Nowoczesne systemy zarządzania kopalnią

Geneza powstania systemów

Na przestrzeni ostatnich kilku lat można zaobserwować burzliwy rozwój sterowników programowalnych, przemysłowych sieci komputerowych oraz systemów monitoringu i nadzoru procesów technologicznych. Wiąże się to z dużym postępem w dziedzinie informatyki i elektroniki. Zastosowanie sterowników cyfrowych i sieci komputerowych umożliwia konstruowanie nowoczesnych układów sterowania, które mogą sprostać reżimowi produkcji przemysłowej, obniżając koszty obsługi oraz zapewniając większe bezpieczeństwo pracy. Tradycyjne układy sterowania wykonane w technologii analogowej cechuje większa awaryjność i niemożność sprostania dzisiejszym wymogom technologicznym, przez co stają się mniej atrakcyjne pod względem ekonomicznym.

Kopalnia odkrywkowa węgla brunatnego Turów budowana była w oparciu o zmechanizowane układy eksploatacji złoża, tworzące kompletne ciągi technologiczne KTZ (koparka-taśmociąg-zwałowarka). Układy te charakteryzowały się niskim poziomem automatyzacji sterowania, uniemożliwiającym uzyskanie optymalnej efektywności potencjału zgromadzonych maszyn i urządzeń. Podejmowane były wprawdzie ambitne programy zmiany tego stanu rzeczy, jak np. "Program kompleksowej automatyzacji podstawowych układów technologicznych w górnictwie odkrywkowym", opracowany przez Centralny Ośrodek Badawczo-Projektowy Górnictwa Odkrywkowego "Poltegor" w 1970 r. Z uwagi jednak na ubogą bazę sprzętową i brak dostępu do nowoczesnych technologii z państw zachodnich nie kończyły się one powodzeniem. Przełom nastąpił w latach 90., gdy zniknęły bariery dzielące nas od osiągnięć światowego postępu i pojawiła się możliwość szerokiego zastosowania nowoczesnych technologii.

W 1991 roku, w związku z modernizacją Elektrowni Turów, przystąpiono do wrażania systemów automatycznego sterowania procesem produkcyjnym w Kopalni Turów. Stało się dla Kopalni oczywistą rzeczą, iż spełnienie oczekiwań Elektrowni po modernizacji takich jak:

- bazowa wartość opałowa 8.700 KJ/kg,
- zawartość popiołu 21%,
- wilgotność 43%,
- zawartość siarki 0,7%,

przy funkcjonujących na tamten czas sposobach sterowania w Kopalni nie będzie możliwe.

Budowa systemu nadzorowania pracy i sterowania układu technologicznego wymagała bardzo starannego opracowania założeń, wyboru podsystemów, a także precyzyjnego określenia formy i harmonogramu realizacji wdrażania.

W trakcie rozpoznawania systemów w okresie poprzedzającym podjecie decyzji zwrócono uwagę na funkcjonowanie systemów zarządzania
w firmach zachodnich - przynoszących bardzo konkretne efekty ekonomiczne. Pierwsze podjęte decyzje określiły:

• kompleksowość wdrażania systemu nadzoru, wizualizacji i sterowania układu technologicznego,
• konieczność dokonania analizy ekonomicznej opłacalności przedsięwzięcia.

Przeprowadzona analiza ekonomiczna w sposób jednoznaczny wykazała wysoką opłacalność wdrożenia - określoną krótkim okresem zwrotu nakładów inwestycyjnych.

Kolejne decyzje dotyczyły wyboru podsystemów, na bazie których utworzony miał być cały system zarządzania, oraz określenie zasad jego realizacji.

Przy wyborze bazy urządzeń i oprogramowania kierowano się następującymi kryteriami ogólnymi:

• Nowoczesna konstrukcja urządzeń oparta o najnowsze technologie.
• Aplikacja w przemyśle wydobywczym i pozytywne opinie użytkowników.
• Analiza funkcjonalności pod kątem zastosowania w Kopalni Turów.
• Referencje i pozycja producenta w danej branży.
• Wskaźniki kosztowe.

