Grubenwarte für klein- und mittelständische -Unternehmen
Fig. 1. // Bild 1. Staircase (1).
Die Grubenwarte „A Modern SCADA System (MoSc)“ des Forschungs- und Lehrbergwerks Reiche Zeche der TU Bergakademie Freiberg basiert auf moderner und skalierbarer Software und wurde für den Betrieb auf einem Mittelklasse-Computer entwickelt. Die Anwender sind völlig flexibel, welche Peripheriegeräte (Computer, Smartphone, Tablet) sie zur Visualisierung einsetzen möchten. Die Software ist plattformunabhängig und lässt sich problemlos in ein bestehendes Firmennetzwerk integrieren. Der Datenabruf innerhalb des Intranets ist in Kombination mit einer Nutzer-ID möglich. Der externe Zugriff erfolgt über einen zusätzlichen VPN-Client. Ziel war die Integration und Verbindung aller relevanten Untertageprozesse im Sinne des Real-Time-Mining-Ansatzes. Alle Daten sollten entsprechend den Anforderungen einer ganzheitlichen Bergbauprozesssteuerung aufbereitet, gespeichert und visualisiert werden, um Managemententscheidungen zu unterstützen. Zu diesem Zweck werden verschiedene Datenklassen direkt miteinander verknüpft, wie in Bild 1 dargestellt.
Für MoSc verwendete Technologien
MoSc wurde mit Hilfe verschiedener Technologien entwickelt, die sowohl die Skalierbarkeit als auch die Robustheit des Systems garantieren sollten. Diese werden im Folgenden vorgestellt.
.NET Core wurde erstmals im November 2015 veröffentlicht und ermöglicht die Entwicklung von Anwendungen für den Produktvertrieb. Am 30. Mai 2018 wurde die Version 2.1 freigegeben, die auch andere Software-Architekturen unterstützt und für eine langfristige Unterstützung konzipiert wurde. Es handelt sich um eine freie und Open-Source-Software, die kostenlos eingesetzt werden kann. Sie wird für die Entwicklung und Ausführung von Anwendungsprogrammen verwendet und enthält Programmiersprachen, Werkzeuge und Technologien für die Produktentwicklung. Das gesamte Backend der Grubenwarte wurde mit dieser Software entwickelt, um Plattform-unabhängigkeit zu erreichen. Die Anwendungssoftware kann während des Betriebs ohne Neustart geändert werden (2).
Firebird DB wird als Datenbankmanagementsystem der Grubenwarte verwendet. Es ist quelloffen und industrieerprobt, da es die freie Version einer kommerziellen Datenbank ist. .NET Core generiert automatisch die Datenbankstruktur, wodurch die IT-Fähigkeiten, die ein Benutzer vor Ort haben muss, reduziert werden (3).
Für die browserbasierte Front-End-Lösung werden Angular und WebGL verwendet. Angular ist eine JavaScript-basierte Sprache, die als Open-Source-Software veröffentlicht wurde. Sie ermöglicht Webseiten zu erstellen, die sich automatisch an die gewünschte Peripherie anpassen (4). Das 3D Modell des Grubenrisses kann mit WebGL integriert und mit einem Webbrowser angezeigt werden. Je nach Größe des Grubenrisses muss jedoch mit einer Zeitverzögerung bei der Generierung der Webseite gerechnet werden (5).
OPC Unified Architecture bildet den Kern der Datenintegration. Es ist ein plattformunabhängiges und quelloffenes Kommunikationsprotokoll basierend auf der Ethernet-Technologie. Eine der grundlegenden Neuerungen ist der Übergang von der Master-Slave-Architektur zur Server-Client-Architektur, die es ermöglicht, ein Netzwerk zu schaffen, in dem jedes Gerät kommunizieren und auch steuern kann. Deshalb wird es oft als bedeutende Technologie für das Internet der Dinge (Internet of Things – IoT) bezeichnet. Ein weiterer entscheidender Vorteil ist die Veränderung des Datentransfers. Das Netz wird nicht mehr mit Daten überflutet, die möglicherweise nicht benötigt werden, da Daten nur noch auf Anfrage an einen Nutzer gesendet werden. Dies führt zu komplexeren Kommunikationsstrukturen, weshalb dieses Kommunikationsprotokoll nicht in der Lage ist, Echtzeitanwendungen (Millisekundenbereich) zu steuern. Vielmehr wird es für die horizontale und vertikale Kommunikation innerhalb eines Unternehmens oder in diesem Fall eines Bergwerks verwendet.
