Präzisionsbohrungen in Salzbergwerken Sprenglochbohrwagen mit Positioniersteuerung

Die Geschichte der Salzgitter Maschinenbau AG geht bis auf das Jahr 1919 zurück. Der Grundstein für die SMAG wurde im Jahre 1937 gelegt, als das Werk für die Konstruktion von Bohrmaschinen von der Salzgitter-Gruppe übernommen wurde. Zu Beginn der Bergbauaktivitäten im Jahre 1941 wurde der so genannte Salzgitter Überkopflader bekannt. Seit der Umwandlung im Jahre 2008 von der Smag GmbH in die Salzgitter Maschinenbau AG, umfasst der Produktbereich in Salzgitter-Bad die Sparten \’Peiner Greifer\‘, mobile Antennenmasten und mobile Bergwerkstechnik. Mobiler Sprenglochbohrwagen Der Sprenglochbohrwagen BW50 ist ein fahrbares Bohrgerät auf Rädern, das im Drehbohrbereich für Mineralien eingesetzt wird. Diese Einsatzpunkte sind ausschließlich im Bergbau untertage zu finden. Die Maschine hat ein Gewicht von ca. 17t und wird mittels eines Dieselmotors verfahren. Der Bohrantrieb erfolgt je nach Kundenwunsch mittels eines Elektromotors oder über einen hydraulischen Bohrantrieb. Der Aktionsradius des Auslegers ermöglicht die Abdeckung eines Arbeitsbereiches im Parallelmodus von Höhe = 7 ( 8 )m bei einer Breite von 8,3m. Die max. erreichbare Bohrtiefe beträgt etwas über 7m. Mit einem Bohrschneidendurchmesser von 38mm beträgt je nach Material die Bohrzeit zwischen 35 bis 65sec. für die max. Bohrtiefe. Im Jahre 1993 wurde der BW50 erstmalig rechnergesteuert auf einer Schachtanlage für die deutschen Kali Gewinnung ausgeliefert. Dies bedeutete die Unterstützung eines vollautomatischen Zielpunktbetriebs, der noch ausführlich beschrieben wird. Basis hierfür war das modulare Steuerungssystem VME-Bus mit robuster 19\“-Technik und Echtzeitbetriebssystem OS-9. Mittlerweile sind ca. 100 Maschinen des rechnergesteuerten Typs im Einsatz. Robustes Steuerungssystem Nach Ende des \’Lifecycles\‘ des 19\“ VME-Bus Rechnersystems entschied man sich für den Einsatz einer offenen Industrie-PC Plattform mit langer Liefergarantie. Technisch sollte diese für einen lüfterlosen Betrieb mit gleichzeitig erweitertem Temperaturbereich von max. -40/+75°C zur Verfügung stehen. Das Gehäuse, Anschlusstechnik und Borddesign sollten robust gegen Stöße, Vibrationen und Verschmutzung sein. Auch I/O-Erweiterungen bzg. GPS, WLAN und Dezenralisierung der I/O über Feldbus sollten möglich sein. Die Entscheidung fiel zugunsten des lüfterlosen Industrie-PC Systems der Serie PIP Packaged Industrial PC der Fa. MPL AG. Nach Implementierung in die Maschinenhardware sowie der Migration des Maschinenprogramms und der Daten auf eine standardisierte Soft-SPS läuft das System seit drei Jahren störungsfrei im Feldbetrieb. Als Betriebssystemplattform dient Windows XP. Eine Herausforderung war die Reduzierung der Verkabelung durch Dezentralisierung aller notwendigen I/O\’s auf den Feldbus CAN mit CANopen Protokoll. Dazu gehörten neben einfachen binären Ein-Ausgaben für hydraulische Ventilansteuerungen auch datenintensive Absolutwertgeber für die Positionserfassung des vollautomatischen Zielpunktbetriebs. Vollautomatischer Zielpunktbetrieb Bei diesem Verfahren wird die Maschine im Bohrmodus mittels einer Funkfernsteuerung, durch die sämtliche Betriebsfunktionen bedient werden können. Alle Achsbewegungen des Auslegers und der Lafette sind mit Positionsweggebern ausgestattet. Damit sind die aktuellen Positionen dem Steuerungsrechner jederzeit bekannt. Mögliche Kollisionen durch den Aktionsradius der entsprechenden Zylinder zwischen Ausleger und Lafette werden durch programminterne Softwareanschläge verhindert. Weiterhin gibt es Softwarestopps, die ein Anfahren der Endlagen mit voller Geschwindigkeit verhindern. Im Parallelmodus richtet das Programm des Steuerungsrechners die Lafette bezogen auf die Ausgangsposition parallel aus. Die vorgegeben Genauigkeit beträgt +/- 3cm über den gesamten Arbeitsbereich. Dieser Fehler resultiert aus den mechanischen Toleranzen der Maschinenkonstruktion. Die Positionsgeber lassen eine Genauigkeit von 1/100°C zu. Ein technisches Highlight des rechnergesteuerten Sprenglochbohrwagens ist der Zielpunktbetrieb. Dieser ermöglicht das Anfahren von nicht programmierten Startpositionen bei Beibehaltung der Position im Bohrlochtiefsten. Bedingt durch die Positionsgeber ist dem Steuerungsprogramm jederzeit bekannt, wo die Positionen von Ausleger und Lafette im Raum sind. Mit einem entsprechenden Bohrprogrammeditor\‘ können Datensätze über die anzufahrenden Positionen erstellt und in das Steuerungssystem geladen werden. Durch eine Vorwahl können über Knopfdruck verschiedene Bohrpositionen aktiviert werden. Durch den internen Programmspeicher können bis zu 100 verschiedene Programme bestehend aus max. 1500 Bohrpositionen geladen und aktiviert werden. Von Bedeutung ist auch das sogenannte Überbohren, d h. das nicht Einhalten der optimalen Bohrtiefe. Dies bedeutet in der Regel ein schlechtes Sprengergebnis. Um dieses zu verhindern ist es möglich sowohl die Startposition als auch die Stoppbohrtiefe und deren Position frei zu programmieren. Da das Steuerungssystem die Position der Lafette kennt, passt es die Bohrtiefe bei unebener Ortsbrust entsprechend an. Ein weiteres Problem ist die mechanische Durchbiegung des gesamten Fahrzeugs. Da der Maschinenrahmen des BW50 asymmetrisch aufgebaut ist, treten je nach Lage des Auslegers unterschiedliche Durchbiegungen auf, die sich negativ auf das Bohrergebnis auswirken. Das gilt ebenso für den Ausleger, der sich um 35cm auf die gesamte Verschiebelänge verbiegen kann. Ein Korrekturprogramm berechnet in jeder Position die zu erwartende Durchbiegung und bezieht diese mit in den Positionssollwert ein.