EP4264951A1 - System zur dezentralen erfassung und drahtlosen übermittlung von erfassten daten im untertageeinsatz - Google Patents

System zur dezentralen erfassung und drahtlosen übermittlung von erfassten daten im untertageeinsatz

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Publication number
EP4264951A1
EP4264951A1 EP21836510.4A EP21836510A EP4264951A1 EP 4264951 A1 EP4264951 A1 EP 4264951A1 EP 21836510 A EP21836510 A EP 21836510A EP 4264951 A1 EP4264951 A1 EP 4264951A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
data
temporarily
mobile module
module
fully
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21836510.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Günther KRUG
Tobias KRICHLER
Helmut Mischo
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Original Assignee
Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Bergakademie Freiberg filed Critical Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Publication of EP4264951A1 publication Critical patent/EP4264951A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W4/00—Services specially adapted for wireless communication networks; Facilities therefor
    • H04W4/30—Services specially adapted for particular environments, situations or purposes
    • H04W4/38—Services specially adapted for particular environments, situations or purposes for collecting sensor information
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L67/00—Network arrangements or protocols for supporting network services or applications
    • H04L67/01—Protocols
    • H04L67/12—Protocols specially adapted for proprietary or special-purpose networking environments, e.g. medical networks, sensor networks, networks in vehicles or remote metering networks
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04Q—SELECTING
    • H04Q9/00—Arrangements in telecontrol or telemetry systems for selectively calling a substation from a main station, in which substation desired apparatus is selected for applying a control signal thereto or for obtaining measured values therefrom
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21F—SAFETY DEVICES, TRANSPORT, FILLING-UP, RESCUE, VENTILATION, OR DRAINING IN OR OF MINES OR TUNNELS
    • E21F17/00—Methods or devices for use in mines or tunnels, not covered elsewhere
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04Q—SELECTING
    • H04Q2209/00—Arrangements in telecontrol or telemetry systems
    • H04Q2209/20—Arrangements in telecontrol or telemetry systems using a distributed architecture
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04Q—SELECTING
    • H04Q2209/00—Arrangements in telecontrol or telemetry systems
    • H04Q2209/40—Arrangements in telecontrol or telemetry systems using a wireless architecture
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04Q—SELECTING
    • H04Q2209/00—Arrangements in telecontrol or telemetry systems
    • H04Q2209/50—Arrangements in telecontrol or telemetry systems using a mobile data collecting device, e.g. walk by or drive by

Definitions

  • the invention relates to a system for decentralized acquisition and wireless transmission of acquired data in underground use.
  • the present invention describes a decentralized communication and data transmission system that was primarily developed for use in underground mines, but can also be used in all other systems, tunnels and mines both above and below ground.
  • the measuring stations/data loggers can be distributed as required and record and store their data. As soon as a receiver (e.g. a vehicle with an installed Data Collector) is within range of the measuring station, the data is automatically transmitted and can be transferred from the receiver to the higher-level
  • a recipient can Visit any number of measuring stations and record their data, as these can always be precisely assigned via an internal identifier and a time stamp.
  • each measuring station can connect to each legitimate recipient in order to realize the data flow as continuously as possible.
  • the time delay can thus be reduced from hours or days to a few minutes and depends primarily on the distance to be traveled by the recipient.
  • the main disadvantage of these variants is the high installation and maintenance costs, which arise due to two essential characteristics of a mine. These are mobility and three-dimensionality. In a mine, raw materials are extracted, which is why the mine grows and changes every day. At the same time, other areas are kept safe, i.e. locked. Theoretically, the network has to be modified/extended almost every day for data transmission. In addition, there are also long distances that are of secondary relevance, since hardly any new information is recorded in them. In order to ensure data transmission, these areas still have to be equipped with network technology.
  • the second feature relating to the three-dimensionality, is primarily noticeable through the following set of problems.
  • a deposit often extends over many 100 m in depth and can therefore not be mined with just one point of attack.
  • Several soles must be in different Depths created and operated simultaneously due to mining and promotion. Since data transmission has to be guaranteed for each sole, great demands are quickly placed on the necessary infrastructure.
  • Loaders with data loggers are already in use, which store the data for the entire work shift and only transmit it at the end of the work shift or during the next maintenance.
  • the disadvantage here is that all data is up to 8 hours out of date and rapid intervention is not possible.
  • TTE Through-The-Earth
  • the temporarily mobile modules are arranged at different positions of a respective underground structure.
  • the temporarily mobile modules are designed in such a way that they collect measurement data, store them temporarily and transmit the measured data wirelessly and automatically to several fully mobile modules as soon as a fully mobile module has reached a distance from a temporarily mobile module in which wireless data transmission between one respective temporary and a fully mobile module is possible.
  • Completely mobile modules are further designed to temporarily store data that has been received from at least one temporarily mobile module and, when it reaches a data access point that is connected to a central acquisition, evaluation and/or storage unit, to send this temporarily stored data to the respective data access point transmit and the temporarily mobile modules are further developed to transmit temporarily stored measurement data wirelessly only after receipt of a wirelessly received request signal that has been transmitted from a fully mobile module to the respective temporarily mobile module.
  • temporarily and completely mobile modules should have options for wireless transmission and reception of signals, ie transmission and reception elements.
  • Temporarily mobile modules can in particular be a measurement station with at least one sensor for recording measurement data.
  • a temporarily mobile module can also be referred to as a measuring station.
  • a fully mobile module can be installed on or integrated with a vehicle.
  • a vehicle can be any vehicle that can be used underground. This also applies to transport vehicles, which can be equipped with a fully mobile module.
  • a temporary mobile module can be placed at a suitable or required location as needed, with a change of location also being possible should. This can be done in adaptation to changing conditions underground due to operational or work conditions.
