اتوماسیون و روباتیک پلی بسوی آینده معادن

اتوماسیون و روباتیک پلی بسوی آینده معادن

خلاصه :

اتوماسیون و روباتیک در معادن از جمله موضوعات بحث انگیز دو دهه گذشته محسوب می شود .

عده ای از متخصصین معدن معتقدند که اتوماسیون و روباتیک تهدیدی برای ادامه شغل آنان تلقی  می گردد . شغلی که بیش از هزاران سال و با نقش موثر تجربه همراه بوده است . بعضی از دست اندرکاران معادن معتقدند بدلیل هزینه اولیه هرگز اینوع عملیات در معادن متداول نخواهند شد اما از سوی دیگر هر روز بر تعداد محققین و متخصصین که معتقدند استفاده از اتوماسیون و روباتیک در معادن بدلایل ایمنی ، سرعت در عملیات ، دسترسی به تولید بالا و کاهش هزینه عملیات اجتناب ناپذیر است اضافه می شود . این گروه معتقدند که آینده معادن صرفنظر از نوع و اندازه به دلایل فنی و اقتصادی باید به نوعی به سیستم معدنکاری هوشمند مجهز شود اتوماسیون و روبا تیک پلی است برای دسترسی به این هدف نه مانعی برای معدنکاران در این مقاله سیعی خواهد شد تا جنبه های مختلف این موردد بحث قرار گیرد .

1-      مقدمه

اتوماسیون ” Automation  ” ترکیبی است از دو کلمه “automatic” و Operation ” و به معنی عمل کردن بدون عامل خارجی ( انسان ) یا با کمترین تاثیر عامل خارجی است . بعبارت دیگر اتوماسیون یعنی خودکار شدن عملیات ، اتوماسیون فاز پیشرفته ای نسبت به مکانیزاسیون تلقی می گردد ضمن آنکه به مکانیزاسیون وابسته است اما مکانیزاسیون نیست از سوی دیگر Robotic توصیف کننده دو کلمه Robot  و Action است روبوت نوعی ابزار است که بر اساس فرامینی که بطور مکانیکی صادر می شود عمل می کند و روباتیک به خودکار شدن مکانیکی عملیات اطلاق می گردد .

امروزه مکانیزاسیون در معادن به مرحله ای رسیده است که به منظور بهبود در میزان تولید ، از ماشین آلات با ظرافت تولید بالا و در عین حال فوق العاده گرانقیمت و پیچیده استفاده می شود این ماشین آلات که از تکنولوژی پیچیده و پیشرفته ای برخوردارند نیاز به اپراتورهای ماهر دارند این در شرایطی است که عمق معادن زیاد و موقعیت ذخایر معدنی قابل استخراج بسیار دشوار و غیر قابل تصور حتی با ده سال قبل می باشد . اخیرا محققینی در استرالیا مشغول مطالعه بر طرحی از معدن روبازند که دارای عمق 1000 مترند {1}. این مشکلات تنها در مورد معادن سطحی وجود ندارد بلکه در معادن زیرزمینی بدلیل تولید کم و نا امن بودن موقعیت عملیات معدنکاری در قیاس با روش های استخراج معادن سطحی از حساسیت بیشتری برخوردار است مجموعه این عوامل ، مشکلات و موانع قانونی و اخلاقی را در پیش روی طراحان و مهندسین معدن قرار داده است . انتخاب مجموعه ای گرانقیمت از ماشین آلات و نیروی انسانی برای موقعیت کاری به شدت دشوار دغدغه های امروزی مسئولین معادن تلقی می شود .

در دو دهه گذشته سایر صنایع موفق آمیزی از اتوماسیون برای بهبود بهره وری خود استفاده کرده اند اما تجربیات اولیه در معادن بالاخص در سوئد و آمریکای شمالی نتایج مشابه ای را در بر نداشته است دلیل این امر آنست که در عملیات معدنکار همبستگی و یکپارچگی وجود ندارد . معدنکاری در محیطی انجام می گیرد که شرایط زمین شناسی آن غیر قابل پیش بینی و بشدت متغییر است در نتیجه برای موفقیت سیستم معدنکاری هوشمند مثب اتوماسیون نیاز به تخصیص بالا در شناخت عوامل زمین شناسی غیر قابل پیش بینی و غیر قطعی وجود دارد .

