjnych (tab. 2) pokazuje,
że badaniami objęto 30% rejonów, w tym 5% to
przypadki znaczącego wzrostu zagrożenia. Jednak
nie przekładało się to bezpośrednio na wyrobiska
rejonu ściany. Podwyższone ilości tlenku węgla
wystąpiły w 24% badanych rejonów, a podwyższone przyrosty stężenia tlenku węgla w 16%.
Generalnie można więc uznać, że jest to odzwierciedleniem statystyki warunków obrazujących
zagrożenie potencjalne.
The statistics concerning advanced coal oxidation
processes in the goafs of mining areas (Table 2) show
that these processes cover 30% of the areas under
research of which 5% are cases of significant hazard
increase. However, this did not have direct impact on
excavations in the face area. The increased volume
of carbon oxide occurred in 24% of the areas under
research while the increased concentration of carbon
oxide – in 16%. Thus it is fair to say that these figures reflect the statistics of potential hazards conditions.
3. BADANIE DZIAŁAŃ PROFILAKTYCZNYCH
3. RESEARCH IN THE FIELD
OF PREVENTION ACTIONS
W każdej z badanych kopalń zakres prac profilaktycznych dobierano stosownie do warunków oraz
doświadczeń z prowadzenia ruchu ścian w podobnych uwarunkowaniach. Dla scharakteryzowania
tych prac pogrupowano pewne ich zakresy na:
 przemulanie zrobów, z określeniem:
 częstotliwości cykli,
 rodzaju stosowanego materiału (pyły elektrowniane/iły/piasek/szlam itp.),
 średniego zużycia materiału do przemulania
[Mg/m-c],
 inertyzację zrobów, z określeniem:
 gazu inertnego,
 miesięcznego zużycia [m3/m-c],
 regulację różnicy potencjałów w obrębie ściany,
 stosowanie ekranu antypirogenowego,
co również pozwoliło na dokonanie bilansu działań
(tab. 3).
In each coal mine where the research was conducted, the range of prevention actions was planned with
respect to the conditions in the mines and experiences
related to mining works carried out in similar conditions. To characterize these works, the following
ranges were determined:
 goaf cooling, with determining the following:
 frequency of cycles,
 used material (power generation dust/clay/sand/
sludge, etc.),
 average use of the cooling material [Mg/m-c],
 goaf inertization, with the following determined:
 inert gas,
 monthly use [m3/month],
 regulating the potentials difference within the face,
 use of an antipyrogenic shield,
which allowed to make the following comparison
(Table 3).
Tabela 3/Table 3
Zestawienie przeciwpożarowych działań profilaktycznych
Set of preventive firefighting actions
Liczba ścian
Number of faces
Przedsiębiorca
Company
przemulanie
cooling
inertyzacja
inertization
regulacja
potencjałów
regulation of
potentials
ekran antypirogeniczny
anti-pyrogenic
shield
6
15
30
1
-
4
1
21
9
19
31
35
24
18
25
50
66
liczba cykli/m-c
number
of cycles/month
średnia ilość [m3/m-c]
average volume
[m3/month]
≤8
>8
≤ 1000
1000
≤8
>8
≤ 1000
> 1000
JSW
21
9
19
11
11
3
8
KHW
7
1
6
2
1
-
KW
28
21
22
27
7
Razem
Total
56
31
47
40
19
liczba cykli/m-c
number of
cycles/month
średnia ilość [m3/m-c]
average volume
[m3/month]
19
Cykliczne przemulanie zrobów stosowano w 87
ścianach (prawie 50%), a cykliczną inertyzację
w 43 (niespełna 25%), przy czym w ponad dwudziestu przypadkach stosowano je łącznie. Podobnie zróżnicowane było stosowanie regulacji potencjałów aerodynamicznych (28%) oraz środków
antypirogenicznych (37%) – zazwyczaj były one
stosowane odrębnie, w kilkunastu przypadkach
stosowano je łącznie. W 12 ścianach stosowano
wszystkie z tych działań, zaś w 8 nie stosowano
żadnych.
Regular cooling was used in 87 faces (almost
50%) while regular inertization – in 43 (almost
25%). In over 20 cases both methods were applied.
The differences were similar in the use of aerodynamic potentials regulation (28%) and antipyrogenic measures (37%) – they were usually used
separately apart from about a dozen of cases when
they were used together. In 12 faces all actions
were applied while in 8 faces there were no actions
used.
4. DOSTOSOWANIE PROFILAKTYKI
DO UWARUNKOWAŃ
4. ADAPTING PREVENTION ACTIONS
TO THE EXISTING CONDITIONS
W 2009 roku prowadzono ruch łącznie w około
200 ścianach, w tym w 176 ścianach poddanych
badaniom oraz w ponad dwudziestu ścianach kopalń Kazimierz-Juliusz, Siltech, Lubelski Węgiel
Kopalnia Bogdanka i kopalń Południowego Koncernu Węglowego. Ze statystyk Wyższego Urzędu
Górniczego wynika [4], że w tymże roku doszło do
10 pożarów endogenicznych w kopalniach węgla
kamiennego, z czego tylko pięć miało miejsce
w rejonie eksploatacyjnym:
 w KHW S.A. KWK Staszic, w chodniku likwidacyjnym ściany 9bS, pokład 510 (III grupa samozapalności), warstwa III (przystropowa), poziom 900 m (pożar w zrobach ściany 9bS),
 w KW S.A. KWK Sośnica-Makoszowy Ruch
Sośnica, w ścianie 7C9w, w pokładzie 408/4
(II grupa samozapalności), na poziomie 840 m,
 w KW S.A. KWK Sośnica-Makoszowy Ruch
Sośnica, w rejonie likwidowanej ściany 7D7z
w pokładzie 407/2 (II grupa samozapalności), na
poziomie 950 m, odizolowanej podwójnymi tamami murowanymi w chodnikach przyścianowych,
 w JSW S.A. KWK Pniówek, w zrobach ściany
W-3, w pokładzie 361 (II grupa samozapalności),
na poziomie 830 m,
 w KHW S.A. KWK Mysłowice-Wesoła Ruch
Mysłowice, w czasie wykonywania pola transportowego dla likwidacji ściany 401S w pokładzie 510 (III grupa samozapalności), warstwa 2
na poziomie 500 m.
Biorąc pod uwagę liczbę ścian prowadzonych
w 2009 roku można uznać, że zaistniałe pożary
stanowią zaledwie około 2,5% ogólnej liczby
ścian. Bardzo dobrze więc, na tym tle, można ocenić stosowane działania profilaktyczne.
In 2009 there were mining works carried out in
about 200 faces, including 176 faces which were
covered by the research and in over 20 faces of the
mines Kazimierz-Juliusz, Siltech, Lubelski Węgiel
Kopalnia Bogdanka, and the mines of Południowy
Koncern Węglowy. The statistics of the State Mining Authority [4] show that in 2009 there were 10
endogenous fires in hard coal mines out of which
only five took place in exploitation areas:
 KHW S.A., Staszic coal mine, in the liquidation
gallery of the face No 9bS, coal bed No 510
(3rd self-ignition group), layer III (roof layer),
level 900 m (fire in the goafs of the face No
9bS),
 KW S.A., Sośnica-Makoszowy coal mine,
Sośnica department, in the face No 7C9w, coal
bed No 408/4 (2 nd self-ignition group), level
840 m,
 KW S.A., Sośnica-Makoszowy coal mine, Sośnica department, in the area of the liquidated face
No 7D7z, coal bed No 407/2 (2nd self-ignition
group), level 950 m, the face was separated by
double stoppings in longwall entries,
 JSW S.A., Pniówek coal mine, in the goafs of the
face No W-3, coal bed 361 (2 nd self-ignition
group), level 830 m,
 KHW S.A., Mysłowice-Wesoła coal mine,
Mysłowice department, during the preparation of
a transport field for the liquidation of the face No
401S, coal bed 510 (3 rd self-ignition group), layer 2, level 500 m.
Taking into account the number of working faces
in 2009, it can be seen that there were fires only in
about 2.5% of these faces. Thus the undertaken
prevention actions can be rated very highly.
20
Jednak nietrudno nie zauważyć, że w dwóch przypadkach do pożarów doszło w pokładach, których
węgiel sklasyfikowany jest do III grupy samozapalności, czyli o średniej skłonności do samozapalenia,
a w trzech nawet do II grupy, o małej skłonności. Jeśli
więc przyjąć, że klasyfikacja węgli odpowiada poziomowi rzeczywistego zagrożenia pożarami endogenicznymi to należy stwierdzić, że w tych przypadkach
profilaktyka nie była dobrana właściwie.
Praktyka od lat pokazuje, że klasyfikacja ta bardzo
często rozmija się z realiami. Przyjąć można zatem,
iż rzeczywiście tak mała liczba pożarów endogenicznych w rejonach ścian dobrze świadczy o jakości
podejmowanych działań profilaktycznych. Nie oznacza to jednak, że nie należy doskonalić metod kontroli poziomu zagrożenia i jeszcze lepiej dostosowywać
skuteczniejsze działania profilaktyczne.
However, it is not difficult to observe that in two
cases the fires emerged in coal beds whose coal was
classified into the 3rd self-ignition group, i.e. medium self-ignition tendency, while in three cases –
into the 2nd group of low tendency. Therefore, if we
assume that the coal classification refers to the real
level of the endogenous fires hazard, the applied
prevention actions were properly selected in these
cases.
For many years it has been observed that, in practice, the classification is often far from reality. It can
be assumed that such a small number of endogenous
fires in the face areas speaks well about the quality of
undertaken prevention actions. This does not mean,
however, that the monitoring of the hazard level
should not be improved along with even more efficient and adequately selected prevention actions.
5. PODSUMOWANIE
5. CONCLUSIONS
Rozpoznawanie węgla pod względem jego skłonności do samozagrzewania i samozapłonu ułatwiają
dobór działań profilaktycznych. Jednak nie jest to
wystarczające.
Doświadczenia pokazują, że inne czynniki, głównie
wynikające z rzeczywistych warunków prowadzenia
ruchu ścian, muszą być szczególnie uwzględnione
przy opracowywaniu działań profilaktycznych.
Z ogólnej liczby 176 ścian objętych w 2009 roku
badaniami wynika, że zdecydowanie najwięcej
znajduje się w pokładach węgla zaklasyfikowanego do grupy o małej skłonności – 33% – i o bardzo
małej skłonności do samozapalenia – 25%. Ponadto w 38% ścian okres inkubacji węgla wynosi nie
więcej niż 60 dni, co obrazuje istotny poziom zagrożenia w okresie postoju ściany, a także rozruchu i likwidacji.
Z badań wynika też, że mniej więcej w co trzecim rejonie ściany wystąpiły przypadki znaczącego
wzrostu zagrożenia, co objawiało się bądź wzrostem wskaźnika Grahama, bądź wzrostem stężeń
tlenku węgla w wypływowym prądzie powietrza ze
ściany.
