1 Snímače významných technologických veličin v důlním prostředí

Ve velké míře je nejdůležitějším měřením v důlním prostředí měření koncentrace toxických a výbušných plynů a par, přičemž se jedná o Metan, Oxid uhličitý (CO2) nebo Oxid uhelnatý (CO). Neméně důležité je však také měření průtoku důlních větrů, které dodávají do oblasti těžby čerstvý vzduch a zároveň slouží k ředění a odvádění škodlivin z těchto míst na povrch. V důlním prostředí je potřeba měřit také teplotu, jelikož tato ovlivňuje velikost zátěže na lidský organismus.

1.1 Měření koncentrace nebezpečných plynů a par

K měření koncentrace toxických a výbušných plynů a par používáme měřících prvků založených na fyzikálním nebo fyzikálně-chemickém principu.

- fyzikální princip – jde o měření některé fyzikální veličiny, která má definovaný vztah a její hodnota je úměrná složení detekované směsi plynů.

- fyzikálně-chemický princip – jde o princip založený na chemické reakci, které se přímo účastní detekovaný plyn nebo ji významně ovlivňuje.

Můžeme použít například elektrochemický, teplotně-vodivostní, polovodičový nebo katalytický způsob měření a nebo infračervený senzor.

1.1.1 Elektrochemický senzor (snímač)

Elektrochemické senzory se v podstatě chovají jako palivové články, v nichž na pracovní elektrodě jsou molekuly detekované látky oxidovány nebo redukovány a na opačné elektrodě dochází podle typu reakce ke spotřebě nebo vývoji kyslíku. Jejich hlavní předností je vysoká citlivost, vynikající selektivita a lineární závislost odezvy na koncentraci. Nevýhodou je jejich kratší životnost. Pro měření plynů a par se používají především dva principy elektrochemických senzorů a to:

- ampérometrický princip - je založen na měření proudu procházejícího mezi dvěma elektrodami ponořenými do roztoku elektrolytu. Do měřicího obvodu je zapojen zdroj stejnosměrného napětí, tzv. vložené napětí, jehož hodnota musí odpovídat tzv. limitnímu proudu určované složky v měřeném médiu. Velikost limitního proudu je pak funkcí koncentrace měřené složky.

Obrázek 1 - Principielní schéma ampérometrického senzoru

Měřený plyn difunduje přes polopropustnou polymerní membránu do elektrolytu (vodný roztok KCl nebo KBr) a na katodě se redukuje za přispění volných elektronů vzniklých při styku stříbrné anody a elektrolytu. Velikost elektrického proudu je přímo úměrná obsahu plynu. Pro funkci celého senzoru je nutné na elektrody přiložit tzv. polarizační napětí, cca 0.8 V.

- galvanometrický princip - princip je obdobný funkci palivového článku, tzn. že kyslík se na rozhraní vrstvy katoda/elektrolyt elektrochemickou cestou přeměňuje na el. proud, jehož velikost je úměrná koncentraci kyslíku v měřené směsi plynů. Měřící buňka obsahuje olověnou anodu a zlatou katodu ponořené do elektrolytu na bázi kyseliny octové. K oddělení zlaté katody a elektrolytu od analyzované směsi se využívá difúzní membrána z polypropylenu, silikonového kaučuku nebo teflonu, které jsou propustné pro plyny a ne pro tekutiny a ionty. Proudová smyčka je uzavřena zatěžovacím odporem, který převádí úroveň proudu na úbytek napětí. Termistor zapojený v sérii s rezistorem může provádět kompenzaci vlivu teploty.

Obrázek 2 - Principielní schéma galvanometrického způsobu měření

Obrázek 3 - Schématické znázornění přenosného snímače plynů firmy ABB

Tyto senzory lze použít k detekci především oxidů a to například kyslíku O₂, oxidů dusíku NO a NO₂, oxidů uhlíku CO a CO₂.

1.1.2 Teplotně-vodivostní senzor

Základem teplotně-vodivostních senzorů (analyzátorů) je rozdílná tepelná vodivost různých druhů plynů, kdy porovnáváme tepelnou vodivost neznámé směsi se známým referenčním plynem. Lze tak získat informaci o jeho množství v analyzované směsi.

Obrázek 4 - Blokové uspořádání teplotně-vodivostního analyzátoru

Obrázek znázorňuje obecné blokové schéma analyzátoru složeného z napájecího zdroje (NZ), dvojice měřících komor (MK), do kterých vchází analyzovaný plyn, dvojice referenčních komor (RK), ve kterých je umístěn vzorek srovnávacího plynu, zesilovače (Z) a vyhodnocovacího zařízení (VHZ).

Základem je tedy detektor s referenčními (srovnávacími) a měřícími komorami, v nichž jsou napnuty platinové drátky. Ty jsou zahřívány protékajícím proudem konstantní velikosti na teplotu cca 100°C až 150°C a zapojeny do vyváženého Wheatstoneova můstku. Změna koncentrace měřeného plynu v analyzované směsi způsobuje změnu tepelné vodivosti a tím i zahřátí platinového drátku. S teplotou se změní jejich odpor a rozváží se můstek. Výsledkem je rozdílové napětí zesílené zesilovačem. Čím je toto napětí větší nebo menší, tím je v analyzované směsi vyšší nebo nižší koncentrace sledovaného plynu než ve srovnávacích komorách.

1.1.3 Polovodičový senzor

Tyto senzory reagují na změnu koncentrace detekované látky změnou vodivosti polovodivé vrstvy, vyhřívané na určitou teplotu, která spolu se složením vrstvy určuje vlastnosti senzoru. Nevýhodou je jejich omezená selektivita.

