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Die Erfindung betrifft einen Gurtförderer und eine Verfahren zum Betrieb eines Gurtförderers.
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Im Bergbau und insbesondere bei den Betreibern von Bergbauförderanlagen ist weltweit das Thema „Zustand der Tragrollen“ ein wichtiger Punkt in Bezug auf Instandhaltung und Verfügbarkeit der Anlagen. Hinzu kommt das Risiko, dass einer Zerstörung des Gurtes durch geschädigte oder schadhafte Tragrollen.
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In den letzten Jahren wurden einige Versuche unternommen, durch Ausrüstung der Tragrollen mit Mess- und Übertragungstechnik und Energieversorgung einen Defekt von einzelnen Tragrollen frühzeitig zu erkennen. Derartige Tragrollen sind beispielsweise aus der
CN10960709A und
CN109573519 bekannt.
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In der
CN109625843 ist ein System zur Erfassung eines Tragrollenzustandes und ein Monitoring mit einer zentralen Datenerfassung beschrieben.
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Es ist bereits bekannt durch in dem Fördergurt angeordneten Piezoelementen oder aus Vibrationen elektrische Energie zu gewinnen. So dass in dem Gurt eingebetete Komponenten eine eigenständige Energieversorgung verfügen.
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Die Herausforderungen und auch die Hemmschwelle angesichts der erforderlichen Investitionen sind dabei sehr hoch:
- Die Ausrüstung mit intelligenten Tragrollen ist gleichbedeutend mit der Neubestückung der Anlage mit Tragrollen. Hinzu kommt, dass für die Erfassung der Informationen von intelligenten Tragrollen eine Infrastruktur erforderlich ist. Eine umfangreiche Infrastruktur entlang der Förderwege ist erforderlich, um die Daten aller Tragrollen zu einem zentralen Auswerte- und Informationssystem zu übertragen. Da bedingt durch spezifische Materialeigenschaften des Fördergutes und Kontaminierung des Förderweges es häufig nicht möglich ist eine Funkübertragung zwischen Tragrollen zuverlässig bereitzustellen. Eine Übertragung über mehrere Tragrollen hinweg zu stationären Komponenten wird dadurch schwierig. Mit einer Erhöhung der Anzahl an stationären Komponenten hingegen steigen die Kosten erheblich.
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In der
EP 1 877 330 B1 „VERFAHREN ZUR ÜBERWACHUNG DER BANDAUSRICHTUNG UND/ODER DES BANDLAUFS EINER GURTBANDFÖRDEREINRICHTUNG SOWIE GURTBANDFÖRDERER“ ist eine andere Anordnung beschrieben. Es werden nicht die Tragrollen selbst ausgerüstet, sondern eine geeignete Sensorik in den Gurt eingebracht. Diese soll bei dem Überlaufen der Tragrollen den Kontaktzustand zwischen Tragrolle und Gurt erfassen, und dann durch geeignete Auswertung und Interpretation der Sensordaten den Leistungseintrag in die Tragrolle messen.
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Aus der
EP 716 991 ist ein Verfahren und Anordnung zur Überwachung eines Fördergurtes bekannt. Dafür sind in dem Gurt Transponderchips mit einer individuellen Kennung angeordnet. In diesen Transponderchips werden weitere Informationen in einem EEPROM Speicher abgelegt.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zu Grunde eine verbesserte Energieversorgung und ein verbessertes Energiemanagement für in einem Fördergurt vorgesehenen Komponenten bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 15 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen genannt.
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Erfindungsgemäß zeichnet sich die Vorrichtung dadurch aus, dass in dem Gurt zur Gewinnung von elektrischer Energie eine Schlauchpumpe vorgesehen ist. Das Volumen der Schlauchpumpe wird beim Passieren von Tragrollen oder Umlenkrollen aus der Schlauchpumpe verdrängt. Durch die Verdrängung des Mediums aus der Kavität der Schlauchpumpe kann eine Turbine angetrieben werden. Durch einen mit der Turbine verbundenen Generators kann elektrische Energie erzeugt werden. Eine derartige Einheit ist kompakt und einfach aufgebaut.
