اتوماسيون و روباتيک پلى به ‌سوى آينده معادن

اتوماسيون و روباتيک در معادن از جمله موضوعات بحث‌انگيز دو دهه گذشته محسوب مى‌شود. عده‌اى از متخصصين معدن معتقدند که اتوماسيون و روباتيک تهديدى براى ادامه شغل آنان تلقى مى‌شود. شغلى که بيش از هزاران سال و با نقش موثر تجربه همراه بوده است. بعضى از دست‌اندرکاران معادن معتقدند به‌دليل هزينه اوليه هرگز اين نوع عمليات در معادن متداول نخواهند شد اما از سوى ديگر هر روز بر تعداد محققين و متخصصين که معتقدند استفاده از اتوماسيون و روباتيک در معادن به‌دلايل ايمنى، سرعت در عمليات، دسترسى به توليد بالا و کاهش هزينه عمليات اجتناب‌ناپذير است اضافه مى‌شود. اين گروه معتقدند که آينده معادن صرف‌نظر از نوع و اندازه به‌دلايل فنى و اقتصادى بايد به نوعى به سيستم معدنکارى هوشمند مجهز شود. اتوماسيون و روباتيک پلى است براى دسترسى به اين هدف نه مانعى براى معدنکاران. در اين مقاله سعى خواهد شد تا جنبه‌هاى مختلف اين مسئله مورد بحث قرار گيرد.
​

مقدمه
اتوماسيون (Automation) ترکيبى است از دو کلمه "automatic" و "Operation" و به معنى عمل کردن بدون عامل خارجى (انسان) يا با کمترين تاثير عامل خارجى است. به ‌عبارت ديگر اتوماسيون يعنى خودکار شدن عمليات، اتوماسيون فاز پيشرفته‌اى نسبت به مکانيزاسيون تلقى مى‌‌شود ضمن آنکه به مکانيزاسيون وابسته است اما مکانيزاسيون نيست از سوى ديگر Robotic توصيف‌کننده دو کلمه Robot و Action است. روبوت نوعى ابزار است که براساس فرامينى که به‌طور مکانيکى صادر مى‌شود عمل مى‌کند و روباتيک به‌خودکار شدن مکانيکى عمليات اطلاق مى‌‌شود. امروزه مکانيزاسيون در معادن به‌مرحله‌اى رسيده است که به‌منظور بهبود در ميزان توليد، از ماشين‌آلات با ظرفيت توليد بالا و در عين حال فوق‌العاده گرانقيمت و پيچيده استفاده مى‌شود اين ماشين‌آلات که از تکنولوژى پيچيده و پيشرفته‌اى برخوردارند نياز به اپراتورهاى ماهر دارند اين در شرايطى است که عمق معادن زياد و موقعيت ذخاير معدنى قابل استخراج بسيار دشوار و غيرقابل تصور حتى با 10 سال قبل است. اخيرا محققينى در استراليا مشغول مطالعه بر طرحى از معدن روبازند که داراى عمق 1000 متر است. اين مشکلات تنها در مورد معادن سطحى وجود ندارد بلکه در معادن زيرزمينى به‌دليل توليد کم و نا امن بودن موقعيت عمليات معدنکارى در قياس با روش‌هاى استخراج معادن سطحى از حساسيت بيشترى برخوردار است مجموعه اين عوامل، مشکلات و موانع قانونى و اخلاقى را در پيش روى طراحان و مهندسين معدن قرار داده است. انتخاب مجموعه‌اى گرانقيمت از ماشين‌آلات و نيروى انسانى براى موقعيت کارى به‌شدت دشوار دغدغه‌هاى امروزى مسئولان معادن تلقى مى‌شود. در دو دهه گذشته ساير صنايع موفق‌آميزى از اتوماسيون براى بهبود بهره‌ورى خود استفاده کرده‌اند اما تجربيات اوليه در معادن بالاخص در سوئد و آمريکاى شمالى نتايج مشابهى را دربر نداشته است دليل اين امر آن است که در عمليات معدنکار همبستگى و يکپارچگى وجود ندارد. معدنکارى در محيطى انجام مى‌گيرد که شرايط زمين‌شناسى آن غيرقابل پيش‌بينى و به‌شدت متغيير است در نتيجه براى موفقيت سيستم معدنکارى هوشمند مثل اتوماسيون نياز به تخصص بالا در شناخت عوامل زمين‌شناسى غيرقابل پيش‌بينى و غيرقطعى وجود دارد

