Tietoliikenne- ja järjestelmäratkaisut Kemin kaivoksen tiedonhallinnassa - kannettava tukiasema tiedonsiirron kattavuuden parantamisessa

Transkriptio

1 Tietoliikenne- ja järjestelmäratkaisut Kemin kaivoksen tiedonhallinnassa - kannettava tukiasema tiedonsiirron kattavuuden parantamisessa Jyrki Salmi, Risto-Matti Toivanen Outokumpu Chrome Oy Kemin kaivos, PL 172, Kemi jyrki.salmi@outokumpu.com, risto-matti.toivanen@outokumpu.com Pirjo Seppälä, Marko Paavola, Kauko Leiviskä Säätötekniikan laboratorio, Oulun yliopisto, PL 4300, Oulun yliopisto pirjosep@gmail.com, marko.paavola@oulu.fi, kauko.leiviska@oulu.fi AVAINSANAT kaivosautomaatio, tuotannonohjaus, langaton automaatio TIIVISTELMÄ Nopeasti kehittyvä kaivosautomaatio asettaa monipuolisia vaatimuksia tietoliikenne- ja - järjestelmäratkaisuille. Tiedonsiirtokanavia pitkin on kyettävä välittämään niin mittaukset, prosessin säädöt, ääni kuin kuvakin. Tietojärjestelmillä on kyettävä hoitamaan mm. tuotannon suunnittelu, valvonta ja ohjaus sekä erilaisten kulutus-, käyttö- ja ympäristötietojen tallentaminen. Tässä esityksessä kuvataan lyhyesti Outokumpu Chrome Oy:n Kemin kaivoksen tuotannon tietojärjestelmä ja langattoman lähiverkon toiminta. Työ perustuu aiempaan dokumentaation, kaivoksella suoritettuun kartoitukseen ja haastatteluihin. Lisäksi perehdytään erääseen tiedonsiirtoa rajoittavaan ongelmaan, WLANverkon kattavuuteen kaivoksen tunneliverkossa. Kannettavaa tukiasemaa voitaisiin käyttää kuuluvuuden parantamiseksi ja esityksessä tuodaan esille myös tästä saatuja kokemuksia erityisesti louhintaperien osalta. 1 JOHDANTO Kaivosautomaatio on kehittynyt nopeasti viime vuosina ja kaivosten automaatioaste on noussut. Kaivosautomaatiolle ominaisia piirteitä ovat toimiminen maan alla ja maan päällä, tarve siirtää tavallisen mittaustiedon lisäksi ääntä ja kuvaa samoja tiedonsiirtokanavia pitkin, tavanomaisten prosessin säätöjen ja liikkuvien koneiden ohjauksen integrointi, sekä osittain myös prosessilaitteiden ja liikkuvien työkoneiden kunnonvalvonnan yhdistäminen. Näiden lisäksi tarvitaan tietojärjestelmiä myös tuotannon suunnitteluun, valvontaan ja ohjaukseen sekä käyttö-, kulutus- ja ympäristötietojen keräämiseen, tallentamiseen ja raportointiin. Suuntaus on integroituihin järjestelmiin, yhtenäisiin tietokantoihin ja standardoituihin järjestelmäratkaisuihin. Seuraava esitys perustuu Outokumpu Chrome Oy:n Kemin kaivoksen kokemuksiin /6/. Tuotannon tietojärjestelmän lisäksi tarkastellaan erityisesti Kemin maanalaisen kaivoksen lähiverkon ja langattoman lähiverkon teknistä toteutusta ja kapasiteettia, sekä verkkosignaalin kattavuutta ja sen parantamista kaivoksessa. Kokeellisessa osassa tutkitaan langattoman tukiaseman soveltuvuutta kuuluvuuden parantamiseksi kaivoksen tunneliverkon niissä osissa, joissa verkon täydellistä kattavuutta ei ole pystytty järjestämään, kuten esimerkiksi louhosperissä. Kattavuuden parantaminen on tärkeää, koska se mahdollistaisi reaaliaikaisen tuotantotietojen siirron sekä Voice over IP (VoIP) puheyhteyden. Näin ollen tuottavuus paranisi ja työskentelyolosuhteet olisivat turvallisemmat. Langattomien tukiasemien toimintaa ja signaalien kuuluvuutta on tutkittu aikaisemmin kaivoskoneiden käyttöön suunnitellun b langattoman lähiverkon toteutuksessa /3/. Niitä on myös sovellettu Pyhäsalmen kaivoksella /6/. Kappaleessa 2 kuvataan kaivoksen tuotannon tietojärjestelmä ja langaton lähiverkko puolestaan kappaleessa 3. Langattoman lähiverkon kuuluvuuden laajentamiseksi suunniteltu kannettava tukiasema testaustuloksineen esitellään kappaleessa 4. Yhteenveto löytyy lopuksi luvusta 5.