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Als Turbine kann insbesondere eine Micro-Turbine verwendet werden. Derartige Micro-Turbinen werden zum Beispiel als Ersatzrotoren von der Firma KaVo angeboten. Diese Ersatzrotoren finden bislang in der Dentaltechnik Verwendung. Diese Turbinen sind sehr kompakt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist
ein Druckspeicher für die Aufnahme des aus der Schlauchpumpe verdrängten Mediums vorgesehen. Es hat sich insbesondere als vorteilhaft herausgestellt, dass der Druckspeicher für die Aufnahme des gesamten Volumens aus der Schlauchpumpe ausgelegt ist. Damit ist eine Anpassung und Abstimmung der Längenausdehnung der Schlauchpumpe an den Umfang der Umlenkrollen zur Vermeidung von hohen Drücken nicht erforderlich. Damit kann auch sichergestellt werden, dass insbesondere beim Passieren von Umlenktrommeln eines Gurtförderers keine zu hohen Drücke in der in der Energy Harvesting Einheit durch das Verdrängte Medium aus der Schlauchpumpe entstehen. Als Folge von zu hohen auftretenden Drücken kann es zu einem verfrühten Defekt oder einer Undichtigkeit kommen. Somit wirkt sich das Vorsehen eines Druckspeichers vorteilhaft auf die Langlebigkeit der Energy Harvesting Einheit aus.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt einen Akkumulator für die Speicherung von elektrischer Energie vorzusehen. Durch den Akkumulator ist es auch möglich Phasen einer Energiegewinnung vorzusehen und nur bei ausreichender elektrischer Energie einen Messdurchlauf vorzusehen. Dadurch ist es möglich eine Energy Harvesting Einheit mit geringerer Leitungsfähigkeit als für einen kontinuierlichen betrieb erforderlich wäre. Das wirkt sich vorteilhaft auf die Baugröße aus.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die Energy Harvesting Einheit mit einem gasförmigen Medium, insbesondere Luft, zu betreiben. Wird normale Luft verwendet, so sind für eine Undichtigkeit der Schlauchpumpe keine besonderen Vorkehrungen zu treffen. Auch bei der Verwendung von unkritischen Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Wasser, sind für eine Undichtigkeit keine Vorsichtsmaßnahmen erforderlich. Mit einem unkontrollierten Austreten tritt keine Gefährdung auf.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Kavität der Schlauchpumpe direkt in dem Gurtmaterial ausgebildet. Das wirkt sich zum einen vorteilhaft auf den Benötigten Bauraum und zum anderen vorteilhaft auf die Herstellungskosten aus.
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Es hat sich als Vorteilhaft herausgestellt die Strömungsrichtung des Mediums durch vorsehen von zumindestens einem Ventilen vorzugeben. Die Verwendung von mindestens einem Rückschlagventil hat sich als eine kostengünstige Lösung herausgestellt.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt die Energy Harvesting Einheit zum Betreiben einer Sensorvorrichtung zu verwenden wobei die die Sensorvorrichtung mindestens zwei gleichartige Sensoren, vorzugsweise für eine Differenzmessung, aufweist. Als Sensoren sind insbesondere Kraft- und/oder Drucksensoren vorgesehen. Dadurch ist es möglich mittels der Sensorvorrichtung den Zustand von Tragrollen zu erfassen.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die Sensorvorrichtung auch eine Spulenanordnung umfasst, um auch Tragrollen erfassen zu können. Mit denen der Gurt nicht in Kontakt tritt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Ladungskontroller vorgesehen. Dadurch kann zum einen eine Aufladung des Akkumulators gesteuert werden. Es kann vorgesehen sein, dass ein Sensorbetrieb nur vorgesehen ist, wenn eine Mindestbetriebsdauer sichergestellt ist. Eine Mindestbetriebsdauer kann als vorliegend angesehen sein, wenn auch die Datenübertragung und/oder Datenverarbeitung durch vorhandene elektrische Energie sichergestellt ist. Diese Daten können bei einem Probelauf durch erfassen einer Position einer Datenübertragung eingelesen werden. Auch ein sukzessives Einlernen der erforderlichen elektrischen Mindestenergie kann vorgesehen sein.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein Triggersignalgeber vorgesehen, wobei durch das Triggersignal ein Sensorbetrieb aktiviert wird. Dadurch kann die Messdauer reduziert werden, was sich vorteilhaft auf den Energiebedarf, insbesondere für einen vollen Umlauf des Gurtes, auswirkt.
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Verfahren zum Energiemanagement der mittels einer Energy Harvesting Einheit für in dem Fördergurt vorgesehene Komponenten wie Datenübertragung und Zustandserfassung mittels vorgesehenen Sensorvorrichtungen mit den folgenden Schritten:
- - Steuerung eines Betriebes einer Datenerfassung durch die Sensorvorrichtungen in dem Fördergurt in Abhängigkeit von einem Speicherzustand eines Akkumulators, wobei eine Datenerfassung erst gestartet wird, wenn der Ladungszustand des Akkumulators eine vorbestimmte Mindestladung aufweist, um die Datenerfassung und Übertragung der Daten eines vollständigen Umlaufes des Fördergurtes sicherzustellen
- - Erfassung von Schubspannungen beim Passieren von Tragrollen und versehen dieser Daten mit einem Zeitwert
- - Erfassen von vorbestimmten Positionen mit einem Zeitwert
- - Übertragen der Daten über eine ortsfest angeordnete Empfangseinheit und Zuleitung zu einer zentralen Steuereinheit
- - Ermittlung von Tragrollenzuständen unter Verwendung von Zeit- und Positionsdaten
- - wobei vorzugsweise eine Messdatenerfassung durch die Sensorvorrichtung in Abhängigkeit von Triggersignalen erfolgt.
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Kann in dem Verfahren auf eine Batterie zurückgegriffen werden, wo kann vorgesehen sein, zunächst bei dem Verfahren ein Aufladen des Akkumulators ohne Sensorbetrieb vorzusehen. Für die Steuerung von Batterie und Akkumulator kann ein Energie Management Controller vorgesehen sein.
