novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.22.115-123novtexmech-955Research ArticleАВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИAUTOMATION AND CONTROL TECHNOLOGICAL PROCESSESАрхитектура киберфизической системы управления проветриванием подземного горнодобывающего предприятия на базе платформы Интернета вещейArchitecture of a Cyber-Physical System for the Mining Enterprise Ventilation Control Based on the Internet of Things PlatformКычкинА. В.KychkinA. V.

канд. техн. наук, доц.

филиал в г. Пермь

PhD, Associate Professor, Department of Information Technologies in Business

Perm, 614070

avkychkin@hse.ruНиколаевА. В.NikolaevA. V.

Department of Mining Electromechanics

Perm, 614900

nikolaev0811@mail.ruНИУ Высшая школа экономикиРоссияNational Research University Higher School of EconomicsRussian FederationПермский национальный исследовательский политехнический университетРоссияPerm National Research Polytechnic UniversityRussian Federation202102032021223115123Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20212021Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/955

Рассматривается архитектура системы управления процессом проветривания подземных горнодобывающих предприятий (на примере калийного рудника), оснащенной цифровым двойником с онлайн функциями имитационного моделирования и предиктивной аналитики. Система ориентирована на реализацию управления главной вентиляторной установкой с учетом изменяющихся параметров наружного воздуха, подаваемого в шахтные стволы. В отличие от существующих предложенный способ управления учитывает влияние параметров наружного воздуха на изменение общерудничной естественной тяги, от которой зависит общий объем воздуха, подаваемого в рудник. Известно, что системы проветривания таких предприятий потребляют от 30 до 50 % всей затрачиваемой на процесс добычи полезного ископаемого электроэнергии. В связи с этим разрабатываемая система, способная к анализу изменений общерудничной естественной воздушной тяги и, как следствие, объемов подачи воздуха, сможет работать в энергосберегающем режиме. Предложенный способ управления включает в себя алгоритм расчета взаимосвязей физических параметров общерудничной естественной тяги, действующей между стволами; алгоритм расчета значения общерудничной естественной тяги; алгоритм расчета производительности и выбора требуемого режима работы ГВУ. Для реализации способа предложена архитектура киберфизической системы (CPS) проветривания на базе платформы Интернета вещей (IoT) InfluxData стека TICK. Предложенная архитектура CPS состоит из четырех подсистем: подсистемы физического объекта, сетевой и вычислительной инфраструктур IoT, цифрового двойника, интерфейса пользователя. Цифровой двойник системы проветривания выполнен с использованием базы данных временных рядов и базы данных атрибутов, хранящих сведения об изменении параметров оборудования во времени, показателях воздуха, индикаторах эффективности, статистике по авариям и наработке вентиляторов, характеристиках CPS и др. CPS данной архитектуры подразумевает подключение дополнительных источников данных, обеспечение расчетов рациональных объемов подачи воздуха с учетом правил безопасности и требований энергоэффективности.

The article considers the architecture of the ventilation control system for underground mining enterprises, equipped with a digital twin with online functions such as simulation modeling and predictive analytics. The system is focused on the main fan unit (MFU) control taking into account changing parameters of external air supplied to mine shafts. In contrast to the existing ones, the proposed method of control takes into account the influence of these parameters on changes in the total volume of natural draught, on which the total volume of air supplied to the mine (mine) depends. It is known that ventilation systems of such enterprises consume from 30 to 50 % of all electricity consumed for the mining process. In this regard, the proposed control models can be used to optimize energy costs and energy savings in ventilation. The Internet of things (IoT) InfluxData of stack TICK is offered for the realization. The offered architecture of cyber-physical system (CPS) consists of four subsystems: physical object subsystem, network and computing infrastructure IoT, digital twin, user interface. Architecture of CPS provides data processing from energy meters, control controllers and sensors of air environment parameters, implemented in blocks of on-line and off-line calculations. The digital twin of the ventilation system is made with the use of a time series database and a database of attributes that store information on changes in equipment parameters by time, air indicators, performance indicators, statistics on accidents and fan runtime, CPS characteristics, etc. CPS of the given architecture means connection of additional data sources, providing calculations of rational volumes of air delivery taking into account safety norms and requirements of energy efficiency.