W oparciu o powyższe kryteria ogólne uznano, że nie jest zasadna budowa całego systemu opartego na jednolitej platformie sprzętowej, jak również tworzenie go na zbyt szerokiej bazie różnych podsystemów.

Kolejny krok dotyczył organizacji procesu wdrażania systemu nadzorowania pracy i sterowania układu technologicznego. Powstał projekt kompleksowego wdrażania automatyzacji umożliwiający jednocześnie przyjęcie harmonogramu inwestycji uwzględniającego:

• kolejność wdrażania poszczególnych systemów,
• niezbędne nakłady finansowe zbilansowane z możliwościami inwestycyjnymi,
• wykonywalność prac na czynnych obiektach bez uszczerbku dla możliwości produkcyjnych Kopalni,
• możliwość przygotowania zespołów pracowników do pracy w oparciu o nowe systemy.

Założony został kilkuletni okres budowy systemu, skupiony w pierwszym rzędzie wokół wykonania obiektów centrum zarządzania układem technologicznym.

W okresie początkowym rozwój następował w sposób nieskoordynowany w trzech kierunkach: automatyzacji procesów technologicznych, wprowadzania technologii informatycznej do zarządzania przedsiębiorstwem oraz tworzenia nowoczesnych systemów łączności. Wraz z przekształceniem kopalni w spółkę akcyjną w 2000 r. nastąpiło organizacyjne skupienie działów nowych technologii w jednej służbie, co umożliwiło pełną koordynację prac, optymalne wykorzystanie potencjału zatrudnionych specjalistów oraz dostępnych środków finansowych.

Charakterystyka systemów sterowania kopalnią

Po kilku latach wdrażania systemów sterowania i zarządzania kopalnią powszechne jest przekonanie, że bez tak zdecydowanego postępu w organizacji procesu wydobycia i transportu urobku efektywne zarządzanie układem technologicznym w nowej rzeczywistości gospodarczej byłoby niemożliwe.

Obecnie sterowanie procesem wydobywczym odbywa się przy współudziale dwóch zintegrowanych systemów. Z których jeden funkcjonuje na platformie UNIX-a i nadzoruje pracę koparek, oraz zwałowarek, a drugi funkcjonuje na platformie Windows i nadzoruje pracę przenośników taśmowych. Cechą charakterystyczną owych systemów jest struktura trzypoziomowa oddająca hierarchiczny przebieg procesów zarządzania. Powstałe systemy w Kopalni Turów można określić jako wzorcowe dla tej struktury (rys. 1).

Rys. 1. Struktura zarządzania układem technologicznym w BOT KWB Turów SA.

Poziom urządzeń peryferyjnych

Poziom urządzeń peryferyjnych tworzą sterowniki swobodnie programowalne wraz z odpowiednim oczujnikowaniem i elementami wykonawczymi. W przypadku maszyn podstawowych - koparek i zwałowarek - stosowane są sterowniki Simatic S7. Na maszynach podstawowych jest zainstalowanych kilka sterowników połączonych ze sobą za pomocą sieci przemysłowej, najczęściej typu Profibus - DP. System taki pozwala na rozproszoną inteligencję wejść i wyjść z własną jednostką sterującą. Obsługa maszyny może monitorować pracę poszczególnych napędów poprzez graficzne panele operatorskie. Do poszczególnych sterowników doprowadzone są sygnały cyfrowe i analogowe z czujników elektrycznych (kontrola wartości granicznych, pomiary, potwierdzenie realizacji poleceń) i mechaniczno - fizycznych (pomiary przemieszczeń, wykrywanie zagrożeń zbliżeniowych, temperatury). Natomiast ze sterowników wydawane są - poprzez elementy pośredniczące - sygnały sterowania poszczególnych elementów wykonawczych.

Rys.2. Sterownik S7-400 i panel operatorski OP-7 na koparce.

Aktualny trend coraz prężniej zmierza w kierunku struktur rozproszonych gdyż mają one większą elastyczność, są prostsze i tańsze, a także umożliwiają maksymalizowanie wydajności systemu. Sterownik PLC nie rozróżnia scentralizowanych i rozproszonych peryferii. Jeden pakiet oprogramowania jest wystarczający do obsługi konfiguracji sprzętu, przypisania parametrów, testowania, rozruchu technologicznego i tworzenia dokumentacji dla wszystkich elementów składowych.