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Die Sensorvorrichtung sieht vor, aus den Messdaten folgende Zustände zu ermitteln:
- 1. Schwergängige Lager z.B. durch Bruch des Rollenkäfigs
- 2. Schwergängige Lager durch Verlust des Schmiermittels
- 3. Schwergängige Lager durch Eindringen von Fremdkörpern
- 4. Inhomogene Geschwindigkeitsverteilung am Umfang der Tragrolle durch Mantelverschleiß
- 5. Inhomogene Geschwindigkeitsverteilung am Umfang der Tragrolle durch Aufbackungen
- 6. Bisher erkannte Tragrolle ist aktuell nicht mehr ganz oder nur mit zu niedriger Last im Eingriff.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt einen Converter für die Bereitstellung von in dem Akkumulator speicherbarer Energie vorzusehen. Es hat sich insbesondere als Converter ein Buck Boost Charge Controller einzusetzen. Dadurch kann die gewonnene Energie besonders effizient in elektrische Energie für eine Speicherung in dem Akkumulator umgewandelt werden.
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Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
- 1: Gurtförderer
- 2: schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführung mit einer Schlauchpumpe (Peristaltikpumpe) zur Gewinnung von elektrischer Energie
- 3: Sensoreinheit
- 4: Fördergurt mit Empfangseinheit
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Anhand von 1 wird der Aufbau eines Gurtförderers 1 exemplarisch beschrieben. Der Gurtförderer 1 weist einen umlaufenden Fördergurt 9 auf. Der Fördergurt 9 wird durch mindestens eine Antriebstrommel 3 angetrieben. Durch Umlenkstation 5 und die Antriebstrommel 3, die auch eine Umlenkstation 5 ist, wird der Fördergurt umgelenkt. Auf der Förderstrecke wird der Fördergurt 9 durch Tragrollen 7 gelagert.
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Üblicherweise sind mehrere nebeneinander angerordnete über die Gurtbreite 10 verteilte Tragrollen 7 vorgesehen. Es ist eine Empfangseinheit 59 zum Empfangen von Daten der in dem Fördergurt angeordneten Sensorvorrichtung 25 vorgesehen. Die Förderrichtung ist mit 11 gekennzeichnet und die Vertikalrichtung 15 ist in dieser Figur eingetragen.
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Unabhängig von der spezifischen Funktion unter den Lastbedingungen am Einbauort müssen alle Komponenten der Sensorvorrichtung 25 die speziellen Bedingungen entlang des Gurtverlaufes ertragen. Diese sind z.B. Biegeradius des Fördergurtes 9 um die Antriebstrommel und Umlenkstation, Zentriereinrichtungen im Randbereich des Gurtes wie zum Beispiel Dachrollenstuhl, Mangelrollen, Steuerrollen an den Gurtkanten 13 sowie Abstreifer. Das Anlaufen der Gurtkante an den Stahlbau einer Anlage wird nicht als bestimmungsgemäßer Betrieb angesehen.
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Das Gesamtsystem umfasst gemäß 1 und 2 die folgende Komponenten:
- - eine oder mehrere Sensorvorrichtungen 25 verteilt über die Gurtbreite
- - eine oder mehrere Piezoleitungen in Querrichtung von Gurtkante 13 zu Gurtkante 12 als Triggersignalgeber 145
- - eine oder mehrere magnetisch vorgespannte Spulenanordnung 61 verteilt über die Gurtbreite 10,
- - lineare Schlauchpumpe 21 als Bestandteil der Energy Harvesting Einheit 20, auch als lineare Peristaltik-Pumpe bezeichnet, eingebaut in Längsrichtung in die Laufseite des Gurtes 9 zur Förderung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums. Es kann eine eine Engery Harvesting Einheit für die Bereitstellung der elektrischen Energie für mehrere Sensorvorrichtungen vorgesehen sein.
- - Leitungsverbindungen 31 zur Verbindung der Pneumatik-/Fluidik-Komponenten
- - Leitungsverbindungen 54 zwischen den elektrischen/elektronischen Komponenten
- - Ventile 29 zur Steuerung des gepumpten Mediums
- - Pufferspeicher 23 zur Aufnahme einer von der Pumpe verdrängten Flüssigkeits- oder Gasmenge
- - Energiewandler bestehend aus Mikroturbine 33 und Generator 35, Es kann ein Drehstrom- oder Gleichstromgenerator vorgesehen sein.
- - Spannungsbegrenzungseinheit
- - Converter 37, insbesondere Buck-Boost-Charge Convertereinheit
- - Laderegler für Akkumulator 41 und/oder Hochleistungskondensator/PowerCap
- - Batterie 39 als Backup für das Leistungsmanagement
- - Energy-Harvesting-Controllereinheit 43
- - Steuereinheit 45 zur Datenerfassung, Speicherung, Online-Auswertung, Übertragung von Daten sowie Synchronisation und Kommunikation mit externen stationären Komponenten mit einer Antenne 51
- - GPS-Empfänger in der Sensorvorrichtung zur Unterstützung der Lokalisierung einer defekten Tragrolle
- - stationäres System mit einer zentrale Steuereinheit 57 zur Auswertung und Darstellung des Tragrollenzustandes und zur Erfassung des Geschwindigkeitsprofils der Förderanlage
- - stationäre Empfangseinheit 59 mit Radialschlitzkabel 49 als Antenne und mit GPS-Empfänger im stationären Teil der Anlage als Referenzmarke zur Bestimmung der Position einer als defekt erkannten Tragrolle
- - Marker-System mit Markern 90 zur Kennzeichnung von Förderwegabschnitten
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Einige dieser Merkmale unterstützen eine bessere bzw. genauere Erkennung von defekten Tragrollen, sind aber nicht zwingend erforderlich.
