ربات‌ها در معدن: سیستم‌های حمل و نقل خودکار

در دهه‌های اخیر، معدنکاری با استفاده از فناوری‌های نوآورانه مانند رباتیک، هوش مصنوعی، حسگرهای هوشمند و اینترنت اشیا صنعتی، ربات کوکا، دستخوش تغییرات اساسی شده است.

معدن مدرن، اکوسیستمی است که نوآوری فناوری عنصر اصلی آن است و آن را ایمن‌تر، کارآمدتر و پربارتر از معادن قرن‌ها یا دهه‌های گذشته می‌کند.

یکی از روندهای اصلی در صنعت معدن، اتوماسیون تجهیزات و فرآیندها است که با فناوری‌هایی مانند رباتیک، قابلیت‌های خودمختاری بیشتری را فراهم می‌کند. این مقاله به بررسی استفاده از ربات‌ها در سیستم‌های حمل و نقل خودکار خواهد پرداخت.

به سوی معدن خودگردان

معدن از دیرباز بستر بسیاری از صنایع وابسته بوده است که به منابع استخراج‌شده مانند سنگ آهن، سنگ مس، فلزات خاکی کمیاب و زغال‌سنگ متکی هستند. با این حال، در طول تاریخ خود، معدن‌کاری تلاشی بسیار پرزحمت و پرهزینه بوده است.

معدنکاری یک فعالیت خطرناک است و چندین فاجعه‌ی کاملاً شناخته‌شده در طول تاریخ این صنعت، باعث تلفات جانی عظیم، تأثیرات منفی بر تولید و توجیه اقتصادی عملیات و از بین رفتن تجهیزات و منابع کلیدی شده است. علاوه بر این، معدنکاری یک فعالیت فوق‌العاده مخرب برای محیط زیست است.

دور کردن کارگران از محیط‌های خطرناک موجود در معادن سطحی و عمیق زیرزمینی، ایمنی، مقرون‌به‌صرفه بودن و کارایی را بهبود می‌بخشد. خودکارسازی فرآیندهایی که به‌طور سنتی توسط انسان‌ها انجام می‌شدند، با کاربرد چندین فناوری، به‌ویژه ربات‌ها، امکان‌پذیر شده است.

ربات‌ها قادرند در محیط‌هایی که در غیر این صورت جان معدنچیان را در معرض خطر قرار می‌دهند، به صورت شبانه‌روزی کار کنند، وظایف خطرناک و پیش پا افتاده مانند ربات جوشکار را خودکار کنند و به کارگران اجازه دهند تا روی وظایف با ارزش افزوده بیشتر تمرکز کنند. ربات‌ها به دلیل توانایی کار 24 ساعته و 7 روز هفته بدون استراحت، می‌توانند به طور قابل توجهی بازده اقتصادی معادن را بهبود بخشند.

نقل قول از سایت گروه صنعتی ره گستر:

“اتوماسیون در صنعت معدن به دلایل متعددی از اهمیت بالایی برخوردار است. یکی از مهم‌ترین این دلایل، افزایش بهره‌وری است. با استفاده از سیستم‌های خودکار، معادن می‌توانند عملیات پیچیده‌ای مانند حفاری، حمل و نقل، و پردازش مواد معدنی را با سرعت و دقت بیشتری انجام دهند. این امر به کاهش زمان‌های توقف و افزایش تولید منجر می‌شود. به‌علاوه، اتوماسیون به کاهش هزینه‌های عملیاتی کمک می‌کند. ماشین‌آلات خودکار می‌توانند بدون نیاز به نیروی انسانی به صورت ۲۴ ساعته و هفت روز هفته کار کنند، که این امر به کاهش هزینه‌های نیروی کار و افزایش سودآوری منجر می‌شود.”

سیستم‌های حمل و نقل خودکار: بهبود ایمنی معدن

کامیون‌های حمل و نقل برای انتقال منابع معدنی به منظور فرآوری بیشتر ضروری هستند. با این حال، استفاده از آنها بسیار خطرناک است: بیشتر تلفات و تصادفات در معادن هنگام کار با وسایل نقلیه رخ می‌دهد. ایمنی معادن به مرور زمان به دلیل فناوری‌ها و مقررات جدید بهبود یافته است، اما متأسفانه تصادفات مرگبار هنوز هم رخ می‌دهد.

مطالعات نشان داده‌اند که تعامل بین کارگران انسانی و وسایل نقلیه تهدید قابل توجهی برای ایمنی است، به طوری که یک مقاله نشان می‌دهد ۱۱٪ از کل تلفات در معادن ایالات متحده بین سال‌های ۲۰۰۰ تا ۲۰۱۲ مربوط به کامیون‌ها بوده است. علاوه بر این، ۵۷٪ از جراحات شدید با وسایل نقلیه مرتبط بوده است.

