Исследованиям различных аспектов открытой разработки сложноструктурных месторождений руд цветных, благородных и редких металлов посвящено много работ. В них большое внимание уделяется роли взрывных работ в обеспечении требуемого качества дробления и размещения разнородных руд в развале. Однако взаимосвязь между исходными геолого-морфологическими данными, параметрами расположения зарядов, технологией взрывных работ и их конечными результатами в этих источниках не раскрыта, что требует проведения соответствующих исследований.

При взрывных работах на карьерах происходит разрушение горного массива, следствием чего является трансформация внутренней структуры взрываемого участка. В зависимости от параметров расположения скважинных зарядов в массиве, последовательности их инициирования, способа взрывания можно достичь различных результатов в указанном направлении. Эффективное ведение добычных работ и рациональное использование минеральных ресурсов основывается на идентификации закономерностей размещения полезных ископаемых в массиве и развале, оперативном управлении процессами, обеспечивающих стабильное качество добываемой руды. В связи с этим разработка программно-технических комплексов с интегрированной SCADA-системой, на основе параметров расположения зарядов в сложноструктурном блоке, размещении разнородных пород сложноструктурных блоков в развале с учетом их горно-технологических характеристик является актуальной [1].

В настоящее время является актуальной проблема создания автоматизированных систем расчета параметров взрывных работ и проектирования массовых взрывов, а также автоматизированных систем анализа данных о структуре и механических свойствах разрушаемой среды. Для этих целей разработана интеллектуальная система компьютерного моделирования объектов горной технологии в программной среде Unity Pro и на ее основе компьютерная технология автоматизированного расчета и проектирования открытых массовых взрывов любой сложности, основанная на моделировании объектов горной технологии, интерактивной графике, компьютерных средств обработки результатов моделирования и формирования рабочих чертежей и технической документации. Основное преимущество данной технологии заключается в системном подходе при решении геологических, маркшейдерских и технологических задач, обеспечивающих реализацию программных средств проектирования в едином информационном пространстве горного предприятия.

Программный пакет может являться частью автоматизированной системы управления технологическим процессом, научного эксперимента, производственного процесса и т.д. Программное обеспечение может быть установлено на компьютеры, для связи с объектом используются программируемые логические контроллеры (ПЛК), драйверы ввода-вывода или OLE (Object Linking and Embedding for Process Control/Dynamic Data Exchange (OPC/DDE)) серверы. Программный код может быть, как написан на языке программирования, так и сгенерирован в среде проектирования.

Данный программный пакет решает следующие задачи: обмен данными с "устройствами связи с объектом", (то есть с контроллерами и платами ввода/вывода) в реальном времени через драйверы; обработка информации в реальном времени; логическое управление; отображение информации на экране монитора в удобной и понятной для человека форме; ведение базы данных реального времени с технологической информацией; аварийная сигнализация и управление тревожными сообщениями; подготовка и генерирование отчетов о ходе технологического или производственного процесса; обеспечение связи с внешними приложениями (системы управления базами данных, электронные таблицы, текстовые процессоры и т.д.).

В системе управления предприятием такими приложениями чаще всего являются приложения, относимые к уровню MES - систем (Manufacturing Execution System) - специализированное прикладное программное обеспечение, предназначенное для решения задач синхронизации, координации, анализа и оптимизации выпуска продукции в рамках какого-либо производства [2,3].

Проведенный анализ научно-технической литературы и опыт отечественной и зарубежной практики горнодобывающих предприятий показывает, что при разработке сложноструктурных месторождений открытым способом от результатов их взрывной подготовки к выемке зависят не только высокопроизводительная работа выемочно-погрузочного, транспортного и дробильного оборудования, но и количественные и качественные потери полезного ископаемого, а также энергозатраты на производстве.

Взрывная подготовка сложноструктурных блоков к выемке должна отвечать следующим требованиям: обеспечить равномерное качественное дробление взорванной горной массы, что предопределяет объем и качество сложной селекции; обеспечить необходимые технологические параметры развала взорванной горной массы; обеспечить наименьшее перемешивание дробления в процессе взрыва различных сортов руды между собой и с пустыми породами; придать рудному телу (включениям) в развале форму, удобную для обособленной выемки с наименьшими количественными и качественными потерями; уменьшить энергозатраты на производстве.

В связи с изложенным, целью наших работ является разработка программно-технических комплексов проектирования параметров буровзрывных работ, визуализация в режиме реального времени моделей развала взорванной горной массы при различных способах взрывания; прогнозирование размещения разнородных пород сложноструктурного блока в развале. Разработка рекомендаций по минимизации количественных и качественных потерь при отработке сложноструктурных блоков. Кроме того наблюдать реальный эксперимент в производственных условиях, как правило, недоступно, а на виртуальных стендах можно один и тот же эксперимент запустить несколько раз в режиме реального времени, изменив его параметры, и сравнить результат.

Указанные задачи успешно могут быть решены с использованием модели поэтапного разрушения пород уступа при взрыве скважинных зарядов, разработанной Б.Р. Ракишевым [4].

Эмпирические зависимости содержат коэффициенты, использование которых дает лишь ориентировочные значения интервала. Положив в основу методику расчета параметров БВР, базирующуюся на учете физико-механических свойств пород и детонационных характеристик ВВ, можно установить рациональные параметры БВР, не прибегая к реальному эксперименту. В свою очередь это позволит улучшить подготовку высококвалифицированных кадров в технических высших учебных заведениях (ВУЗ) [1].

Программно-технический комплекс системы автоматизированного проектирования расчета БВР нагляден, удобен в использовании и имеет несложный интерфейс. Программа системы автоматизированного проектирования БВР позволяет оперативно рассчитать параметры БВР для составления паспорта на бурение скважин и проектирования массового взрыва в конкретных производственных условиях, а также визуализировать результаты БВР и генерировать рекомендации по уменьшению количественных и качественных потерь.