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Anhand von 2 wird eine mögliche Ausführung einer Sensorvorrichtung 25 mit einer Energy Harvesting Einheit 20 gezeigt und näher beschrieben. Die Sensorvorrichtung 25 umfasst eine Energy Harbesting Einheit 20 für die Bereitstellung von elektrischer Energie. Die Energy Harversting Einheit 20 weist eine Schlauchpumpe 21 auf. Das in der Schlauchpumpe 21 befindliche Medium, vorzugsweise ein Gas, wird beim Überfahren einer Tragrolle 7 aus der Schlauchpumpe 21 verdrängt. Es passiert ein Rückschlagventil 29 und treibt eine Turbine 33 an. Durch die Bewegung der Turbine wird ein Generator 35 zur Erzeugung von elektrischer Energie angetrieben. Die elektrische Energie kann für den Betrieb einer Mehrzahl an Sensoriken 47, wie in 3 dargestellt, vorgesehen sein.
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In einer Gurtförderanlage werden bei bestimmungsgemäßem Betrieb sehr hohe Vertikallasten durch die Beladung erzeugt. Insbesondere entstehen bei der Materialaufgabe sehr hohe Spitzenlasten. Die im Gurt-/Rollenkontakt wirkenden horizontalen Kräfte (Schubkräfte) sind dagegen unter normalen Betriebsbedingungen relativ niedrig. Mit zunehmendem Laufwiderstand der Tragrollen steigen die Schubkräfte an. In einer Situation, bei der eine etwas zu tief hängende Tragrolle gerade in den Eingriff kommt, können auch sehr hohe Schubkräfte entstehen, da die Tragrolle auf eine Umfangsgeschwindigkeit entsprechend der Gurtgeschwindigkeit beschleunigt werden muss.
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Es ist also insbesondere für den Normalbetrieb erforderlich, bei dem eingesetzten Sensorprinzip die geringe Horizontalkraft von der hohen Vertikalkraft zu isolieren. Gleichzeitig muss das Sensorsystem auch die hohen Schubkräfte beim Beschleunigen einer Tragrolle sowie die hohen Spitzenkräfte bei der Materialaufgabe zerstörungsfrei ertragen.
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Neben den mechanischen Anforderungen müssen auch weitere Anforderungen erfüllt werden:
- - Messtechnisch hinreichend genau aufgelöster zeitlich sehr kurzer Tragrollenkontakt.
- - Kompatibilität zu den am Gurt angewendeten Fertigungsmethoden.
- - Funktionsfähigkeit unter den spezifischen Umwelteinflüssen (Vibrationen, Schmutz, Feuchtigkeit, Temperatur).
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Eine elastische Kontaktmembran 65 befindet sich flächenbündig auf der Laufseite des Fördergurtes 9 und überträgt die vertikalen und horizontalen Kontaktkräfte mit der Tragrolle mittels einer Verdickung 64, auch als Stempel bezeichnet. Dabei stützt sich die Verdickung 64 im Sensorgehäuse 63 zu den beiden Kraftsensoren 167, 267 im Sensorgehäuse ab. Der Kontraktionsstop 69 dient dazu die Querdehnung infolge der Vertikalkraft zu reduzieren. Das Summensignal bildet den Einfluss der Vertikalkraft, das Differenzsignal den Einfluss der Horizontalkraft ab. Diese Signale werden durch eine im Sensor verbaute Elektronik auf einer Starr-Flex-Platine vorverarbeitet und mit einer Stromschleife zur Gurtkante für eine Datenübertragung zu einer ortsfesten Empfangseinheit geleitet.
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Die zuvor aufgeführten Piezoleitungen 145 werden verwendet, um Triggersignale zur Steuerung der Messdatenerfassung zu erhalten. Die Piezoleitungen 145 erfassen mehrere Arten von mechanischer Beanspruchung wie z.B. Pressung, Biegung und Längsdehnung. Damit wird insbesondere bei dem Überlaufen einer Tragrolle 7 ein Ladungssignal erzeugt, das relativ genau den Zeitpunkt des Überrollvorgangs repräsentiert. Die Messdatenerfassung kann dadurch wird auf das Überlaufen einer Tragrolle beschränkt werden.
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Dieses Triggersignal wird entsprechend aufbereitet und dient danach zur
- a) Steuerung des Messablaufes
- b) Erkennung der Tragrollenabstände und
- c) Erkennung des Muldungsübergangs.