Z dowolnego miejsca, w systemie jest możliwe bezpośrednie programowanie, parametryzacja i wykonanie diagnostyki. Również programy aplikacyjne mogą być w trybie "online" modyfikowane z dowolnego miejsca w systemie. W wielu jednostkach centralnych sterowników programowalnych interfejsy zostały już zintegrowane. Takie rozwiązanie eliminuje zastosowanie zarówno modułów interfejsów jak i stratę czasu na dostęp do magistrali, oszczędzając w ten sposób miejsca i środków finansowych bez pogorszenia wydajności lub prędkości. Sterownik współpracuje z różnorodnym zestawem urządzeń peryferyjnych: modułowych, kompaktowych i o wysokim stopniu ochrony.

Ważną rolę w całym układzie nadzoru i sterowania odgrywają dodatkowe urządzenia kontrolno-pomiarowe: mierniki wydajności, wykrywacze metali i pochyłomierze.

Do sterowania napędów prądu stałego na maszynach podstawowych stosuje się układy tyrystorowe. Od niedawna wprowadza się układy w wersji cyfrowej zamiast dotychczasowych wykonanych w technologii analogowej.

Rys. 3. Tyrystorowy zespół napędowy DML.

Wraz z rozwojem techniki sterowania nastąpił postęp w dziedzinie napędów. W nowo budowanych lub modernizowanych maszynach podstawowych w niektórych napędach prądu przemiennego zastosowano, w miejsce silników pierścieniowych z oporami rozruchowymi, silniki indukcyjne krótkozwarte zasilane z przemienników częstotliwości. Przemienniki częstotliwości są urządzeniami energoelektronicznymi służącymi do precyzyjnego sterowania prędkością obrotową i momentem silników elektrycznych.

Powszechne wykorzystanie falowników w układach napędowych jest możliwe dzięki szybkiemu w ostatnich latach rozwojowi techniki mikroprocesorowej. Falowniki sterowne są za pomocą układów mikroprocesorowych o dużej mocy obliczeniowej. Najczęściej stosuje się specjalizowane procesory lub mikroprocesory sygnałowe wykonywane w technologii RISC. Obsługa i współpraca z układami automatyki przemiennika częstotliwości odbywa się przeważnie z wykorzystaniem sieci przemysłowych.

Tradycyjne układy rozruchowe stosowane dla asynchronicznych silników indukcyjnych klatkowych: przełączniki gwiazda/trójkąt, autotransformatory ograniczające prądy rozruchowe zostały w dużym stopniu zastąpionego w Kopalni Turów przez układy łagodnego rozruchu, tzw. softstarty. W przeciwieństwie do tradycyjnych rozwiązań softstarty oferują szeroką gamę zalet odnośnie sterowania rozruchem i zabezpieczania obwodów silnikowych: kontrola zarówno prądu jak i momentu rozruchowego, gwarancja ciągłej kontroli wartości prądu i napięcia, częsta praca w trybie rozruchu i zatrzymania bez zagrożenia uszkodzeń elementów mechanicznych, łatwość dopasowania parametrów rozruchu, funkcja łagodnego zatrzymania z możliwością wydłużonego czasu hamowania, sterowanie momentem hamującym w celu osiągnięcia najkrótszych czasów zatrzymania.

Rys. 4. Kompaktowy przekształtnik częstotliwości zabudowany na koparce.

W Kopalni Turów wykorzystywane są softstarty w napędach taśm przenośników zrzutowych, w napędach obrotu przenośników zrzutowych, zwodzeniu przenośnika zrzutowego oraz w napędach wysuwu wysięgnika urabiającego koparek.

Podstawowy poziom systemu dla przenośników realizowany jest w oparciu o system sterowania Promos. System ten ingeruje w sobie trzy podstawowe funkcje:

• sterowanie pracą przenośnika taśmowego,
• transmisję danych do szczebli nadrzędnych systemu sterowania,
• komunikację akustyczną głośnomówiącą - dwukierunkową.

