Wyniki próbnej eksploatacji innowacyjnego optycznego systemu wspomagania pracy operatorów samojezdnego wozu wiercącego

Transkrypt

1 49 CUPRUM Czasopismo Naukowo-Techniczne Górnictwa Rud nr 4 (81) 2016, s Wyniki próbnej eksploatacji innowacyjnego optycznego systemu wspomagania pracy operatorów samojezdnego wozu wiercącego Tomasz Siwulski 1), Andrzej Niechwiej 2), Piotr Kondoł 2) 1) Politechnika Wrocławska, Katedra Eksploatacji Systemów Logistycznych, Systemów Transportowych i Układów Hydraulicznych, tomasz.siwulski@pwr.edu.pl 2) KGHM Polska Miedź S.A. Streszczenie Opracowanie zawiera podsumowanie prac wykonanych w ramach pracy badawczej, realizowanej wspólnie przez KGHM Polska Miedź S.A. i Politechnikę Wrocławską. Celem prac było opracowanie, wytworzenie oraz wykonanie testów eksploatacyjnych optycznego systemu wspomagania pracy operatorów samojezdnych wozów wiertniczych. Opracowany i wytworzony system, będący całkowicie nowym rozwiązaniem technicznym, został dostosowany do technologii procesu urabiania rudy wykorzystywanej w kopalniach Legnicko-Głogowskiego Okręgu Miedziowego. Artykuł zawiera wyniki próbnej eksploatacji systemu w rzeczywistych warunkach pracy ze wskazaniem zalet i wad nowo powstałego rozwiązania technicznego. Słowa kluczowe: pozycjonowanie narzędzia, pojazdy górnicze, układ roboczy, system wspomagania wiercenia The Results of the Trial Operation of the Innovative Optical System of Work Support for Self-propelled Drilling Truck Operators Abstract The following elaboration includes summary of activities conducted during the research implemented jointly with the company KGHM Polska Miedź S.A and the Wrocław University of Science and Technology. The aim of the research has been to formulate, produce and conduct operation tests of the optical system of work support for self-propelled drilling truck operators. The formulated and produced system, which is an entirely new technological solution, has been adjusted to the technological process of copper ore mining used in mines of Legnica-Głogów Copper Belt. The following article includes the results of the trial operation of the system in real operating conditions, highlighting at the same time, the advantages and disadvantages of the newly created technological solution. Key words: tool positioning, mining vehicles, operating system, drilling support system Wstęp Rozwój technologiczny elektronicznych elementów sterowania oraz przetworników umożliwia tworzenie nowych aplikacji systemów wspomagających prace operatorów maszyn górniczych. Coraz częściej nowo produkowane maszyny górnicze są wyposażone w zintegrowane systemy, monitorujące pracę poszczególnych podzespołów