Es werden dabei nur Tragrollen erkannt, die auch im Eingriff sind.
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Die zuvor aufgeführten Spulenanordnung 61 dienen ebenfalls dazu, den Überrollzeitpunkt zu erfassen. Gleichzeitig können diese auch Tragrollen erkennen, die tiefer als der Gurt hängen, also gerade nicht im Eingriff sind - sofern es sich hierbei um Rollen mit Stahlmantel handelt.
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Beschreibung der Energy-Harvesting-Einheit, 2:
- Der Betrieb eines oben beschriebenen Überwachungssystems, das in einem Fördergurt verbaut ist, erfordert für einen Betrieb über die Lebensdauer des Fördergurtes eine autarke Energieversorgung. Dadurch kann die Wartung minimiert werden bzw. auf eine Wartung der im Gurt verbauten Komponenten verzichtet werden.
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Bei einer kurzen geforderten Einsatzdauer kann ein System auch mit Primärbatterien betrieben werden und kann so bis zum Verbrauch der mitgeführten Energie Messdaten erfassen und speichern.
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Für einen dauerhaften Betrieb ist die Verwendung von Primärbatterien aufgrund der damit begrenzten Funktionsdauer nicht möglich.
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Die hier benötigte Energie muss auf unbegrenzte Dauer zur Verfügung stehen, wobei ein Arbeitszyklus (Messen, Speichern, Auswerten und Übertragen) durch einen Ladezyklus (Energie gewinnen und speichern) unterbrochen sein kann. Der Dutycycle A/L (Arbeitszyklus/Ladezyklus) soll möglichst groß sein. Als akzeptable werden Größenordnungen von 1 > A/L > 0.1 angesehen. Der Dutycycle A/L = 1 ist gleichbedeutend mit Dauerbetrieb ohne Unterbrechung.
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Wie später noch gezeigt wird, ist für einen bestimmten Dutycycle auch eine bestimmte Leistungsfähigkeit der Datenübertragungsstrecke zwischen Fördergurt 9 und einer stationären Empfangseinheit 59 erforderlich.
Ein Betrieb mit z.B. einem Dutycycle von 1.0 erfasst zwar kontinuierlich den Tragrollenzustand, benötigt dazu aber entweder eine sehr performante Datenstrecke oder aber eine leistungsfähige online Datenauswertung, Datenhaltung und Datenkompression, damit die Nutzinformation auch synchron verfügbar ist.
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Bei der gezeigten Sensorvorrichtung 25 wird das Pumpenprinzip einer Schlauchpumpe, auch Peristaltikpumpe genannt, verwendet.
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Durch die Formgebung und Integration des Pumpenschlauches 21 in den Fördergurt, sowie durch die Verwendung der Tragrollen als Verdrängerelement wird ein flüssiges oder gasförmiges Medium beim Überrollen einer Tragrolle 7 oder Umlenkrolle 5 gefördert. Die dafür notwendige Antriebsleistung wird aus dem bewegten Fördergurt 9 bzw. dessen Motoren entnommen. Das Medium wird über ein Rückschlagventil 29 zu einem Pufferspeicher 23 als Puffervolumen geführt. Dieses ist erforderlich, um beim Umlauf um die Antriebstrommeln 3 oder Umlenkstationen 5 das dabei auf voller Pumpenlänge verdrängte Medium vollständig aufzunehmen und damit den Druck zu begrenzen.
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Wie in 2 dargestellt, wird mit der so gewonnenen Energie eine Mikroturbine 33 gespeist. Das Laufrad sitzt auf der Welle eines Gleichstromgenerators 35 und erzeugt aus der Drehbewegung eine Gleichspannung. Diese speist einen Buck-Boost-Charge Controller als Converter 37.
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Der Back-Boost Controller beinhaltet verschiedene Funktionen:
- - Wandlung der Generatorspannung auf ein für den Akkumulator 41 geeignetes Potential und Überwachung des Lade- und Entladevorganges
- - Impedanzanpassung des Back-Boost Chargers an die Energiequelle zur optimalen Energieausnutzung
- - Versorgung des Energie Management -Controllers 43 mit Energie
- - Umschaltung zwischen Akkumulator 41 und Backup-Batterie 39
- - Aktivierung des Steuereinheit 45
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Zum ersten Punkt - Überwachung des Ladevorganges-:
- Um einen Akku zu laden, muss die variable Eingangsspannung auf ein entsprechend dem aktuellen Ladezustand geeignetes Potential gebracht werden. Bei dem Laden und Entladen eines Akkus muss zusätzlich der für den jeweiligen Akku-Typ zulässige Betriebsbereich überwacht werden.
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Zum zweiten Punkt - Impedanzanpassung-:
- Bei Betrieb der Einheit aus Turbine 33 und Generator 35 darf eine maximale Drehzahl nicht überschritten werden. Dieser Zustand tritt z.B. dann auf, wenn bei vollem Akkumulator 41 die gelieferte Energie nicht abgenommen werden kann. Die Begrenzung erfolgt durch eine gezielte Impedanzsteuerung des Converters 37.
