Proceedings of International Scientific Conference of FME Session 4: Automation Control and Applied Informatics
Paper 3
Simulační modely odtěžení důlní kolejovou dopravou BURÝ Alois1 & HOVJACKÝ Jan2 1
Doc., Ing., CSc.,
2
Ing.
VŠB-TU Ostrava, Poruba, tř. 17. listopadu
[email protected]
Abstrakt: Příspěvek se zabývá problematikou modelování a simulace důlní kolejové dopravy na uhelném hlubinném dole, pro účely projektování systémů odtěžení, jejich optimalizace a řízení odtěžení uhlí u kombinovaného systému dopravy. Cílem řízení je eliminovat nežádoucí prostoje v dopravním procesu, při současné optimalizaci počtu vlakových souprav.Toto si vyžaduje použití simulačních modelů, realizovaných pomocí simulačního programu,který jsme realizovali na našem pracovišti Institutu ekonomiky a systémů řízení. Klíčová slova: operativní řízení,kolejová doprava,optimalizace,modelování a simulace
1 Úvod V souvislosti s řešením grantového projektu GAČR, č.: 105/94/1112, zabývajícím se možnostmi aplikace procesu efektivního zhodnocování uhlí, způsobem selektivního odtěžení a homogenizace [1], vznikla nutnost tvorby programu pro simulaci důlní kolejové dopravy, pro ty uhelné hlubinné doly, které mají odtěžení od úsekových zásobníků k jámě realizováno pomocí lokomotivní dopravy. Protože však bylo nutno, vzhledem k požadované co možná největší přesnosti řešení, vycházet z analýzy důlní kolejové dopravy v konkrétních podmínkách daného dolu, byly užity matematické formulace [2] umožňující projektování systému kolejové dopravy. Simulační program, který jsme realizovali na našem pracovišti Institutu ekonomiky a systémů řízení, byl nazván Lokdop a umožňuje mimo výše uvedené i optimalizaci počtu vlakových souprav. Řízení dopravního procesu na uhelném hlubinném dole pak musí zabezpečit jeho optimalizaci tak, aby nevznikaly netechnologické prostoje, které by byly příčinou výpadků v těžbě a v konečném důsledku nerentabilnosti celého dobývacího procesu.
2 Simulační program Menu simulačního programu Lokdop obsahuje 14 podmenu s nichž 8 se týká přímé tvorby modelu a prezentace výsledků simulace. Jsou to tyto výpočetní režimy: ! ! ! ! ! ! ! !
1. Volba typů lokomotiv a důlních vozů 2. Výpočet průměrné vzdálenosti na těžním patře 3. Rozdělení jednotlivých tratí na úseky 4. Určení počtu důlních vozů ve vlakové soupravě 5. Kontrola dodržení brzdné dráhy 6. Výpočet doby obratu vlakové soupravy 7. Stanovení počtu lokomotiv a důlních vozů 8. Propustnost lokomotivních tratí a vlaková frekvence u jámy
Dalšími pracovními režimy jsou: Simulace odtěžení a režim umožňující prezentaci výsledků Celkové výsledky. Program obsahuje i režimy uložení do paměti vytvořeného modelu Uložit
soubor a naopak otevření souboru pro opětovnou práci s ním Otevřít soubor. Dále jsou to: Nápověda a ukončení práce se simulačním programem Konec. V zásadě je možný dvojí způsob práce s programem Lokdop. Prvý umožňuje tvorbu nového modelu interaktivním způsobem, na základě dat získaných z analýzy konkrétních podmínek na daném dole. Druhý se týká simulace činnosti dopravního systému na již předem vytvořeném modelu. Při tvorbě simulačního modelu je nezbytné dodržet číselnou posloupnost režimů 1 až 8, které jsou uvedeny v hlavním menu programu. Nemůže se například provést výpočet doby obratu vlakové soupravy, nebyla –li předem zadána průměrná vzdálenost těžního patra,atp. Počátečním režimem je tedy podmenu 1, kdy po jeho volbě se v okně objeví nabídka pro volbu typu lokomotiv, včetně uvedení hmotnosti,rychlosti a tažné síly na háku, a současně i nabídka volby typu důlních vozů s uvedením jejich hmotnosti, objemu korby, délky, hmotnosti náplně a sypné hmotnosti materiálu. Pro podmínky OKD,a.s. se nabízí výběr lokomotivy ze tří typů: DH 100 D.0, DH 70 D.2 a typ DH 30 D. Po zvolení typu lokomotivy se zobrazí její trakční charakteristika. Následně se v rámci tohoto podmenu volí typ důlních vozů. Jsou nabízeny tyto možnosti: JDV 1,25, VSV 3,3 a typ VSV 5,3. Pro zvolený typ lokomotivy DH 