Infrarotsensorik zur Grenzschichterkennung: Entwicklung und Einsatz eines bildgebenden Infrarotsensorsystems bei der Automatisierung von Walzenladern im Untertagebergbau
(German)
Please choose your delivery country and your customer group
Es wurde die Eignung der bildgebenden Infrarotsensorik zur geologischen Umfelderfassung und Grenzschichterkennung für die Automatisierung von Gewinnungsmaschinen untersucht. Aufbauend auf den Untersuchungen und Versuchen war das Ziel, ein betriebsreifes Steuerungssystem zur Walzenladerautomatisierung zu entwickeln. Die Grundlage für die Konzeption und Entwicklung des IR-Steuerungssystems bilden theoretische Überlegungen und eine umfassende Untersuchung und Bewertung von möglichen Sensorsystemen zur Grenzschichterkennung. Dabei wurde zwischen in das Material eindringenden und oberflächenabtastenden Sensoren differenziert. Die IR-Technologie wurde als am ehesten zur qualitativen Materialerkennung und Trennflächendetektion geeignet identifiziert. Besonders die neue IR-Sensorgeneration zeichnet sich durch hohe thermische Auflösung und Robustheit gegenüber den rauen Umgebungsbedingungen aus und vergrößert auf diese Weise das Potenzial für weitere Entwicklungen und Anwendungen im Bergbaubereich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden erstmals IR-Sensoren und Bildverarbeitungssysteme zur Grenzschichterkennung in die Gewinnungsmaschine integriert. Aufbauend auf Laboruntersuchungen und untertägigen Feldversuchen wurden Bildverarbeitungsalgorithmen entwickelt und implementiert, die eine automatische Auswertung der IR-Aufnahmen ermöglichen. Dabei werden charakteristische Gesteinseinlagerungen im Flöz aufgrund ihrer unterschiedlichen thermischen Abstrahlung erkannt und lokalisiert. Die Gesteinsschichten dienen als Steuerungsparameter, die die Gewinnungsmaschine innerhalb der Lagerstättengrenzen lenken, um eine effiziente und materialschonende Gewinnung zu gewährleisten. Durch ein System von parametrisierten Algorithmen werden nach der Auswertung der Sensordaten die Steuerungsinformationen für die Tragarmstellung der Schneidwalzen generiert. Nach Analyse der bergbaulichen und betrieblichen Anforderung sowie unter Berücksichtigung der Sicherheitsvorschriften wurde ein spezielles Gehäuse für die IR-Sensorik entwickelt und so in die Maschine integriert, dass sie dem rauen Betriebsalltag untertage standhält. Die Überlegenheit der IR-Sensorik gegenüber anderen Grenzschichterkennungssensoren und ihre Leistungsfähigkeit konnte in dieser Arbeit nachgewiesen werden und wurde demzufolge Bestandteil eines betriebsreifen Sensorsystems, das verknüpft mit der Steuerungstechnik, zuverlässig Messdaten liefert und die Maschine autonom betreibt. Nach einem mehrmonatigen Probebetrieb unter schwierigen und dynamischen Umgebungsbedingungen auf dem untertägigen Steinkohlebergwerk Auguste Victoria wurde die Funktionsfähigkeit der IR-Sensorik, der Bildverarbeitungs- und Steuerungsalgorithmen nachgewiesen. Auf dem gleichen Bergwerk befinden sich derzeit zwei automatisierte Walzenlader im Einsatz. Aus den ersten Einsatzerfahrungen bei der untertägigen Steinkohlegewinnung zeigt sich ein Optimierungspotenzial im Bereich der Signalauswertung durch Weiterentwicklung der eingesetzten Hardware und Anwendung von selbstlernenden Algorithmen und komplexen mathematischen Modellen. Weiterer Schlüsselpunkt ist der Einsatz eines Trägheitsnavigationssystems zur Ermittlung der exakten Lage der Maschine, um aus den relativen Schnittlinien absolute Informationen zu generieren. Letztendlich muss die IR-Sensorgestützte Bewegungssteuerung mit weiteren Sensoren redundant verknüpft und zu einem Multisensorkonzept fusioniert werden.
Infrarotsensorik zur Grenzschichterkennung: Entwicklung und Einsatz eines bildgebenden Infrarotsensorsystems bei der Automatisierung von Walzenladern im Untertagebergbau