Drahtlose Kommunikation Tunnelbohrmaschine vertraut auf Steuerung per Funk

Tunnelbohrmaschinen sind hochautomatisierte, mobile „Komplett-Fabriken“. Sie unterliegen besonderen Herausforderungen bei der Übermittlung betriebsrelevanter Sensordaten vom Maschinenkopf zur Steuerung.

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PFLITSCH GmbH & Co. KG

MicroControl GmbH & Co. KG

SMC Deutschland GmbH

Schildknecht AG

Sie gehören zu den größten derzeit bekannten Maschinen und sind – genau besehen – kompakte Produktionsanlagen, welche alle Stufen eines Fertigungsprozesses in einem Durchlauf ausführen. Gemeint sind Tunnelbohrmaschinen (Tunnel boring machines, TBM), welche heute weltweit im Rahmen von Infrastrukturprojekten für den Straßen- und Bahnverkehr eingesetzt werden.

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Der mechanische Aufbau der Maschinen umfasst das Schneiderad mit seinen Werkzeugen für den eigentlichen Bohrvorgang direkt vor dem Bohrkopf mit Antriebs- und Steuerelementen; dahinter folgen Einrichtungen für den automatischen Abtransport des Abraums und schließlich die Werkzeuge zur Montage vorgefertigter Tunnelwandelemente am Ende der Maschine. Diese hinterlässt auf diese Weise einen im Rohbau bereits fertigen Tunnel. Die größten Maschinen kommen heute auf eine Länge von rund 200 m und auf bis zu 18 m Durchmesser gebohrte Strecke, was für vier parallele Fahrspuren ausreicht.

Je nach Beschaffenheit des Untergrundmaterials werden unterschiedliche TBM-Varianten eingesetzt, u. a die „Slurry-Shield“ zum Einsatz in sandigem, oft stark wasserhaltigem Grund. Die Zahl der heute weltweit eingesetzten TBM geht in die Tausende, allein ich China sind Schätzungen zu Folge über 2000 in Betrieb. Einer der großen und weltweit tätigen chinesischen Bohrmaschinen-Hersteller ist CREG (China Railway Engineering Equipment Group) mit über 3000 Mitarbeitern.

Sensorik am Bohrkopf bzw. Schneiderad nutzt drahtlose Datenübertragung

Zur reibungslosen Funktion eines derart umfangreichen Fertigungsablaufs ist eine entsprechend leistungsfähige Steuerung und ebensolche Sensorik erforderlich. Das trifft besonders auf des Schneiderad zu, sowohl wegen seiner mechanischen Belastung beim eigentlichen Bohrvorgang (Vortrieb) als auch wegen seiner – wenn auch langsamen – Drehbewegung, welche bei der Übertragung der Sensorsignale berücksichtigt werden muss. Eine weitere Herausforderung sind die äußerst beengten Platzverhältnisse im Bohrkopf. Zudem sind die Sensorsignale entscheidend für den Maschinenbetrieb. Sie stellen dem Maschinenfahrer bzw. der Steuerung die für den korrekten Tunnelbau erforderlichen Daten zur Verfügung: Das können Informationen über Drehgeschwindigkeit des Schneiderads oder Druck- und Temperaturverhältnisse im Erdreich ebenso sein wie über die Dichte des abzubauenden Materials und andere Messgrößen.

Angesichts dieser Herausforderungen an die Datenkommunikation hat man sich bei CREG entschlossen, bei einem aktuellen Tunnelprojekt mit Einsatz einer „Super-large Slurry Shield Borring Machine“, für die Datenübertragung vom Schneiderad zur Steuerung auf drahtlose Kommunikation mit Profinet als Kommunikationstechnologie zu setzen – Wireless Profinet.

Profinet-konforme Funkmodule steuern die TBM

Die seit vielen Jahrzehnten bewährte und regelmäßig auf den aktuellen Stand der Technik angepasste Datenfunksysteme Dataeagle von Schildknecht bieten verschiedene Geräteserien mit spezifischer Eignung für die jeweils eingesetzte Kommunikationstechnologie. So ist die Serie Dataeagle 4000 speziell auf die Wireless-Übertragung von Profinet-Kommunikation einschließlich Profisafe ausgerichtet. Zusätzlich verfügen die Module über eine patentierte Datenvorverarbeitung zur Überbrückung möglicher Aussetzer auf der Funkstrecke und sorgen damit für eine besonders hohe Verfügbarkeit der Datenkommunikation. Busfehler und dadurch verursachte Anlagenstillstände lassen sich so vermeiden.

Auf Grund dieser Eigenschaften entschied sich CREG zum Einsatz von zwei Dataeagle-Funkstrecken in einer Slurry-Shield TBM mit Installation der Slaves am drehenden Schneiderad und der zugehörigen Master im stationärem Drehkopf. Von dort gehen die Daten kabelgebunden an die Steuerung. Besondere Aufmerksamkeit bei Montage der Funkmodule und Antennen erforderten die beengten Platzverhältnisse. Eine Herausforderung war auch das metallische Umfeld der Installationsorte, was jedoch dank der genutzten Funktechnologie (Bluetooth mit Frequenz-Hopping) ohne Störeinfluss blieb. Eingesetzt wurden Module vom Typ DE 4713 bzw. DE 4715 für Mehrpunkt- bzw. Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Zur Signalübertragung dienen Rundstrahlantennen, deren Positionierung genau auf das schwierige, da stark metallische Umfeld ausgerichtet wurde.

Der Einsatz von Dataeagle-Funktechnik im Zusammenspiel mit Profinet hat sich auch in dieser Applikation unter erschwerten Bedingungen bewährt. Vor dem endgültigen Einsatz hat das Unternehmen die Funktion intensiv und erfolgreich getestet: Die Sensordaten der drehenden Maschinenteile wurden auch in diesem beengten Umfeld zuverlässig erfasst und von Profinet ebenso zuverlässig an die Steuerung übertragen.

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