Stan i kierunki rozwoju systemu wspomagania prac inynierskich pomocniczego transportu kopalnianego Safe Trans Design (STD)

Transkrypt

1 dr in. Jarosław TOKARCZYK dr in. Marek DUDEK mgr in. Kamil SZEWERDA mgr in. Andrzej TUREWICZ Instytut Techniki Górniczej KOMAG Stan i kierunki rozwoju systemu wspomagania prac inynierskich pomocniczego transportu kopalnianego Safe Trans Design (STD) S t r e s z c z e n i e W artykule przedstawiono modułowy system wspomagania projektowania transportu kopalnianego STD (Safe Trans Design), opracowany w Instytucie Techniki Górniczej KOMAG, wdroony i stosowany w Jastrzbskiej Spółce Wglowej S.A. Scharakteryzowano jego poszczególne moduły tematyczne w tym: konfigurator kolejek podwieszonych, moduł oblicze trakcyjnych oraz moduł analiz kolizyjnoci 2D. Omówiono kierunki przyszłych prac nad rozwojem systemu. S u m m a r y Safe Trans Design (STD) modular system aiding designing of mine transport, which was developed at the KOMAG Institute of Mining Technology, and implemented and used at Jastrzebska Coal Company, JSC, is presented. Its thematic modules, including configurator of suspended monorails, traction calculations module and module for 2D collision analyses, are characterized. Directions of future work on development of the system are discussed. Słowa kluczowe: system wspomagania projektowania transportu kopalnianego, konfigurator kolejek podwieszonych, moduł oblicze trakcyjnych, moduł analiz kolizyjnoci, konfigurator zestawu nonego Keywords: system for aiding the designing process of mine transportation, configurator of suspended monorails, module for traction calculations, module for collision analysis, configurator of carrying system 1. Wstp Zwikszajca si długo tras kolejek spgowych i podwieszonych w polskich kopalniach wgla kamiennego oraz brak zunifikowanego podejcia do tworzenia dokumentacji systemów transportowych pociga za sob konieczno standaryzacji w tej dziedzinie. Dokumentacje te opracowywane s równie w przypadku udostpniania trasy nowym rodkom transportu. Dokumentacja obejmuje m.in. takie aspekty jak właciwy dobór cignika, wózków hamulcowych czy zestawów nonych w okrelonych warunkach, dotyczcych np. posiadanych przez dan kopalni typów tras podwieszonych (długo szyn, nono zawiesi, rodzaj profilu, z listw zbat itp.), a take specyfiki wystpujcych dróg transportowych. Skutkiem takiego stanu rzeczy jest konieczno prowadzenia przez pracowników kopal wielu oblicze i analiz weryfikacyjnych, których zakres rozszerza si, midzy innymi wskutek modernizacji górniczych rodków transportu pomocniczego, gdzie jeszcze do niedawna stosowano przede wszystkim linowe kolejki podwieszone i spgowe. W Instytucie Techniki Górniczej KOMAG od kilku lat rozwijany jest modułowy system wspomagania projektowania transportu kopalnianego Safe Trans Design (STD), który umoliwia dobór poszczególnych komponentów kolejki podwieszonej i ich kompleksow ocen [5]. W niniejszym artykule przedstawiono, zarówno aktualn wersj systemu wspomagania projektowania transportu kopalnianego, z której korzystaj pracownicy Jastrzbskiej Spółki Wglowej S.A., jak równie kierunki rozwoju systemu STD. 2. Ogólna charakterystyka modułów systemu STD, wdroonych w Jastrzbskiej Spółce Wglowej S.A. Obecnie w Jastrzbskiej Spółce Wglowej S.A. wdroone s dwa moduły systemu STD, rysunek 1. Rys.1. Moduły systemu STD wdroone w kopalniach Jastrzbskiej Spółki Wglowej S.A. (opracowanie własne na podstawie [1, 6, 7]) Dostp do modułów jest zdalny, tzn. system umiejscowiony jest na serwerze, z którym, za pomoc stacji roboczych, łcz si uprawnieni uytkownicy. Konfigurator kolejek podwieszonych umoliwia 30 MASZYNY GÓRNICZE 2/2014

