Der Robogas-Inspektor

Der Robogas-Inspektor

Gaslecksuche mit autonomen, mobilen
Inspektionsrobotern

Ein Konsortium aus neun Projektplanern hat im Rahmen des Förderprogramms Autonomik des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie den Prototyp eines autonomen, mobilen Roboters zur Gaslecksuche in großen Industrieanlagen entwickelt. Mit verschiedenen Navigations-Sensoren wurde die autonome Beweglichkeit des Systems realisiert, mit der Option, jederzeit per Fernsteuerung manuell einzugreifen.
Betreiber von Industrieanlagen (z.B. Chemieanlagen, Raffinerien, Gasverdichterstationen) legen höchsten Wert auf die Sicherheit ihrer Mitarbeiter und ihrer Produktionsanlagen. Dafür legen sie Prüfzyklen für regelmäßige Inspektionen fest. Hierbei wird die Anlage auf ihren ordnungsgemäßen Zustand von einem Mitarbeiter überprüft, der meist ohne Messtechnik nur anhand seiner Sinneswahrnehmungen und Erfahrung arbeitet. Laut einer vom American Petroleum Institute durchgeführten Studie stammen 84% aller Lecks von weniger als 1% der Ausrüstung, d.h. dass Unternehmen den größten Teil ihrer Inspektionsverfahren den 99% funktionierenden, sicheren und Leckage freien Bereichen widmen müssen – eine mögliche Quelle für Unaufmerksamkeit durch monotone Routine und ein hoher Aufwand. Die Frage, wie man eine automatisierte, gefahrenfreie und autonom auf Probleme reagierende Prüf- und Kontroll-Lösung gestalten kann, beschäftigte auch die Professoren Andreas Kroll und Ludger Schmidt vom Fachbereich Maschinenbau der Kasseler Universität. Deshalb haben sie gemeinsam mit ihren Mitarbeitern und sieben Partnern aus Industrie und Wissenschaft einen Roboter für die Gasleck-Ferndetektion und -ortung in technischen Anlagen entwickelt – den RoboGas-Inspektor. Mit an Bord ist u.a. die Gas-Visualisierungskamera GF-320.

Der RoboGas- Inspektor

Gemeinsam mit ihren Konsortialpartnern entwickelten sie ein vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages) mit 2,4Mio.E gefördertes Projekt: Den RoboGas-Inspektor. „Ziel dieses Projektes war die Entwicklung und Erprobung eines innovativen Mensch-Maschine-Systems mit kooperierenden Inspektionsrobotern, die mit Gasfernmesstechnik und lokaler Intelligenz ausgestattetet wurden“, erklärt Prof. Dr.-Ing. Andreas Kroll vom Fachgebiet Mess- und Regelungstechnik der Kasseler Universität. „Detektion und Ortung von Gaslecks sollten dabei weitgehend autonom von mobilen Robotern bewältigt werden. Die mobilen Roboter sollten dabei zugleich die Auswertung der gemessenen Daten und die Dokumentation der Inspektionen übernehmen.“ Nicht nur aus wirtschaftlichen Gründen, sondern auch vor dem Hintergrund einer Entlastung des Menschen von sich wiederholenden Routineaufgaben bei gleichzeitig besserer Abdeckung des meist weitläufigen Inspektionsgebietes ist die Entwicklung neuartiger Inspektionstechnologien und die Konzentration der Flexibilität und Leistungsfähigkeit menschlicher Operateure auf die leitende Kontrolle des technischen Systems erstrebenswert. Bereits bei seiner ersten Präsentation stellte der RoboGas-Inspektor in einer Halle der Universität Kassel seine Funktionsfähigkeit unter Beweis. Selbstständig fuhr er eine Inspektionsstrecke ab, überwand dabei Hindernisse und eine Rampe. An vorgegebenen Inspektionspunkten prüfte er verschiedene Rohrleitungen und fand dabei u.a. ein Methanleck. In den nächsten Monaten konnte dieser Erfolg unter Laborbedingungen auch auf teilweise mehrere Quadratkilometer große Industrieanlagen ausgeweitet werden, in denen Umwelteinflüsse wie Wind und Sonne sowie Störfaktoren durch den Betrieb der Anlagen auftreten können.

Antrieb und Navigation

Der RoboGas-Inspektor besteht aus drei Baugruppen: Einer kettengetriebenen Fahrplattform, einem Navigationsmodul und einem Inspektionsmodul, in dem u.a. die Gas-Visualisierungskamera GF-320 zum Einsatz kommt. Die kettengetriebene Plattform verfügt über einen Elektroantrieb mit handelsüblichen Autobatterien. Das Navigationsmodul besteht aus 2D-Laserscannern (vorne und hinten, für die Navigation in Innenräumen) sowie einem GPS (zusammen mit den Laserscannern) für die Orientierung unter freiem Himmel. Durch den permanenten Abgleich mit einer digitalen Karte des zu inspizierenden Areals kann der RoboGas-Inspektor seine Position jederzeit bestimmen – wobei auf der Karte auch Hindernisse und gesperrte Bereiche (z.B. Ex-Zonen) vermerkt werden können. „Dank seiner 2D-Laserscanner meidet der RoboGas-Inspektor aber auch unerwartete Objekte wie geparkte Fahrzeuge, Paletten, Fässer oder ähnliches“, erklärt Professor Kroll. „Dazu gehören natürlich auch Personen. Trifft der RoboGas-Inspektor auf Hindernisse, weicht er ihnen aus – oder er stoppt, bis der Weg wieder frei ist.“

