Łukasz Krzak, G. Bomersbach, M. Szczurkowski, M. Warzecha, C. Worek Radiowa łączność cyfrowa w pionowych szybach kopalnianychSesja: Sieci i systemy bezprzewodowe.Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie

Pełen tekst

(1)www.pwt.et.put.poznan.pl. Grzegorz Bomersbach 2, Marcin Szczurowski 1, Michał Warzecha 1, Łukasz Krzak 1, Cezary Worek 1 1 Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Elektroniki Al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków 2 Centrum Mechanizacji Górnictwa KOMAG Ul. Pszczyńska 37, 44-101 Gliwice worek@agh.edu.pl. 2005. Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 8 - 9 grudnia 2005. RADIOWA ŁĄCZNOŚĆ CYFROWA W PIONOWYCH SZYBACH KOPALNIANYCH Streszczenie: Łączność radiowa znajduje coraz szersze zastosowanie w górniczych aplikacjach kontrolnosterujących, zapewniając wymaganą w trudnych warunkach pracy bezawaryjność, elastyczność i łatwość rozbudowy. Artykuł omawia wybrane zagadnienia dotyczące transmisji danych drogą radiową w szybach pionowych, wykorzystywanych do transportu ludzi i sprzętu. Skupiono się na systemach opartych na antenach kierunkowych działających w pasmach ISM. Zaprezentowano przykładowy system łączności przeznaczony do monitorowania napręŜenia liny naczynia wyciągowego. Temat zrealizowany został w ramach projektu badawczego KBN nr 4T12A05526.. 1. WSTĘP Automatyzacja procesów wydobywczych w górnictwie, mająca wpływ na ekonomię i bezpieczeństwo pracy, związana jest z doskonaleniem procedur sterowania pracą maszyn wyciągowych oraz rozwojem systemów bezprzewodowej komunikacji głosowej działających w szybach i wyrobiskach kopalnianych. Specyfika pracy w tak trudnych warunkach oraz względy bezpieczeństwa wymagają niezawodnego przepływu informacji kontrolnosterujących przy jak największej przepustowości i małych opóźnieniach. Jednocześnie środowisko górnicze często wyklucza stosowanie bezpośrednich połączeń kablowych ze względu na potencjalną awaryjność tego typu rozwiązań (szczególnie w ruchomych elementach transportowych) oraz z powodu duŜego kosztu instalacji. Odpowiedzią na stawiane wymogi stają się coraz częściej radiowe systemy łączności cyfrowej, które dzięki swoim parametrom spełniają wymagania środowiskowe, a jednocześnie mogą być łatwo rozbudowywane o kolejne kanały transmisyjne. Łączność radiowa w szybach kopalnianych jest utrudniona ze względu na samą specyfikę otoczenia. Wymagany jest duŜy zasięg transmisji (głębokość szybu to ok. 1000m), w wąskim korytarzu transmisyjnym (średnica ok. 6m) otoczonym betonowymi ścianami wzmocnionymi stalową konstrukcją. Łączność z ruchomym obiektem wymaga dodatkowo zapewnienia duŜej dynamiki odbiornika. Urządzenia pracujące w szybach kopalnianych muszą równieŜ sprostać wysokim wymaganiom dotyczącym odporności na udary mechaniczne, odporności na duŜe zmiany wilgotności i temperatury, wysokie zapylenie i zasolenie oraz intensywnej eksploatacji w środowisku górniczym.. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. W wyrobiskach, które pracują jako wentylacyjne szyby wywiewne, a więc w przestrzeniach szczególnie zagroŜonych wybuchem wymagane jest takŜe zapewnienie iskrobezpiecznej pracy urządzenia. 