Nya metoder för bergbultsmonitorering med Internet of Things

Transkript

1 PROJEKTSAMMANFATTNING Processindustriell IT och Automation hösten 2014 Projektakronym RBM-IoT Projektnamn Nya metoder för bergbultsmonitorering med Internet of Things 1 (5) Projektfakta Sökt belopp från VINNOVA: Sökande organisation: Institutionen för System- och rymdteknik, Luleå tekniska universitet Projektledare: Dr. Jens Eliasson, Luleå tekniska universitet Projektperiod: till Sammanfattning Användningen av bergbultar i gruvindustrin är en allmänt använd metod för att öka stabiliteten i tunnlar och gruvor, och varje år monteras miljontals bergbultar runt om i världen. Om en bergbult skadas, antingen genom seismiska aktiviteter eller rörelser i berget, kan bulten tappa sin lastbärande förmåga. Om det händer, kan det yttre skalet av en tunnels vägg eller tak kollapsa med katastrofala följder. Det saknas för närvarande teknik för att i realtid övervaka bergbultar. Därför finns det ett tydligt behov av en realtids online övervakning av belastning samt seismisk aktivitet. Detta projekt kommer att undersöka om belastning kan mätas på befintliga och framtida bergbultar med sensorer. Genom att ha bergbultar med inbyggda sensorer, signalbehandling och trådlös kommunikation kan stora vinster i form av säkerhet, tillgänglighet och därmed ökad driftseffektivitet förväntas. Eftersom marknaden för bergbultar är mycket omfattande har detta projekt stor potential att nå en världsmarknad. Projektets aktörer är alla specialister inom sitt respektive område vilket gör att detta projekt har mycket goda möjligheter att nå alla mål. Malmfälten AB levererar moderna bergbultar till ex. LKAB och har flerårig erfarenhet av gruvindustrin. Gluetec har lång erfarenhet av att arbeta med belastningssensorer för krävande miljöer, och Eistec har specialistkompetens kring området Internet of Things och instrumentering i industriella miljöer. EISLAB vid LTU har mer än 15 års erfarenhet av inbyggda system för Internet of Things och dessutom lång erfarenhet av att arbeta med gruvindustrin. 3 Projektets bakgrund Miljontals bergbultar installeras varje år i syfte att stabilisera tunnlar, se Figur 1. Världsmarknaden är alltså mycket stor och trenden är att behov av råmaterial (ex. mineral och stål) ökar år för år. Forskning inom detta område pågår nuvarande inom FP7 projektet I2Mine samt Artemis Arrowhead av EISLAB vid Luleå tekniska universitet samt Eistec AB. Inom ramen för dessa projekt så har en grundläggande intelligent bergbult utvecklats med elektronik, vibrationssensor samt trådlös kommunikation. I denna ansökan vill vi vidareutveckla konceptet med att också kunna mäta belastning på bultarna. Detta är sista steget som behövs för att kunna visa upp en komplett intelligent bergbult som kan monitorera sig själv med avseende på:

2 2 (5) Seismisk aktivitet, ex. borrning, sprängning, rasande stenar, etc. Belastning på bulten från omgivande berg och dess förändring över tid. Matchning av seismiska händelser med snabb förändring av en bults belastning Trådlös överföring av sensordata till moln-baserade datalagringssystem, statistik och avvikelsedetektering samt visualisering. Här är projektets huvudsakliga idé är att göra det möjligt för bergbultar att övervaka sig själva för att kunna upptäcka avvikelser i tunnelstrukturer och därmed larma om en bult skadas, eller utsätts för kraftig belastning eller onormala vibrationer. Malmfälten AB har mångårig erfarenhet av att leverera bergbultar till gruvindustrin och kan marknaden och dess behov mycket bra. Malmfälten har också på sista tiden börjat arbeta med en instrumenterad bult. Gluetec har tillsammans med EISLAB och Eistec tagit fram en första prototyp av en intelligent bergbult som används i I2Mine och Arrowhead projekten. Gluetec är specialister på att designa sensorer för att mäta töjning och kommer i detta projekt att anpassa den första generationens givare till att integreras med Malmfältens dynamiska bultar. Eistec har levererat strömsnål elektronik för olika sorters Internet of Things system till EISLAB och andra aktörer inom både industrin och den akademiska världen. I detta projekt kommer befintligt system att anpassas för att kunna mäta belastningen på Gluetecs sensorer. EISLAB kommer bidra med expertis kring användandet av inbyggda system, energisnåla mätmetoder och erfarenheter kring tidigare tester med bergbultar med integrerad elektronik. Figur 1: Bergbultar i tunnel. Bild från A.G. Thompson, E. Villaescusa, C.R. Windsor; Rock Support and Reinforcement Practice in Mining ; CRC Press, Jan Projektets idé Detta projekt syftar till att utveckla en ny metod för gruvtillämpningar övervakning genom att integrera bergbultar med inbyggda sensorer och trådlös överföring av sensordata till databaser och övervakningssystem. De nya bergbultarna är utrustade med sensorer och ställdon, processkapacitet och trådlös kommunikation. Genom att lägga till övervakning påfrestningar och händelsedetektering för varje bult, kan uppnås stora vinster i form av ökad effektivitet och säkerhet eftersom potentiellt varje bergbult i en tunnel eller andra håligheter kan ge statusinformation om krafter (strain) i berget och seismisk aktivitet, och därigenom öka säkerheten för arbetstagare, förbättrade arbetsvillkor och en mer effektiv gruvdrift. 5 Potential Detta projekt har potential att testa nyskapande visionära idéer och att skapa ett starkt konsortium av små och stora företag samt akademi. Konsortiet kommer efter genomfört projekt att ha underlag för att skapa nya forskningsprojekt samt produkter och tjänster. Nya idéer och tillämpningar som bygger på användandet av nätverksuppkopplade sensorer kan skapa ytterligare synergier och därmed helt nya tillämpningsområden som ej finns idag. Medverkande parter kommer stödjas i deras FoU-aktiviteter få ett utökat nätverk av partners.

3 3 (5) Efter projektet kommer resultat från tester av påvisa om trådtöjningsgivare kan integreras med dynamiska bergbultar. Vid ett positivt resultat avser alla parter att gå in med en fortsättningsansökan för att ta fram en skarp prototyp av en trådlös bergbult med kapacitet att monitorera sig själv med avseende på vibrationer (seismisk aktivitet) samt belastning (strain). Vi siktar också på att ha ett komplett konsortium för detta tillsammans med gruvbolag och leverantörer av gruvmonitoreringssystem. Gruvbranschen är mycket stor, dvs. projektet har mycket stor potential. Runt om i världen används miljontals bergbultar årligen. Nya produkter inom området kan få mycket omfattande genomslag på världsmarknaden och därmed skapa nya produkter och tjänster samt arbetstillfällen i Sverige. 6 Aktörer Projektet kommer projektledas av Biträdande Professor Jens Eliasson vid EISLAB, Luleå tekniska universitet, med stöd av Professor Jerker Delsing. Dr. Eliasson har över 10 års erfarenhet av den akademiska världen och arbetar nu i flera av Europas allra största forskningsprojekt. EISLAB EISLAB vid Luleå tekniska universitet har bedrivit forskning inom området Internet of Things (IoT) och användandet av små strömsnåla sensorer med trådlös Internetuppkoppling. Direkta resultat från detta projekt kommer stärka forskningsgruppen vid EISLAB som bedriver forskning inom området IoT och inbyggda system Malmfälten i norr AB Malmfälten i norr AB, är verksamt inom gruv- och anläggningsbranschen och har speciellt kunskap om bergförstärkning och olika säkerhetsaspekter inom dessa branscher. Malmfälten i norr AB saluför egenutvecklade statiska och dynamiska bergbultar och har även utvecklat teknik och mätsystem för kontroll av att dessa gjuts in på ett korrekt sätt. Utöver specialkunskapen på detta område har Malmfälten i norr AB en mycket bred kunskap och erfarenhet av hur gruvbranschen fungerar i praktiken och vilka utrustningar och metoder som används för en effektiv och säker brytning. Gluetec AB Gluetec har specialistkompetens inom området sensorer generellt och för att mäta belastning specifikt och har tidigare designat och tillverkat trådtöjningsgivare till de första bultarna. I projektet kommer Gluetec att hjälpa till med att ta fram anpassade givarelement för montering på bergbult samt metoder för att applicera och skydda sensorerna mot miljöpåverkan. Gluetec kommer också hjälpa till med förberedelser ut test och utvärdering. Eistec AB Eistec har sedan starten 2008 arbetat med IoT-applikationer för sensorer med fokus på låg strömförbrukning. Plattformen Mulle, som använts i bl.a. projekten iroad och