2 przygotowanie danych wejciowych do oblicze trakcyjnych (pełni rol preprocesora). Dane wejciowe dotycz nastpujcych komponentów kolejki podwieszonej: cignik: kabiny operatorów, napdy (cierne, zbate), cz maszynowa oraz jednostka pomocnicza, wózki hamulcowe, zestawy none, zestawy wcigników, cigła. Moduł oblicze trakcyjnych słuy do wykonania oblicze umoliwiajcych ocen wybranej konfiguracji kolejki podwieszonej w wietle okrelonych warunków przyszłego prowadzenia transportu Konfigurator kolejek podwieszonych Konfigurowanie cignika moliwe jest po wprowadzeniu nastpujcych danych: typ kabiny, liczba i rodzaj napdów, typ czci maszynowej oraz typ jednostki pomocniczej. Wózki hamulcowe dobierane s ze wzgldu na warto statycznej siły hamownia oraz układu, w którym mog pracowa, np. DUO lub QUADRO. Dobór zestawów nonych i wcigników wymaga podania przez uytkownika danych trasy, tj. profilu szyny, długoci szyn oraz nonoci złczy. Parametry trasy mog znaczco wpłyn na obnienie masy przewoonych ładunków. Konfiguracja kolejki podwieszonej jest przedstawiana w postaci interaktywnego schematu, na którym istnieje moliwo wzajemnego przemieszczania poszczególnych komponentów kolejki, rysunek Moduł oblicze trakcyjnych Utworzona konfiguracja kolejki podwieszonej jest zapisywana w bazie danych, w postaci pliku projektu i weryfikowana za pomoc modułu oblicze trakcyjnych. Prowadzenie oblicze trakcyjnych jest obowizkowe, a ich wyniki zamieszcza si w Dokumentacji Układu Transportu [3]. Realizacja oblicze jest w pełni automatyczna, a wyniki s udostpniane uytkownikowi w postaci pliku raportu. Zawarto raportu oraz moliwe warianty oblicze opublikowano w [6]. 3. Doskonalenie funkcjonalnoci modułów systemu STD Moduły systemu STD wdroone w JSW S.A. s na bieco uaktualniane i udoskonalane. Celem wprowadzanych zmian jest poprawa funkcjonalnoci, takiej jak zwikszenie prdkoci wykonywania oblicze, generowania raportu czy wczytywania stron internetowych systemu. Uaktualnienia te s wynikiem propozycji pracowników JSW S.A. (uytkowników) oraz aktualnych trendów i technik, jakie wykorzystywane s przez deweloperów stron internetowych. W ramach uytkowania systemu przeprowadzono wiele spotka, konsultacji, a take szkolenia. Wymiana danych pomidzy modułami realizowana jest w oparciu o struktur bazodanow. Obecnie w bazie danych znajduje si ok. 300 rekordów obejmujcych dane tekstowe i graficzne dotyczce cigników (napdy, kabiny, czci maszynowe, jednostki pomocnicze), wózków hamulcowych, zestawów nonych, wcigników, trawers wzdłunych i poprzecznych, cigieł, szyn trasy oraz elementów graficznych (ikonek). Obecnie opracowywane i rozwijane s moduły przedstawione na rysunku 3. Rys.3. Rozwijane moduły systemu STD (opracowanie własne na podstawie [1, 6, 7]) Rys.2. Graficzna prezentacja konfiguracji [6] Uzupełnieniem graficznej prezentacji kolejki jest wykaz cigieł łczcych poszczególne komponenty. W ten sposób moliwe jest dokładne obliczenie długoci i masy kolejki. W okresie wdraania systemu w JSW S.A. zmodyfikowano szkielet strony tak, aby zapewni przyjazne korzystanie z systemu STD na smartfonach i tabletach. Wielko liter oraz układ dostosowany jest do rozdzielczoci ekranu, co sprawia, e nawet na małym ekranie moliwa jest obsługa systemu STD. Dodatkowo wprowadzono zakładk nowoci, gdzie MASZYNY GÓRNICZE 2/