2 50 lub całych układów maszyny. Spotykane są również systemy wspomagające pracę, poprzez zautomatyzowanie pewnego ciągu czynności wykonywanych w trakcie procesu technologicznego, jak np. w przypadku automatycznych głowic kotwiących, lub umożliwiające przekazanie operatorowi ważnych informacji wspomagających jego pracę, co w znacznym stopniu wpływa na jej jakość. Przykładem tego typu rozwiązania jest znany i wykorzystywany w technologii robót tunelowych oraz górniczych system monitoringu wiercenia, umożliwiający zidentyfikowanie położenia narzędzia w przestrzeni, w odniesieniu do bazy umieszczonej na samojezdnym wozie wiertniczym. Jednakże wykorzystywane obecnie systemy tego typu są integralną częścią maszyny, charakteryzują się znacznym stopniem skomplikowania i nie mają możliwości bezpośredniego odniesienia się do rzeczywistych warunków geometrii przodka oraz rzeczywistego kierunku zapadania złoża. Usunięcie powyższych niedogodności było podstawą podjętych przez KGHM Polska Miedź S.A. i Politechnikę Wrocławską prac rozwojowych, których celem było opracowanie, zbudowanie i przetestowanie innowacyjnego rozwiązania technicznego systemu wspomagania pracy operatorów samojezdnych wozów wiertniczych. Doświadczenia zebrane w wyniku przeprowadzenia testów podziemnych, przedstawione w niniejszym opracowaniu, zamykają etap badawczo-rozwojowy projektu i są podstawą do rozpoczęcia prac wdrożeniowych. 1. Podstawy teoretyczne systemu oraz proces jego wytworzenia Prace rozpoczęto od wskazania istotnych wymagań, które określono w oparciu o doświadczenia KGHM Polska Miedź S.A. w eksploatacji systemów monitoringu wiercenia, opartych na znanym i z powodzeniem stosowanym w technologii prac tunelowych rozwiązaniu technicznym. W tym etapie prac szczególny nacisk został położony na określenie specyficznych wymagań wynikających ze specyfiki ukształtowania złoża w kopalniach Legnicko-Głogowskiego Okręgu Miedziowego oraz obecnie wykorzystywanej technologii urabiania. Szerszy opis przyjętych wymagań jest częścią poprzednich publikacji [1]. Podstawy teoretyczne systemu opierają się na twierdzeniu, że jednoznaczne określenie położenia elementu bryłowego w przestrzeni wymaga wyznaczenia położenia trzech punktów do niego należących i nieznajdujących się na jednej prostej, jak występuje to, analogicznie, w przypadku określenia położenia płaszczyzny. Założenie to prowadzi do stwierdzenia, że aby określić położenie bryły sztywnej w przestrzeni, można umieścić płaszczyznę związaną sztywno z bryłą w określonych zależnościach geometrycznych i wyznaczyć jej położenie w przestrzeni, z jednoczesną identyfikacją wzajemnego położenia płaszczyzny i bryły sztywnej, umożliwiając w ten sposób identyfikację położenia bryły. W ogólnym przypadku wymagane jest więc podanie dziewięciu parametrów położenia, odniesionych względem jednoznacznie określonego punktu bazowego, przy czym uwzględnić należy również położenie poszczególnych definiowanych punktów względem siebie na rozpatrywanym elemencie (rys. 1). Założenie to nie jest jednak często stosowane w praktyce z powodu jego złożoności. W celu określenia położenia bryły w przestrzeni stosowany jest uproszczony zapis, zakładający, że z każdą parą kinematyczną układu roboczego związany jest na stałe przestrzenny układ współrzędnych w ten sposób, by wszystkie punkty elementu z nim związanego zajmowały w tym układzie stałe, niezależne od czasu położenia. Zastosowanie tego sposobu opisu położenia wiąże się

3 51 zatem z określeniem szeregu pośrednich układów współrzędnych w łańcuchu kinematycznym układu roboczego, których liczba zależna jest od ilości par kinematycznych. Założenie powyższe leży u podstaw opisu kinematyki robotów przemysłowych, gdzie za pomocą transformacji pośrednich układów współrzędnych otrzymuje się położenie w przestrzeni końcowego układu związanego z narzędziem (rys. 2a). Rys. 1. Określenie położenia bryły w przestrzeni w oparciu o identyfikację położenia trzech jednoznacznie określonych względem niej punktów, nieleżących na jednej prostej Rys. 2. Transformacja układu odniesienia w celu określenia położenia układu współrzędnych związanego z narzędziem (n) względem bazowego układu współrzędnych (B): a metoda z wykorzystaniem kolejnych transformacji, b metoda bezpośrednia

4 52 Analiza możliwych rozwiązań technicznych wykazała, że korzystne jest przyjęcie rozwiązania bazującego na dwóch elementach współpracujących ze sobą, umożliwiających wprost określenie położenia jednego z nich względem drugiego, bez udziału układów pośrednich (rys. 2b). Przy założeniu, że jeden z tych elementów powiązany będzie z bazowym układem współrzędnych systemu, drugi natomiast związany będzie z końcowym elementem łańcucha kinematycznego układu roboczego, rozwiązanie powyższe umożliwi bezpośredni pomiar położenia narzędzia. Proponowany układ będzie zatem nieczuły na niedokładności pomiarów pośrednich, wykonywanych przez przetworniki kąta, oraz przemieszczenia, wykorzystywane w klasycznych układach monitoringu wiercenia, gdyż wykonywać będzie tylko jeden pomiar rzeczywistego położenia elementu układu roboczego maszyny związanego z narzędziem roboczym. Sygnałem, zapewniającym współpracę elementów określających wzajemne położenie względem siebie, jest promień lasera w paśmie widzialnym. Efektem prac koncepcyjnych było opracowanie architektury systemu (rys. 3) oraz określenie algorytmu sterowania. Powstałe rozwiązanie miało poziom wynalazczy i zostało zgłoszone do Urzędu Patentowego Rzeczypospolitej Polskiej. Rys. 3. System monitoringu wiercenia przodka w wybranej wersji (rysunek będący częścią zgłoszenia patentowego, opisy wybrane): 1 zespół emisji wiązki świetlnej, 4 zespół wsporczy, 5 zespół fotodetektorowy, 8 powierzchnie fotodetektorowe, 9 urządzenie sterująco-rejestrujące, 12 rama wiertarki, 13 wóz wiertniczy, 14 wiertarka [2]