  • a transmission of data from a temporarily mobile module to a fully mobile module and/or from a fully mobile module to a data access point should preferably take place serially using a communication protocol. Not only recorded measurement data can be transmitted with a communication protocol. Rather, a time signal assigned to the respective measurement data and/or at least one identification code for the respective mobile module should also be transmitted.
  • Data recorded by a temporarily mobile module should preferably be transmitted byte-by-byte as unprocessed raw data, as a result of which the volume of data to be transmitted can be reduced.
  • the data transmission should be secured, in particular encrypted, and then assigned and unsecured or decrypted by means of an identification code specific to a respective temporarily mobile module in the central acquisition, evaluation and/or storage unit.
  • Measurement data recorded with temporarily mobile modules can also be wirelessly transmitted to a temporary storage module via at least one repeater.
  • a respective cache module should be designed so that it can wirelessly store measurement data received from at least one temporarily mobile module and, after receiving a request signal from a fully mobile module, transmit the cached measurement data to this fully mobile module. In this way, underground areas can be bridged that are rarely or not at all reached by fully mobile modules.
  • a temporarily mobile module can be designed in such a way that the concentration of at least one chemical element or at least one chemical compound in the ambient atmosphere, the temperature, the relative air humidity, atmospheric pressure, the presence of living beings, machine data or raw material data. Other operationally relevant data for the operator can also be determined.
  • a temporarily mobile module can also be designed in such a way that it can determine the number and possibly the location of people who are in its observation area. This is possible, for example, with suitable video technology that can also be sensitive in the infrared range. This list of possible sensors can be expanded at will, since there are no restrictions on the type and type of sensor.
  • mobile modules which can also be referred to as data loggers/data memories, can be used in combination with radio modules.
  • the temporarily mobile modules that record the measurement data can be placed anywhere in the field or installed on machines.
  • Vehicles and machines e.g. people carriers, truck-mounted vehicles, dumpers, tippers
  • distant points of a mine e.g. excavation/heading
  • central parts of the mine e.g. processing/workshop
  • the measurement data can then be fed into an intranet in central areas of the mine (workshop, processing, etc.) and then visualized, evaluated and stored in a central recording, evaluation and/or storage unit.
  • installation and maintenance can be significantly reduced compared to fully networked mines.
  • the dumpers as or with a fully mobile module have to transport both the mined raw material and the surrounding rock from mining to processing, they can be used for regular traffic and thus wireless data transmission over a certain distance, even over several stacked dumpers Areas of a mine building, such as routes, can be guaranteed, which means that the time delay in data transmission can be significantly reduced compared to the currently used technologies that are not permanently wired or fully networked.
  • the invention relates to the wireless transmission of data within an underground area.
  • a serial master/slave communication should be used, eg based on IBM's Binary Synchronous Communication Protocol between temporary and completely mobile modules, but also between completely mobile modules and a data access point or a buffer module.
  • the communication is decentralized between the different modules or a buffer module and at least one data access point.
  • Measuring stations with data loggers (referred to below as “measuring stations"), which act as slaves in communication, can be installed at any desired location in the underground area and initially store their recorded or measured data temporarily.
  • a vehicle e.g. Troop vehicle
  • data collector as a completely mobile module
  • the system is therefore highly flexible, since the measuring stations can be set up at any position and their position can be changed at any time.
  • the prerequisite is an electrical power supply, which can be implemented as desired (e.g. mains connection or accumulator).
  • a data collector of a completely mobile module can only communicate with any number of measuring stations one after the other and temporarily store the existing measured values until it can forward them to a higher-level central recording, evaluation and/or storage unit (e.g. via AccessPoint - data access point to the intranet of a mine) . Any number of data collectors can be integrated for data transport. Due to the unique identification of master and slave, several masters can communicate with different slaves at the same time without influencing each other.
  • a Data Collector connects to a higher-level system (e.g. another measuring station via ProfiNet, WLAN, ...), all data from the measuring stations that have been removed can be sent from the Data Collector to the higher-level system Communication systems are transmitted.
  • Software that has been stored in a central recording, evaluation and/or storage unit can evaluate all information by first dividing the messages recorded by temporary mobile units and transmitted from there into control characters, structural data and measurement data. The measurement data can then be converted via the structure data (e.g. byte to float).
  • An identification code (slave number) assigned internally for a measuring station can always be used to locate and uniquely address the respective measuring station.
  • the coding of structure data can be modified for each mine, which means that a first level of data security can be achieved, since the data can only be evaluated with the help of the one-to-one coding. Since many machines in the mine have turnaround times of less than 15 minutes, the delay between data collection and data analysis can be minimized.
  • the data can be transmitted both secured (e.g. via a CRC) and unsecured. Captured measurement data can be transmitted as raw data to maximize the achievable bandwidth.
  • the data can be encrypted using an encryption code, for example a slave identifier. However, encryption can also be expanded using standard encryption methods.
  • the conversion of the recorded raw data into evaluable measurement data can take place both in the transmission of raw data and of encrypted data above ground using suitable evaluation software in a central recording, evaluation and/or storage unit.
  • repeaters can be set up in series and forward the data received directly to a location with increased traffic volume to a buffer module which is designed to receive the measurement data recorded by temporarily mobile modules and to send this data to a fully mobile module. have been transmitted, whereby a regular data transmission and equivalently a lower delay can be guaranteed.
  • All temporarily mobile modules are freely configurable and specific to your programmable for each application. This enables a uniform, specific setup for all measuring stations and data collectors, whereby only the data contained changes, since the framework of the data transmission is always the same due to the specification of the respective transmission protocol.
  • This structure allows the existing system to be expanded at any time (additional measuring stations or data collectors) without necessarily having to update existing modules. Since a data collector usually does not evaluate the data, but only temporarily stores it and forwards it to the higher-level system, the measurement data recorded are independent of the transmission protocol used. Therefore, new measuring stations can be integrated into the existing system as temporary mobile modules at any time. Only an update of the software for data evaluation is required for the evaluation, which can translate this raw data into user data.