Jde o senzory s povrchovou detekcí, které jsou typicky složené z plošky slabého oxidu kovu (ZrO₂, SnO₂, TiO₂ apod.) okolo jemných cívek - topných meandrů (platinové nebo různé oxidy kovů). Plošky absorbují molekuly kyslíku, a když je ploška zahřívána, dochází k reakci aktivovaného kyslíku s molekulami oxidačních nebo redukčních plynů na povrch plošky a změně elektrické vodivosti oxidové vrstvy. Tak lze detekovat téměř každý oxidační plyn a citlivost je v rozsahu 20-100 ppm.

Obrázek 5 - Struktura polovodičového senzoru (SnO₂ citlivá vrstva, RuO₂ - topný element)

Obrázek 6 - Schématické znázornění struktury polovodičového senzoru

Senzor je vhodný k detekci a měření redukujících plynů (H₂, CO či CH₄), při jejichž přítomnosti klesá odpor polovodičů. Povrch kovového oxidu sorbuje kyslík. Při kontaktu aktivovaného kyslíku s molekulami detekovaného plynu vznikají nestabilní radikály a dochází ke změnám elektrické vodivosti. Vyhodnocení vodivosti senzoru se zjišťuje ze změny proudu při konstantním napájecím napětím.

1.1.4 Katalytický senzor

Princip senzoru spočívá ve spalování detekované složky plynu na katalyzátoru, naneseném na povrchu platinového drátku, který reaguje na změnu teploty, a tím i koncentrace, změnou elektrického odporu. Tyto senzory reagují na všechny spalitelné látky (methan, butan, propan , CO apod.) a jsou použitelné pouze pro měření ve vzduchu nebo v plynech s dostatečným obsahem kyslíku. Koncentrace plynu je měřena na základě množství tepla uvolněného při řízené spalovací reakci.

Obrázek 7 - Schématické znázornění katalytického senzoru plynů

Analyzována (měřená) spalitelná látka difunduje do měřící komory. Zde dochází ke katalytické spalovací reakci, při které se uvolňuje teplo, které zvyšuje teplotu měřícího elementu. Reakcí je zvýšení elektrického odporu, který je už převáděn na změnu protékaného proudu nebo úbytku napětí. Měřící pelistor je tvořen odporovým vinutím obvykle z platinového drátku umístěného v žáruvzdorné keramické perličce vytvořené na bázi oxidu hlinitého. Ta je pokryta vrstvičkou katalyzátoru v podobě platiny nebo směsi platiny a paládia. Dnes existují planární provedení senzorů, které se označují jako kalorimetrické mikrosenzory nebo mikropelistory. Ty jsou již integrované s řídícími obvody na jednom chipu a vyznačují se velmi nízkým příkonem cca 50 mW (u klasických pelistorů je to asi 400 mW).

Jejich nevýhodou je malá selektivita, jsou vhodné pro použití při signalizaci nebezpečí výbuchu. Mají měřící rozsah 0-100% dolní meze výbušnosti.

Obrázek 8 - Zjednodušené provedení pelistoru

Obrázek 9 - Provedení pelistorového senzoru

1.1.5 Infračervené senzory

Jako princip se využívá metoda nedisperzivní infračervená spektrometrie (díle jen NDIR), která patří mezi ty hojně využívané v průmyslových analyzátorech složení plynů. Metoda NDIR pracuje bez rozkladu světla a je založena na faktu, že některé plyny absorbují určitou vlnovou délku (spektrální čáru) záření, které jím prochází. Při správné volbě zdroje záření tato metoda umožňuje s vysokou selektivitou určovat a měřit složení plynů, jejichž absorpční pásma pohlcující světlo a leží ve spektru infračervených vlnových délek, tzn. od 200 do 900 nm. Mezi plyny splňující tento požadavek patří například SO₂, NO, NH₃, CO, CO₂, N₂O nebo CH₄.

Princip absorpce infračerveného záření využívá skutečnosti, že každý druh plynu absorbuje jinou vlnovou délku a tak lze i ve směsi několika různých plynů určit přesně složení. Prostě se jen zjistí, které vlnové délky prošlého záření chybí, nebo jsou zeslabeny. Podle intenzity útlumu se pak určuje koncentrace každého plynu obsaženého ve směsi.

Obrázek 10 - Principiélní schéma NDIR (Z-zdroj záření, M-měřící komora s plynem, C-clonkový kotouč, F-filtr, D-detektor, SD-synchronní detektor, DF-dolnofrekvenční filtr)

Zdroj infračerveného záření (výbojka) vysílá paprsky, které jsou z důvodu detekce změn přerušovány otáčejícím se kotoučem. Paprsky dále procházejí komorou s analyzovaným plynem. Za ní se nachází detektor záření - přijímač, který měří útlum jednotlivých složek a převádí je na elektrický signál. Ten se již upravuje, digitalizuje a elektronicky zpracovává, až se získá výsledná informace o složení a koncentracích jednotlivých složek.

Obrázek 11 - Schématické znázornění nedisperzivního infračerveného senzoru

Obrázek 12 - Modul infračerveného analyzátoru URAS 14 firmy ABB

Obrázek 13 - Provozní infračervený analyzátor URAS 10 firmy ABB

1.1.6 Systém detekce plynů A.D.S.

A.D.S. je systém pro detekci a kontinuální měření koncentrace toxických a výbušných plynů a par v koncentracích desítek až tisíců ppm. Měřicími prvky jsou polovodičové, elektrochemické, katalytické nebo infračervené senzory. Ke zpracování signálu detektorů a snímačů slouží několik typů ústředen, které sou-časně obsahují napájecí zdroj a mohou poskytovat další, např. regulační nebo přenosové funkce. Všechny typy senzorů (detektorů) jsou napájeny 12 – 18V stejnosměrného napětí.

