Automatizační prostředky v hlubinných uhelných dolech

Automatizační prostředky v hlubinných uhelných dolech

Článek v úvodu seznamuje s požadavky na automatizační zařízení v hlubinných plynujících dolech. V další části podrobně specifikuje možnosti automatického řízení v dole podle jednotlivých technologií a uvádí obvykle snímané veličiny. Stručně uvádí požadavky na technické prostředky pro řízení a na obrázcích příklad řídicího systému. V závěru naznačuje některé směry inovace technických prostředků pro automatizaci.

1. Podmínky pro automatizaci v dole

Důlní prostředí klade velké nároky na všechny objekty i subjekty umístěné v dole, prostředky automatizace nevyjímaje. Vlivy prostředí na elektrické části zařízení jsou definovány v mnoha standardech. Zásadní vliv na požadavky na konstrukci elektrických zařízení má zařazení hlubinného dolu a zařazení jednotlivých prostor v podzemí. Jde-li o plynující uhelný důl s výrony metanu, je nezbytné ve všech prostorách, které nejsou zařazeny do prostor bez nebezpečí výbuchu hořlavých plynů a par (ČSN 33 2320) a bez nebezpečí výbuchu hořlavých prachů (ČSN 33 2330), používat elektrická zařízení v nevýbušném provedení (ČSN EN 50014 a další) nebo jiskrově bezpečném provedení (ČSN EN 50039, EN 50 020). Kromě toho musí tato zařízení vyhovovat všeobecným požadavkům na elektrická zařízení v podzemí (ČSN 31 1410). Pro zařazení zařízení do skupiny v takovém dole je hořlavým a výbušným plynem metan a hořlavým a výbušným prachem uhelný prach. Příkladem takto zařazených prostor jsou doly ostravsko-karvinského revíru.

Důlní prostředí klade velké nároky na všechny objekty i subjekty umístěné v dole, prostředky automatizace nevyjímaje. Vlivy prostředí na elektrické části zařízení jsou definovány v mnoha standardech. Zásadní vliv na požadavky na konstrukci elektrických zařízení má zařazení hlubinného dolu a zařazení jednotlivých prostor v podzemí. Jde-li o plynující uhelný důl s výrony metanu, je nezbytné ve všech prostorách, které nejsou zařazeny do prostor bez nebezpečí výbuchu hořlavých plynů a par (ČSN 33 2320) a bez nebezpečí výbuchu hořlavých prachů (ČSN 33 2330), používat elektrická zařízení v nevýbušném provedení (ČSN EN 50014 a další) nebo jiskrově bezpečném provedení (ČSN EN 50039, EN 50 020). Kromě toho musí tato zařízení vyhovovat všeobecným požadavkům na elektrická zařízení v podzemí (ČSN 31 1410). Pro zařazení zařízení do skupiny v takovém dole je hořlavým a výbušným plynem metan a hořlavým a výbušným prachem uhelný prach. Příkladem takto zařazených prostor jsou doly ostravsko-karvinského revíru.

Další okolnosti, které jsou zde uvedeny jen okrajově, avšak mají rozhodující vliv na funkční vlastnosti automatizačních zařízení, jsou:

• změny okolní teploty, vystavení trvale vyšší teplotě,
• zvětšená vlhkost až možnost skrápění vodou,
• velká prašnost prostředí,
• možnost pádu horniny na zařízení nebo možnost úderu jinými předměty,
• tma,
• zásah nekvalifikované obsluhy.

2. Možnosti automatického řízení v dole, snímané veličiny

2.1 Otvírka a průzkum
V rámci automatizace klasické technologie v otvírce a průzkumu nelze předpokládat existenci vzájemných automatických vazeb. Jde zde pouze o stroje ovládané obsluhou. Pracoviště je zásobováno větry separátních ventilátorů a odtěžováno dopravníky.

Obvykle snímané informace jsou: chod vrtacího stroje, chod nakládače, snímání odpalu, chod všech separátních ventilátorů, chod pásové linky, koncentrace metanu v čelbě (dvojmo, nezávisle na sobě) a koncentrace kyslíku na pracovišti. Tyto informace se využívají pro bezpečnostní a provozní pokyny obsluze a pro automatizovaně zpracované vrtné schéma.