2-تجهیزات اتوماسیون :

روند توسعه تکنولوژی از بدو پیدایش انسان سه مرحله را طی کرده است ( 1 ) دوره ای که نسبتا طولانی نیز بوده است درا ین دوره که تا دوره رنسانس ادامه داشته عامل انجام کار نیروی انسانی بوده است ( 2 ) دوره مکانیزاسیون که عامل انجام کار نیروی موتور اما اجراء یا اپراتور ماشین همچنان انسان بوده است ( 3 ) دوران کنونی یا اتوماسیون که علاوه بر استفاده از نیروی موتور انجام یا بخش قابل توجه ای از کار بدون دخالت انسان انجام می گیرد . بطور اجمالی اتوماسیون سیستمی است که در آن برای بکار انداختن و استفاده از ماشین یا بخش های از ماشین از کامپیوتر یا ابزار دیگری استفاده می شود و در این عملیات نقش یا مشارکت انسان ناچیز یا حذف می شود کنترل دستگاه ، پردازش داده ، مقایسه ، محاسبه توسط کامپیوتر یا بزار مکانیکی انجام می گیرد . درجه اتوماسیون عملیات و بکارگیری ابزار اتوماتیک مثل کامپیوتر ، روبات به میزان سرمایه گذاری و جانشینی نیروی کار انسانی و شرایط عملیات یا معدن بستگی دارد . تا کنون اتوماسیون در آن         واحدهای تولیدی موفق بوده که در آنها از نظر مکان ، زمان و شرایط تولید نوعی همبستگی وجود داشته است ( 2و 3 ) برای شرایطی مثل کشاورزی که کاشت ، داشت و برداشت در ز مانهای مختلف انجام می گیرد اتوماسیون میسر نخواهد بود مگر آنکه اتوماسیون برای هریک از عملیات فوق الذکر بطور مستقل طراحی و اجراء شود در این حجم سرمایه گذاری نیز زیاد خواهد بود . طبیعتا در معادن همانند سایر پروژه های صنعتی بیشینه کردن سود ناشی از استخراج از اهداف اولیه و مهم مسئولین معادن می باشد ایجاد پیوستگی در عملیات از نظر زمان و مکان و شناخت دقیق از شرایط زمین شناسی از عوامل تاثیر گذار در موفقیت خود کار کردن کامل یا بخشی از عملیات معدنکاری می باشد . استفاده از تجهیزات مناسب برای خودکار شدن عملیات معدنکاری مستلزم توجه به نکات ذیل است .

1-      ماشین آلات معدنی باید سریعتر و دقیق تر از غالب ماشین آلاتی باشند که هم اکنون در سایر صنایع از روش اتوماسیون جهت تولید استفاده می کنند .

2-     از نظر کیفیت دسترسی ، ماشین آلات معدنی باید شرایط بهتری داشته باشند تا از نظر زمانی همبستگی بیشتری بین عملیات پدید آید ( ماشین آلات معدنی با بازدهی زیادتر در اولویت خواهند بود ) .

3-     ماشین یا بخشی از ماشین که قرار است به سمت خودکار شدن سوق داده شود باید از سنسور “Sensor  “حساس و قابل اعتماد برخوردار باشند تا هر گونه خطای عملیاتی پدید آید ( ماشین آلات معدنی با بازدهی زیادتر در اولویت خواهند بود ) .

4-     استفاده از مدل ، آلگاریتم شناخته شده و دقیق جهت برنامه ریزی تولید در معادن .

5-     تعدادی از نرم افزارها و روبات های موجود اتوماسیون عملیات در معادن از نظر هزینه توجیه پذیرند استفاده از این نوع ابزار در پائین نگهداشتن هزینه های اولیه و عملیات تاثیر مثبت دارند .

6-     برنامه ریزی برای معدن باید از دقت بالایی برخوردار باشد تا موانع پیش روی عملیات به حداقل برسد .

تجهیزات و ابزار مورد نیاز در اتوماسیون سیستم ها عبارتند از (1) کامپیوتر (2) روبات ها (3) CNC (4) سیستم های طراحی کامپیوتریزه CAD (5) سیستم تولیدی کامپیوتریزیه CAM (6) سیستم CAD/CAM (7) سیستم CIM (8) سیستم FMS

2-1 نقش کامپیوتر :

کامپیوتر با دو ویژگی تناسب زیادی با نیازمندیهای خطوط تولید اتوماتیک دارد این ویژگی ها عبارتند از : (1) سرعت فوق العاده زیاد در محاسبات (2) حافظه قوی که توان انباشت اطلاعات زیاد و متفاوت را دارد در انتخاب کامپیوتر آن کامپیوتری در الویت خواهد بود که درک روابط موجود در آنها ساده و حافظه های آن متناسب با اطلاعات موجود در واحد عملیاتی معدن باشد وسعت حافظه به واحدد عملیاتی اجازه می دهد که هرگونه تغییرات در خط عملیات را با برنامه تازه به اجرا در آورد تمام این موارد امروزه با کامپیوتر های دیجیتال میسر می باشد .

