dr inĪ. Leszek Kasprzyczak dr inĪ. Stanisáaw Trenczek
Instytut Technik Innowacyjnych, Katowice
GÓRNICZY MOBILNY ROBOT INSPEKCYJNY DO
MONITOROWANIA STREF ZAGROĩONYCH WYBUCHEM
Omówiono zaáoĪenia funkcjonalne pierwszego na Ğwiecie mobilnego robota gór-niczego przeznaczonego do inspekcji stref zagroĪonych wybuchem. Podano kon-cepcje rozwiązaĔ technicznych speániające normy zharmonizowane z dyrektywą ATEX 94/9/WE dotyczące budowy przeciwwybuchowej. Przedstawiono wyniki prób funkcjonalnych prototypu robota.
MINING INSPECTIVE MOBILE ROBOT FOR MONITORING HAZARDOUS EXPLOSIVE ZONES
The functional assumptions of the first all over the world mining mobile robot for inspections hazardous explosive zones were described. Solutions of technical con-cepts were given according harmonized standards with the ATEX 94/9/EU direc-tive concerning explosion proof techniques. Results of functional tests of the robot prototype were presented.
1. WSTĉP
Podczas eksploatacji pokáadów wĊgla zdarza siĊ, Īe dochodzi do takiego wzrostu zagro Īenia poĪarami endogenicznymi, Īe rejon Ğciany naleĪy izolowaü – albo w ramach dziaáaĔ zapobie-gawczych, albo na zasadzie akcji ratowniczej, jeĞli przekroczone zostaną graniczne parametry wczesnego wykrywania po Īarów [3]. Ma to na celu obni Īenie w izolowanych wyrobiskach stĊĪenia tlenu, co u áatwia skuteczne zastosowanie gazów inertnych do zm niejszenia poziomu samozagrzewania lub do gaszenia po Īaru (jeĞli wystąpiá). NastĊpstwem izolacji jest zazwy-czaj dáugotrwaáy przestój, co naraĪa kopalniĊ na straty finansowe.
To, czy zagro Īenie poĪarowe zostaáo zlikwidowane, albo czy po Īar zostaá ugaszony, stwierdza siĊ na podstawie analizy prób gazów, które zazwyczaj s ą pobierane przede wszyst-kim zza tam przeciwwybuchowych izoluj ących rejon. Tylko w nielicznych przypadkach ist-nieją moĪliwoĞci pobierania prób gazów z wn Ċtrza rejonu, a jeszcze rzadziej z bezpo Ğrednie-go sąsiedztwa zrobów, czyli z okolic Ğciany.
Taki sposób m a kilka istotnych wad. Poniewa Ī analizowany gaz pochodzi z okolicy tamy, a nie z obr Ċbu Ğciany, to nie m a pewnoĞci co do poziom u rozwoju sytuacji w rejonie najbliĪszym miejsca samozagrzewania wĊgla lub po Īaru. Ponadto, przy m inimalnym ruchu powietrza w otam owanym rejonie m oĪe okazaü siĊ, Īe zagroĪenie lub po Īar dawno zosta áy zlikwidowane, a wyniki pomiarów zza tam izolacyjnych tego nie wykazywaáy. Ze wzglĊdu na zbyt duĪe niebezpieczeĔstwo zatrucia lub/i wybuchu, nie m oĪna dokonaü rozpoznania przy pomocy zastĊpu ratowników. Zatem wiedzy o stanie zagroĪenia czerpanej z miejsca moĪliwie najbliĪszego Ĩródáa zagroĪenia lub poĪaru trudno nie doceniü.
2. FUNKCJONALNOĝû MOBILNEGO ROBOTA
Jak dotąd, brak jest odpowiednich narz Ċdzi, czy te Ī Ğrodków do analizy sk áadu mieszaniny gazowej i innych danych pochodz ących z wn Ċtrza takiego odizolowanego rejonu. Chc ąc ten problem rozwiązaü, Instytut Technik Innowacyjnych EMAG, przy wspó ápracy z Przem ysáo-wym Instytutem Automatyki i Pomiarów PIAP, podjĊli siĊ zbudowania prototypu robota gór-niczego przeznaczonego do badania atm osfery i stanu wyrobiska, w którym wystĊpują nie-znane warunki Ğrodowiskowe. Po wprowadzeniu go w rejon otam owany (rys. 1), ma on prze-kazywaü obraz oraz inform acje o warto Ğciach st ĊĪeĔ gazów, tem peraturze i wilgotno Ğci, a nastĊpnie transmitowaü je do stacji operatora. Dzi Ċki temu moĪna bĊdzie szybciej i trafniej oceniü panujące w wyrobisku warunki i podj ąü decyzje o dalszych czynno Ğciach związanych z wykluczonym wyrobiskiem. A B C D E F
Rys. 1. Schemat poglądowy otamowanego rejonu Ğciany monitorowanej robotem
A/B – przeciwwybuchowa tama wlotowa/wylotowa z przepustem tamowym o Ğrednicy 80 cm, C – kombajn, D – przenoĞniki, E – robot inspekcyjny, F – konsola operatora
Projekt, w ramach którego byáo to realizowane, miaá status projektu rozwojowego, a finanso-wany byá przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa W yĪszego [1]. Skáadaá siĊ z 14-tu etapów i trwaá 30 miesiĊcy.