5 53 W następnym etapie prac powstał prototyp systemu, opisany szerzej we wcześniejszych publikacjach [1, 3], który pozytywnie przeszedł weryfikację. Wyniki badań prototypu wykazały, że obrany kierunek rozwoju jest obiecujący, a system wykonany w tej technologii spełnia wymagania w zakresie dokładności przeprowadzanych pomiarów położenia. Powstały system jest autonomiczny, wymagane jest tylko jego zamocowanie do maszyny oraz zasilenie. Składa się z tylko czterech elementów głównych oraz przewodów sygnałowych [3]. Uzyskane wyniki były na tyle obiecujące, że została podjęta decyzja o kontynuacji projektu. Na tym etapie prac przyjęto założenie, że w celu usprawnienia pracy systemu będzie on współpracował z zamontowanym na wozie wiertniczym systemem prostowodowym. Następnym etapem prac było wytworzenie pojedynczej sztuki systemu w wykonaniu przemysłowym, tj. przystosowanego do pracy ciągłej w warunkach kopalni Legnicko-Głogowskiego Okręgu Miedziowego. W trakcie realizacji tej części projektu znacząco poszerzono interfejs operatora systemu, dodając możliwość określenia położenia względem kierunku zapadania złoża. Na podstawie danych geometrycznych, odnoszących się do kierunku zapadania złoża, zdefiniowano jednoznaczne położenie osi układu współrzędnych w przodku (rys. 4). Dodatkowo został stworzony i zaimplementowany do pamięci systemu katalog metryk strzałowych, które w swojej formie graficznej również uległy zmianom, mającym na celu ułatwienie pracy operatora (rys. 5). Układ został rozbudowany o możliwość określenia w czasie rzeczywistym położenia nie tylko żerdzi wiertarki, ale również końca koronki wiertniczej. Dodatkowo, w systemie zdefiniowano stałe wartości poprawek kąta pochylenia czoła przodka (w wersji testowanej przyjęto wartość 10 ) oraz kąta pochylenia wierconych otworów w płaszczyźnie pionowej (przyjęto 3 ), przy czym wartości te nie są obrazowane na panelu operatora. W efekcie został wytworzony w pełni działający system, w wykonaniu przemysłowym, ze znacznie rozbudowanymi, w stosunku do prototypu, funkcjami oraz z poszerzonym i dostosowanym do specyfiki pracy oraz wymagań KGHM Polska Miedź S.A. interfejsem operatora. Rozbudowa nie wymagała zwiększenia liczby elementów systemu, zatem podstawowa architektura rozwiązania została zachowana. System składał się z czterech podstawowych elementów: 1. Bazy systemu element zawierający zespół emisji wiązki świetlnej (rys. 3, ozn. 1) wraz z zespołem wsporczym (rys. 3, ozn. 4), zamocowany na maszynie (rys. 6); 2. Zestawu matryc fotodetektorów element zawierający powierzchnie fotodetektorowe (rys. 3, ozn. 8), zamontowane na konstrukcji wsporczej, tworzące zespół fotodetektorowy (rys. 3, ozn. 5), zamontowany do ramy wiertarki (rys. 7); 3. Ekranu wraz z dżojstikiem pierwszy element, będący częścią urządzenia sterująco-rejestrującego (rys. 3, poz. 9), zamontowany w kabinie operatora (rys. 8); 4. Skrzynki przyłączeniowej drugi element, składający się na urządzenie sterująco-rejestrujące (rys. 3, poz. 9), mogący być umieszczony w dowolnym miejscu wozu wiercącego.