Ústředna ASIN GDU4 - Ústředna pro detektory hořlavých nebo toxických plynů a par jako metan (zemní plyn), oxid uhelnatý apod. Na jednu ústřednu jsou napojeny 1 až 4 detektory s logickým výstupem, umístěné ve sledovaných místech. Detektory slouží jednak k prevenci vzniku výbušné koncentrace hořlavých plynů a par (zpravidla detekce 10 a 20% dolní meze výbušnosti, nebo přípustného expozičního limitu a nejvyšší přípustné koncentrace toxických látek. Měřicím prvkem detektorů je polovodičový nebo elektrochemický senzor. Jejich výstup je logický, řešený spínacím tranzistorem NPN. V klidovém stavu poskytují detektory proud 10 - 15 mA, který při dosažení nastavené úrovně koncentrace klesne na nulu. K napájení a ke zpracování výstupu detektorů slouží ústředny ASIN GDU1, GDU4 a GDU5.
Detektory se dodávají v normálním, těžkém a Ex provedení. V označení detektorů se rozlišuje typ detektoru (polovodičový GDS a elektrochemický GDE), detekovaná látka, nastavené limity koncentrace oddělené lomítkem a označení typu (normální - bez označení, těžký -5 a nevýbušný Ex). Přiklad označení:

Detektor čpavku polovodičový: 150 a 300 ppm, norm. provedení ......... GDS NH3 150/300

Totéž elektrochemický, těžké provedení ................................................ GDE NH3 150/300 - 5

Totéž elektrochemický, Ex provedení .................................................... GDE NH3 150/300 - Ex

V základní nabídce jsou tyto detektory (detektory jiných látek nebo jiné nastavení limitů na vyžádání):

Látka	Označení	Limity	Princip
Oxid uhelnatý	GDE CO	30/150 ppm	elektrochemický
Organické látky	GDS HC	10/20% DMV - 5	polovodič
Kyslík	GDE O2	18/19 % - 5	elektrochemický
Vodík	GDS H2	0,4/0,8 %	polovodič
Metan (zem. plyn)	GDS CH4	0,5/1,0 %	polovodič
Propan-butan	GDS PB	0,2/0,4 %	polovodič
Propan-butan	GDS PB	0,4/1 % - Ex	polovodič

Obrázek 14 - Ústředna ASIN GDU4, snímač GTE CO 300 (normální provedení) a detektor GDS CH₄ (nevýbušné provedení)

GDE CO 30/150 (hygienická norma) – snímač koncentrace oxidu uhelnatého, určený k detekci podle hygienické normy. Měřicím prvkem je elektrochemický senzor vyznačující se vysokou selektivitou a stabilitou.

Snímače koncentrace v provedení Ex – jsou vhodné do prostředí s nebezpečím výbuchu. Všechny snímače řady GTE se kromě normálního provedení dodávají také v provedení Ex, schváleném do prostředí s nebezpečím výbuchu.

Analyzátory plynů a par řady ASIN a AIR

Analyzátory pracují na principu polovodičových, elektrochemických a infračervených senzorů. Analyzátory prvních dvou typů tvoří výrobní řadu ASIN, infračervené analyzátory nesou označení AIR. Všem analyzátorům je společný vlastní odběr měřeného plynu a jeho základní úprava - odloučení kondenzátu a prachových podílů.

Měřené hodnoty jsou standardně zobrazeny na jedno- nebo víceřádkovém displeji a podle potřeby současně přenášeny proudovou smyčkou 4 - 20 mA nebo sériovou linkou RS 232/485. Samozřejmostí je volba jednotek koncentrace, ukládání měřených hodnot do paměti ve volitelných intervalech a po volitelnou dobu, stejně jako možnost přenosu výsledků po sériové lince RS485.

Polovodičové a elektrochemické analyzátory řady ASIN

jsou určeny k monitorování nízkých koncentrací plynů a par v řádu desítek až tisíců ppm. Jsou nenáročné na údržbu a vzhledem k jednoduché konstrukci i levné. Měřicím prvkem jsou polovodičové nebo elektrochemické senzory.

Infračervené analyzátory řady AIR

pracují na moderním principu polovodičové detekce infračerveného záření se softwarovou eliminací vzájemného rušivého vlivu jednotlivých složek měřené směsi. Infraanalyzátory AIR jsou univerzálně použitelné jak pro průmyslové měření koncentrace jednotlivých látek, tak pro speciální aplikace (analyzátory CO a CO2 pro kontinuální kontrolu).

Obrázek 15 - ASIN HC - analyzátor organických látek a ASIN LG - osobní detektor úniku hořlavých látek

1.1.7 MTA

Ústředna pro monitorování technologických veličin MTA 21.90

n 8 nezávislých diferenciálních vstupů

n vstupní rozsahy: 4-20mA, 0,2-1mA, 2V

n napájení snímačů v provedení JB

n 3 nezávislé alarmové meze pro každý vstup, 1 nezávislá poruchová mez

n 8 mezních relé

n programovatelné převodní konstanty

n 1 obousměrná galvanicky oddělená komunikační linka RS232

n 1 obousměrná galvanicky oddělená komunikační linka RS232/RS485(422)

Obrázek 16 - Jiskrově bezpečná Úustředna MTA 21.90

Ústředna MTA 21.90 umožňuje průběžné monitorování až osmi technologických veličin. Diferenciální vstupy umožňují připojení dvou-, tří- nebo čtyř-vodičových snímačů. Snímače jsou napájeny jiskrově bezpečným zdrojem 20V o vnitřním odporu 90 . Hodnoty naměřených veličin jsou vypočteny pomocí programovatelných přepočtových konstant a zobrazovány na displeji LCD.