Ponieważ system przeznaczony jest do sterowania przenośników taśmowych w górnictwie, posiada szereg cech i własności, które w sposób istotny upraszczają zarówno instalację systemu, jak też eksploatację obiektu z zainstalowanym systemem. Centralnym elementem, sercem układu Promos, jest sterownik. Zbiera on wszystkie dane wejściowe, które po przetworzeniu zgodnie z zaprogramowanym algorytmem sterują przebiegiem procesu. System ten również umożliwia przesyłanie danych ze sterowanego procesu do zdalnego sterowania i wizualizacji. Promos, aby wypełnić swoje zadania, posiada następujące cztery magistrale służące do komunikowania się ze "światem zewnętrznym":

• lokalna magistrala AST - dla wymiany danych z modułami rozproszonymi,
• zdalna magistrala Linia - dla transmisji danych do zdalnego sterowania,
• światłowodowa magistrala LWL - do łączności z modułami wejścia/wyjścia,
• szeregowe złącze - do połączenia z obcymi systemami.

Szeregowa magistrala AST łączy sterownik z modułami rozproszonymi, umiejscowionymi wzdłuż sterowanego przenośnika. Zastosowanie magistrali szeregowej pozwala na wyeliminowanie z systemu dużej ilości przewodów, co obniża koszt. AST spełnia w systemie następujące funkcje:

• transmisja danych wejściowo-wyjściowych między sterownikiem i modułami rozproszonymi,
• zasilanie modułów rozproszonych (napięciem 12V DC),
• transmisja sygnałów służących do sygnalizacji dźwiękowej oraz komunikacji,
• obwód bezpieczeństwa (awaryjne zatrzymanie przenośnika).

W skład magistrali AST wchodzą takie moduły jak: pulpity operatorskie, za pomocą których można sterować przenośnikiem lub odczytywać stany diagnostyczne, wyłączniki bezpieczeństwa, urządzenia głośnikowe, moduły wejściowo - wyjściowe sygnałów cyfrowych i analogowych (adaptery). Każde urządzenie Promosa w AST generuje dane diagnostyczne, które są odpytywane i analizowane przez Centralne Stanowisko Dyspozytorskie. Dzięki temu można wydatnie skrócić czas postoju, ponieważ lokalizacja uszkodzenia jest szybsza.

Światłowodowa magistrala LWL jest podobnie jak AST typu szeregowego. Służy ona w systemie do połączenia modułów wejściowych i wyjściowych ze sterownikiem głównym. Moduły pracujące na magistrali LWL są umieszczone zawsze w pobliżu sterownika i służą do obsługi sygnałów miejscowych. Światłowód LWL wraz z modułami, również jak poprzednio opisywany system AST, posiada pełną diagnozę stanu pracy.

Rys. 5. Sterownik systemu Promos.

Do transmisji danych na dalekie odległości, na przykład do sąsiednich przenośników lub do Centralnego Stanowiska Dyspozytorskiego, każdy sterownik dysponuje zdalną magistralą zwaną Linią. Przez ten system transmisji można zdalnie: programować karty CPU, symulować sterowanie w procesie, określać dowolne parametry, wykrywać błędy i usterki w urządzeniach peryferyjnych, a także protokołować komunikaty procesu i systemu.

Wszystkie opisane powyżej funkcje układu obsługiwane są przez sterownik. Posiada on budowę modułową. Centralnym elementem sterownika jest karta CPU, gdzie wykonywany jest główny program sterowania procesem. Karta MIO służy do wstępnej obróbki sygnałów zewnętrznych obsługiwanych przez magistrale AST i LWL. Następną kartą jest karta SIO służąca do sterowania szeregowych portów wykorzystywanych do łączności z innymi systemami mikroprocesorowymi. Łączność zdalna odbywa się przy pomocy karty linii.

Na kilku przenośnikach sterownik Promos aktywnie współpracuje z prostownikiem DHS, który jest podstawowym elementem układu hamowania dynamicznego. Układ zabezpiecza przed niekontrolowanym wybiegiem taśmy po wyłączeniu napędu lub w trakcie rozruchu, spowodowanym głównie ciężarem urobku. W Turowie układy te stosowane są na przenośnikach, których część trasy przebiega z pochyleniem w dół.