2 2 KAIVOKSEN TUOTANNON TIETOJÄRJESTELMÄ Kemin kaivoksella on käytössä tiedonhallintaan kehitetty Kaivoksen Tuotannon Tietojärjestelmä, KaTTi. KaTTi on tuotannon ohjaus- ja seurantajärjestelmä, joka kattaa kaivoksen koko tuotantoketjun alkaen geologisista tiedoista rikasteiden toimitukseen saakka. Järjestelmä yhdistää eri tietolähteiden tiedot kokonaisuuksiksi. Tämä mahdollistaa nopean raportoinnin ja helpottaa suunnittelua, toteutusta sekä päätöksentekoa viimeisimpien tietojen ja tarpeiden mukaan. /2, 5/ KaTTi-järjestelmään kuuluvat selaintyyppinen yleiskäyttöliittymä, keskitetty tietokanta ja tietokannan käyttöön tarvittavat valikoidut ohjelmat ja sovellukset. Järjestelmä pitää sisällään kaiken kaivoksen toimintaan liittyvän tiedon, ja siinä toimivat sovellukset on integroitu käyttämään samaa Oracle-tietokantaa. Järjestelmän rakennetta ja sen osia on havainnollistettu Kuvassa 1. /2, 5/ Kuva 1. Kaivoksen tuotannonohjaus- ja seurantajärjestelmä. /4/ Tietojärjestelmää käytetään kaivoksen tuotannon päivittäiseen raportointiin. Raportoinnin tiedot tallennetaan jatkuvasti päivittyvään tietokantaan. Tietokannan kaikki tiedot varmennetaan lisäksi Outokummun tietokantapalvelimelle kolmesti päivässä. Tietokannan tietojen varmentamisella parannetaan järjestelmän toimintavarmuutta ja sen toimimista tallennettujen tietojen arkistona. Tiedonhaku järjestelmän tietokannasta on mahdollista koko sen käyttöiän ajalta. /1, 2, 5/ 3 KAIVOKSEN LANGATON LÄHIVERKKO Tietoliikenneverkko on oleellinen osa koko kaivoksen toimintaa ja toiminnan hallintaa. Kemin kaivoksen teollisuus-ethernet -pohjainen tietoliikenneverkko yhdistää kaivoksen maanpäällisen ja maanalaisen osan. Automaatioverkko yhdistyy tietoliikenneverkkoon vain virustentorjuntapalvelimen kautta toimivuuden ja turvallisuuden takaamiseksi. Kaikki käyttöluokitukseltaan tärkeiksi luokitellut verkon toiminnot, kaapeloinnit ja laitteistot on lisäksi kahdennettu koko kaivoksen tuotantoalueella. /4/ Kaivoksen lähiverkko koostuu langallisesta ja langattomasta väylästä. Molempia väyliä käytetään puheen-, datan- ja kuvansiirtoon kaivoksen eri työpisteiden välillä. Langallinen verkko kattaa koko kaivoksen

3 tuotantoalueen ja langaton lähiverkko on jaettu virtuaaliverkkoihin, jotka ovat eri toimintojen käytössä. Kemin kaivoksella on erillinen digitaalinen Voice over IP (VoIP) -järjestelmä ja analoginen lankapuhelinverkko. Lankapuhelinverkkoon on kytketty kaikki maanalaisen kaivoksen lankapuhelimet toimistoissa ja suojapaikoilla. Verkko takaa puheliikenteen kaivoksen ja maanpinnan välillä. Kemin maanalaisessa kaivoksessa langaton lähiverkko perustuu TCP/IP-toteutukseen, jossa tukiasemien välisellä yhteydellä toteutetaan edestakainen data- ja puheliikenne. Verkko perustuu 2,4 GHz:n taajuudella toimivaan runkoverkkoon. Runkoverkon tukiasemien välillä käytetään 5 GHz:n taajuusalueita paitsi puhedatalle 2,4 GHz:n taajuusalueita. Kuva 2 esittää tukiasemien sijoittelua kaivoksen vaakaleikkauksen risteysalueilla