2.2 Přípravy
Ani v rámci automatizace klasické technologie s vrtáním vrtacím vozem nelze v přípravě předpokládat vytvoření vzájemných automatických vazeb, protože i vrtací vůz a nakládač jsou stroje ovládané obsluhou. Pracoviště je zásobováno obvykle větry z až pěti separátních ventilátorů a odtěžováno až šesti dopravníky.

Obvykle snímané informace jsou: chod vrtacího stroje, chod nakládače, snímání odpalu, chod separátních ventilátorů, chod pásové linky, koncentrace metanu v čelbě (dvojmo, nezávisle na sobě) a koncentrace kyslíku na pracovišti. Informace se využívají pro bezpečnostní a provozní pokyny obsluze a pro automatizovaně zpracované vrtné schéma.

V rámci technologie s razicím kombajnem lze požadovat vazbu chodu kombajnu s koncentrací metanu, separátním větráním, s chodem pásové linky a postupem vyztužování.

Obvykle snímané informace v tomto případě jsou: chod komplexu a možnost zadávat údaje o postupu, popř. chod skrápěcího zařízení, koncentrace metanu v čelbě (jedenkrát) a koncentrace kyslíku na pracovišti. Při nesplnění podmínky pro lokální automatiku se navíc snímá chod separátních ventilátorů, chod pásové linky a koncentrace metanu v čelbě (jedenkrát, avšak nezávisle na snímání v předchozím případě). Informace se využívají k vydávání bezpečnostních a provozních pokynů obsluze a pro blokování chodu.

2.3 Poruby
V rámci lokální automatiky se používá vazba postupu automatizované hydraulické výztuže na pohyb kombajnu, sledování tahu hřeblových dopravníků v porubu a pod porubem a vzájemné blokování v závislosti na přetížení, parametrech větrů, teplotě a koncentraci kyslíku a oxidu uhelnatého, popř. na chodu skrápěcího zařízení.

Energovlak lze vybavit měřením výkonu, účiníku, spotřeby s dálkovým přenosem a automatickým blokováním v závislosti na izolačním stavu a nastavených mezích měřených veličin. V porubu bývá použita bezdrátová hovorová souprava pro spojení jednotlivých pracovníků osádky.

Obvykle snímané informace jsou: chod porubu, postup porubní fronty, přesun sekcí, chod pásových souprav od porubu k úsekovému zásobníku, měření koncentrace metanu a oxidu uhelnatého, měření teploty ve výdušné chodbě a rychlosti větrů v porubu. Navíc lze měřit koncentrace kyslíku před porubem, metanu nad energovlakem a teplotu před porubem.

2.4 Pásová doprava a úsekové zásobníky
Plynulý chod kombajnových porubů závisí na plynulém odtěžení pod porubem do úsekových zásobníků. Proto je nutné pásy a přesypy nad zásobníky automatizovat tak, aby nebrzdily těžbu. Pro dopravníky a přesypy bývá použita automatika chodu pásů, volitelně přímo od dodavatele pásů, garantuje-li spolehlivost a funkční vlastnosti. Systém musí dostávat informace o naplnění zásobníků a musí umožňovat zasáhnout do programu odtěžení hlavní pásovou dopravou a skipem tak, aby nevznikl prostoj porubu pro zaplnění zásobníku.

Obvykle snímané informace jsou: blokování chodu v závislosti na stavu přesypu a hlídání přetížení např. měřením proudu pohonů. V případě samostatného hospodaření jednotlivých porubů se na dopravníky umísťují pásové váhy. Měří se i výška hladiny v zásobníku. Je vhodné dát přednost ultrazvukovému principu před radioizotopovým. Snímá se i chod pomocných zařízení přesypu a výsypu.

Instalován je zpravidla i snímač nebezpečí požáru pásu, např. bezkontaktní snímač teploty povrchu pásu.

