Развитие многофункциональных систем безопасности для угольных шахт. Новые требования ГОСТ

Совершенствование нормативно-правовой базы по обеспечению требований к порядку производства работ в угольных шахтах является одним из направлений повышения безопасности труда шахтёров. Не случайно в действующих ФНП «Правилах безопасности в угольных шахтах» (Правила) [1] сформулировано требование по наличию на каждой угольной шахте действующей многофункциональной системы безопасности (МФСБ). Состав системы, то есть комплектность МФСБ для каждой шахты, определяется в процессе её построения, на этапе предпроектной проработки с учётом оценки конкретных видов опасностей, свойственных данной шахте. При безусловной значимости пункта 22 Правил, отсутствие конкретных требований к функциональности и параметрам систем МФСБ ведёт к импровизации при решении формулируемых Правилами задач. По сути, исключением являются только системы аэрогазового контроля, порядок построения и функционирования которых устанавливается «Положением об аэрогазовом контроле в угольных шахтах» (Положение) [2].

Во многом по этой причине в последнем десятилетии на шахтах почти повсеместно ограничивались применением только систем аэрогазового контроля (АГК), а также упрощённых систем определения местоположения персонала и аварийного оповещения, характеризующихся минимальной результативностью — как в штатных условиях работы, так и в аварийных. Но, по истечении полутора-двух лет с момента вступления Правил в силу стал очевиден тот факт, что развитие МФСБ возможно только после конкретизации требований к параметрам и функциям составляющих систем. В этой связи вполне своевременным шагом явилось подписание приказа № 450 от 30.10.2016 Ростехнадзора [3], согласно которого, в частности, параметры МФСБ угольных шахт должны соответствовать разделу 6 ГОСТ Р 55154-2012 «Оборудование горно-шахтное. Системы безопасности угольных шахт многофункциональные. Общие технические требования» (ГОСТ) [4]. Необходимо определить, насколько системы безопасности, имеющие обращение на рынке РФ и претендующие на функционирование в виде МФСБ, отвечают требованиям ГОСТ Р 55154-2012.

Направления развития МФСБ

Рисунок 1. Области действия стандартов современной беспроводной связи [7]
Рисунок 1. Области действия стандартов современной беспроводной связи [7]

Принципы построения и развития МФСБ неоднократно обсуждались в рамках экспертного сообщества [6] [9]. По итогам рассмотрения вопроса можно сделать следующие выводы, вытекающие из требований ГОСТ:

— вместо систем контроля доступа на основе индивидуальных меток и стационарных считывателей, определяющих местоположение работников с точностью до участка горных выработок, в составе МФСБ должны быть применены системы определения местоположения персонала в режиме реального времени с представлением координат разрешением не хуже ± 20 м;

— доставка аварийного оповещения до адресата (отдельному человеку, группе, всем находящимся в шахте) должна быть гарантированной;

— в дополнение к требованиям Правил о передаче данных измерений со стационарных метанометров введено требование передачи данных измерений с индивидуальных (переносных) газоанализаторов в систему АГК шахты и в подразделения Ростехнадзора.

Очевидно, что дальнейшее развитие МФСБ угольных шахт должно осуществляться с безусловным учётом всех требований и сделанных выводов. Следует заметить, что аналогичные усилия были предприняты в 2006 году, в относительно безопасной угольной отрасли США. Тогда по итогам расследования ряда аварий Управление по безопасности и охране труда при добыче полезных ископаемых (MSHA) ввело в действие т. н. Miner Act, в соответствии с которым все шахты должны были иметь систему определения местоположения персонала и систему контроля газов, что способствовало радикальному снижению аварийных ситуаций.

Анализ систем связи, оповещения и определения местоположения персонала

Настоящее время на рынке РФ среди производителей и поставщиков систем безопасности, обеспечивающих связь, оповещение и определение местоположение персонала в горных выработках, наиболее известны следующие компании: ООО «Информационные горные технологии» (Россия), Mine Radio Systems Inc. (Канада), Davis Derby Ltd (Великобритания), ООО «Информационная индустрия» (Россия), НВЦ «Радиус» (Россия), НПФ «Гранч» (Россия) и некоторые другие.