W kilkunastu ścianach stosowano wszystkie z typowych działań profilaktycznych, to jest przemulanie, inertyzację, wyrównywanie potencjałów aerodynamicznych i środki antypirogeniczne, a żadnych
z nich nie stosowano zaledwie w kilku ścianach.
Pożary endogeniczne w 2009 roku zaistniały
w około 2,5% rejonów ścian, co dobrze świadczy
o dostosowywaniu środków profilaktycznych do
lokalnych uwarunkowań.
The classification of coal in terms of its selfheating and self-ignition tendency makes it easier to
select proper prevention actions. This is not enough,
however.
The experiences show that to plan proper prevention actions other factors have to be taken into account in this respect, particularly those resulting from
the real conditions of mining in the face areas.
Out of 176 faces which were covered by the research in 2009, the majority are located in coal beds
whose coal was classified to the group of low (33%)
and very low (25%) self-ignition tendency. Additionally, in 38% of faces the coal incubation period was
no more than 60 days which reflects the significant
hazard level in the period of the face downtime, startup and liquidation.
Additionally, the research shows that approximately in every third face area there were cases of significant increase of fire hazards which was reflected
either by the increase of Graham’s coefficient or
higher concentration of carbon oxide in the outside
air current.
In about dozen faces there were all typical prevention actions undertaken, i.e. cooling, inertization,
regulation of aerodynamic potentials, and antipyrogenic measures. There were only few faces where no
actions were undertaken.
In 2009 there were endogenous fires in about 2.5%
of face areas which speaks well about the adaptation
of prevention actions to local conditions.
21
References
Literatura
1.
2.
3.
4.
Dokumentacja projektu strukturalnego Nr UDA-POIG.01.03.01048/08-00 pt. „Informatyczny system wspomagania kompleksowego zarządzania zagrożeniami górniczymi”. Zadanie 1. „Sposób
kompleksowej oceny stanów zagrożeń górniczych” – zrealizowane
pod kierownictwem S. Trenczka. GIG 2009, niepublikowana.
Trenczek S.: Ocena Zagrożenia pożarami endogenicznymi pokładów węgla kamiennego i sposoby jego zapobiegania. Monografia.
Wyd. Pol. Śl., Gliwice 2010, ISBN 978-83-7335-739-6.
Trenczek S.: Sposób kompleksowej oceny zagrożeń naturalnych
w górnictwie węgla kamiennego. Przegląd Górniczy 2010, Nr 6,
s. 17-23.
Stan bezpieczeństwa i higieny pracy w górnictwie w 2009 roku.
Raport WUG. http://www.wug.gov.pl/index.php?bhp
1.
2.
3.
4.
Documentation of the project No UDA-POIG.01.03.01-048/0800 “Information System to Support Complex Management of
Mining Hazards”. Task 1: “Method of Complex Assessment of
Mining Hazards” carried out under the supervision of S. Trenczek. GIG 2009. Not published.
Trenczek S.: The assessment of endogenous fires hazards in
hard coal beds and prevention methods. A monograph.
Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2010, ISBN 97883-7335-739-6.
Trenczek S.: Complex assessment of natural hazards in hard
coal mining. Przegląd Górniczy 2010, No 6, pp. 17-23.
The state of occupational safety in mining in 2009. A report by
the State Mining Authority.
http://www.wug.gov.pl/index.php?bhp
Recenzent: dr inż. Zdzisław Krzystanek
УГРОЗА ПОЖАРА В СВЕТЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОФИЛАКТИЧЕСКИХ МЕРОПРИЯТИЙ
Представлены результаты испытаний добычных забоев, эксплуатируемых в 2009 году в трех крупнейших угольных компаний. Представлена классификация угольного пласта с точки зрения опасности эндогенных пожаров и степени воздействия
процесса окисления и самонагревания угля. Обобщены мероприятия, проводимые на шахте, для предотвращения образования эндогенных пожаров. Оговорена их эффективности в свете произошедших эндогенных пожаров.
dr inż. GRZEGORZ PACH
dr inż. PAWEŁ WRONA
Politechnika Śląska, Wydział Górnictwa i Geologii,
Instytut Eksploatacji Złóż
Koncepcja systemu wentylacji
dla podziemnego obiektu turystycznego
powstałego w dawnej kopalni węgla kamiennego
Conception of ventilation system for underground
tourist object located in abandoned coal mine
W artykule przedstawiono dobór wentylatorów do przewietrzania planowanego podziemnego obiektu turystycznego. Wykonano obliczenia rozpływów powietrza przy
wariantowym zastosowaniu osiowych wentylatorów średnio- i niskoprężnych. Do
obliczeń przyjęto uproszczoną sieć wentylacyjną obiektu. Zdecydowano na wykorzystanie dwóch wentylatorów niskoprężnych (pracujących w połączeniu równoległym)
ze względu na otrzymywane w obliczeniach wyższe wartości ich sprawności. Przy
zastosowaniu wentylatorów średniociśnieniowych wydatki powietrza w wyrobiskach
obiektu były niższe niż przy wykorzystaniu wentylatorów niskociśnieniowych.
Selection of the fans for ventilation of underground tourist future object has been
presented in the article. Calculation into air discharge (flow) at different variants of
applied axial fans (low pressure and medium pressure fans) were conducted. Simplified ventilation net has been assumed. Considering efficiency of the fans - two parallel low pressure fans have been selected as final solution. In addition, they gave
higher values of air discharge than medium pressure fans.
1. WSTĘP
1. INTRODUCTION
Górnictwo węgla kamiennego zarówno w Polsce, jak
i w świecie posiada wielowiekową tradycję. Kopalnie,
w których prowadzona była eksploatacja w XIX i na
początku XX wieku zakończyły wydobycie i zostały
zamknięte. Ze względu na ówczesny stan techniki górniczej oraz przy uwzględnieniu płytko zalegających,
dostępnych pokładów węgla, głębokość kopalń sięgała
do kilkudziesięciu metrów. W latach powojennych
często nie podejmowano żadnych działań związanych
z wykorzystaniem pozostałych, płytkich wyrobisk górniczych. Aktualnie polskie, niemieckie i czeskie władze
samorządowe widzą szansę dla ich zagospodarowania
w celach turystycznych. Zwiedzający mogliby się zapoznawać w takich obiektach, w warunkach podziemnych,
z historią oraz tradycjami górniczymi jak również brać
udział w przedstawieniach, koncertach oraz innych
wydarzeniach kulturalnych.
There is long-lasting tradition of hard coal mining in Poland as well as in the world. In Poland, coal mining started
in XVIIIth century and because of technologies applied in
that time, the depth of the mines were up to tens meters in
the areas of outcrops (shallow mining). Majority of mines
from that period of time had been conducted mining during
XIXth century and in XXth century they had been closed.
Just after second war there were no activities connected
with restoration or usage of abandoned shallow excavations but in short time local governments realized that in
the areas of abandoned mining there is possibility to create
underground tourist objects. Now, looking into Polish,
German or Czech experience local governments observe
growing need for such a objects and decide to spread this
infrastructure. Tourists can meet there mining tradition
technologies and history as well as they can join theatre
performances, music concerts and other cultural activities.
23
Jednym z takich obiektów, mającym znaleźć się
w mieście „X”, ma być połączony za pomocą nowego wyrobiska z systemem istniejących wyrobisk
podziemnych znajdujący się pod terenem miasta [7].
W jego skład wejdą:
 sztolnia
 szyb wdechowy,
 sztolnia szkolna,
 nowe wyrobisko (łączące sztolnie z sztolnią
szkolną),
 otwór wielkośrednicowy o średnicy Φ=1200 mm,
przez który będzie wypływać powietrze.
W celu zapewnienia bezpieczeństwa turystom oraz
pracownikom konieczne jest zaprojektowanie oraz
wykonanie bezpiecznej wentylacji tych wyrobisk,
uwzględniającej zagrożenia naturalne (obecność
dwutlenku węgla, możliwość wystąpienia tlenku
węgla, dopóki występuje sąsiedztwo czynnych kopalń – obecność metanu nie jest przewidywana [4]).
Przepływ powietrza przez obiekt ma być uzyskany
poprzez zastosowanie wentylatora. Z uwagi na większą stabilność wydatku objętościowego, przy możliwym zmiennym punkcie pracy zostanie zastosowany
wentylator osiowy [2]. W niniejszym artykule przedstawiono koncepcję systemu wentylacji dla wspomnianego obiektu.
Presently, one of underground objects is being under
design in the city „X” [7]. It will be based on existing
structure of excavations and additional one is requested.
It will be connection of:
 the drift,
 intake shaft,
 school drift (net of galleries),
 new excavation (link between the drift and school
drift),
 return shaft (air duct with diameter Φ=1200 mm).
2. ZAŁOŻENIA PROJEKTOWE
2. BRIEF FOREDESIGN - METHODOLOGY
2.1. Zbiór danych
2.1 Collection of data
Strukturę sieci wentylacyjnej obiektu stanowią następujące bocznice [7]:
 bocznica A – cześć sztolni od głównego wlotu do
skrzyżowania z nowym korytarzem, łączącym
w przyszłości sztolnie ze sztolnią szkolną,
 bocznica B – cześć sztolni – od skrzyżowania
z nowym korytarzem do szybu wdechowego,
 bocznica C – szyb wdechowy,
 bocznica D - planowany korytarz łączący w przyszłości sztolnie ze sztolnią szkolną,
 bocznica E – sztolnia szkolna,
 bocznica F – otwór wielkośrednicowy o średnicy 1200
mm (opcjonalna lokalizacja, nie zaznaczona na Rys. 1).
Poglądowy schemat wyrobisk oraz tabelę zawierającą podstawowe informacje o bocznicach przedstawiono na rysunku 1 oraz w tabeli 1. Opory stumetrowych
odcinków wyrobisk (R100) zostały wyznaczone na
podstawie pomiarów geodezyjnych ich parametrów
geometrycznych (długości L, przekrojów A) oraz dzięki odpowiednim (zaczerpniętym z Poradnika Górnika)
wzorom [5]. Na podstawie zależności (1):
Ventilation net consist of [7]:
 segment A – part of the drift – from main entrance
to cross with new excavation,
 segment B – part of the drift - from the cross with
new excavation to intake shaft,
 segment C – intake shaft,
 segment D – new excavation – link between the
drift and school drift,
 segment E – school drift,
 segment F – return shaft (location is optional,
therefore it is not marked in Fig. 1) – diameter
1200 m.
All the segment are simplified. Basic schema is
presented in fig.1 and data is collected in tab.1. Values of aerodynamic resistance for 100 m (R100) have
been estimated basing on geodesy data (length, area
of cross-section) and mining algorithms [5]. Then
using equation (1) aerodynamic resistances of all the
segments have been calculated.
