Mit Wireless-Geräten auf dem Weg zu smarteren Entscheidungen und sichereren, effizienteren Betriebsabläufen

Eine genaue und zuverlässige Füllstandsüberwachung ist für den sicheren, effizienten und rentablen Betrieb in der Bergbauindustrie von entscheidender Bedeutung. Zuverlässige Füllstandsdaten unterstützen wichtige Aufgaben wie die Prozessregelung, den Anlagen- und Umweltschutz sowie die Einhaltung von Vorschriften. Dies gilt neben anderen kritischen Bereichen für die Gewinnung, die Mineralaufbereitung, Auslaugungskreisläufe, den Schlammtransport, das Abraum-Management, die Verhüttung, das Handling von Zement und die Brennstofflagerung.

Technologien zur kontinuierlichen Füllstandsmessung – darunter Radargeräte mit geführter Mikrowelle, berührungslose Radarsysteme, Differenzdruckmessumformer und Unterwasser-Druckmessumformer – liefern die nötige Genauigkeit für die Überwachung von Flüssigkeiten, Schlämmen und Feststoffen während des gesamten Produktionsprozesses. Grenzschalter, wie beispielsweise Vibrationsgrenzschalter, spielen eine entscheidende Rolle bei der Überfüllsicherung. Zusammen bilden diese Messgeräte das Rückgrat der betrieblichen Transparenz.

In Bergbauanwendungen kann es jedoch besonders anspruchsvoll sein, eine dauerhaft zuverlässige Messleistung zu erreichen. Die Prozesse sind häufig mit abrasiven Schlämmen, korrosiven Laugungslösungen, staubhaltigen Umgebungen, starken Temperaturschwankungen und Vibrationen sowie Materialablagerungen an Messgeräten verbunden. Zudem befinden sich viele Anlagen in abgelegenen oder weitläufigen Gebieten. Eine einzelne Füllstandstechnologie bietet nicht in jedem Szenario die beste Leistung, und eine optimale Auswahl erfordert eine sorgfältige Abstimmung zwischen dem Messprinzip und der Anwendung.

Diese Herausforderungen werden dadurch erschwert, dass die Installation und Wartung kabelgebundener Infrastruktur im offenen Tagebau, in Abraumbereichen, abgelegenen Becken, hohen Silos und weit verteilten Tankstellen schwierig sind. Die Verlegung neuer Kabel zu diesen Anlagen ist oft nicht praktikabel, teuer und aufgrund des Geländes, der Wetterbedingungen oder der ständigen Bewegung von schweren Maschinen teilweise gefährlich. In der Vergangenheit führten diese Einschränkungen dazu, dass Betreiber auf manuelle Füllstandsmessungen oder unregelmäßige Datenerfassung angewiesen waren, was die Sicherheitsrisiken erhöhte und den Einblick in kritische Lager- und Prozessabläufe einschränkte.

Die zunehmende Bedeutung von Wireless-Technologien

Wireless-Füllstandsmesstechnologien lösen viele dieser seit langem bestehenden Probleme unmittelbar. Da keine Verlegung von Signalkabeln oder Rohren und keine zusätzliche E/A-Infrastruktur erforderlich sind, bieten Wireless-Geräte eine kostengünstige Möglichkeit für die Erfassung hochwertiger Prozessdaten selbst an den abgelegensten oder unzugänglichsten Stellen eines Bergwerks.

Wireless-Netzwerke können schnell in Betrieb genommen, einfach erweitert und kostengünstig installiert werden – häufig ohne Betriebsunterbrechung. In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich WirelessHART^® zu einem weit verbreiteten Industriestandard entwickelt, der eine sichere und zuverlässige Kommunikation speziell für raue Prozessumgebungen bietet. Radar-Füllstandsmessumformer mit geführter Welle, Differenzdruckmessumformer, Unterwasser-Druckmessumformer und Grenzschalter mit Schwinggabel sind bereits seit vielen Jahren als Wireless-Ausführung erhältlich.