  • the necessary infrastructure can be reduced in comparison to communication systems based on 802.11 by using radio transceivers in combination with microcontrollers, which can be used for data transmission between the various modules.
  • Acyclic, regular data transmission to a higher-level module can also be implemented by using several data collectors with simultaneous uninterrupted data transmission if individual measuring stations or data collectors fail.
  • a central recording, evaluation and/or storage unit can be installed, for example, in a main building of a mine in which the mine attendants or the workstations and computers of the foremen are located. This is usually above ground.
  • the core areas of a mine which are reached through a shaft or a tunnel mouth, are usually already equipped with data transmission based on IEEE 802.11, which is why this can be considered state-of-the-art.
  • IEEE 802.11 IEEE 802.11
  • an Ethernet connection from at least one data access point to a central recording, evaluation and/or storage unit can already be present in a central mine structure (e.g. bunker, crusher or underground processing).
  • the wireless and automatic data transmission from the completely mobile modules and from the data access point to the central recording, evaluation and/or storage unit can take place at the data access point. All other areas of the mine no longer have to use the typical communication media, but can be equipped with the new decentralized communication system and accessed via it.
  • the decentralized system can also be integrated into an existing network. It can also be added in combination with other tools for wireless transmission between machines.
  • a ramp or alternatively a helix, allows the various fully mobile modules to be moved within the mine to various depths. Both the mining direction and the mining method do not affect the use of the system.
  • Measuring stations which can be arranged underground as required and as required, can be read out by any data collector and can therefore be positioned freely.
  • the position of measuring stations, especially with the temporarily mobile modules can be selected independently of the infrastructure of the underground facility, which means that the decentralized system for communication can be used extremely flexibly due to operation with mobile machines as fully mobile modules.
  • the distance to the higher-level communication system and the frequency of use of the measuring station determine the time delay.
  • every vehicle can be equipped with data collectors as fully mobile modules.
  • the dumper as an example of a fully mobile module can transport all mining-related materials (e.g. ore, tailings, backfill%) to all areas of the mine and at the same time ensure a continuous data stream from measuring stations to a data access point. In this way, a continuous data stream with only a slight delay can be implemented from the point in time at which measurement data is recorded.
  • a driver usually does his daily rounds and can record the data from temporarily mobile modules at less frequented locations and transfer it to the higher-level communication system via a data access point to the central recording, evaluation and/or storage unit.
  • the drive must be approached by another dumper and transport its debris to the surface.
  • the data from the advance can also be transmitted regularly via a data access point or directly to the central recording, evaluation and/or storage unit.
  • a data access point or directly to the central recording, evaluation and/or storage unit.
  • By building a repeater network it is possible to transfer the collected measurement data from remote locations to more central locations such as a main conveyor route (e.g. ramp) to a temporary storage module, where it is continuously recorded and transmitted by the various data collectors of fully mobile modules be able.
  • a main conveyor route e.g. ramp
  • a temporary storage module where it is continuously recorded and transmitted by the various data collectors of fully mobile modules be able.
  • the data of an exploratory borehole or the advance could be transmitted to the central acquisition, evaluation and/or storage unit with a significantly lower transmission delay.

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Abstract

Bei dem System erfolgt eine zentrale Auswertung der dezentral erfassten Daten. Es sind mehrere zumindest temporär mobile Module an verschiedenen Positionen eines jeweiligen Untertagebauwerks angeordnet und die temporär mobilen Module ausgebildet, um Messdaten zu erfassen, zwischenzuspeichern und erfasste Messdaten drahtlos und automatisch an mehrere vollständig mobile Module zu übertragen, sobald ein vollständig mobiles Modul eine Distanz zu einem temporär mobilen Modul erreicht hat, bei der eine drahtlose Datenübertragung zwischen einem jeweiligen temporär und einem vollständig mobilen Modul möglich ist. Vollständig mobile Module sind ausgebildet, Daten die von mindestens einem temporär mobilen Modul empfangen worden sind, zwischenzuspeichern und bei Erreichen eines Datenzugangspunktes, der mit einer zentralen Erfassungs-, Auswertungs- und/oder Speichereinheit verbunden ist, diese zwischengespeicherten Daten an den jeweiligen Datenzugangspunkt zu übermitteln. Temporär mobile Module sind weiter ausgebildet zwischengespeicherte Messdaten erst nach Erhalt eines drahtlos empfangenen Aufforderungssignals, das von einem vollständig mobilen Modul an das jeweilige temporär mobile Modul übermittelt worden ist, drahtlos zu übertragen.

Description

System zur dezentralen Erfassung und drahtlosen Übermittlung von erfassten Daten im Untertageeinsatz
Die Erfindung betrifft ein System zur dezentralen Erfassung und drahtlosen Übermittlung von erfassten Daten im Untertageeinsatz.
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein dezentrales Kommunikations- und Datenübertragungssystem, das vorrangig für den Einsatz in untertägigen Bergwerken entwickelt wurde, aber auch in allen anderen Anlagen, Tunneln und Bergwerken sowohl über als auch untertage verwendet werden kann. Die
Datenübertragung erfolgt kabellos ohne dauerhafte Verbindung. Die Messsta- tionen/Datenlogger können beliebig verteilt werden und erfassen und speichern ihre Daten. Sobald ein Empfänger (z.B. ein Fahrzeug mit installiertem Data Collector) sich in Reichweite der Messstation befindet, werden die Daten automatisiert übertragen und können vom Empfänger in das übergeordnete
System gesendet werden, z.B. via Ethernet an einer zentralen Stelle mit WLAN-AccessPoint (Werkstatt, Aufbereitung). Ein Empfänger kann hierbei beliebig viele Messstationen besuchen und deren Daten aufnehmen, da diese über eine interne Kennung sowie einen Zeitstempel immer genau zugeordnet werden können. Ebenso kann sich jede Messstation mit jedem legitimierten Empfänger verbinden, um den Datenfluss so kontinuierlich wie möglich zu realisieren. Der Zeitverzug kann somit von bisher Stunden oder Tagen auf wenige Minuten reduziert werden und hängt in erster Linie von der zu fahrenden Distanz des Empfängers ab.