افزایش پذیرش سیستم‌های حمل و نقل خودکار (AHS) در حال حاضر یک روند کلیدی در صنعت معدن است و شرکت‌های متعددی به طور فزاینده‌ای از ناوگان کامیون‌ها، لودرها و قطارهای خودران استفاده می‌کنند. بسیاری از این وسایل نقلیه در مرحله آزمایش هستند، اما سیستم‌های خودران به طور فزاینده‌ای در دسترس قرار می‌گیرند.

کامیون‌های حمل و نقل رباتیک خودران، شبکه‌ای از جاده‌های حمل و نقل را در معادن پیمایش می‌کنند و به طور خودکار سنگ‌های معدنی را بارگیری و تخلیه می‌کنند، بدون نیاز به دخالت انسان. فناوری‌هایی، از جمله حسگرهای هوشمند و هوش مصنوعی، به این وسایل نقلیه اجازه می‌دهند تا با خیال راحت کار کنند و هرگونه پرسنل، وسایل نقلیه معدنی و تجهیزات موجود در مجاورت خود را تشخیص دهند.

ساخت معدن آینده

معدنکاری یک فعالیت اقتصادی حیاتی با سابقه‌ای به قدمت اعصار گذشته است. سالانه مقادیر زیادی از منابع کلیدی مانند سنگ آهن، سنگ مس، فلزات گرانبها و زغال سنگ در سطح جهان برای برآوردن تقاضای تجاری استخراج می‌شوند.

داستان معدنکاری، داستان نوآوری و پیشرفت فناوری بوده است. از ساده‌ترین معادن روباز گرفته تا عملیات عمیق زیرزمینی امروزی، فناوری‌های جدید ایمنی، استخراج منابع، بهره‌وری و بازده اقتصادی را بهبود بخشیده‌اند.

محیط‌های معادن زیرزمینی عمیق می‌توانند چالش‌های منحصر به فردی را برای برنامه‌ریزان و کارگران معدن ایجاد کنند، از جمله ویژگی‌های پیچیده سنگ معدن و صخره، شرایط خطرناک و دورافتادگی جبهه‌های معدن که نیازمند برنامه‌ریزی دقیق برای جلوگیری از وقایع فاجعه‌بار است.

به گفته برخی تحلیلگران، تا سال ۲۰۲۷، بازار جهانی تجهیزات معدنکاری خودکار به ارزش ۴.۲ میلیارد دلار خواهد رسید که نسبت به ۳.۱ میلیارد دلار در سال ۲۰۲۲ افزایش یافته است. حوزه‌های مختلفی مانند وسایل نقلیه، تجهیزات کارخانه، نرم‌افزار و ارتباطات، این رشد را هدایت می‌کنند.

معدن آینده، محیطی متصل‌تر و خودکارتر خواهد بود و به دلیل افزایش استفاده از فناوری‌های صنعت ۴.۰ مانند هوش مصنوعی، حسگرهای هوشمند، دستگاه‌های متصل به اینترنت اشیا صنعتی (IIoT) و رباتیک پیشرفته، نیاز به نیروی کار کاهش می‌یابد.

بولدوزرهای رباتیک

استفاده از بولدوزرها در اکثر عملیات معدنکاری سطحی رایج است. این ماشین‌ها وظایف پیچیده‌ای را در شرایط دینامیکی و در حضور خطرات متغیر و نامحسوس که تشخیص آنها دشوار است، انجام می‌دهند. مهارت در کنترل ابزار درگیر در زمین و موقعیت‌یابی ماشین برای بسیاری از این وظایف ضروری است و به همین دلیل، بولدوزرهای خودکار یک چالش تکنولوژیکی محسوب می‌شوند.

اپراتورهای بولدوزر انسانی در معرض عوامل خطر مختلفی هستند که ممکن است منجر به مشکلات سلامتی شوند، از جمله ارتعاشات کل بدن، الزامات وضعیتی نامناسب، سر و صدا و کار شیفتی. تولیدکنندگان تجهیزات معدنی اکنون بولدوزرهای کنترل از راه دور و خودکار ارائه می‌دهند که نیازی به اپراتور انسانی ندارند. این فناوری‌ها می‌توانند میزان مواجهه اپراتور با محیط‌های خطرناک را کاهش دهند و همچنین ممکن است کارایی و بهره‌وری را در عملیات معدنکاری سطحی افزایش دهند.