4 4 (5) COBS (Interreg), kommer att användas även i de instrumenterade bergbultar som beskrivs i denna ansökan. Ingenjörerna på Eistec har lång erfarenhet av att arbeta med Inbyggda system och hårdvarunära utveckling. 7 Genomförbarhet Projektet kommer startas med en kravställning samt design av tester och undersökning över hur Gluetecs sensorer kan integreras med Malmfältens bergbult och Eistecs mätelektronik. De olika aktiviteterna kommer pågå parallellt. Projektet kommer också hyra in konsulttjänster för sluttestning av den nya bulten. Efter tester kommer utvärdering resultaten att göras samt rapportskrivning. Vidare kommer spridning av resultats ske genom de medverkande företagens kontaktnät samt till allmänheten via ex. tidningar som Ny Teknik och Automation. Work breakdown structure (WBS): Aktivitet Kravspec samt design av bult för testning Första prototyp av instrumenterad bergbult Förberedelser samt test av bult hos konsult Projektrapport samt resultatspridning Utförare Malmfälten, Gluetec, Eistec EISLAB, Alla Malmfälten, EISLAB EISLAB, Alla Projektets partners kommer bidra med följande kompetens, utrustning och aktiviteter: Gluetec AB Gluetec kommer få resultat som kan användas för att ta fram nya sensorer med rätt egenskaper för användning på själv-monitorerande bergbultar. Malmfälten i norr AB I projektet avser Malmfälten AB att tillhandahålla moderna dynamiska bergbultar, preparera dessa för montage av sensorer. Detta innebär att slipa yta på bergbultarna för givarmontage, montera skyddsrör av metall eller plast samt föreslå metod att applicera elektriska ledare längs bergbultarna. För att lyckas med detta måste man ha kontroll över hela tillverkningskedjan för dynamiska bergbultar vilket Malmfälten i norr AB har. För att testa bergbultar med monterade sensorer kommer Malmfälten AB att föreslå tillvägagångssätt samt preparera de intelligenta dynamiska bergbultarna inför tester i laboratorium. För att genomföra tester måste en testbänk byggas, kvalitetssäkrade tester genomföras och utvärderas. Malmfälten AB kommer även att tillsammans med övriga projektmedlemmar att undersöka vilken marknadspotential och möjliga kunder som finns för bergbultar med sensorer. Eistec AB Nya system kommer att utvecklas under projektets gång som kommer att användas som utgångspunkt för fortsatt arbete inom signalbehandling i energibegränsade

5 5 (5) miljöer. Detta projekt kommer stötta Eistec:s arbete med att utveckla produkter och tjänster för industrin samt utöka kontaktnätet mot gruvindustrin. Luleå tekniska universitet (EISLAB) Detta projekt kommer generera ny kunskap som kommer ytterligare stärka LTU:s och Sveriges roll som en av världens ledande aktörer kring forskning av industriella tillämpningar av IoT teknologi. Redan idag med hjälp av I2Mine-projektet har EISLAB fått mycket uppmärksamhet kring forskningen av instrumenterade bergbultar med IPv6-baserad kommunikation. Detta projekt kommer ytterligare befästa detta i och med möjligheten att mäta belastning av bultar i kombination med seismisk mätning som existerar i dagsläget. Resultatspridning kommer ske främst mot tre målgrupper: 1. Industrin, där företag både nationellt och internationellt kommer få vetskap om projektets slutsatser. Redan nu är gruvindustrin i ex. Sverige, Australien och Chile medvetna om EISLAB:s arbete kring detta. 2. Beslutsfattare, där ex. aktörer som Vinnova, Länsstyrelsen samt Bergforsk kommer informeras om projektet, dess potential och resultat. 3. Den akademiska världen och allmänheten. Detta genom publikationer av vetenskapliga artiklar samt medverkan i populärvetenskapliga tidningar som ex. Ny Teknik och Automation. 8 Projektets kostnader och finansiering Projektet kommer finansiera främst kostnader kring arbetet med att integrera sensorer och elektronik med befintlig bergbult, designa och bygga testbänk tillsammans med extern konsult med flerårig erfarenhet av att testa bergbultar. Projektet kommer också genomföra egna tester och utvärdera dessa. Sedan tillkommer kostnader för resultatspridning, rapportering och konsortiebyggande. Projektet har avsatt 50 kkr för att hyra in tjänster för att genomföra själva testerna, samt 5 kkr för en referensgrupp.