Die Datenübertragung im untertägigen Bereich stellt ein großes Problem dar, da die übertägigen drahtlosen Übertragungsmöglichkeiten, wie z.B. UMTS, LTE, WLAN, Internet via Satellit usw. nicht im bekannten Umfang verwendet werden können. Im Bergwerk verringern sich die Übertragungsdistanzen auf ein Minimum, weshalb aktuell vor allem kabelgebundene Lösungen verwendet werden, wozu das gesamte Bergwerk vorrangig mit Lichtwellenleitern oder anderen geeigneten leitungsgebundenen Datenübertragungsmöglichkeiten ausgestattet werden muss. An wichtigen Standorten werden Zugangspunkte (Access Points) installiert, wodurch der Zugriff von jedem Punkt im Bergwerk prinzipiell möglich ist. Alternativ kann WLAN verwendet werden, da über eine ausreichend dimensionierte Anzahl von Repeatern das Bergwerk vernetzt werden kann. Ebenso ist über die Nutzung von Schlitzkabeln eine drahtlose Datenübermittlung innerhalb eines begrenzten Bereiches möglich.
Der entscheidende Nachteil dieser Varianten sind die hohen Installations- und Instandhaltungskosten, die aufgrund von zwei wesentlichen Merkmalen eines Bergwerks entstehen. Dies sind Ortsveränderlichkeit und Dreidimensionalität. In einem Bergwerk werden Rohstoffe abgebaut, weshalb das Bergwerk mit jedem Tag wächst und sich verändert. Gleichzeitig werden andere Bereiche verwahrt, also abgeschlossen. Somit muss theoretisch fast jeden Tag ein Um- bau/Erweiterung des Netzwerkes für eine Datenübertragung erfolgen. Außerdem entstehen zusätzlich lange Strecken, die von untergeordneter Relevanz sind, da in diesen kaum neue Informationen aufgenommen werden. Um eine Datenübertragung zu gewährleisten, müssen diese Bereiche dennoch mit Netzwerktechnik ausgestattet werden.
Das zweite Merkmal, die Dreidimensionalität betreffend, macht sich vor allem durch folgende Problematik bemerkbar. Eine Lagerstätte breitet sich oftmals über viele 100 m in die Tiefe aus und kann deshalb nicht mit nur einem Angriffspunkt abgebaut werden. Mehrere Sohlen müssen in unterschiedlichen Tiefen erstellt und aufgrund von Abbau und Förderung gleichzeitig betrieben werden. Da für jede Sohle die Datenübertragung gewährleistet werden muss, kommen schnell große Anforderungen an die erforderliche Infrastruktur zusammen.
Diese Merkmale resultieren in der Konsequenz, dass sowohl der Aufbau als auch die Wartung, Instandhaltung und Aktualisierung eines Datenübertragungssystems, das Untertage eingesetzt werden soll, ein hoher Kostenfaktor wird, der für die klein- und mittelständischen Bergwerke kaum zu realisieren ist. Zusätzlich kommt hinzu, dass in vielen Bereichen eines Bergwerks verhältnismäßig wenige Daten erfasst werden, wodurch der Aufbau mit aktuellen Technologien dort überdimensioniert ist.
Es sind bereits Lader mit Datenloggern im Einsatz, die die Daten über die gesamte Arbeitsschicht speichern und frühestens zum Ende der Arbeitsschicht oder erst bei der nächsten Wartung übertragen. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass sämtliche Daten bis zu 8 h veraltet sind und ein schnelles Eingreifen nicht möglich ist.
Ein weiterer aktueller Ansatz beschäftigt sich mit der langwelligen Übertragung durch die Erde hindurch, kurz Through-The-Earth (TTE). Aufgrund der sehr langwelligen Übertragung können Distanzen von bis zu 150 m quer durch das Gestein realisiert werden. Problematisch bei diesem Ansatz ist jedoch die sehr geringe Datenübertragungsrate. Hier gilt der Grundsatz: Je größer die Wellenlänge und je geringer die Frequenz, umso geringer ist die übertragbare Datenrate. Hinzu kommt, dass eine sichere Übertragung gewährleistet sein sollte, wozu die Telegramme einen Protokolloverhead erhalten, der die übertragbare Menge an den eigentlich interessierenden Messdaten weiter reduziert.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung , Möglichkeiten für ein dezentrales Kom- munikations- und Datenübertragungssystem für Anlagen, Tunnel und Bergwerke untertage anzugeben, wobei eine konfigurierbare Datenerfassung und dezentrale Datenübertragung innerhalb eines untertägigen Berg- oder Bauwerks, ohne vollständige Verkabelung/Vernetzung und ohne dauerhafte ständige Kommunikation möglich sein sollen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem System, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiter- bildungen können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei dem System sind mehrere zumindest temporär mobile Module an verschiedenen Positionen eines jeweiligen Untertagebauwerks angeordnet. Die temporär mobilen Module sind so ausgebildet, dass sie Messdaten erfassen, diese Zwischenspeichern und erfasste Messdaten drahtlos und automatisch an mehrere vollständig mobile Module übertragen, sobald ein vollständig mobiles Modul eine Distanz zu einem temporär mobilen Modul erreicht hat, bei der eine drahtlose Datenübertragung zwischen einem jeweiligen temporären und einem vollständig mobilen Modul möglich ist.