Górniczy Mobilny Robot Inspekcyjny GMRI – bo taka jest jego w áaĞciwa nazwa – za-nim zosta á poddany badaniom laboratoryjnym i konstruktorskim , tworzony by á pod k ątem zgodnoĞci z dyrektywam i W E, dotycz ącymi urz ądzeĔ pracuj ących w strefach zagro Īonych wybuchem (dyrektywa ATEX 94/9/W E) i kom patybilnoĞci elektromagnetycznej (dyrektywa 2004/108/WE) w oparciu o harmonogram realizowany przez wspóápracujące jednostki.
NajwaĪniejszymi funkcjami robota, z punktu widzenia przeznaczenia, jest pom iar pa-rametrów atm osfery i wizualizacja stanu wyrobiska, a nast Ċpnie transm itowanie danych
do konsoli operatora. Istotne s ą równieĪ wáaĞciwoĞci trakcyjne robota um oĪliwiające poko-nywanie róĪnych przeszkód (tj. progi, woda, báoto) w trakcie dojazdu do miejsca docelowego, którego stan zazwyczaj odbiega od norm alnego stanu wyrobiska. Dlatego te Ī przyjĊto szereg kryteriów i funkcji, które robot powinien speániaü [4]. Do najwaĪniejszych z nich naleĪą: - w zakresie konstruktorskim:
- gabaryty robota, umoĪliwiające przetransportowanie go przez przepust tam owy o Ğredni-cy 0,8 m izolaĞredni-cyjnej tamy przeciwwybuchowej,
- wykonanie zewn Ċtrznych czĊĞci platformy mobilnej, obudowy i m echanizmów napĊdo-wych robota z m ateriaáów o ograniczonej zawarto Ğci stopów m etali lekkich i cyrkonu, a takĪe tworzyw sztucznych,
- zapewnienie stopnia ochrony obudowy przed wnikaniem pyáu i wody, co najmniej IP54, - zastosowanie iskrobezpiecznych napĊdów,
- w zakresie funkcjonalnym:
- minimalny zasiĊg robota 500 m,
- zdolnoĞü do pokonywania: pochy áoĞci wzdáuĪnych i bocznych o nachyleniu co najm niej 30°, progów o wysokoĞci co najmniej 0,2 m,
- moĪliwoĞü przejazdu przez miejsca zawodnione o gáĊbokoĞci co najmniej 0,1 m, - praca w temperaturze od 0 °C do +60 °C i wilgotnoĞci wzglĊdnej bliskiej 100 %,
- m oĪliwoĞü obserwacji trasy przejazdu kam erą z transm isją obrazu do stanowiska operatora,
- wykonywanie pomiarów ciągáych lub na Īądanie stĊĪeĔ: CH4 – w zakresie: 0 … 100 %,
CO – w zakresie 0 … 1000 ppm, CO2 – w zakresie 0 … 5 %, O2 – w zakresie 0 … 25 %,
temperatury – w zakresie co najm niej 0 ºC … +60 ºC, wilgotno Ğci wzglĊdnej – bliskiej 100 %,
- wykonywanie pomiaru metanu na wysokoĞci przynajmniej 1 m powyĪej platformy robo-ta,
- wykonywanie cyklicznych pomiarów (z miejsca docelowego) przez okres nie krótszy ni Ī 3 miesiące i przesyáanie ich do konsoli operatora,
- moĪliwoĞü przesyáania obrazów na polecenie operatora,
- archiwizacja wyników pom iarów (zawieraj ących dodatkowo dane o: dacie, godzinie i miejscu pomiaru, w tym odlegáoĞü od tam y) oraz obrazów z kam er w pam iĊci konsoli operatora.