Hamowanie dynamiczne realizowane jest we wszystkich przypadkach, gdy zachodzi konieczność zatrzymania przenośnika, a prostownik hamowania i układ kontroli zaniku napięcia na silniku są sprawne. Hamowanie dynamiczne silnikiem napędowym przenośnika polega na tym, że po odłączeniu silnika od sieci, uzwojenie stojana zostaje przyłączone do źródła napięcia stałego. Poziom zadawanego prądu hamowania wynosi, w zależności od warunków od 0 do 100 A.

Sterownik Promos-a kontroluje między innymi prędkość wirowania napędu, oraz posiada możliwość zablokowania procedury hamowania w przypadku awarii układu. Po zablokowaniu, przenośnik hamowany będzie tylko hamulcami mechanicznymi.

Przy okazji omawiania poziomu urządzeń peryferyjnych należy wspomnieć o podsystemie transmisji, który służy do komunikacji z systemem nadzoru i sterowania procesem technologicznym. Zainstalowany tu został system radiowej transmisji danych w oparciu o radiomodemy firmy Satel pracujące w paśmie 427/417 MHz. Modem centralny (Master) komunikuje się z modemami zainstalowanymi na maszynach podstawowych (stacje lokalne), które współpracują ze sterownikiem Simatic S7. Każdy sterownik S7 stacji radiowej posiada aplikację telemetryczną, która wypracowuje dane z maszyny przesyłane siecią radiową do aplikacji nadzorowania i sterowania procesem technologicznym. Pełny cykl wymiany informacji dla 16 stacji lokalnych wynosi około 12 sekund (transmisja dwukierunkowa). System umożliwia przesyłanie ze stacji lokalnych 48 danych binarnych i 20 słów analogowych.

Rys. 6. Konfiguracja sieci radiowej.

Nadzór i sterowanie procesem technologicznym

Informacje o stanie obiektów i urządzeń z poziomu podstawowego poprzez podsystemy transmisji informacji trafiają do wyższego szczebla systemu. Skomplikowana struktura układu technologicznego wymusza, aby poziom ten podzielony został na szczebel wykonawczy (operatorzy, oraz nadzór elektryczny i automatyki), oraz szczebel decyzyjny w skład którego wchodzą stanowiska operatorów rejonów przyporządkowane poszczególnym częściom układu technologicznego związanego z pochylniami wydobywczymi.

Do niedawna standardem funkcjonalnym pulpitów obsługi operatorskiej było wyposażenie ich w przyciski, przełączniki, zadajniki, lampki lub wskaźniki pomiarowe.

Szybka obsługa serwisowa lub naprawcza związana była nierzadko z doświadczeniem zdobytym podczas żmudnej analizy przyczyn poprzednich awarii. Takie były po prostu pierwsze kroki w automatyzacji procesów technologicznych.

Współczesne programowalne układy sterowania pozwalają na dużo bardziej precyzyjną analizę i diagnostykę aktualnego stanu maszyny i urządzeń produkcyjnych. Praktycznie bez żadnych ograniczeń można realizować programowy nadzór nad poprawnością wykonywania poszczególnych zadań technologicznych. Już tylko od fantazji programisty i od liczby czujników pomiarowo - kontrolnych zależy poziom diagnostyki urządzeń.

Zwiększenie precyzji wewnętrznego nadzoru nad prawidłowością funkcjonowania maszyn związane jest niewątpliwie ze znacznym wzrostem liczby sygnałów i meldunków o przewidywanych, możliwych czy zaistniałych usterkach. Bardziej złożone urządzenia są źródłem zwiększonej liczby możliwych usterek i stanów awaryjnych. Nawet doświadczonemu serwisantowi często trudno jest przeanalizować faktyczny stan urządzenia i sprawnie usunąć usterkę.

Rys. 7. Maska przenośnika - widok ogólny.