.2. تجهيزات اتوماسيون

روند توسعه تکنولوژى از بدو پيدايش انسان سه مرحله را طى کرده است(1) دوره‌اى که نسبتا طولانى نيز بوده است در اين دوره که تا دوره رنسانس ادامه داشته عامل انجام کار نيروى انسانى بوده است(2) دوره مکانيزاسيون که عامل انجام کار نيروى موتور اما مجرى يا اپراتور ماشين همچنان انسان بوده است(3) دوران کنونى يا اتوماسيون که علاوه بر استفاده از نيروى موتور انجام يا بخش قابل توجهى از کار بدون دخالت انسان انجام مى‌گيرد. به‌طور اجمالى اتوماسيون سيستمى است که در آن براى به‌کار انداختن و استفاده از ماشين يا بخش‌هايى از ماشين از کامپيوتر يا ابزار ديگرى استفاده مى‌شود و در اين عمليات نقش يا مشارکت انسان ناچيز يا حذف مى‌شود. کنترل دستگاه، پردازش داده‌ها، مقايسه و محاسبه توسط کامپيوتر يا ابزار مکانيکى انجام مى‌گيرد. درجه اتوماسيون عمليات و به‌کارگيرى ابزار اتوماتيک مثل کامپيوتر، روبات به‌ميزان سرمايه‌گذارى و جانشينى نيروى کار انسانى و شرايط عمليات يا معدن بستگى دارد. تاکنون اتوماسيون در آن واحدهاى توليدى موفق بوده که در آنها از نظر مکان، زمان و شرايط توليد نوعى همبستگى وجود داشته است[2 و 3] براى شرايطى مثل کشاورزى که کاشت، داشت و برداشت در ز مان‌هاى مختلف انجام مى‌گيرد اتوماسيون ميسر نخواهد بود مگر آنکه اتوماسيون براى هر يک از عمليات فوق‌الذکر به‌طور مستقل طراحى و اجرا شود. در اين حجم سرمايه‌گذارى نيز زياد خواهد بود. طبيعتا در معادن همانند ساير پروژه‌هاى صنعتى بيشينه کردن سود ناشى از استخراج از اهداف اوليه و مهم مسئولان معادن است. ايجاد پيوستگى در عمليات از نظر زمان و مکان و شناخت دقيق از شرايط زمين‌شناسى از عوامل تاثيرگذار در موفقيت خود کار کردن کامل يا بخشى از عمليات معدنکارى است. استفاده از تجهيزات مناسب براى خودکار شدن عمليات معدنکارى مستلزم توجه به نکات ذيل است. 1. ماشين‌آلات معدنى بايد سريع‌تر و دقيق‌تر از غالب ماشين‌آلاتى باشند که هم‌اکنون در ساير صنايع از روش اتوماسيون جهت توليد استفاده مى‌کنند. 2. از نظر کيفيت دسترسى، ماشين‌آلات معدنى بايد شرايط بهترى داشته باشند تا از نظر زمانى همبستگى بيشترى بين عمليات پديد آيد (ماشين‌آلات معدنى با بازدهى زيادتر در اولويت خواهند بود). 3. ماشين يا بخشى از ماشين که قرار است به سمت خودکار شدن سوق داده شود بايد از سنسور "Sensor" حساس و قابل اعتماد برخوردار باشند تا هرگونه خطاى عملياتى پديد آيد (ماشين‌آلات معدنى با بازدهى زيادتر در اولويت خواهند بود). 4. استفاده از مدل، آلگاريتم شناخته شده و دقيق جهت برنامه‌ريزى توليد در معادن. 5. تعدادى از نرم‌افزارها و روبات‌هاى موجود اتوماسيون عمليات در معادن از نظر هزينه توجيه‌پذيرند استفاده از اين نوع ابزار در پايين نگهداشتن هزينه‌هاى اوليه و عمليات تاثير مثبت دارند. 6. برنامه‌ريزى براى معدن بايد از دقت بالايى برخوردار باشد تا موانع پيش روى عمليات به حداقل برسد. تجهيزات و ابزار مورد نياز در اتوماسيون سيستم‌ها عبارتند از 1. کامپيوتر 2. روبات‌ها 3. CNC 4. سيستم‌هاى طراحى کامپيوتريزه CAD 5. سيستم توليدى کامپيوتريزه CAM 6. سيستم CAD/CAM 7. سيستم 8. سيستم FMS
2ـ1 نقش کامپيوتر

کامپيوتر با دو ويژگى تناسب زيادى با نيازمندى‌هاى خطوط توليد اتوماتيک دارد اين ويژگى‌ها عبارتند از: 1) سرعت فوق‌العاده زياد در محاسبات 2) حافظه قوى که توان انباشت اطلاعات زياد و متفاوت را دارد. در انتخاب کامپيوتر آن کامپيوترى در اولويت خواهد بود که درک روابط موجود در آنها ساده و حافظه‌هاى آن متناسب با اطلاعات موجود در واحد عملياتى معدن باشد. وسعت حافظه به واحد عملياتى اجازه مى‌دهد که هرگونه تغييرات در خط عمليات را با برنامه تازه به اجرا درآورد. تمام اين موارد امروزه با کامپيوتر‌هاى ديجيتال ميسر است.

