Ứng dụng công nghệ tự động hoá và truyền thông trong khai thác mỏ

1. Công nghệ tự động hoá mỏ hiện nay trên thế giới

Công nghệ tự động hoá mỏ hiện nay rất hiện đại, tích hợp đầy đủ cả 3 loại truyền thông video, âm thanh và dữ liệu, đã được nhiều mỏ tại các nước như Mỹ, Anh, Australia, Trung Quốc… sử dụng các hệ thống tự động hoá mỏ hiện đại hiện nay về cơ bản có cấu tạo giống nhau, chủ yếu sử dụng cáp quang để truyền thông tin. Nền tảng cho một hệ thống gồm hai phần cơ bản là mạng điều khiển - giám sát tốc độ cao và phần mềm. Hai thành phần này là nền tảng để tích hợp trên phạm vi toàn mỏ, thậm chí trên phạm vi lớn hơn.

* Mạng điều khiển và giám sát tốc độ cao

Mạng điều khiển và giám sát tốc độ cao được sử dụng hiện nay chủ yếu là mạng Ethernet công nghiệp. Mạng Ethernet công nghiệp đóng vai trò truyền dẫn thông tin chính trong hệ thống tự động hoá mỏ, nó được sử dụng hầu hết tại các mỏ than ở trên thế giới. Có cấu trúc truyền thông điểm - điểm và truyền dẫn bằng cáp quang tích cực có thể cung cấp một dải băng thông truy cập rất rộng, có thể tích hợp nhiều dịch vụ truyền thông khác nhau như truyền video, âm thanh, dữ liệu, do đó khả năng ứng dụng của nó rất lớn.

Phân cấp mạng truyền thông trong hệ thống:

- Cấp giao diện người vận hành và giám sát: Ethernet

- Cấp mạng của các bộ điều khiển

- Mạng cấp thường (cấp thiết bị).

* Phần mềm cho hệ thống tự động hoá mỏ

Phần mềm hệ thống tự động hoá là một nhân tố chính của hệ thống, nó bao gồm phần mềm quản lý, phần mềm điều khiển và phần mềm dịch vụ WEB. Phần mềm được cài đặt trên máy chủ điều khiển và quản lý của lớp điều khiển, và được cài đặt trên máy chủ WEB để quản lý các lớp cao hơn.

Phần mềm hệ thống tự động hoá có hai phần: phần thứ nhất là thiết kế cấu hình và phần thứ hai là phần được phát triển dựa trên cấu hình được thiết kế đó, phần này có thể được thiết kế tuỳ chọn theo yêu cầu cụ thể của từng mỏ. Phần mềm cấu hình gần gũi với giao diện người dùng (HMI) của các hệ thống con trong hệ thống tự động hoá hơn so với phần mềm xử lý dữ liệu cuối và trao đổi thông tin nội bộ của tầng quản lý. Tuy nhiên, phần mềm tự động hoá ở phần thiết kế tuỳ chọn (phần thứ 2) có nhiều tiện ích để hỗ trợ vận hành hệ thống có hiệu quả cao, nó được gọi là phần mềm của các hãng thứ 3 (được các hãng thứ 3 đưa ra để hỗ trợ cho một thiết bị phần cứng máy tính nhãn hiệu có sẵn), nó đáp ứng được các yêu cầu hết sức cụ thể của người dùng (các mỏ than).

Sau đây là hai hệ thống tự động hoá mỏ điển hình đã và đang được ứng dụng rất rộng rãi ở Trung Quốc và Mỹ.

a. Hệ thống tự động hóa mỏ tích hợp từ nơi sản xuất đến các cấp doanh nghiệp và rộng hơn nữa của Tập đoàn Rockwell - Mỹ.

