Integrated perception, decision, and control for tricone blasthole drilling: System development and field validation
Dit artikel presenteert een intelligent controlesysteem dat formatieperceptie, besluitvorming en regeling integreert voor tricone boorgatboren, waarbij door middel van veldproeven een toename van 33,6% in penetratiesnelheid, een reductie van 45,3% in energieverbruik en effectieve detectie van abnormale omstandigheden wordt aangetoond.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Diep in de dagbouwmijnen die de wereld van energie voorzien, boort een enorme machine, een rotatieboorinstallatie, gaten in de aarde. Deze gaten, blastholes genoemd, zijn het startpunt voor het exploderen van gesteente om kolen of ertsen te winnen. De kwaliteit van deze gaten bepaalt hoe efficiënt het gesteente later uiteenvalt, wat direct invloed heeft op de veiligheid en de productiviteit van de gehele mijn. Decennialang hing het succes van deze operatie sterk af van de vaardigheid en intuïtie van een menselijke operator in de cabine. Terwijl de boor het zachte zand verlaat en in hard gesteente dringt, of een verborgen breuk tegenkomt, moet de operator constant raden hoe hij de snelheid en druk van de machine moet aanpassen. Als de gok fout is, kan de boor vastlopen, kan de boorkop breken, of wordt het gat te langzaam geboord, wat tijd en energie verspilt. De uitdaging was altijd geweest dat het gesteente onder de grond onvoorspelbaar is, en de reactie van de machine erop complex is, waardoor het moeilijk is om dit te automatiseren zonder een systeem dat de grond echt kan "voelen" en direct kan reageren.
Een team onderzoekers van het CCTEG Xi'an Research Institute en de China University of Mining and Technology heeft een nieuwe manier ontwikkeld om dit probleem op te lossen. Ze hebben een intelligent controlesysteem ontwikkeld dat fungeert als een verenigd brein voor de boorinstallatie, waarbij drie kritieke functies aan elkaar worden gekoppeld: het waarnemen van het gesteente, het beslissen wat te doen, en het aansturen van de bewegingen van de machine. In tegenstelling tot oudere systemen die deze taken afzonderlijk behandelden, verbindt deze nieuwe aanpak ze in een continue lus. Het systeem houdt voortdurend meerdere signalen van de boor in de gaten, zoals hoe snel de boorkop draait, hoeveel kracht er naar beneden wordt gedrukt en hoeveel vermogen de motoren verbruiken. Het gebruikt deze gegevens om te identificeren welk type gesteente er momenteel doorheen wordt geboord en om te schatten hoe makkelijk of moeilijk dat gesteente te breken is. Op basis van dit begrip selecteert het systeem automatisch de beste snelheid- en drukinstellingen, en geeft het vervolgens de machine de opdracht om die instellingen nauwkeurig te volgen, zelfs wanneer de grondcondities onder de boorkop veranderen.
Om dit systeem te testen, namen de onderzoekers het mee naar een echte open kolenmijn en lieten ze het hun waarde bewijzen op een ZY250E boorinstallatie. Ze hebben niet alleen de machine in een computersimulatie gedraaid; ze hebben 322 werkelijke blastholes geboord, met een totale afstand van meer dan 5.400 meter. De omgeving was zwaar, met temperaturen die daalden tot minus 25 graden Celsius en sterke winden, wat een rigoureuze test vormde voor de technologie. De resultaten toonden aan dat het systeem het type gesteente met een nauwkeurigheid van meer dan 85 procent kon identificeren. Belangrijker nog, het kon detecteren wanneer de boor dreigde vast te lopen—een gevaarlijke situatie die bekend staat als 'drill sticking'—door subtiele veranderingen in het gedrag van de machine op te merken voordat het probleem kritiek werd. Wanneer het systeem een vastloopgebeurtenis detecteerde, reageerde het binnen ongeveer twee seconden door een alarm te geven en de boor te stoppen om schade te voorkomen.
De impact op de efficiëntie was aanzienlijk. In simulaties waarbij hard gesteente voorkwam, zorgden de door het systeem aanbevolen instellingen voor een toename van de boorsnelheid met 33,6 procent vergeleken met handmatige bediening door een menselijke operator. Tegelijkertijd daalde het energieverbruik per geboorde meter met 45,3 procent. Tijdens de veldtesten bereikte de gemiddelde boorsnelheid 35 meter per uur, wat hoger is dan de standaard ontwerpdoelstelling van de boorinstallatie. Voor een typisch gat van 18 meter diep voltooide de machine de klus in ongeveer 13 minuten minder tijd dan voorheen, wat een efficiëntiewinst van meer dan 30 procent vertegenwoordigt. De door het systeem geboorde gaten waren ook precies, waarbij de diameter binnen 3 millimeter van het doel bleef en de diepte met minder dan 1 procent varieerde.
De onderzoekers hebben ook aangetoond dat het systeem met het onverwachte om kan gaan. Wanneer de boor plotseling een verandering in het gesteente tegenkwam, paste het systeem de aanbevelingen onmiddellijk aan. Als het gesteente harder werd, vertraagde de machine de rotatie en verhoogde de neerwaartse druk om stabiliteit te behouden. Als het gesteente zachter werd, versnelde de machine om de voortgang te maximaliseren. Deze coördinatie gebeurde automatisch, zonder dat de operator hoefde in te grijpen. Het systeem hield ook een aparte veiligheidsbewaking bij die onafhankelijk van de normale boorbesturing opereerde. Deze veiligheidstak controleerde de machine op tekenen van problemen, zoals een plotselinge daling in snelheid of een piek in het motortorque, wat vroege waarschuwingen zijn voor een vastgelopen boor. Wanneer deze signalen verschenen, greep het systeem direct in, wat bewees dat het de apparatuur en de operator kon beschermen tegen gevaar onder reële omstandigheden.
Hoewel de studie beperkt was tot één specifiek type boorinstallatie en één mijn, suggereren de resultaten dat het integreren van perceptie, besluitvorming en controle in één enkel systeem een levensvatbaar pad vooruit is voor automatisering in de mijnbouw. Het systeem bewees dat het mogelijk is om verder te gaan dan eenvoudige automatisering, waarbij een machine slechts een vaste reeks regels volgt, naar een slimmere aanpak waarbij de machine zijn omgeving begrijpt en zich eraan aanpast. Door de combinatie van het vermogen om gesteentetypes te identificeren, de juiste instellingen te kiezen en te reageren op gevaar, hebben de onderzoekers aangetoond dat boren sneller, veiliger en efficiënter gemaakt kan worden. Het werk bevestigt dat met de juiste technologie, de onzekerheid van de ondergrondse wereld beheerst kan worden met een niveau van precisie dat menselijke operators alleen niet consistent kunnen bereiken.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.