2-2- روبات ها :

ربات ها می توانند در مکانهای مختلف خطوط  اتوماسیون وظایف گوناگون عملیات را تحت تاثیر یک برنامه نرم افزاری از پیش نوشته شده بجا بیاورند . ربات ها به جای اپراتور در خطوط تولید یا عملیات عمل می کنند و غالبا در مواردی استفاده می شود که عملیات مشکل و توام با خطر برای اپراتور انسانی می باشد بطور کلی ربات ها را می توان به سه گروه تقسیم کرد {4و5 }

الف – ربات ها ییکه اداری موقعیت ثابت بوده و نمی توانند از یک موقعیت به موقعیت دیگر تغییر مکان دهند این ربات ها دارای سیستم بازخور نمی باشند بعبارت دیگر بین خروجی عملکرد ربات و ورودی آن رابطه ای وجود ندارد یا براساس بازخور خروجی جدید تولید نمی شود .

ب – ربات های متحرک که دارای سیستم بازخود می باشند و قادرند اصلاحات لازمه را در خطاهای احتمالی خروجی خود تصحیح کنند .

ج – ربات های قابل کنترل از راه دور : این نو ع  ربات ها توسط یک کاپراتور که در فاصله نسبتا دور از ماشین قرار دارد و می تواند ربات را کنترل نماید از ا ین نوع ربات ها در معادن زیر زمینی ذغال سنگ و در ماشین های استخراج پیوسته مثل LHD مورد استفاده قرار می گیرد .

رباتها علاوه بر آنکه موجب بازدهی ، سرعت ، دقت و کیفیت بالای عملیاتی می شوند این مکان را فراهم می سازد که بسیاری از عملیات مشکل ، خطرزا و غیر قابل انجام از طریق اپراتور انسانی ، امکانپذیر شوند . رباتها بر خلاف نیروی انسانی قادر هستند حتی سه شیفت متوالی کار کنند و در این خصوص منع فیزیولوژیکی نیروی کار را ندارند . همچنین ربات ها نیاز به اضافه کاری ، پاداش ، تهویه ، روشنایی ، بهداشت و درمان نداشته و لذا تولید یا عملیات با هزینه و مشکلات کمتری انجام می گیرد .

 

2-3 ماشین های CNC

ماشین های CNC که بوسیله کامپیوتر بکار گرفته می شوند از  جمله ابزار مهم سیستم اتوماسیون محسوب می شوند وظایف و توانائیهای ماشین CNC کنترل داده ها و اطلاعات معین می باشد بعضا ماشین های CNC ماشین NC نیز نامیده می شود زیرا وقتی این ماشین ها برنامه ریزی می شوند اطلاعات مختلف روی نوار ثبت می شود و در اختیار ماشین قرار می گیرد و ماشین در راستای این اطلاعات به انجام کار می پردازد با کاربرد CNC یا NC می توان سرعت و دقت را در عملیات یا تولید افزایش داد .

2-4 سیستم طراحی کامپیوتریزه CAD  :

طراحی به کمک کامپیوتر از جمله ابزار بسیار موثر در سیستم اتوماسیون محسوب می شوند . طراحی به کمک این سیستم روند طراحی بصورت دستی را که زمان بر ، خطاپذیر و هزینه بر است حذف می نماید . در معادن بدلیل غیر قابل پیش بینی بودن بعضی شرایط ، تغییر بعضی از عوامل موثر در طراحی مثل قیمت ، عیار ذخایر معدنی ، طرح اولیه نیاز به تجدید نظر پیدا می کند .

این تغییرات هم از طریق برنامه نویسی و بکارگیری قلم نوری بر روی صفحه کامپیوتر امکانپذیر می شود . علاوه بر تجدید نظر طرح های قدیمی طرح جدید نیز توسط CAD  میسر است . امروزه آن گروه از واحدهای معادن که مجهز به سیستم اتوماسیون می باشند با توجه به استفاده از CAD طراحی حا دقیق تر ، زمان طراحی کوتاه تر و فاصله بین طراحی و عملیات اجرایی نیز تقلیل و در نهایت بعضی از هزینه های غیر ضروری نیز حذف گردیدند .