Komunikační linky umožňují připojení k technologickému terminálu (např. pro řízení výstupů, archivaci dat, sledování trendů atd.). Ústřednu je možno prostřednictvím rozhraní RS-485, kterým je vybavena, připojit na datovou sběrnici a snímat tak data z více ústředen (režim slave), nebo naopak k jedné ústředně mohou být připojeny jiné rozšiřující moduly (režim master).

Snímače hořlavých plynů typu MTA 4x11.1x

Pomocí MTA 4x11 lze monitorovat nízké koncentrace hořlavých plynů v podzemí dolů nebo na jiných povrchových pracovištích s nebezpečím výbuchu. Používají katalytický princip měření při spalování na pelistoru, jehož oblast je omezena hodnotou dolní meze výbušnosti měřeného hořlavého plynu a dostatečným obsahem kyslíku v měřené směsi. Přístup vzduchu k senzorům difusní.

Snížená úroveň výstupního signálu a čtyřvodičové připojení umožňují měřit v odloučených místech dolů ve vzdálenosti až 3 km od napájecí jednotky.

Obrázek 17 - Snímač hořlavých plynů s vyhodnocovací a zobrazovací jednotkou

Snímače hořlavých plynů typu MTA 4xx1.1x

Pomocí MTA 4xx1 lze monitorovat toxické plyny nebo kyslík v podzemí dolů s nebezpečím výbuchu. Snímač lze použít též k monitorování v jiných provozech v prostředí bez nebezpečí výbuchu.

K měření využívá elektrochemického principu. Oblast měření je vymezena desítkami až tisíci jednotek ppm toxického plynu ve vzduchu s obsahem min 15% relativní vlhkosti. Oblast měření kyslíku je omezena koncentrací 30% obj. a obsahem kyselých plynů v měřené směsi.

Druhy měřených plynů a rozsahy:

O₂ 0 –30% CO 0 – 1000 ppm

H₂S 0 – 50 (200) ppm SO₂ 0 – 20 (100) ppm

NO 0 – 100 ppm NO₂0 – 20 ppm

H₂ 0 – 1000 ppm

1.2 Měření průtoku důlních větrů

Měření průtoku a obecně proteklého množství vzduchu je důležitou oblastí měření. Při návrhu snímače a jeho konstrukčním řešení, výběru a instalaci je nutné posuzovat vlastní médium z hlediska vlastností (např. tlak, teplota, znečištění pevnými látkami, výbušnost apod.), nesmí se však zapomenout na hledisko správnosti a přesnosti výsledků měření. Důležité jsou také druh proudění (laminární nebo turbulentní), tvar rychlostního profilu (důlního díla), časové změny měřeného průtoku apod.

Prostředky používané k měření průtoku a proteklého množství tekutin lze rozdělit dle použité metody měření, které jsou dvě a to:

- Objemová metoda měření průtoku - je založena na definici průtoku Q_V jako objemového množství V proteklého za jednotku času, tedy . Průtokoměrům využívajícím tuto metodu měření se říká objemové průtokoměry a používají se při přesných měřeních (především při kalibraci).

- Rychlostní metoda měření průtoku - vychází z definice průtoku jako součinu střední rychlosti w proudění a průtočného průřezu S, tedy . Tyto průtokoměry se nazývají rychlostní a používají se především k provozním měřením. Je možné je rozdělit ještě do dvou skupin a to na rychlostní průtokoměry:

o s konstantním průtočným průřezem – turbínové, anemometrické apod.

o s konstantní střední rychlostí proudění

Proteklé množství tekutiny – objem V – se určí buď přímo měřením objemu stejným způsobem a zařízením jako u objemových průtokoměrů, nebo integrací průtoku v časovém intervalu Dt, tedy:

1.2.1 Anemometrické rychlostní snímače

Anemometry lze rozdělit podle principu měření na:

o Mechanický - energie větru se přenáší na konstrukci, kterou vítr otáčí, rotuje či vychyluje z ustálené polohy. Mezi mechanické anemometry patří miskové anemometry (Robinsonův kříž), lopatkové anemometry, anemometry s výkyvnou deskou (Wildova korouhev, Dalozův kyvadlový anemometr).

Obrázek 18 - Miskový mechanický anemometr

o Aerodynamický - tlak proudícího vzduchu je přenášen a porovnáván s tlakem statickým.

o Zchlazovací - čidlo tvořené drátkem je vystaveno zchlazujícímu účinku větru, přičemž můžeme určit rychlost zchlazování nebo energii potřebnou k náhradě (kompenzaci) odejmuté energie

Termoanemometr - přístroj, který k určení rychlosti proudění vzduchu využívá zchlazování zahřívaného čidla a na základě změny odporového drátku je pak určena rychlost proudícího média.

Obrázek 19 - Princip měření Termoanemometru

Katateploměr - jedná se o dva teploměry (suchý a vlhký), u nichž se měří rychlost zchlazování. Ta je odvislá od teploty okolí a rychlosti větru. V potrubí jsou umístěny dva čidla – odporové teploměry. Hodnota poměru odporů je rozdílná , stejně tak hodnota proudu I_P je výrazně větší a ohřívá odpor R_P teploměru. Odpor R_T má teplotu okolního média. Napájecí proud i je mírou průtoku větrů, přičemž RO je regulační obvod, který udržuje teplotu vyhřívaného čidla na konstantní hodnotě.

