Nowe technologie w górnictwie i branży paliwowej

AUTOMATYKA TO BEZPIECZEŃSTWO I WYDAJNOŚĆ

Poza konsekwencjami zapłonu i eksplozji atmosfery wybuchowej górnicy i osoby pracujące przy wydobyciu gazu ziemnego i ropy naftowej są narażone na inne trudne warunki. Przykładowo w kopalniach większość zadań wymaga przebywania pod powierzchnią ziemi, gdzie jest ciemno, panują ekstremalne temperatury, duża wilgotność i zapylenie, występują trujące gazy, używa się ciężkiego sprzętu i materiałów wybuchowych, dochodzi do tąpnięć i wstrząsów.

Niebezpieczne bywają również na pozór proste, ale powtarzalne czynności, na przykład sekwencja zadań: załadunek kopalin, ich przewóz i rozładunek. Jeśli operator, zmęczony wielogodzinną jazdą w tę i z powrotem, straci czujność, łatwo może dojść do wypadku, na przykład zderzenia z innym pojazdem.

Dlatego automatyka w górnictwie i wydobyciu gazu ziemnego i ropy naftowej od lat stopniowo się upowszechnia. Systemy zautomatyzowane bowiem wspierają, a nawet całkiem mogą zastępować ludzi w wykonywaniu czynności niebezpiecznych. Dzięki nim rola operatorów maszyn i sprzętu ciężkiego zmienia się stopniowo z aktywnej na nadzorczą.

Oprócz tego zaletą automatyzacji jest poprawa wydajności, m.in. dlatego, że ograniczając liczbę pracowników pod ziemią, oszczędza się czas poświęcany wcześniej na transport kolejnych zmian personelu na dół i z powrotem na powierzchnię. Mniejsze jest również prawdopodobieństwo, że specjalistyczny sprzęt będzie używany niepoprawnie. Wydłuża to jego żywotność.

Ponadto przewiduje się, że wyłącznie przy użyciu robotów będzie można wydobywać kopaliny, które znajdują się na większych głębokościach niż do tej pory eksploatowane złoża, w trudno dostępnych miejscach i w złożach dotychczas uznawanych za zbyt małe, żeby opłacało się je eksploatować.

IoT na polu naftowym, cz. 2

Upowszechnienie się Internetu Rzeczy z każdym dniem wydaje się coraz bardziej realne dzięki rozwojowi technologii elektronicznych. Przede wszystkim miniaturyzacja układów ułatwia wbudowywanie interfejsów komunikacyjnych oraz kontrolerów w urządzenia, a czujniki ewoluują w kierunku samodzielnych jednostek, które oprócz gromadzenia danych, także je analizują.

Poza tym wzrost mocy obliczeniowej komputerów pozwala na przetwarzanie ogromnych ilości danych, a łączność bezprzewodowa zapewnia komunikację tam, gdzie sieci kablowej nie można zbudować. Jednocześnie wprowadzenie 128-bitowego protokołu IPv6 jako następcy 32-bitowego protokołu IPv4 daje pewność, że adresów sieciowych jeszcze długo nie zabraknie.

Wyzwaniem w przypadku upowszechnienia się idei Internetu Rzeczy jest ilość przesyłanych danych. Do ich analizy jest zatem potrzebne odpowiednie oprogramowanie. Argumentem przeciwko IoT w tak newralgicznych branżach jak przemysł paliwowy jest też obawa o bezpieczeństwo systemów informatycznych. Od czasu ataku przy użyciu robaka Stuxnet, którym zainfekowane zostały komputery w elektrowni, świadomość, że już nie tylko prywatni użytkownicy sprzętu komputerowego są na celowniku hakerów, jest bowiem znacznie większa niż dawniej.

KLASYFIKACJA SYSTEMÓW AUTOMATYKI

Na potrzeby przemysłu wydobywczego rozwijane są systemy zautomatyzowane o różnym stopniu złożoności. Można je na tej podstawie podzielić na kilka grup.

Do pierwszej zaliczane są systemy detekcji kolizji informujące o możliwości zderzenia się maszyn, sprzętów mobilnych i pojazdów z innymi lub z pracownikami, o co w kopalniach, z powodu słabej widoczności i ograniczonej przestrzeni roboczej pod powierzchnią oraz dużego natężenia ruchu na powierzchni, nietrudno, systemy śledzenia sprzętów i personelu oraz monitorowania stanu maszyn i sytuacji pod ziemią, na przykład z wykorzystaniem czujników gazów oraz kamer termowizyjnych. Rolą tych systemów jest ostrzeganie i wspieranie operatora, który jednak przez cały czas ma pełną kontrolę nad sprzętem.