2ـ2ـ روبات‌ها

روبات‌ها مى‌توانند در مکان‌هاى مختلف خطوط اتوماسيون وظايف گوناگون عمليات را تحت تاثير يک برنامه نرم‌افزارى از پيش نوشته شده بجا بياورند. روبات‌ها به‌جاى اپراتور در خطوط توليد يا عمليات عمل مى‌کنند و غالبا در مواردى استفاده مى‌شود که عمليات مشکل و توام با خطر براى اپراتور انسانى است. به‌طور کلى روبات‌ها را مى‌توان به سه گروه تقسيم کرد: [4و5] الف. روبات‌هايى که داراى موقعيت ثابت بوده و نمى‌توانند از يک موقعيت به موقعيت ديگر تغيير مکان دهند اين روبات‌ها داراى سيستم بازخور نيستند به‌عبارت ديگر بين خروجى عملکرد روبات و ورودى آن رابطه‌اى وجود ندارد يا براساس بازخور خروجى جديد توليد نمى‌شود. ب. روبات‌هاى متحرک که داراى سيستم بازخور هستند و قادرند اصلاحات لازمه را در خطاهاى احتمالى خروجى خود تصحيح کنند. ج. روبات‌هاى قابل کنترل از راه دور: اين نوع روبات‌ها توسط يک کاپراتور که در فاصله نسبتا دور از ماشين قرار دارد و مى‌تواند روبات را کنترل کند اين نوع روبات‌ها در معادن زيرزمينى زغال‌سنگ و در ماشين‌هاى استخراج پيوسته مثل LHD مورد استفاده قرارمى‌گيرد. روبات‌ها علاوه بر آنکه موجب بازدهى، سرعت، دقت و کيفيت بالاى عملياتى مى‌شوند اين امکان را فراهم مى‌سازد که بسيارى از عمليات مشکل، خطرزا و غيرقابل انجام از طريق اپراتور انسانى، امکانپذير شوند. روبات‌ها برخلاف نيروى انسانى قادر هستند حتى سه شيفت متوالى کار کنند و در اين خصوص منع فيزيولوژيکى نيروى کار را ندارند. همچنين روبات‌ها نياز به اضافه کارى، پاداش، تهويه، روشنايى، بهداشت و درمان نداشته و لذا توليد يا عمليات با هزينه و مشکلات کمترى انجام مى‌گيرد.

2ـ3 ماشين‌هاى CNC

ماشين‌هاى CNC که به‌وسيله کامپيوتر به‌کار گرفته مى‌شوند از جمله ابزار مهم سيستم اتوماسيون محسوب مى‌شوند. وظايف و توانايى‌هاى ماشين CNC، کنترل داده‌ها و اطلاعات معين است بعضا ماشين‌هاى CNC ماشين NC نيز ناميده مى‌شود زيرا وقتى اين ماشين‌ها برنامه‌ريزى مى‌شوند اطلاعات مختلف روى نوار ثبت مى‌شود و در اختيار ماشين قرار مى‌گيرد و ماشين در راستاى اين اطلاعات به انجام کار مى‌پردازد. با کاربرد CNC يا NC مى‌توان سرعت و دقت را در عمليات يا توليد افزايش داد.

2-4 سيستم طراحى کامپيوتريزه CAD

طراحى به کمک کامپيوتر از جمله ابزار بسيار موثر در سيستم اتوماسيون محسوب مى‌شوند. طراحى به کمک اين سيستم روند طراحى به‌صورت دستى را که زمان‌بر، خطاپذير و هزينه‌بر است، حذف مى‌کند. در معادن به‌دليل غيرقابل پيش‌بينى بودن بعضى شرايط، تغيير بعضى از عوامل موثر در طراحى مثل قيمت، عيار ذخاير معدنى، طرح اوليه نياز به تجديدنظر پيدا مى‌کند.