Obrázek 20 - Princip měření Katateploměru

o Akustické - tyto anemometry měří nebo odvozují rychlost, ale i směr větru, ze změn šíření zvuku v atmosféře. Jde např. o ultrazvukové anemometry.

o Dopplerovy – jsou založeny na principu Dopplerova jevu. Jde o laserové anemometry, kdy se laserový paprsek opticky rozděluje na dvě části (oba paprsky mají stejnou frekvenci), které se sbíhají v bodě měření rychlosti tekutiny. Při interakci světla laseru s mikroskopickými částicemi obsaženými v měřené tekutině, dochází k rozptylu světla v bodě, kde se stýkají paprsky.

Rozptýlené světlo má po interakci s pohybujícími se částicemi jinou frekvenci. Světlo směřující po proudu média má frekvenci vyšší, přičemž světlo rozptýlené proti proudu média mí frekvenci nižší. Světlo z obou paprsků vzájemně interferuje a vytváří třetí frekvenci, která je přímo úměrná rychlosti kolmé na osu úhlu obou paprsků.

Obrázek 21 - Princip Dopplerova laserového anemometru

1.2.2 Ultrazvukový anemometr AS-3

Jde o výrobek firmy EMAG Katovice. Anemometr slouží ke kontinuálnímu měření rychlosti důlních větrů. Měřicí systém je ultrazvukový. Anemometr se smí používat ve všech prostorách s nebezpečím výbuchu metanu a uhelného prachu.

Základní části přístroje je měřící systém umístěný ve dvoudílné rouře. Měřící systém tvoří dva ultrazvukové snímače sloužící současně jako vysílací a snímací, upevněné na koncích držáků zabudovaných v rouře, která je chrání před mechanickým poškozením.

Vně roury je uchycena skříňka, ve které je umístěna elektronika a displej. Do skříňky vstupuje přes kabelovou vývodku stíněný kabel, kterým je přivedeno napájecí napětí a současně vychází analogový signál do přenosného systému a přes kabelovou vývodku je vyveden binární signál pro

světelnou nebo zvukovou signalizaci.

Měřící místo je rovněž nutné vybrat tak, aby se proudění ovzduší blížilo co nejvíce laminárnímu proudění a je nutno se vyhýbat místům, kde dochází k turbulencím nebo jiným dynamickým vlivům, majícím vliv na přesnost měření.

Obrázek 22 - Ultrazvukový anemometr AS-3 v Ex provedení

2 Systémy automatické identifikace objektu

Jedním z důsledků působení faktorů úspěšnosti (zvyšování kvality, snižování nákladů, zvyšování pružnosti) je požadavek na zdokonalení informačních a řídicích systémů a jejich automatizaci. Informační a řídicí systémy podporované výpočetní technikou jsou založeny na zpracování dat v reálném čase.

Výrazně stoupají nároky na rychlost a bezchybnost pořizování dat, na rychlou a bezchybnou identifikaci prvků, k nimž jsou informace vztahovány. Vzniká mohutný tlak na automatizované pořizování dat, automatické řízení procesů, automatickou kontrolu, na rychlý přístup k uchovávaným informacím v rozsáhlých datových bázích apod.

Základem rychlého, spolehlivého a hospodárného zajištění všech uvedených aktivit je aplikace systémů automatické identifikace (SAI).

V informačních a řídicích systémech je nezbytné významné hmotné i nehmotné prvky jednoznačně a nezaměnitelně identifikovat. Jde především o materiály, výrobky, zboží a logistické jednotky, v nichž jsou tyto hmotné prvky dopravovány, skladovány a distribuovány, ale také jde o výsledky činností nehmotné povahy – např. služby.

Systémy automatické identifikace se zakládají na několika základních komponentech:

- snímací zařízení – komponenta umožňující přečtení identifikačního kódu a jeho další zpracování v místě střetu daného objektu s informačním systémem.

- nosič kódu – slouží k zachycení symboliky kódu a je součástí daného objektu. Může být v podobě média s pamětí stavu R/O – nepřepisovatelnou, nebo R/W přepisovatelnou.

- programová jednotka – umožňuje změnu a zápis informace na médium.

- vyhodnocovací jednotka – umožňuje převedení zjištěného kódu na formu informace potřebnou pro zpracování.

Technologie systémů automatické identifikace se v zásadě podle fyzikálního principu rozdělují na optické, radiofrekvenční, magnetické a induktivní.

Optické systémy používají světlo, které se odráží od tištěných vzorů a je snímáno světlocitlivými přístroji. Jsou reprezentovány např. čárovými kódy. Tyto systémy nejsou vhodné pro použití v důlním prostředí.

Radiofrekvenční systémy fungují na základě přenášeného radiového signálu, který vyvolává odpověď z čipu ve formě naprogramované rádiové zprávy. Identifikační čip může být pasivní nebo aktivní. Snímač aktivuje pasivní čip, který pomocí antény vysílá v určitém kmitočtu impulsový nebo nemodulovaný radiofrekvenční signál. Čip odpovídá pomocí zpětného využití malého množství energie přijatého signálu, čímž se čip napájí. Čip odešle kód zpět do snímače pomocí modulovaného radiofrekvenčního signálu. Aktivní štítek může data přijímat, ukládat i vysílat. Tento systém je pro použití v důlním prostředí nejefektivnější. Příkladem jsou RFID čipy.