System śledzenia można na przykład zrealizować z wykorzystaniem technologii RFID. Znaczniki mocuje się do ubrań roboczych pracowników oraz ruchomych maszyn. W korytarzach, w miejscach wyznaczających granice poszczególnych stref, na które dzielona jest kopalnia, instaluje się czytniki. Na podstawie danych przesyłanych przez nie do centrum zarządzania wyznacza się położenie oraz trasy śledzonych obiektów. Informacje te są udostępniane operatorom maszyn. Można je również wykorzystać na przykład w sterowaniu systemem wentylacji.

W pojazdach naziemnych, na przykład przewożących wydobyte kopaliny, system ostrzegania o możliwości kolizji realizuje się, wykorzystując m.in. GPS. Znając położenie i prędkość środka transportu w centrum zarządzania w specjalnym oprogramowaniu wyznacza się jego trasę. Do pojazdów, które znajdują się w niebezpiecznej odległości i tych poruszających się po ścieżce potencjalnie kolizyjnej, wysyła się następnie komunikat z ostrzeżeniem. Kierowca może być informowany o zagrożeniu sygnałem dźwiękowym albo wizualnym.

Konferencje dla branżystów

Wiosną odbędą się dwie konferencje potencjalnie interesujące dla osób związanych z branżą górniczą oraz tematyką stref zagrożonych wybuchem. W dniach 20-21 kwietnia planowane jest V seminarium "Eksploatacja urządzeń elektrycznych i nieelektrycznych w strefach Ex - nowe dyrektywy ATEX".

Odbędzie się ono w kopalni Guido w Zabrzu, zaś jego tematyka obejmie m.in. kwestie sterowania i monitoringu oraz zasilania w strefach zagrożonych wybuchem, użytkowania maszyn i ochrony ciśnieniowej EXp, a także zapobiegania awariom urządzeń przemysłowych. Informacje o wydarzeniu znajdują się na stronie http://seminarium.energoelektronika.pl.

Drugim z planowanych spotkań jest MAGR 2016, czyli konferencja "Mechanizacja, Automatyzacja i Robotyzacja w Górnictwie", która będzie mieć miejsce w połowie czerwca w Wiśle. Zaprezentowane zostaną na niej zagadnienia dotyczące budowy i eksploatacji maszyn, automatyki oraz robotyki w górnictwie, a także bezpieczeństwa oraz transportu poziomego i pionowego.

Spotkanie odbędzie się po raz trzeci i organizowane jest przez dwie katedry AGH, Centrum Badań i Dozoru Górnictwa Podziemnego, Politechnikę Wrocławską oraz "Klub Paragraf 34" i Cert Partner. Informacje o nim dostępne są na stronie www.cbidgp.pl/pl/konferencje/2016.

SYSTEMY PÓŁAUTOMATYCZNE I ZDALNIE STEROWANE

Do drugiej grupy zaliczane są systemy półautomatyczne. W ich przypadku większością operacji steruje człowiek, natomiast pozostałe wykonywane są automatycznie. Przykładem jest system detekcji kolizji, który w razie zagrożenia automatycznie, bez angażowania obsługi, zatrzymuje maszynę. Można go na przykład zrealizować, umieszczając na łyżce koparki czujniki optyczne i kamery. Stosownie do sytuacji dalsze działania, na przykład ponowne uruchomienie maszyny, podejmuje operator.

Systemy półautomatyczne automatyzują również te najbardziej rutynowe zadania. Przykład to przemieszczenie łyżki koparki po jej załadowaniu przez operatora, który potem samodzielnie ją rozładowuje.

Trzecią grupę stanowią systemy zdalnego sterowania. Za ich pośrednictwem kieruje się maszynami, które pracują na szczególnie niebezpiecznych odcinkach, z bezpiecznego miejsca. Przykładem jest System Sterowania Radiowego Maszynami Górniczymi ESSRK-1001 oferowany przez firmę Elsta Elektronika. Jego podstawowym zastosowaniem jest sterowanie kombajnem ścianowym, ale może być również wykorzystywany do kontroli pracy innych urządzeń, m.in. kombajnów chodnikowych, kolejek spągowych, tam wentylacyjnych, zwrotnic i obudów hydraulicznych (patrz ramka).

