Systemy Zarządzania w

Inżynierii Produkcji

 

2011, Nr 2 (2), s. 3‐7 

2011, No 2 (2), pp 3‐7 

 Management Systems in Production Engineering

Abstract: VŠB‐Technical University of Ostrava,  ins tute of geodesy and mine  surveying has been coopera ng with Severočeské doly  j.s.c. (SD)  in  important research project since 2007. The main goal  is  improve control system for opencast mining. Two bucket wheel excavators (K800/103 and KU300/27) were equipped with measurement hardware at the Libouš Li‐gnite Mine (North Bohemia brown coal basin). The posi on of the bucket wheel centre  is computed by means of GPS data,  inclinometer and  incremental measurements. Data  is transferred to a base. All the values measured are saved  in this database. The surface  layout of  the mine as well as posi ons of underground geological  layers are updated on a regular basis in the digital model of the mine. The main aim of the research is verifying the system in connec on to digi‐tal model for short  me prognosis of qualita ve parameters of coal (Ad, Sd, Qr, Wr and MS), con nuous automa c com‐puta on of mined materials (m3, tons) and con nuous checking of crea on of the movement surface/plane of the exca‐vator and mining goals. Mine surveyors have a lead role in the working team. The paper describes possibili es of using the GPS for mine surveying and for produc on planning.  

THE UTILISATION OF GNSS TECHNOLOGY FOR MINING PROCESS AUTOMATION       

WYKORZYSTANIE TECHNOLOGII GNSS DO AUTOMATYZACJI PROCESU WYDOBYWCZEGO  

INTRODUCTION 

The  fact  that  the  satellite  system  provides  data  inde‐pendently  of  weather  condi ons,  round  the  clock  and anywhere in the world is a major advantage of the system. During  the  last  two  decades  the  satellite  technology  has been undergoing  fast developments worldwide, which has resulted in the use of GPS technology in many fields. In the surface mining  industry  the GPS  has  proven  to  be  useful mainly at resolving usual surveying tasks. The op on is now inves gated of u lisa on the GPS technology also for facili‐ta on of the mining process.  

USE OF THE GPS FOR DETERMINATION OF EXCAVATOR BUCKET WHEEL POSITION 

It  is obvious  that  if  the 3D posi on of  excava on  ele‐ments of mining machinery and associated mining mecha‐nisms  can  be  determined  rela vely  accurately,  mul ple task can be successfully resolved in terms of control of this hardware  (fig. 1). As  far  as brown  coal  surface mines  are concerned, the following topics are of prime interest: 

Facilita on  of  the  process  of  control  of  excavator opera on  (e.g.  prognoses  of  qualita ve  parameters of coal being mined). 

Calcula ons of volumes of mined materials  in nearly real  me. 

Very  accurate  control of  crea on of  the movement plane of the excavator and  immediate control of mi‐ning targets. 

Control  and  checking  of  associated mining mecha‐nisms (e.g. dozers).  

In 2006 Severočeské doly j.s.c. launched a research pro‐ject  tled “GPS‐Aided Determina on of the Posi on of the Bucked Wheel  of  the  K800/103/N1  Excavator”.  A  project was developed, in which all the components of the system were designed, including their posi ons, as well as systems of data transfers and data evalua on.  

The system consisted of three basic elements [6]:  Measurement  segment  (GPS,  iner al  sensors,  control 

unit),  Communica on segment (radio or GPRS communica on 

for recep on and transmission of data),  User segment (evalua on so ware). 

On bucket wheel excavator K800/103 (fig. 2) the measu‐rement segment originally (2006) consisted of 2 DGPS devi‐ces Trimble DSM 232 (Dot 1, Dot 2), 2 inclinometers (Dot 3, Dot 4) and one  incremental rota on speed sensor  (Dot 5). Correc ons  for DGPS were  transferred  from  the reference sta on to the excavator employing a radio‐modem.  