Hệ thống này đã được ứng dụng tại nhiều mỏ trên thế giới. Hệ thống phân cấp thành 4 cấp mạng chính, mỗi cấp có chức năng phù hợp với từng cấp vận hành và quản lý của mỏ than, xuyên suốt từ văn phòng cho đến tận vỉa than:

- Cấp giao tiếp và truyền thông sản xuất: Chủ yếu là các máy tính có cài đặt các phần mềm tự động hoá giám sát toàn bộ hoạt động của mỏ, lập lịch sản xuất, theo dõi vật tư và xuất báo cáo, phân tích dữ liệu thông qua mạng Ethernet. Cấp này thuộc bộ phận điều độ sản xuất của mỏ.

- Cấp các thiết bị nền hệ thống tự động hoá: Cấp này kết nối trực tiếp với cấp giao tiếp và truyền thông sản xuất thông qua mạng Ethernet cáp quang và cung cấp mọi thông tin cho cấp đó. Cấp này bao gồm các thiết bị điều khiển khả trình, điều khiển tuần tự, điều khiển quá trình, điều khiển biến tần.

- Cấp các thiết bị tự động hóa (cấp trường), bao gồm các thiết bị đo lường, các trạm điều khiển cơ cấu truyền động điều khiển, hệ thống thuỷ lực, các máy khai thác, đào lò,…

- Cấp doanh nghiệp: là cấp mạng cao nhất được cung cấp thông tin từ cấp giao tiếp và truyền thông sản xuất thông qua mạng LAN, nó thuộc khối văn phòng công ty và có chức năng quản lý bán hàng và các hoạch định kinh doanh, hoạch định nhu cầu vật tư, hoạch định nguồn nhân lực cho sản xuất (máy móc, thiết bị và nhân lực), quản lý chuỗi cung ứng. Cấp này còn quản lý máy chủ cấp 2, phục vụ cho thương mại điện tử khai thác mỏ qua Internet.

b. Hệ thống tự động hoá mỏ tích hợp từ nơi sản xuất đến cấp doanh nghiệp và rộng hơn nữa của Viện Nghiên cứu mỏ Hàng Châu - Trung Quốc.

Hệ thống được chia làm 3 cấp mạng cơ bản:

- Cấp quản lý: tương tự như cấp doanh nghiệp của doanh nghiệp của hệ thống của tập đoàn Rockwell.

- Cấp điều khiển: chính là cấp giao tiếp - truyền thông sản xuất và cấp các thiết bị nền tự động hoá của hãng Rockwell như mô tả trên. Tuy nhiên, cấp điều khiển trong hệ thống này chia thành nhiều trạm quản lý và điều khiển chuyên biệt hơn cho mỏ than như: trạm quản lý thông gió, quản lý trục tời, quản lý trạm phân phối điện, giám sát và điều khiển vận tải,… Cấp này thuộc trung tâm điều độ sản xuất của mỏ.

- Cấp thiết bị: bao gồm các thiết bị đo lường, các trạm điều khiển cơ cấu truyền động điều khiển, hệ thống thuỷ lực, các máy khai thác, đào lò, camera, điện thoại IP…

Đặc điểm nổi bật của các hệ thống tự động hoá mỏ hiện đại ngày nay là tốc độ truyền thông rất cao, có khả năng truyền video, âm thanh và dữ liệu. Do vậy, nó có khả năng bao quát được mọi hoạt động của mỏ, tích hợp cả giám sát hình ảnh, hệ thống điện thoại cố định và không dây, khả năng mở rộng của hệ thống là rất lớn.

Hiện nay và trong nhiều năm tới, hệ thống truyền thông số phục vụ điều độ sản xuất cho toản mỏ và hệ thống truyền thông cục bộ khuyếch đại thẳng phục vụ cho các gương lò, vẫn là dạng có dây. Trong những năm tới, hệ thống truyền và điều độ sản xuất mỏ hầm lò sẽ là hệ thống truyền thống IP dựa trên mạng truyền thông cáp quang tốc độ cao. Hệ thống truyền thông không dây cũng sẽ được chú trọng đưa vào sử dụng. Trong số các hệ thống truyền thông không dây cho mỏ than, có hệ thống truyền thông không dây CDMA là một hệ thống truyền thông và điều độ sản xuất không dây đa chức năng, đáp ứng được nhu cầu truyền thông cho toàn mỏ tren phạm vi rộng, hệ thống có chức năng truyền thông song công, truyền dữ liệu không dây di động, truyền hình ảnh không dây di động, hiển thị cuộc gọi đến, truyền nhận thông điệp dạng tin nhắn và dạng âm thanh. Hệ thống có khả năng bao quát toàn mỏ rất tốt, có thể sử dụng sóng radio tại mọi vị trí của mỏ và hỗ trợ truyền thông đồng thời với nhiều thiết bị khác nhau.