For safety purposes ventilation of mentioned excavations is necessary with special emphasis on natural
hazards (presence of carbon dioxide, possibility of
presence of carbon oxide, now – methane is not taken
into consideration, until neighbor mines are still running [4]). Air flow is intended to be obtained by
a fan. Considering more stable volume flow (at
changing working point) – axial fan has been selected
[2]. Conception of ventilation system for the object is
presented in the article.
24
Rys. 1. Poglądowy schemat wyrobisk obiektu
Fig.1. Schema of excavations in the object
Tabela 1/Table 1
Podstawowe parametry bocznic przyjęte do dalszych obliczeń [5,7]
Principle data for net calculations [5,7]
Wyrobisko
Excavation
Bocznica A
Segment A
Bocznica B
Segment B
Bocznica C
Segment C
Bocznica D
Segment D
Bocznica E
Segment E
Bocznica F
(opcjonalna
lokalizacja)
Segment F
(optional
location)
Średni przekrój
[m2]
Average cross-section
[m2]
Długość
[m]
Length
[m]
Opór 100-metrowego odcinka wyrobiska
[kg/m8]
Resistance of 100 meters of a segment
[kg/m8]
Opór wyrobiska
[kg/m7]
Resistance of excavation
[kg/m7]
5,47
1775
0,025
0,444
4,23
475
0,043
0,204
12,5
43
0,091
0,039
10
500
0,0072
0,036
-
-
-
average value 0,056
30
0,491
0,147
1,13
Φ=1,2
R = R100*L/100
(1)
R = R100*L/100
(1)
zostały wyznaczone opory aerodynamiczne bocznic
wchodzących w skład sieci wentylacyjnej. Przybliżony opór sztolni szkolnej (bocznica E) został wyznaczony na podstawie oporu drogi najtrudniejszej prowadzącej od wlotu sztolni szkolnej do jej połączenia
z nowym wyrobiskiem.
Approximate resistance of school drift (segment E)
has been estimated basing on the longest path between intake to school drift and place of connection with
new excavation.
2.2. Dodatkowe założenia
2.2 Additional assumptions
Do dalszych obliczeń został przyjęty model sieci
pasywnej, w której przepływające powietrze posiada
stałą gęstość. Założenie to zostało przyjęte na podstawie głębokości wyrobisk nie przekraczającej
40 metrów oraz dzięki usytuowaniu elementów
grzejnych zapewniających stałą temperaturę powietrza pod ziemią (co zostało zawarte w założeniach
projektanta/inwestora).
Next calculations were been conducted with assumption of passive net (constant density). It may be
assumed because the depth of the object does not
exceed 40 m – and according to general assumptions
of the designer/investor – intake air will be kept at
constant temperature.
25
Wyznaczony został również wpływ depresji naturalnej; jej wartości nie powinny przekraczać 30 Pa w miesiącach zimowych oraz 15 Pa w miesiącach letnich
[1,3]. Przy takich depresjach naturalnych wykorzystywanie jedynie wentylacji naturalnej nie może zapewnić
stabilności kierunków przepływu powietrza w rozpatrywanym obiekcie. Na podstawie tych przesłanek zdecydowano o zabudowaniu dwóch wentylatorów połączonych równolegle, z których jeden traktowany byłby
jako rezerwowy. Założenie to spełnia odpowiedni przepis Rozporządzenia Ministra Gospodarki [6].
Natural depression has been taken into consideration, too. Its value should be no greater than 30 Pa
during winter and 15 Pa during summer [1,3]. Regarding this values – natural ventilation will not be
stable. It is also forbidden in frames of Mining Law.
Considering demand of reserve fan for underground
mines – it was decided that the object should be
ventilated with two parallel fans, and one of them
would be treated as reserve fan. It fills requirement
of Polish Mining Law [6].
2.3. Warianty przewietrzania wyrobisk
2.3. Different variants of ventilation
Ze względu na lokalizacje stacji wentylatorów głównego przewietrzania rozważane były różne warianty:
 stacja wentylatorów przy głównym wlocie (początek bocznicy A),
 stacja wentylatorów przy szybie wdechowym
(niemożliwe, ponieważ tym szybem jest przewidziany zjazd turystów do obiektu),
 stacja wentylatorów przy sztolni szkolnej,
 stacja wentylatorów nad otworem wielkośrednicowym znajdującym się nad sztolnią (lokalizacja
otworu była rozważana w różnych podwariantach),
 stacja wentylatorów nad otworem wielkośrednicowym, który będzie łączył nowy korytarz z powierzchnią.
Ostatecznie ze względu na możliwość przekroczenia poziomu hałasu spowodowanego przez pracujące
wentylatory oraz ze względu na prawa właścicieli
terenów (brak zgody lub trudność w jej uzyskaniu na
lokalizowanie stacji wentylatorów w niektórych
miejscach) zdecydowano się wstępnie na usytuowanie stacji według ostatniego wariantu. Przy takim
sytuowaniu stacji powstałyby 3 rejony – sztolnia
szkolna (bocznica E), szyb wdechowy z częścią
sztolni (bocznice B i C) oraz część od głównego
wlotu do skrzyżowania (bocznica A). Na rysunku 2
przedstawiono ideowy schemat przestrzenny przewietrzania obiektu z zaznaczonymi numerami węzłów.
Location of fan station was the main reason of different variants of ventilation. Possible locations:
 the main entrance (beginning of segment A),
 intake shaft (impossible, because tourists will go
down this shaft),
 school drift,
 above new return shaft (above the drift) – (there
were different sub-variants),
 above new return shaft (above new excavation).
Considering possible and impermissible noise and
problems with rights to terrain it was decided that
fan station will be located above new return shaft
(above new excavation). Therefore – three ventilation areas have been created (school drift (segment
E), intake shaft with the part of the drift (segments
B and C) and part of the drift from cross-section
with new excavation to the main entrance (segment
A). Figure 2 shows simplified space diagram of the
object with marked numbers of nodes.
Rys. 2. Ideowy schemat przestrzenny przewietrzania obiektu
Fig. 2. Simplified space diagram of the object
26
2.4. Model numeryczny
2.4. Numerical model
Następnie został wykonany model numeryczny sieci
wentylacyjnej obiektu. Tworzywem tego modelu były
opory bocznic, których wartości przedstawiono w tabeli
1. Bocznice 4-9 i 9-5 tworzą nowe wyrobisko, a ich
opory założono jako równe. W celu uzyskania równomiernego rozpływu powietrza w bocznicach, w których
powietrza wpływa do obiektu zastosowano regulację za
pomocą tam regulacyjnych usytuowanych w bocznicach: 6-5, 2-5 oraz 4-9. Przy obliczeniach rozpływu
powietrza w sieci wentylacyjnej wykorzystana została
iteracyjna metoda Crossa zaimplementowana w programie obliczeniowym AERO [2].
Then, numerical model of the net has been created.
Values of aerodynamic resistance for laybays have
been the base of the model (tab. 1). Laybays 4-9 and
9-5 create new excavation – their resistances have
been estimated by equal division of this stone-drift.
Gauge door have been located in laybays across
which the air is flowing into the object (6-5, 2-5 and
4-9). Iterative Cross method has been applied for
calculations – Aero Software has been used) [2].
3. WYBRANE WYNIKI DLA RÓŻNYCH
TYPÓW WENTYLATORÓW
3. SELECTED RESULTS FOR DIFFERENT
TYPES OF FANS
W wariantowych obliczeniach zastosowano charakterystyki różnych wentylatorów średniociśnieniowych oraz niskociśnieniowych (dla każdego z poszczególnych wentylatorów wykonywano również
obliczenia rozpływu powietrza przy różnych prędkościach obrotowych i kątach nachylenia łopatek). Parametry punktów pracy wentylatorów średnioprężnych były zdecydowanie mniej korzystne w stosunku
do wentylatorów niskoprężnych. Poniżej przedstawiono dwa warianty obliczeniowe przy zastosowanym wentylatorze średnioprężnym oraz wentylatorze
niskoprężnym. Węzeł 999 jest węzłem atmosfery.
Wentylator średnioprężny – wyniki rozpływu
powietrza obrazuje tabela poniżej.
Different characteristics of fans (low pressure and
medium pressure) have been applied to calculations.
For every type of a fan – there were also calculations
of air flow with application of different values of
rotational speed and different pitch angles. Working
points of medium pressure fans were been significantly disadvantageous in compare with low pressure
fans.
Selected two variants for medium pressure and low
pressure fan have been presented in tables 2 and 3.
(Node 999 is the atmosphere).
Medium pressure fan
Tabela 2/Table 2
Wyniki rozpływu powietrza w obiekcie przy zastosowaniu wentylatora średnioprężnego
Results of air discharge in the object during application of medium pressure fan
Numer
bocz.
Layb.
numb.
Węzeł
pocz.
Init
node
Węzeł
końca
Last
node
Opór
(kg/m7 × 11000
Resist.
(kg/m7 × 11000
Wydatek
(m3/s)
V
(m3/s)
Wydatek
(m3/min)
V
(m3/min)
1.
1
2.
2
3.
Dyssypacja
(Pa)
Dissipat
(Pa)
Depresja
(Pa)
Depress
(Pa)
Opis bocznicy
Describt
2
39.000
3.68
5
17204.000
3.68
221
1
0
bocznica C / Segment C
221
233
0
3
4
56.000
3.51
bocznica B / Segment B
210
1
0
bocznica E / Segment E
4.
4
9
19018.000
3.51
5.
5
6
17444.000
-3.66
210
234
0
bocznica D / Segment D
-220
-234
0
6.
6
7
0.000
10.85
bocznica A / Segment A
651
0
2353
Wentylator / The fan
7.
7
999
0.000
8.
999
1
0.000
10.85
651
0
0
atmosfera / atm.
3.68
221
0
0
atmosfera / atm.
atmosfera / atm.
9.
999
6
0.000
3.66
220
0
0
10.
999
3
0.000
3.51
210
0
0
atmosfera / atm.
11.
5
9
18.000
7.34
441
1
0
12.
9
8
18000.000
10.85
651
2118
0
bocznica F + zasuwa / Seg. F + damper
27
Przy wykorzystaniu wentylatora średnioprężnego
zastosowano dodatkową zasuwę znajdującą się
w kanale wentylatora. Celem tej zasuwy było takie
zwiększenie spadku naporu, aby wentylator pracował w zakresie charakterystyki fabrycznej. Bardzo
niska sprawność wentylatora otrzymywana przy
małych spadkach naporu na drodze krytycznej
przyczyniłaby się do wzrostu pobieranej mocy
elektrycznej.
Wentylator niskoprężny – wyniki rozpływu powietrza obrazuje tabela poniżej.
In this solution, additional slide damper has been
applied to increase pressure drop of the fan. The
damper has been situated in fan duct. Only after this,
the fan achieved working point at its nominal range.
In the other case – very low efficiency (because of
low values of resistances) would create inadequate
and unfounded power consumption.