OPC UA fördert Plug-and-Play innerhalb seiner Systeme. In diesem Zusammenhang werden zwei Dienste angeboten:
- Discovery Server – ermöglicht es einem Server, sich an einer zentralen Stelle zu registrieren, wodurch er automatisch in die Kommunikation integriert werden kann und
- Zertifizierung – ein optionaler Validierungsprozess für OPC UA-Profile durch unabhängige Institutionen.
Die Verwendung von MoSc
Um MoSc zu verwenden, muss der OPC UA Server und anschließend der Client gestartet werden. Dadurch wird zunächst der Hauptbildschirm für die Benutzeranmeldung geöffnet. Dies ist notwendig, um jedem Benutzer seine spezifischen Rechte und Informationen zur Verfügung zu stellen, die über die vorher bereits erwähnte Nutzer-ID spezifiziert sind. Die verschiedenen Symbole und Messwerte erscheinen dann auf dem Grubenriss, wie in Bild 2 dargestellt.
Fig. 2. MoSc – main display screen (1). // Bild 2. MoSc – Hauptbildschirm (1).
Die grün markierten Punkte sind aktive Messungen und zeigen den Empfang von Daten an. Rote Punkte zeigen an, dass derzeit keine Verbindung besteht (Ausfall oder Verzögerung). Häufig verwendete Sensoren/Einheiten, wie z. B. Gassensoren oder Ventilatoren, können per Drag and Drop mit wenigen Klicks auf dem Hauptbildschirm neu positioniert werden, wofür lediglich der Sensortyp und die IP-Adresse des Sensors eingegeben werden müssen. Die neue Einheit kann auf dem Grubenriss frei positioniert werden. Sobald der Markscheider den genauen Standort vermessen hat, ist es möglich, die Position exakt zu hinterlegen.
Die Registerkarten am Rand ermöglichen den Benutzern auf ihre Projekte und ihre Daten zuzugreifen. Für das Forschungs- und Lehrbergwerk Reiche Zeche wurde die Integration von kabelgebundener und kabelloser Datenübertragung erfolgreich getestet. Die Registerkarte des Versuchsstands zur Prüfung von Faserseilen ist beispielhaft in Bild 3 dargestellt.
Fig. 3. MoSc – fibre rope test rig (1). // Bild 3. MoSc – Faserseilversuchsstand (1).
Abhängig von der bereits erwähnten Benutzeranmeldung ist es möglich, die Zugriffsrechte jedes Benutzers zu bestimmen, wobei nur relevante und freigegebene Inhalte angezeigt werden. Nachfolgend sind einige Personen mit ihren Zugriffsrechten aufgeführt:
- Der Grubenleiter hat Zugriff auf alle Daten und die vollständige Kontrolle. Natürlich können verschiedene Aufgaben delegiert werden, aber im Fall eines Ereignisses hat er immer alle Zugriffsrechte.
- Im Gegensatz dazu hat der Elektriker nur schreibenden Zugriff auf die Daten, die direkt oder indirekt die Stromversorgung betreffen. Selbstverständlich hat er zur Planung seiner Aufgaben und aus Sicherheitsgründen auch lesenden Zugriff auf alle anderen Daten.
- Im Fall des Forschungs- und Lehrbergwerks Reiche Zeche gibt es eine weitere Gruppe mit besonderen Zugriffsrechten. Die wissenschaftlichen Mitarbeiter, welche die Forschungsprojekte betreuen, haben vollen Zugriff auf ihre Forschungslabors und lesenden Zugriff auf sicherheitsrelevante Informationen.
Konzepte zur Datenübertragung
Zusätzlich zur „logischen“ Datenübertragung müssen die Daten physisch vom Messort zum Zielort übertragen werden. Insbesondere an entlegenen, weit entfernten und/oder unzugänglichen Bereichen des Bergwerks Reiche Zeche ist eine Übertragung via Kabel nicht möglich. Deshalb wurden im Forschungs- und Lehrbergwerk Reiche Zeche mehrere Konzepte zur drahtlosen Übertragung von Messdaten erprobt.