2. SYSTEMY ŁĄCZNOŚCI STOSOWANE W SZYBACH PIONOWYCH Infrastruktura szybu pionowego realizuje najczęściej funkcje transportu linowego ludzi, sprzętu i materiałów. Wymagania bezpieczeństwa jak równieŜ zagadnienia optymalizacji wykorzystania (zuŜycia) liny oraz elementów zawiesia linowego prowadzą do potrzeby monitorowania ich parametrów pracy. Dane te mogą być następnie analizowane i wykorzystanie do sterowania. Wymagana jest przy tym dwukierunkowa transmisja w trybie half-duplex z prędkościami ok. 9600bit/s. Zwiększenie tej prędkości daje moŜliwość transmitowania równieŜ sygnału mowy, np. między klatką transportującą ludzi a nadszybiem. W przypadku przesyłu danych mających istotny wpływ na bezpieczeństwo pracy, poŜądana jest często obecność dodatkowego, redundantnego kanału transmisji. Rodzaje łączności MoŜna wyróŜnić trzy podstawowe grupy łączności radiowej stosowanej w podziemnych wyrobiskach górniczych: • łączność oparta na promieniującym (cieknącym) kablu (ang. leaky feeder, radiating cable) np. rozległe systemy łączności na przewozach [2,3], • łączność realizowana w zakresach widoczności optycznej np. sterowanie kombajnami, sterowanie rozjazdami kolejowymi itp. [3,4,5]. • łączność wykorzystująca stacje przemiennikowe i/lub anteny kierunkowe np. lokalne (rozległe) systemy łączności na przewozach [3]. W przypadku łączności w szybach pionowych szczególnie interesujący jest zainstalowanie anten kierunkowych pracujących w pasmach ISM (Industrial, Science, Medical band), co zapewnia łączność o wymaganym zasięgu i nie prowadzi do duŜej ingerencji w strukturę szybu (przy braku stacji przekaźnikowych) i tym samym znacznie obniŜa koszty instalacji i utrzymania. Zastosowanie promieniującego kabla moŜe zapewnić zwiększenie zasięgu transmisji oraz ogólną poprawę parametrów, ale niejednokrotnie jest mało opłacalne lub wręcz niemoŜliwe ze względu na konstrukcję obiektu.. 1/4.

(2) www.pwt.et.put.poznan.pl. Komunikacja w szybie transportowym Na rys. 1 przedstawiono schemat ideowy systemu łączności nadszybia z klatką transportową z wykorzystaniem anten kierunkowych.. Lina wyciągowa. 2002 r.). PoniŜej przedstawiono wyciąg z tabeli 3 aneksu nr 1 tego rozporządzenia. Lp.. 4 5. Nadszybie. Szyb. Anteny kierunkowe. Klatka transportowa. Rys.1 Schemat ideowy systemu łączności szybowej. Oprócz stosunkowo niskich kosztów eksploatacji, do zalet takiego systemu moŜna zaliczyć: • duŜą niezawodność pracy urządzeń, • moŜliwość pracy w środowisku o duŜej tłumienności, • szybkie i tanie zestawienie łącza, • moŜliwość wykorzystania gotowych naziemnych systemów łączności w specjalnych wykonaniach (np. urządzeń sieci komórkowej GSM). Do wad naleŜy zaliczyć: • w niektórych sytuacjach moŜliwość występowanie stref martwych tzn. obszarów pozbawionych łączności, • konieczność stosowania nadmiarowych kanałów łączności, • podatność na zakłócenia (w małym stopniu dotyczy systemów z antenami kierunkowymi), • stosunkowo wysokie natęŜenia pól elektromagnetycznych, • konieczność specjalistycznej obsługi i konserwacji. 3. WYTYPOWANE PASMA I ICH WŁAŚCIWOŚCI Głównym przyjętym kryterium wyboru częstotliwości pracy jest moŜliwość korzystania ze sprzętu radiowego bez specjalnych zezwoleń i licencji oraz związanych z tym opłat. Stosowne przepisy w tej kwestii zawiera rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 sierpnia 2002r. w sprawie urządzeń radiowych nadawczo-odbiorczych, które mogą być uŜywane bez pozwolenia (Dz.U.02.138.1162 z dnia 30 sierpnia. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. 