2. Sơ lược về tình hình ứng dụng công nghệ tự động hóa và truyền thông trong ngành mỏ Việt Nam

2.1. Tự động hóa mỏ

Ngành than Việt Nam đang tiến hành đầu tư mở rộng sản xuất xuống sâu, triển khai chương trình cơ giới hoá khấu than, nâng cao công suất lò chợ, đầu tư thêm nhiều thiết bị công nghệ lớn như băng tải, máy đào lò, combai, giá khung di động…

Trong những năm gần đây, ngành than đáp ứng nhiều công nghệ mới, một số khâu công nghệ cũng đã được tự động hoá và đã đạt được những thành tựu rất khả quan, sản lượng than không ngừng tăng lên, an toàn lao động được cải thiện rõ rệt. Các hệ thống quan trắc khí, gió tự động, dàn chống tự hành, combai… đã và đang được triển khai rộng rãi. Tuy nhiên, việc áp dụng tự động hoá còn rất hạn chế, chỉ ở phạm vi cục bộ chứ chưa có một hệ thống tự động hóa nào có khả năng bao quát được toàn mỏ cũng như khả năng quản lý cấp cao. Các hệ thống điều khiển vẫn chủ yếu là các hệ thống điều khiển dạng on/off bằng tay, các hệ thống giám sát từ xa cũng chủ yếu là giám sát trạng thái bằng tín hiệu on/off, chưa có nhiều các thiết bị đo lường, và chưa có mạng truyền thông số.

Trong những năm tới, các mỏ than cần thiết phải xây dựng các hệ thống điều khiển và giám sát chuyên dụng, hệ thống điều khiển băng tải, hệ thống điều khiển và giám sát cung cấp điện, giám sát khí, gió tự động, điều khiển - giám sát các khu vực khai thác… Các hệ thống này cần được tích hợp vào một mạng có tốc độ cao chung cho toàn mỏ. Mạng này sẽ dần dần được hoàn thiện, mở rộng hơn do các hệ thống tự động hóa tại các khu vực sản xuất cục bộ và các khâu trung gian ngày càng phát triển.

1.2. Truyền thông mỏ

Là một dạng thông tin phục vụ cho công việc điều hành sản xuất trong các mỏ than. Do đặc thù của các mỏ than có nhiều khu vực sản xuất phân cách xa nhau và nhiều công đoạn khác nhau, cho nên rất khó có thể bao quát hết mỏ bằng một hệ thống truyền thông hoặc bằng một chế độ truyền thông duy nhất. Cần phải sử dụng cả mạng truyền thông bằng hệ thống điện thoại cố định và hệ thống điện thoại không dây nếu phân loại theo chế độ làm việc của hệ thống truyền thông. Còn nếu phân loại theo phạm vi sử dụng thì chia thành hệ thống truyền thông dùng cho điều độ sản xuất trong toàn mỏ và hệ thống truyền thông phục vụ cho khu vực sản xuất cục bộ.

Ở Việt Nam , hệ thống điện thoại phòng nổ đã được sử dụng từ rất sớm phục vụ cho công tác điều hành sản xuất mỏ. Trong những năm 80, hệ thống thông tin truyền thông bằng tín hiệu tương tự đã được ứng dụng, và trong những năm 90, hệ thống truyền thông số đã được phát triển có khả năng quản lý tới hàng trăm điện thoại trong hầm mỏ, đáp ứng được nhu cầu truyền thông điều hành sản xuất cho rất nhiều mỏ.