Magnetické systémy používají ke kódování informací magnetického povlaku nebo proužku, který je většinou nanesen na plastové kartě.

Indukční systémy pracují téměř stejně jako radiofrekvenční systémy s tím rozdílem, že jako přenosové médium kódovaných dat využívají principu elektromagnetické indukce.

K identifikaci můžeme využít např. automatizované systémy RFID, kontaktní systémy DALLAS nebo také systémy na bázi čárových kódů, magnetických karet apod. Pomocí těchto systémů lze sledovat aktuální pozici objektu, identifikovat důležitá data o objektu a následně tyto data poskytnout např. dalším řídícím systémům. Pro těžké důlní podmínky jsou vhodné především automatizované systémy RFID, nebo DALLAS.

2.1 Automatizované systémy DALLAS

Jde o kontaktní systémy identifikace objektů, kdy médiem v němž jsou uloženy informace jsou tzv. DALLAS čipy. Čipy pracují jako kontaktní prvky a je nutný fyzický kontakt se čtecím zařízením. Čtecí čidlo je však díky své konstrukci výrazně méně zranitelné.

ID čipy jsou produktem firmy Dallas semiconductor. Obsahují jedinečný 64-bitový kód a výrobce garantuje, že nikdy nevyrobí dva identické čipy, což zaručuje nezaměnitelnost identifikace. Čipy vynikají odolností vůči teplotám, agresivitě prostředí i nevlídnému zacházení, jsou obecně odolnější než veškerá ostatní média. Tyto čipy mohou pracovat ve dvou variantách a to R/O – ve stavu nepřepisovatelé paměti a nebo R/W – ve stavu s přepisovatelnou pamětí pro ukládání informací.

iButton Can

Obrázek 23 - Provedení DALLAS čipu

Čipy jsou uloženy v ocelovém pouzdře uložené na křemíkovém jádru. 64-bitové registrační číslo je laserem vypálené ve struktuře čipu při výrobě, skládá se z 8-bitového Family kódu, 48-bitového sériového čísla, 8-bitového kontrolního součtu. Je zaručeno, že neexistují dva stejné čipy. Komunikace mezi nadřízeným (MASTER) mikroprocesorem a podřízeným (SLAVE) prvkem (čipem) probíhá za použití protokolu 1-Wire rychlostí až 16,3 kb/s.

Obrázek 24 - Čtečka Dallas čipů DS9092GT

2.2 Automatizované systémy RFID

Identifikační systémy využívají bezkontaktní identifikace prostřednictvím paměťových čipů. Paměťové čipy obsahují jedinečnou informaci určenou výrobním číslem čipu. Čipy jsou k dispozici v provedení pro čtení nebo pro čtení a zápis. Čipy využívají nosnou frekvenci 125 kHz a 13,56 Mhz. Charakteristiky čipů s frekvencí 13,56 Mhz: rychlý cyklus čtení-zápis, cca 20 kB/sec (tj. cca 10 x rychlejší než u čipů s frekvencí 125 kHz), krátká reakční doba, vysoká bezpečnost přenosu, možnost využití v aplikacích, průmyslu i kancelářích.

Systémy tohoto typu lze s úspěchem využívat při identifikaci pohybu materiálu – evidence vratných obalů, palet, sudů, apod. Využití je možné při evidenci zařízení podléhajících pravidelné kontrole – tlakové lahve, hasicí přístroje, apod.

Obrázek 25 - Provedení čipu RFID

Možnost zjištění místa přítomnosti objektu je založena na použití elektronického čipu. Ten obsahuje kmitavý obvod, který reaguje na vysokofrekvenční vysílání vysílače/přijímače, kterému předává zpět informace. RFID čipy jsou vyrobeny s křemíku a umožňují přijmout vysílaný signál pomocí antény s laděným obvodem. Signál vrátí zpět s jednoznačnou informaci o každém jednotlivém objektu. Je přitom možné čtení mnoha čipů současně.

Ke zjištění pohybu objektu v logistickém procesu slouží čtečky umístěné na plánované transportní cestě. Tyto čtečky vysílají vysokofrekvenční signál v rozsahu MHz nebo GHz, který je naladěn na stejnou frekvenci jako kmitavé obvody jednotlivých čipů.

Když dorazí čip a s ním spojený objekt do dosahu vysílačů a čteček, kmitavý obvod přijme signál vysílačů a zároveň ho moduluje. Modulace slouží k přenosu identifikačního čísla EPC (Electronic Product Code) z čipu/objektu na čtečku.

Čtečka následně dekóduje informaci z vysokofrekvenčního přenosového signálu čipu a předává zjištěné EPC dál zjištěné informace do logistického procesu.

Při tzv. aktivních čipech není citlivý obvod (čip) napájen jen energií přijímaného signálu, ale i přes pomocnou baterii. Čipy mohou obsahovat i paměť, na kterou je možné přes čtečku zapisovat a zpětně ji číst, například informace o stavu výroby auta na výrobní lince. Některé čipy lze také použít jako snímače, například při měření teploty.

