INNOWACYJNE SATELITARNE SYSTEMY MONITOROWANIA MASZYN TECHNOLOGICZNYCH W ODKRYWKOWYM GÓRNICTWIE SUROWCÓW SKALNYCH INNOVATIVE SATELLITE MONITORING SYSTEMS OF TECHNOLOGICAL MACHINES IN SURFACE MINING OF ROCKY RAW MATERIALS

(1)

INNOWACYJNE SATELITARNE SYSTEMY MONITOROWANIA MASZYN

TECHNOLOGICZNYCH W ODKRYWKOWYM GÓRNICTWIE

SUROWCÓW SKALNYCH

INNOVATIVE SATELLITE MONITORING SYSTEMS OF TECHNOLOGICAL MACHINES IN SURFACE MINING OF ROCKY RAW MATERIALS

W artykule zaprezentowano innowacyjne rozwiązania techniczne jakie stosowane są w maszynach podstawowych pracu-jących w światowym górnictwie odkrywkowym, gdzie eksploatacja prowadzona jest w sposób cykliczny. Spośród wszystkich dostępnych rozwiązań wymieniono i scharakteryzowano tylko część z nich i skupiono się głównie na systemach związanych z monitorowaniem pracy jak i stanu technicznego maszyn wraz z ich jednoczesnym pozycjonowaniem. Ponadto w skrócie opisano przesłanki do ich stosowania.

Słowa kluczowe: górnictwo odkrywkowe, maszyny górnicze, monitoring

The paper presents innovative technology used in basic machines working in world mining industry with cyclic extraction technology. Only some of available solutions are listed and characterized, focusing on monitoring and positioning systems of machines and the premises for their use are brieﬂy described.

Key words: surface mining, mining machinery, monitoring

Wiesław Kozioł, Adrian Borcz, Łukasz Machniak - AGH w Krakowie, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii, Katedra Górnictwa Odkrywkowego

Wprowadzenie

Rozwijający się przemysł, postęp w wielu dziedzinach nauki, a także w inżynierii mechanicznej oraz szybki rozwój technologii komputerowych w ubiegłym wieku przyczyniły się do tego, iż obecnie technika dotyczy każdej sfery życia człowieka.

Człowiek zaczyna wymagać coraz więcej od swoich usłu-godawców jeżeli chodzi o jakość i ilość oferowanych dóbr i usług. Jego ewolucja obiera kierunek, w którym stara się w sposób prosty i szybki osiągać zamierzone cele. Jednak dotyczy to zarówno sfery życia osobistego jak i warunków w jakich pracuje, a te niejednokrotnie ze względu na swój charakter oraz lokalizację utrudniają bądź uniemożliwiają jej wykonywanie przy pomocy tylko siły ludzkich rąk. Do tego celu mogą być wykorzystywane maszyny o różnym przeznaczeniu, sterowane zdalnie, operowanie którymi musi być szybkie, wygodne i z zachowaniem bezpieczeństwa. Zapewnić to mogą odpowiednia kontrola nad nimi, co umożliwia odpowiednia łączność.

Ogólna charakterystyka systemów monitorowania i sterowania maszyn w górnictwie odkrywkowym

Ogólna charakterystyka stosowanych systemów

monitorowania pracy maszyn w kopalniach odkrywkowych Nowoczesne systemy dyspozytorskie w cyklicznych technologiach wydobywczych surowców skalnych testowane i częściowo stosowane są już od połowy lat 90-tych ubiegłego wieku w zachodnich koncernach górniczych, jednak ostatnie lata wskazują na coraz to większą konkurencyjność zastoso-wanych rozwiązań. Na czele stoją m.in. producenci maszyn górniczych (Caterpillar, Komatsu, Hitachi, itp.), a także ﬁrmy specjalizujące się m.in. w precyzyjnym pozycjonowaniu oraz raportowaniu pracy parametrów frontu roboczego (Leica Geosystems, TMS, itp.). Liczna konkurencja uskutecznia poszukiwanie i rozwijanie nowszych rozwiązań i wydajności istniejących systemów, tym samym usprawniając ich funkcjo-nalność oraz upraszczając ich obsługę.

Zautomatyzowane górnictwo rudne, surowców skalnych czy też energetycznych prowadzane jest coraz częściej w

(2)

za-granicznych koncernach górniczych liczących po kilka- lub kilkanaście kopalń o bardzo wysokim wydobyciu. Rozwój i wdrażanie coraz to nowszych i różnorodnych rozwiązań świadczy o tym, iż doświadczenia z badań prowadzonych na dostępnych dotąd (wypraktykowanych) rozwiązaniach cieszą się dużym zainteresowaniem i z dużym powodzeniem wpro-wadzane są w coraz większej ilości kopalń.