Hệ thống truyền thông không dây cũng đã được nhiều nước trên thế giới sử dụng làm mạng truyền thông của mỏ hầm lò như hệ thống truyền thông xuyên lòng đất, hệ thống truyền thông bằng mạng cáp dò sóng, truyền thông sóng cảm ứng từ, truyền thông sóng mang cảm ứng từ, truyền thông sóng mang, truyền thông CDMA… Tuy nhiên, ở Việt Nam , các mỏ hầm lò chưa sử dụng nhiều dạng truyền thông này. Hiện tại, mới chỉ có một số ít mỏ như mỏ Mạo Khê sử dụng hệ thống đàm thoại không dây sóng dài nhưng mới trên quy mô nhỏ và một số mỏ đang có dự án triển khai hệ thống multiCOM của Ba Lan dựa trên nguyên lý truyền thông bằng mạng cáp dò sóng.

3. Xu hướng ứng dụng hệ thống tự động hoá trong ngành khai thác mỏ Việt Nam những năm tới.

Ngành khai thác mỏ ở Việt Nam đang trong thời kỳ đổi mới, các thiết bị và máy móc ngày càng được nâng cấp hiện đại hơn. Tuy nhiên, các mỏ chú trọng vào cải tiến nâng cấp các thiết bị cụ thể chứ chưa có kế hoạch xây dựng một hệ thống tự động hóa và truyền thông cho các khâu công nghệ cũng như trên quy mô toàn mỏ. Việc xây dựng hệ thống tự động hoá tích hợp toàn diên sẽ gặp nhiều khó khăn, vì để xây dựng một hệ thống như vậy yêu cầu phải nâng cấp đồng bộ các trang thiết bị trong các khâu sản xuất, cách điều hành - quản lý cũng bị thay đổi theo. Nhưng đây là xu hướng tất yếu để hiện đại hoá ngành khai thác mỏ, hơn nữa ngành than Việt Nam đang ngày càng khai thác xuống sâu, chi phí sẽ ngày càng tăng lên, yêu cầu về an toàn và hiệu quả sản xuất cũng tăng lên, do đó nhu cầu hiện đại hoá để nâng cao hiệu quả sản xuất là cần thiết.

Để xuất tự động hoá tại các khâu sản xuất cụ thể:

1. Hệ thống kiểm soát và giám sát an toàn mỏ than. Gần đây một số nước như Trung Quốc, Mỹ đã ban hành hệ thống kiểm soát và giám sát an toàn ch các mỏ than, yêu cầu các mỏ phải trang bị hệ thống này và thiết bị sử dụng trong hệ thống phải có tính ổn định cao. Việt Nam chưa có quy định này đối với ngành khai thác mỏ và hệ thống kiểm soát và giám sát an toàn mỏ ở Việt Nam hầu như chưa có và nếu có thì mới ở dạng đơn giản. Hiện tại, ngành than có dự án đưa vào thử nghiệm hệ thống kiểm soát nhân sự tự động cho một số mỏ. Với yêu cầu kỹ thuật này, các hệ thống điều khiển giám sát an toàn mỏ trên thế giới sẽ ngày càng hướng tới sử dụng mạng truyền thông có tốc độ cao, độ ổn định cao và có khả năng chống nhiễm điện từ tốt.

2. Hệ thống điều khiển và giám sát mạng cung cấp điện. Hệ thống cung cấp điện trong các mỏ than chủ yếu là trên mặt bằng và các trạm phân phối cấp thấp hơn trong lò được trang bị các chức năng bảo vệ rò, quá tải, ngắn mạch, ngắn mạch pha đơn giản và độc lập trong các vỏ biến áp phòng nổ và các khởi động từ phòng nổ trong lò. Việc sử dụng mạng truyền thông và các thiết bị bảo vệ hiện đại mang tính hệ thống hầu như không có, vì các mỏ hầu như không trang bị thiết bị quản lý tập trung cho hệ thống cung cấp điện trong các khu vực khai thác. Khi được trang bị hệ thống điều khiển và giám sát cung cấp điện trong lò sẽ không cần người làm việc trong các trạm phân phối điện mà vẫn giám sát được các trạng thái hoạt động của hệ thống một cách chính xác thông qua kết nối hệ thống các thiết bị bảo vệ và các thiết bị camera giám sát, từ đó xuất ra các tín hiệu cảnh báo, điều khiển, điều chỉnh kịp thời. Hệ thống còn có khả năng thay đổi các chức năng bảo vệ, giám sát trực tuyến các sự cố từ xa và thực hiện tự động các quy trình cung cấp điện để đảm bảo an toàn và hiệu quả sản xuất.