3. KONCEPCJE ROZWIĄZAē TECHNICZNYCH
Zaprojektowanie i wykonanie m obilnej platformy, osáon, obudów i wysi Ċgnika robota spo-czywaáo na Instytucie PIAP. Przy ich zaprojektowaniu i wykonaniu uwzgl Ċdniano zastoso-wanie takich materiaáów i rozwiązaĔ, które zapewniają:
- zastosowanie wáaĞciwej budowy przeciwwybuchowej,
- zastosowanie m ateriaáów o ograniczonej zawarto Ğci stopów m etali lekkich, ze wzgl Ċdu na moĪliwoĞü wystąpienia iskrzenia mechanicznego w kontakcie z zardzewiaáą konstrukcją,
Rys. 3. Kamera OKO-1R
Rys. 2. Projekt górniczego robota GMRI (rys. z dokumentacji opracowanej w PIAP)
- ograniczenie stosowania tworzyw sztucznych, ze wzgl Ċdu na m oĪliwoĞü przeskoku iskry elektrycznej spowodowanej nagromadzonym áadunkiem elektrostatycznym,
- zachowanie odstĊpów izolacyjnych,
- wym agania w odniesieniu do m aksymalnej tem peratury powierzchni, nieprzekraczaj ącej 150°C (ze wzglĊdu na zapáon osiadających warstw pyáu wĊglowego),
- zastosowanie odpowiednich wpustów kablowych, zgodnych z odpowiednim i normami ujĊ-tymi w dokumentacji [4]. Zrodziáa siĊ wiĊc koncepcja przedstawiona na rys. 2.
Planowano zastosowanie nap Ċdu opartego na liniowych silnikach pneum atycznych (siáow-niki), ze wzglĊdu na to, Īe nie m a na ry nku silników elektry cznych kategorii M1.
W PIAP zaprojektowano i wykonano od-powiedni ukáad napĊdowy robota bazujący na nap Ċdach pneum atycznych liniowych sprzĊgniĊtych z m echanizmami trakcyj-nymi oraz ham ulcami, który um oĪliwiá poruszanie si Ċ robota w za áoĪonym Ğro-dowisku. Zapas spr ĊĪonego gazu nap Ċ-dowego (azotu), w butli, um ieszczono w korpusie robota. Do sterowania si áowni-kami zastosowano iskrobezpieczne roz-dzielacze pneumatyczne.
Po dokonaniu bilansu energetycz-nego i m asowego podzespo áów robota oraz m ając na uwadze kilkugodzinny do-jazd i 3-miesiĊczne dziaáanie robota w strefie zdecydowano si Ċ zastosowaü dwa rodzaje aku-mulatorów – odr Ċbnie dla ka Īdej z tych funkcji. Zastosowano wi Ċc akum ulator litowo-jonowy w konstrukcji radiatorowej – zdolny do pracy w tem peraturze otoczenia do +60 °C – dla zasilania nap Ċdów elektropneum atycznych, kam er i o Ğwietlenia. Z kolei dla zasilania czujników do pomiaru parametrów atmosfery kopalnianej zastosowano akumulator, który jest ciągle áadowany z przewodu rozwijanego za robotem . Akumulator ten um ieszczono w
kon-strukcji radiatorowej i zalano elektroizolacyjn ą zalew ą term o-przewodzącą [2] w celu obni Īenia temperatury obudowy ogniwa w przypadku zwarcia ogniw.
W celu obserwacji trasy przejazdu i sterowania robotem zasto-sowano dwie kam ery m onochromatyczne z o Ğwietleniem w paĞmie Ğwiatáa widzialnego. W danej chwili obraz tylko z jed-nej z kam er transmitowany jest do stanowiska operatora. Zasto-sowano jedn ą kam erĊ z przodu i jedn ą z ty áu robota. Kam ery i oĞwietlenie s ą zdalnie za áączane w celu oszcz Ċdzania energii elektrycznej. Zastosowano kamery OKO-1R (rys. 3) opracowane w Instytucie EMAG, charakteryzuj ące siĊ miĊdzy innymi takimi parametrami jak: szeroki kąt obiektywu – 92°, niewielkie wym a-gania minimalnego oĞwietlenia – 0,1 lux, stopie Ĕ ochrony obu-dowy IP65 oraz cecha buobu-dowy przeciwwybuchowej Ex I M1 Ex ia I. Ex ia I. y
Do o Ğwietlenia zastosowano diod Ċ LED um ieszczoną w obudowie typowej lam py naheámnej, która ma dopuszczenie do stosowania w górnictwie i charakteryzuje si Ċ wáaĞciwą ochroną przed wnikaniem wody i pyáu oraz wykonana jest z tworzyw nieelektryzujących siĊ.