киберфизическая системаИнтернет вещейцифровой двойниксистема мониторинга и управлениясистемная архитектурарудникпроцесс проветриванияэнергосбережениеcyber-physical systemInternet of ThingsDigital Twinmonitoring and control systemsystem architecturemineventilationenergy savingИсследование выполнено при финансовой поддержке правительства Пермского края в рамках проекта Международной исследовательской группы "Разработка цифровой модели прогнозирования и ценозависимого управления спросом на электроэнергию, потребляемую подземными горнодобывающими предприятиями", 2020 г.The analysis has been carried out within the priority area of scientific development established by the National Research University Higher School of Economics in Perm — "Research on control methods in Cyber-Physical Systems".ReferencesLyalkina G. B., Nikolaev A. V., Makarychev N. S. Creation of the Information System Based on Experimental Data for Control of the MMF Operating Modes to Improve the Efficiency of Ventilation in Mines // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 1059 Art. 012013. 8 p.Lyalkina G. B., Nikolaev A. V., Makarychev N. S. Creation of the Information System Based on Experimental Data for Control of the MMF Operating Modes to Improve the Efficiency of Ventilation in Mines, Journal of Physics: Conference Series, 2018, vol. 1059, Art. 012013, pp. 1—8.Алыменко Н. И., Николаев А. В., Каменских А. А., Петров А. И. Результаты математического моделирования смешивания холодного и теплого потоков воздуха в воздухоподающем стволе рудника // Горное оборудование и электромеханика. 2014. № 12. С. 31—33.Alymenko N. I., Nikolaev A. V., Kamenskikh A. A., Petrov A. I. Results of the mathematical modeling of the cold and warm air flows mixing in the air supply shaft of the mine, Gornoe Oborudovanie i Elektromekhanika, 2014, no. 12, pp. 31—33 (in Russian).Aitao Z., Wang K. Role of gas ventilation pressure on the stability of airway airflow in underground ventilation // Journal of Mining Science. January 2018. Vol. 54, Iss. 1. P. 111—119.Aitao Z., Wang K. Role of gas ventilation pressure on the stability of airway airflow in underground ventilation, Journal of Mining Science, 2018, vol. 54, iss. 1, pp. 111—119.Lyalkina G. B., Nikolaev A. V., Makarychev N. S. Factors influencing strength and direction of natural ventilation pressure in general mines to control mine airing // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 795. 5 p.Lyalkina G. B., Nikolaev A. V., Makarychev N. S. Factors influencing strength and direction of natural ventilation pressure in general mines to control mine airing, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2020, vol. 795, 5 p.Bin Xu et al. Analysis and Design of Real-time Microenvironment Parameter Monitoring System Based on Internet of Things // IEEE International Conference on Internet of Things (iThings) and IEEE Green Computing and Communications (GreenCom) and IEEE Cyber, Physical and Social Computing (CPSCom) and IEEE Smart Data (SmartData). 2016. P. 368—371.Xu Bin, Zheng Jianying, Wang Qing. Analysis and Design of Real-time Micro-environment Parameter Monitoring System Based on Internet of Things, IEEE International Conference on Internet of Things (iThings) and IEEE Green Computing and Communications (GreenCom) and IEEE Cyber, Physical and Social Computing (CPSCom) and IEEE Smart Data (SmartData), 2016, pp. 368—371.Gubbi J. et al. Internet of Things (IoT): A vision, architectural elements, and future directions // Future generation computer systems. 2013. Vol. 29, N.7. P. 1645—1660.Gubbi J., Buyya R., Marusic S., Palaniswami M. Internet of Things (IoT): A vision, architectural elements, and future directions, Future generation computer systems, 2013, vol. 29, no. 7, pp. 1645—1660.Jell T. et al. BIG IoT — Interconnecting IoT Platforms from different domains // International Conference on Engineering, Technology and Innovation (ICE/ITMC). 2017. P. 86—88.Jell T., Bröring A., Mitic J. BIG IoT — Interconnecting IoT Platforms from different domains, International Conference on Engineering, Technology and Innovation (ICE/ITMC), 2017, pp. 86—88.Mijić D., Varga E. Unified IoT Platform Architecture Platforms as Major IoT Building Blocks // 2018 International Conference on Computing and Network Communications (CoCoNet). 2018. P. 6—13.Mijić D., Varga E. Unified IoT Platform Architecture Platforms as Major IoT Building Blocks, 2018 International Conference on Computing and Network Communications (CoCoNet), 2018, pp. 6—13.