Wprowadzenie systemów monitorowania może mieć uzasadnienie z punktu mnogości informacji jakie docierają do

dyspozytorni. Zestawienie i krótka charakterystyka dostępnych na rynku światowym rozwiązań zawiera tabela 1. Z wymienio-nych kilkunastu systemów w dalszej części artykułu omówiono tylko kilka z nich.

Spośród dostępnych rozwiązań wiele z nich dostarcza szeroki wachlarz możliwości. Przykładowo produkt jednego z największych producentów maszyn (w tym górniczych), ﬁrma Caterpillar, opra-cowała system (MineStar FleetCommander)

cowała system (MineStar FleetCommander)

cowała system ( składający się z kilku modułów, a każdy z nich odpowiada za odrębne elementy [6].

Producent Nazwa systemu Charakterystyka Zastosowanie (kopalnia)

Carlson Carlson Software’s _{Machine Control}  sterowanie maszynami pozycjonowanie  monitorowanie

Kopalnia węgla kamiennego Falkirk (USA)

Caterpillar _{FleetCommander}MineStar

 sterowanie maszynami  zarządzanie kopalnią

 monitoring pracy i stanu technicznego maszyn

 automatyzacja procesów technologicznych

Kopalnia złota Newmont (USA),

Kopalnia rudy żelaza Solomon (Australia)

Devex _SmartMineExtreme

 precyzyjne wykonywanie prac górniczych  identyﬁkacja „słabych punktów” trasy – mniejsze zużycie opon oraz części  monitoring stanu technicznego maszyn

Kopalnia złota w Goiás (Brazylia)

CMC

Limited DynaMine  monitorowanie pracy samochodów samowyładowczych

Kopalnie odkrywkowe węgla kamiennego Gevra w Bilaspur oraz Jayant w

Singrauli (Indie)

Komatsu Autonomous Haulage FrontRunner System (AHS)

 pozycjonowanie i monitorowanie pracy maszyn

 sterowanie bezzałogowymi samochodami

Kopalnia rudy żelaza West Angelas

(Australia)

Leica

Geosystems Jigsaw

 kompleksowe monitorowanie pracy maszyn różnego typu

 precyzyjne pozycjonowanie maszyn  autonomiczność pracy maszyn

Kopalnie węgla kamiennego (Indie) Modular Mining Systems Fleet Management System

 śledzenie parametrów samochodów w czasie rzeczywistym

 generowanie raportów produkcji  analizowanie obszarów

kopalni pod kątem ulepszania produktywności

Ponad 250 kopalń na całym świecie (w tym w 18

największych)

Penguin Automated

Systems

- automatyzacja pracy maszyn

 systemy naprowadzania Kopalnia miedzi i niklu Little Stobie Mine (Kanada)

Sandvik AutoMine Drilling AutoMine Process Management

 wielkośrednicowe roboty wiertnicze o dużej dokładności oraz efektywności

 komunikacja w czasie rzeczywistym i optymalizacja procesów technologicznych w kierunku zwiększenia wydajności

Kopalnia złota i miedzi Dundee Precious Metals

(Bułgaria)

VIST Group Intelligent Mine Project _KARIER

 kontrola maszyn: samochodów

bezzałogowych, zdalnie sterowanych koparek, spycharek

 optymalizacja procesów produkcyjnych

Szereg kopalni (głównie Rosja, ponadto Ukraina, Kazachstan, Mongolia)

Wenco

(Hitachi) Fleet Management System

 precyzyjne lokalizowanie i monitorowanie pracy maszyn, ich czasu pracy oraz

wydajności

 precyzyjne naprowadzanie koparek, spycharek oraz wiertnic

Kopalnia miedzi Taseko Gibraltar Mine

(Kanada)

Tab.1. Systemy zdalnego sterowania w kopalniach odkrywkowych dostępne na rynku światowym [16] Tab.1. Remote control systems available in surface mines in the global market [16]

(3)

W skład systemu Caterpillar’a wchodzi 5 modułów, z czego w niniejszym artykule interesują nas tylko dwa: FLEET oraz HEALTH.

Pierwszy odpowiada za monitorowanie i obserwację ca-łego układu technologicznego z centrali kopalni, możliwość przeprowadzania różnych symulacji, natomiast drugi odpo-wiada za monitorowanie stanu technicznego poszczególnych maszyn. Umożliwia on przestrzeganie postojów i remontów planowanych, minimalizując tym samym awarie i koszty z nich wynikające. Całość odbywa się przy znajomości dokładnej pozycji rozpatrywanej maszyny.