ja kaivoskoneiden sijaintia louhosten perässä tuotannon aikana yhdessä liikkuvan kaluston, henkilöiden ja puhelimien sijainnin kanssa. Eri tuotantotasoilla käytettävät kaivoskoneet sisältävät tiedonsiirtopalvelimen, jonka tarkoitus on toimia langattomassa lähiverkossa tuotantotiedon siirtoon koneen ja tukiaseman välillä. Tuotantotiedot, esimerkiksi porausdata, siirtyy lähiverkon kautta kaivoksen tuotannon tietojärjestelmän tietokantaan, josta tiedot siirretään muihin ohjelmiin tuotannon suunnittelua ja seurantaa varten. Kuva 2. Kaivoksen langattomassa lähiverkon tiedonsiirto. /4/ Tiedonsiirtoa rajoittaa tällä hetkellä WLAN-verkon kattavuus. Langattoman lähiverkon signaali kattaa parhaiten tällä hetkellä kaivoksen yhdysperästä suoralla yhteydellä olevan louhintaperän ja niiden yhdysperien risteysalueen, johon WLAN-tukiasema on asennettu (Kuva 3). Lisäksi signaalin kattavuus riittää peittämään myös yhdysperien tukiasemien välisen alueen likimain kokonaan. Tukiasemat on pyritty sijoittelemaan niin, että signaalien peittoalueet menevät päällekkäin, jotta päätelaitteet saavat signaalin seuraavalta tukiasemalta ja kanavanvaihto virtuaaliverkkojen sisällä tapahtuu mahdollisimman pienellä aikaviiveellä.

4 Kuva 3. Langattoman lähiverkon signaalin kattavuus tuotantotasolla 475. /4/ 4 LANGATTOMAN LÄHIVERKON KATTAVUUDEN PARANTAMINEN Useammat tekijät vaikuttavat langattoman lähiverkon kattavuuteen kaivosolosuhteissa. Kattavuus riippuu verkon rakenteesta ja toimilaitteista sekä tunneliverkoston rakenteesta. Signaalin voimakkuus riippuu valitusta antennista sekä sen suuntauksesta. Tunneleiden mutkat estävät osittain ja paikoin kokonaan signaalin etenemisen. Heijastuminen seinämistä muuttaa signaalin etenemisreittiä ja rosoiselta seinäpinnalla tapahtuu lisäksi hajontaa. Verkon toimintakyvyn selvittämiseksi Kemin kaivoksen WLAN-verkosta tehtiin Wlan site survey tutkimus /6/. Tutkimuksessa tukiasemien väliset etäisyydet todettiin paikoin liian pitkiksi. Kuuluvuusalueen reunalla liikkuva päätelaite vastaanotti tukiaseman signaalin hyvin, mutta tukiasema ei vastaanottanut päätelaitteen palauttamaa signaalia. Myös tehotasot todettiin tutkimuksen aikana suuriksi. Antennikaapeleiden todettiin olevan pitkiä, jolloin signaalien vaimennus kasvaa. Yhtenä mahdollisuutena kattavuuden parantamiseksi testattiin kannettavan, salkkuun sijoitettavan tukiaseman käyttöä /6/. Erityisesti haluttiin kokeilla, miten toimintakykyinen ja liikuteltava kannettava tukiasema todellisuudessa on. Lisäksi testattiin kyseisen tukiaseman signaalin kantamaa kaivoksen kahdessa louhintaperässä. Kannettavalla tukiasemalla voidaan laajentaa jo kaivoksessa olevaa b/g-standardin mukaista langatonta lähiverkkoa. Se on myös lisättävissä verkkoon ilman suurempia rakenteellisia verkkomuutoksia. Kannettavat tukiasemat vähentävät kaapelointitarvetta. Lisäksi tukiasemat ovat siirrettävissä eri työvaiheiden, kaivoksen rakenteellisten muutosten ja räjäytysten mukaan. Testauksessa