Rozwijane są także systemy całkowicie zautomatyzowane, a nawet autonomiczne. Operator ma w nich pełnić funkcję wyłącznie nadzorcy, który będzie interweniował tylko w sytuacjach awaryjnych i będzie się zajmował planowaniem. Dzięki temu będzie mógł przebywać z dala od sprzętu, a nawet w innej części świata. Uważa się je za przyszłość górnictwa - dzięki nim kopalnie mają stać się zakładami bezzałogowymi.

Nowe technologie to nowe wyzwania

Z upowszechnianiem się automatyki w górnictwie i przemyśle wydobycia gazu ziemnego oraz ropy naftowej wiążą się wyzwania towarzyszące temu procesowi również w innych gałęziach przemysłu. Ponieważ nie jest możliwa wymiana wszystkich systemów w zakładzie jednocześnie, głównie z powodów finansowych, powinno się zapewnić interoperacyjność tych nowych z już używanymi. Potrzebni są też wykwalifikowani pracownicy.

Przewiduje się, że wraz z popularyzacją automatyzacji niektóre zawody znikną, a w ich miejsce pojawią się nowe. Na przykład w kopalniach firmy Rio Tinto, gdzie używane są autonomiczne, bezzałogowe pojazdy transportowe, całkowicie zbędni stali się pracownicy na stanowisku kierowcy takich ciężarówek. W centrum zdalnego zarządzania kopalnią należało natomiast zatrudnić inżynierów automatyków, którzy dodatkowo orientują się w specyfice kierowania takimi pojazdami w trudnym terenie.

KOPALNIE BEZZAŁOGOWE

Tematy numerów w najbliższym kwartale

Próbę realizacji tego celu podjęła się już firma Rio Tinto, która w 2008 roku w kopalniach rudy żelaza w regionie Pilbara w Australii Zachodniej rozpoczęła program Mine of the Future. W ramach tej inicjatywy dotychczas wdrożono wiele innowacyjnych rozwiązań.

Jednym z nich jest flota składająca się obecnie z prawie 70 autonomicznych, bezzałogowych pojazdów transportowych (Autonomous Haulage System). Wyposażono je w liczne czujniki (m.in. radarowe i laserowe). Dane przez nie mierzone są wykorzystywane przez system sztucznej inteligencji, dzięki któremu pojazdy uczą się topografii terenu kopalni. Trasy wywrotek, śledzone dzięki zamontowaniu w nich odbiorników GPS, są też poddawane analizie w centrum sterowania. Pozwala to koordynować ich przemieszczanie się i optymalizować przyszłe ścieżki i parametry ruchu (prędkość).

Ponadto ciężarówki wyposażono w autonomiczny system detekcji kolizji. Na podstawie danych z licznych czujników, jeżeli na drodze pojawi się przeszkoda, automatycznie modyfikuje on zadaną trasę pojazdu. Sensory monitorują również stan wywrotki, m.in. ciśnienie w oponach, temperaturę płynów chłodzących, ich ciśnienie, poziom oraz stopień czystości, temperaturę i poziom wibracji łożysk, temperaturę oraz ciśnienie w układzie hamulcowym. Dzięki temu, zamiast angażować personel do wykonywania okresowych przeglądów floty, można przewidywać problemy eksploatacyjne i na bieżąco na nie reagować.

W planach firma Rio Tinto ma również realizację autonomicznego systemu sterowania urządzeniami wiertniczymi (Autonomous Drilling Systems) i autonomicznego systemu transportu urobku linią kolejową (AutoHaul). Kopalnie w regionie Pilbara są nadzorowane zdalnie z centrali w Perth.

NOWE TECHNOLOGIE W GÓRNICTWIE I BRANŻY PALIWOWEJ

O tym, czy kopalnie bezzałogowe staną się rzeczywistością, zdecyduje rozwój takich technologii jak zaawansowane algorytmy sterowania, sztuczna inteligencja i, popularyzująca się ostatnio nie tylko w przemyśle, idea Internetu Rzeczy (Internet of Things), która zakłada, że urządzenia będą powszechnie i bez udziału człowieka wymieniały się danymi. W ramce na przykładzie branży naftowej przedstawiamy perspektywy tego ostatniego, jak również wyzwania, które towarzyszą jego wdrażaniu.

Monika Jaworowska

W artykule wykorzystano zdjęcia z zabytkowej Kopalni Guido w Zabrzu (poziomy 320 i 355).