Для всех рассматриваемых систем важнейшими параметрами являются скорость передачи данных и связанная с ней частота обновления данных, надёжность работы системы в целом и надежность её составляющих. Как правило, все производители систем безопасности в своих решениях применяют проводные и беспроводные каналы связи, обеспечивающие информационный и функциональный баланс.

Большинство производителей для основных проводных магистралей использует высокопроизводительные проводные системы на базе медного кабеля или оптического волокна. Так, системы фирм MRS (Flexcom) [11], DavisDerby (MineWatch, WiPan) [12], «Ингортех» (МИКОН) [13] для построения основной инфраструктуры передачи данных использует оптические и медные линии связи с производительностью 100BASE-FX, TX, что соответствует скорости 100 Мбит/с. В системах НПФ «Гранч» (SBGPS) [8] и Cisco (ConnectedMining) [14], для построения высокопроизводительных магистралей передачи данных также используют медные и оптические кабели, которые обеспечивают производительность в пределах 100-600 Мбит/с.

Различия между ними кроются в количестве узлов связи и способе обеспечения питания этих узлов. Известно, что у медной «витой пары» (Ethernet 100BASE-TX) есть ограничение по длине провода, соединяющего узлы связи. Поэтому через каждые 100 м необходимо устанавливать следующий узел связи или усилитель сигнала, который также требует проводного питания.

Производители оборудования стараются обойти это ограничение. Так, например, в группе «Ингортех» используют DSL-модемы, а НПФ «Гранч» задействовали SBNI-модемы собственной разработки. Это позволяет увеличить проводные участки до 300-400 метров без существенного снижения производительности магистрали. Для участков оптических сетей стандарта Ethernet 100BASE-FX (100 Мбит/с) и Ethernet 1000BASE-FX (1 Гбит/с) по типичным «шахтным» топологиям ограничений практически нет. Единственным ограничением при построении основных проводных магистралей системы являются линии проводного питания узлов связи, поскольку во взрывоопасной среде существует ограничение на передаваемую электрическую мощность, а также ёмкость батарей для автономных источников питания.

Технологии беспроводной связи

Подземная инфраструктура SBGPS
Подземная инфраструктура SBGPS

Если для связи по проводам компании используют схожие технологии, то в беспроводном сегменте связи все обстоит иначе. Производительность беспроводного узла связи зависит от используемого протокола обмена данными, от конкретной технической реализации (питание, антенны, стабильность ориентации в выработке) и топологии беспроводной сети (расположение узлов связи, количество узлов в подсети). На рисунке 1 приведены области действия стандартов современной радиосвязи в координатах скорость (Мбит/с) — дальность действия узла связи (м). Здесь же для сравнения серым цветом указаны области действия проводных сегментов.

Из теории цифровых сигналов известно, что чем выше частота, на которой осуществляется беспроводная связь, тем больше скорость передачи данных [10]. Из теории компьютерных сетей также известно, что для эффективной доставки данных из любой точки сети, необходимо чтобы все сегменты сети имели близкую производительность [16].

На этих принципах построено развитие беспроводных технологий в решениях английской компании Davis Derby. Стандартные решения этой компании обычно собирают на основе проводных магистралей связи, однако в последних материалах представлены конфигурации оборудования с использованием беспроводных узлов связи WiPAN, сети на основе технологии ZigBEE (IEEE 802.15.4, 250 Кбит/с) [12].

Система Flexcom компании Mine Radio Systems использует «кольцевую» магистраль передачи данных на основе волоконно-оптической технологии с расширением покрытия беспроводным сегментом на основе технологий (IEEE 802.15.4, 250 Кбит/с) [11].

Не отстают и разработчики отечественных систем. Так, например, известный производитель отечественных АСУ ТП компания «Ингортех» в своём беспроводном сегменте также использует радиомаршрутизаторы на основе технологии NanoLOC (модификация IEEE 802.15.4, 1 Мбит/с) [6]. Похожее решение использовано в системе позиционирования и голосовой связи RealTrac «Шахта» компании «РТЛ-сервис» [19], но используется технология UWB. Наиболее эффективно построен сегмент беспроводной сети в решениях компании Cisco (ConnectedMining) и НПФ «Гранч» (SBGPS). Производительность беспроводного сегмента соответствует технологии Wi-Fi (IEEE 802.11 b/g/n, 50-200 Мбит/с), что сравнимо со скоростями проводного сегмента сети. При этом излучаемая мощность узлов связи находится в пределах 20 дБм, нормировано [15]. Излучение беспроводных сигналов проводится направленными антеннами.

