Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования t 9
1.1. Состояние травматизма на угледобывающих предприятиях 9
1.2. Анализ работ по безопасности труда на производстве 24
1.3. Системные характеристики электрооборудования 28
1.4. Учет человеческого фактора в сложных системах 32
1.5. Выводы по главе и задачи исследований 37
2. Разработка информационной модели 39
2.1. Информационный ресурс большор системы 39
2.2. Определение информационной нагрузки оператора большой системы 56
2.3. Алгоритм синтеза большой системы 57
2.4. Выводы и предложения 60
3. Информационная модель филиала оао «ук«кузбассразрезуголь» «кедровскии угольный разрез» 62
3.1. Анализ филиала ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» «Кедровский угольный разрез» 62
3.2. Выбор рациональной эргатической подсистемы системы управления электроснабжением филиала ОАО «УК Кузбассразрезуголь» «Кедровский угольный разрез» 69
3.3. Рационализация эргатической подсистемы системы управления электроснабжением филиала ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» «Кедровский угольный разрез» 82
3.4. Рационализация эргатической подсистемы системы управления электроснабжением ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» 88
3.5. Выводы и предложения і 90
4. Информационная модель предприятия «кемеровская горэлектросеть» 92
4.1. Особенности эргатической подсистемы системы управления электроснабжением ОАО «Кемеровская горэлектросеть» 92
4.2. Структурный синтез ОАО «Кемеровская горэлектросеть» 95
4.3. Выводы и предложения 109
Заключение .'. 110
Список литературы 1 112
Приложение 125
- Системные характеристики электрооборудования
- Определение информационной нагрузки оператора большой системы
- Рационализация эргатической подсистемы системы управления электроснабжением филиала ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» «Кедровский угольный разрез»
- Особенности эргатической подсистемы системы управления электроснабжением ОАО «Кемеровская горэлектросеть»
Введение к работе
Актуальность работы. Согласно статистическим данным Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору [118] показатели смертельного травматизма в угольной промышленности не улучшилось. Причина каждого пятого несчастного случая - это поражение электрическим током, причем при работе на высоковольтных сетях практически в девяти случаях из десяти несчастный случай приводит к смерти работника.
В числе основных причин роста количества аварий и смертельных травм остаются по-прежнему: взрывы метана, нарушение требований безопасности, связанных с эксплуатацией горного транспорта, машин и механизмов, поражения электрическим током, кроме того низкий уровень инженерной культуры производства, слабая трудовая и технологическая дисциплина, отсутствие в ряде случаев глубокого анализа причин травм и аварий, использование упрощенных, формальных мероприятий по результатам проведенных расследований, недостаточно эффективная организация технического обслуживания систем электроснабжения, влияющая на безопасность работ.
Высокий уровень электротравматизма оказывает негативное влияние на уровень экономической эффективности функционирования горнодобывающих предприятий. Таким образом, применение высокотехнологического электрооборудования не сопровождается соответствующим повышением эффективности мероприятий по борьбе с электротравматизмом.
Системы электроснабжения создаются и проектируются в соответствии с установленными нормами, но в процессе эксплуатации происходит расширение систем электроснабжения в соответствии с планами ведения горных работ, увеличение электрических нагрузок,
5 внедрение более современного оборудования. При этом проектные нормы нередко нарушаются руководителями электромеханических служб в ущерб надежной и безопасной эксплуатации систем электро-снабжения. Поэтому проблема безопасности эксплуатации электрооборудования и систем электроснабжения в угольной промышленности остается по-прежнему актуальной на шахтах, разрезах, обогатительных фабриках.
Проблему повышения эксплуатационной безопасности системы электроснабжения угледобывающих предприятий необходимо решать при обязательном учете свойств и возможностей человека, причем первостепенное значение приобретает обоснование и использование новых, более эффективных направлений Ьбеспечения безопасной эксплуатации, так как эргатическая подсистема системы управления электроснабжением предприятия не обеспечивает все возрастающие требования к надежности и безопасности эксплуатации.
Большой вклад в исследование безопасности функционирования электрооборудования и систем электроснабжения внесли такие ученые, как Бацежев Ю. Г., Бородкин А.Ф., Гладилин Л.В., Ковалев П. Ф., Кудрин П.Ф., Ляхомский А.В., Муравьев В.П., Озерной М.И., Разгильдеев Г. И., Серов В. И., Соболев ^.Г., Шишкин Н.Ф., Шпига-нович А.Н., Щуцкий В.И. и др.