9. Zakres częstotliwości [MHz] od 40,66 do 40,70 od 433,05 do 434,79 od 869,40 do 869,65. Moc promieniowania w odległości 10 m (e.r.p). Rodzaj anteny. Szerokość kanału radiowego. < 10 mW. I, D. [-]. < 10 mW. I, D. 25 kHz. < 500 mW. I, D. 25 kHz. Tabela 1. Wyciąg z tabeli 3 aneksu nr 1 z rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 6 sierpnia 2002 r. w sprawie urządzeń radiowych nadawczych lub nadawczo-odbiorczych, które mogą być uŜywane bez pozwolenia (Dz.U.02.138.1162 z dnia 30 sierpnia 2002 r.) Krótka charakterystyka wybranych pasm Pasma od 40MHz są atrakcyjne ze względu na niską tłumienność trasy, ale wymagają anten o stosunkowo duŜych gabarytach. Inną przeszkodą jest wysoki poziom zakłóceń spotykany w tych zakresach częstotliwości. Pasma powyŜej 2GHz charakteryzuje natomiast duŜa tłumienność trasy uwydatniająca się jeszcze bardziej w środowisku o wysokiej wilgotności. Pasma 40,66÷40,70 MHz, 433,05÷434,79 MHz, 869,40÷869,65 MHz zostały wytypowane ze względu na przewidywane teoretycznie stosunkowo małe tłumienie trasy, stosunkowo duŜą dopuszczalną moc nadajnika (szczególnie na 869MHz), mały poziom zakłóceń w paśmie (osiągany dzięki kierunkowym antenom lub małej zajętości pasma) oraz co moŜe okazać się waŜne w przyszłości pracę w pobliŜu pasm komercyjnych (licencjonowanych), w których moŜliwa będzie (w razie potrzeby) praca z większymi mocami nadajnika (nawet do 5W). Analityczne wyznaczenie parametrów propagacji na całej długości szybu moŜe mieć jedynie podejście jakościowe [10], gdyŜ zbyt wiele czynników, które trudno nawet oszacować, ma wpływ na transmisję. Wstępna analiza propagacji musi więc zostać poparta odpowiednimi badaniami. W systemach radiowych o powodzeniu w nawiązaniu transmisji decydują głównie takie czynniki jak: tłumienie trasy, czułość odbiornika, odporność odbiornika na przesterowania, moc nadajnika, jakość układów antenowych oraz zewnętrzne warunki środowiskowe uwidaczniające się szczególnie w przypadku transmisji w przestrzeniach zamkniętych. Badania przydatności wytypowanych pasm PoniŜej przedstawiono parametry radiomodemów wykorzystanych podczas testów przeprowadzonych w szybie o długości ok. 1000m i średnicy 6m w KWK ZG Bielszowice (szyb nr 6). a) Częstotliwość: 869,400MHz (producent: SATEL) Moc nadawania: 200mW Czułość odbiornika: -118dBm Szybkość przesyłu danych: 9600bps Antena: 10 elementów typu Yagi, zysk 9,5dB. 2/4.

(3) www.pwt.et.put.poznan.pl. b) Częstotliwość: 434,4125MHz (producent: SATEL) Moc nadawania: 10mW Czułość odbiornika: -114dBm Szybkość przesyłu danych: 9600bps Antena: 10 elementów typu Yagi, zysk 13,5dB c) Częstotliwość: 40,7MHz (producent: RADMOR) Moc nadawania: 1,3W; 0,13mW Czułość odbiornika: -117dBm Szybkość przesyłu danych: 2400bps Antena: Heliakalna AKSH-40MHz Oszacowania jakości transmisji dokonywano podczas poruszania się klatki z zamontowanymi odbiornikami w dół i w górę z prędkościami 1m/s. 2m/s i 10m/s. Nadawano (w trybie halfduplex - w obu kierunkach) ramki zawierające sekwencyjnie zmieniane liczby zabezpieczone kodem Hamminga o odstępie 3. Radiomodemy pracujące w pasmach 434MHz i 869MHz wykorzystywały dodatkowo wbudowany algorytm korekcji błędów. Mierzono liczbę przekłamań podczas transmisji oraz notowano wystąpienie ewentualnych zaników łączności. Testy przeprowadzono takŜe z zamontowanymi w obwodzie odbiornika tłumikami 6dB, 12dB i 40dB. Wnioski z testów Dla pasma 40MHz uzyskano dobrą łączność na całej długości szybu, nawet przy włączonym tłumiku 40dB. Podczas transmisji występowały jednak w losowy sposób (średnio co ok. 15s) zakłócenia, które prowadziły do przekłamań w ramce i błędu sumy kontrolnej CRC. Dla pasma 434MHz uzyskano bezbłędną transmisję na całej długości szybu. Wprowadzenie tłumika 6dB zmniejszyło zasięg transmisji do ok. 900m. Identyczna sytuacja miała miejsce w przypadku pasma 