Lokalizacja maszyn odbywa się dzięki systemowi GPS (Global Positioning System). Stosowanie nawet w życiu co-dziennym systemu GPS (np. nawigacje samochodowe) wymaga połączenia z odpowiednią ilością satelit w celu uzyskania dokładniejszego pozycjonowania. Toteż dodatkowym atutem systemów typu MineStar FleetCommander jest wykorzystywa-MineStar FleetCommander jest wykorzystywa-MineStar FleetCommander nie rosyjskiego systemu nawigacyjnego GLONASS – obecnie wykorzystywanego również w telefonach komórkowych – co jest szczególnie istotne w obszarach wyrobisk kopalń odkryw-kowych, w których zasięg amerykańskiego systemu NAVSTAR może nie być wystarczający.

Wśród uzyskiwanych z czujników danych, oprócz po-miarów zużycia paliwa, kontrolować również można zużycie opon, czyli elementów szczególnie narażonych na zniszczenia, szczególnie w trudnych dla maszyn warunkach jakie panują w kopalniach. Zużywanie opon przez samochody na dużych odległościach po drogach kopalnianych przyczynia się do two-rzenia około 5% kosztów zmiennych kopalni, plasując je tym samym tuż za kosztami zużycia paliwa. Ocena trwałości opon oparta jest na znajomości kilku czynników [1]:

 stopnia ścieralności drogi po której poruszają się samo-chody,

 długość drogi,  nachyleni drogi,

 masa pojazdu – z podziałem na obciążenia przypadające na pojedynczą oś,

 masa ładunku,

 warunki pogodowe (temperatura),  prędkość jazdy pojazdu.

Firma Caterpillar wprowadza politykę standaryzacji wszelkich komponentów stosowanych w rozwiązaniach swo-jego systemu. Umożliwi to zmniejszenie ilości wymaganych części i minimalizację ilości potrzebnej obsługi technicznej. Rozwiązanie takie jest również godne polecenia pod kątem Tab. 2. Systemy monitoringu stanu technicznego maszyn górniczych [4]

Tab. 2. Systems for monitoring technical condition of mining machinery [4]

Producent Nazwa systemu Charakterystyka

Caterpillar

Vital Management System (VIMS) – tylko

maszyny Caterpillar MineStar HEALTH

 wyświetlanie informacji o stanie technicznym maszyny na ekranie operatora oraz w dyspozytorni

 podawanie informacji o wydajności maszyn  zapisywanie usterek podzespołów

 pełny nadzór nad stanem technicznym układu technologicznego

Cummins Advanced Engine _Monitoring

 obserwacja wszystkich elementów roboczych silnika podczas pracy (w czasie rzeczywistym)

 tworzenie wykresów ilustrujących potrzeby wykonania przeglądów oraz skracania postojów

Komatsu Vehicle Health Monitoring System (VHMS) – KOMTRAX Plus

 monitorowanie i analizowanie danych dla określenia tendencji ich kształtowania się w czasie

 przewidywanie zapotrzebowania na obsługę serwisową, części zamienne i podzespoły

 szybki dostęp do danych

Liebherr Litronic Plus  monitoring w czasie rzeczywistym ostrzeżenia o usterkach i ich wykrywanie  tworzenie zestawień

Matrikon Mobile Equipment _{Monitor (MEM)}

 monitorowanie i nadzorowanie sprzętu różnego typu (w zależności od usługobiorcy) w czasie rzeczywistym

 możliwość integracji z dowolnym systemem do zarządzania i sterowania Modular Mining Systems (MMSI) MineCare (Komatsu)

 zdalne diagnozowanie (na odległość)

 dostarczanie interfejsów graﬁcznych dla systemów monitorowania różnych producentów MTU (Detroit Diesel) Exhaust Gas Temperature Monitoring System (ETMS)

 pomiary temperatury cylindrów wraz ze wskazaniem korzystnego poziomu

Wenco WencoHealth_(Hitachi)  zarządzanie naprawami poszczególnych elementów szacowanie czasu, pracy oraz komponentów potrzebnych na prace konserwacyjne

(4)

ograniczenia kosztów jakie musi ponieść przedsiębiorca gór-niczy do obsługi systemu.