Полученные этими авторами результаты позволили сделать вывод о том, что безопасность системы электроснабжения определяется, в том числе и ее структурными характеристиками, а также надежностью каждого из элементов электрической системы.
Проблема повышения безопасности функционирования производственных систем, технических или эргатических, требует поиска новых путей ее разрешения, одним из которых является усовершенст- вование эргатической подсистемы системы управления электроснабжением.
Таким образом, актуальность и необходимость проведения исследований для выбора рациональных эргатических подсистем системы управления электроснабжением предприятий очевидна как с точки зрения научного исследования, так и практического применения. Решение этой проблемы должно опираться на аналитические и практические методы исследования, системный подход, позволяющий правильно оценить влияние различных факторов на основные процессы, протекающие в эргатической подсистеме.
Цель работы - разработка рекомендаций по повышению эксплуатационной безопасности системы электроснабжения угледобывающего предприятия.
Идея работы - повышение эксплуатационной безопасности системы электроснабжения угледобывающего предприятия производится посредством максимизации информационного ресурса системы электроснабжения и упорядочения информационной нагрузки операторов.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
Уровень безопасности функционирования системы электро-снабжениия предприятия зависит от информационного ресурса ее эргатической подсистемы, учитывающего как структурные особенности системы электроснабжения предприятия, так и потоки оперативной информации.
Предложенная информационная модель эргатической подсистемы системы управления электроснабжением предприятия отличается тем, что все потоки оперативной информации ранжированы по их влиянию на безопасность функционирования сложной системы и позволяет рассчитать информационный ресурс.
7 Научная новизна заключается: ; в учете ценности оперативной информации, циркулирующей в эргатической подсистеме системы управления электроснабжением предприятия; в структурном и параметрическом синтезе рациональной эргатической подсистемы системы управления электроснабжением предприятия, отличающемся увеличенным информационным ресурсом и рациональной информационной нагрузкой оперативного персонала.
Практическая ценность работы состоит в том, что ее результаты могут быть использованы: для оценки уровня безопасности существующих систем управления электроснабжением предприятия; для структурного синтеза эргатической подсистемы системы управления электроснабжением предприятия; для рационализации эргатической подсистемы системы управления электроснабжением предприятия, в частности для разработки эргатической подсистемы с повышенным информационным ресур-сом; для упорядочения нагрузки оперативного персонала в эргатической подсистеме системы управления электроснабжением предприятия; - при разработке должностных инструкций обслуживающего персонала угледобывающих предприятий.
Достоверность научных положений и выводов подтверждается: результатами вычислительных экспериментов на ЭВМ; положительными результатами, полученными при эксплуатации предложенной эргатической системы управления электроснабже-
8 ниєм филиала ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» «Кедровский угольный разрез».
Реализация результатов работы Разработанные рекоменда- ции по предложенной эргатической подсистеме системы управления
I электроснабжением были использованы на предприятиях: ОАО «УК «Кузбассразрезуголь», филиале ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» «Кедровский угольный разрез», что позволило повысить эффективность и безопасность работы обслуживающего персонала.
Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались на XV Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (г. Нижний Новгород, 2005 г.), на ежегодных научно-практических конференциях Кузбасского государственного технического университета (г. Кемерово, 2003-2006 гг.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 печатных работ.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, изложенных на 124 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок, 16 таблиц, список литературы, включающий 119 наименований и приложения.
Системные характеристики электрооборудования
Оба вида информации составляют внутреннюю информацию системы, которая определяет информационный ресурс системы, характеризующий уровень ее безопасности: чем больше информационный ресурс системы, тем выше ее надежность и безопасность.
В работе [112] интегральным показателем взаимодействия человека с опасным потенциалом машины является степень риска, т.е. вероятность несчастного случая за определенное время.
Отметим то, что исследователи, использующие вероятностно-статистические критерии, сталкиваются с главной трудностью - необходимостью получения достоверной статистической информации об эксплуатации оборудования для определения законов распределения случайных величин, например, времени нахождения всех типов горного электрооборудования в каждом из рассматриваемых технических состояний.