6 54 Rys. 4. Układ współrzędnych w przestrzeni przodka wraz z oznaczeniem kątów wychylenia: a widok czoła przodka, b widok z boku, c widok z góry Rys. 5. Interfejs operatora systemu

7 55 Rys. 6. Bazowy element systemu Rys. 7. Zestaw matryc fotodetektorów, w środkowej części widoczna większa od pozostałych matryca centralna

8 56 Rys. 8. Ekran wraz z dżojstikiem 2. Testy eksploatacyjne systemu W trakcie wdrażania systemu do eksploatacji stwierdzono nieprawidłowe działanie systemu prostowodowego samojezdnego wozu wiercącego, przeznaczonego do pracy z systemem. Wykonane pomiary potwierdziły nieprawidłowe działanie układu prostowodowego, co miało znaczący wpływ na możliwość uzyskania pełnej sprawności współpracującego z tym układem testowanego optycznego systemu wspomagania pracy operatorów. Ponieważ doprowadzenie przez producenta maszyny układu prostowodowego wozu wiercącego do wymaganej sprawności wymagało pewnego czasu, podjęto decyzję o rozpoczęciu testów eksploatacyjnych samego optycznego systemu wspomagania wiercenia. Testy miały miejsce w kopalni Rudna października 2015 r. i wykonane zostały pod nadzorem Działu Techniki Strzałowej, z udziałem przeszkolonego operatora, bez udziału twórców rozwiązania. Wyniki testów wykazały, że wykorzystanie systemu umożliwia wyrównanie czoła przodka już po jednym odstrzale, a w trakcie następnych odwiertów wykorzystuje się praktycznie całą długość żerdzi na całej powierzchni czołowej przodka. Działanie układu prostowodowego maszyny ze znacznym błędem i wynikająca z tego faktu

9 57 konieczność dokonywania poprawek kątowych praktycznie przy każdym otworze znacznie wydłużyła czas wykonania odwiertów. Jednakże zasadne wydaje się stwierdzenie, że z wykorzystaniem sprawnie działającego układu prostowodowego czas wykonania odwiertu przodka, z użyciem systemu, będzie tylko nieznacznie dłuższy od czasu wykonywania tych prac bez systemu wspomagania, a znacznej poprawie ulegną wskaźniki techniczne urabiania oraz wzrośnie bezpieczeństwo wykonywania robót górniczych. Wyniki wskazują również, że jest ma uzasadnienie wykorzystywanie systemu do wykonywania odwiertów z włomem równoległym, gdyż wymaga on mniejszej liczby korekt nastaw kątowych ramy wiertarki. Wykorzystanie systemu dało również korzystny efekt w postaci zachowania jednolitej, równej powierzchni stropu na całej długości urobionej w trakcie następujących po sobie odstrzałów. Kształt przodka dążył do teoretycznego obrysu przewidzianego w metryce strzałowej. W trakcie testów wszystkie otwory strzałowe były całkowicie wolne od zwiercin. Uzyskiwane zabiory spełniały oczekiwania i wynosiły około 3 metrów. W trakcie szkolenia oraz testów zbierano ustne opinie operatorów na temat systemu. Operatorzy uważali za najistotniejszą zaletę prostotę obsługi systemu. Wskazywali, że pomimo znacznego ograniczenia elementów systemu, to zespół matryc zamontowany na ramie wiertarki wraz z przewodem łączącym go z centralną częścią systemu jest jednak narażony na oddziaływanie środowiska zewnętrznego. Podejmowane próby wykazały, że w większości operatorzy w trakcie pracy bez systemu wspomagania nie są w stanie określić prawidłowego kąta pochylenia ramy wiertnicy. Zauważono natomiast, że operatorzy pracujący z systemem nawet po jego wyłączeniu dokonywali nastaw kątowych ramy z mniejszym błędem niż operatorzy z systemem wcześniej niepracujący. Po zakończeniu serii testów Dział Techniki Strzałowej kopalni sformułował następujące uwagi odnośnie do zasadności zastosowania systemu: brak konieczności wykonywania dodatkowych dostrzałek i wyrównań; uzyskanie żądanych profili wyrobisk (żądane wyłożenie ociosów); zbiory ok. 3,0 metrów (więcej urobku z jednego odstrzelonego przodka); zwiększenie jakości odwiertów, precyzyjne wiercenie otworów zgodnie z metrykami strzałowymi; zmniejszenie możliwości powstawania fajek (pozostałych po odstrzale końcach otworów); uniknięcie dodatkowych przebudów i przybierek stropu, powstałych w wyniku niepożądanego przewiercenia warstw stropowych, związanego z nieprecyzyjnym odwzorowaniem metryki strzałowej; zwiększenie efektywności i bezpieczeństwa brygad strzałowych (otwory drożne, krótszy czas ładowania przodka i przebywania w przodku); wsparcie dla operatora (ułatwia odwzorowanie metryki strzałowej w przodku). Powyższe uwagi w większości wskazują na zasadność czy wręcz potrzebę stosowania systemów wspomagania wiercenia, jednakże podkreślić należy, że oględziny powstałego po tygodniu eksploatacji wyrobiska wskazały, że kierunek urabiania pokrywał się z kierunkiem zapadania złoża. W efekcie wykorzystania optycznego systemu wspomagania uzyskano zatem nie tylko zamierzony obrys przodka, lecz również jego poprawne ułożenie względem złoża oraz jednolitą płaszczyznę odsłoniętej płyty stropowej na całej długości.