При анализе особенностей построения беспроводных сетей под землёй необходимо учитывать не только количественные, но и качественные характеристики предлагаемых решений. Так, например, уже упоминалась «проблема скрытого узла»: влияние соседних узлов связи на общую производительность всего сегмента сети, характерную для цепочек беспроводных ретрансляторов. По оценкам, снижение производительности сети может падать в 10 раз. По этой причине решения с большим количеством беспроводных узлов в сегменте [17] [19] вынуждены ограничивать максимальную длину сегмента до 10…15 узлов. Компания Strata в подобном Ex-решении CommTrac [20] пытается решить проблему конкуренции за беспроводную среду передачи применением алгоритма TDMA. Однако mesh (ячеистая)-сеть CommTrac построена на полностью автономных узлах связи и поэтому вынуждена экономить энергию. Это накладывает существенные ограничения на время активного излучения беспроводных антенн, и уже по этой причине, ведёт к ограничению производительности беспроводного сегмента. Все указанные идеологические и конструктивные причины, в конечном счёте, ограничивают общую производительность сети до 250 Кбит/с у CommTrac и до 600 Кбит/c у RealTrac.

Снижение производительности сети, заставляет разработчиков компаний увеличивать время между локациями (определение координат абонентского устройства) и крайне жёстко использовать оставшийся свободный ресурс. Но увеличение времени между локациями или понижение частоты локаций ведёт к понижению точности позиционирования и нарушению непрерывности мониторинга. Так, если частота локаций составляет 1 раз в 30 сек, то точность определения местоположения будет в пределах 50-60 м, поскольку за 30 сек при средней скорости движения в шахте в 1 м/с (3,6 км/ч) человек успеет пройти минимум 30 м плюс точность определения координат во время самой локации составит ± 20 м.

Сравнительный анализ технологий на соответствие требованиям ГОСТ

Определение местоположения персонала или позиционирование — важная функция беспроводного сегмента связи.

Требования, содержащиеся в разделе 6 [4] и показанные выше, фактически определяют количество узлов беспроводной связи и их топологию (физическое размещение в выработках шахты). Дело в том, что определение местоположения при помощи измерения параметров электромагнитного поля с приемлемой точностью на плоской поверхности проводится при помощи минимум трёх якорных точек, излучающих эти ЭМ-волны [10] [18]. Индивидуальное устройство, закреплённое на человеке, определяет параметры излучения и передаёт их в систему. Так проводится определение относительных координат. Поскольку известны абсолютные координаты якорных точек (узлы беспроводной связи), то нетрудно получить абсолютные координаты устройства. Определение координат называется локацией и, согласно [4], частота локаций должна быть не менее 1 раза в 5 с. За это время, при скорости движения 1 м/с горняк пройдет 5 м.

В условиях шахты достаточно двух якорных точек, поскольку шахта — это система тоннелей. Количество меток в системе, протяжённость шахты и эффективный радиус обеспечения радиопокрытия (наличие ЭМ-поля достаточной для работы напряжённости) от одного узла связи формируют общий информационный поток, обеспечивающий позиционирование. Для сравнения, в системах Flexcom MRS [11] и WiPAN Devis Derby [12] указан радиус эффективного считывания меток своими устройствами в пределах 30-50 м. Это означает, что на 200 м выработки для обеспечения непрерывного радиопокрытия необходимо установить около 8 таких считывателей. При этом по описанию устройства определяют только наличие метки и не выдают относительное расстояние до метки, а это исключает возможность непрерывного определения направления движения и скорости. Гораздо лучше выполнено решение по позиционированию в СМС «ИСЕТЬ» («Ингортех»), RealTrac («РТЛ-сервис»), SBGPS (НПФ «Гранч»), ConnectedMining (Cisco). Между собой эти решения отличаются по частоте локаций, количеству одновременно определяемых меток, эффективному количеству якорных узлов.