Low pressure fan
Tabela 3/Table 3
Wyniki rozpływu powietrza w obiekcie przy zastosowaniu wentylatora niskoprężnego
Results of air discharge in the object during application of medium pressure fan
Numer
bocz.
Layb.
numb.
Węzeł
pocz.
Init
node
Węzeł
końca
Llast
node
Opór
(kg/m7 × 11000
Resist.
(kg/m7 × 11000
Wydatek
(m3/s)
V
(m3/s)
Wydatek
(m3/min)
V
(m3/min)
Dyssypacja
(Pa)
Dissipat
(Pa)
Depresja
(Pa)
Depress
(Pa)
Opis bocznicy
Describt
1.
1
2
39.000
5.42
325
1
0
bocznica C / Segment C
2.
2
5
17204.000
5.42
325
505
0
bocznica B / Segment B
3.
3
4
56.000
5.16
310
1
0
bocznica E / Segment E
4.
4
9
19018.000
5.16
310
507
0
5.
5
6
17444.000
-5.39
-323
-506
0
bocznica A / Segment A
6.
8
7
0.000
15.97
958
0
543
Wentylator / The fan
7.
999
1
0.000
5.42
325
0
0
atmosfera / atm.
8.
999
6
0.000
5.39
323
0
0
atmosfera / atm.
9.
999
3
0.000
5.16
310
0
0
atmosfera / atm.
10.
5
9
18.000
10.81
648
2
0
11.
9
8
147.000
15.97
958
36
0
bocznica F / Segment F
12.
7
999
0.000
15.97
958
0
0
atmosfera / atm.
W obydwu wariantach zastosowano tamy w wyrobiskach: w bocznicy A (R=17 kg/m7), w bocznicy B
(R=17 kg/m7) oraz w bocznicy D (R=19 kg/m7).
Otrzymane wartości wydatków powietrza oraz prędkości powietrza w wymienionych trzech wyrobiskach
były zdecydowanie wyższe przy wentylatorze niskociśnieniowym.
Porównując otrzymane wyniki obliczeń rozpływu powietrza (położenie punktu pracy, osiągnięty
wydatek powietrza oraz koszty przewietrzania)
stwierdzono, na podstawie wyznaczonych punktów
pracy wentylatora, że korzystniejsze będzie zastosowanie wentylatora niskoprężnego. Połączenie
równoległe takich dwóch wentylatorów przedstawiono na rysunku 3.
Gauge door has been applied in both variants. Location of gauge door: Segment A (R=17 kg/m7),
Segment B (R=17 kg/m7), Segment D (between return shaft and school drift) (R=19 kg/m7). Obtained
results of discharge and air velocity in mentioned
three excavations were significantly higher during
application of low pressure fan.
Comparing results (working points, economics, air
flow), it was decided that it would be more advantageous to apply low pressure fan. According to assumptions (demand of two fans) – parallel connection
of two the same low pressure fans is presented in
fig. 3.
28
p [Pa]
1400
R Obiektu = 2,18 kg/m7
1200
1000
800
600
400
200
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
3
V m /s
Rys. 3. Charakterystyka równoległego połączenia dwóch wentylatorów niskociśnieniowych w obiekcie
Fig. 3. Parallel connection of tow the same low pressure fans in the object
4. PODSUMOWANIE I WNIOSKI
4. SUMMARY AND CONCLUSIONS
Przeprowadzone obliczenia w pierwszej kolejności
miały zadecydować o:
 lokalizacji stacji wentylatorów,
 rodzaju wentylatorów w niej zastosowanych.
Na podstawie otrzymanych wyników zadecydowano
o zastosowaniu wentylatorów niskoprężnych. Użycie
takich wentylatorów w rozważanym obiekcie gwarantuje uzyskanie wystarczających wydatków powietrza
w wyrobiskach oraz korzystnego punktu pracy wentylatorów (zadowalająca sprawność). Dodatkowo wskutek
ich działania powinny być zredukowane skutki zagrożenia gazowego (CO, CO2). Należy podkreślić, że
obecność metanu w obiekcie nie jest przewidywana
dopóki występuje wpływ oddziaływania wentylacyjnego sąsiednich kopalń.
Wentylatory lutniowe elektryczne średniociśnieniowe
nie są przystosowane do pracy przy tak niskich oporach
aerodynamicznych wyrobisk, przez co ich zastosowanie
do przewietrzania obiektu jest ekonomicznie nieuzasadnione. Z tego powodu proponuje się zastosowanie wentylatorów niskociśnieniowych.
Celowe jest zabudowanie dwóch wentylatorów niskociśnieniowych w połączeniu równoległym. Jeden z wentylatorów traktowany byłby jako rezerwowy. W razie
nagłego wypływu niebezpiecznych gazów do wyrobisk
(np. przy zniżce barycznej) mógłby być on włączany
w celu zapobieżenia nagromadzeniu się tych gazów.
Zastosowane tamy będą eliminować wpływ depresji
naturalnej na przewietrzanie obiektu oraz doprowadzą do
stabilności kierunków przepływającego powietrza
w wyrobiskach podziemnych. Efektem regulacji za pomocą dobranych tam będzie równomierny dopływ powietrza w każdym z rejonów. Również na skutek dodatkowych spadków naporu uzyskiwanych na tamach regulacyjnych uzyskany będzie żądany (mieszczący się w granicach pracy ekonomicznej) punkt pracy wentylatora.
Major aims of conducted research were:
 location of fan station,
 type of applied fans.
Basing on obtained results – it was decided that low
pressure fans have been selected. Such a solution guarantees sufficient values of volume flow in excavations
and proper working point (adequate efficiency). In addition – it will reduce natural gas hazards (CO, CO2). It
should be noticed that methane is not predicted in the
object until there is ventilation influence of neighbor
mines.
Electric axial flow medium pressure fans are not suitable for work in low resistance conditions. Therefore
application of fans of that type is not reasonable considering economics. Low pressure fans have been selected and they are proposed.
It is necessary to apply two low pressure fans in parallel connection. One of them should be treated as reserve
fan. (It could be turn on during unexpected flow of
gases to the object (e.g. during pressure falls)).
Gauge door will eliminate influence of natural depression on ventilation and they will make stable flow of air
and steady discharge in every ventilation section. Additional pressure drops achieved on gauge door will help
to set working point of the fan (fans) at economical
range.
29
References
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Budryk W.: Wentylacja kopalń. Przewietrzanie wyrobisk.
Wydawnictwo Górniczo-Hutnicze, Katowice, 1961.
Hartman H. et all.: Mine Ventilation And Air Conditioning. WileyInterscience Publication, New York, USA, 1997.
Pawiński J., Roszkowski J., Strzemiński J.: Przewietrzanie kopalń.
Śląskie Wydawnictwo Techniczne, Katowice, 1995.
Sułkowski J., Wrona P.: Mathematical Model Of Gas Out Flow From
Abandoned Coal Mine Through Untight Shaft Under The Influence
Of Atmospheric Pressure Changes, Archives of Mining Sciences 51,
Issue 1 (2006) str. 97-107.
Poradnik Górnika, t. 3, Wydawnictwo Śląsk, Katowice, 1972.
Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 r.
w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz
specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w podziemnych
zakładach górniczych (Dz. U. Nr 139, poz. 1169 oraz z 2006 r. Nr 124,
poz. 863).
Dokumentacja techniczna obiektu.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Budryk W.: Wentylacja kopalń. Przewietrzanie wyrobisk.
Wydawnictwo Górniczo-Hutnicze, Katowice, 1961.
Hartman H. et all.: Mine Ventilation And Air Conditioning. WileyInterscience Publication, New York, USA, 1997.
Pawiński J., Roszkowski J., Strzemiński J.: Przewietrzanie kopalń.
Śląskie Wydawnictwo Techniczne, Katowice, 1995.
Sułkowski J., Wrona P.: Mathematical Model Of Gas Out Flow From
Abandoned Coal Mine Through Untight Shaft Under The Influence
Of Atmospheric Pressure Changes, Archives of Mining Sciences 51,
Issue 1 (2006) str. 97-107.
Poradnik Górnika, t. 3., Katowice 1972.
Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 r.
w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz
specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w podziemnych zakładach górniczych (Dz. U. Nr 139, poz. 1169 oraz z 2006 r.
Nr 124, poz. 863).
Dokumentacja techniczna obiektu.
Recenzent: dr hab. inż. Stanisław Duży, prof. nadz. w Pol. Śl.
КОНЦЕПЦИЯ СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ ПОДЗЕМНЫХ ТУРИСТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
НА СТАРЫХ УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ
В статье представлен выбор вентиляторов для проветривания планируемых подземных туристический объект. Проведены
расчеты воздушного потока при использовании осевых вентиляторов среднего и низкого давления. Для расчета была принята упрощенная сеть вентиляции объекта. Было принято решение использовать два вентилятора низкого давления (работающих параллельно) с учетом полученных расчетов их эффективности. При использовании вентиляторов среднего давления вентилятор производительность была ниже, чем при использовании вентилятора низкого давления.
Tłumaczenie: mgr inż. J. UTIKAL
Tłumaczenie artykułu z czasopisma „Glűckauf” Nr 7/8 (2008)
pt. Echtzeitfähige standardisierte Steuerungen fűr Automatisierungsaufgaben
im Untertagebergbau
Autor: Prof. Dr.-Ing. W. Jakoby
Standardowe sterowania w czasie rzeczywistym
dla celów automatyzacji w górnictwie podziemnym
Real-time-capable, standardised control systems
for automation tasks in underground mining
Dla komputerowych systemów automatyzacji kompleksowo oraz przestrzennie
rozdzielonych instalacji zostają przedstawione przeciwstawne wymagania odnośnie
szybkości obliczeniowej, komfortu użytkownika, możliwości skalowania oraz kosztów stosowania. Systemy innowacyjne – takie jak Mining Master oraz Mincos MMC
spełniają te wymagania przez zastosowanie modułów CPU o wysokiej sprawności,
standaryzowanych systemów operacyjnych działających w czasie rzeczywistym
z Kernelem oraz niezależne od wytwórcy języki programowania. Jednocześnie, także
w trudnych warunkach kopalnianych, dostępne są udogodnienia związane ze znormalizowanym oprogramowaniem użytkowym, z graficznymi stanowiskami
użytkownika obsługiwanymi w sposób intuicyjny, z nieprzerwaną komunikacją, a
także możliwością reakcji w czasie rzeczywistym na wydarzenia związane z
procesami wydobywczymi.
Conflictive requirements in regard to processing speed, usability, scalability and
costs are defined on computer systems for the automation of complex, spatially dispersed sites. Innovative systems just like the Mining Master and the Mincos MMC
meet these requirements by the use of powerful, embedded CPU-modules, standardised real-time operating kernels and manufacturer-independent programming languages. Thus the comfortable prospects of standard application programming, intuitively operated graphical user interfaces, integrated communication and real-time
reaction on process events are available even under the rough terms and conditions
of a mine.