چرا صنعت معدن در حال خودکار شدن است؟

بی‌میلی تاریخی به خودکارسازی

بخش معدن به دلیل اتکا به فناوری‌های شناخته‌شده و قابل اعتماد، از نظر تاریخی از اتوماسیون دوری کرده است. علاوه بر این، شرکت‌های معدنی در گذشته برای پیاده‌سازی فناوری‌های اتوماسیون با مشکل مواجه بوده‌اند.

عملیات استخراج معادن از نظر اندازه فیزیکی و پیچیدگی عملیاتی بسیار گسترده است. ایجاد تحول در این شرکت‌ها می‌تواند یک کار عظیم باشد. چنین تحولی معمولاً به سه جزء نیاز دارد:

1. پیاده‌سازی فناوری
2. تطبیق عملیات موجود
3. تحول فرهنگ و قابلیت‌های معدنکاری

پیاده‌سازی فناوری مورد نیاز بدون تطبیق عملیات موجود و تغییر فرهنگ کافی نخواهد بود. با این حال، شرکت‌های معدنی با سرمایه‌گذاری بیشتر تولیدکنندگان تجهیزات اصلی (OEM) در فناوری اتوماسیون برای صنعت معدن، به موفقیت دست می‌یابند.

اتوماسیون، چالش‌های معدنکاری امروزی را حل می‌کند

علاوه بر افزایش پذیرش و دسترسی به راهکارهای اتوماسیون، صنعت معدن با چالش‌های متعددی روبرو است که اکنون محرک پذیرش فناوری اتوماسیون هستند. این چالش‌های اصلی عبارتند از:

• مسائل ایمنی،
• تأثیرات زیست‌محیطی،
• کمبود نیروی کار.

مسائل ایمنی در معدن

ایمنی کارگران همیشه برای بخش معدن یک چالش بوده است. معدن یک صنعت خطرناک است و کارگران در معرض خطرات مختلفی قرار دارند. خطرات رایج عبارتند از:

• خطرات فیزیکی : ریزش آوار، ریزش سنگ، انفجار، آسیب شنوایی، تصادفات وسایل نقلیه، غرق شدن، ارتعاش و سایر آسیب‌های فیزیکی.
• خطرات بیولوژیکی : قرار گرفتن در معرض دودهای سمی، گرد و غبار، حلال‌های مختلف مورد استفاده برای جداسازی مواد معدنی و فلزات سنگین.
• خطرات ارگونومیک : آسیب‌های تجمعی ناشی از بلند کردن اجسام سنگین و حرکات تکراری، قرار گرفتن بیش از حد در معرض گرما یا سرما و آسیب‌های اسکلتی-عضلانی مرتبط با وظایف معدن.

تقاضای رو به رشد برای پایداری

صنعت معدن همچنین با فشار رهبران جهانی برای کاهش تأثیرات زیست‌محیطی خود روبرو است. منابع اصلی انتشار گازهای گلخانه‌ای تولید شده توسط بخش معدن عبارتند از:

• مصرف انرژی،
• حمل و نقل،
• فرآوری و پالایش،
• تغییر کاربری زمین.

معدنکاری به انرژی قابل توجهی برای تأمین انرژی تجهیزات و ماشین‌آلات و همچنین گرمایش، تهویه و روشنایی نیاز دارد. این انرژی اغلب از سوخت‌های فسیلی تولید می‌شود که گازهای گلخانه‌ای مانند دی‌اکسید کربن (CO2)، متان (CH4) و اکسید نیتروژن (N2O) آزاد می‌کنند.

صنعت معدن برای جابجایی تجهیزات، مواد و محصولات به شدت به حمل و نقل متکی است. این حمل و نقل باعث انتشار گازهای گلخانه‌ای ناشی از سوزاندن سوخت‌های فسیلی در کامیون‌ها، کشتی‌ها و سایر وسایل نقلیه می‌شود.

استخراج و فرآوری مواد معدنی و فلزات نیز می‌تواند انتشار گازهای گلخانه‌ای قابل توجهی ایجاد کند، به ویژه در مرحله پالایش. به عنوان مثال، ذوب سنگ معدن فلز معمولاً شامل دماهای بالا و واکنش‌های شیمیایی است که گازهای گلخانه‌ای و سایر آلاینده‌ها را آزاد می‌کند.

معدن‌کاری همچنین می‌تواند از طریق تغییر کاربری زمین، مانند جنگل‌زدایی، تخریب خاک و نابودی زیستگاه، در انتشار گازهای گلخانه‌ای نقش داشته باشد. این فعالیت‌ها می‌توانند کربن ذخیره شده در درختان و خاک را آزاد کنند و همچنین اکوسیستم‌های محلی را مختل کنند.