3 podawane s informacje o zmianach systemu STD, szkoleniach, ankietach, itp. W celu zapewnienia uytkownikowi wikszej przejrzystoci zrezygnowano z bocznego menu, przez co obszar roboczy poszczególnych modułów zwikszył si. Opcje z bocznego menu przeniesiono na górn cz obszaru roboczego strony internetowej. Do zmian w module konfiguratora kolejek podwieszonych mona zaliczy nastpujce nowe funkcje: intro podwietlenie poszczególnych pól konfiguratora, które informuj uytkownika jakie czynnoci naley wykona w danym kroku, podgld przedstawienie, w formie tabelarycznej, danych dotyczcych trasy oraz wybranych składników kolejki podwieszonej, info wywietlenie informacji na temat wybranego składnika kolejki. Funkcja ta jest dostpna w odniesieniu do kadego elementu kolejki podwieszonej, moliwo wybrania elementów kolejki nie bdcych w posiadaniu spółki wglowej, a które s aktualnie oferowane przez producentów. Składniki te s wyrónione innym kolorem oraz ikonk. Moliwo wykorzystania komponentów kolejki podwieszonej niebdcych w posiadaniu spółki pozwoli na sprecyzowanie parametrów technicznych rodków transportu przed ich ewentualnym zakupem, moliwo zapisu charakterystyki graficznej w popularnych formatach PNG, JPG, PDF, SVG. W przypadku cignika dodano wykres z charakterystyk prdkoci. Obecnie wykresy przedstawiaj aktualn charakterystyk z wprowadzonymi danymi trasy (nachylenie, siła pocigowa, prdko), wykaz i dobór cigieł łczcych składniki kolejki podwieszonej realizowany jest w oddzielnym kroku w konfiguratorze. Moduł wspomagania oblicze trakcyjnych rozszerzono o moliwo dodania charakterystyk graficznych i tabelarycznych. Z uwagi na róne typy danych wprowadzanych w poszczególnych modułach, opracowano dwie, nastpujce listy projektów: projekty z modułu konfiguratora oblicze trakcyjnych oraz modułu wspomagania oblicze trakcyjnych, projekty z modułu analizy kolizyjnoci 2D kolejek spgowych. Oprócz rozwoju wdroonych funkcji w modułach, opracowywane s aktualnie komercyjne wersje modułu analiz kolizyjnoci 2D w odniesieniu do kolejek spgowych i podwieszonych oraz konfigurator zestawów nonych Moduł analiz kolizyjnoci 2D Moduł analiz kolizyjnoci 2D wspomaga projektanta w tworzeniu nowej lub uaktualnieniu istniejcej trasy systemu transportu. Umoliwia przeprowadzenie symulacji przejazdu urzdzenia transportowego (platformy transportowej, zestawu nonego) wraz z ładunkiem po trasie kolejki. W trybie analizy 2D, w odniesieniu do wybranych odcinków trasy (zakrty, skrzyowania, rozwidlenia), wyznaczane s: obwiednia ładunku, obwiednia platformy transportowej, obwiednia trawers i obwiednia odstpów ruchowych. Wyniki analizy kolizyjnoci dokumentowane s w postaci plików graficznych CAD, co umoliwia ich analiz i dalsz obróbk przez projektanta systemu transportowego. Obecnie wikszo dokumentacji rysunkowej tych projektów powstaje z wykorzystaniem systemu projektowania AutoCAD, który jest jednym z systemów wspomagania projektowania CAD (ang. Computer Aided Design). Pracownicy Działów Przygotowania Produkcji kopal, na lokalnych stacjach roboczych wyposa- onych w program AutoCAD, przygotowuj plik DWG z wybranym fragmentem trasy kolejki. Nastpnie, poprzez przegldark internetow, loguj si do systemu STD. Po wybraniu modułu analizy kolizyjnoci 2D, poprzez formularz internetowy, wprowadzaj dane niezbdne do przeprowadzenia analizy. Analizy kolizyjnoci wykonywane s przez autorskie