2-5 – سیستم تولیدی کامپیوتریزه CAM  :

اساس سیستم تولید کام پیوتریزه یا سیستم تولید ببکمک کامپیوتر بر این واقعیت متکی است که کار کرد دستگاه یا بخش های مختلف ماشین تحت هدایت و کنترل برنامه کامپیوتر قرار دارد و امروزه هدایت و کنترل ربات ها نیز توسط سیستم CAM  انجام می گیرد بکمک CAM انجام می گیرد بکمک CAM  می توان میزان تولید و کیفیت عملیات را افزایش داد .

2-6- سیستم CAD / CAM

همانگونه که اشاره شد در سیستم CAD طراحی و ایجاد مدل توسط کامپیوتر و از طریق ترمینالهای گرافیکی انجام می گیرد از طرف دیگر در سیستم CAM امور مربوط به عملیات و تولید تحت هدایت و کنترل برنامه کامپیوتری میسر می شود هر یک از این دو سیستم بصورت مستقل از هم در واحد هاای تولید اتوماسیون مورد استفاده قرار گرفته اند ولی برای دسترسی به سرعت ، دقت و بازدهی بالا مطلوب آنستکه این دو سیستم بطور مرتبط با یکدیگر بکار بپردازند در این شرایط خروجی ها سیستم CAD بعنوان ورودی در اختیار سیستم CAM قرار می گیرد در این ترکیب سرعت ، دقت کیفیت طرح در کنار سرعت ، دقت و کیفیت عملیات و تولید موجب بازدهی بالا می شود .

2-7 – سیستم CIM :

مهمترین ویژگی CIM مرتبط ساختن و هماهنگ نمودن مراحل مختلف عملیات یا تولید در سیستم اتوماسیون از طریق کامپیوتر است درسیستم اتوماسیون هر یک از اجزاء CAD  ، CAM و CNC به تنها موجب سرعت ، دقت و بازدهی در عملیات و تولید و نهایتا کاهش زمان تولید و هزینه می شوند هماهنگی این اجزاء بکمک CIM در افزایش ضرایب مرنبط با سرعت ، دقت و بازدهی موثر و باعث تنظیم مراحل مختلف عملیات و تولید می شود .

2-8 – سیستم FMS :

از مشخصات این سیستم نیز همانند سیستم CIM  کنترل و هدایت مراحل گوناگون عملیات یا تولید در سیستم اتوماسیون است اما سیستم FMS از سیستم CIM  بمراتب انعطاف پذیرتر است .

تجربیات اولیه در معادن و سایر صنایع در زمینه اتوماسیون نشان می دهد که روند اتوماسیون بایستی با مراحل قبل و بعد از خود نیز سازگار باشد در غیر اینصورت بازدهی عملیات یا تولیدی که توسط سیستم اتوماسیون انجام شده است کاهش می یابد .

3-      موارد استفاده :

در عصر کنونی تکنولوژی استخراج معادن سطحی در قیاس با روش های استخراج معادن زیرزمینی بسیار پیشرفت کرده است و تحولی عظیم در این زمینه در حال شکل گرفتن است {6} افزایش ظرفیت ماشین آلات ، ارائه مدل و آلگاریتم هایی که جهت تعیین محدوده نهایی معدن ، عیار حد ذخایر تک فلزی نوشته شده است ، حل مدل جهت برنامه ریزی تولید در شرایط قطعی و عدم قطعیت میزان ذخایر ، عیار حد و قیمت همگی از دست آوردهای دو دهه گذشته محسوب می شوند .تصور شود که چگونه یک دستگاه حفاری بدون اپراتور طبق زمانهای تنظیم شد و براساس آرایش چالهای انفجاری در معدن کار کند یا یک سیستم ماهواره ای مکان یاب بر اسا س اطلاعات حاصله از حفاری شرایط منطقه مورد حفاری را به شاول جهت بارگیری گزارش می دهد یا کامیونها ، مشکل مکانیکی و غیر مکانیکی بازدارنده را به مرکز دیسپانچینگ گزارش و مجددا دستور کار جدید دریافت می کند . در شرایط کنونی روش های متفاوتی جهت اتوماتیک کردن عملیات بارگیری مورد استفاده قرار گرفته است که از آن جمله می توان به استفاده از امواج رادیویی مادون قرمز اشاره کرد که جهت هماهنگی بین شاول و کامیون برای شروع عملیات مورد استفاده قرار می گیرد تا بارگیری با زمان انتظار کمتری انجام پذیرد .