Monitorowanie stanu technicznego maszyn

Poszukiwanie oszczędności w każdej dziedzinie pracującej kopalni przyczyniły się do zwiększonego kontrolowania stanu technicznego maszyn. Wczesne wykrywanie usterek bądź nad-miernych obciążeń, szczególnie narażonych, elementów maszyn umożliwia znaczne obniżanie kosztów ich napraw bądź też cał-kowitej wymiany, a tym samym umożliwia zmniejszanie kosztów jednostkowych wydobycia kopaliny.

Obecnie dzięki zastosowaniu różnorodnych czujników, mierników oraz programów diagnostycznych mamy możliwość prowadzenia obserwacji oraz gromadzenia danych, które uporząd-kowane w odpowiedni sposób dostarczają całą gamę wskazań do późniejszych analiz (rys. 1).

Obecnie systemy takie od lat są rozwijane jako moduły bądź jako oddzielnie funkcjonujące systemy – tabela 2.

Łączny koszt napraw maszyn górniczych użytkowanych przez dłuższy okres czasu potraﬁ być stosunkowo wysoki i zdarza się, iż przekracza on wartość zakupu maszyny. Wczesne wykrycie usterki wpływa na zmniejszenie łącznych kosztów utrzymania maszyny – koszty napraw po awarii potraﬁą być od 1,5 do 2 razy większe niż przed jej wystąpieniem [14].

Zaproponowany przez ﬁrmę Komatsu system Vehicle Health Monitoring System (VHMS) tylko częściowo podaje informacje na bieżąco (tj. zużycie paliwa, wielkość ładunku, itp.). Wszystkie uzyskane dane przesyłane są do analizy umożliwiając wczesne wy-krycie objawów nieprawidłowej pracy maszyn i ich podzespołów, natomiast oprogramowanie WebCARE, w które wyposażona jest miejscowa dyspozytornia, poprzez wykonywanie różnych analiz umożliwia określenie „czasu życia” maszyny. Ogólny schemat działania systemu VHMS/WebCARE przedstawia rysunek 3.VHMS/WebCARE przedstawia rysunek 3.VHMS/WebCARE

Przedstawiony na rysunku sterownik VHMS jest kompu-terem, którego rolą jest gromadzenie, porządkowanie, zapis oraz transfer danych, które zbierane są z umieszczonych na maszynie czujników. Szczególną rolą tej aparatury jest kon-trola zużycia zwłaszcza najbardziej podatnych na uszkodzenia podzespołów, których naprawy są kosztowne. Przykładowo podczas monitorowania pracy silnika samochodu samowy-ładowczego zbierane są dane dotyczące temperatury płynów chłodzących oraz smarów. Stała obserwacja parametrów, nawet podczas spokojnej pracy, umożliwia porównanie maszyny z innymi maszynami tego samego typu, w identycznych bądź w zbliżonych warunkach.

Spośród najważniejszych celów systemu VHMS wymie-nić można minimalizację kosztów przeglądów, utrzymania i napraw maszyny oraz czasu ich wykonywania w okresie jej pracy na kopalni, wydłużenie czasu jej efektywnej pracy, a tym samym zwiększenie bądź utrzymanie jej wydajności na stałym poziomie.

Rys. 2. Wyświetlanie w czasie rzeczywistym informacji dotyczących samochodu przez system MEM [4] Fig. 2. Displaying information about car in real time by the MEM system [4]

Rys. 1. Zestawienie czujników wykonujących pomiary w czasie rzeczywistym [9]

(5)

nie pozycji, prędkości oraz czasu dla dowolnego miejsca bądź obiektu na ziemi [12].

System GPS (GNSS – Global Navigation Satellite System) nie jest jednak niezawodny i ma pewne ograniczenia (omó-wione w dalszej części artykułu). Istnieje jednak możliwość jego odpowiedniego połączenia wraz z systemami łączności bezprzewodowej. Taka kombinacja pozwala na w pełni szcze-gółowe określenie informacji takich jak:

Satelitarne systemy pozycjonowania maszyn i urządzeń technologicznych w górnictwie skalnym

Jednym z ważniejszych elementów przy zdalnym stero-waniu pracą maszyn na odległość jest ich dokładne pozycjo-nowanie. W tym celu stosowany jest system nawigacji GPS. Bazuje on na odbiorze sygnałów radiowych pochodzących ze stacjonujących na orbicie ziemskiej satelit i umożliwia określe-Rys. 3. Ogólny schemat działania systemu WebCARE [14]

Fig. 3. General scheme of the WebCARE system [14]

Rys. 4. Schemat przedstawiający działanie systemu KOMTRAX dla maszyn budowlanych [7] Fig. 4. Diagram showing the action of KOMTRAX system for construction machines [7]

(6)

Od kilku lat ﬁrmy specjalizujące się w wytwarzaniu maszyn budowlanych lub wykwaliﬁkowane w tworzeniu systemów łączności satelitarnej oferują wykorzystanie w maszynach satelitarnych systemów kontroli i sterowania pracą maszyn (tab. 3).