oprogramowanie, pracujce w rodowisku AutoCAD Server. Wyniki analizy, w postaci plików DWG, z poszczególnych etapów pracy programu, przesyłane s do uytkownika kocowego, w postaci pliku archiwum, np. ZIP. W trakcie prowadzenia symulacji mona wyróni nastpujce etapy pracy programu do analizy kolizyjnoci 2D kolejek spgowych (pliki DWG tworzone przez program symulacyjny): lokalizacja urzdzenia transportowego, wraz z ładunkiem na pocztku trasy, kolejne kroki symulacji przejazdu urzdzenia transportowego, wraz z ładunkiem po trasie kolejki; lady urzdzenia transportowego oraz ładunku, wyznaczenie obwiedni urzdzenia transportowego oraz ładunku przedstawiono na rysunku 4, wyznaczenie obwiedni odstpów ruchowych. Moduł do analizy kolizyjnoci 2D moe by stosowany w przypadku projektów systemu transportu, w których dokumentacja rysunkowa wykonywana jest w rónych systemach CAD. W takim przypadku dane wejciowe z systemu CAD (trasa kolejki, zarys wyrobiska), eksportowane s w formacie pliku DWG AutoCAD a, za wyniki analizy kolizyjnoci eksportowane s przez program AutoCAD w postaci plików systemu CAD, stosowanego w danej spółce wglowej. 32 MASZYNY GÓRNICZE 2/2014

4 Rys.4. Analiza kolizyjnoci 2D dla kolejki spgowej. Przykładowy wynik pracy programu w odniesieniu do etapu 3 obwiednie urzdzenia transportowego (platformy transportowej) oraz ładunku [1] 3.2. Konfigurator zestawu nonego W przypadku kompletnych, modułowych zestawów nonych, producenci zamieszczaj w instrukcji ograniczenia nonoci zestawu, w funkcji długoci szyn trasy kolejki podwieszonej oraz nonoci złcz na trasie, czyli tzw. charakterystyk nonoci. Jakakolwiek modyfikacja zestawu, np. wymiana cigieł na krótsze, nie uwzgldniona w instrukcji, nie jest moliwa, poniewa ten sam ciar uyteczny (netto) ładunku, mógłby spowodowa przekroczenie dopuszczalnego obcienia pojedynczego łuku obudowy chodnikowej, wynoszcego 40 kn. W ramach systemu STD rozwijane jest narzdzie umoliwiajce konfiguracj zestawów nonych zbudowanych z wcigników hydraulicznych lub rcznych, zamontowanych na wózkach nonych kolejek podwieszonych, a nastpnie prowadzenie wymaganych oblicze weryfikujcych w trybie automatycznym. Tok oblicze w konfiguratorze zestawu nonego jest nastpujcy [7]: konfiguracja modułowego zestawu nonego z dostpnych komponentów dobór cigieł, belek nonych oraz wcigników, pozycjonowanie rodka cikoci transportowanego ładunku, obliczenie wartoci sił na rolkach nonych utworzonego zestawu, pochodzcych od sumy mas zestawu nonego i transportowanego ładunku, przeprowadzenie symulacji przejazdu i obliczenie maksymalnego obcienia zawiesia dla zadanych parametrów trasy. Wynikiem działania modułu jest charakterystyka nonoci zestawu w funkcji parametrów trasy. 4. Kierunki rozwoju systemu STD W ramach aktualnych prac badawczych rozwijany bdzie moduł analiz kolizyjnoci oraz opracowywany nowy moduł do analiz dynamicznych Rozwój modułu analiz kolizyjnoci Pełn analiz kolizyjnoci przeprowadza si dysponujc przestrzennym modelem geometrycznym wyrobiska chodnikowego oraz przestrzennym modelem geometrycznym odzwierciedlajcym lad bryły transportowanego ładunku. W celu utworzenia przestrzennego modelu geometrycznego wyrobiska chodnikowego, odzwierciedlajcego jego rzeczywiste wymiary, naley wykona skanowanie laserowe. W Instytucie KOMAG, w ramach prac badawczych [2] MASZYNY GÓRNICZE 2/