Vollständig mobile Module sind weiter ausgebildet, Daten die von mindestens einem temporär mobilen Modul empfangen worden sind, zwischenzuspeichern und bei Erreichen eines Datenzugangspunktes, der mit einer zentralen Erfassungs-, Auswertungs- und/oder Speichereinheit verbunden ist, diese zwischengespeicherten Daten an den jeweiligen Datenzugangspunkt zu übermitteln und die temporär mobilen Module weiter ausgebildet sind, zwischengespeicherte Messdaten erst nach Erhalt eines drahtlos empfangenen Aufforderungssignals, das von einem vollständig mobilen Modul an das jeweilige temporär mobile Modul übermittelt worden ist, drahtlos zu übertragen.
Dazu sollten temporär und vollständig mobile Module Möglichkeiten zum drahtlosen Senden und Empfangen von Signalen, also Sende- und Empfangselemente aufweisen.
Temporär mobile Module können insbesondere eine Messstation mit mindestens einem Sensor zur Erfassung von Messdaten sein. Im Folgenden kann ein temporär mobiles Modul auch als Messstation bezeichnet sein. Ein vollständig mobiles Modul kann an einem Fahrzeug installiert oder daran integriert sein. Bei einem Fahrzeug kann es sich um alle im Untertageeinsatz einsetzbaren Fahrzeuge handeln. Dies betrifft auch Transportfahrzeuge, die mit einem vollständig mobilen Modul ausgestattet sein können.
Ein temporär mobiles Modul kann je nach Bedarf an einem geeigneten oder erforderlichen Ort platziert werden, wobei auch ein Ortswechsel möglich sein sollte. Dies kann in Anpassung an sich Untertage betriebs- bzw. arbeitsbedingt verändernde Verhältnisse erfolgen.
Eine Übertragung von Daten von einem temporär mobilen Modul zu einem vollständig mobilen Modul und/oder von einem vollständig mobilen Modul zu einem Datenzugangspunkt sollte bevorzugt seriell mittels eines Kommunikationsprotokolls erfolgen. Mit einem Kommunikationsprotokoll können nicht nur erfasste Messdaten übertragen werden. Vielmehr sollte(n) ein den jeweiligen Messdaten zugeordnetes Zeitsignal und/oder mindestens ein Identifikationscode für das jeweilige mobile Modul mit übertragen werden.
Bevorzugt sollten von einem temporär mobilen Modul erfasste Daten als unverarbeitete Rohdaten byteweise übertragen werden, wodurch sich das zu übertragende Datenvolumen reduzieren lässt. Die Datenübertragung sollte gesichert, insbesondere verschlüsselt und anschließend eine Zuordnung und Entsicherung oder Entschlüsselung mittels eines für ein jeweiliges temporär mobiles Modul spezifischen Identifikationscodes in der zentralen Erfassungs-, Auswertungs- und/oder Speichereinheit erfolgen.
Mit temporär mobilen Modulen erfasste Messdaten können auch über mindestens einen Repeater an ein Zwischenspeichermodul drahtlos übertragen werden. Ein jeweiliges Zwischenspeichermodul sollte so ausgebildet sein, dass es drahtlos von mindestens einem temporär mobilen Modul empfangene Messdaten speichern kann und nach Erhalt eines Aufforderungssignals von einem vollständig mobilen Modul die zwischengespeicherten Messdaten an dieses vollständig mobile Modul zu übertragen. So können Untertagebereiche überbrückt werden, die selten oder gar nicht von vollständig mobilen Modulen erreicht werden.
Untertage kann auch mehr als ein Zugangspunkt vorhanden sein. Mehrere Zugangspunkte sind dann jeweils mit der zentralen Erfassungs-, Auswertungs- und/oder Speichereinheit verbunden.
Ein temporär mobiles Modul kann so ausgebildet sein, die Konzentration mindestens eines chemischen Elements oder mindestens einer chemischen Verbindung in der Umgebungsatmosphäre, die Temperatur, die relative Luft- feuchte, den Atmosphärendruck, das Vorhandensein von Lebewesen, Maschi- nendaten oder Rohstoffdaten zu bestimmen. Es können auch andere für den Betreiber betriebsrelevante Daten bestimmt werden. Ein temporär mobiles Modul kann dabei auch so ausgebildet sein, dass sie die Anzahl und ggf. den Ort von Personen, die sich in ihrem Beobachtungsbereich befinden bestimmen kann. Dies ist z.B. mit geeigneter Videotechnik, die auch im Infrarotbereich sensitiv sein kann, möglich. Diese Liste an möglicher Sensorik ist beliebig erweiterbar, da es keine Einschränkung auf Art und Typ des Sensors gibt.
Bei der Erfindung können für mobile Module, die man auch als Datenlog- ger/Datenspeicher bezeichnen kann, in Kombination mit Funkmodulen genutzt werden. Die temporär mobilen Module, die die Messdaten erfassen (Messstationen) können frei im gesamten Feld aufgestellt oder auf Maschinen installiert werden. Fahrzeuge und Maschinen (z.B. Personentransporter, Steigerfahrzeuge, Dumper, Kipper), die regelmäßig von entfernten Punkten eines Bergwerks (z.B. Abbau/Vortrieb) zu den zentralen Teilen des Bergwerks (z. B. Aufbereitung/Werkstatt) fahren, verbinden sich beim Vorbeifahren mit den temporären mobilen Modulen und sammeln deren Messdaten, die sie bis zu deren weiteren Übertragung an einen zentral gelegenen Zugangspunkt Zwischenspeichern. Anschließend können die Messdaten in zentralen Bereichen des Bergwerks (Werkstatt, Aufbereitung usw.) in ein Intranet eingespeist und dann in einer zentralen Erfassungs-, Auswertungs- und/oder Speichereinheit visualisiert, ausgewertet und gespeichert werden. Somit können die Installation und Wartung gegenüber vollständig vernetzten Bergwerken erheblich reduziert werden.