Nieocenioną pomocą w takich sytuacjach są systemy wizualizacji i nadzoru procesu technologicznego, będące systemami interfejsu operatorskiego opartego na komputerach PC. System nadzoru może być wykorzystywany jako pojedyncza stacja lub w sieciach typu klient - serwer jako wielostacyjny. Oferowany jest w kilku wariantach i stopniowej wydajności.

Pakiety programowe są stopniowane w zależności od ilości zmiennych procesowych a pakiety opcjonalne oferują indywidualne możliwości łączenia w obliczu zwiększających się wymagań i rozszerzenia funkcjonalności. Zarówno dane konfiguracyjne jak i archiwizowane przechowywane są w relacyjnej bazie danych i mogą być odczytywane poprzez standardy ODBC (Open Data - Base Connectivity) oraz SQL (Standard Query Language). Aplikacje pracujące równolegle jak np. MS Exel, mogą życzyć sobie danych procesowych poprzez interfejs DDE. Interfejs operatorski jest zgodny
z Windows, umożliwiając w ten sposób proste i szybkie konfigurowanie oraz łączenie istniejących programów standardowych z programami użytkownika.

W BOT KWB Turów każde stanowisko dyspozytora rejonu wyposażone jest w emulatory X-terminali, oraz komputery z aplikacją ClientBuilder sterującą pracą przenośników taśmowych. X-terminale przedstawiają graficznie stan procesu maszyn podstawowych i przenośników oraz umożliwiają dyspozytorom analizę i przetwarzanie danych. Aplikacja jest ładowana z serwera podstawowego lub zapasowego (backupu) w czasie restartu X-terminala.

Aplikacja ClientBuilder przedstawia informacje w postaci graficznej o stanie przenośników. Oprogramowanie aplikacyjne pracuje pod kontrolą systemu operacyjnego Windows i jest zrealizowane za pomocą pakietów FactoryLink'a.

Należy tu w szczególności podkreślić zalety edytora graficznego FactoryLink'a, który umożliwia m.in.:

• tworzenie obiektów złożonych drogą łączenia elementów obiektowych i odwrotnie,
• przygotowywanie masek w określonej skali z możliwością funkcji ZOOM dla edycji szczegółów,
• jednoczesne powstawanie dużej ilości obrazów graficznych zapisywanych na twardym dysku (pliki),
• niezależne animowanie obiektów składowych

W oparciu o powyższe cechy przygotowano wielopoziomową ekspozycję o następującej strukturze:

• rejon nadzorowany przez operatora,
• pojedynczy ciąg przenośników,
• pojedynczy przenośnik,
• poszczególne elementy przenośnika (maska temperatur i silników).

Oprogramowanie aplikacyjne zawiera również podsystem alarmowania o zakłóceniach w pracy przenośników z ekspozycją graficzną i tekstową oraz przekazywania poleceń (rozkazów) do poszczególnych sterowników realizujących funkcje zdalnego sterowania.

Równolegle ze stanowiskami dyspozytorów wykonane są stanowiska nadzoru elektrycznego i automatyki. Są one wykonane na bazie podobnego sprzętu, a na komputerach wizualizacyjnych pracują kopie aplikacji stanowisk dyspozytorskich. Całość różni jedynie zablokowana możliwość sterowania przenośnikami ze stanowisk nadzoru elektrycznego.

Nadzór i sterowanie procesem technologicznym usprawnia również system zdalnej diagnostyki umieszczony w oddziale automatyki.

System zdalnej diagnostyki przeznaczony jest dla służb technicznych oddziału automatyki. System umożliwia łatwiejszy i szybszy dostęp do istotnych z punktu widzenia eksploatacyjnego informacji o nieprawidłowościach i zakłóceniach w pracy maszyn podstawowych. Skraca to czas awaryjnych postojów maszyn, ułatwia i przyśpiesza usuwanie niesprawności, podnosi komfort i jakość obsługi służb ruchowych oddziału automatyki. Wymiana informacji z koparkami i zwałowarkami zrealizowana jest z wykorzystaniem zdalnej łączności bezprzewodowej z instalacją sterowania Simatic na maszynach - bez konieczności wyjazdu służb ruchowych na maszynę.