Dana SLÁDKOVÁ VŠB – TU Ostrava  

Key words: analysis, bucket wheel excavator, digital model, gps, inclinometer, incremental measurements 

Słowa kluczowe: analiza, koparka wielonaczyniowa, model cyfrowy, GPS, inklinometr, pomiary przyrostowe  

 

4                                   Systemy Zarządzania w Inżynierii Produkcji/Management Systems in Produc on Engineering 2(2)/2011 D. SLÁDKOVÁ — Wykorzystanie technologii GNSS do automatyzacji procesu wydobywczego  

Fig. 2. K800/103 excavator Rys. 2. Koparka K800/103  

A control unit controls  the opera on of  the en re sys‐tem.  The  posi on  of  the  centre  of  the  bucket wheel  axis (Dot 6) is computed from X, Y, Z coordinates acquired from the  GPS  devices  and  on  the  basis  of  sensors’  data (inclina ons,  rota on  speeds)  on  a  5‐second  basis.  Using radio‐modems, the data is transmi ed to the headquarters building of the Surveying and Geology Department, where it is saved. Then the data is processed by evalua on so wa‐re (Kvas Prognosis Models). The system has been operated since December 2006.  

THE RESEARCH PROGRAMME 

The data  transferred  is  saved  in database file *.DB. All the values measured are saved  in this database. On a five‐second basis the database should be updated with a series of newly measured values. The first tools have already been 

developed in the “KVAS ‐ Prognosis Model” programme for visualisa on of  the excavator and u lisa on of  the  results of computa on of the posi on of the centre of the bucket wheel axis.  

The sec on of digital opera onal map in fig. 3 shows the posi on  of  schema zed  K800/103  excavator.  On  the  le  hand side, the ver cal geological profile is shown in simpli‐fied terms. The posi on of the bucket wheel  in rela on to the profile  in  the  relevant site can be seen. The  individual types  of  coal  are  colour–discerned  on  the  basis  of  quali‐ta ve parameters. Mining plan for excavator  is also shown (red  lines)  as well  as boreholes. Another  view  is on fig 4. The current status and the history of qualita ve parameters of the coal (Eleva on of bucket wheel ‐ 1, Hea ng Value Qr – 2 and sulphur content Sd – 3), as derived from the model, can be seen in the le  part of the figure.  

Fig. 1. Surface mining – Libouš mine  Rys. 1. Kopalnia odkrywkowa ‐ kopalnia Libouš 

Systemy Zarządzania w Inżynierii Produkcji/Management Systems in Produc on Engineering 2(2)/2011                                   5 D. SLÁDKOVÁ — The U lisa on of GNSS technology for mining process automa on 

 

Fig. 3. The posi on of the bucket wheel excavator in real  me (map and profile)  Rys. 3. Pozycja łyżki koparki kołowej w czasie rzeczywistym (mapa i profil) 

Fig. 4. Eleva on of bucket wheel and qualita ve parameters of the coal (le  part of the figure)  Rys. 4. Podwyższenie koła czerpakowego i parametrów jakościowych węgla (lewa część rysunku) 

 

6                                   Systemy Zarządzania w Inżynierii Produkcji/Management Systems in Produc on Engineering 2(2)/2011 D. SLÁDKOVÁ — Wykorzystanie technologii GNSS do automatyzacji procesu wydobywczego  

The measured data also  serves  for detailed analysis of the en re process. The analysis is developed by the Ins tu‐te of Geodesy and Mine Surveying of the Technical Univer‐sity – VŠB Ostrava. The following is carried out in par cular:  

Analysis of data  transfer  (number of measurements received) 

Analysis of accuracy of individual meters  Analysis of gross errors  Analysis  of  the mean  errors  of  individual measure‐

ments and iden fica on of the cri cal point  Comparison  of  computed  mean  errors  with  values 

iden fied by  the manufacturers of  all  the used me‐ters  

Analysis of the accuracy of the calcula on of the buc‐ket wheel axis centre (mean error propaga on) 

Analysis of data during opera on of the excavator  The basic equa ons for determina on of 3D (XK, YK and 

ZK) bucket wheel axis posi on were derived from geometry of excavator and posi ons of GPS and iner al sensors at the K800/103/N1 (fig. 5) excavator:  

 

 Accuracy  of  calcula on  3D  bucket wheel  axis  posi on 

was derived using of mean error propaga on method:   

  

The equa ons (4‐6) for mean errors mxk myk and mzk of  XK, YK a ZK   calcula on we got using par al deriva on. The final  equa ons  are  quite  extensive  therefore  we  do  not bring  them  in  the  ar cle.   We  appointed  values  of mean errors  individual  measurement  instruments  to  equa ons (4),  (5),  (6)  (final  version) and have obtained mean errors   

and  influenced by accuracy of  individual measurement  in‐struments.  