Bis vor kurzem bestand jedoch noch eine erhebliche Lücke: ein natives WirelessHART-Füllstandsmessgerät mit berührungslosem Radar. Die berührungslose Radartechnik ist im Bergbau besonders wertvoll, da sie in staubhaltigen Umgebungen, unter rauen Wetterbedingungen, in korrosiven Laugungslösungen, auf unebenen Oberflächen und in aggressiven Schlämmen ohne direkten Kontakt mit den Prozessmedien zuverlässig funktioniert.

Die größte Hürde bei Wireless-Technologien mit berührungslosem Radar war bisher der Energieverbrauch. Herkömmliche FMCW-Radarsysteme (Frequency-Modulated Continuous Wave/frequenzmoduliertes Dauerstrichradar) benötigen eine erhebliche Energiemenge zur Erzeugung und Verarbeitung von Signalen, die über das hinausgeht, was batteriebetriebene Wire­less-Messumformer bereitstellen können. Als Übergangslösung kombinierten viele Unternehmen kabelgebundene Radar-Mess­umformer mit den THUM™ Wireless-Adaptern von Emerson, wodurch zwar die Wireless-Kommunikation ermöglicht wurde, jedoch weiterhin eine externe Stromversorgung erforderlich war, was die Flexibilität bei der Installation einschränkte.

Die Einführung des Rosemount™ 3408 Wireless-Füllstandsmess­umformers mit berührungslosem Radar von Emerson löst dieses Problem. Durch die Kombination hocheffizienter 80-Gigahertz-FMCW-Radarelektronik mit der WirelessHART-Kommunikation und langlebigen Spannungsversorgungsmodulen bietet das Gerät eine einzigartige native Wireless-Radarlösung, die ohne externe Adapter oder Verkabelung auskommt. Dadurch können Bergbaubetriebe berührungslose Radarsysteme an Orten einsetzen, an denen eine Verkabelung bisher zu kostspielig, unsicher oder technisch nicht umsetzbar war.

Typische Anwendungen in der Metall-
und Bergbauindustrie

Die folgenden Beispiele zeigen gängige Anwendungen in der Bergbauindustrie, bei denen Wireless-Lösungen messbare Verbesserungen in den Bereichen Sicherheit, Umweltschutz und Betriebsleistung bringen.

Überwachung von offenen Becken und Abraumdämmen

Offene Becken und Abraumdämme spielen eine zentrale Rolle im Bergbau und dienen der Lagerung von Schlämmen, der Verdunstungskontrolle, der Sammlung von Laugen und dem Wassermanagement. Die Aufrechterhaltung eines genauen, kontinuierlichen Einblicks in die Füllstände von Becken und Abraumdämmen ist unerlässlich, um Umweltvorfälle zu verhindern, den Zufluss von Regenwasser zu steuern, die Integrität der Dämme zu gewährleisten und gesetzliche Vorschriften einzuhalten. Ein unzureichender Überblick über den Zustand von Becken und Abraumdämmen kann katastrophale Folgen haben. Dies wurde durch den Dammbruch in Brumadinho in Brasilien im Jahr 2019 deutlich, bei dem durch ein plötzliches Versagen riesige Mengen an Abraum freigesetzt wurden, was zu zahlreichen Todesopfern, weitreichenden Umweltschäden sowie langfristigen behördlichen und finanziellen Folgen für den Betreiber führte.