869MHz. Tutaj równieŜ bezbłędna transmisja na całej długości szybu została ograniczona do ok. 900m przez wprowadzenie tłumika 6dB. Znając moc nadajnika, zysk anteny oraz czułość odbiornika, a takŜe zasięg poprawnej transmisji moŜna z bilansu mocy (1), (3) i (5) oszacować tłumienność w szybie odpowiednio dla pasm 434MHz (2), 869MHz (4) i 40MHz (6). Dla częstotliwości 434MHz: moc nadajnika: PT1 = 10dBm zysk anteny: G1 = 9,5dB czułość odbiornika: PRMIN1 = -114dBm + 6dB (tłumik) Tłumienie na odcinku 900m: A1 = PT1 – PRMIN1 + 2⋅G1 = 137dB (1) Stąd tłumienność: L1 ≈ 15 dB/100m (2) Dla częstotliwości 869MHz: Moc nadajnika: PT2 = 27dBm zysk anteny: G2 = 13,5dB czułość odbiornika: PRMIN2 = -116dBm + 6dB (tłumik) Tłumienie na odcinku 900m: (3) A2 = PNAD2 – PRMIN2 + 2⋅G2 = 164dB Stąd tłumienność: L2 ≈ 18 dB/100m (4). PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. Dla częstotliwości 40,7MHz: Moc nadajnika: PT3 = -8dBm zysk anteny: G3 = -2,0dB czułość odbiornika: PRMIN3 = -117dBm Tłumienie na odcinku 1000m: A3 = PNAD3 – PRMIN3 + 2⋅G3 < 111dB Stąd tłumienność: L3 <11dB/100m. (5) (6). 4. APLIKACJA MONITOROWANIA NAPRĘśEŃ LINY WYCIĄGOWEJ Wnioski wyciągnięte z powyŜszych badań i rozwaŜań posłuŜyły do budowy systemu monitorowania napręŜeń liny wyciągowej. Rys. 2 przedstawia schemat ideowy zastosowanego rozwiązania. Na klatce transportowej znajdują się: mostek tensometryczny do pomiaru napręŜeń liny wyciągowej, układ kondycjonujący z przetwornikami A/C, moduł transmisyjny realizujący łączność radiową i oraz akumulator zasilający całą aparaturę. RS422 / obsługa ramek. radiomodem 434 MHz. radiomodem 40,7 MHZ. radiomodem 434 MHz. radiomodem 40,7 MHZ. USB ⇔ RS422. nadszybie. klatka kondycjonowanie i próbkowanie obsługa ramek trans.. mostek tensometryczny akumulator. Rys. 2 Schemat ideowy systemu monitorowania napręŜenia liny wyciągowej. Sygnał napięciowy z mostka tensometrycznego jest wzmacniany i po filtracji dolnoprzepustowej trafia na dwa 10bitowe przetworniki A/C, próbkujące niezaleŜnie z częstotliwościami odpowiednio: do 200Hz i do 500Hz. Powstałe w ten sposób dwa strumienie danych są formowane w ramki i wysyłane dwoma niezaleŜnymi. 3/4.

(4) www.pwt.et.put.poznan.pl. kanałami radiowymi. Radiomodemy realizujące transmisje pracują z częstotliwościami nośnymi 434,4125MHz i 40,7MHz. Moduł transmisyjny klatki reaguje na komendy wysyłane przez współpracujący bliźniaczy moduł zainstalowany w nadszybiu. W obu kanałach zlecona moŜe być pojedyncza konwersja A/C sygnału z mostka tensometrycznego (wysyłana jest 1 próbka), ciągłe próbkowanie przez zadaną ilość czasu (wysyłany jest strumień ramek) oraz pomiar napięcia na akumulatorze zasilającym (w celu ustalenia stopnia jego rozładowania). Dane te są odbierane przez moduł transmisyjny nadszybia, dekodowane i wysyłane kablem przez interfejs RS-422 a następnie konwerter RS-422⇔USB do komputera, gdzie są magazynowane i obrabiane. Zastosowanie w systemach sterowania W przypadku analizy przydatności opisanego systemu w aplikacjach sterowania bardzo waŜnym aspektem stają się opóźnienia wprowadzane przez oba kanały radiowe. W przypadku kanału pracującego z radiomodemem RADMOR (40,7MHz) uzyskano opóźnienie wynoszące 21-22ms, natomiast w przypadku kanału opartego o radiomodem SATEL (434MHz) opóźnienie to wynosiło 16-17ms. Podane czasy są odstępem między zmianą sygnału na wejściu obwodów próbkujących sygnał z mostka tensometrycznego a przesłaniem odpowiedniej ramki z danym do komputera PC. 5. PODSUMOWANIE Koncepcja stosowania systemów