Возможности интегрированных SCADA-систем обширны, кроме приложенных непосредственно к программной среде библиотек различных приборов и устройств, они позволяют также произвольно создавать объекты любой сложности, программировать принципы функционирования различных процессов и виртуально запускать в режиме реального времени, с учетом всех факторов исследуемого процесса.

Описание алгоритма программы:

1. Начало.

2. Вводятся исходные данные: - плотность породы, кг/м³; с - скорость звука в породе, м/с; н - коэффициент Пуассона; - предел прочности на сжатие, Па; - предел прочности на растяжение, Па; - плотность взрывчатого вещества, кг/м³; D - скорость детонации, м/с; H - высота взрываемого блока, м; - диаметр скважины, м; p - вместимость единицы длины скважины, кг/м.

3. Определяются: Р_с - прочностная характеристика среды, Па; Р_н - начальное давление продуктов детонации, Па.

4. Определяются: - относительный предельный радиус полости; - предельный радиус полости, м; - радиус зоны мелкого дробления, м; - радиус зоны радиальных трещин, м.

5. Определяются: W - линия сопротивления по подошве уступа (ЛСПП), м; а - расстояние между скважинами, м; - расстояние между рядами скважин, м; - длина заряда над уровнем подошвы уступа, м; ?₂ - длина незаряженной части скважины, м; ?_п - длина перебура скважины, м.

6. Определяются: ?₁ - длина заряда в скважине, м; ?_c - глубина скважины, м; h_{вп -} длина промежутка между частями заряда, м; n - число частей заряда.

7. Определяются: Q - масса заряда в скважине, кг; u - скорость перемещения стенок полости, м/с; ф - время замедления, с; q_р - удельный расход ВВ, кг/м3.

8. Выводятся на экран результаты вычислений и визуализация уступа.

9. Конец.

Программный интерфейс проектирования автоматизированных систем управления технологических процессов (АСУТП) с использованием интегрированной SCADA-системы Unity Pro (Schneider Electric), предполагает использование браузера проекта, который предназначен для разработки структуры проекта и математической основы обработки данных и управления. Использование редактора представления данных служит для разработки графической составляющей проекта. Применения новейших информационных технологий и программных продуктов, которые дают возможность успешного использования прикладных методов идентификации промышленных объектов разных классов с алгоритмами их реализации для получения не только качественных, но и количественных моделей исследуемых объектов, повышает эффективность управления сложными промышленными объектами.

Unity Pro - это программная среда конфигурирования, программирования, отладки и диагностики исполнительной системы промышленных контроллеров Modicon производства Schneider Electric: Modicon M340, TSX Premium (включая Atrium) и Quantum. Единая программная среда - "все в одном", 5 языков стандарта МЭК 61131-3, встроенная адаптируемая Библиотека Функциональных Блоков (Derived Function Block (DFB)), симулятор программируемого логического контроллера ПЛК в персональном компьютере для отладки программ, встроенная диагностика, полный набор онлайн сервисов [2,5].

Необходимо создать проект в среде Unity Pro, а затем конфигурацию контроллера Modicon M340 c процессором PLC BMX P34 2020, добавить дискретный модуль DDM 3202K в слот 1, дискретный модуль DDО 3202K в слот 2, аналоговый модуль AMI 0410 в слот 3, аналоговый модуль AMО 0410 в слот 4 [2]. Расчет произведен на примере диоритовых порфиритов Сарбайского месторождения. Все данные вводятся в символьную таблицу переменных Elementary Variables. На рисунке 1 представлено рабочее поле программы автоматизированного проектирования буровзрывных работ (БВР).

Рисунок 1 - Рабочее поле программы на языке LADDER (LD)

После запуска программы открывается следующее окно и вводятся соответствующие данные: плотность породы с₀, кг/м³; скорость звука в породе с, м/с; коэффициент Пуассона ; предел прочности на сжатие у_сж, Па; предел прочности на растяжение у_раст, Па; плотность применяемого взрывчатого вещества; с_вв кг/м³; скорость детонации D, м/с; высота уступа Н, м; диаметр скважины d₀, м; вместимость единицы длины скважины р, кг/м.

После ввода всех данных можно их либо изменить, либо произвести расчет, нажимая соответствующую кнопку "данные введены". В итоге программы появляется окно с выводом всех результатов, прорисовываются контуры массива в соответствии с расчетными параметрами. Далее можно произвести расчет заново нажатием на опцию "начать заново" или изменить какие-либо данные, представлено на рисунке 2.

Рисунок 2 - Окно вывода результатов

Данные также можно ввести и посредством анимационной таблицы. Выводы результатов также регистрируются в этой таблице и изменяются в режиме реального времени, показано на рисунке 3.

Рисунок 3 - Анимационная таблица ввода данных и вывода результатов

Тестовые результаты совпадают с результатами из контрольного примера, что подтверждает работоспособность программы и ее пригодность для использования.

Обширная научно-техническая литература затрагивает, в основном, лишь некоторые узкоспецифические вопросы и ограничивается рассуждениями общего характера на основе сложных математических выкладок, которые не очень хорошо воспринимаются обучающимися, и не дают конкретных рекомендаций по их прикладному использованию, а также наглядной демонстрации реальных производственных и технологических процессов и влияния изменения некоторых параметров в режиме реального времени на конечный результат (продукт). В связи с этим создание виртуальных моделей в интегрированной SCADA-системе, имитирующих реальные технологические и производственные процессы, контроллерное управление данными процессами, визуализацию в режиме реального времени является необходимым требованием при исследовании современных процессов.

Выводы