100 D.0 lze zvolit typ vozů VSV 5,3 nebo i JDV 1,25. Pro lokomotivu typu DH 70 D.2 je možné zvolit vozy typu VSV 3,3 nebo JDV 1,25. Zvolený typ lokomotivy DH 30 D umožňuje volbu vozíků JDV 1,25. Po zvolení typů důlních vozů se interaktivní program zeptá na sypnou hmotnost horniny. Program pak vypočte hmotnost náplně důlního vozu a tím je tento režim ukončen. Podmenu 2 slouží pro výpočet průměrné vzdálenosti lokomotivní dopravy na těžním patře. V odpovídajícím oknu se zadává počet dopravních cest vedoucích od daného plnicího místa k místu výsypnému a zpět. A následovně dopravní vzdálenosti jak pro plné vozy, tak i pro prázdné vozy. Rovněž se zadají hodnoty směnových výkonů pro jednotlivé dopravní trasy odtěžení. Po vložení těchto vstupních údajů program vypočte a zobrazí výsledky průměrné dopravní vzdálenosti patra zvlášť pro plné a prázdné vozy. Při rozdělení dopravních tras na jednotlivé jejich úseky dle tzv. konstantního úklonu v podmenu 3, program zobrazí schéma všech dopravních cest od plnících míst k výsypnému místu (označených číslem). Po zvolení dané tratě se následně otevře okno pro zadání úseků na této trase. Zadávají se délky úseků (vždy se pro informaci uživatele zobrazí zbývající délka do konce trasy), stav vozů na jednotlivých úsecích (prázdné či plné), znaménko hodnoty sklonu v daném úseku (dovrchní nebo úpadní cesta), velikost sklonu, případně poloměr a délka oblouku, pokud se tento na trase vyskytuje. Celý proces zadávání se musí zopakovat pro všechny zbývající tratě. Stanovení maximálně možného počtu důlních vozů ve vlakové soupravě se děje v podmenu 4. Zde je nutné především zadat tažnou sílu na háku lokomotivy odpovídající její jmenovité rychlosti.(maximální tažná síla byla zadána již v podmenu 1). Dalšími zadávanými hodnotami jsou: odhadovaný počet vozů v soupravě a tzv. měrný vozidlový odpor pro prázdné a pro plné vozy. Po zpracování těchto vstupních údajů program prezentuje výpočet výstupní tabulkou, ve které jsou uvedeny maximální počty vozů v soupravě pro hodnoty rozjezdu vlaku a pro hodnoty jízdy vlaku jmenovitou rychlostí, a to pro všechny úseky všech tratí společně. Výsledná hodnota vyhovující pro všechny úseky je nejmenší číslo, a je v tabulce vyznačeno obdélníkem. Pokud tato vypočtená hodnota uživateli programu nevyhovuje, je možné ji ovlivnit změnou tažné síly lokomotivy na háku při její jmenovité rychlosti. Jestliže se hodnota odhadovaného počtu vozů liší od hodnoty počtu vozů vypočtených programem, pak je nutné iterativně upravit odhadovaný počet až do rovnosti obou hodnot. V tomto pracovním režimu program rovněž provede výpočet tažné síly při jmenovité rychlosti s hodnotou pro maximální
počet vozů v soupravě, a to pro všechny úseky všech tratí.(toto však je užito až při té části výpočtu, kdy se kontroluje dodržení brzdné dráhy vlakové soupravy). Potřebuje –li projektant dopravního systému informaci o trakční charakteristice, program mu ji poskytne po stisku klávesy T. V podmenu 5 se zobrazuje okno pro výpočet maximální délky brzdné dráhy dané vlakové soupravy. Zde je nutno zadat součinitel adheze, reakční dobu brzd a odpovídající jmenovité rychlosti pro všechny úseky všech tratí. Během zadávání každé z těchto rychlostí, se zobrazí pro informaci výše vypočtená tažná síla pro příslušný úsek tratě a současně i tabulka jmenovitých rychlostí v závislosti na tažné síle. Dle toho pak si může uživatel odvodit z tabulky odpovídající rychlost a zadat ji do interaktivního programu, viz. obr.1. Po vložení všech hodnot program vypočte a zobrazí výsledné brzdné dráhy k jednotlivým úsekům tratí. Největší hodnota brzdné dráhy ze všech je prezentována v rámečku. Pokud je tato hodnota větší než 40m, pak se objeví nápis „ Délka brzdné dráhy vyhovuje pouze s opatřeními!“ Jestliže její hodnota přesáhne 60m, potom je na obrazovce upozornění: „ Délka brzdné dráhy nevyhovuje!“ Úprava hodnoty brzdné dráhy pod danou hodnotu je možná změnou jmenovité rychlosti nebo snížením počtu vozů v soupravě.