Schlitzkabel zur Digitalisierung von Strecken
Die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen wird durch die elektromagnetischen Eigenschaften des Gesteins, die Porosität und die enthaltenen Flüssigkeiten definiert. Die Erfahrungen mit der Verwendung typischer kabelloser Übertragungsansätze, z. B. WLAN, haben die Anwendbarkeit der Übertragung durch Grubenbaue nur für die Sichtverbindung zwischen Client und Server nachgewiesen (9). Daher wurde, gemeinsam mit dem Projektpartner Ingenieurpartnerschaft für Bergbau, Wasser und Deponietechnik (IBeWa), Freiberg, ein Konzept für eine wirtschaftliche, kabellose Netzabdeckung auch in gekrümmten und engen Streckengeometrien entwickelt und durch die Installation von Schlitzantennen und Cisco W-Lan-Technologie erfolgreich demonstriert. Die folgenden Tests wurden durchgeführt:
- Tests zur Übertragungsreichweite,
- Identifizierung der begrenzenden Gesteinseigenschaften und
- Nachweis der erhöhten Übertragungsreichweite durch Repeater.
Through-The-Earth-Kommunikation (TTE) zur Einbindung von entfernt gelegenen Messstationen
Elektromagnetische Wellen sind seit vielen Jahrzehnten zur Erkundung geologischer Strukturen im Einsatz, z. B. Bodenradar, und können als Stand von Wissenschaft und Technik angesehen werden (10, 14, 15, 16). Die erste Entwicklung der TTE-Technologie auf der Basis von sehr gering frequenten Wellen (very-low-frequency – VLF) geht auf die 1920er Jahre zurück, z. B. (7). In den letzten zehn Jahren haben sich Forschung und Entwicklung zunehmend auf Ansätze zur Nutzung elektromagnetischer Wellen zur Datenübertragung durch Gestein für Bergbauanwendungen konzentriert (10, 11). Die Überwachung des Drucks hinter und in unterirdischen, flüssigkeitsdichten Abdichtungssystemen für Stollen und Schächte war und ist eine der treibenden Kräfte bei der Entwicklung dieser Ansätze. Eine erste Installation der drahtlosen Datenübertragung mit drei Funksensoren, die Druck und Temperatur messen, wird seit Dezember 2010 im Endlager für radioaktive Abfälle Morsleben (ERAM) erfolgreich getestet (10, 12). Eine weitere Anwendung wurde 2019 mit der Installation eines Funksensors in einem Großbohrlochversuch gestartet, um die Anwendbarkeit von MgO-Beton für die Abdichtung von Schächten im Steinsalz zu testen (13). Die Funktechnologie dieser Sensoren (Ultrahochfrequenz – UHF) ist für die trockenen Bedingungen in Salzbergwerken optimiert. Deshalb wurde im Forschungs- und Lehrbergwerk Reiche Zeche mit der Entwicklung und Erprobung von Konzepten auf Basis der TTE-Technologie mit VLF begonnen, um die Datenübertragung durch nassen Freiberger Gneis zu evaluieren.
In der Vergangenheit konzentrierte sich die Verwendung von TTE auf textbasierte Kommunikation. Die Technologie hat das Potential für eine bidirektionale Datenübertragung zwischen Sender und Empfänger (Zwei-Client-Verbindung). Zu diesem Zweck wird für Überwachungsaufgaben im Bergwerk eine Erweiterung des E-Feld-Kommunikationssystems (ECS) eingesetzt, welches vorverarbeitete Werte mit bis zu 228 Bit/s bei Frequenzen zwischen 40 kHz und 132,6 kHz übertragen kann (6). Zur Optimierung der Datenübertragung zwischen Bohrlöchern durch die Variation der Antennenkonfiguration und der elek-tromagnetischen Ankopplung an das Gebirge wurden mehrere untertägige Tests der VLF-basierten Datenübertragung in Strecken durchgeführt. Für die Installation der Antenne in einem Bohrloch oder am Stoß wurden wesentliche Unterschiede im Übertragungsverhalten festgestellt (Bild 4).
Fig. 4. Field tests with TTE cover (6). // Bild 4. Feldversuche mit TTE-Abdeckung (6).
Nur in Großbohrungen (BH1 und BH2 der Deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften (GfZ)) war die Übertragung über 140 m erfolgreich. Das spezifische Übertragungsverhalten wird durch den vom Wassergehalt abhängigen spezifischen Widerstand von Gneis, der von 6,8 x 104 Ωm (nass) bis 3 x 106 Ωm (trocken) variiert, und die Dielektrizitätskonstante, die mit ca. 8,5 etwa 10-mal niedriger als die von Wasser ist, bestimmt. Die Übertragung wird hauptsächlich durch höher leitfähige, nasse Anisotropien, z. B. Klüfte, Spalten, gesteuert.