Недостатком вероятностно - статистических критериев является также невозможность применения их для вновь проектируемого обо-рудования. Традиционный прием определения критерия для такого оборудования по наличию в нем типовых блоков с известными в общем виде характеристиками дает большую погрешность для качественно новых разработок.
Вторая группа критериев - экспертные методы оценки безопасности труда - в силу большой погрешности может быть использована лишь на начальных стадиях исследования производственной опасности.
Наиболее простым физическим критерием может служить коэффициент насыщенности механизмами /производственной площади, показывающий степень перекрытия свободной производственной площади опасными зонами, которые имеются около каждой машины или механизма [81] где SM - площадь, занимаемая механизмами, м2; S - общая производственная площадь объекта, м2. Приведенный выше перечень физических критериев безопасно сти включает в себя самые разнообразные характеристики. Отметим, что некоторые из этих критериев не имеют достаточного обоснования и не учитывают конкретные параметры электрооборудования, кото рые могут быть относительно точно измерены. Поэтому подход к оценке безопасности эргатических систем требует дальнейшей прора ботки.
Основу современного промышленного производства составляет разнообразное электрооборудование, трансформаторные подстанции, воздушные и кабельные линии электропередачи.
Для отдельных групп такого оборудования характерен однообразный процесс функционирования. В целях придания общности подхода к оборудованию, обладающему одинаковыми или близкими свойствами, удобно пользоваться понятием «система». Под этим термином будем понимать объекты, связанные между собой различными по направлению действия связями, прямыми и обратными: прямая
і I связь - между входом (управляющим воздействием) и выходом (регулируемой величиной), обратная связь - между выходом и входом.
Какой бы принцип ни лежал в любой системе, она может быть иерархической или неиерархической. Иерархическая система - это многоступенчатая система, в которой функции управления или организации распределяются между соподчиненными ее частями. При этом устройства «старшего ранга» носят обобщенный характер и конкретизируются в устройствах низшего уровня. Неиерархические сис-темы имеют простую структуру без сложных надстроек.
В работе [30] системы подразделяются на сотовые, иерархические, звездные и многосвязные, структуры которых представлены на рис. 1.9.
В работе [96] выделяются базовые системы: линейная (без об ратных связей), кольцевая, «колесо», «звезда», из которых формиру ются иерархическая, штабная, матричная и смешанные системы. Структуры систем в соответствии с данной классификацией приведены на рис. 1.10.
Определение информационной нагрузки оператора большой системы
При информационной оценке системы важна также величина информационной нагрузки отдельных ее элементов (человек-оператор, техническое устройство), которая также содержит структурную и оперативную составляющие. Большая нагрузка элементов может приводить к неправильным действиям обслуживающего персонала, нарушению субординации в эргатических системах, когда команды верхних уровней иерархии поступают на нижние, минуя среднее звено; недостаточная нагрузка определенных элементов может привести к распаду системы на отдельные самостоятельные системы.
Информационная нагрузка отдельного j - го элемента R.- системы определяется двумя составляющими - структурной, учитывающей количество связей, задействованных с данным элементом, и оперативной, определяющей насыщенность этих связей оперативной информацией:
Rj = -Zj(\og2Xj)Dj, (2.13)
где Яу- частота использования связей j - го элемента; Dj - оперативный показатель j - го элемента.
В понятие информационная нагрузка элемента, главным обра зом оператора эргатической системы, входит получение информации по подходящим к элементу путям, а также выдача команд по отходя щим путям, причем цена полученной информации или отданной ко манды может быть различной. і Для снижения информационной нагрузки отдельных элементов необходимо ограничивать количество связей к данным элементам, так как выход из строя либо ошибочная работа элементов, задействован 57 ных во многих путях системы, с большей вероятностью может привести к неисправности самой системы. где Pji - вероятность получения достоверной оперативной информа-ции в і -м пути; fu - скорость циркуляции оперативной информации в і -м пути; CJt - цена информации в /-м входящем или выходящем пути у-го элемента; Iji- количество оперативной информации в / -м пути.
На основе стоимостной модели разработан алгоритм синтеза информационной модели, представленный на рис. 2.9. Цель синтеза -реализация технологической функции при максимальном значении информационного ресурса системы [69].