PARTIAL CONCLUSIONS FROM THE RESEARCH PROJECT (2007) 

The  accuracy  of  determina on  of  the  posi on  and eleva on of  the centre of  the wheel axis depends also on the reliability of transfer of correc ons from the reference sta on  to  the  excavator  as,  unless  the  correc ons  are transferred  from  the  reference  sta on  to  the  excavator, GPS receivers switch automa cally from the DGPS mode to the  “naviga on” mode  ‐  with  considerably  compromised accuracy. The first  results of data analyses  showed  that  it would  be  necessary  to  ensure  be er  quality  transfer  of correc ons from the base to the excavator and vice versa – the success rate was about 70%. This, consequently, had a nega ve impact on the accuracy of the GPS measurements. 

The first results already suggest that for the purpose of rou ne  applica on,  the  RTK  regime will  have  to  be  used and the GPS receivers will have to be upgraded, par cularly due to the need to increase the accuracy 3D posi on deter‐mina ons.  Using  D‐GPS  technology  we  achieved  average accuracy of determina on of the posi on and eleva on of the centre of the wheel axis: 

mxk = ±0,164 m myk = ±0,143 m mzk = ±0,265 m 

THE RESULTS OF DEVELOPMENT IN 2009 

On the results of our analysis, SD Company has realized two important changes: 

radio  communica on  for  recep on  and  transmission of data was displaced by GPRS system, 

2 DGPS devices Trimble DSM 232 were changed by 2 RTK Leica MNS1230 GG. The Leica MNS1200 GNSS  is specifically designed for construc on and mining ma‐chine opera on at toughest condi ons. 

The results of accuracy analysis are be er now and for main future purpose – prognosis of qualita ve parameters of coal to be mined in near future (short term prognoses) – are sa sfying. Data transfer success rate is be er than 99% and  average  accuracy  (RMS)  of  determina on  of  the  3D posi on of the centre of the wheel axis:  

mxk = ±0,025 m myk = ±0,012 m mzk = ±0,041 m 

THE MAIN GOALS 

A er the research programme  is completed, a complex system can come into being of measurement of posi ons of mining mechanisms, which  could be beneficial  in mul ple areas: 

Mining of coal, striping and combined haulage levels: Visualisa on  of  the  posi ons  of  excavators  and their  movements  and  eleva ons  in  real  me  at earmarked  computers  connected  to  the  network and provided with relevant so ware.  

Informa on  on  the  posi on  of  the wheel  in  rela‐onship to the stratum profile or stripping level.  

Saving of mining procedures  and  their  retroac ve retrieval  in  both  graphic  and  numerical  forms (checking and analy cal purposes). 

Control of  crea on of movement  surface/plane  in real  me and its immediate checks.  

 

1cos966,35_2648,19cos40423

03,12557,7

sin12

121

SKLXSKLIRC

XX

YYarctgYY

GPSGPS

GPSGPSGPSK

(1) 

 

1cos966,35_2648,19cos40423

03,12557,7

cos12

121

SKLXSKLIRC

XX

YYarctgXX

GPSGPS

GPSGPSGPSK

(2) 

 

1sin966,35

40423

03,12557,7_2648,19sin77,11 SKLIRCXSKLZZ GPSK (3) 

 

 

2

1

2

_2

22

2

2

1

2

2

2

1

1_2

21

21

SKLK

XSKLK

IRCK

XGPS

KX

GPS

K

YGPS

KY

GPS

K

Y

mSKL

Ym

XSKL

Y

mIRC

Ym

X

Ym

X

Y

mY

Ym

Y

Y

mGPSGPS

GPSGPS

K (1) 

 

2

1

2

_2

22

2

2

1

2

2

2

1

1_2

21

21

SKLK

XSKLK

IRCK

XGPS

KX

GPS

K

YGPS

KY

GPS

K

X

mSKL

Xm

XSKL

X

mIRC

Xm

X

Xm

X

X

mY

Xm

Y

X

mGPSGPS

GPSGPS

K (2) 

 

2

1

2

_2

22

1 1_21

SKLK

XSKLK

IRCK

ZGPS

KZ m

SKL

Zm

XSKL

Zm

IRC

Zm

Z

Zm

GPSK (3) 

Systemy Zarządzania w Inżynierii Produkcji/Management Systems in Produc on Engineering 2(2)/2011                                   7 D. SLÁDKOVÁ — The U lisa on of GNSS technology for mining process automa on 

 

Computa on  of  qualita ve  parameters  of  coal  in real  me with all excavators and simula on of the func ons of the qualita ve parameter meters.  