Testweise Verknüpfung beider Technologien zur umfassenden Abdeckung des Forschungs- und Lehrbergwerks Reiche Zeche
Schließlich wurde ein Konzept für die kombinierte TTE/WIFI-Datenübertragung entwickelt, um Überwachungsdaten von abgeworfenen Strecken in eine OPC UA-strukturierte Grubenwarte zu übertragen und dieses Konzept erfolgreich zu demonstrieren. Bild 5 zeigt die installierte TTE/WIFI-Verbindung innerhalb des Bergwerks für die Übertragung verschiedener Datentypen, wie z. B. die LIBS-Messung (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) von Spectral Industries (1).
Fig. 5. TTE module in the Wilhelm-Stehender-Nord section (LIBS) (left), TTE module in the Glück-Auf-Spat section (T/p) (right) (1). // Bild 5. TTE-Modul am Wilhelm-Stehender-Nord (LIBS) (links), TTE-Modul am Glück-Auf-Spat (T/p) (rechts) (1).
Als Ausblick auf zukünftige Arbeiten zeigen IBeWa und die TU Bergakademie Freiberg die Möglichkeit eines fest installierten TTE-Demonstratornetzes, das die Grubenwarte mit sicherheitsrelevanten Messdaten versorgt. Darüber hinaus wird IBeWa die Entwicklung von miniaturisierten Sensoren für das TTE-basierte Monitoring in Bohrlöchern vorantreiben (1, 17).
References/Quellenverzeichnis
References/Quellenverzeichnis
(1) Krichler, T. et al. (2019): Real-Time Mining Deliverable – Report on Integration of central Real-Time Mining control cockpit from WP6 with ZG from task 9.1.
(2) Wikipedia .NET Core: https://de.wikipedia.org/wiki/.NET_Core
(3) Wikipedia Firebird DB: https://de.wikipedia.org/wiki/Firebird_(Datenbank)
(4) Wikipedia Angular: https://de.wikipedia.org/wiki/Angular
(5) Wikipedia WebGL: https://de.wikipedia.org/wiki/WebGL
(6) Horner, D. et al. (2017): Real-Time Mining – Deliverable – Advanced Mine Monitoring Control, Operation and Safety System for Small Scale Mines.
(7) Jakovsky, J. J.; Zellers, D. H. (1924): Factors Retarding Transmission of Radio Signals Underground, and some further Experiments and Conclusions. 2651, U.S. Bureau of Mines, Washington, D.C.
(8) Giese, R.; Jaksch, K. (2016): GFZ Underground Laboratory in the Research and Education Mine “Reiche Zeche” Freiberg. In: Journal of large-scale research facilities, 2, A68 (2016), 6 p. doi:10.17815/jlsrf-2-131.
(9) Grafe, F.; Horner, D.; Rössel, A.; Schieweg, A.; Viertel, T.; Wilsnack, T.; Mischo, H. (2018): Data acquisition & transmission in mining operations. In: Kali & Steinsalz, 02/2018
(10) MoDeRn (2013): Monitoring in Geological Disposal of Radioactive Waste – Objectives, Strategies, Technologies and Public Involvement. Proceedings of an International Conference and Workshop, Luxembourg, 19 – 21 March 2013
(11) IBeWa (2012): Non-destructive in situ permeability determination. IBeWa-Ingenieurpartnerschaft subsidized by the German Federal Ministry of Economy and Technology (BMWi) FKZ: 02E10447.
(12) Wilsnack, T.; Rössel, A.; Grafe, F. (2012): Kabellose Daten-übertragung im Salinar. In: Kali und Steinsalz, Heft 2/2012.
(13) ELSA-2 (2020): Kudla et al.: Schachtverschlüsse für Endlager für hochradioaktive Abfälle (ELSA – Phase II): Konzeptentwicklung für Schachtverschlüsse und Test von Funktionselementen von Schachtverschlüssen. Förderkennzeichen 02E11193A.
(14) Geyer, R. G. (1973): USBM Contract Final Report (G133023). Thru-The-Earth Electromagnetics Workshop. In: R.G. Geyer (ed.) Department of Interior, Golden, CO.
(15) Geyer, R. G.; Keller, G. V. (1976): Constraints affecting through-the-earth electromagnetic signaling and location techniques. In: Radio Science, Vol. 11, No. 4, pp. 323-342.
(16) Large, D. B.; Ball, L.; Farstad, A. J. (1973): Radio transmission to and from underground coal mines – theory and measurement. In: IEEE Transactions on Communications, Vol. COM-21, No. 3, pp. 194 – 202.
(17) Kosmos (2020): Entwicklung eines kabellosen Monitoring-Systems zur Langzeitüberwachung des Gebirgsdruckes. Forschungsvorhaben gefördert durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e. V. (AiF), FKZ: ZF4486501GR7 (laufendes Vorhaben).