На первом этапе синтеза осуществляется деление технологической функции на отдельные операции, выполняемые соответствующими элементами системы (отдел, подстанция, оператор, техническое устройство и т.д.). Количественный и качественный выбор элементов означает присвоение им соответствующих функций, полномочий, свойств, что подразумевает вцбор определенного количества оперативной информации о самом элементе и о том количестве информации, которое должен переработать элемент. При большом количестве элементов целесообразно систему разделить на подсистемы. Дифференциация оперативной информации по ценности обоснована различиями по важности принимаемой или отдаваемой человеком - оператором информации. Ценность информации измеряется баллом, определяемым количеством уровней иерархии, нормальное функционирование которых зависит от принятого решения. Учет ценности оперативной информации позволяет обоснованно рассчитать нагрузку элементов системы, принимающих стратегические решения.
Различия в напряженности работы отдельных элементов, в ответственности за принятые решения операторов эргатической системы учитываются различными значениями вероятности Pji: принятие важных решений особенно в условиях ограниченного времени сопряжено с большей вероятностью ошибок.
Рационализация эргатической подсистемы системы управления электроснабжением филиала ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» «Кедровский угольный разрез»
Одним из важнейших факторов, влияющих на безопасность работ в электроэнергетике, является совершенство системы управлением электроснабжением предприятия.
Безопасность и надежность электроснабжения, качество электроэнергии во многом зависит от действий оперативно-диспетчерского персонала. Принятие правильных решений по наиболее рациональному и безопасному управлению возможно лишь при наличии подробной, достоверной и своевременной информации о состоянии отдельных элементов системы электроснабжения, безоши 85 бочном исполнении указаний диспетчера оперативными и производственными бригадами предприятия.
Диспетчеры ОАО «Кедровский угольный разрез» подчиняются в административном плане - начальнику участка электроснабжения, а в оперативной работе - главному энергетику, помощнику главного энергетика и старшему диспетчеру. Таким образом, мотивация в работе диспетчера данного разреза в большей степени обусловлена тактическими задачами максимальной добычи угля в ущерб рациональной эксплуатации электрооборудования: не выполняются в полном объеме планово-предупредительные ремонты, ревизия оборудования происходит в сжатые сроки, не выделяются средства на замену основного высоковольтного оборудования, часть которого устанавливалось в 1955 г. и выработало свой ресурс.
В связи с этим представляется целесообразным передача объектов электроснабжения (ЛЭП, оборудование подстанций на напряжение 110 кВ, 35 кВ и 6 кВ до границ ведения горных работ) ОАО «УК «Кедровский угольный разрез» в ОАО « Беловское энергоуправление» [66].
Подтверждением данному выводу являются результаты анализа системы с помощью информационной модели, представленной на рис. 2.1, которая позволяет рассчитать информационный ресурс безопасной эксплуатации любой сложной системы, технической и эргати-ческой, учитывающий всю внутреннюю информацию в системе и измеряемый в бит/с.
Присоединив к существующей системе ОАО «Беловское энергоуправление» (БЭУ), получим рациональную систему электроснабжения основных потребителей разреза и ее оперативно-диспетчерское управление, представленную нарис. 3.9.1 В табл. 3.5 показаны информационные показатели для существующей и новой структур, расчетные данные приведены в приложении 2. После проведенных преобразований информационный ресурс ОАО «Кедровский угольный разрез» увеличился на 10 %.
Таким образом, усовершенствование системы управления элек троснабжением ОАО «Кедровский угольный разрез» позволит, в том
I числе:
- снизить влияние нарушений ПБ при эксплуатации электротехнического и энергетического оборудования;
- трудоемкими ремонтами и испытаниями заниматься специализированному персоналу;
- проводиться в полном объеме планово-предупредительным ремонтам, в частности, не сделанная вовремя ревизия масляного вы ключателя приводит к снижению его надежности и соответствующе му уменьшению информационного ресурса системы на 6 %;
- снизить материальные затраты на обслуживание и ремонт ЛЭП и оборудования подстанций. Данные рекомендации послужили основанием для изменения эргатической подсистемы системы управлением электроснабжением филиала ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» «Кедровский угольный разрез» в 2005 г. (приложение 3).