Da beispielsweise die Dumper als oder mit vollständig mobile(n) Modul sowohl den abgebauten Rohstoff als auch das Nebengestein dauerhaft vom Abbau zur Aufbereitung transportieren müssen, kann mit ihnen ein regelmäßiger Verkehr und somit auch eine drahtlose Datenübertragung über eine gewisse Distanz auch über mehrere übereinander angeordnete Bereiche eines Grubengebäudes wie beispielsweise Strecken gewährleistet werden, wodurch der Zeitverzug bei einer Datenübertragung im Vergleich zu den aktuell eingesetzten nicht fest verkabelten bzw. vollständig vernetzten Technologien erheblich reduziert werden kann. Die Erfindung betrifft die drahtlose Übertragung von Daten innerhalb eines untertägigen Bereiches. Für diese sollte eine serielle Master/Slave Kommunikation, z.B. auf Basis des Binary Synchronous Communication Protokolls von IBM zwischen temporären und vollständig mobilen Modulen aber auch zwischen vollständig mobilen Modulen und einem Datenzugangspunkt oder einem Zwischenspeichermodul eingesetzt werden. Die Kommunikation verläuft dabei dezentral zwischen den verschiedenen Modulen bzw. einem Zwischenspeichermodul und mindestens einem Datenzugangspunkt.
An jedem beliebigen Ort des untertägigen Bereiches können Messstationen mit Datenlogger (im Folgenden „Messstationen" bezeichnet), die in der Kommunikation als Slave agieren, installiert werden, die ihre erfassten bzw. gemessenen Daten zunächst Zwischenspeichern. Sobald ein Fahrzeug (z.B. Dumper, Steigerfahrzeug, Truppenfahrzeug) mit Data Collector/Cache, als vollständig mobiles Modul (im Folgenden „Data Collector" bezeichnet), das in der Kommunikation als Master agiert, an einer der Messstationen vorbeifährt, sollte zwischen beiden Teilnehmern eine serielle drahtlose Verbindung aufgebaut und die Daten auf den Data Collector übertragen werden. Somit ist das System hochflexibel, da die Messstationen an jeder Position aufgestellt werden können und ihre Position auch jederzeit wechseln können. Voraussetzung ist eine elektrische Stromversorgung, die beliebig realisiert werden kann (z. B. Netzanschluss oder Akkumulator). Die Umwandlung der mit der Messstation erfassten Rohdaten in Messdaten sollte erst übertage erfolgen, um untertage ein robustes System zu gewährleisten. Die byteweise Weiterleitung der Rohdaten in eine bestehende Infrastruktur über vorhandene Schnittstellen in andere Messsysteme ist hierbei möglich. Ein Data Collector eines vollständig mobilen Moduls kann mit beliebig vielen Messstationen ausschließlich nacheinander kommunizieren und die vorhandenen Messwerte Zwischenspeichern bis er diese an eine übergeordnete zentrale Erfassungs-, Auswertungs- und/oder Speichereinheit weiterleiten kann (z.B. via AccessPoint - Datenzugangspunkt in das Intranet eines Bergwerks). Es können beliebig viele Data Collectoren für den Datentransport integriert werden. Durch die eineindeutige Kennung von Master und Slave können mehrere Master gleichzeitig mit unterschiedlichen Slaves kommunizieren, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen. Sobald ein Data Collector sich mit einem übergeordneten System verbindet (z.B. andere Messstation via ProfiNet, WLAN, ...) können alle Daten der abgefahrenen Messstationen vom Data Collector an die übergeordneten Kommunikationssysteme übermittelt werden. Eine Software, die in einer zentralen Erfassungs-, Auswertungs- und/oder Speichereinheit hinterlegt worden ist, kann alle Informationen auswerten, indem die von temporären mobilen Einheiten erfassten und von dort übermittelten Nachrichten zunächst in Steuerzeichen, Strukturdaten und Messdaten unterteilt werden. Die Messdaten können anschließend über die Strukturdaten umgewandelt werden (z.B. Byte to Float). Ein intern für eine Messstation vergebener Identifikationscode (Slave-Nummer) kann dabei stets zur Verortung und zur eineindeutigen Ansprache der jeweiligen Messstation verwendet werden. Die Kodierung von Strukturdaten kann für jedes Bergwerk abgewandelt werden, wodurch eine erste Datensicherheit erreicht werden kann, da die Daten nur mit Hilfe der eineindeutigen Kodierung ausgewertet werden können. Da viele Maschinen im Bergwerk Umlaufzeiten von weniger als 15 Minuten haben, kann die Verzögerung zwischen Datenerfassung und Datenauswertung minimiert werden. Die Daten können sowohl gesichert (z.B. über ein CRC) als auch ungesichert übertragen werden. Erfasste Messdaten können als Rohdaten übertragen werden, um die erreichbare Bandbreite zu maximieren. Eine Verschlüsselung der Daten kann über einen Verschlüsselungscode z.B. eine Slave-Kennung erreicht werden. Eine Verschlüsselung kann aber auch mit üblichen Verschlüsselungsmethoden erweitert werden. Die Umwandlung der erfassten Rohdaten in auswertbare Messdaten kann sowohl bei der Übertragung von Rohdaten als auch von verschlüsselten Daten übertage durch eine geeignete Auswertesoftware in einer zentralen Erfassungs-, Auswertungs- und/oder Speichereinheit erfolgen.
Abgelegene Bereiche untertage, die nur selten befahren werden und somit hohe Verzögerungen bei der Datenübertragung aufweisen, können über Zwischenverstärker (Repeater) an die zentralen Bereiche des Bergwerkes angeschlossen werden, um den Zeitverzug zu minimieren. Hierfür können Repeater in Reihe aufgestellt werden und leiten die erhaltenen Daten direkt weiter bis die Daten zu einem Ort mit erhöhtem Verkehrsaufkommen an ein Zwischenspeichermodul, das zum Empfangen der von temporär mobilen Modulen erfassten Messdaten und zum Senden dieser Daten an ein vollständig mobiles Modul ausgebildet ist, übertragen worden sind, wodurch eine regelmäßige Datenübertragung und gleichbedeutend eine geringere Verzögerung gewährleistet werden kann.