Obr.1 Prezentace podsystému 5 Výpočet doby obratu vlakové soupravy se děje v podmenu 6 interaktivního simulačního programu. Zde se zadávají hodnoty pro průměrnou rychlost prázdné a plné vlakové soupravy. V obou případech se pak zobrazí pro informaci průměrná hodnota ze všech maximálních rychlostí, které byly zadány v předchozích výpočtech. Volí se hodnota násobena koeficientem 0.6 až 0,7. Dále se musí zadat tzv. ztrátový čas v prostoru plnícího místa a ztrátový čas v prostoru výsypného místa. Výsledkem výpočtu je pak doba obratu vlakové soupravy v minutách. Podmenu 7 slouží k zadávání parametrů pro stanovení požadavku na počet lokomotiv a důlních vozů. Zadává se počet plnících míst, součinitel nerovnoměrnosti dopravy, a pokud se používají vozy s pevnou korbou, pak je nutné zadat i jejich počet v jámovém oběhu.
Výsledkem výpočtu je pak počet potřebných lokomotiv, respektive vlakových souprav, a to jednak bez stanovené rezervy, a s rezervou 35%. Rovněž se zobrazí výsledek, kolik je zapotřebí celkově důlních vozů, a to jak pro neucelené vlakové soupravy, tak i pro ucelené vlakové soupravy, včetně rezervy 20%. Určení propustnosti lokomotivních tratí a vlakové frekvence v prostoru výsypného místa se děje v podmenu 8. Zadává se pouze jedna hodnota (všechny ostatní se převezmou z předchozích výpočtů) a tou je tzv. součinitel složitosti tratí. Výsledná propustnost jednotlivých tratí je udána potom, množstvím přepraveného uhlí v tunách, za směnu. Druhým výstupem tohoto podmeny je určení vlakové frekvence u jámy, která je dána v minutách.
3 Simulace Simulační úloha vycházela z konkrétních údajů, které byly získány na základě analýz na Dole Paskov, závodě Staříč [2]. Zde byly pouze 3 dopravní cesty, s těmito vzdálenostmi a směnovými výkony: Směnový výkon 1. 1045,44 t/sm 2. 980,10 t/sm 3. 784,08 t/sm
Vzdálenost (prázdné vozy) 1. 5075 m 2. 5420 m 3. 2460 m
Vzdálenost (plné vozy) 1. 4670 m 2. 3350 m 3. 2965 m
V procesu zadávání úlohy se vždy uvedlo konkrétní rozdělení jednotlivých dopravních tratí na úseky s určením čísla úseku, jeho délky, sklonu, poloměru oblouku a délky oblouku. Na závodě Staříč se používají důlní lokomotivy typu DH 70D.2 a samovýsypné vozy VSV 3,3. Po zadání vstupních dat do programu Lokdop, tento vypočetl průměrnou dopravní vzdálenost na patře 4465,58 m pro prázdné vozy, a 3733,72 m pro vozy naplněné těživem. Následující tabulka prezentuje vypočtené počty vozů ve vlakové soupravě pro jednotlivé dopravní tratě, s konkretizací pro dané úseky tratí, pro rozjezd . Počet vozů Úsek č.1 Úsek č.2 Úsek č.3 Úsek č.4 Úsek č.5 Úsek č.6
Trasa č.1 83 117 87 81 61 63
Trasa č.2 88 83 94 121 59 60
Trasa č.3 88 68 41 57 -
Počty vozů vypočtené pro jízdu uvádí následující tabulka: Počet vozů Úsek č. 1 Úsek č.2 Úsek č.3 Úsek č.4 Úsek č.5 Úsek č.6
Trasa č.1 80 132 86 79 71 74
Trasa č.2 88 82 94 138 68 69
Trasa č.3 88 84 40 64 -