käytettiin kannettavaa tietokonetta, jossa oli Chanalyzer Spectrum Analysis -ohjelmisto ja Wi-Spy DBx-sovitin. Ohjelmiston avulla nähtiin käytettävissä olevat verkot, 2,4 GHz:n ja 5 GHz:n taajuusalueiden kanavat sekä tarkasteluun valitun kanavan kautta kulkevaa dataliikennettä. Lisäksi käytettiin kannettavaa näyttöpäätettä, joka oli samanlainen kuin kaivoskoneilla, ja johon sai avattua nettiselaimen. Lisäksi käytettiin VoIP-puhelimia, joiden asetuksissa on Sivustotutkimus niminen sovellus. Sen avulla nähtiin tukiasemat,

5 käytössä olevat kanavat, kanavan käyttäjämäärät ja RSSI:t. Etäisyydet maanalaisessa kaivoksessa määritettiin sekä Kaivosvisualisointi-sovelluksella että mittapyörällä. Kartoitusten suorituspaikaksi valittiin 425-tason louhintajaksojen yhdysperät (Kuva 4). Tälle tuotantoalueelle tukiasemiin oli asennettu 5GHz:n runkoverkolle sektoriantennit sekä 2,4 GHz:n puheliikenteelle ympärisäteilevät antennit. Mittauksia tehtiin tukiasemien 22 ja 23 välisissä louhintaperissä. Kannettava tukiasema sijoitettiin 425-tason louhintajakson 22 yhdysperästä lähtevien louhoksien risteyksiin kartoituspisteisiin 1 ja 2 keskelle risteysaluetta, josta oli näköyhteys vain louhintajakson 22 yhdysperien risteykseen sijoitettuihin (tukiaseman 22) antenneihin. Etäisyyttä antenneista kannettavaan tukiasemaan oli kartoituspisteessä 1 noin 15 metriä ja kartoituspisteessä 2 noin 30 metriä. Kuva 4. Tason 425 mittausjärjestelyt (Karttapohja Kaivosvisualisointi-sovelluksesta). Louhintaperässä päästiin sekä puhelimella että kannettavalla näyttöpäätteellä samaan verkon kattamaan etäisyyteen eli noin 60 metriin. Kartoituspisteessä 1 testipuhelu katkesi 50 ja 60 metrin välillä. Kartoituspisteeltä 2 päästiin testipuhelun katkeamatta louhoksen perälle verkottamattoman alueen laidalle saakka eli noin 60 metriin ( db). Kannettavan näyttöpäätteen ja tukiaseman välinen signaali katkesi kartoituspisteissä 1 liki samassa kohdassa kuin testipuhelu ja kartoituspisteessä 2 signaali. Koska kartoituspisteessä 2 päästiin samaan signaalikantamaan kuin kartoituspisteessä 1 puhelun katkeamatta, saattoi syynä olla tunnelin rakenne tai jokin verkon häiriö, jota ei testaamisen aikana havaittu. Molemmissa kartoituspisteissä salkun vieressä todettiin, että puhelimeen tuli signaali myös tukiasemalta 22. Kartoituspisteessä 1 huomattiin, että puhelimen kiinnittyminen ei välttämättä vaihtunut kannettavaan tukiasemaan, koska ympärisäteilevä antenni oli vain noin 15 metrin päässä kartoituspisteestä 1. Tätä ei kuitenkaan haluttu, jonka takia määritettäessä kattavuutta louhosperässä, puhelimien kanssa siirryttiin louhintaperään niin, että tukiaseman 22 antenneihin ei ollut enää näköyhteyttä. Yhdysperissä 2 ja 3 etäisyys molemmista kartoituspisteistä oli noin 20 metriä. Kartoituspisteeltä 2 puhelimen saaman signaalin etäisyyttä rajoitti yhdysperän kaareutuminen. Yhdysperissä tehtyjen mittausten aikana täytyi seurata tarkkaan, että puhelimen kiinnittymispisteenä ei ollut tukiasema 22.