Wśród wiodących produktów znajduje się KOMTRAX (Komatsu Machine Tracking System

(Komatsu Machine Tracking System

( ), czyli bezprzewodowy  prędkość i czas jazdy,

 czas postojów,  zużycie paliwa,

 stopień załadowania skrzyni samochodu,  przebytą drogę,

 obroty silnika,

 ciśnienie oleju oraz ciśnienie opon.

Tab. 3. Satelitarne systemy kontroli i sterowania pracą maszyn budowlanych i górniczych [12] Tab. 3. Satellite systems for monitoring and controlling work of construction and mining machines [12]

Producent _{(rodzaj maszyny)}Nazwa systemu Charakterystyka

Bell _{(wywrotki przegubowe)}Fleetmatic

 Usprawnienie zarządzania ﬂotą maszyn

 Monitorowanie w czasie rzeczywistym: wielkości ładunku, zużycia paliwa, czasu przejazdów

 Informacje o błędach (np. przeładowanie wywrotki)  Całodobowe połączenie przez sieć internetową  Lokalizowanie pojazdu

Bomag Bomag Telematic

 Zarządzanie ﬂotą maszyn przez sieć Internet (globalny system komunikacji z maszynami)

 Możliwość montażu na maszynach różnych producentów  Optymalizacja planów zadań dla operatorów maszyn

Hitachi _{(samochody, koparki, ładowarki)}Global e-service

 Internetowy system do transmisji danych techniczno-eksploatacyjnych pojedynczej maszyny

jak i całej ﬂoty maszyn, tj.: czas i rodzaj pracy, zużycie paliwa, temperatura płynów eksploatacyjnych

 Obniżenie kosztów eksploatacji maszyn  Ułatwienie pracy serwisom technicznym

Komatsu

Komtrax,

Komtrax Plus (górnictwo odkrywkowe) (spycharki, koparki, ładowarki,

samochody)

 System telematyczny, satelitarny, internetowy  Kontrola podzespołów maszyn

 Śledzenie parametrów pracy maszyn

Leica

Geosystems Leica Jps

 System precyzyjnego pozycjonowania

(szczególnie w głębokich wyrobiskach odkrywkowych)  Nie wymaga połączenia z systemem GPS (wykorzystywanie umieszczonych na ziemi sztucznych satelitów lub punktów referencyjnych) TMS (Telematic Management System) TMS  System telemetryczny

 Zastosowanie: transport, budownictwo, górnictwo odkrywkowe

 Rozliczanie: zużycia paliwa, czasu pracy maszyn, monitorowanie przebiegu i lokalizacji pojazdów

Topcon Site Link

 Centralne zarządzanie placem budowy  Możliwość monitorowania pracy w terenie

 Kontrola pracy poprzez zainstalowany na maszynach system sterowania Topcon

Trimble Terralite XPS  System precyzyjnego pozycjonowania(również w głębokich wyrobiskach odkrywkowych)

 Możliwość pozycjonowania z nieliczną ilością satelit GPS

Vicotel Vicotel GPS Optima

 System telematyczny

 Zastosowanie: transport lądowy, górnictwo odkrywkowe  Zdalne zarządzanie procesem produkcyjnym na podstawie znajomości informacji, tj.: o przebieg i lokalizacja maszyn załadowczych oraz transportowych o zużycie paliwa o ilość i jakość zapasów surowca

Volvo

Care Track bazujący na technologii GPS oraz GSM

(ładowarki, samochody przegubowe, koparki, równiarki)

 Kontrola i monitoring pracy maszyn  Raporty pracy maszyn

(7)

system monitoringu, który obecnie montowany jest w większo-ści maszyn Komatsu. Jego zadaniem jest podawanie odczytów liczników oraz informacji o lokalizacji maszyn, a także danych dotyczących zużytego przez nie paliwa i parametrów pracy. KOMTRAX pomaga w identyﬁkacji momentów nieefektyw-nego działania maszyn i tym samym w ich zapobieganiu [5] (rys. 4).