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Zum dritten Punkt - Energieversorgung des Energie-Management Controllers 43 -: Die Versorgung des Energie-Management Controllers 43 wird als erstes sichergestellt, bevor der Ladevorgang gestartet wird. Auf diesem Weg kann der Energie-Management Controller den aktuellen Ladezustand überprüfen und die damit möglichen Aktionen auslösen.
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Zum vierten Punkt -Umschaltvorgang-:
- Die Backup-Batterie 39 ist erforderlich, um bei Stillstand der Anlage einen sicheren Ruhezustand des Systems zu erreichen.
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Zum fünften Punkt -Aktivierung der Steuereinheit-:
- Die Steuereinheit 45, auch als Main-Controller bezeichnet, wird aktiviert, wenn der Ladezustand die Messung eines vollständigen Gurtumlaufes erlaubt und genügend Energie verfügbar ist, um die so erfassten Daten auszuwerten und Statusmeldungen an ein stationäres System, hier Empfangseinheit 59 und zentrale Steuereinheit 57, zu übertragen.
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Das in den vorlaufenden Punkten beschriebene System ist so in der Lage, das Messsystem autark mit der nötigen Energie zu versorgen und die benötigten Messdaten als Rohwerte zu erfassen. Zur Erfüllung der eigentlichen Aufgabe des Systems müssen nun die Daten erfasst und ausgewertet werden.
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Bei der Erfassung der Sensordaten wird der Signalverlauf bei dem Überlaufen der Tragrollen 7 gemessen. Dieser Vorgang erfolgt zeitlich in einer Größenordnung von 20 bis 40 Millisekunden, abhängig von der Geschwindigkeit des Fördergurtes 9. Daraus ergibt sich die Anforderung nach einer entsprechend hohen Abtastung der Sensorsignale, um auch die erwartete Dynamik des Überrollvorganges unter Berücksichtigung des Abtasttheorems zu erfassen. Dieser Umstand würde bei einer kontinuierlichen Erfassung und Speicherung der Daten zu einer sehr hohen Datenmenge führen, die von dem im Gurt mitlaufenden System ausgewertet werden muss.
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Zur Optimierung der Datenerfassung wird daher die Speicherung der Daten in Verbindung mit den Signalen der Piezo- und Spulendaten gesteuert. Dazu werden die Piezo- und Spulendaten kontinuierlich abgetastet und ausgewertet. Bei jedem Umlauf wird die Position der erkannten Tragrolle 7 als Zeitstempel gespeichert. Da die aktuelle Geschwindigkeit nicht verfügbar ist, wird die jeweilige Tragrollenposition als relative Zeit geführt.
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Wenn sich das System im Unterdrum befindet, was durch die Auswertung der Sensordaten erkannt wird, werden die neu erhaltenen „Tragrollenpositionen“ mit den bereits vorhandenen korreliert und skaliert. Damit ergibt sich eine Phasenlage als Zeitoffset zwischen den aktuellen und bereits gespeicherten Daten. Gleichzeitig können so Lücken in der Tragrollenfolge erkannt werden.
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Damit bei einer Schadensbehebung der Einbauort der Tragrolle 7 leichter identifiziert werden kann, wird beim Passieren von stationären Markern 90 die Marker-ID erfasst und den Daten zugeordnet.
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Das Ziel bei der Auswertung der Daten ist es im online-Betrieb die Menge an Ergebnisdaten möglichst weit zu reduzieren. Damit lässt sich bei der Datenstrecke zwischen Gurt und stationärer Empfangseinheit 59 des Überwachungssystems die Bandbreite reduzieren bzw. der stationäre Teil des Überwachungssystems auf möglichst einen Ort begrenzen.
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Eine Reduzierung der online-Daten wird dadurch erreicht, indem für das gesamte Obertrum des Förderwegs jeweils für einen Umlauf zunächst aus der Schubsignatur dafür eine Kenngröße k_schub abgeleitet wird. Die Schubkomponente besteht dabei aus dem Anteil für die Lagerreibung k_schub_L und dem Anteil für das für einen Leistungseintrag erforderliche Bremsmoment k_schub_M. Gleichzeitig wird als weitere Kenngröße k_last infolge der aktuellen Beladung im Bereich des Sensors ermittelt. Es wird zugrunde gelegt, dass ein Zusammenhang besteht zwischen k_schubL, k_schubM und k_last, und sich dieser Zusammenhang in Abhängigkeit eines Schadens an der Tragrolle verändert.
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Damit verschiedene Umläufe miteinander vergleichbar sind, werden die Kenngrößen auf die jeweilige Last bezogen. Durch statistische Betrachtung von zum Beispiel der Häufigkeitsverteilung über die gesamte Menge an Tragrollen des Obertrums lassen sich diejenigen Tragrollen erkennen, die eine signifikante Abweichung gegenüber der Mehrzahl der Tragrollen haben. Aus der zeitlichen Veränderung der einzelnen Häufigkeitsverteilungen lassen sich Schäden in der Entstehung erkennen und den entsprechenden Tragrollen zuordnen.