Wireless-Füllstandsmessgeräte ermöglichen Betreibern die Überwachung von offenen Becken und Abraumdämmen in Echtzeit, ohne in großem Umfang Kabel in großen, instabilen oder schwer zugänglichen Bereichen verlegen zu müssen. Die Geräte können auf Böschungen, schwimmenden Konstruktionen oder festen Stützen installiert und mit minimaler Unterbrechung in ein bestehendes Wireless-Netzwerk integriert werden. Wireless-Füllstandsmessumformer mit berührungslosem Radar, die mit einer Antenne zur Erfassung von Lufttemperatur und -druck ausgestattet sind, eignen sich gut für Anwendungen in offenen Becken. Bei der Antenne handelt es sich um eine abgedichtete Baugruppe, die die Radarelektronik vor rauen Prozessbedingungen schützt. Hochfrequente 80-Gigahertz-FMCW-Radarsignale durchdringen Staub, Kondenswasser, Wind, intensives Sonnenlicht und Temperaturgefälle und liefern präzise Oberflächenmessungen. An Standorten mit bestehenden Radaranlagen kann ein kabelgebundener, berührungsloser Radar-Messumformer in Kombination mit einem THUM-Adapter eine effektive Hy­bridlösung darstellen.

Durch die Bereitstellung kontinuierlicher Füllstandsdaten und konfigurierbarer Alarme bei hohem oder niedrigem Füllstand tragen Wireless-Radarmessgeräte dazu bei, Überfüllungen zu verhindern, Sickerwasser oder unerwartete Verluste zu erkennen und optimale Verdunstungs- oder Rückhaltestrategien zu gewährleisten. Dies reduziert den Bedarf an manuellen Überprüfungen, verbessert den Umweltschutz und stärkt die Einhaltung von Vorschriften.

Zementlagertanks und -silos

Die Zementlagerung ist ein wesentlicher Bestandteil vieler Bergbaubetriebe, insbesondere in Anlagen mit eigener Zementproduktion, Infrastruktur zur Unterstützung von Schmelzwerken oder angrenzenden Baustoffbetrieben. Zementsilos stellen aufgrund von dichtem Staub in der Luft, häufigen Befüllungs- und Entleerungszyklen sowie Materialablagerungen an den Behälterwänden eine anspruchsvolle Messumgebung dar. Diese Bedingungen können die Leistung herkömmlicher Füllstandstechnologien wie Ultraschallgeräte beeinträchtigen, was zu unzuverlässigen Messwerten und erhöhtem Wartungsaufwand führt.

Eine zuverlässige Wireless-Füllstandsüberwachung ermöglicht es Betreibern, den Zementbestand aus der Ferne zu überwachen, das Risiko von Überfüllungen oder Materialengpässen zu verringern und die Fahrzeit zu abgelegenen oder schwer zugänglichen Silos zu minimieren. Die neuesten Wireless-Füllstandsmessumformer mit berührungslosem Radar liefern genaue, wiederholbare Messungen, während integrierte Diagnosefunktionen das Bedienpersonal warnen, wenn eine Antennenreinigung oder Wartung erforderlich ist. Dies ermöglicht ein proaktives Eingreifen und hilft, ungeplante Ausfallzeiten zu vermeiden. Bei Feststoffanwendungen mit Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante wie trockenem Zement, bei denen manche berührungslose Technologien Schwierigkeiten haben können, bieten Wireless-Radarlösungen mit geführter Mikrowelle eine robuste und zuverlässige Leistung.

Tankstellen für mobile Maschinen

Bergbaubetriebe sind in hohem Maß auf mobile Maschinen wie Muldenkipper, Radlader und Bohrgeräte angewiesen, die in der Regel an über den Standort verteilten Tankstellen betankt werden. Jede Tankstelle kann mehrere kleine Lagertanks umfassen, was eine genaue Bestandsverwaltung erschwert. Wireless-Kraftstoffbestandssysteme können Füllstands- und Temperaturmessungen an mehreren Standorten miteinander vernetzen und Echtzeitdaten an die Leitwarte oder digitale Bestandsverwaltungssysteme übertragen. Dieser Ansatz reduziert manuelle Messungen, verbessert die Kraftstoffnachverfolgbarkeit, hilft bei der Erkennung von Verlusten oder Diebstahl und gewährleistet eine unterbrechungsfreie Kraftstoffversorgung für wichtige Bergbaumaschinen.