Pozn.: Dopravní trasa č.3 je rozdělena pouze na čtyři úseky. Nejmenší počet vozů v soupravě je 40 , viz. tabulka pro rozjezd, ve třetím úseku trati č.3. Tento úsek je tedy kritický, vlakové soupravy musí překonávat převýšení a to s plnými vozy. Vzhledem k systému užitého řízení, musí každá vlaková souprava být zaměnitelná pro jakoukoliv trasu, a proto maximálně možný počet vozů v každé soupravě bude 40. Programem Lokdop vypočtené brzdné dráhy pro zadanou úlohu ilustruje níže uvedená tabulka. Brzdná dráha (m) Úsek č. 1 Úsek č.2 Úsek č.3 Úsek č. 4 Úsek č. 5 Úsek č.6
Trasa č.1 14,27 31,28 15,74 13,75 31,59 33,62
Trasa č.2 16,11 14,16 18,54 31,52 28,38 29,31
Trasa č.3 16,11 39,01 9,14 24,51 -
Protože žádná z brzdných drah nepřekročila hodnotu 60 m, a ani hodnotu 40 m, pak tyto vyhovují podmínce. Průměrná doba obratu vlakové soupravy byla vyhodnocena programem pro těžní patro: 78,9 min. Počet potřebných vlakových souprav k odtěžení je 7 (bez rezervy). S rezervou pak 10. Vlaková frekvence v prostoru výsypného místa byla vypočtena programem na hodnotu 12,9 minut. Propustnost první dopravní tratě je 2551,7 t / směnu. Propustnost druhé tratě je 2783,72 t / směnu. A konečně, propustnost třetí dopravní tratě byla programem vypočtena na hodnotu 2859,56 t / směnu. Následující obr. 2 ilustruje vzhled grafického zobrazení na obrazovce v režimu simulace.
Obr. 2 Prezentace simulačního režimu odtěžení.
Aktivaci tohoto režimu, se pomocí interaktivního dialogu, program dotáže na číslo zásobníku, ze kterého se bude těžit a následně i na množství uhlí, které se má z tohoto zásobníku odtěžit. Je rovněž nutno zadat počet vlakových souprav, které jsou k dispozici. Po simulaci odtěžení, se jako výsledek simulace zobrazí tato informace: Pro odtěžení XXX.XX tun ze zásobníku číslo: X je potřeba: Počet vozů: XXX ks Počet vlakových souprav: X Celková doba odtěžení: XXX.XX minut Simulaci je možné provést postupně pro všechny důlní zásobníky v uhelném poli. Komplexně lze výsledky výpočtů a simulací, poskytované programem Lokdop zobrazit formou přehledné tabulky, vyvoláním pracovního režimu : Celkové výsledky.
4 Závěr Program Lokdop, vyvinutý na VŠB – TU Ostrava, HGF, Institutu ekonomiky a systémů řízení, pracovišti : Automatizace v hornictví, je zaměřen na účely hornické praxe v uhelných hlubinných dolech. Může sloužit pro projektování systémů odtěžení pomocí důlní kolejové dopravy, včetně optimalizace počtu vlakových souprav i počtu důlních vozů v dané soupravě, vzhledem ke konkrétním podmínkám na daném dole. Nezanedbatelná je jeho funkce i pro výukové a školící účely. Poslouží i v případech modelování a simulace selektivního odtěžení [1] tam, kde je uhlí dopravováno od úsekových zásobníků k jámě kolejovou dopravou. Funkčnost programu byla ověřena na datech získaných v rámci analýzy z Dolu Paskov, závodu Staříč.
5 Literatura 1. BURÝ, A., 1997. Enhancement Process Simulation and Optimisation.Chinese- Czech Seminar, VŠB- TU Ostrava, p. 1 –5, ISBN 80 – 7078- 449- 0 2. HOVJACKÝ, J., 2000. Počítačová podpora pro řízení kolejové dopravy na uhelném hlubinném dole.Institut ekonomiky a systémů řízení, VŠB-TU Ostrava, 88 str. 3. STRAKOŠ, V., POLÁK, J.,MENŠÍK, J.,1980. Automatizace důlní dopravy. SNTL Praha.