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Ergänzend wird für alle Tragrollen 7 des Obertrums das Lastkollektiv infolge der Beladung erfasst. Dazu ist zum einen die sich aus der Messung ergebende Lastverteilung über den Tragrollen des Obertrums als auch die von einer Bandwaage ermittelte Lastverteilung erforderlich. Zum Beispiel hat eine zu tief hängende Tragrolle 7 grundsätzlich die Eigenschaft, weniger Last aus dem gesamten Lastkollektiv zum Nachteil der Nachbartragrollen zu übernehmen.
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Übertragung der Messergebnisse
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Das Datenaufkommen hängt direkt von der erforderlichen bzw. möglichen Abtastrate ab, mit der die Sensorsignale erfasst werden. Die so pro Kilometer Förderweg erzeugte Datenmenge ergibt sich beispielsweise wie folgt:
| Kontaktdauer Sensor - Tragrolle: | 20 ms |
| Anzahl Rollen je Rollenstation: | 3 Stück |
| Anzahl Rollenstationen pro km: | 500 Stationen |
| Summen-Samplerate: | 50 kHz |
| Anzahl Sensorsignale: | 6 Signale |
| Wortbreite: | 16 Bit (2 Byte) |
| Gurtgeschwindigkeit: | 7.5 m/s |
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Mit diesen Vorgaben ergibt sich ein Rohdatenaufkommen von 400 kByte/km Förderweg. Verwendet man WLAN als Übertragungsmedium und zum Beispiel TCP oder UDP als (ungesichertes) Protokoll, so kann man von einer Transferrate von ca. 1 Mbyte/s ausgehen. Bezogen auf die Daten aus der Vorgabe entspricht dies unter Einbeziehung eines Sicherheitsfaktors für diese Anlagenkonfiguration mindestens einer Strecke von 7.5 m Gurtweg pro Kilometer Förderweg.
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Um in dem Umfeld eines Fördergurtes eine möglichst lange Verbindungsdauer zwischen der Gurtelektronik und dem stationären System herzustellen, ist ein Schlitzkabel 49 als Antenne, ein sog. Radiating Cable, vorgesehen. Dieses Antennenkabel hat auf der gesamten Länge radiale Schlitze in einem Kupfermantel. Auf diese Weise wird eine Funkverbindung entlang des Kabels ermöglicht. Das Antennenkabel 49 wird entlang des Förderweges in geringem, aber sicherem Abstand zur Gurtkante 13 angeordnet und ermöglicht dadurch sowohl eine hohe Signalstärke als auch eine Verbindungsdauer über eine große Wegstrecke.
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Die im Fördergurt angeordneten Komponenten der Sensorvorrichtung 25 sind mit elektrischen Leitungen 54 und mit Leitungen für das Treibmedium, auch als Verbindungskanal 31 bezeichnet, verbunden. Diese müssen sich innerhalb des Gurtes 9 befinden und können eine räumliche Anordnung und einen gekrümmten Verlauf haben.
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Im Fall der elektrischen Leitungen 54 werden die elektrischen Leitungen fliegend, also ohne feste Verbindung zu dem Gurtmaterial, verlegt. Dadurch wird die mechanische Beanspruchung durch die Verformung des Gurtes 9 bei Überlaufen der Antriebs-, Steuer- und Tragelemente reduziert. Damit die Eigenbewegung der Leitungen durch Vibrationen und Verformungen reduziert wird, enthält der Leitungskanal ein elastisches und grobporiges Füllmaterial.
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Im Fall der Verbindungskanäle für das Treibmedium der Mikroturbine 33 sollen diese einen möglichst großen Querschnitt erhalten. Das wird dadurch erreicht, dass dieser Querschnitt direkt durch das Gurtmaterial gebildet wird und somit kein zusätzliches Wandungsmaterial benötigt wird.
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Einbringen der Leitungsquerschnitte:
- Bis auf einen sehr geringen Anteil werden die Leitungsquerschnitte und -verläufe bei dem Aufbau des Gurtbereiches für die mechanischen und elektrischen/elektronischen Komponenten eingebracht. Der dafür benötigte Bauraum ist initial verfügbar oder wird zunächst freigelegt. Um einen Leitungsquerschnitt herzustellen, wird z.B. ein dickwandiger Silikonschlauch mit einem eingesetzten Zugelement aus einem hoch festen flexiblen Werkstoff (z.B. Aramid-Litze) in der gewünschten Leitungsanordnung in dem Bauraum fixiert. Zur späteren Trennung von der polymerisierten Aufbaumasse wird der Silikonschlauch auf der Oberfläche mit einem geeigneten Trennmittel versehen. Damit das Vervollständigen der Gurtkontur mittels Gießharzen oder Kautschuk nicht zu einem Einfallen/Eindrücken des Silikonformteiles führt, kann dieses durch Innendruck stabilisiert werden. Das Entfernen des Schlauchnegativs erfolgt durch Herausziehen des Silikonschlauches. Bei diesem Vorgang verringert sich der Schlauchdurchmesser durch Querkontraktion. Dadurch entstehen in der Grenzfläche zu dem Vergussmaterial hohe Zug- und Schubspannungen, die zu einer Ablösung des Silikonschlauches von dem neu erstellten Gurtvolumen führen. Das Zugseil verbleibt dabei in dem neu entstandenen Gurtvolumen und wird zum Einziehen der elektrischen Leitungen 54 verwendet. Nach vollständiger Applikation der Leitungen wird im letzten Arbeitsschritt das Restvolumen durch ein Füllmaterial 54 aufgefüllt. Dabei soll sich die Leitung in dem Ausgleichsvolumen leicht bewegen können und so die Belastung durch die äußere Krafteinwirkung begrenzen.