Kupferauslaugung mittels Lösungsmittelextraktion (SX)

Anlagen zur Lösungsmittelextraktion und Elektrogewinnung (SX/EW) sind auf eine stabile, kontinuierliche Füllstandsmessung in einer Vielzahl von Behältern angewiesen, darunter Rührwerke, Absetzbecken, Tanks für organische und wässrige Lösungen sowie Zwischenlager. Diese Anlagen sind üblicherweise über große Außenbereiche verteilt, oft an abgelegenen Standorten, was die Installation und Wartung fest verdrahteter Messgeräte kostspielig und schwierig macht. Die Wireless-Füllstandsmessung eignet sich daher gut für SX/EW-Betriebe, da sie zuverlässige Prozessdaten liefert und gleichzeitig die Komplexität der Infrastruktur und Installationskosten reduziert.

Die betrieblichen Vorteile der Wireless-Füllstandsmessung in Lösungsmittelextraktionsanwendungen zeigen sich in einem großen Kupferbergwerk in Chile. Vor der Modernisierung wurden Füllstandsmessungen manuell mit Peilstäben durchgeführt. Diese Messungen waren von Natur aus ungenau, da die Genauigkeit stark von der Technik des Bedieners abhing. Außerdem musste sich das Personal in gefährliche Bereiche begeben.

Um sowohl die Sicherheit als auch die Zuverlässigkeit zu verbessern, setzte das Unternehmen Rosemount 3308 Wireless-Füllstandsmessumformer mit geführter Mikrowelle ein. Die Lösung lieferte kontinuierliche, genaue Füllstandsmessungen über den gesamten SX-Prozess hinweg und machte Routengänge zur manuellen Datenerfassung überflüssig. Integrierte Diagnosefunktionen zur Signalqualitätsmessung liefern frühzeitig Hinweise auf Verschmutzungen der Sonde oder Reinigungsbedarf und ermöglichen so eine proaktive Wartung. Dadurch konnte die Anlage einen stabileren Betrieb, eine verbesserte verfügbare Betriebszeit und eine höhere Gesamteffizienz des Prozesses erzielen. Die Wireless-Lösung trug außerdem erheblich zur Verbesserung der Arbeitssicherheit bei, da die Mitarbeitenden gefährliche Bereiche nicht mehr betreten müssen, und reduzierte gleichzeitig die Installationszeit und -kosten durch den Wegfall umfangreicher Kabelverlegung.

Fazit

Da sich die entsprechenden Anlagen über weitläufige Außenbereiche verteilen und rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind, erweisen sich Wireless-Füllstandsmessgeräte im Bergbau als besonders wertvoll. Die Verfügbarkeit von nativen Wireless-Füllstandsmessumformern mit berührungslosem Radar – neben Wireless-Radargeräten mit geführter Mikrowelle, Differenzdruckmessumformern, Unterwasser-Druckmessumformern und Grenzschaltern – erweitert die Möglichkeiten der Füllstandsmessung im Bergbau erheblich.

Wireless-Füllstandstechnologien bieten kürzere Überwachungsintervalle, erhöhte Sicherheit, weniger Routengänge zur manuellen Datenerfassung und einen besseren Überblick über die Situation an weitläufigen Standorten. Wireless-Netzwerke ermöglichen eine schnellere Installation und Plug-and-Play-Inbetriebnahme und lassen sich einfach erweitern. Während die Branche ihre digitale Transformation fortsetzt, entwickeln sich Wireless-Füllstandslösungen zu einer praktischen Grundlage für intelligentere, sicherere und effizientere Betriebsabläufe. Mit genauen, wartungsarmen und einfach einsetzbaren Messgeräten erhalten Bergbauunternehmen den nötigen Überblick, um die Produktion zu optimieren, die Einhaltung von Umweltvorschriften zu stärken, Betriebsrisiken zu reduzieren und die langfristige Nachhaltigkeit zu fördern.