Мобильная связь и аварийное оповещение относятся к обязательным подсистемам МФСБ (п.6.3.10 ГОСТ). При этом уже недостаточно равномерного мигания ламп головного светильника («Радиус», СУБР, «Талнах»). Согласно п.6.3.10.2 ГОСТ, необходим «контроль доставки» и «контроль осознания», а это возможно реализовать на основе цифровой технологии. Двусторонняя мобильная связь также эффективно реализуется на основе цифровой технологии IP-телефонии. Эти функции невозможно реализовать в аналоговых системах аварийного предупреждения и связи.

Мобильные сенсорные сети мониторинга различных параметров окружающей среды в реальном времени — обязательная нагрузка на сети передачи данных. ГОСТ определяет состав дополнительной функциональности МФСБ. Это касается подсистемы аэрогазового контроля, требуется фиксирование данных не только стационарных, но и индивидуальных газоанализаторов в базе данных горного диспетчера (п.6.3.3.3 ГОСТ). В отличие от стационарных, закреплённых за определённым местом, у индивидуальных газоанализаторов нет постоянных координат и, с технической точки зрения, логично фиксировать замеры газовой обстановки с указанием текущих координат прибора [5]. То есть, использование таких приборов рационально только в системах непрерывного определения координат, а не в системах со считывателями (системах контроля доступа). Кстати, требование рациональности, целостности и перспективности также указано в ГОСТ (п.6.1).

В гл.6 ГОСТ определена функциональность подсистем контроля газодинамических явлений, определения признаков эндогенных и экзогенных параметров, аэрогазового контроля, пыли и пр. Все вместе они формируют дополнительный информационный поток для передачи данных на поверхность. Поэтому при построении МФСБ предприятия следует использовать единую систему передачи данных.

Живучесть беспроводной инфраструктуры связи — один из ключевых параметров современной МФСб. В случае аварии, когда нарушаются каналы проводной связи и линии питания, именно автономные узлы беспроводной связи обеспечивают оперативную работу спасателей. Это важно и при штатной работе, при исчезновении общего питания. для эффективной работы узла связи нужен автономный источник питания, способный обеспечить его работу в течение 36 часов. Важны также и механические характеристики: узел должен выдерживать удары ВшТ, случайных выбросов породы, воздействие взрывной волны. Решения для беспроводных узлов связи в пластиковых корпусах от RealTrac, StrataConnect, DD WiPAN и Flexcom ставят под сомнение адекватность этому требованию.

Из вышесказанного можно определить, что:

— предприятиям добывающей отрасли необходимо ориентироваться на возможность поэтапного развития МФСБ на базе единой инфраструктуры связи;

— в результате проведённого анализа способов реализации технических требований к МФСБ на базе систем различных производителей обнаружен существенный ряд недостатков систем зарубежного производства, выявлены проблемы в обеспечении соответствия действующей нормативной документации отечественных МФСБ;

— по результатам анализа, для выполнения требований к современным МФСБ можно порекомендовать систему Connected Mining Cisco или SBGPS «Гранч» (разумное сочетание проводной и беспроводной сегментации, широкий функционал, перспективность увеличения нагрузки, живучесть и стойкость к авариям, сканирующий аэрогазовый контроль, непрерывность определения местоположения в штатном и аварийном режиме).

Список литературы

1. Правила безопасности в угольных шахтах/ Федер. нормы и правила в обл. пром. безопасности/ Серия 05. Выпуск 40. — М.: ЗАО «Научно-технический центр исследований проблем пром. безопасности», 2014. — 200 с.

2. Положение об аэрогазовом контроле в угольных шахтах //утв. Приказом Ростехнадзора № 678 от 1 декабря 2011 г. (Зарегистрировано в Минюсте России 29.12.2011 N 22812).

3. Приказ Ростехнадзора от 31.10.2016 N 450 «О внесении изменений в некоторые приказы Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору, устанавливающие требования в области промышленной безопасности при добыче угля подземным способом» (Зарегистрировано в Минюсте России 29.11.2016 N 44482)

4. ГОСТ Р 55154-2012 «Оборудование горно-шахтное. Системы безопасности угольных шахт многофункциональные. Общие технические требования»//Введ. 22.11.2012. – М.: Стандартинформ, 2013 г.