2.5 Centrální zásobník a skip
Hlavní pásová doprava zajišťuje vytěžení úsekových zásobníků do centrální zásobníku a dále vytěžení centrálního zásobníku skipem na povrch, kde obvykle navazuje železniční a automobilová přeprava mimo podnik. Automatika chodu pásů musí zajistit plynulé odtěžování z úsekových zásobníků, aby jejich zaplnění neblokovalo chod porubů. Protože jde o klíčovou část odtěžování, musí být vybavena jednoduchou a zejména spolehlivou automatikou pásů. Kromě běžných vazeb na bezpečnost a zaplnění přesypů musí reagovat na hladinu těživa v jednotlivých zásobnících. Navíc se instalují snímače nebezpečí požáru a bezpečnostní blokování chodu od přesypu. Přetížení se hlídá např. měřením proudu pohonů nebo pásovými váhami. Samozřejmě se měří také výška hladiny v zásobníku.

2.6 Kabelové důlní rozvody
Na důlních elektrorozvodech se měří celkový okamžitý výkon, napětí, izolační stav a účiník. Pro každý samostatně hospodařící úsek je nutné instalovat měření spotřeby elektrické energie. Půjde-li o větranou rozvodnu bez nebezpečí výbuchu hořlavých plynů, stane se lokalita vhodným místem pro umístění zařízení měření a regulace, popř. důlních serverů a převodníků v obyčejném provedení. Proto je vhodné v projektech elektrorozvoden rezervovat alespoň jedno pole pro měření a regulaci. Dále je vhodné zajistit rozvodny snímáním koncentrace metanu, oxidu uhelnatého, teploty, popř. vstup chránit zabezpečovacím zařízením.

2.7 Energovlaky
Automatizace na energovlaku závisí na použitých přístrojích, např. při použití kompaktních stanic (SAIT) se značně zmenší potřebná délka vlaku, a přístroje samy již obsahují v sobě příslušná měření, blokování a možnost dálkového ovládání.

Není-li realizován komplexní systém, musí být v rámci automatiky zajištěno blokování vývodů do porubu koncentrací metanu, oxidu uhelnatého, dusíku a teplotou a blokování z hovorového bezdrátového systému obsluhy. Navíc je možné snímat teplotu nad energovlakem a koncentraci metanu před energovlakem.

2.8 Řízení ostatních důlních provozů
Ostatní důlní provozy osobně řídí příslušní mistři a dispečer. Mistři v dole by měli mít možnost používat pro hovorové spojení mezi sebou navzájem a s dispečerem pevnou ligyfonní síť, ale jestliže budou k dispozici jiné mobilní prostředky, bude lepší a účinnější vybavit mistry a pracovní skupiny či jednotlivé údržbáře touto technikou.

2.9 Evidence materiálu a osob
Klecové těžní stroje jsou obvykle vybaveny standardní automatikou od výrobce, včetně poloautomatického dojíždění na patra, výstroje náraží a signalizačního zařízení včetně všech běžných blokování. Pro osoby však je vhodné použít systém automatické evidence pracovníků a doplnit tak klasický systém vázaný na svítilnu ještě dalšími možnostmi blokování přístupu. Tento systém by měl být kompatibilní se systémem kontroly přístupu osob na povrchu.

2.10 Doprava a evidence materiálu a osob v dole
Dopravu zajišťuje kolejová a drážková doprava. Na vytížené trasy je vhodné nainstalovat dálkové přestavování výhybek z jedoucí lokomotivy. Zde také musí být zahrnuto ovládání hrázových objektů. Stav hrázových objektů je snímán na dispečink centrálního řídicího stanoviště (CŘS).

2.11 Čerpání důlních vod
Automatika čerpacích stanic bývá dodána dodavatelem technologie. Obvykle zahrnuje spínání v závislosti na výšce hladiny, blokování podle úrovně tlaku, ucpání a zavodnění. Některé informace je vhodné vyvést duplicitně na dispečink: chod čerpadel, hladinu vody v žumpovním překopu a množství čerpané vody.

2.12 Potrubní rozvody vody, dusíku, nízkotlakého vzduchu, požární a chlazené vody
Tyto rozvody se vybavují měřením tlaku na vstupu do dolu a na jednotlivých technologicky důležitých úsecích. V případě samostatného hospodaření úseků se instaluje měření objemové spotřeby (průtoku, teploty) pro každý úsek.