Obrázek 26 - Princip snímání informací pomocí RFID technologie

3 Přenos dat z důlního prostředí na povrchové pracoviště dispečinku

Data (informace) jsou přenášena médiem (metalické vedení, optické vlákno, vzduch) v podobě změn vhodné fyzikální veličiny (nejčastěji napětí, proudu, intenzity světla) - signálu. Je nutné si uvědomit, že každé reálné přenosové médium přenášený signál nějakým způsobem deformuje. Obecně se uvažují tyto vlivy deformace:

Útlum signálu (který je závislý na frekvenci)
Rychlost šíření signálu (která je různá pro různé frekvence)
Rušení z okolních zdrojů

Obvykle není možné přenášet digitální signál v základním pásmu, protože ten obsahuje stejnosměrnou složku (bez použití vhodného kódování) a navíc zabírá značně širokou část spektra. Proto se používá vhodná nosná frekvence, na kterou se přenášený signál moduluje. Vše je popsáno obecným vyjádřením nosného signálu:

kde s(t) je přenosový signál, A je amplituda, w je frekvence původního signálu, j je fáze signálu. Informaci můžeme přenášet změnou frekvence, amplitudy nebo fáze nosného signálu, příp. jejich kombinací. Pro možnost použití je nutné mít na straně odesílání zařízení pro modulaci signálu (modulátor) a na straně příjmu signálu pak následně demodulátor.

3.1 Nejčastější typy modulací

a) Amplitudová - u více možných amplitud problém s proměnným útlumem v čase, vhodné spíše pro určení přítomnost/nepřítomnost signálu.

b) Frekvenční - odolné proti rušení

c) Fázová

3.2 Důlní přenosový systém DPS - 2000

Důlní přenosový a vypínací systém je modulární systém pro obousměrný přenos informací mezi důlní částí tvořenou koncentrátory dat typ DKD 2000 s koncovými snímacími čidly a povrchovou částí tvořenou komunikační a napájecí jednotkou PKD 2000 napojenou na inteligentní koncentrátor SGS32 – tess a následně přes bezpečnostní server SGS32-server do dispečerské informační sítě na úrovni SGS32-client a následně do globální informační sítě důlního podniku. Vychází ze současných potřeb důlních podniků přenášet na povrchové pracoviště dispečera velké množství technologických a bezpečnostních informací z dolu. Konstruovaný je pro velké vzdálenosti s centrálním napájením a hvězdicovým rozvodem. Napájecí a přenosové medium je jeden telefonní pár pro každý koncentrátor DKD 2000. Přenášené informace mohou být binární a analogové. Počet přenášených informací je dán počtem připojených koncentrátorů dat a napojených čidel. Na koncentrátor SGS32-tess plně vybavený MOXA kartami je možno připojit až 1536 binárních nebo analogových informací s možností dalšího rozšíření počtu připojených čidel. Systém umožňuje kromě sběru informací rovněž vypínání elektrické sítě přes vypínací převodník DVP 2000.

Obrázek 27 - Architektura hardwaru důlního přenosového systému DPS-2000

Důlní koncentrátor dat DKD 2000 je spojen s povrchovou částí pomocí klasického telefonního páru vodičů , splňující běžné telefonní požadavky . Elektronika je umístěna v kompaktní skříni, která má prostor pevného závěru, kde je umístěna část napájecí a část jiskrově bezpečná, ve které je umístěna elektronika řídícího procesoru a svorkovnicová část pro připojení čidel. Koncentrátor je tedy v provedení „EExd“ a je možno jej umístit do prostoru s nebezpečím výbuchu metanu a čidla, která budou napojována, mohou být umístěna do prostoru se zvýšeným nebezpečím výbuchu metanu. Je to elektronické zařízení , zajišťující sběr dat ze vstupů pro připojení čidel a ovládání dvou párů vypínacích míst přes inteligentní vývodkové převodníky.

Důlní koncentrátor je řešen stavebnicově a lze jej vybavit moduly binárních a analogových vstupů. Lze připojit současně čtyři trojdrátové frekvenční vstupy přes převodníky typu AP3 a osm dvoudrátových binárních nebo frekvenčních vstupů přes převodník AP2. Analogovo-frekvenční převodníky AP2 a AP3 (dále jen APX) zajišťují pro čidla napájecí napětí (mechanicky přepínané 15 V, 5V ) a jejich výstupní analogové signály převádějí na frekvenci v pásmu 200 - 600 Hz.

Komunikace mezi důlním koncentrátorem a povrchovým serverem probíhá po napájecím páru vodičů frekvenční modulací – 2FSK modulací. Modulaci zajišťují modemy na povrchové kartě a v DKD 2000 . Komunikace probíhá po napájecím páru vodičů .

3.3 Monitorovací a řídící systém MTA 11.00

Sestava monitorovacího a řídicího systému MTA 11.00 je znázorněna na obr. 5. Systém MTA 11.00 se skládá ze skříně MTA 21.00, protokolární tiskárny, terminálu obsluhy MTA 22.00 a technologického terminálu inspekční služby MTA 23.10 (počítače zajišťující svými vlastnostmi kompatibilitu s PC/AT) na povrchu dolu, až 480 ks souprav pro měření koncentrací plynů, tj. metanu v důlním prostředí pomocí měřicích souprav MTA 4010; oxidu uhelnatého v důlním prostředí pomocí měřicích souprav oxidu uhelnatého MTA 4020; kyslíku v důlním prostředí pomocí měřicích souprav MTA 4030; vodíku v důlním prostředí pomocí měřicích souprav
MTA 4040; oxidu siřičitého v důlním prostředí pomocí měřicích souprav MTA 4050; oxidu dusičitého v důlním prostředí pomocí měřicích souprav MTA 4060. Dále lze k MTA připojit i soupravy MTA 6010 pro měření rychlosti důlních větrů, soupravy MTA 5010 pro měření teploty, soupravy MTA 7010 pro měření tlaku nebo deprese, případně jiné analogové snímače. K MTA 11.00 lze rovněž připojit až 480 binárních snímačů s výstupem 0 V a 24 V. Inteligentní binární výstupy se připojují přes analogové vstupy. Od připojených analogových a binárních snímačů lze programově provádět ovládání až 240 elektrických zařízení.