5. Протокол совещания секции № 5 Научно-технического совета Ростехнадзора подсекция «Угольная промышленность»/ Раздел «Перспективы и возможности МФСБ в части соответствия нормативным документам»//, № 14 от 21.11.2016, Москва.

6. Бабенко А. Г., Лапин С. Э., Вильгельм А. В., Оржеховский С. М. Принципы построения многофункциональных систем безопасности угольных шахт, опыт и перспективы их использования в Кузбассе, Безопасность труда в промышленности, 2011, №1, с.16.

7. Ваганов В. С., Урусов Л. В. Анализ способов организации сетей передачи данных для построения современных МФСБ в угольных шахтах, Вестник Научного Центра по безопасности работ в угольной промышленности, 2016, №3, с.72

8. Грачев А. Ю., Новиков А. В., Паневников К. В., Терехов Д. Б. МФСБ в угольной шахте – позиционирование и оповещение персонала, 2016, с.121.

9. Ваганов В. С. Многофункциональные системы безопасности, применяемые при производстве горных работ, «Горная Промышленность», 2014, №3 (115), с.25.

10. Centers for Disease Control and Prevention, NIOSH, Mining, Advanced Tutorial on Wireless Communication and Electronic Tracking: Electronic Tracking Systems Performance, 3.0 Electronic Tracking Systems Performance. [Электронный ресурс https://www.cdc.gov/niosh/mining/content/emergencymanagementandresponse /commtracking/advcommtrackingtutorial2.html] 2013 г.

11. PBE&MRS, Решения для горнодобывающей промышленности. [Электронный ресурс: http://www.mineradio.ru/under_doc.php?lng=ru], 2016 г.

12. WiPAN краткое описание системы. Davis Derby. [Электронный ресурс www.davisderby.com]. 2016 г.

13. Система газоаналитическая шахтная многофункциональная «Микон III», ИГТ.071000.100.00 РЭ, Руководство по эксплуатации, (ООО «Информационные горные технологии»), 2010 г.

14. Cisco Connected Mining, [Электронный ресурс https://www.cisco.com/c/dam/en_us/solutions/industries/automotive/docs/connected_mining_at-a-glance. pdf], 2016 г.

15. Приказ Министерства связи и массовых коммуникаций РФ от 14 сентября 2010 г. № 124 «Об утверждении Правил применения оборудования радиодоступа. Часть I. Правила применения оборудования радиодоступа для беспроводной передачи данных в диапазоне от 30 МГц до 66 ГГц» (зарегистрировано в Минюсте РФ 12.10.2010 № 18695).

16. Гайкович Г. Ф. Стандартизация в области промышленных сетей. Развитие беспроводных стандартов для АСУ ТП, Электронные компоненты, 2009, №1, с. 48.

17. СИСТЕМА МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СВЯЗИ «ИСЕТЬ» (СМС «ИСЕТЬ»). Руководство по эксплуатации. ИМ.091000.001.00 РЭ ООО «ИНТЕЛМАЙН». Екатеринбург. 2014 г.

18. Подготовка инфраструктуры шахты для внедрения системы локального позиционирования и голосовой связи RealTrac. Блог компании «РТЛ-сервис». [Электронный ресурс URL: https://habrahabr.ru/company/rtl-service/blog/301224/ ], 2016 г.

19. RealTrac «Шахта», [Электронный ресурс компании «RTLS-сервис» http://rtlservice.com/solutions/mining/], 2016 г.

20. StrataConnect, [Электронный ресурс компании «StrataWorldWide» http://www.strataworldwide.com/wireless-technologies/strataconnect], 2016 г.

.

Текст: Ваганов В.С. к.ф.-м.н., эксперт НП «Новосибирский кластер «Безопасность и оборудование ресурсодобывающих технологий».

Отраслевые решения

Подпишитесь
на ежемесячный дайджест актуальных тем
для специалистов отрасли.

Исключительно отраслевая тематика. Никакого спама 100%.