Pozycjonowanie maszyn wykorzystywane w licznych dostępnych rozwiązaniach uzależnione jest głównie od sys-temu satelitarnego GPS. Spośród nich wyróżnić można takie, które wykorzystują dwa systemy satelitarne (NAVSTAR oraz GLONASS). GPS jest jednak silnie zależny m.in. od warunków pogodowych, minimalnej ilości dostępnych satelit i ich aktual-nym położeniu na niebie względem odbiornika. Wysokie ściany zboczy głębokich wyrobisk odkrywkowych mogą mieć wpływ na tzw. „maskowanie satelit” (efekt winietowania). Moduły GPS zainstalowane na maszynach, znajdujących się na dnie głębokich odkrywek bądź zlokalizowanych przy ich ścianach, mogą mieć zakłócenia w odbiorze czystego sygnału (rys. 5).

Ograniczenia tego typu w pewnym stopniu negatywnie oddziałują na dostępność maszyn i dokładność ich pracy.

Rys. 5. „Maskowanie satelit” związane z głębokimi wyrobiskami i wysokimi ścianami ich zboczy [15]

Fig. 5. „Satellite masking” connected with deep pits or by high-walls of their slopes [15]

Przekładając się bezpośrednio na spadek efektywności pracy systemu i samej maszyny.

Jedną z ﬁrm, która podjęła się rozwiązania tego problemu jest Leica Geosystems, słynąca z zaawansowanych systemów sterowania oraz z wysoce precyzyjnych systemów wykrywania przeszkód, a ponadto rozwiązań związanych m.in. z zapobie-ganiem kolizji samochodów i innych maszyn. W swoich kla-sycznych rozwiązaniach, opartych na systemie GPS, stawia na wysoką wydajność systemu naprowadzania, jednak możliwość wystąpienia ww. zakłóceń utrudnia uzyskanie dobrej jakości sygnału, a tym samym precyzji sterowania.

Leica wykorzystała rozwiązanie ﬁrmy Locata Corp. Polega ono na wykorzystaniu własnego systemu naziemnych satelit stacjonarnych, który zaimplementowano do systemu sterowania Leica Jigsaw (Fleet Management System (Fleet Management System ( ). Integracja polega na umieszczeniu naziemnych nadajników (LocataLites

umieszczeniu naziemnych nadajników (LocataLites

umieszczeniu naziemnych nadajników ( – rys. 6), które transmitują sygnał lokalizacyjny, a w przypadku gdy nie jest możliwe korzystanie z GPS eliminuje tym samym całko-wicie konieczność korzystania z niego. Rozmieszczone w taki sposób „satelity” tworzą stacjonarną sieć lokalizacyjną sposób „satelity” tworzą stacjonarną sieć lokalizacyjną (Locata-sposób „satelity” tworzą stacjonarną sieć lokalizacyjną ( Net). Innowacyjność takiego rozwiązania pozwala na doskonałą Net). Innowacyjność takiego rozwiązania pozwala na doskonałą Net

(nanosekundową) bezprzewodową synchronizację danych w systemie autonomicznej pracy maszyn. System jest również przystosowany do pełnej współpracy z systemem GPS.

Nadajniki LocataLite transmitują własny zakodowany sygnał o określonej częstotliwości (2,4 GHz). Na ich masztach zainstalowano oddzielnie anteny nadawczą oraz odbiorczą, które umożliwiają precyzyjną i ciągłą synchronizację danych (system TimeLoc).

W ramach przetestowania możliwości systemu Leica/ Locata (Jps – Jigsaw positioning System) wykonano testy w kopalni złota Newmont Boddington (Australia), polegające na pozycjonowaniu wiertnicy w przeciągu tygodnia czasu (7 dni) (rys. 7 i 8). Wyniki zostały porównane z tradycyjną nawigacją satelitarną.

System GPS nie sprawdził się najlepiej na dużych głę-bokościach (wyrobisko wgłębne) odkrywki wymienionej

Rys. 6. Antena LocataLite zainstalowana w odkrywce kopalni [3]

(8)

sygnału GPS (rys. 10).

Z uśrednienia wartości z poszczególnych dni testów wyni-ka, iż system Leica (Jps) z technologią ﬁrmy Locata osiągnął prawie 55% lepszą skuteczność w naprowadzaniu wiertnicy w stosunku do systemu GPS.