Centrální jednotkou systému MTA 11.00 je terminál obsluhy MTA 22.00 na bázi počítače kompatibilního s PC/AT včetně protokolární tiskárny a doplněný potřebným programovým vybavením, které zpracovává naměřené hodnoty, tj. změřené frekvence z jednotlivých snímačů jsou přepočteny na fyzikální veličiny a ty se porovnávají s předem zadanými mezemi, jsou ukládány do paměti a současně předávány na technologický terminál inspekční služby MTA 23.10 a v případě překročení mezí je aktivována optická i akustická signalizace a od přiřazených analogových nebo binárních snímačů je dán povel k ovládání elektrických zařízení, například vypnutí elektrické energie.

Vstupní mikropočítačová jednotka slouží obsluze k programovému řízení vstupů a výstupů v reálném čase a je osazena mikropočítačovými moduly: procesor, paměti (RAM, EPROM), seriové kanály (RS 232), galvanicky oddělené vstupy a výstupy. Vstupní karty slouží k přivedení upravených frekvenčních výstupů PNS, VFW a ostatních snímačů do řídicí jednotky. Karta sériových kanálů umožňuje sériový přenos dat ze vstupní mikropočítačové jednotky rozhraním RS 232 do terminálu obsluhy.

Systém MTA 11.00 může být rovněž doplněn podsystémem DAP, který přenáší obousměrně informace na bázi časového multiplexu mezi řídicí jednotkou a koncovými moduly. Vyhodnocená data pak předává k dalšímu zpracování na nadřízený terminál, z kterého zároveň přijímá pokyny pro koncové moduly. Komunikace mezi vanou DAP a technologickým terminálem je po sériové lince standardu RS 232. Komunikace mezi řídicí jednotkou a koncovými moduly probíhá po přenosové lince.

Obrázek 28 - Architektura hardwaru systému MTA 11.00

4 Doplňující pojmy

Senzor - je chápáno zařízení, které snímá sledovanou fyzikální, chemickou nebo biologickou veličinu a dle určitého definovaného principu ji transformuje fyzikálním převodem na veličinu výstupní často elektricky kvantitativní. Stav sledované veličiny snímá citlivá část senzoru občas označovaná jako čidlo a zpracovává vyhodnocovací obvod senzoru. Výstupní informací z vyhodnocovacího obvodu senzoru je kvantitativní, obvykle elektrický signál, který je vyhodnocen elektronickým detektorem a lze ho dále zpracovat dalšími obvody.

Časový multiplex TDM - je princip přenosu více signálů jedním společným přenosovým médiem. Jednotlivé signály jsou odděleny tím, že se každý z nich vysílá (přenáší) pouze krátký pevně definovaný časový okamžik. Laicky řečeno „každý chvilku tahá pilku“. Prakticky ve všech případech se používá rámcové struktury, která je rozdělena na stejně velké timesloty (TS), časové intervaly pro vysílání, pro každý signál jeden. Tento rámec se v čase neustále opakuje a tedy každý signál se přenáší stále se stejnou pravidelností.

Dopplerův jev - popisuje změnu frekvence a vlnové délky přijímaného signálu oproti vysílanému signálu, způsobenou nenulovou vzájemnou rychlostí vysílače a přijímače. Jestliže pohyblivý zdroj vysílá signál s frekvencí f₀, pak stojící pozorovatel přijímá signál s frekvencí f.

kde v je rychlost vln v daném médiu, v_sr je relativní radiální rychlost zdroje vůči pozorovateli (kladná rychlost znamená přibližování, záporná vzdalování). Pro stacionární zdroj a pohyblivý přijímač je situace obdobná:

$f = f_0 \left (1 + \frac {v_0}{v} \right )$

kde $v 0$ je rychlost přijímače a pro přibližující se přijímač je kladná, pro vzdalující se je pak záporná.

5 Literatura

Martinek R. Senzory v průmyslové praxi, Praha: BEN, 2004, ISBN 80-7300-114-4

Řežábková I., Systémy automatického rozpoznávání tvaru, Plzeň: ZČU, 2004, str. 4, referát

Kořínek K., Kaňoková Z. a kolektiv, Ochrana před výbuchy plynů, par a prachů, analyzátory plynů, detekční přístroje, Praha: GAS s.r.o., 2006, ISBN 80-7328-096-5

6 Elektronické zdroje informací

VŠ Chemicko-Technologická v Praze – Ústav fyziky a měřící techniky

http://www.vscht.cz

Firma GAS a.s. – dovozce měřící a regulační techniky

http://www.gas-as.cz

Firma ASEKO – výrobce měřících ústředen, snímačů a detektorů výbušných a toxických plynů

http://www.aseko.cz

Firma MTA Ostrava – výrobce a dodavatel měřící a regulační techniky

http://www.mta-ostrava.cz

Firma COMINFO – výrobce a dodavatel systémů pro bezkontaktní identifikaci objektů

http://www.cominfo.cz

Firma IVAR – zabývá se informačními technologiemi

http://www.ivar.cz

Firma Siemens

http://www.sbs.siemens.cz/web

Firma ZAM Servis s.r.o., Ostrava – zabývající se automatizační technikou pro společnosti s důlní i povrchovou činností

http://www.zam.cz

RFID portál – portál věnovaný bezkontaktní identifikaci objektů

http://www.rfidportal.cz/

EMAG - Centrum Elektryfikacji i Automatyzacji Gornictwa, Katovice – firma zabývající se automatizací v hornictví

http://www.emag.pl