5 przeprowadzono skanowanie przestrzenne fragmentu wyrobiska korytarzowego (skrzyowania), przeznaczonego do transportu materiałów i przewozu osób. Wynik skanowania w postaci chmury punktów przedstawiono na rysunku Rozwój modułu analiz dynamicznych Moduł analiz dynamicznych umoliwia bdzie obliczanie przecie dynamicznych wystpujcych w okrelonych stanach pracy kolejki podwieszonej. Na rysunku 7 przedstawiono przykładowy algorytm działania modułu analiz dynamicznych, w sytuacji awaryjnego hamowania. Rys.5. Wynik skanowania przestrzennego chmura punktów skrzyowanie wyrobisk korytarzowych na drodze transportowej rzut izometryczny [2] W celu utworzenia przestrzennego modelu geometrycznego odzwierciedlajcego lad bryły transportowanego ładunku, przeprowadzono symulacj przejazdu urzdzenia transportowego, wraz z ładunkiem, po trasie kolejki spgowej, z załoonym krokiem symulacji. Po kadym kroku tworzono kopi modelu geometrycznego ładunku w postaci bryły 3D. Po zakoczeniu symulacji, wszystkie kopie połczono w jedn brył 3D, rysunek 6. Rys.7. Algorytm działania modułu analiz dynamicznych w sytuacji awaryjnego hamowania kolejki podwieszonej [4] Rys.6. Przykładowe badania symulacyjne lad bryły transportowanego ładunku [ródło: opracowanie własne] Dysponujc modelem 3D wyrobiska chodnikowego oraz modelem 3D odzwierciedlajcym lad bryły transportowanego ładunku, dokonuje si ich wzajemnej orientacji aby uzyska jeden model 3D, zawierajcy wyrobisko chodnikowe oraz lad transportowanego ładunku. Nastpnie, dokonuje si przecicia tak otrzymanego modelu 3D płaszczyznami równoległymi do spgu (w wyniku przecicia uzyskuje si obwiedni transportowanego ładunku wpisan w przekrój podłuny wyrobiska) lub płaszczyznami zawierajcymi kolejne łuki obudowy chodnikowej (w wyniku przecicia otrzymywany jest przekrój poprzeczny transportowanego ładunku wpisany w przekrój poprzeczny wyrobiska). System STD automatycznie tworzy plik zawierajcy dane wejciowe wymagane do budowy dynamicznego modelu obliczeniowego kolejki podwieszonej. Po wczytaniu pliku danych generowany jest uproszczony model geometryczny, przedstawiony na rysunku 8. Poszczególne komponenty modelu połczone s wizami geometrycznymi oraz posiadaj przypisane atrybuty wymagane do budowy modelu obliczeniowego. Warunki pocztkowe i brzegowe modelu obliczeniowego zawieraj nachylenie trasy, po której przemieszcza si kolejka podwieszona oraz jej stan obcienia wynikajcy z masy własnej, mas transportowanych ładunków, a take wartoci sił napdowych i hamowania (sił czynnych). Po utworzeniu modelu obliczeniowego uruchamiana jest symulacja, zgodnie z opracowanym algorytmem (rys. 7). Przewiduje si, e wyniki symulacji udostpniane za pomoc systemu STD, w module oblicze trakcyjnych bd zawiera: 34 MASZYNY GÓRNICZE 2/2014

6 prdko jazdy kolejki podwieszonej, przyspieszenie kolejki podwieszonej, siły działajce na cigła łczce poszczególne komponenty kolejki. Na rysunku 9 przedstawiono przykładowy wynik symulacji przebieg siły w jednym z cigieł kolejki podwieszonej. 5. Podsumowanie Podstawowym celem stosowania systemu STD jest poprawa bezpieczestwa pracy, wynikajca z minimalizacji prawdopodobiestwa popełnienia błdów podczas konfiguracji kolejki podwieszonej, tj. doborze danych wejciowych i wykonywaniu oblicze trakcyjnych. Stosowanie systemu STD, dziki Rys.8. Uproszczony model geometryczny kolejki podwieszonej (opracowanie własne na podstawie [4]) Widoczne s trzy nastpujce fazy: faza I aktywacja i narastanie sił napdowych w tej fazie kolejka podwieszona nie przemieszcza si. Siła działajca na cigło wzrasta wraz ze wzrostem