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Lokalisierung einer defekten Tragrolle:
- Ein ganz wesentlicher Aspekt bei der Entwicklung des oben beschriebenen Diagnose-Systems ist die Methode zur Behebung der erkannten Mängel der Gurtförderanlage 1. Dafür ist in den Fördergurt 9 mindestens eine Sensorvorrichtung 25, vorzugweise mehrere Sensorvorrichtungen 25, verfügbar. Durch diese Sensorvorrichtungen wird das Auffinden einer konkreten Tragrolle 7 an einer langen Förderanlage mit mehreren Tausend Tragrollen ermöglicht.
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Dabei hat sich bewährt, dass der Ort bzw. die Ortskoordinate einer defekten Tragrolle 7 auf Basis eines von dem Erfassungssystem generierten Rollenplans in Verbindung mit den von einem stationären GPS-System erhaltenen Referenzdaten ermittelt wird. Der Rollenplan und die GPS-Referenz werden dazu unter Berücksichtigung der aktuellen Gurtgeschwindigkeit synchronisiert. Der für einen bestimmten Zeitraum ermittelte Tragrollenverlauf (Tragrollenplan) mit Kennzeichnung der als auffällig erkannten Tragrollen wird auf einen Tablet-PC mit integriertem GPS-Modul übertragen. In den Tragrollenverlauf wird zusätzlich die Tragrollenposition in Förderweg-Richtung, bezogen auf die Referenzposition des stationären GPS-Empfängers, eingetragen. Eine Genauigkeitsverbesserung kann durch den Einsatz von Differential-GPS erfolgen.
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Auf dem Tablet-PC wird bei der Befahrung des Förderwegs entsprechend der aktuellen GPS-Position der für diese Position gültige Ausschnitt aus dem TragrollenPlan dargestellt (lfd. Tragrollennummer, reale Abstände zu den Nachbartragrollen, ...). Da nicht sichergestellt werden kann, dass jeder Tragrollenstuhl gekennzeichnet ist, hat der Betreiber damit die Möglichkeit, vor Ort die Tragrollen in dem dargestellten Fördererabschnitt zu inspizieren bzw. den Mangel zu beheben.
Das Marker-System mit den ortsfest angeordneten Markern 90 wird dazu verwendet, weitere Referenzpunkte in den Tragrollenplan einzufügen, die dann eine genauere Lokalisierung ermöglichen. Diese erfolgt dadurch, dass bei der Befahrung des Förderweges am Ort eines realen Markers dessen Identifikationsnummer am Tablet-PC eingegeben wird. Damit werden der Marker im Rollenplan, sowie die dazugehörige GPS-Wegkoordinate, mit dem realen Marker des Förderweges synchronisiert. Es wird damit sichergestellt, dass kumulierte Abweichungen jeweils an einem angebauten Marker kompensiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gurtförderer
- 3
- Antriebstrommel
- 5
- Umlenkstation
- 7
- Tragrollen
- 9
- Fördergurt
- 10
- Gurtbreite
- 11
- Förderrichtung / Bewegungsrichtung
- 13
- Gurtkanten
- 15
- Vertikalrichtung
- 17 19 20
- Energy Harvesting Einheit
- 21
- Schlauchpumpe /Peristaltikpumpe
- 23
- Pufferspeicher
- 25
- Sensorvorrichtung
- 27 29
- Rückschlagventil
- 31
- Verbindungskanal
- 33
- Turbine / Mikroturbine
- 35
- Generator
- 37
- Converter
- 39
- Batterie (Back-up Batterie)
- 41
- Akkumulator
- 43
- Energie-Management Controller
- 45
- Steuereinheit (im Fördergurt)
- 47
- Sensorik
- 49
- Antennenkabel / Schlitzkabel
- 51
- Antenne
- 53
- Leitungskanal (el.)
- 54
- Elektrische Leitung
- 55
- Füllmaterial (elastisch, körnig)
- 57
- Zentrale Steuereinheit
- 59
- Empfangseinheit
- 61
- Spulenanordnung
- 63
- Sensorgehäuse
- 64
- Verdickung , Stempel
- 65
- Kontaktmembran
- 67 69
- Kontraktionsstop
- 71 73 75 90
- Marker
- 145
- Triggersignalgeber, Piezo
- 167
- Erster Sensor
- 267
- Zweiter Sensor
- 367
- Dritter Sensor
- 467
- Vierter Sensor
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CN 10960709 A [0003]
- CN 109573519 [0003]
- CN 109625843 [0004]
- EP 1877330 B1 [0007]
- EP 716991 [0008]