از جمله موارد دیگر استفاده از GPS  است که موقعیت مکانی و جغرافیایی ماشین آلات را برای مدیران و مسئولین معدن مشخص می کند . همچنین روش شناسایی با فرکانسهای رادیوی RFID  بعنوان یک گزینه در جهت ردیابی تجهیزات در معدن روباز بکار گرفته شده است .RFID یک نوع روش شناسایی خود کار غیر معمول است که بسیار شبیه بعضی از سیستم های کد گذاری است ، بخش های اصلی این سیستم عبارتند از امواج رادیوی ، خواننده ها ، آنتن و کامپیوتر به این مجموعه باید به روش ه ای نیمه و تمام دیسپاچینگ اشاره کرد که بهینه سازی زمان و حمل ، بیشینه کردن تولید و کمینه سازی تعداد کامیون نسبت به روش مشاهده ای از اولویت قابل توجه برخوردار است و در تعداد قابل توجه ای از معادن روباز مورد استفاده قرار می گیرد .

4-      جمع بندی :

امروزه شرایط معدنکاری از نظر موقعیت مکانی ذخایر به عمقی رسیده که امکان استخراج آنها در چند دهه گذشته متصور نبود بطور خاص ذخایری امروز با روش های استخراج معادن سطحی به ویژه روباز استخراج می شوند که تا یک دهه پیش قرار بود با روش های زیر زمینی استخراج شوند نیاز به تولید بالا ، هزینه کم از جمله انگیزه های استفاده از روش های استخراج معادن سطحی محسوب می شوند ذخایری که در سالهای آتی با روش روباز استخراج خواهند شد بمراتب عمیق تر و پیچیده تر خواهند بود به منظور تشویق جهت سرمایه گذاری و راه اندازی اینگونه معادن باید از ایمن بودن عملیات اطمینان حاصل کرد استفاده از سیستم اتوماسیون در معادن روباز حتی زیرزمینی یک ضرورت اجتناب ناپذیر دو دهه آتی تلقی می شود در این راستا باید به نکات ذیل توجه بیشتری شود .

1-      از نظر زمین شناسی ، ژئومکانیک و هیدرولوژی باید مطالعات عمیق تری از معادن انجام پذیرد بعبارت دیگر کمیت و کیفیت داده ها ، چگونگی تحلیل این داده بگونه ای انجام پذیرد تا خطای ناشی از این مطالعات ناچیز و تاثیر آن در یکپارچگی عملیات در مرا حل بعدی به حداقل برسد .

2-      پیش بینی شرایط اقتصادی از طریق مدلها و تکنیک هایی که احتمال دسترسی به آن شرایط را زیاد نماید .

3-      آموزش روش های اتوماسیون در دانشکده های معدن دانشگاهها .

4-      فراگیری فارغ التحصیلان رشته معدن در مقاطع مختلف با بسته های نرم افزاری مدرن به منظور تخمین ذخایرر ، برآورد شیب معادن ، تعیین محدوده نهایی معدن عیار حد بهینه ، برنامه ریزی تولید بلند مدت میان مدت وکوتاه مدت .

5-      موفقیت آینده عملیات معدنکاری مرتبط با میزان بکارگیری سیستم اتوماسیون در معادن است در این راستا سوق دادن معادن بسوی آتوماتیک نمودن تولید ، تضمینی است برای فعالیت های معدنکاری در آینده که ذخایر از پیچیدگی و دشواری بیشتری نیز برخوردارند .

 

Reference

[1] Chadwick , J , 2007 , Deep open pits , international mining , Team publishing Ltd , UK , volume 3 No , 1 , January p52 – 53 .

[2] Chadwick , j , 1995 “ Mine Automation “ mining magazine UK June pp – 333-341

[3] White and Z oschke , T 1994 “ Automating surface mining , mining Engineering US June pp – 95 – 100 .”

[4] Hopkin , M and Dugan S . 1993 , “ Automated drilling of surface blast holes using computer control . “ Mine mechanization and automation , Netherlands A . A Balkeme pp – 135 – 160 .

[5] golonski , T , S , 2000 Advances in Automation and Robotoization of open – pit mining T in T .S . Golosinski ( ed ) , mining in the new millenum – challenges and opportunities , Proc American – Polish Mining Symp las vagas Oct – 2000 P145 – 152 Rotterdam Balkema .

[6[ Caterpillar , Inc . 2000 Company Product Information , www.Cat.com .