cyfrowej łączności radiowej w górnictwie jest podyktowana wieloma czynnikami takimi jak: duŜa niezawodność, odporność na wstrząsy i udary mechaniczne, niskie koszty oraz w wielu przypadkach niemoŜnością realizacji innego typu transmisji. Jak wykazały wielokrotne próby, łączność w szybach pionowych moŜe z powodzeniem korzystać z pasm ISM, które nie wymagają komercyjnej licencji ani dodatkowych opłat. Z przeprowadzonych badań moŜna wyciągnąć następujące wnioski: • dla pasma 40.7MHz tłumienie trasy jest mniejsze od 10,5dB/100m, a łączność radiowa jest praktycznie niezawodna (niewielką stopą błędów, - (3.10-4) • dla pasma 434MHz tłumienie trasy wynosi około 15dB/100m, a łączność radiowa jest niezawodna; niestety pracujemy w pobliŜu moŜliwości technicznych tanich systemów radiowych, • dla pasma 869MHz tłumienie trasy wynosi około 18dB/100m, a łączność radiowa jest niezawodna, jednak ze względu na tłumienie trasy wymaga duŜych mocy nadajnika, • w przestrzeniach o gorszych właściwościach propagacyjnych konieczna będzie instalacja kabla promieniującego („cieknącego”) lub przejście na większe moce nadajnika, co wiąŜe się równieŜ wykorzystaniem płatnych radiowych pasm licencjonowanych,. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. • eksperymentalnie wykazano, Ŝe zastosowanie rozbudowanych kodów korekcyjnych daje niedopuszczalne zwiększenie czasu opóźnienia wprowadzane przez oba kanały radiowe, • aby wykorzystać prezentowany system w aplikacjach sterowania maszyną wyciągową naleŜy szczególną uwagę zwrócić na budowę wysokiej klasy torów radiowych, • w instalacji badawczej uzyskano poprawny przesył sygnału sinusoidalnego o częstotliwości 50 Hz w pełnym zakresie biegu naczynia wyciągowego, • w celu zapewnienia niezawodnej łączności bezprzewodowej oraz minimalizacji interferencji pomiędzy róŜnymi systemami radiowymi na terenie zakładów górniczych naleŜy wprowadzić elementy gospodarki widmem elektromagnetycznym. BIBLIOGRAFIA [1] S. Piertaszek, M. Korpan, C. Chlewicki, „Pomiar i rejestracja sił w linach szybowych wyciągów wielolinowych z zawieszeniami wielopunktowymi”, Modernizacja urządzeń wyciągowych, Gliwice 1995. [2] D. J. Peterson, Tom LaTourrette, James T. Bartos, “New Forces at Work in Mining: Industry Views of Critical Technologies”, ISBN: 0-8330-2967-3 MR-1324-OSTP, 2001 [3] Cezary Worek, Jacek Stankiewicz, Tomasz Kruszec, „Cyfrowa łączność radiowa w wyrobiskach ścianowych i drogach transportowych z wykorzystaniem promienującego kabla wraz z monitoringiem na powierzchni kopalni”, Łączność i automatyzacja w górnictwie, Ustroń 2004. [4] Krzysztof Fitowski, Jacek Stankiewicz, Andrzej Zagańczyk, Henryk Jankowski, Andrzej Kułak, Cezary Worek, "Remote radio link for underground communication at coal mine circumstances", New electrical and electronic technologies and their industrial implementation, Zakopane 2003. [5] Henryk Jankowski, Marcin Szczurkowski, Cezary Worek, „Pomiar wibracji maszyn górniczych pracujących w strefach zagroŜonych wybuchem”, KKE’04, Kołobrzeg 2004. [6] Z. Bieńkowski, „Poradnik Ultrakrótkofalowca”, WKiŁ, Warszawa 1998. [7] Bogdan Gawlas, „Miernictwo mikrofalowe”, WKiŁ, Warszawa 1985. [8] T. Morawski, W. Gwarek, „Teoria pola elektromagnetycznego”, WNT, Warszawa 1978. [9] R. Litwin, M. Suski, „Technika mikrofalowa”, WNT, Warszawa 1972. [10] G. Bomersbach, M. Szczurkowski, M. Warzecha, C. Worek, „Radiowa łączność cyfrowa dla potrzeb automatyzacji pionowego transportu linowego w szybach kopalnianych”, KKE’05, Koszalin 2005. 4/4.

(5)