3. Hệ thống tự động hóa bơm nước trong các mỏ than. Hầu như các mỏ không lắp đặt hệ thống tự động hoá cho các máy bơm. Chủ yếu do các van bơm thường hay hỏng hóc vì chất lượng nước trong mỏ không ổn định, do đó các hệt thống bơm nước thường làm việc không ổn định trong khoảng thời gian dài. Nhìn chung, các mỏ than thường sử dụng rất nhiều bơm nước và công suất mỗi bơm thường là lớn tới hàng trăm kilowatt. Do vậy, việc xây dựng hệ thống bơm nước tự động không chỉ có độ an toàn, ổn định cao mà cần phải tiết kiệm năng lược là rất cần thiết.

4. Hệ thống điều khiển và điều hành phương tiện vận tải. Phương tiện vận tải trong các mỏ chủ yếu là thực hiện việc vận chuyển than và vật liệu, bao gồm loại có đường ray (tàu điện) và loại không có đường ray. Rất cần thiết để kiểm soát tình trạng hoạt động của các phương tiện một cách tự động để nâng tầm quản lý của mỏ lên mức hiện đại. Khâu này chủ yếu dựa trên công nghệ truyền thông không dây.

5. Hệ thống truyền hình ảnh số công nghiệp. Hiện tại, các mỏ than đều dùng dạng truyền video tương tự. Với sự phát triển và khả năng ứng dụng rộng rãi của công nghệ truyền thông tốc độ cao trong các mỏ than hầm lò thì xu hướng tích hợp cả ba loại mạng (video, âm thanh, dữ liệu) thành một mạng sẽ rất tiện ích và theo đó hệ thống truyền video số cũng được phát triển mạnh hơn.

6. Hệ thống điều khiển và giám sát gương lò. Hiện tại, chủ yếu là các bộ phận điều khiển tự động độc lập cho các máy khai thác đơn lẻ như dàn chống thuỷ lực, combai, máy đào lò,… chưa có hệ thống điều độ tập trung cho gương lò. Hệ thống này sẽ cần thiết phải truyền thông không dây tín hiệu video và các thông tin của máy khai thác (chẳng hạn như vị trí của máy khai thác đang di chuyển) một cách chính xác và ổn định so với tâm của đường lò than trong các gương lò than và lò đào, thực hiện điều khiển - giám sát các thiết bị như máy khấu than, máng cào, băng tải, trạm bơm, các thiết bị cấp nguồn,.. và truyền các thông tin về trung tâm điều độ trên mặt bằng.

4. Kết luận

Ngành mỏ trên thế giới đã có những bước tiến lớn trong ứng dụng khoa học công nghệ, đặc biệt trong lĩnh vực tự động hoá, truyền thông và thông tin điều độ. những tiến độ kỹ thuật không chỉ nâng cao hiệu quả, năng suất lao động mà đã giảm thiểu ở mức thấp nhất các tai nạn, sự cố trong hầm lò. Cụ thể, ở nhiều nước như Australia, Trung Quốc, Ba Lan, Nhật Bản, Anh… đã áp dụng công nghệ tự động hoá tiên tiến vào ngành mỏ nên gần đây không thể xảy ra vụ nổ khí nghiêm trọng nào. Trên cơ sở cấu trúc hạ tầng sẵn có, cộng thêm những thành tựu gần đây trong ứng dụng tin học, vi xử lý, sản xuất mỏ hầm lò sẽ còn hiện đại, văn minh hơn trong những năm tới.