Alle temporär mobilen Module sind frei konfigurierbar und spezifisch auf ih- ren jeweiligen Anwendungsfall programmierbar. Dies ermöglicht ein einheitliches, spezifisches Setup für alle Messstationen und Data Collectoren, wobei sich nur die enthaltenen Daten ändern, da der Rahmen der Datenübertragung auf Grund der Vorgabe des jeweiligen Übertragungsprotokolls stets gleich ist. Dieser Aufbau ermöglicht jederzeit die Erweiterung des bestehenden Systems (weitere Messstationen oder Data Collectoren), ohne dass vorhandene Module zwingend aktualisiert werden müssen. Da ein Data Collector die Daten üblicherweise nicht auswertet, sondern nur zwischenspeichert und zum übergeordneten System weiterleitet, sind die erfassten Messdaten unabhängig vom verwendeten Übertragungsprotokoll. Daher können jederzeit neue Messstationen als temporär mobile Module in das bestehende System integriert werden. Für die Auswertung ist dabei nur eine Aktualisierung der Software zur Datenauswertung erforderlich, die diese Rohdaten in Nutzdaten übersetzen kann.
Mit der Erfindung kann eine Reduzierung der notwendigen Infrastruktur im Vergleich zu Kommunikationssystemen auf 802.11-Basis durch Verwendung von Radio-Transceivern in Kombination mit Microcontrollern, die für die Datenübertragung zwischen den verschiedenen Modulen eingesetzt werden können, erreicht werden. Hierdurch ergeben sich erhebliche Einsparungen im Energieverbrauch der Messstationen (Slave), da diese nur senden, falls diese zuvor von einem vollständig mobilen Modul (Master) angesprochen werden und aus Mikrocontrollern bestehen. Somit ist auch ein langfristiges Monitoring via Batteriebetrieb in den nicht an die Energieversorgung angeschlossenen und somit abgelegenen Bereichen möglich.
Es kann auch eine azyklische, regelmäßige Datenübertragung an ein übergeordnetes Modul durch die Verwendung mehrerer Data Collectoren bei gleichzeitig nicht unterbrochener Datenübertragung bei Ausfall einzelner Messstationen oder Data Collectoren realisiert werden.
Es gibt eine unabhängige Verbindungsmöglichkeit einer jeden in das System integrierten Messstation mit jedem Data Collector.
Neben einer Minimierung des Datenstromes zwischen Messstation und Data Collector durch byteweise Übertragung von Rohdaten, die erst mit zentralen Erfassungs-, Auswertungs- und/oder Speichereinheit in lesbare Daten umgewandelt werden, ist auch eine Maximierung der möglichen Zwischenspeicherung auf den Messstationen und Data Collectoren, da nur Rohdaten zwischengespeichert werden, möglich. Es ist eine einfache, frei konfigurierbare und robuste Datenübertragung ohne zusätzlich notwendige Aktualisierungen durch spezifisch konfigurierte Messstationen, die unabhängig von Ihren Messdaten vom Data Collector ausgelesen werden können, möglich. Die Messstationen müssen somit nur einmal auf ihren spezifischen Einsatz programmiert werden und benötigen kein Update. Durch das Übertragungsprotokoll können die Data Collectoren mit jeder Messstation kommunizieren, wodurch beliebige Messstationen nachträglich dem System hinzugefügt werden können. Die Übersetzung und Auswertung der Messdaten erfolgt in einem zentralen Auswerteprogramm übertage (Übertragung von Rohdaten), wodurch auch die Datensicherheit erhöht wird. Das zentrale Auswerteprogramm kann leicht um neue Module (neue Messstationen) erweitert werden.
In Praxi kann eine zentrale Erfassungs-, Auswertungs- und/oder Speichereinheit beispielsweise in einem Hauptgebäude eines Bergwerks, in dem sich die Grubenwarte bzw. die Arbeitsplätze und Computer der Steiger befinden, installiert sein. Dieses befindet sich normalerweise übertage.
Die Kernbereiche eines Bergwerks, die durch einen Schacht oder ein Stollenmundloch erreicht werden, sind meist schon mit einer Datenübertragung auf IEEE 802.11-Basis ausgestattet, weshalb dieses als Stand der Technik betrachtet werden kann. So kann beispielsweise in einem zentralen Grubenbauwerk (z.B. Bunker, Brecher oder untertägige Aufbereitung) bereits eine Ethernetverbindung von mindestens einem Datenzugangspunkt zu einer zentralen Erfassungs-, Auswertungs- und/oder Speichereinheit vorhanden sein. Zum Datenzugangspunkt kann die drahtlose und automatische Datenübertragung von den vollständig mobilen Modulen und vom Datenzugangspunkt zur zentralen Erfassungs-, Auswertungs- und/oder Speichereinheit erfolgen. Alle weiteren Bereiche des Bergwerks müssen nicht mehr auf die typischen Kommunikationsmedien zurückgreifen, sondern können mit dem neuen dezentralen Kommunikationssystem ausgestattet und darüber erreicht werden. Das dezentrale System kann dabei ergänzend in ein bereits bestehendes Netz integriert werden. Es kann ebenso in Kombination mit anderen Tools zur drahtlosen Übertragung zwischen Maschinen hinzugefügt werden.
Eine Rampe oder alternativ eine Wendel ermöglichen die Fortbewegung der verschiedenen vollständig mobilen Module innerhalb des Bergwerks in verschiedene Tiefen. Sowohl die Abbaurichtung als auch das Abbauverfahren haben keinen Einfluss auf die Verwendung des Systems.