wartoci sił napdowych, Rys.9. Przykładowy przebieg siły wypadkowej działajcej na jedno cigło podczas awaryjnego hamowania kolejki podwieszonej [4] faza II sumaryczna warto sił napdowych jest wiksza ni opory ruchu, w wyniku ich działania prdko kolejki podwieszonej zwiksza si. Cigło jest rozcigane/ciskane ze stał wartoci siły wynikajcej z lokalizacji cigła w kolejce, faza III rozpoczyna si, gdy kolejka podwieszona osiga graniczn warto prdkoci. Przestaj działa siły napdowe, natomiast warto sił hamujcych ronie, poczynajc od zera. Prdko kolejki podwieszonej gwałtownie maleje. Siła działajca na cigło gwałtownie maleje (brak sił napdowych), a nastpnie wzrasta co jest wynikiem działania sił hamujcych. Przedstawiona na rysunku warto siły jest wartoci bezwzgldn. Naley jednak zauway, e podczas hamowania nastpuje równie zmiana zwrotu wektora siły działajcej na cigło, co skutkuje tym, e cigła rozcigane s w tym przypadku ciskane, a cigła ciskane s rozcigane. istotnemu wsparciu słub kopalnianych w zakresie wykonywania pracochłonnych oblicze skutkuje ukierunkowaniem prac inynierskich prowadzonych w kopalniach na prace koncepcyjne. Powoduje to, i tworzone przy wspomaganiu systemu STD konfiguracje s optymalne w aspekcie panujcych warunków i transportowanych mas ładunków. Dostpno systemu STD na platformie internetowej oraz jego struktura bazodanowa umoliwiaj szybk aktualizacj zasobów i ich uaktualnienie zgodnie z dostpnym parkiem maszynowym. Rozwój systemu STD jest odpowiedzi na faktyczne potrzeby jego uytkowników. Rozszerzanie funkcjonalnoci poprzez dodawanie nowych modułów i funkcji spowoduje, e system STD stanie si narzdziem wielozadaniowym, stosowanym powszechnie w procesie planowania pomocniczego transportu w kopalniach wgla kamiennego. Literatura 1. Dudek M., Turewicz A., Tokarczyk J.: Opracowanie modułu analiz kolizyjnoci 2D dla kolejek spgowych i jego integracja z systemem STD. MASZYNY GÓRNICZE 2/

7 Instytut Techniki Górniczej KOMAG. Gliwice, 2014.(nie publikowana) 2. Dudek M., Winkler T., Tokarczyk J., Michalak D., Szewerda K.: Modelowanie aktualnych cech geometrycznych tras transportowych kopal wgla kamiennego. Instytut Techniki Górniczej KOMAG. Gliwice, 2013 (nie publikowana). 3. Rozporzdzenie Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 r. w sprawie bezpieczestwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpoarowego w podziemnych zakładach górniczych (Dz. U. Nr 139, poz oraz z 2006 r. Nr 124, poz. 863). 4. Szewerda K., Turewicz A., Tokarczyk J.: Parametryzacja zada obliczeniowych klasy MBS (ang. MultiBody System) prowadzonych w trybie wsadowym na przykładzie modułu analiz dynamicznych systemu STD (ang. Safe Trans Design). Instytut Techniki Górniczej KOMAG. Gliwice, 2013 (nie publikowana). 5. Tokarczyk J., Dudek M., Turewicz A., Pakura A.: System wspomagania oblicze trakcyjnych dla kolejek podwieszonych z napdem własnym. Maszyny Górnicze 2011 nr 3 s Tokarczyk J., Dudek M., Turewicz A.: System wspomagania projektowania transportu kopalnianego Safe Trans Design. W: Innowacyjne Techniki i Technologie dla Górnictwa. Bezpieczestwo Efektywno Niezawodno. KOMTECH Instytut Techniki Górniczej KOMAG, Gliwice 2013 s Tokarczyk J., Turewicz A.: Weryfikacja i walidacja opracowanego narzdzia wspomagania identyfikacji sił na trasach kolejek podwieszonych. Instytut Techniki Górniczej KOMAG, Gliwice, 2011 (nie publikowana). Artykuł wpłynł do redakcji w czerwcu 2014 r. 36 MASZYNY GÓRNICZE 2/2014