اين تغييرات هم از طريق برنامه‌نويسى و به‌کارگيرى قلم نورى بر روى صفحه کامپيوتر امکانپذير مى‌شود. علاوه بر تجديدنظر طرح‌هاى قديمى، طرح جديد نيز توسط CAD ميسر است. امروزه آن گروه از واحدهاى معادن که مجهز به سيستم اتوماسيون هستند با توجه به استفاده از CAD طراحى‌ها دقيق‌تر، زمان طراحى کوتاهتر و فاصله بين طراحى و عمليات اجرايى نيز تقليل و در نهايت بعضى از هزينه‌هاى غيرضرورى نيز حذف شده‌اند.

2ـ5 ـ سيستم توليدى کامپيوتريزه CAM

اساس سيستم توليد کامپيوتريزه يا سيستم توليد به کمک کامپيوتر بر اين واقعيت متکى است که کارکرد دستگاه يا بخش‌هاى مختلف ماشين تحت هدايت و کنترل برنامه کامپيوتر قرار دارد و امروزه هدايت و کنترل روبات‌ها نيز توسط سيستم CAM انجام مى‌گيرد به‌کمک CAM مى‌توان ميزان توليد و کيفيت عمليات را افزايش داد.

2ـ6 ـ سيستم CAD/CAM

همان‌گونه که اشاره شد در سيستم CAD طراحى و ايجاد مدل توسط کامپيوتر و از طريق ترمينال‌هاى گرافيکى انجام مى‌گيرد. از طرف ديگر در سيستم CAM امور مربوط به عمليات و توليد تحت هدايت و کنترل برنامه کامپيوترى ميسر مى‌شود. هر يک از اين دو سيستم به‌صورت مستقل از هم در واحد‌هاى توليد اتوماسيون مورد استفاده قرار گرفته‌اند ولى براى دسترسى به سرعت، دقت و بازدهى بالا مطلوب است که اين دو سيستم به‌طور مرتبط با يکديگر به‌کار بپردازند در اين شرايط خروجى‌هاى سيستم CAD به‌عنوان ورودى در اختيار سيستم CAM قرار مى‌گيرد در اين ترکيب سرعت، دقت کيفيت طرح در کنار سرعت، دقت و کيفيت عمليات و توليد موجب بازدهى بالا مى‌شود

د. 2ـ7ـ سيستم CIM

مهمترين ويژگى CIM مرتبط ساختن و هماهنگ کردن مراحل مختلف عمليات يا توليد در سيستم اتوماسيون از طريق کامپيوتر است. در سيستم اتوماسيون هر يک از اجزا CAD، CAM و CNC به تنهايى موجب سرعت، دقت و بازدهى در عمليات و توليد و نهايتا کاهش زمان توليد و هزينه مى‌شوند. هماهنگى اين اجزا به‌کمک CIM در افزايش ضرايب مرتبط با سرعت، دقت و بازدهى موثر و باعث تنظيم مراحل مختلف عمليات و توليد مى‌شود.

2ـ8ـ سيستم FMS

از مشخصات اين سيستم نيز همانند سيستم CIM کنترل و هدايت مراحل گوناگون عمليات يا توليد در سيستم اتوماسيون است اما سيستم FMS از سيستم CIM به‌مراتب انعطاف‌پذيرتر است. تجربيات اوليه در معادن و ساير صنايع در زمينه اتوماسيون نشان مى‌دهد که روند اتوماسيون بايد با مراحل قبل و بعد از خود نيز سازگار باشد در غير اين‌ صورت بازدهى عمليات يا توليدى که توسط سيستم اتوماسيون انجام شده است کاهش مى‌يابد.