3. Monitorování bezpečnostních údajů

3.1 Ovzduší
Tam, kde se očekává zvýšená plynodajnost slojí a bude použit systém tlačení dusíku do dolu, je nutné standardní měření doplnit takto:

• pro místa s možností pobytu osob: měření koncentrace metanu, měření koncentrace oxidu uhelnatého, měření koncentrace kyslíku,
• pro místa s elektrickým zařízením: měření koncentrace metanu.

Naměřené koncentrace je nutné porovnávat s limity podle příslušných norem.

Na ohlubni vtažné jámy a důležitých pracovištích je nutné měřit rychlost a teplotu větrů. Rychlost větrů je také vhodné měřit na místech ve větrných odděleních stanovených projektem větrání a větrným schématem.

Do systému náleží povinné měření barometrického tlaku a teploty vzduchu na povrchu.

3.2 Seismika
S ohledem na možnost vzniku důlních geomechanických událostí jsou měřeny seismické veličiny a bývá realizováno výpočetní zařízení na zpracování měřených hodnot, které vyhodnocuje specialista v rámci provozu bezpečnostní části CŘS. Do systému bývají zahrnuty geofony s drátovým a bezdrátovým přenosem.

4. Technické prostředky pro řízení v dole

Neváže-li dodavatel technologie svou dodávku na určitý řídicí systém, je možné vhodný řídicí systém vybrat na základě analýzy trhu. Je třeba instalovat jednotný, zabezpečený a v dolech ověřený systém. Ve světě není příliš velký výběr takovýchto systémů. Bude--li dodavatel technologie vázat svou dodávku na řídicí systém, je nutné bezpodmínečně dodržet, aby dodaný řídicí systém měl tyto funkční vlastnosti:

• kabelové propojení s konektory zapojitelnými za provozu a s bezpečnostní funkcí rozpojení tahem za kabel,
• možnost hovorového spojení v rámci lokální technologie,
• možnost doplnění digitálních i analogových snímačů a ovládačů,
• softwarové řízení s možností změny programu jednoduchým servisním zásahem,
• možnost přenosu předem definovaných informací (ze všech měřených snímačů) na povrch a na rozhraní,
• možnost nastavení předem definovaných ovládačů z rozhraní z povrchu,
• kompatibilitu vizualizace s používaným vizualizačním systémem.

Pro hovorové spojení se předpokládá důlní stacionární ligyfonní síť. Pro mobilní hovorové spojení se předpokládá bezdrátové hovorové pojítko. V rámci ražeb a porubů jsou tyto systémy k dispozici. V rámci celého dolu lze předpokládat v blízké budoucnosti existenci důlních mobilních komunikátorů.

Na obr. 1 je schéma prostřední úrovně typického řídicího systému splňujícího specifikované vlastnosti. Obrázek ukazuje propojení důlních řídicích jednotek sběrnicí, která umožňuje bezpečné připojení složitých i jednoduchých jednotek a jednotlivých snímačů či akčních členů v kterémkoliv místě sběrnice. Složitější jednotky obsahují displej, hlasité hovorové zařízení, klávesnici, ovládací přepínače a tlačítko stop. Využití těchto prvků je omezeno pouze softwarovým vybavením. Vyšší úrovní může být dispečerský počítač a vizualizace procesu, nižší úrovní přímo jednotlivé stroje či jen pohony. Na obr. 2 je pohled na řídicí přístroj.

5. Výhled inovace technických prostředků

Technické prostředky pro řízení dolů se dále vyvíjejí, pro podzemí jsou to např. osobní mobilní komunikátory, které komunikují s řídicími přístroji nebo přímo jen se sběrnicí. V povrchových dolech jde např. o využití družicových systémů určování polohy.

V uvedeném informativním článku autor nemohl podrobně popsat všechny pojmy běžné v důlní terminologii. Důraz zde byl kladen na klasifikaci možností automatizace pro procesy spojené s hlubinnou těžbou, a nemusí jít jen o těžbu uhlí. Technické prostředky důlní automatizace lze použít bez úprav i v jiných prostředích, vyhovuje-li třída výbušnosti (metan). Zde se projeví jejich robustnost především výrazným nárůstem funkční spolehlivosti, což v některých případech může být majoritním požadavkem.

K popisu řízení a řídicích prostředků jednotlivých technologií je možné se vrátit v budoucnu.