Współczesne systemy automatyki złożone są
z kompleksowych układów komputerowych wyposażonych w liczne interfejsy. Zawierają one moduły
o wysokim stopniu integracji, które jednak muszą
działać w sposób niezawodny w trudnych warunkach
przemysłowych.
Wymagania w zakresie ich sprawności są wielostronne. Systemy te muszą spełniać równolegle wiele
zadań, takich jak: sterowanie, wizualizacja, nadzór
i transmisja danych oraz gwarantować reakcje w czasie rzeczywistym na krytyczne zdarzenia w przebiegu procesu. Ponadto jest niezbędnym, by te systemy
Today, automation systems consist of complex
computers with numerous interfaces. They contain
highly integrated electronic components, but have to
function reliably in rough industrial environments.
The performance requirements vary widely. The
systems must perform parallel tasks like controlling,
visualisation, monitoring, and data communication
while guaranteeing real-time-capable reactions to
critical process events. In addition, the systems and
the software applications running on them must
meet international standards to prevent the operator
of the systems from incurring manufacturer-specific
31
oraz przynależne oprogramowanie spełniały wymagania międzynarodowych standardów, tak by użytkownik tych systemów nie musiał wdrażać specyficznych ustaleń producenta. Te zadania o wielostronnych wymaganiach zostają dzisiaj spełnione
przez zastosowanie standaryzowanych modułów
komputerowych, przez wielozadaniowe systemy
operacyjne z podstawowymi pamięciami operacyjnymi oraz przez ujednolicone programy z intuicyjnie
zrozumiałymi interfejsami użytkownika.
training expenses. These various sophisticated tasks
are now fulfilled using standardised computer modules, multitasking-capable operating systems with
underlying real-time cores, and standardised programs with intuitive user interfaces.
WYMAGANIA DLA SYSTEMÓW
AUTOMATYCZNYCH
REQUIREMENTS ON AUTOMATION
SYSTEMS
Stosowanie maszyn, narzędzi oraz urządzeń
w przemysłowym procesie produkcyjnym ma na
celu przede wszystkim poprawę bezpieczeństwa
oraz podniesienie efektywności tego procesu.
Postęp w tym zakresie realizuje się w wielu skokowych krokach rozwojowych. Pierwszym krokiem
jest mechanizacja, to znaczy zastosowanie maszyn
dla zwiększenia ograniczonych sił i energii ludzkiej.
Drugim krokiem jest elektryfikacja, to jest zastosowanie pomocniczej energii elektrycznej do napędu
maszyn, która w stosunku do innych rodzajów energii, jak na przykład energia pneumatyczna lub hydrauliczna ma znaczącą przewagę. W trzecim kroku
– innowacyjnym – automatyzacji dostępna energia
elektryczna zostaje wykorzystana do przetwarzania
informacyjnego, tak by użytkowane maszyny i urządzenia działały samoczynnie. W tym celu podczas
procesu technologicznego zostają mierzone ważne
z punktu jego przebiegu wartości fizykalne i przetworzone na wielkości elektryczne. Następnie zostają
skojarzone w odpowiednio zaprogramowanym komputerze, by w wyniku jego działania za pomocą sterowanych przez niego odpowiednich urządzeń wykonawczych ingerować w przebieg tego procesu.
The use of machines, tools, and devices in an industrial production process is mainly used to improve
safety and increase economic efficiency.
Dla wypełnienia założonych zadań w środowisku
przemysłowym system automatyki musi spełniać
wiele wymagań, które są częściowo przeciwstawne.
Jednym z najważniejszych wymagań jest zdolność
działania w czasie rzeczywistym. Na konkretne zdarzenia w przebiegu procesu technologicznego system
automatyki musi bardzo szybko reagować. Dopuszczalna tolerancja czasu reakcji może być bardzo różna. W przebiegu procesów termicznych dopuszczalne
czasy reakcji mieszczą się od kilku sekund do minut.
W przebiegu procesów mechanicznych natomiast
reakcja systemu musi być zakończona w ułamkach
sekundy do kilku sekund.
To fulfil its tasks in an industrial environment,
an automation system must meet many requirements that sometimes stand in opposition to each
other. One of the most important requirement is
real-time capability. An automation system must
react quickly to certain events in the technical process. The permissible tolerances of the reaction
time can vary strongly. For thermal processes,
acceptable reaction times lie in a range of some
seconds to several minutes. For mechanical processes, on the other hand, reactions must often be
concluded in a fraction of a second.
Advances in this area are accomplished in several
large developmental steps. The first step is mechanisation; that is, the use of machines, to expand the
limited human energy and power resources. The second step is electrification, that is, the use of electrical energy to operate machines, which shows clear
advantages in comparison with other forms of energy, such as hydraulic or pneumatic auxiliary power.
The third innovation step – automation – uses the
available electrical energy for information process so
that the existing machines and equipment can be
operated independently. For this purpose, the important physical variables are electrically measured in
the technical process, then linked in programmable
computers, and finally re-implemented into setting
actions in the process using suitable actors.
32
W systemie automatyki ingerencja człowieka polega
na wprowadzeniu odpowiednich danych do procesu.
Jako sprzężenie zwrotne system generuje dla użytkownika informacje w postaci wartości pomiarowych, stanu
procesu oraz komunikaty. Ze względu na ograniczone
możliwości techniczne interfejsy użytkownika przez
długi okres były ograniczone do lamp sygnalizacyjnych,
przycisków, a później nawet do komunikatów tekstowych. W międzyczasie mogą być realizowane liczne
i łatwe w obsłudze graficzne interfejsy użytkownika.
Współczesne wymagania polegają na tym, by dostępne
na interfejsach informacje od człowieka i maszyny
przedstawiać w interaktywnej przejrzystej formie. Ponadto niezbędne programy nie mogą być tworzone dla
spełnienia specyficznych wymagań użytkowych, ale
powinna istnieć możliwość wykorzystania programów
niezależnych producentów w stosowanych komputerach.
Przy automatyzacji całych linii produkcyjnych
każde zadanie przedstawia się inaczej niż to ma miejsce w przypadku automatyzacji jednostkowych urządzeń. Dlatego systemy automatyki muszą być „swobodnie programowalne”. Oznacza to, że to nie producent systemu wprowadza przebieg automatyki procesu do programu komputerowego, lecz że może tego
dokonać użytkownik. Co ważniejsze, w przyjmowanym obecnie warunkiem brzegowym w takim przypadku jest użycie niezależnego od producenta, znormalizowanego języka programowania.
Ponieważ systemy automatyki instalowane są przede
wszystkim w pobliżu procesu technologicznego, to ich
budowa musi być odporna na panujące w ich otoczeniu
warunki środowiskowe. Do ważnych wymagań środowiskowych zalicza się wysokie lub niskie temperatury,
zapylenie, wilgoć, udary mechaniczne lub drgania
wstrząsowe. Również pola elektromagnetyczne generowane przez inne urządzenia elektryczne nie powinny
powodować błędnego działania.
Dla stosowania w podziemnych zakładach górniczych
występują jeszcze inne wymagania, które musi spełniać
system automatyki. Należy do nich przede wszystkim
środowisko o zagrożeniu wybuchem. Również wysokie
i niskie temperatury, wysoka wilgotność oraz zapylenie
stanowią duże obciążenia. Takie środowisko wyklucza
stosowanie urządzeń elektrycznych w zwykłym wykonaniu przemysłowym. Tym szczególnie surowym warunkom środowiskowym mogą tylko sprostać urządzenia
o bardzo mocnej budowie. Ograniczona przestrzeń dla
ich instalacji bezpośrednio prowadzi do wzajemnego
oddziaływania człowieka i maszyny, co determinuje
wysokie wymagania w zakresie bezpieczeństwa. Duże
odległości w połączeniu z utrudnionym dostępem
wymagają wielu kanałów komunikacyjnych tak dla
ludzi, jak i komputera sterującego. Stale zmieniające
An automation system implements the operator entries into setting actions in the process. As a countermove, measuring values, state variables, and messages are output to the user. Due to limited technical
possibilities, user interfaces were long limited to
uncomplicated lights, buttons, or, later, even text
messages. In the meantime, extensive and comfortable graphic user interfaces can be realised. Today’s
challenge lies in putting the available variety of information at the human-machine interface into a clear
interactive form. The programs required for this purpose can no longer be created for the specific application, but, rather, the available programs of independent software suppliers must be able to run on the
computer.
In contrast to device automation, every task is different in the case of plant automation. For this reason,
automation systems must be “freely programmable.”
This means that not the manufacturer of the system
implements the automation tasks into a computer
program, but rather the user does. An important, now
established boundary condition in this case is the use
of manufacturer-independent, standardised programming languages.
Since automation systems are mainly used in the
vicinity of the technical process, their structure must
stand the environmental conditions of this process.
The important environmental requirements include
high or low temperatures, dust, moisture, mechanical
shocks, or vibrations. Even influences due to electromagnetic fields of other electrical devices may not
lead to malfunctions at any time.
For use in an underground mine, an automation
system must fulfil additional, hard requirements. The
potentially explosive atmosphere must be mentioned
in this case. Even high or low temperatures, high
humidity, and dust, however present a risk of great
stress to the system. The operation of electrical
equipment in such an atmosphere precludes the use
of the usual industrial technology. Particularly rough
environmental requirements can be fulfilled only
using very robust designs. The narrow spatial conditions underground lead to a direct interaction between
the people and the machines, which results in high
safety requirements. Shutdown and lockdown equipment are thus an obligatory part of machines. The
great distances in combination with bad accessibility require extensive channels of communication, for
33
się warunki wymagają stosowania elastycznie konfigurowanych systemów.
Nakreślony profil wymagań dla górnictwa bazuje
częściowo na europejskich dyrektywach, takich jak
na przykład:
 ATEX,
 Maszynowa,
 EMC,
 LVD,
jeśli wymienić tylko te najważniejsze, jednak
w wielu punktach przez specjalne zarządzenia, wytyczne oraz normy wybiegają one daleko powyżej
wymagań określonych w tych dyrektywach.
both people and the control computer. The constantly
changing spatial conditions make the use of flexibly
configurable systems necessary.
The sketched requirement profile of mining is partially based on the European directives, such as the:
 ATEX,
 Machinery,
 EMC, and
 Low-Voltage Directives,
to name just a few, but goes far beyond these directives in many points due to special ordinances, guidelines, and standards.
PRZEMYSŁOWA TECHNIKA PC
INDUSTRIAL COMPUTER TECHNOLOGY
Dynamiczny wzrost sprawności mikroprocesorów
uczynił możliwym spełnienie tych zadań w zakresie
automatyzacji, które jeszcze przed kilku laty nie były
do pomyślenia. Jednak ten wzrost sprawności ma również przeciwną stronę. Mianowicie prowadzi ona do
ciągłego wzrostu złożoności modułów, tak że opracowanie nowoczesnych układów elektrycznych oraz
urządzeń wymaga coraz większej wiedzy technicznej.