Кычкин А. В., Артемов С. А., Белоногов А. В. Распределенная система энергомониторинга реального времени на основе технологии IoT // Датчики и системы. 2017. № 8—9. С. 49—55.Kychkin A. V., Artemov S. A., Belonogov A. V. The distributed power monitoring system of a real time on the basis of IoT technology, Datchiki i Sistemy, 2017, no. 8—9, pp. 49—55 (in Russian).Alymenko N. I., Nikolaev A. V. Influence of mutual alignment of mine shafts on thermal drop of ventilation pressure between the shafts // Journal of Mining Science. 2011. Vol. 47, N 5. P. 636—642.Alymenko N. I., Nikolaev A. V. Influence of mutual alignment of mine shafts on thermal drop of ventilation pressure between the shafts, Journal of Mining Science, 2011, vol. 47, no. 5, pp. 636—642.Мохирев Н. Н., Радько В. В. Инженерные расчеты вентиляции шахт. Строительство. Реконструкция. Эксплуатация. М.: ООО Недра-Бизнесцентр, 2007. 324 с.Mohirev N. N., Radko V. V. Engineering Calculations of Mine Ventilation. Construction. Reconstruction. Exploitation, Moscow, Nedra-Business Center, 2007, 324 p. (in Russian).Lyal’kina G. B., Nikolaev A. V. Natural draught and its direction in a mine at the preset confidence coefficient // Journal of Mining Science, 2015. Vol. 51, № 2. P. 342—34.Lyal’kina G. B., Nikolaev A. V. Natural draught and its direction in a mine at the preset confidence coefficient, Journal of Mining Science, 2015, vol. 51, no. 2, pp. 342—346.Алыменко Н. И., Николаев А. В. Расчет эквивалентного аэродинамического сопротивления подземной части проектируемого рудника для определения естественной тяги, действующей между стволами // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. 2010. № 12. С. 68—69.Alymenko N. I., Nikolaev A. V. Calculation of the equivalent aerodynamic resistance of an underground part of the projected mine for determination of the natural thrust acting between the shafts, Geologiya, Geofizika i Razrabotka Neftyanyh i Gazovyh Mestorozhdenij, 2010, no. 12, pp. 68—69 (in Russian).Ajay Chhokra et. al. Diagnostics and Prognostics Using Temporal Causal Models for Cyber Physical Energy Systems // 2017 ACM/IEEE 8th International Conference on Cyber-Physical Systems (ICCPS). DOI: 10.1145/3055004.3064843Chhokra A., Hasan S., Dubey A., Mahadevan N., Karsai G. WiP Abstract: Diagnostics and Prognostics Using Temporal Causal Models for Cyber Physical Energy Systems, 2017 ACM/IEEE 8th International Conference on Cyber-Physical Systems (ICCPS), 2017, pp. 87—88.Кудж С. А., Цветков В. Я. Сетецентрическое управление и киберфизические системы // Образовательные ресурсы и технологии. 2017. 2(19). С. 86—91.Kuzh S. A., Tsvetkov V. Ya. Network centric control and the cyberphysical systems, Obrazovatel’nye Resursy i Tekhnologii, 2017, no. 2(19), pp. 86—91 (in Russian).Цветков В. Я. Распределенное интеллектуальное управление // Государственный советник. 2017. № 1. С. 16—22.Tsvetkov V. Ya. Distributed intellectual management, Gosudarstvennyj Sovetnik, 2017, no. 1, pp. 16—22 (in Russian).Кузьмин В. А. Оптимальное отопление: поддержание неравновесного поля температур в многокамерной системе с минимумом затрат энергии // Программные системы: теория и приложения. 2018. Т. 9, № 3(38). С. 29—47.Kuz’min V. A. Optimal heating: maintenance of the nonequilibrium temperature field in the multichamber system with minimum energy consumption, Programmnye Sistemy: Teoriya i Prilozheniya, 2018, vol. 9, no. 3(38), pp. 29—47 (in Russian).Пуговкин А. В., Купреков С. В., Абушкин Д. В. и др. Математическая модель теплоснабжения помещений для АСУ энергосбережения // Доклады ТУСУРа. 2010. № 2 (22). Ч. 1. С. 293—298.Pugovkin A. V., Kuprekov S. V., Abushkin D. V., Zarechnaya I. A., Muslimova N. I. Mathematical model of a space heat supply for the energy-saving ACS, Doklady TUSUR, 2010, no. 2 (22), part 1, pp. 293—298 (in Russian).Панферов В. И., Анисимова Е. Ю., Нагорная А. Н. К теории математического моделирования теплового режима зданий // Вестник ЮУрГУ. 2006. № 14. С. 128—131.Panferov V. I., Anisimova E. Yu., Nagornaya A. N. To theory of a mathematical modeling of the building thermal mode, Vestnik YUUrGU, 2006, no. 14, pp. 128—131 (in Russian).Кычкин А. В., Даденков Д. А., Билалов А. Б. Автоматизированная информационная система полунатурного моделирования статической нагрузки электроприводов // Вестник ПНИПУ. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2013. № 8. С. 73—83.Kychkin A. V., Dadenkov D. A., Bilalov A. B. Automated information system of the semi-nature modeling of the electric drive static load, Vestnik PNIPU. Elektrotekhnika, Informacionnye Tekhnologii, Sistemy Upravleniya, 2013, no. 8, pp. 73—83 (in Russian).Hou L., Zhao S., Xiong X., Zheng K., Chatzimisios P., Hossain M. S., Xiang W. Internet of Things Cloud: Architecture and Implementation // IEEE Communications Magazine. 