10 58 Podsumowanie W wyniku realizacji projektu opracowano zbudowano oraz dokonano próbnej eksploatacji optycznego systemu wspomagania wiercenia, który spełnił przyjęte na wstępie założenia. Wyniki testów eksploatacyjnych potwierdziły, że system w opracowanej wersji jak najbardziej nadaje się do wykorzystania w kopalniach Legnicko- -Głogowskiego Okręgu Miedziowego. Wyniki prac wskazują na zasadność podjęcia dalszego rozwoju opisanego rozwiązania technicznego. Co więcej, potwierdziły, że pozycjonowanie narzędzia w przodku powinno odbywać się w odniesieniu do rzeczywistego kierunku zapadania złoża oraz geometrii samego przodka, nie zaś względem pozycji wozu wiertniczego. Wóz wiertniczy powinien być tylko elementem łańcucha identyfikacji położenia. W warunkach zmiennego ukształtowania złoża uławiconego odniesienie bazy systemów wspomagania wiercenia do parametrów niezwiązanych ze złożem, takich jak wektor grawitacji, ustawienie wozu wiertniczego itd., wydaje się znaczącym uproszczeniem. Niestety, ze względu na niedokładność pracy układu prostowodowego niedostosowanie wozu wiertniczego do wymagań systemu oraz ograniczony do jednego wozu zakres prób nie można formułować wniosków odnośnie do całego spektrum możliwych aplikacji systemu. Zasadne jednak wydaje się w następnym kroku podjęcie działań umożliwiających jednoznaczne określenie wpływu nie tyle poprawności samego odwzorowania przodka oraz długości uzyskiwanych zabiorów, gdyż te wartości zapewne będą porównywalne dla wszystkich systemów wspomagania niezależnie od ich konstrukcji, lecz poprawności urabiania w odniesieniu do położenia złoża oraz niezawodności i kosztów wytworzenia, serwisu i eksploatacji. Jednocześnie wskazane wydaje się pochylenie się nad problemami technicznymi, związanymi z prawidłowością pracy układów prostowodowych, jednoznacznością położenia maszyny podpartej na sztywnych podporach w trakcie wiercenia oraz zakresem pracy układów roboczych wozów wiercących, które zostały uwidocznione w trakcie prac nad projektem. Autorzy pragną podkreślić, że wytworzony system jest opracowaniem innowacyjnym i nie ma odpowiednika w rozwiązaniach światowych. Powstała w trakcie realizacji projektu własność intelektualna jest elementem rozwoju myśli technicznej i może być wykorzystywana jako podstawa do dalszych prac oraz wskazywania nowych kierunków rozwoju procesu urabiania materiałami wybuchowymi. Bibliografia [1] Siwulski T., Niechwiej A., Kondoł P., Majak M., 2015, Innowacyjny system wspomagania wiercenia przodków, CUPRUM, nr 4 (77), s [2] Siwulski T., Krysztoforski K., Majak M., Sposób wyznaczania położenia ruchomej części urządzenia lub obiektu oraz układ do wyznaczania położenia ruchomej części urządzenia lub obiektu, zgłosz. pat. nr P z [3] Siwulski T., Niechwiej A., Kondoł P., Majak M., 2014, Nowe rozwiązanie systemu monitoringu procesu odwiertu przodka, Inżynieria Górnicza, nr 3, s