مزایای خودکارسازی در معدن

چالش‌هایی که شرکت‌های معدنی با آن مواجه هستند، می‌تواند بسیار گسترده به نظر برسد. با این حال، اتوماسیون می‌تواند به شرکت‌ها کمک کند تا شروع به حل این مسائل کنند.

کاهش ریسک

یکی از مهمترین مزایای اتوماسیون در صنعت معدن، بهبود ایمنی است. قرار گرفتن مستقیم در معرض فرآیندهای معدنی و عملیات تجهیزات، خطراتی را برای معدنچیان ایجاد می‌کند. با خودکارسازی یک فرآیند، شرکت‌ها مستقیماً خطر آسیب به اپراتورهای خود را کاهش می‌دهند.

عملیات معدن می‌تواند خطرناک باشد و اتوماسیون می‌تواند به حذف کارگران انسانی از مناطق کاری خطرناک کمک کند و خطر تصادفات و تلفات را کاهش دهد. 

علاوه بر این، تجهیزات معدنکاری خودکار می‌توانند عملکرد تجهیزات را رصد کرده و مشکلات احتمالی را تشخیص دهند و به جلوگیری از خرابی‌هایی که منجر به حوادث می‌شوند، کمک کنند.

نگرانی‌های زیست‌محیطی و پایداری

اتوماسیون همچنین می‌تواند به صنعت معدن پایدارتر کمک کند. با بهینه‌سازی مصرف و کاهش اثرات زیست‌محیطی، اتوماسیون می‌تواند به افزایش پایداری عملیات معدن کمک کند.

برای مثال، تجهیزات خودکار می‌توانند مصرف انرژی را بهینه کنند. مصرف انرژی مقادیر قابل توجهی از گازهای گلخانه‌ای را در جو منتشر می‌کند که رهبران سیاسی مشتاق محدود کردن آن هستند.

اتوماسیون می‌تواند به کاهش مصرف آب کمک کند. جابجایی بیش از حد آب منجر به مشکلات زیست‌محیطی متعددی مانند ایجاد گودال‌ها و تأثیرات منفی بر حیات وحش محلی می‌شود. هر دو مثال در اینجا می‌توانند منجر به آسیب‌های زیرساختی و تأثیرات وخیم بر مردم، حیوانات و جانوران شوند.

از آنجایی که معدنکاری تحت بررسی دقیق‌تری قرار می‌گیرد، بررسی این موضوع که چگونه اتوماسیون می‌تواند به این صنعت در برآورده کردن الزامات نظارتی برای حفاظت از محیط زیست و پایداری کمک کند، مهم است.

پر کردن شکاف نیروی کار

از آنجایی که این صنعت با نیروی کار مسن و دشواری در جذب استعدادهای جدید روبرو است، اتوماسیون می‌تواند به پر کردن این شکاف‌ها کمک کند. تجهیزات خودکار می‌توانند وظایفی را انجام دهند که در غیر این صورت به نیروی کار انسانی نیاز دارند.

ربات‌ها می‌توانند کارگران را برای نقش‌های دیگری که نیاز به مهارت‌های پیشرفته‌تری دارند، مانند تعمیر، برنامه‌ریزی، عملیات و سایر فرصت‌های پیشرفت برای افراد با عملکرد بالا، آزاد کنند.

این می‌تواند به کاهش هزینه‌های نیروی کار و بهبود بهره‌وری کمک کند و صنعت معدن را در درازمدت رقابتی‌تر سازد.

کاربردهای استاندارد معدن برای اتوماسیون

صنعت معدن، فناوری اتوماسیون را در کاربردهای مختلفی به کار گرفته است، از جمله:

• حمل و نقل
• حفاری و انفجار
• اکتشاف

انواع ربات‌های مورد استفاده در این کاربردها بسته به وظیفه خاص و نیازهای عملیات معدن متفاوت است. ربات‌های معدن از این نظر منحصر به فرد هستند که بسیاری از آنها در مدل‌های نیمه و کاملاً خودکار یا دارای حالت‌های قابل تغییر عرضه می‌شوند. ربات‌های معدن معمولاً به دلیل الزامات خاص کاربردهای معدن، به صورت هدفمند ساخته می‌شوند. با این حال، برخی از انواع ربات‌های رایج در صنعت معدن شامل کامیون‌های خودکار، ربات‌های حفاری و سیستم‌های نقاله رباتیک هستند.