Luka między szybko rosnącą złożonością a nie nadążającym za tym wzrostem wiedzy musi zostać wypełniona wzrostem podziału pracy oraz specjalizacji.
Jednostkowe wysoko wyspecjalizowane firmy opracowują i produkują układy scalone zawierające kilka
milionów tranzystorów. Inne firmy stosują te układy
dla opracowania standardowych modułów komputerowych. Jako trzeci uczestnik tego łańcucha twórczego
występują producenci systemów automatyki, którzy te
moduły komputerowe „składają” w specjalistyczne
układy użytkowe oraz urządzenia.
Z zastosowań biurowych w okresie lat 90. XX wieku technika PC została również wprowadzona jako
standard w przemyśle. Moduły komputerowe są produkowane o szczególnie mocnej i zwartej budowie,
a następnie umieszczane w odpowiednich obudowach. Te tak zwane przemysłowe PC (IPC) są dostępne w różnych wykonaniach. Jako najważniejsze
są modularne IPC w formie kasetowej, kompaktowe
IPC, w których wszystkie komponenty znajdują się
w jednej obudowie oraz panelowe IPC, w których
najważniejszą rolę pełnią komfortowe w obsłudze
graficzne interfejsy użytkownika.
Becker Mining Systems AG, Friedrichsthal oferuje
w ramach serii „Mincos” dwa tego typu IPC dla górnictwa. „Mining Master” jest opartym na PC urządzeniem o dużej sprawności i o budowie przeciwwybuchowej przeznaczonym dla podziemnego górnic-
The fast rise in the performance of microelectronic
components makes it possible to solve automation
tasks that were inconceivable just a few years ago.
This increase in performance, however, also has
a downside. It namely leads to more and more complex components so that the development of innovative electrical circuitry and devices requires an
increasingly growing technical knowledge. The gap
between quickly rising complexity and a growth of
knowledge that does not keep up is closed through an
increasing division of labour and specialisation.
A few highly specialised companies develop and
produce integrated components using umpteen millions of transistors. Other companies use the components to develop standardised computer modules.
Manufacturers of automation systems that “embed”
the computer modules into application-specify circuitry and devices get into the act as a third player in
the value chain.
From the area of office usage, computer technology
became a standard in the industry in the course of the
1990s. The computer modules are manufactured in
a particularly robust design and then installed into
suitable housings. These so-called industrial PC
(IPC) are available in various designs. The most important are modular IPC using plug-in module technology, compact IPC, for which all components are
accommodated in a single housing, and panel IPC,
for which the convenient graphic user interface is in
the foreground.
In its Mincos product line, Becker Mining Systems
AG, Friedrichsthal, Germany, provides two such
IPCs for mining applications. “Mining Master” is
a high-performance, computer-based, firedampprotected automation device for underground coal
34
twa węglowego. W obudowie przeciwwybuchowej
znajduje się nośnik modułów ze znajdującą na tylnej
ścianie magistralą komunikacyjną, poprzez którą
połączone są poszczególne różne moduły wtykowe
jak również display VGA (Video Graphics Array).
W obudowie iskrobezpiecznej znajdują się peryferyjne interfejsy dla podłączenia zewnętrznych magistral
komunikacyjnych. Na czołowej pokrywie obudowy
jako elementy obsługi znajdują się: odpowiednio
mocna klawiatura funkcyjna, joystick pełniący funkcję myszy oraz przycisk.
Centralnym modułem sterownika Master Mining
jest moduł CPU z procesorem Pentium. Moduł ten
zawiera wszystkie komponenty, które są niezbędne
dla sprawnego działania PC. Moduł komunikacyjny
pośredniczy w komunikacji z maksymalnie 8 magistralami zewnętrznymi. Mogą one być skonfigurowane według wyboru jako Promos-AST, Betacontrol
– długodystansowy, Betacontrol-field bus lub jako
interfejs Dust. Poprzez dalsze moduły możliwa jest
realizacja czterech interfejsów dla standardu Profibus. Standardowy interfejs sterownika Mining Master
tworzy Ethernet z komunikacją TCP/IP. Dzięki wyposażeniu sterownika Mining Master w display
VGA, mysz w formie joysticka oraz klawiaturę funkcyjną tworzy on interaktywne pole obsługi PC.
Zasilanie sterownika automatyki jest realizowane
aż z trzech źródeł, z czego dwa służą do zasilaniu
obszaru iskrobezpiecznego oraz jedno dla obszaru
ognioszczelnego. Poziom napięcia po stronie pierwotnej wynosi 42 VAC, 230 VAC lub 108 VDC,
natomiast po stronie wtórnej 12 VDC oraz 5 VDC.
Zakres działania i wielostronność sterownika Mining Master dla małych i średnich zadań automatyzacji nie zawsze jest wykorzystywany. W takich wypadkach wystarczającym jest stosowanie sterownika
Mincos MMC (Mining Master Compact) (Rys. 1).
mining. A flameproof housing contains a module
rack with a bus in the back wall. The various plug-in
subassemblies, like a VGA-display, can be connected
through this bus. The peripheral interfaces for the
connection of field buses are kept in the intrinsically
safe housing. The housing cover contains a robust
function keypad, a joystick mouse, and discreet
switches and buttons as control elements.
The main module of Mining Master is the CPU
module with a Pentium processor. This module contains all components required for an efficient computer. The communication module supports up to eight
field buses. These can be configured optionally as
Promos-AST, Betacontrol long-distance bus, Betacontrol field bus, or Dust-interface. Four Profibus
interfaces can be realised via additional modules.
Ethernet with TCP/IP communication is available as
a standard interface of Mining Master. Through the
use of the VGA-display, a joystick mouse, and the
function keypad, Mining Master provides a highquality, interactive computer user interface.
The supply of the automation computer takes place
using up to three power supplies, two for the intrinsically safe area and one for the flameproof area. The
voltage levels supported are 42 VAC, 230 VAC, of
108 VDC on the primary side and 12 VDC and
5 VDC on the secondary side.
The scope of supply and performance variety of
Mining Master are not always required for small and
medium-sized automation tasks. Mincos MMC
(Mining Master Compact) covers these applications
(Fig. 1).
Rys. 1. Kompaktowy sterownik automatyki typu Mincos MMC
Fig. 1. The Mincos MMC compact automation device
35
Jest to sterownik oparty na bazie IPC o kompaktowej budowie dla celów automatyzacji o średnim
zasięgu, tak jak na przykład sterowanie kołowrotów,
przenośników taśmowych, pomp, zwrotnic lub obsługi instalacji materiałów.
W kompaktowej obudowie o wymiarach 260 mm ×
358 mm × 188 mm znajdują się wszystkie niezbędne
dla działania sterownika elementy. W górnej zamkniętej, ognioszczelnej części obudowy (przestrzeń
„d”) znajduje się zasilacz, moduł procesora, moduły
komunikacji oraz display graficzny. Obszar przyłączeniowy dla magistrali sieciowej, magistrali zewnętrznej jak również touchpad oraz klawiatura foliowa znajdują się w dolnej, iskrobezpiecznej części
obudowy (przestrzeń „i”).
Dla podłączenia czujników, elementów wykonawczych, sygnalizatorów głośnomówiących oraz elementów bezpieczeństwa przewidziano przyłącza dla dwóch
magistral zewnętrznych. Każda magistrala zewnętrzna
może być skonfigurowana jako Promos-AST lub jako
Betacontrol-BTS, dzięki czemu możliwe jest podłączenie wszystkich dostępnych urządzeń zewnętrznych
Becker Mining Systems. Interfejs magistrali dla podłączenia sygnalizatorów głośnomówiących może zostać
separowany oraz połączony z innymi systemami łączności. Rozdzielone obwody bezpieczeństwa obydwu
magistral dla określonych zadań mogą być wzajemnie
sprzężone w systemie bidi-rectional.
Interfejs użytkownika stanowi graficzny display
TFT z wyzwalaniem VGA (640×480 pikseli), touchpad jak również mocna klawiatura foliowa dla wprowadzania rodzajów pracy, funkcji oraz nawigacji
w menu. Z takim wyposażeniem sprzętowym i na
tym opartym narzędziami programowymi można
realizować łatwe w obsłudze, dla każdych zastosowań intuicyjnie zrozumiałe interfejsy użytkownika.
It is an IPC-based compact system for mediumsized automation tasks such as the control of winches, conveyor belts, pumps, sorting gates, or roadhead
plants for building materials.
Połączenie sieciowe Mincos MMC na duże odległości jest realizowane za pomocą ethernetu na
kablu światłowodowym. Dzięki takiemu standardowemu połączeniu o dużej przepływności wiele
urządzeń Mincos-MMC może być wzajemnie skomunikowanych i połączonych z innymi systemami
sterowania. Ponadto może zostać utworzone połączone komunikacyjne z systemem powierzchniowym. Również przyłączenie obcego systemu poprzez obydwa interfejsy FSK-Profibus nie stanowi
żadnego problemu.
Zintegrowany w sterowniku zasilacz oferuje na
trzech wyjściach iskrobezpieczne napięcie o poziomie 12 VDC. Jedno z nich zasila strukturę wewnętrzną Mincos MMC. Dwa pozostałe zasilają zdalnie
zewnętrzne komponenty, które są podłączone do
obydwu zewnętrznych magistral.
The networking of Mincos MMC over greater distances can be realised using an optical waveguide
Ethernet connection. Via these standardised, highperformance connections, several Mincos MMC
devices can be internetworked or connected to other
control systems, or the information connection to the
aboveground facilities can be established. External
systems can also be connected without a problem
using both FSK Profibus interfaces.
All components needed for operation have been
stored in a compact housing of 260 × 358 × 188 mm³.
The upper compartment with flameproof enclosure
(“d” compartment) contains the power supply, processor module, communication modules, and a graphic display. The lower, intrinsically safe compartment (“i” compartment) contains the entire connecting technology for the network, field bus connection,
touchpad, and membrane keyboard.
Two field bus connections are available for the
connection of sensors, actors, AF intercoms, and
safety components. Every field bus can be designed
either as a Promos-AST or as a Betacontrol-BTS,
whereby the entire palette of field equipment of Becker Mining Systems can be connected. The AF audio
interface of the field buses can be decoupled separately and connected with other intercoms. The separate safety circuits of both field buses can be coupled
bidirectionally for certain tasks.
The user interface consists of a graphic TFT display with a VGA resolution (640×480 pixels),
a touchpad mouse, and robust membrane keys for
operating mode, function, and navigation entries.
With this hardware equipment and the software tools
based on it, convenient, intuitive user interfaces can
be realised for every application.
The power supply integrated into the device provides three intrinsically safe voltages with a level of
12 VDC. One of these voltages supplies the internal
components of Mincos MMC. The other two provide
a remote supply of the external components connected to both field buses.