2016. Vol. 45 (12). P. 32—39. DOI: 10.1109/MCOM.2016.1600398CM.Hou L., Zhao S., Xiong X., Zheng K., Chatzimisios P., Hossain M. S., Xiang W. Internet of Things Cloud: Architecture and Implementation, IEEE Communications Magazine, 2016, vol. 45 (12), pp. 32—39.Tao F. et al. IoT-based intelligent perception and access of manufacturing resource toward cloud manufacturing // IEEE Transactions on Industrial Informatics. 2014. Vol. 10, N. 2. P. 1547—1557.Tao F., Zuo Y., Xu L., Zhang L. IoT-based intelligent perception and access of manufacturing resource toward cloud manufacturing, IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2014, vol. 10, no. 2, pp. 1547—1557.Кычкин А. В., Микрюков Г. П. Метод обработки результатов мониторинга группы энергопотребителей // Энергобезопасность и энергосбережение. 2016. № 6. С. 9—14.Kychkin A. V., Mikriukov G. P. Processing method for the monitoring results processing of the energy consumer group, Energobezopasnost’ i Energosberezhenie, 2016, no. 6, pp. 9—14 (in Russian).Kelly S. D.T., Suryadevara N. K., Mukhopadhyay S. C. Towards the implementation of IoT for environmental condition monitoring in homes // IEEE Sensors Journal. 2013. Vol. 13, № 10. P. 3846—3853.Kelly S. D.T., Suryadevara N. K., Mukhopadhyay S. C. Towards the implementation of IoT for environmental condition monitoring in homes, IEEE Sensors Journal, 2013, vol. 13, no. 10, pp. 3846—3853.Guan L. Preparation of future weather data to study the impact of climate change on buildings // Building and Environment. 2009. Vol. 44, N 4. Р. 793—800.Guan L. Preparation of future weather data to study the impact of climate change on buildings, Building and Environment, 2009, vol. 44, no. 4, pp. 793—800.Ицкович Э. Л. Современные алгоритмы автоматического регулирования и их использование на предприятиях // Автоматизация в промышленности. 2007. № 6. С. 39—44.Itskovich E. L. Modern algorithms of the automatic regulation and their use at the enterprises, Avtomatizaciya v Promyshlennosti, 2007, no. 6, pp. 39—44 (in Russian).Ротач В. Я. Об адаптивных системах управления с текущей идентификацией // Автоматизация в промышленности. 2004. № 6. С. 3—6.Rotach V. Y. About adaptive control systems with current identification, Avtomatizaciya v Promyshlennosti, 2004, no. 6, pp. 3—6.Waczowicz S., Klaiber S., Bretschneider P., Konotop I., Westermann D., Reischl M., Mikut R. Data mining to analyse the effects of price signals on household electricity customers // Automatisierungstechnik. 2014. Vol. 62. P. 740—752.Waczowicz S., Klaiber S., Bretschneider P., Konotop I., Westermann D., Reischl M., Mikut R. Data mining to analyse the effects of price signals on household electricity customers, Automatisierungstechnik, 2014, 62, pp. 740—752.Nikolaev A. V., Alymenko N. I., Kamenskikh A. A., Nikolaev V. A., Alymenko D. N., Petrov A. I. Factors defining value and direction of thermal drop between mine shafts and impact of general mine natural draft on ventilation process of underground mining companies // Actual Issues of Mechanical Engineering (AIME 2017): Proceedings of the Intern. Conf. Tomsk Polytechnic University. Paris; Amsterdam; Hong Kong: Atlantis Press, 2017. P. 561—566.Nikolaev A. V., Alymenko N. I., Kamenskikh A. A., Nikolaev V. A., Alymenko D. N., Petrov A. I. Factors defining value and direction of thermal drop between mine shafts and impact of general mine natural draft on ventilation process of underground mining companies, Actual Issues of Mechanical Engineering (AIME 2017): proceedings of the International Conference, 2017, pp. 561—566.Nikolaev A., Alymenko N., Kamenskih A., Nikolaev V. The results of air treatment process modeling at the location of the air curtain in the air suppliers and ventilation shafts // E3S Web of Conferences. 2017. Vol. 15: The 1st Scientific Practical Conference International Innovative Mining Symposium (in memory of Prof. Vladimir Pronoza): proceedings. 7 p.Nikolaev A., Alymenko N., Kamenskih A., Nikolaev V. The results of air treatment process modeling at the location of the air curtain in the air suppliers and ventilation shafts, The 1st Scientific Practical Conference International Innovative Mining Symposium (in memory of Prof. Vladimir Pronoza), 2017, vol. 15, p. 7.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.