حمل و نقل

حمل و نقل یک وظیفه کلیدی در معدن است. حمل و نقل برای جابجایی مواد از معدن به منظور تخلیه برای پردازش بیشتر مورد نیاز است. معمولاً این کار توسط اپراتورهای انسانی که کامیون‌های بزرگ حمل و نقل را می‌رانند، انجام می‌شود. با این حال، شرکت‌های معدنی کامیون‌های خودران را برای کاربردهای حمل و نقل ارزشمند می‌دانند.

کامیون‌های خودران معمولاً در عملیات معدنکاری روباز استفاده می‌شوند، جایی که می‌توانند سنگ معدن و مواد زائد را بدون نیاز به رانندگان انسانی حمل کنند. واحدهای خودران تقریباً شبیه کامیون‌های حمل دستی به نظر می‌رسند. واحدهای خودکار دارای مجموعه‌ای از حسگرها برای برنامه‌ریزی مسیر، جلوگیری از برخورد با مانع و ردیابی GPS هستند. چندین کامیون می‌توانند به عنوان یک ناوگان متصل با سیستم‌های مدیریت ناوگان با هم کار کنند.

این کامیون‌ها که اغلب به عنوان سیستم‌های حمل و نقل خودکار (AHS) شناخته می‌شوند، از ترکیبی از حسگرها و فناوری GPS برای پیمایش در محل معدن و حمل و نقل ایمن و کارآمد مواد استفاده می‌کنند. در مقایسه با رانندگان انسانی، کامیون‌های خودکار می‌توانند 24 ساعته و 7 روز هفته کار کنند، خطر تصادفات را کاهش دهند و مسیرها را برای به حداقل رساندن مصرف سوخت و افزایش بهره‌وری بهینه کنند.

کامیون‌های خودران به شرکت‌های معدنی کمک می‌کنند تا ایمنی را افزایش دهند، مصرف سوخت و انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش دهند، بهره‌وری را افزایش دهند و با کمبود نیروی کار مواجه شوند.

حفاری و انفجار

ربات‌های حفاری در عملیات استخراج معادن زیرزمینی برای حفر چاله جهت انفجار یا اکتشاف استفاده می‌شوند. ربات‌های حفاری معمولاً به شکل ربات‌های کاوشگر و دکل‌های انفجار در مقیاس کامل هستند. این ساختار امکان تحرک و قدرت حفاری کافی را فراهم می‌کند.

سکوهای حفاری و انفجار خودکار به مجموعه‌ای از حسگرها مجهز شده‌اند. سیستم‌های GPS و بینایی به ناوبری و برنامه‌ریزی مسیر کمک می‌کنند. ابزارهای اندازه‌گیری پیشرفته، این سیستم‌ها را قادر می‌سازند تا معیارهایی مانند میزان خرد شدن مواد منفجره را گزارش دهند. این داده‌ها به یک سیستم کنترل گزارش می‌شوند که اپراتورها را قادر می‌سازد داده‌های انفجار تاریخی را در کل ناوگان بهینه‌سازی کنند.

این ربات‌ها می‌توانند در مناطقی که ممکن است برای اپراتورهای انسانی بسیار خطرناک یا دشوار باشد، مانند تونل‌های باریک یا سازندهای سنگی ناپایدار، فعالیت کنند. ربات‌های حفاری همچنین می‌توانند دقت و سرعت حفاری را بهبود بخشند، ضایعات را کاهش داده و بهره‌وری را افزایش دهند.

ربات‌های حفاری شرکت‌ها را قادر می‌سازند تا ایمنی کارگران و بهره‌وری را افزایش داده و ضایعات را کاهش دهند و به شرکت‌های معدنی در حل چالش‌های متعددی که امروزه با آن مواجه هستند، کمک کنند.

اکتشاف

ربات‌ها به طور فزاینده‌ای در صنعت معدن برای کارهای اکتشافی مانند نقشه‌برداری و اکتشاف استفاده می‌شوند. ربات‌های نوع مریخ‌نورد، پهپادها و ربات‌های زیردریایی معمولاً برای این کارها به کار گرفته می‌شوند.

این ربات‌ها مجهز به حسگرها و دوربین‌هایی هستند که می‌توانند ویژگی‌های زمین‌شناسی را تشخیص داده و نمونه‌های خاک را تجزیه و تحلیل کنند. آن‌ها می‌توانند در مکان‌های دورافتاده و خطرناکی که دسترسی به آن‌ها برای کاوشگران انسانی دشوار است، مانند تونل‌های زیرزمینی، بستر دریاهای عمیق و مناطق قطبی، فعالیت کنند.

اکتشاف می‌تواند پرهزینه و خطرناک باشد و در صورت استفاده از روش‌های سنتی، اثرات منفی زیست‌محیطی داشته باشد.