36
ZDOLNOŚĆ PRACY WIELOZADANIOWEJ
MULTITASKING CAPABILITY
Komputer zawiera liczne podzespoły, takie jak na
przykład procesor, pamięć operacyjną, twardy dysk
z zapisanymi danymi oraz urządzenia wejścia i wyjścia. Realizowane przez komputer zadania, takie jak
na przykład nadzór i sterowanie procesu technologicznego, wymiana informacji z użytkownikiem,
komunikacja z innymi komputerami poprzez zewnętrzne magistrale oraz sieci informatyczne lub
zarządzanie napływającymi informacjami w banku
danych są realizowane przez różne programy. Programy te muszą być wykonywane w jednym komputerze w tym samym czasie. Zadaniem programu operacyjnego jest zapewnienie różnym programom użytkowym dostępu do ograniczonych zasobów komputera, a także zarządzania tym dostępem. Jeżeli równocześnie jest wykonywanych wiele zadań (na jednym
procesorze), to system operacyjny musi organizować
przydział czasu obliczeniowego dla poszczególnych
zadań. W uproszczeniu można powiedzieć, że praca
wielozadaniowa polega na tym, by dostępny czas
pracy obliczeniowy możliwie równomiernie podzielić na poszczególne zadania.
Dla jednostkowych opisanych zadań obecnie są dostępne kompleksowe programy ze standardowymi interfejsami, których instalacja jednak jest dostępna dla
niewielu systemów operacyjnych. Dotyczy to przede
wszystkim programów do wizualizacji procesu, zarządzania bazami danych oraz komunikacji między komputerami. Dla różnych wersji Windows dostępna jest
ich duża ilość, dla różnych nielicznych pochodnych
Linux’a, ale dla wielu specjalizowanych systemów
operacyjnych są w ogóle niedostępne. Jeśli takie programy mają być zastosowane do jakiegoś systemu
automatyzacji, to taki system musi zostać wyposażony
w odpowiedni system operacyjny. Dlatego większość
systemów operacyjnych IPC stosowanych w systemach
automatyzacji różni się zasadniczo. Z tego względu dla
takiego zadania użytecznym jest tylko Windows i tylko
w bardzo ograniczonym zakresie Linux.
A computer has numerous resources such as the
processor, the memory, the data disks, and the input
and output devices. The tasks to be performed by the
computer, such as the monitoring and control of a
technical process, the exchange of information with
the user, communication with other computers via
field buses and computer networks, and the management of collected information in a database are realised using various programs. These programs must be
executed on a single computer at the same time. The
task of an operating system is to make the scarce
resources of a computer accessible to the various
application programs (the tasks) and to manage this
access. If several tasks can be active at the same time
(on a single processor), the operating system must
organise the allocation of computing time to the individual tasks. Simply said, this multitasking capability results in the available computing time being
distributed across the tasks as evenly as possible.
A few of the described tasks now have complex
programs with standardised interfaces, which are
only available for a few operating systems, however. This particularly applies to programs for process
visualisation, database management, and computer
communication. A very large number of these are
available for the various Windows versions, fewer
are available for the various Linux derivatives, and
none are available for very special operating systems. If such programs are to be used on an automation system, the system must have an appropriate
operating system. For this reason, most operating
systems such as these cannot be used for an automation IPC from the outset. Only Windows and, to a
strongly limited degree, Linux can be used to fulfil
this task.
ZDOLNOŚĆ DO PRACY
W CZASIE RZECZYWISTYM
REAL-TIME CAPABILITY
Zdolność komputera do pracy w czasie rzeczywistym jest zadaniem diametrialnie przeciwnym
w stosunku do pracy wielozadaniowej. By komputer
spełniał wymagania pracy w czasie rzeczywistym, to
na określone zdarzenie musi reagować tak, by mieści-
The real-time capability of a computer is a task that
diametrically opposes multitasking. In order for
a computer to be real-time-capable, it must be guaranteed to react to certain events within a defined period
ło się w zdefiniowanym czasie. Konkretne przedziały
czasowe mogą być zróżnicowane i dostosowane do
zadań. Współcześnie w większości zastosowań
mieszczą się one w przedziale od kilku milisekund do
jednej sekundy. Nie wystarczy, kiedy wymaganie
dotyczące czasu reakcji w czasie rzeczywistym jest
spełnione w środku tego okresu lub w większości
wypadków (to znaczy czasem w ogóle), ale komputer
musi gwarantować, by wymagania te były zawsze
spełnione, bez względu kiedy to krytyczne zdarzenie
nastąpi oraz jakie zadanie aktualnie realizuje komputer. Dlatego realizowanemu zadaniu w czasie rzeczywistym system operacyjny musi w pierwszej kolejności przydzielić czas obliczeniowy. W ekstremalnych przypadkach inne zadania muszą chwilowo
zostać odłożone.
To jednoznaczne i rygorystyczne wymaganie
oznacza, że zdolność do pracy w czasie rzeczywistym została zdominowana przez te systemy operacyjne, które zostały specjalnie do tego zadania opracowane. Systemy operacyjne spełniające to wymaganie są liczne i dostępne na rynku od wielu lat.
Daleko posunięta monopolizacja jaka występuje
w obszarze systemów operacyjnych wielozadaniowych nie zdarza się w przypadkach związanych
z czasem rzeczywistym; w związku z tym w tym
obszarze istnieje obok siebie wiele różnorodnych
systemów. Niestety jest to również przyczyną, że
w zakresie programów użytkowych prawie nie występuje standaryzacja.
Sprzeczność między wielozadaniowością i zdolnością do pracy w czasie rzeczywistym stanowi
krytyczny punkt przy wyborze systemu operacyjnego. Wielozadaniowy system operacyjny takim
jakim jest Windows ma zaletę standardu o światowym zasięgu z ogromnym wyborem odpowiednich
programów pod nim pracujących, jednak nie jest
on ani dostosowany do pracy w czasie rzeczywistym ani odporny na awarie. W przeciwieństwie do
tego dedykowane do pracy w czasie rzeczywistym
systemy operacyjne gwarantują wprawdzie najkrótsze czasy reakcji, ale nie są standaryzowane.
Ten konflikt może być zmniejszony, a nawet rozwiązany poprzez odpowiednie kombinacje. Z reguły zostaje to osiągnięte przez komponenty przystosowane do pracy w czasie rzeczywistym, dodane
do wielozadaniowych systemów operacyjnych.
Taki dodatek może być realizowany albo przez
software jako tak zwany Realtime-Kernel (Kernel
– jądro, rezydentna część systemu operacyjnego)
albo sprzętowo (Hardware) za pomocą modułu
realizującego przerwania.
37
of time. The concrete periods of time may vary according to the task. Today, this period lies in a range
from a few milliseconds to a second for most applications. It does not suffice for the real-time reaction to
meet the time requirement on average or usually
(i.e. not always), but rather the computer must guarantee that the requirement is always fulfilled no matter when the critical event or anything else on the
computer occurs. The operating system must thus
assign the computing time to the task processing the
real-time reaction with highest priority. In extreme
cases, other tasks must even be temporarily shut
down.
The clear and hard requirement that real-time capability places on a computer has been mastered by
operating systems that were designed especially and
exclusively for this task. Many such real-time operating systems have been on the market for many years.
Real-time systems never underwent the extensive
monopolisation that multitasking operating systems
did, which means that many different systems exist
simultaneously. The result, unfortunately, is that
there are hardly any standards for application programs.
The contradiction between multitasking and realtime capability is one of the critical points in the
selection of an operating system. Multitasking operating systems like Windows have the advantage of
a worldwide standardisation with a giant selection of
programs that run on them, but they are neither realtime-capable nor crash-proof. Dedicated real-time
systems, on the other hand, guarantee very short reaction times, but are not standardised. The conflict can
be reduced or even solved through suitable combinations. Usually, this is achieved through a real-timecapable addition component for the multitasking
operating system. This add-on can be realised either
by software as a so-called real-time kernel (RT kernel) or by hardware using an interrupt-capable module.
Kryteria jakości /
Quality criteria
Zdolność do wizualizacji procesu /
Availability of process visualisation
Zdolność komunikacji między komputerowej /
Availability of computer communication
Dostępność do bazy danych /
Availability of databases
Dostępność do systemów programowych SPS /
Availability of SPS program systems
Niskie koszty dodatkowe i licencji /
Low licence/additional costs
Duży stopień rozszerzalności /
High degree of distribution
Procesory wspomagające /
Assisted processors
Zdolność pracy wielojęzykowej /
Multi-language capability
Zdolność stosowania dostępnych narzędzi serwisowych /
Usability of existing service tools
OPC/COM/DCOM / OPC/COM/DCOM
Niski nakład na rozwój / Low development expenditure
Wynik /
Result
Linux z hardware RT
Linux with RT- Hardware
Windows z hardware RT
Windows with RT-Hardware
Linux z Kernelem RT
Linux with RT-Kernel
Windows z Kernelem RT
Windows with RT-Kernel
Specjalny RT-OS
spec. RT-OS
Windows
Windows
Ważność w % / Gewichtungen
Weighting in %
Warunki brzegowe /
Boundary conditions
Zdolność do pracy w czasie rzeczywistym /
Real time capability
Język SPS w/g normy IEC61131 /
SPS language according to IEC 61131
Linux
Linux
38
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
15
0
100
20
100
20
10
30
100
75
100
75
5
10
100
50
100
50
20
5
80
30
20
5
15
10
60
100
0
0
5
10
90
25
20
10
5
30
70
20
70
20
5
10
90
50
90
50
5
0
80
20
80
20
5
10
0
0
100
60
0
25
100
60
0
25
100
9
83
42
58
22
Rys. 2. Matryca decyzyjna dla wyboru platformy systemu operacyjnego
Fig. 2. Decision matrix for the selection of the operating system platform
Dla wyboru względnie ustalenia platformy systemu operacyjnego Becker Mining Systems AG
sporządził matrycę decyzyjną (Rys. 2). Matryca ta
w wierszach zawiera warunki brzegowe oraz kryteria jakości, a w kolumnach różne dostępne warianty programów operacyjnych. Jako warunki brzegowe zostały określone kryteria, których zachowanie jest niezbędne, gdy kryteria jakości mogą być
spełnione w większym lub mniejszym stopniu
i odpowiednio do swojego znaczenia mogą mieć
wpływ na rozstrzygający wybór. Jeśli jakiś wariant
nie wypełnia warunków brzegowych, to jego wybór jest wykluczony. Spełnienie kryteriów przez
poszczególne warianty zostało przedstawione
w skali od 1 do 100. Ostatnia linia przedstawia
sumę ważonych ocen.