Z ostatniego wykresu (rys. 11) można zauważyć, iż system GPS osiągnął największą wartość rzędu 80% przy prawie 100% kopalni. Z wykresów na rysunku 9 zauważyć można, iż w

przypadku gdy wiertnica znajdowała się w najpłytszych ob-szarach wyrobiska zasięg systemu GPS był wystarczający do wskazania jej pozycji (zielone punkty na rysunku). Sytuacja diametralnie się zmieniła gdy wraz z obniżaniem się poziomu wiertnicy względem powierzchni terenu odczuwalne zaczęły być wspomniane wcześniej efekty wpływające na osłabienie Rys. 8. Południowa odkrywka kopalni złota Newmont Boddington [15] Fig. 8. South pit of Newmont Boddington Gold Mine [15]

Rys. 9. Porównanie możliwości systemów GPS oraz Leica/Locata w odkrywce kopalni złota Newmont Boddington [2] Fig. 9. Comparison of GPS and Leica/Locata systems in the pit of Newmont Boddington Gold Mine [2]

Rys. 10. Precyzja pozycjonowania wiertnicy w kopalni złota Newmont Boddington [2] Fig. 10. Positioning accuracy of the drill rig in Newmont Boddington Gold Mine [2]

(9)

systemu Jps w pierwszym dniu wykonywanych testów. Wraz ze wzrostem głębokości jakość sygnału systemu GPS ulegała znacznemu pogorszeniu osiągając minimum szóstego dnia (4%), natomiast wartość najniższa systemu stacjonarnego Jps osiągnęła swoje minimum w dniu ostatnim (92,5%). Wyniki te są bardzo zadowalające z korzyścią dla systemu Jps, biorąc pod uwagę fakt, iż do testów wykorzystano wyłącznie 5 na-dajników LocataLites.

Polskie górnictwo odkrywkowe wykorzystuje system GPS od ponad 10 lat. Jego skala wykorzystania jest jednak ograni-czona, a w przemyśle krajowym stosowany jest sporadycznie. W 2000 roku opracowano oraz próbnie wdrożono Górniczy System Nawigacyjno-Kontrolny GSN dla górnictwa węgla brunatnego, w którym zastosowano w pełni zautomatyzowane systemy pomiarowe oraz komunikacyjne. Stanowi on system typu dyspozytorskiego opartego na trzech bazach [12]:  geologicznej,

 geodezyjnej,

 górniczej i technologicznej.

Baza geologiczna polega na przestrzennym oraz jako-ściowym rozkładzie złoża, geodezyjna odpowiada za aktualny stan wyrobiska pod urabianie koparkami natomiast ostatnia baza zorientowana jest na opis projektowanego zakresu robót górniczych, technologię robót, a także parametry techniczne i geometryczne stosowanych maszyn.

Dla osiągnięcia założonych celów zaproponowano zasto-sowanie urządzeń, które umożliwiałyby określenie w czasie rzeczywistym położenia w przestrzeni organu urabiającego koparek z dokładnością od 10 do 15 centymetrów oraz poło-żenia samochodów technologicznych z dokładnością od 1 do 5 metrów.

Przesłanki do wdrażania autonomicznych systemów monitorowania maszyn

Zwiększanie produkcji w skali globalnej, wynikające z zapotrzebowania wzrastającej wciąż liczby populacji Świata, poniekąd wymusza rozwój dostępnej techniki. Postęp technicz-ny w górnictwie w kierunku autonomiczności maszyn jest już od lat znanym zagadnieniem, a stosowane obecnie jednostki komputerowe w dyspozytorniach autonomicznej kopalni są nowocześniejsze i bardziej zaawansowane technicznie niż niegdyś stosowane w misjach kosmicznych.

Spośród elementów, które przemawiają za inwestowaniem w monitorowanie zakładów górniczych, wymienić można następujące ważne czynniki [13]:

- efektywność ekonomiczna, - bezpieczeństwo,

- ergonomia, - jakość, - wydajność.

Technologia zdalnego sterowania, w celu zapewnienia cią-głej kontroli nad maszynami i urządzeniami, wymaga szybkiego i stałego połączenia, pozwalającego na nieprzerwaną wymianę informacji pomiędzy poszczególnymi elementami kopalni, jak na przykład wzajemnej komunikacji maszyn bądź maszyny z operatorem.

Współczesne osiągnięcia techniki pozwalają na transmisję danych z dużymi prędkościami, które zależą od zastosowanego rozwiązania (telefonia komórkowa, sieć internetowa, systemy radiowe, światłowody), natomiast w przypadkach zerwania łączności pozyskiwane dane o pracy maszyny zapisywane są w zainstalowanej w jej układzie elektronicznym pamięci. W celu uniknięcia takich sytuacji, gdzie dojść może do utraty sygnału, należałoby zastosować system mobilnych stacji radiowych, które można zlokalizować w dowolnie wybranym miejscu kopalni, a ich zasilanie odbywałoby się poprzez panel baterii słonecznych.