W tabeli 1 zebrano m ierzone parametry atmosfery kopalnianej, z podaniem zakresów pomiarowych czujników. Poszczególne czujniki dobrano w taki sposób, aby zapewnia áy poprawne dzia áanie w atm osferach niskotlenowych o du Īej wilgotno Ğci i tem peraturze. Szczegóáowy opis uk áadu metrologicznego oraz zasady dzia áania poszczególnych czujników przedstawiono w pracy [5].
Tabela 1. Zakresy pomiarowe czujników robota Badany gaz Zakres pomiarowy Metan CH4 0 … 100 % Dwutlenek wĊgla CO2 0 …5 % Tlenek wĊgla CO 0 … 1000 ppm Tlen O2 0 … 25 % Temperatura 0 … +60 °C WilgotnoĞü 0 … 100 %
Z uwagi na przewidywan ą pracĊ robota w Ğrodowisku o bardzo du Īej wilgotnoĞci – przekra-czającej zwykle 95 % – opracowano uk áad osuszania badanej m ieszaniny gazowej przed podaniem jej na czujniki. Odczyt wyników pom iarowych oraz kalibracja czujników jest moĪ-liwa przy uĪyciu konsoli pomiarowo-sterującej operatora.
W czasie komunikacji z robotem zapewnione jest przesy áanie obrazu z kam er, rozkazów ste-rujących, a tak Īe danych pom iarowych i statusowych z czujników parametrów atmosfery i ruchu robota oraz informacji o stanie naáadowania baterii i butli (rys. 4).
μC pomocniczy μC Gáówny Konsola pomiarowo-sterujČca Ukáady zasilania i transmisji Akumulator Ni-Cd Izolatory /zasilacz Modem V23 +zasilanie RS485 CO2 CH4 … T μC czujników Zawory Czujniki pracy Sterownik zaworów Akumulator Litowo-jonowy Izolatory GMRI
W konsoli steruj ącej zastosowano sterownik o budowie wzm ocnionej i ochronie przed wni-kaniem pyáu i wody, z du Īą mocą obliczeniową oraz ekran z panelem dotykowym. Ponadto sterowaü robotem moĪna przy uĪyciu myszki lub joysticka.
W konsoli znajduje si Ċ teĪ program do sterowania robotem i wizualizacji wyrobiska. Program kom puterowy z rozm ieszczeniem takich podstawowych funkcji program u, jak: funkcje sterujące robota, zaáączanie kamer (i jednoczeĞnie oĞwietlenia), wizualizacja obrazów z kamer (z jednej na raz), wyzwalanie pom iarów i ich zapisu, wizualizacja param etrów atmosfery wyrobiska, czasu, stanu baterii i butli; przedstawiono na rys. 5.
Rys. 5. Oprogramowanie do obsáugi robota GMRI
4. PRÓBY FUNKCJONALNE
Pierwsze próby funkcjonalno Ğci robota przeprowadzono jeszcze na jego m odelu, którego ksztaát odbiegaá nieco od wizji przedstawionej w koncepcji (rys. 2). To pozwoli áo dostrzec niedociągniĊcia w zakresie m oĪliwoĞci trakcyjnych. Z kolei w czasie pierwszych bada Ĕ
pro-totypu sprawdzano wyniki dokonanych poprawek oraz jego zdolno Ğci do realizacji pomiarów i transmisji danych [5].
Badania trakcyjne robota wyposa Īonego we wszystkie podzespo áy skáadowe (w tym napeánioną butlĊ z azotem), w których uczestniczyli realizatorzy obu instytutów badawczych, prowadzono na terenie ITI EMAG. Poni Īej pokazano fazy pokonywania przeszkody o wyso-koĞci 20 cm (rys. 6), fazy wjazdu robota na wzd áuĪną rampĊ o pochyleniu 30° (rys. 7) oraz przejazd przez rampĊ boczną o nachyleniu 30° (rys. 8).
