radiowa łączność cyfrowa w pionowych szybach kopalnianych

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
[email protected]
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
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
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
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