Development  of  prognosis  of  qualita ve  parame‐ters of coal to be mined in near future (short term prognoses).  

Computa on of volumes of mined materials in real me  (the  volumes  of  mined  materials  will  be 

known with almost “surveying” accuracy  immedia‐tely a er the relevant period – day/month). 

Measurement of extension of the wheel boom. Facilita on of the Opera ve Control of Mining:  In  a modified  form,  the  applica ons  can  also  by 

used in notebooks and PDA. The data can hence be available anywhere in the field.  

Mine planning:  Automa c and con nuous updates of the condi on 

of haulage levels in the mining model.  Checking of adherence to technical regimes,  inclu‐

ding mine planning maps or long term mining goals (posi on and eleva on parameters of advances). 

Determina on of the ini al condi ons for prepara‐on of next month’s advance on the basis of actual 

advance in the ongoing month. Con nuous calcula‐on and detailing of  the  limits of start and end of 

advance in the next month (period).  

CONCLUSIONS 

The  process  of mining  of  industrial minerals  in  rather complicated  geological  condi ons  (variable  morphology and qualita ve parameters – both ver cally and horizontal‐ly,  occurrence  of  idle  underground mines  etc.)  cannot be presently fully automated, as is nowadays commonplace in. e.g.  electrical  engineering,  in  industry  of manufacture  of simple mechanical engineering products or  in  the  food  in‐dustry.  Nevertheless,  the  developments  in  informa on 

technologies  as  well  as  in  other  technologies  enable  to expedite the feedback within the line of “planning – imple‐menta on‐check”. Informa on on where an excavator ope‐rates and what is being mined can be acquired (with some degree of  inaccuracy)  immediately. It  is cri cal now  if such mechanisms can be created  that can exploit  this data and influence the produc on process.  In the mean me we are at  the  beginning  of  resolving  the  task,  to which mul ple disciplines will  have  to  contribute.  Through  resolving  the issue of accurate and reliable determina on of the 3D posi‐on  of  the  opera ng machineries  and  associated mecha‐

nisms in mines, the mining engineers, surveyors, geologists, reclama on  engineers  and managerial  staff will  acquire  a tool  for  be er  control  and  ensuing  checks  of  produc on processes during open cast mining of industrial minerals.  

REFERENCES 

[1]  Rucký P., Blovský  J., Vrubel M.: Některé  zkušenos   s aplikací GPS v povrchovém dobývání na DNT–SD a.s. a v Porýnském revíru. Uhlí ‐ Rudy ‐ Geologický Průzkum. Nr 2, 2004.   

[2]  Rucký  P.:  Výzkumná  zpráva  VÚHU  č.262/97 „Komplexní  ověření  aplikace  systému  GPS  na  kole‐sových  rýpadlech DNT‐SD, a.s. pro opera vní  řízení a kontrolu těžby uhlí a skrývky“. 12.1997. 

[3]  Vrubel M.: Geologický model. Zpravodaj SHD. 03.1991. [4]  Vrubel M.: Objemový a báňský model lomu. Zpravodaj 

SHD 03.1992. [5]  Vrubel M.: Prognózní model a možnos   jeho. Procee‐

dings of conference „Brown coal 1994“. 10.1994.   [6]  Talácko M.:  Systém  pro  sledování  prostorové  polohy 

kolesa rypadla K 800/N1. Technical Report. 03.2007. [7]  Vrubel M., Sládková D., Talácko M.: New possibili es 

of GPS  technology  in mine  surveying. Proceedings of the  13th  Interna onal  Congress  of  ISM.  Budapest 09.2007. 

Ing. Dana Sládková, Ph.D. VŠB – Technical University of Ostrava Faculty of Mining and Geology Ins tute of Geodesy and Mine Surveying 17. listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava‐Poruba e‐mail: dana.sladkova@vsb.cz