For the selection or determination of the operating system platform, Becker Mining Systems AG
created a decision matrix (Fig. 2). In the individual
lines, this matrix contains boundary conditions and
quality criteria, and the various available variants
in the individual columns. Boundary conditions are
criteria that absolutely must be observed, whilst
quality criteria more or less can be fulfilled and
included in the decision proportional to their weighting. If a variant does not meet a boundary condition, it is not included. The fulfilment of the
criteria by the individual variants is valued on
a scale from 0 to 100. The bottom line shows the
sum of the weighted valuations as the total result.
39
Również kiedy w stosunku do jednostkowych ocen
mogą występować zupełnie różne osądy, to wynik
całkowity jest zaskakująco jednoznaczny. Jeśli dokonano podstawowego rozstrzygnięcia na rzecz dla
systemu Windows z Kernel’em-RT (Real Time), to
można dokonać następnego kroku w wyborze detali.
Jako wynik tej procedury wyboru Becker Mining
Systems zdecydował na wdrożenie systemu Windows
XP. Jako Kernel-RT wybrano działający niezależnie
od systemu operacyjnego, działający w czasie rzeczywistym system ProConOS. Krytyczne realizowanie zadań w czasie rzeczywistym, a szczególnie program sterowania, otrzymują przydział czasu procesora o najwyższym priorytecie. Pozostały czas pracy
procesora jest przeznaczony do obsługi Windows’a,
czyli dla zadań o niższym priorytecie.
Czas, który jest przeznaczony dla zadań użytkowych (który zostaje odjęty od czasu rzeczywistego),
jest ponadto możliwy do ustawienia. Dzięki temu
w razie wątpliwości całkowity czas obliczeniowy
może być przydzielony do dyspozycji programowi
sterowania. Kernel-RT systemu ProConOS posiada
jeszcze jedną dodatkową zaletę. Ponieważ ma niezależy od systemu Windows dostęp do wyposażenia
sprzętowego jest niezależny od systemu operacyjnego. Nawet w przypadku awarii („Blue Screen”) program sterowania oraz Kernel-RT jest w dalszym
ciągu realizowany. Tylko inne (nie krytyczne ze
względu na czas realizacji) zadania użytkowe (na
przykład wizualizacja), dla których Windows jest
niezbędny nie są realizowane, do czasu aż system
operacyjny nie dokona restartu.
Even if opinions vary regarding the individual
valuations or distribution of the weighting, the
total result is surprisingly clear. After the basic
decision was made for a Windows system with
a real-time kernel, the details were decided upon in
the next step.
As a result of the selection process, Becker Mining
Systems decided on the Windows XP Embedded
operating system. ProConOS, a real-time system that
works independently of the operating system, was
selected as the RT kernel: Real-time-critical tasks,
especially the control system program, are assigned
processor time with priority. The remaining processor
time is assigned to Windows and thus the lowpriority tasks.
PROGRAMOWANIE WEDŁUG
MIĘDZYNARODOWEGO STANDARDU
PROGRAMMING ACCORDING
TO INTERNATIONAL STANDARD
Sterowania według wpisanego do pamięci programu
(sterowniki PLC) powstały w latach 70. XX w.
W przeciwieństwie do świata PC, gdzie standardy wykształciły się nie tylko w zakresie hardware, lecz także
po stronie software, świat PLC jest bardzo heterogeniczny, a rozwiązania są specyficzne dla wielu firm.
Ta znacząca dla użytkownika niedogodność została
usunięta przez wprowadzenie międzynarodowej normy IEC 61131. Po raz pierwszy została ona opublikowana i składa się z pięciu części. Szczegóły programowania zostały zdefiniowane w części trzeciej.
Norma definiuje pięć języków programowania:
 programowanie tekstowe jako Instruction List (IL)
lub strukturalny tekst (ST),
 programowanie graficzne w Ladder Diagramm (LD)
lub Function Block Diagramm (FBD), takie jak:
The performance and practical application of the Mining Master, in use for many years, has been proven in
numerous complex tasks. The younger Mincos MMC,
designed for small to medium-sized tasks, has successfully passed several tests, field trials, and initial uses
and has now entered the serial use phase.
This problem, seen by many users as a serious
shortcoming, was eliminated by international standard IEC 61131. It was first published in 1993 and
consists of five parts. The details of the programming
are defined in Part 3. The standard defines following
program languages:
 textual program as instruction list (IL) or structured
text (ST),
 graphic program in ladder diagram (LD) or function block diagram (FBD), and:
The time allocated to the application tasks (deducted from the real time) can also be set. In case of doubt, the entire computing time can be provided to the
control system program. The real-time kernel of ProConOS has a further advantage. Since it accesses the
hardware independently of Windows, it is independent of the operating system. Even in case of
a Windows crash (“blue screen”), the control system
and the real-time kernel continue to run. Only the
other (non-time-critical) applications tasks (such as
the visualisation) that access Windows do not run
until the operating system is rebooted.
40
Rys. 3. Sterowanie przenośnika taśmowego z dodatkowym napędem ciernym typu TT
Fig. 3. Control of a conveyor belt system with supporting belt/driving belt drive
sequential programming as sequential function
chart (SFC).
The most important advantages of standardised
programming from the user’s viewpoint are object
orientation and independence from the manufacturer.
Object-oriented programming makes the creation of
complex programs in a modular, reusable form possible. Due to independence from the manufacturer,
learning to use various program languages and systems can be avoided. Knowledge once gained can be
used for program modules created in the same way
on other systems.

programowanie sekwencyjne jako Sequential Function Chart (SFC).
Najważniejszą z punktu widzenia użytkownika zaletą znormalizowania programowania jest orientacja
obiektowa taka jak niezależność od wytwórcy. Programowanie zorientowane obiektowo umożliwia
tworzenie kompleksowych programów w formie
modularnej oraz możliwej do ponownego stosowania. Przez niezależność od wytwórcy programu można uniknąć wdrożenia w różnych językach programowania i systemach. Raz zdobyta wiedza dokładnie
tak jak wytworzone moduły programowe może być
przeniesiona na inne systemy.

PRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ
USAGE EXAMPLES
Sprawność działania i przydatność w praktyce od
wielu lat będących w użytku sterowników Mining
Master została potwierdzona w licznych kompleksowych zadaniach. Również w zakresie nowszych oraz
dla mniejszych i średnich zadań przedstawiony Mincos MMC zdał w pełni liczne testy, badania ruchowe
oraz pierwsze zastosowania i przeszedł do fazy seryjnego stosowania.
Typowym przykładem zastosowania sterownika
Mincos MMC jest sterowanie przenośnikami taśmowymi. Obszary zastosowań są rozmaite, np.: przenośniki taśmowe o dużej długości i obciążeniu z napędem ciernym górnej taśmy (określenia: angielskie –
supporting belt/driving belt; niemieckie-TT Antrieb)
jak również sterowanie napędu czołowego oraz tylnego. Dla połączenia urządzeń zewnętrznych sterownik
posiada dwie magistrale zewnętrzne. W przedstawionym zastosowaniu (Rys. 3) występują magistrale
zewnętrzne typu Promos-AST, tak że mogą do nich
zostać podłączone wszystkie urządzenia zewnętrzne
The performance and practical application of the
Mining Master, in use for many years, has been
proven in numerous complex tasks. The younger
Mincos MMC, designed for small to medium-sized
tasks, has successfully passed several tests, field
trials, and initial uses and has now entered the serial
use phase.
A typical application example of Mincos MMC is
the control of conveyor belts. The areas of application vary; conveyor belts with supporting belt/driving
belt, head-wheel, and rear drives are used. For the
connection of the field devices, the control system
has two field buses. In the example shown (Fig. 3),
the field buses are of the type Promos-AST, which
means that all field devices of the type Promos-PLUS
can be connected. The first field bus couples the fourfold adapter, intercoms, and emergency stop switches, the discharge devices, and the lower conveyor
belt. In addition, a repair control stand is connected.
41
typu Promos PLUS. Pierwsza magistrala łączy poczwórny adapter, system łączności głośnomówiącej
oraz wyłącznik bezpieczeństwa, ponadto urządzenia
na przesypie oraz kontroli taśmy dolnej. Ponadto jest
również podłączony układ sterowania rewizyjnoremontowego. Do drugiej magistrali jest podłączone
– oprócz urządzeń kontrolnych górnej taśmy – złącze
do sterowania ruchu taśmy przenośnika. Sterowanie
łączników zasilania napędu czołowego oraz tylnego
jest realizowane poprzez Profibus.
W układzie sterowania dla przenośników taśmowych zintegrowane są również dalsze kompleksowe
elementy sterowania. Jednocześnie sterownik Mincos
MMC zawiera układ automatyki dla systemu napinania i hamowania taśmy. Przy tym peryferie magistrali
zewnętrznej są standaryzowane do sprawdzonego
systemu Promos AST. Kompleksowe instalacje automatyzacji mogą być bezproblemowo podłączone za
pośrednictwem systemu Profibus.
Szczególnym wyzwaniem jest sprzężenie silników
zasilanych przetwornikami częstotliwości z zewnętrznymi przetwornikami częstotliwości służącymi
do regulacji prędkości przenośników taśmowych oraz
obsługa układu hamowania. Również w tym wypadku wszystkie zadania w zakresie sterowania i regulacji poprzez zastosowanie sterownika Minco-MMC
mogą być bezproblemowo rozwiązane.
In addition to the field devices of the upper conveyor
belt, the couplers for the conveyor belt operation are
also integrated into the second field bus. The switchgear for the head-wheel and rear drive are controlled
via Profibus.
Further complex control elements have been integrated into the conveyor belt control system for Mincos MMC. In the process, a conveyor belt tensioning
unit and a close-loop controlled brake system are
automated by the Mincos MMC control system. In
the process, the field bus periphery is standardised as
the proven Promos AST system. The complex automation devices are coupled without a problem via
Profibus.
A special challenge is the integration of converter
motors and external frequency converters for speedcontrolled conveyor belt speed and brake operation.
In this case, as well, all open-loop and closed-loop
control tasks can be fulfilled without a problem
through the use of the Mincos MMC control unit.
СТАНДАРТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ
ДЛЯ ЦЕЛИ АВТОМАТИЗАЦИИ ПОДЗЕМНОЙ ДОБЫЧИ
Для компьютерных систем автоматизации сложных и пространственно-распределенной систем представлены противоречивые требования к вычислительной скорости, удобства, масштабируемости и экономичности использования. Инновационные
системы – такие как Mining Master и MMC Mincos удовлетворяют этим требованиям путем применения модулей CPU с
высокой
эффективностью,
стандартизированных
операционных
систем
в
режиме
реального
времени
и независимых языков программирования. В то же время, даже в сложных условиях горной промышленности, имеющиеся
на объектах графические станции позволяют пользователю работать в интуитивно понятный способ, с постоянной связью,
а также возможностью в режиме реального времени реагировать на события, связанные с горнодобывающей деятельности.

book - pl - Instytut Technik Innowacyjnych EMAG

Transkrypt

Podobne dokumenty

Double-sided flashcards

gazetka festiwalowa

Wykład 4