Rys. 8. Forma graficznej prezentacji danych diagnostycznych.

Głównym elementem systemu jest komputerowe stanowisko diagnostyczne zlokalizowane w budynku automatyki. Stanowisko obsługuje obecnie wszystkie koparki oraz zwałowarki poprzez łączność przez komercyjną sieć telefonii komórkowej GSM z wykorzystaniem modemów przemysłowych GSM typu M20T produkcji Siemens. Na stanowisku jest zainstalowane oprogramowanie narzędziowe do wizualizacji Simatic WinCC pracujące pod systemem Windows.

Modem M20T ma zwiększoną za pośrednictwem anteny zewnętrznej czułość odbiorczą, oraz moc nadawczą równą 2W. Od strony portu komunikacyjnego RS232, modem M20T programowalny jest z wykorzystaniem standardowych kodów AT-Hayes'a oraz kodów GSM07.07, GSM07.05.

Ze względu na specyfikę transmisji danych w sieci komórkowej stanowisko wyposażone jest w dodatkowy sterownik SIMATIC S5-115U, którego funkcją jest zarządzanie nawiązywaniem połączeń z maszynami, transmisją danych oraz przechowywanie i udostępnianie odebranych danych po rozłączeniu połączenia. Sterownik połączony jest z komputerem PC stanowiska diagnostycznego poprzez procesor komunikacyjny CP524 i łącze szeregowe RS232C.

Sterownik SIMATIC S5-115U stanowiska diagnostycznego zajmuje się pobieraniem danych z maszyny z jednoczesną kontrolą czy pobrano komplet danych i ewentualnym ponawianiem żądań wysłania brakujących bloków danych z wybranej maszyny. Dodatkowo nadzorowana jest poprawność rozłączania, z ewentualnym ponawianiem rozkazów przerwania połączenia. Równolegle z procedurą ściągania danych z wybranej maszyny automatycznie przebiegała procedura zapisu odebranych danych na dysk komputera PC stanowiska. Operator komputera PC zawsze korzysta z danych zapisanych lokalnie na dysku komputera. Zatem sterownik S5-115U jedynie tymczasowo przechowuje dane pobrane z wybranej maszyny, do momentu zapamiętania kompletu danych z wybranej maszyny na dysku komputera, co umożliwi przeglądanie w trybie "off-line" danych ze wszystkich maszyn, z którymi nawiązywane było połączenie. Nawiązanie łączności zawsze jest inicjowane przez osobę obsługującą stanowisko. W jednej chwili są pobierane dane tylko z jednej maszyny (łączność typu punkt - punkt z komutacją łącza).

Centralny monitoring - zarządzanie układem technologicznym

Najwyższy poziom zarządzania układem technologicznym tworzą urządzenia sieci informatycznych Industrial Ethernet oraz UNIX. W systemie następuje zbieranie danych obiektowych, a następnie ich przetwarzanie. System ma za zdanie wspieranie procesów decyzyjnych w optymalnym zarządzaniu układem technologicznym. Na system składają się dwa serwery HP 9000/J2240 w układzie równoległym z systemem operacyjnym HP-UX, rozbudowany system bazy danych, oprogramowanie aplikacyjne FactoryLink oraz tablice synoptyczne i ściana graficzna Clarity. Komunikacja sieciowa zrealizowana jest poprzez Ethernet.

Rys. 9. Maska koparki w systemie FactoryLink.

Do najwyższego poziomu zarządzania należy zaliczyć również aplikację ClientBuilder z rodziny FactoryLink opartej na platformie Windows, która monitoruje i steruje wyłącznie pracą przenośników taśmowych. FactoryLink jest zbiorem współbieżnie działających programów, które pełnią specjalizowane funkcje w procesie nadzoru systemów automatyki i zbierania danych. Funkcje te to:

• zbieranie i magazynowanie danych,
• generowanie raportów,
• sterowanie monitorem komputera,
• komunikowanie się z urządzeniami zewnętrznymi, takimi jak mikroprocesorowe sterowniki programowalne (PLC), zdalne terminale (RTU), zdalne moduły wejść/wyjść (DCS).