Особенности эргатической подсистемы системы управления электроснабжением ОАО «Кемеровская горэлектросеть»
К основным факторам, определяющим безопасность труда электротехнического персонала относятся: высокое напряжение, удаленность и разбросанность линий электропередачи, природные условия, профессиональная и психологическая подготовка работников предприятия.
Немаловажным фактором, влияющим на безопасность работ в электроэнергетике, является и несовершенство системы управления. Централизованное управление такой сложной системой, какой является предприятие, характеризующееся огромным размером, большими объемами перерабатываемой информации, сложностью алгоритмизации управляющих решений, практически невозможно. В связи с этим существующее управление предприятиями строится по иерархическому многоуровневому принципу [79].
Основа системы управления предприятием - диспетчерский пункт, который является центром сбора и обработки оперативной информации, относящейся к приему сообщений, контролю и индикации каналов связи, контролю параметров и положения коммутационного оборудования и др. [52].
Цели работы оперативно-диспетчерского персонала [3]:
1) обеспечение надежного электроснабжения в нормальном, ремонтном и аварийном режимах;
2) руководство оперативными переключениями;
3) контроль за уровнем напряжения в сети;
4) контроль за соответствием схемы;
5) принятие оперативных мер по предотвращению аварий и повреждений оборудования;
6) согласование работ с потребителями.
Для оценки информационной нагрузки диспетчера была составлена представленная на рис. 4.1 схема информационных связей, из которой следует, что информация поступает к оперативному энергодиспетчеру минимум по 10-11 каналам: от сетевых районов, оперативных выездных бригад, генерального и технического директоров, старшего диспетчера и помощника диспетчера, из технических каналов связи, завязанных через персональных компьютер и др.
Максимум пропускной способности человека - оператора при одноразовом приеме информации составляет 50-70 бит/с при оптимальной скорости приема и переработки информации в течение длительного промежутка времени (0,1 - 5,5) бит/с [43]. Уменьшение скорости поступления информации к оператору до 0,1 бит/с и менее вызывает затухание активности оператора, увеличение ее свыше 5,5 бит/с уменьшает скорость приема и обработки информации. По опытным данным максимальная скорость информации, которую оператор может принимать длительное время, - 8 бит/с [106]. По оперативным замерам (журнал записи, магнитофон) в будние дни дежурный диспетчер городской электросети в дневную смену принимает и перерабатывает сообщения с длиной алфавита 20 -25 тысяч знаков. При двенадцатичасовой рабочей смены средняя нагрузка, определенная по формуле Хартли, составит:
п _ 25000 log2 25000 _Q СсР 43200 "8 (6ИТ/С) Таким образом, дежурный диспетчер работает в режиме макси мального напряжения на протяжении смены. При этом в отдельные отрезки времени информационная нагрузка на диспетчера составля ет значительно большую величину. Так, например, в период с 14-00 до 17-00 часов пропускная способность диспетчера достига ет 20 - 25 бит/с, а при ликвидации аварийных ситуаций - до 40 50 бит/с [79]. , Следует отметить, что в данных расчетах не учтена эмоциональная напряженность работы диспетчера, связанная с особой значимостью сообщений, получаемых и передаваемых диспетчером, а также его повышенной ответственностью за принятие верного решения; дефицитом времени при восстановлении системы после ее отказа или нарушения исправности.
В 1998 - 1999 гг. произошло расширение электрических сетей предприятия ОАО «Кемеровская горэлектросеть» со значительным увеличением информационной нагрузки на оперативно-диспетчерскую службу.
Первоначально предполагаемая структура энергопредприятия показана на рис. 4.2, где 1 - диспетчер; 2 - старший диспетчер; 3 -помощник диспетчера; 4-8 - оперативнее-выездные бригады; 9 - администрация города; 10-12 - диспетчерские службы снабжающих энергопредприятий; 13-15 - сетевые районы капитального ремонта; 16 - объекты управления (трансформаторные подстанции); 17 - распределительные подстанции; 18 - персональный компьютер; 19 -служба ремонта распределительных подстанций. Расчетные структурные показатели для графа энергопредприятия с числом связей рм =49 следующие: Sp (MG) =0; кст = 2,58; ксв=\,6Ъ\ А = 6/19=0,316; Н(р) = 3,644; G=l,15.