Messstationen, die beliebig und nach Bedarf Untertage angeordnet werden können, können von jedem Data Collector ausgelesen werden und sind hierbei also frei positionierbar. Hierdurch ist die Position von Messstationen, insbesondere mit den temporär mobilen Modulen unabhängig von der Infrastruktur der untertägigen Anlage wählbar, wodurch das dezentrale System zur Kommunikation durch den Betrieb mit mobilen Maschinen als vollständig mobile Module äußerst flexibel verwendbar ist. Die Distanz bis zum übergeordneten Kommunikationssystem sowie die Frequentierung der Messstation bestimmen hierbei den Zeitverzug.
Im Realfall kann jedes Fahrzeug mit Data Collectoren als vollständig mobile Module ausgerüstet werden. Der Dumper als Beispiel eines vollständig mobilen Moduls kann alle bergrelevanten Materialien (z. B. Erz, Berge, Versatz ...) in alle Bereiche des Bergwerks transportieren und zeitgleich für einen kontinuierlichen Datenstrom von Messstationen zu einem Datenzugangspunkt sorgen. Somit ist auch ein kontinuierlicher, nur gering verzögerter Datenstrom von dem Zeitpunkt der Erfassung von Messdaten realisierbar. Ein Steiger fährt üblicherweise seine tägliche Runde und kann dabei an weniger häufig besuchten Orten die Daten von temporär mobilen Modulen aufnehmen und an das übergeordnete Kommunikationssystem über einen Datenzugangspunkt zur zentralen Erfassungs-, Auswertungs- und/oder Speichereinheit übergeben. Als drittes Beispiel muss der Vortrieb von einem weiteren Dumper angefahren werden und transportiert sein Haufwerk bis nach übertage. Da er am zentralen Grubenbauwerk vorbeifährt, können somit die Daten des Vortriebs ebenfalls regelmäßig über einen Datenzugangspunkt oder direkt an die zentrale Erfassungs-, Auswertungs- und/oder Speichereinheit übertragen werden. Über den Aufbau eines Repeaternetzwerks ist es möglich, die erfassten Messdaten von abgelegenen Positionen bis zu zentraleren Positionen wie einem Hauptförderweg (z. B. Rampe) zu einem Zwischenspeichermodul zu übertragen, wo sie kontinuierlich von den verschiedenen Data Collectoren vollständig mobiler Module aufgenommen und übertragen werden können. Somit könnten beispielsweise die Daten einer Erkundungsbohrung oder des Vortriebs mit deutlich geringer Übertragungsverzögerung an die zentrale Erfassungs-, Auswertungs- und/oder Speichereinheit übermittelt werden.

Claims

Patentansprüche System zur dezentralen Erfassung und drahtlosen Übermittlung von erfassten Daten im Untertageeinsatz, bei dem eine zentrale Auswertung der dezentral erfassten Daten erfolgt, wobei mehrere zumindest temporär mobile Module an verschiedenen Positionen eines jeweiligen Untertagebauwerks angeordnet und die temporär mobilen Module ausgebildet sind, um Messdaten zu erfassen, zwischenzuspeichern und erfasste Messdaten drahtlos und automatisch an mehrere vollständig mobile Module zu übertragen, sobald ein vollständig mobiles Modul eine Distanz zu einem temporär mobilen Modul erreicht hat, bei der eine drahtlose Datenübertragung zwischen einem jeweiligen temporär und einem vollständig mobilen Modul möglich ist, und die vollständig mobilen Module weiter ausgebildet sind, Daten die von mindestens einem temporär mobilen Modul empfangen worden sind, zwischenzuspeichern und bei Erreichen eines Datenzugangspunktes, der mit einer zentralen Erfassungs-, Auswertungs- und/oder Speichereinheit verbunden ist, diese zwischengespeicherten Daten an den jeweiligen Datenzugangspunkt zu übermitteln und die temporär mobilen Module weiter ausgebildet sind zwischengespeicherte Messdaten erst nach Erhalt eines drahtlos empfangenen Aufforderungssignals, das von einem vollständig mobilen Modul an das jeweilige temporär mobile Modul übermittelt worden ist, drahtlos zu übertragen. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein temporär mobiles Modul eine Messstation mit mindestens einem Sensor zur Erfassung von Messdaten und ein vollständig mobiles Modul an einem Fahrzeug installiert oder daran integriert ist.
3. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Übertragung von Daten von einem temporär mobilen Modul zu einem vollständig mobilen Modul und/oder von einem vollständig mobilen Modul zu einem Datenzugangspunkt seriell mittels eines Kommunikationsprotokolls erfolgt.
4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von einem temporär mobilen Modul erfasste Daten als unverarbeitete Rohdaten byteweise übertragen werden.
5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragung gesichert, insbesondere verschlüsselt und anschließend eine Zuordnung und Entsicherung oder Entschlüsselung mittels eines für ein jeweiliges temporär mobiles Modul spezifischen Identifikationscodes in der zentralen Erfassungs-, Auswertungs- und/oder Speichereinheit erfolgt.
6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit temporär mobilen Modulen erfasste Messdaten über mindestens einen Repeater an ein Zwischenspeichermodul drahtlos übertragbar sind und ein jeweiliges Zwischenspeichermodul ausgebildet ist, die drahtlos von mindestens einem temporär mobilen Modul empfangenen Messdaten zu speichern und nach Erhalt eines Aufforderungssignals von einem vollständig mobilen Modul die zwischengespeicherten Messdaten an dieses vollständig mobile Modul zu übertragen.
7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein temporär mobiles Modul ausgebildet ist, die die Konzentration mindestens eines chemischen Elements oder mindestens einer chemischen Verbindung in der Umgebungsatmosphäre, die Temperatur, die relative Luftfeuchte, den Atmosphärendruck, das Vorhandensein von Lebewesen, Maschinendaten, Rohstoffdaten oder Betriebszustände von Anlagen und Einrichtungen.
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