Jądrem aplikacji FactoryLink jest baza danych czasu rzeczywistego, gromadząca wszystkie jej zmienne. Poszczególne moduły (programy) FactoryLink - tworzące stronę funkcjonalną aplikacji - działają współbieżnie w środowisku wielozadaniowym i za pośrednictwem chronionej patentem otwartej programowej magistrali w swobodny sposób komunikują się z bazą danych czasu rzeczywistego. Programy te nie komunikują się bezpośrednio między sobą, dzięki czemu są w pełni niezależne i stanowią system otwarty. Taka otwarta architektura pozostawia innym (zewnętrznym) aplikacjom możliwość komunikowania się z bazą danych czasu rzeczywistego. Użytkownik może więc budować własne zadania (moduły) zintegrowane z FactoryLink. Otwartość tego oprogramowania to także swobodna wymiana danych za pomocą standardowych mechanizmów współczesnych technologii informatycznych takich, jak: OLE Automation, Dynamic Data Exchange (DDE) czy ODBC.

Podstawowymi aplikacjami realizującymi wizualizację i raportowanie w BOT KWB Turów są aplikacje zrealizowane w oparciu o narzędzie FakctoryLink firmy USDATA.

Rys. 10. Wielopoziomowy układ nadzorowania pracy i sterowania procesu technologicznego w BOT KWB Turów SA.

Podsumowanie

Nadrzędną funkcją całego systemu nadzorowania wizualizacji i sterowania układu technologicznego jest wspomaganie osób dozoru ruchu w optymalnym zarządzaniu procesem wydobycia. Proces produkcyjny jest monitorowany w wielopoziomowym układzie, poczynając od operatorów koparek i zwałowarek oraz taśmociągów, a kończąc na dyspozytorni głównej. Strategiczne decyzje o prowadzeniu procesu technologicznego w odległych horyzontach czasowych (plany i ustalenia wieloletnie, miesięczne, tygodniowe) podejmowane są przez kierownictwo przedsiębiorstwa w oparciu o kompleksowe dane geologiczne, wskaźniki ekonomiczne, dane mechaniczno-konstrukcyjne maszyn, uwarunkowania organizacyjne, itp., przy uwzględnieniu zakładanej efektywności procesu. Zadaniem systemu komputerowego jest poprawienie tej efektywności. Uzyskuje się to zarówno jako sumę cząstkowych efektów bieżących takich jak optymalne wypełnienie taśm przenośnikowych nadawą (eliminacja pustych przenośników oraz przeciążeń), obniżenie energochłonności procesu, obniżenie zużycia materiałów, obniżenie ilości awarii i skrócenie czasu ich usuwania, jak również efektów długofalowych - głównie obniżanie zatrudnienia, a także zapobieżenia ciężkim awariom, których usuwanie jest długotrwałe i kosztowne. Aby umożliwić uzyskanie powyższych założeń systemu nadzoru i sterowania układem technologicznym realizuje następujące funkcje:

• zapewnia bezpieczną eksploatację zarówno dla ludzi jak też urządzeń,
• poprzez skuteczne oczujnikowanie wykrywa zakłócenia w pracy,
• w przypadku wykrycia awarii zapobiega powstawaniu strat,
• sygnalizuje dokładne miejsce i rodzaj awarii,
• przekazuje kompletną informację o stanie i parametrach pracy,
• umożliwia zdalne sterowanie pracą z dyspozytorni
• umożliwia bezobsługową pracę przenośników.

Funkcje te są realizowane przy wysokiej niezawodności systemu oraz skutecznej diagnostyce. System sterowania instalowany na przenośnikach i maszynach podstawowych musi w pierwszym rzędzie zapewnić bezpieczną eksploatację maszyny i pracujących ludzi.

Podstawowa funkcja sterowania procesem technologicznym jest realizowana na stanowiskach dyspozytorów, którzy zarządzają przyporządkowaną częścią układu technologicznego w oparciu o dane uzyskane poprzez systemy monitoringu pracy maszyn i przenośników.

mgr inż. Maciej Przytulski

mgr inż. Jarosław Zalewski

mgr inż. Konrad Leśniewski

BOT KWB Turów SA