Rys. 6. Fazy pokonywania przeszkody o wysokoĞci 20 cm
Rys. 8. Przejazd przez boczną rampĊ o nachyleniu 30°
Sprawdzono te Ī mo ĪliwoĞü przetransportowania robota przez przepust tam owy o Ğrednicy 800 m m (rys. 9), przy czym wym aga to wcze Ğniejszego zdem ontowania butli z azotem z uwagi na jej zawór, a tak Īe poluzowania m ocowaĔ tylnej p áyty korpusu (w tym celu kon-struktorzy PIAP opracowali mechanizm zsuwania tylnych kóá robota).
Rys. 9. Transport robota przez lutniĊ o Ğrednicy 800 mm
Podczas badaĔ trakcyjnych zleconych Centralnej Stacji Ratownictwa Górniczego S.A., proto-typ robota byá badany w rzeczywistym wyrobisku górniczym w Kopalni W Ċgla Kamiennego Bobrek-Centrum na poziom ie 726 m [6]. Przejazd przez m iejsce zawodnione o g áĊbokoĞci 20 cm (przekraczające zaáoĪenia funkcjonalne o 100 %) przedstawiono na rys. 10.
Rys. 10. Przejazd robota w wyrobisku górniczym przez miejsce zawodnione o gáĊbokoĞci ok. 20 cm
5. PODSUMOWANIE
Projekt budowy mobilnego robota inspekcyjnego jest istotny dla górnictwa, z uwagi na m oĪ-liwoĞü wykorzystania go do oceny poziom u zagroĪenia w miejscu moĪliwie najbliĪszym Ĩró-dáa oraz do oceny stanu wyrobiska, co umoĪliwi podjĊcie szybszej i trafniejszej decyzji o dal-szych dziaáaniach związanych z wyáączonym rejonem Ğciany.
Budowa mobilnego robota inspekcyjnego przeznaczonego do stref zagro Īonych wy-buchem jest zadaniem bardzo z áoĪonym i trudnym . Projekt ten cechuje si Ċ duĪą skalą inno-wacyjnoĞci. Powodzenie realizacji projektu zale Īy od spe ánienia wym agaĔ odpowiednich norm oraz przepisów z zakresu przeciwwybuchowo Ğci i kom patybilnoĞci elektromagnetycz-nej, a takĪe nowatorskiego podejĞcia, które rozwiąĪe problemy wynikające z ograniczeĔ robo-ta (np. gabarytów).
PomyĞlny przebieg bada Ĕ funkcjonalno Ğci robota pozwala m ieü nadziej Ċ, Īe po za-koĔczeniu projektu dojdzie do wykonania ostatecznej wersji produktu, który b Ċdzie w goto-woĞci do zastosowania w czasie akcji.
BIBLIOGRAFIA
1. Mobilny robot inspekcyjny przeznaczony do pracy w rejonach zagro Īonych wybuchem . Projekt rozwojowy Nr 0137/R/T02/2008/04 (N R09 0025 04) finansowany przez Minister-stwo Nauki i Szkolnictwa W yĪszego; Wykonawca Instytut EMAG, Podwykonawca Insty-tut PIAP, 2008–2010.
2. PN-EN 60079-18: Urz ądzenia elektryczne w przestrzeniach zagro Īonych wybuchem – CzĊĞü 18: Konstrukcja, badanie i znakowanie elektrycznych urz ądzeĔ hermetyzowanych „m”. PKN, 2006.
3. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dn. 28.06.2002 r. w sprawie bezpiecze Ĕstwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpo Īa-rowego w podziemnych zakáadach górniczych. Dz. U. Nr 139, poz. 1169 z póĨn. zm. 4. Kasprzyczak L., DzierĪak P., Krzykawski D., Nalepa R., Trenczek S.: Opracowanie
szcze-góáowych zaáoĪeĔ funkcjonalnych i koncepcji rozwiązaĔ technicznych. Dokumentacja eta-pu 1. pracy pt. Mobilny robot inspekcyjny przeznaczony do pracy w rejonach zagro Īonych wybuchem. Centrum EMAG, Katowice 2008, niepublikowane.
5. Kasprzyczak L., Krzykawski D., Mirek G.: Pom iary stĊĪeĔ trujących i wybuchowych ga-zów przy uĪyciu mobilnego robota górniczego w atmosferach niskotlenowych o duĪej wil-gotnoĞci. Materiaáy Konferencji Naukowo-Technicznej EMTECH 2009. Rawa Mazowiec-ka 10–13 maja 2009. Wyd. CEiAG EMAG, Katowice 2009.
6. Raport z badaĔ trakcyjnych prototypu górniczego mobilnego robota inspekcyjnego GMRI, CSRG, Bytom, wrzesieĔ 2010, str. 9.