6 5 YHTEENVETO Kemin kaivoksen nykyinen tietoliikenneverkko kattaa koko tehdas- ja avolouhosalueen maanpäällä ja maanalaisen kaivoksen tuotantoalueen louhintaperiä lukuun ottamatta. Lähiverkon tiedonsiirtokapasiteetti on riittävä tämän hetkiselle puhe- ja dataliikenteelle. Lähiverkko on varmennettu kahdentamalla. Tietoliikenneverkkoa käytetään tiedon välittämiseen kaivoksen osastojen eri toimintojen välillä. Tuotannonohjauksessa ja valvonnassa ovat apuna monenlaiset ohjelmistot ja sovellukset. Perustoimintoja voidaan myös laajentaa luomalla uusia toiminnallisuuksia ja linkkejä tietokannasta. Tietoa hallitaan Kaivoksen Tuotannon Tietojärjestelmällä (KaTTi), jonka yleiskäyttöliittymän ja tietokannan avulla voidaan monipuolisesti hyödyntää tuotannosta ja automaatiojärjestelmästä saatavia tietoja. VoIP-järjestelmällä ja muilla langattomassa verkossa toimivilla sovelluksilla on saatu aikaan reaaliaikainen ja joustava tiedonsiirtoverkosto. Käytössä olevat menetelmät muodostavat hyvän pohjan ohjelmien ja sovellusten jatkokehitykselle. Kannettava tukiasema toimii teknisesti hyvin ja sen avulla verkon kattavuus yhdysperistä louhintaperiin saadaan parannetuksi. Kantamaa rajoittavana tekijänä yhdysperissä on perän rakenteessa olevat kaarteet. Louhintaperissä rajoittavaa tekijää ei varsinaisesti ole ellei työkoneella ole vaikutusta signaaliin. Tukiaseman paras sijoituspaikka on yhdysperän ja louhintaperän risteysalueen keskikohta. Keskikohtaan sijoittaminen ei kuitenkaan ole kaikissa tilanteissa mahdollista. Tällöin tukiasema voidaan sijoittaa louhintaperän leveydellä sellaiseen kohtaan, josta on näköyhteys 5GHz:n antenniin. Salkku tulee asettaa risteykseen niin, että suunta-antenni osoittaa louhittavaan perään päin. Testattua tukiasemaa ei ole kaupallisesti saatavilla, vaan se on Kemin kaivoksen sähkö- ja automaatio -ryhmän kehittelemä ja ylläpitämä. Konekohtaisesti sijoitettaessa tukiasemia tarvitaan vähintään kuusi kappaletta. Ne tulisivat pitkäreikäporauslaitteille ja vaijeripultituslaitteille, koska ne viipyvät louhintaperien työkohteissa pisimpään. Verkotus-pultituslaitteille, jotka viipyvät toiseksi pisimpään työkohteissa, tarvittaisiin vielä kolme tukiasemaa. Kaivoksen tietoliikenneverkon kattavuutta voidaan lisätä käyttämällä langatonta kannettavaa tukiasemaa. Tukiasema osoittautui toimivaksi ratkaisuksi ja sen kattavuus ja kuuluvuusalueet ovat kaivoksen olosuhteissa riittävät. Langattoman verkon kattavuusalueen yltäessä louhintaperiin asti tiedonsiirron automaattisuusaste nousee. VIITTEET 1. Aavamäki J.: KaTTi2 Toimintaympäristön kuvaus. Novo Group Oyj, 2003, 64 p. 2. Aavamäki J.: Kemin kaivos, keskustelut kesällä Aavamäki Consulting Oy, Hargrave C., Ralston J., Hainsworth D.: Optimizing wireless LAN for Longwall coal mine automation. IEEE Transactions on Industry Applications, 43(2007)1, Kemin kaivoksen esittelymateriaali. Outokumpu Chrome Oy, Kemin kaivos, Koistinen P., Nummi M., Toivanen R.-M., Lappalainen P.: Toiminnan- ja tuotannonohjaus, teoksessa: Hakapää A., Lappalainen P. (toim): Kaivos- ja louhintatekniikka. Opetushallitus, Helsinki, Suomi, 2009, 388 p. 6. Seppälä P.:Tietoliikenne- ja -järjestelmäratkaisut Kemin kaivoksen tiedonhallinnassa. Oulun yliopisto, Säätötekniikan laboratorio, diplomityö, 2012.