Inspektionsmodul

Das Inspektionsmodul vereint auf einer Schwenk-Neige-Einheit verschiedene messtechnische Instrumente. Dazu gehört ein Gasfernmessgerät RMLD (Remote Methane Leak Detector), das auf einem aktiven TDLAS-Messgerät (Turnable Diode Absorption Spectoscopy) basiert. Seine Funktionsweise erfüllt es mithilfe eines Infrarotlasers: Trifft dieser Laserstrahl auf eine Oberfläche, wird er reflektiert und seine Rest-Intensität wird gemessen. Bei einem RMLD wird der Laserstrahl allerdings permanent zwischen zwei Wellenlinien verstimmt. Trifft der Laser nun auf Methan, wird eine dieser Wellenlängen unterschiedlich stark absorbiert (abhängig von der Konzentration des Gases), während die zweite Wellenlänge nicht beeinflusst wird. Aus dem Unterschied lässt sich die Gaskonzentration berechnen. Außerdem ist auf dem Inspektionsmodul neben einer herkömmlichen Thermografie-Kamera auch eine GF320-Infrarotkamera zur Visualisierung von Gasen montiert. Damit der RoboGas-Inspektor selbst nicht zu einem Risiko wird, befindet sich zusätzlich ein In-Situ-Gassensor an Bord, der das gesamte System ab 10% UEG (untere Explosionsgrenze) stromlos schaltet, um eine mögliche Gefahr durch eine zündfähige Atmosphäre zu vermeiden.

Autonomer Ablauf der Messungen

Im Roboter selbst findet die Messdatenverarbeitung und Mustererkennung autonom statt. Auch das Abfahren der Inspektionsrouten und die Durchführung der Messungen führt der RoboGas-Inspektor selbst aus. Trotzdem ist er ständig mit der Leitwarte verbunden und kann von dort im Bedarfsfall ferngesteuert werden. Dazu ist u.a. noch eine Videokamera auf dem neig- und schwenkbaren Messmodul montiert. Im Regelbetrieb arbeitet der RoboGas-Inspektor aber autonom und übermittelt lediglich per WLAN alle Messdaten an die Leitstelle.

Fazit

Mittlerweile hat der Systemprototyp in umfangreichen Testreihen seine Einsatzfähigkeit eindrucksvoll unter Beweis gestellt. Dabei konnten Antriebseinheit, Navigation und die sich ergänzenden Sensorsysteme überzeugen. Der RoboGas-Inspektor ermöglicht eine autonome Gasdetektion und Leckortung auch an Stellen, die sonst nur schwer erreichbar sind. Außerdem hilft er, den Einsatz von menschlichen Prüfern in potenziell gefährlichen Umgebungen zu vermeiden. Vor einem industriellen Einsatz sind allerdings noch weitere Entwicklungsschritte (z.B. in Ex-Schutz, Software-Entwicklung etc.) notwendig, zumal vor einem kommerziellen Einsatz natürlich auch rechtliche Fragen geklärt werden müssten. Sicher ist aber, dass ein autonomer, mobiler Gasdetektions- und Leckortungsroboter bereits heute möglich ist und einen deutlichen Sicherheitszuwachs ermöglichen kann. n Visualisierung unsichtbarer Gase

Flir Systems hat mit der GF-Serie eine Wärmebildkamera entwickelt, die auch aus mittlerer Entfernung Gasleckagen optisch visualisieren kann. Dazu gehören Methan, Benzol-Derivate und andere leicht flüchtige organische Verbindungen (VOCs), die mit herkömmlicher Kameratechnik oder mit dem bloßen Auge nicht zu erkennen und daher nur schwer zu detektieren sind. Diese Chemikalien werden tagtäglich in großen Mengen transportiert und verarbeitet. Die optische Bildgebung mit IR-Kameras bietet eine Vielzahl von Vorteilen, da mit ihr wesentlich schneller als mit herkömmlichen Verfahren ein größerer Bereich erfasst werden kann und die Erkennung auch in Sektoren erfolgt, die sich mit Kontaktmessgeräten nur schlecht erreichen lassen. Lecks werden im IR-Bild als Rauchfahne dargestellt. Wenn mit einer Kamera aus sicherer Distanz ein Leck gefunden wurde, kann z.B. mithilfe eines

TVA-Geräts (Toxic-Vapor-Analyzer) auch die Gaskonzentration quantifiziert werden.

FLIR Systems GmbH
www.flir.com

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