3. موارد استفاده

در عصر کنونى تکنولوژى استخراج معادن سطحى در قياس با روش‌هاى استخراج معادن زيرزمينى بسيار پيشرفت کرده است و تحولى عظيم در اين زمينه در حال شکل گرفتن است[6] افزايش ظرفيت ماشين‌آلات، ارائه مدل و آلگاريتم‌هايى که جهت تعيين محدوده نهايى معدن، عيار حد ذخاير تک فلزى نوشته شده است، حل مدل جهت برنامه‌ريزى توليد در شرايط قطعى و عدم قطعيت ميزان ذخاير، عيار حد و قيمت همگى از دستاوردهاى دو دهه گذشته محسوب مى‌شوند. تصور شود که چگونه يک دستگاه حفارى بدون اپراتور طبق زمان‌هاى تنظيم شده و براساس آرايش چال‌هاى انفجارى در معدن کار کند يا يک سيستم ماهواره‌اى مکانياب براساس اطلاعات حاصله از حفارى شرايط منطقه مورد حفارى را به شاول جهت بارگيرى گزارش مى‌دهد يا کاميون‌ها، مشکل مکانيکى و غيرمکانيکى بازدارنده را به مرکز ديسپانچينگ گزارش و مجددا دستور کار جديد دريافت مى‌کند. در شرايط کنونى روش‌هاى متفاوتى جهت اتوماتيک کردن عمليات بارگيرى مورد استفاده قرار گرفته است که از آن جمله مى‌توان به استفاده از امواج راديويى مادون قرمز اشاره کرد که جهت هماهنگى بين شاول و کاميون براى شروع عمليات مورد استفاده قرار مى‌گيرد تا بارگيرى با زمان انتظار کمترى انجام پذيرد. از جمله موارد ديگر استفاده از GPS است که موقعيت مکانى و جغرافيايى ماشين‌آلات را براى مديران و مسئولان معدن مشخص مى‌کند. همچنين روش شناسايى با فرکانس‌هاى راديوى RFID به‌عنوان يک گزينه در جهت رديابى تجهيزات در معدن روباز بکار گرفته شده است. RFID يک نوع روش شناسايى خودکار غيرمعمول است که بسيار شبيه بعضى از سيستم‌هاى کدگذارى است، بخش‌هاى اصلى اين سيستم عبارتند از امواج راديوى، خواننده‌ها، آنتن و کامپيوتر به اين مجموعه بايد به روش‌هاى نيمه و تمام ديسپاچينگ اشاره کرد که بهينه‌سازى زمان و حمل، بيشينه کردن توليد و کمينه‌سازى تعداد کاميون نسبت به روش مشاهده‌اى از اولويت قابل‌توجهى برخوردار است و در تعداد قابل‌توجهى از معادن روباز مورد استفاده قرار مى‌گيرد.

4. جمع‌بندى

امروزه شرايط معدنکارى از نظر موقعيت مکانى ذخاير به‌عمقى رسيده که امکان استخراج آنها در چند دهه گذشته متصور نبود به‌طور خاص ذخاير امروز با روش‌هاى استخراج معادن سطحى به‌ويژه روباز استخراج مى‌شوند که تا يک دهه پيش قرار بود با روش‌هاى زير زمينى استخراج شوند نياز به توليد بالا، هزينه کم از جمله انگيزه‌هاى استفاده از روش‌هاى استخراج معادن سطحى محسوب مى‌شوند ذخايرى که در سال‌هاى آتى با روش روباز استخراج خواهند شد به‌مراتب عميق‌تر و پيچيده‌تر خواهند بود به‌منظور تشويق جهت سرمايه‌گذارى و راه‌اندازى اينگونه معادن بايد از ايمن بودن عمليات اطمينان حاصل کرد استفاده از سيستم اتوماسيون در معادن روباز حتى زيرزمينى يک ضرورت اجتناب‌ناپذير دو دهه آتى تلقى مى‌شود در اين راستا بايد به نکات ذيل توجه بيشترى شود. 1. از نظر زمين‌شناسى، ژئومکانيک و هيدرولوژى بايد مطالعات عميق‌ترى از معادن انجام پذيرد به‌عبارت ديگر کميت و کيفيت داده‌ها، چگونگى تحليل اين داده به‌گونه‌اى انجام پذيرد تا خطاى ناشى از اين مطالعات ناچيز و تاثير آن در يکپارچگى عمليات در مرا حل بعدى به حداقل برسد. 2. پيش‌بينى شرايط اقتصادى از طريق مدل‌ها و تکنيک‌هايى که احتمال دسترسى به آن شرايط‌‌‌‌‌ را زياد کند3. آموزش روش‌هاى اتوماسيون در دانشکده‌هاى معدن دانشگاه‌ها.
4. فراگيرى فارغ‌التحصيلان رشته معدن در مقاطع مختلف با بسته‌هاى نرم‌افزارى مدرن به‌منظور تخمين ذخاير، برآورد شيب معادن، تعيين محدوده نهايى معدن عيار حد بهينه، برنامه‌ريزى توليد بلندمدت ميان‌مدت و کوتاه‌مدت.
5. موفقيت آينده عمليات معدنکارى مرتبط با ميزان به‌کارگيرى سيستم اتوماسيون در معادن است. در اين راستا سوق دادن معادن به‌سوى اتوماتيک کردن توليد، تضمينى است براى فعاليت‌هاى معدنکارى در آينده که ذخاير از پيچيدگى و دشوارى بيشترى نيز برخوردارند.​