Podsumowanie

Spośród różnorodnych rozwiązań, oferowanych na rynku światowym, zdecydowanymi liderami we wdrażaniu nowocze-snych systemów dyspozytorskich, służących m.in. do monito-rowania maszyn w cyklicznych technologiach wydobywczych, są takie ﬁrmy jak Caterpillar, Hitachi, Komatsu, Leica i inne. Możliwości oferowanych systemów oraz stały ich rozwój w kierunku funkcjonalności i prostoty użytkowania zapewniony jest dzięki istniejącej konkurencji.

W przypadku systemów typu VHMS (Komatsu) do okre-ślenia stanu technicznego maszyny wymagane jest zebranie informacji dotyczących:

 sposobu wykorzystania maszyny (przeznaczenie),  rygorów narzuconych na maszynę na danym stanowisku

pracy,

 oczekiwany czas życia maszyny.

W światowym górnictwie system GPS jest obecnie często stosowany przy monitoringu pracy maszyn wydobywczych (koparki, ładowarki) oraz transportowych (transport samocho-dowy). Kombinacja połączenia systemu GPS z bezprzewo-dowymi systemami łączności oprócz samego monitorowania umożliwia także bardzo precyzyjne lokalizowanie maszyny. Rys. 11. Zastosowanie systemu pozycjonowania maszyn w wyrobisku kopalni odkrywkowej opracowanego przez ﬁrmę Trimble [8]

Fig. 11. The use of positioning system used in surface mine developed by Trimble [8]

(10)

Dokładna znajomość wykonywanej przez samochód technolo-giczny pracy pozwala na obniżenie kosztów transportu, bardziej ekonomiczną eksploatację pojazdów oraz przede wszystkim skuteczną kontrolę nad nimi.

Umożliwienie monitorowania i kontrolowania pracy ma-szyn ma odczuwalny wpływ na zwiększenie produkcji od kilku do kilkunastu procent, co potwierdzają wyniki osiągane przez zachodnie koncerny górnicze z zastosowanymi nowoczesnymi systemami sterowania.

Literatura

[1] Antoniak J., W kierunku kopalni przyszłości. Surowce i Maszyny Budowlane nr 4, 2010

[2] Carr J., Productivity gains at Newmont Boddington using Leica Jps with Locata Technology. Newmont Boddington Gold Mine, August 2012

[3] GPS augmentation for mining. Mining Magazine, October 2010 [4] Harcus M., Taking a pulse. Mining Magazine, January/February 2011 [5] http://komatsupoland.pl/strona_glowna3.html

[6] http://catminestarsystem.com/ [7] http://komatsu.com/

[8] http://trimble.com [9] http://westrac.com.au

[10] Kiełbasiewicz W., Założenia do określenia procedur systemu sterowania technologią odkrywkową wydobycia surowców skalnych (praca niepublikowana), Wrocław 2011

[11] Kozioł W. i in., Kierunki i etapy rozwoju zautomatyzowanych kopalń odkrywkowych, Zadanie 9.3 projektu rozwojowego pt.: „Zintegrowany system sterowania technologią odkrywkową wydobycia surowców skalnych” realizowanego przez konsorcjum naukowe reprezentowane przez „Poltegor-Instytut” Instytut Górnictwa Odkrywkowego, AGH, Kraków 2013

[12] Kozioł W. i in., Opracowanie nowej technologii wydobycia i produkcji ulepszonych kruszyw w kopalni „Wszachów”, Praca badawczo-rozwojowa (niepublikowana), AGH, Kraków 2011

[13] Marianowski J., Automatyzacja funkcjonowania maszyn roboczych w skalnym górnictwie podziemnym i odkrywkowym. Napędy i Sterowanie nr 2, 2012

[14] Murakami T., Saigo T., Ohkura T., Okawa Y., Taninaga T., Development of Vehicle Health Monitoring System (VHMS/ WebCARE) for Large-Sized Construction Machine. Komatsu Technical Report nr 150, 2002

[15] Robertson C., Leica Geosystems Locata-enabled GNSS Augmentation for Mining, The Australian Institute of Mine Surveyors (AIMS) Conference 2011

[16] Systems in synergy. Mining Magazine, October 2012

Artykuł opracowano w ramach realizacji projektu rozwojowego nr NR09-0061-10/2011 pt. Opracowanie koncepcji systemu organizacji, zarządzania i monitorowania w kopalniach.