برای جلوگیری از بروز حوادث در عملیات معدنی، افزایش سطح امنیت نیروی انسانی در معادن و ارتقاء بهرهوری تجهیزات باارزش صنایع معدنی، استفاده گسترده از حسگرها در سایتهای معدنی یک ضرورت غیرقابلانکار است. بهویژه، توسعه پایدار فعالیت در این حوزه و هوشمندسازی اجزای معدن بر زیرساختهایی استوار خواهد بود که پیهای آن حسگرهای معدنی هستند.
از لحظه شروع عملیات اکتشاف و تعیین ذخایر فلزی و مواد معدنی تا جزءبهجزء عملیات استخراج و فرآوری محصولات معدن و انتقال آنها به مشتریان، همهچیز باید در کنترل کامل و تحت یک نظارت مکمل از هوش انسانی و ماشینی باشد. این کنترل و مدیریت لحظهای تنها در حضور حسگرهای مختلف و شبکه اتصال آنها ممکن میگردد.
در این مقاله به انواع سیستمهای حسگر مختلف و مورداستفاده در معادن میپردازیم. آنچه حس کردن فراگیر[۱] خوانده میشود یک شبکه تعاملی از فناوریهایی چون حسگرهای مواد شیمیایی خطرناک و گازها، تجسم سهبعدی، دوربینهای حرکتی هوشمند و مداربسته، حسگرهای تشخیص فشار و دما، سیستمهای اعلامخطر، سیستمهای ردیابی و بسیاری دیگر از عناصر شبکه کنترل و مدیریت اعمال معدن است.
اهمیت حسگرها در صنایع معدنی
استفاده از حسگرهای معدنی تضمینی بر افزایش سطح ایمنی جانی و مالی در عملیات شرکتهای معدنی است. حسگرها اولین مرحله در بهینهسازی عملیات معدنی هستند و هر آنچه دیجیتالی کردن صنعت معدن خوانده میشود از یک شبکه غنی از حسگرها سرچشمه میگیرد. بهویژه، خودکارسازی صنعت معدن و موفقیت در عملیات از راه دور، تنها در حضور حسگرها ممکن میشود.
زیرساختهای معدنی نقطه اتکای معدن و بزرگترین بخش از سرمایهگذاری مالی معدناند. رصد ۲۴ ساعته این داراییها وظیفه حسگرهای محیطی و شبکههای تحلیل و گزارش دهی متصل به آنهاست. موارد زیر اصلیترین تهدیدها برای سایتهای معدنی هستند که بدون حضور حسگرها به چالشهایی با پتانسیل فاجعهآفرینی تبدیل میشوند:
- انفجار حاصل از نشت متان: متان یکی از قابلاشتعالترین گازهایی است که در معادن زیادی و بخصوص معادن زغالسنگ انتشار مییابد و در صورت عدمتشخیص بهموقع و مدیریت درست آن، به فجایع جبرانناپذیر انسانی و مالی میانجامد. حتی بدتر، یک انفجار کوچک و متأثر از حضور همزمان گاز متان در محیط و فعالیت معدنکاران، میتواند انفجار تودههای عظیم از مواد معدنی قابل اشتعال مانند زغالسنگ را نتیجه دهد.
- حوادث ناشی از انفجارهای معدنی: معادن برای نفوذ به لایههای نهفته زمین و صخرهها و استخراج مواد معدنی باارزش، به انفجارهای مکرر و گاهی شدید وابستهاند. غفلت در رصد این عملیات، عمل نکردن مواد انفجاری و یا تأخیر زمانی در انفجارها، جزء اصلیترین چالشها در امنیت معدن هستند.
- حوادث ناشی از استفاده نادرست از تجهیزات و بخصوص خودروهای عظیم معدنی: نام معدن با تجهیزات عظیم آن و خودروهای حملونقل غولپیکر گرهخورده است. این ماشینآلات معدنی قدرت عملیاتی بالایی دارند و همین امر باعث خطرآفرین شدن آنها میشود. برای مثال، اگر رانندگان بهدرستی از حسگرهای تصویری، رادیویی و صدا استفاده نکنند، ممکن است با نیروی انسانی یا سایر خودروها برخورد و حادثهساز شوند.
- نشست زمین: به دلایل مختلفی چون انفجار، زمینهای معدنی بهشدت ناپایدار هستند و امکان نشست زمین همیشه وجود دارد. همچنین، سدهای معدنی از اصلیترین کانونهای بروز حوادث رانش زمین و تخریب محیطهای اطراف معدناند که بدون استفاده از دوربینها و تجهیزات زلزلهنگاری دقیق، پتانسیل بالایی برای تولید فاجعه دارند.
- مسمومیت نیروی انسانی بخصوص در معادن زیرزمینی: در معادن زیرزمینی اتمسفر سالم و اکسیژن کافی کلیدیترین عنصر برای امنیت نیروی انسانی در معادن است. درصورتیکه کمبود اکسیژن بهموقع گزارش و برطرف نشود، یا هوای محیط به گردوغبار معدنی آلوده شود، صدمات شدیدی به سیستم تنفسی معدن کاران وارد خواهد آمد.
- حوادث ناشی از اشتباه در مسیریابی: سایتهای معدنی مساحتهای بزرگی را دربر میگیرند و اگر سیستمهای ردیابی، انسانی و ماشینی، بهخوبی عمل نکنند یا معدن کاران بهدرستی از پتانسیل آنها بهره نبرند، ممکن است در تونلها یا جادههای معدن گم شوند.
کاربردهای حسگرها در صنایع معدنی: از مکانیابی تا تشخیص عناصر توده معدنی
انقلاب صنعتی ۴.۰ چهارچوبی برای استفاده حداکثری صنایع معدنی از حسگرها و تعریف دقیقتر استخراج، بهرهوری معدنی و توسعه پایدار در این صنعت است. اینترنت اشیاء اصطلاحی است که به دایرهای وسیع از کاربردهای حسگرها در صنایع معدنی اشاره دارد. این شبکه هوشمند از حسگرها، زمینهساز دیجیتالی شدن معادن و استقرار هرچه بیشتر رویکردهای هوشمند در سایتهای معدنی است. در ادامه به بررسی نقش انواع مختلف حسگرها در ارکان و عملیات معدنی میپردازیم.
مکانیابی و مسیریابی
بخش قابلتوجهی از فناوریهای حسگر امروزه به تشخیص، ردیابی و برقراری ارتباط و گزارش موقعیت نسبی و دقیق انسانها، وسایل نقلیه، تجهیزات و سایر داراییهای معدنی مرتبطاند. چنین فناوریهایی اهمیت والایی برای صنعت معدن دارند؛ بخصوص درزمینهٔ کنترل خودروها، کنترل عملکرد تجهیزات از راه دور، ردیابی داراییها، امنیت سایت و مکانیابی کارکنان معدن از وظایف حسگرهای مکان و مسیریابی هستند.
اصلیترین انواع حسگر در این خانواده شامل موارد زیر هستند:
- سیستمهای موقعیتیاب ماهوارهای (GPS)
- سیستمهای موقعیتیاب زمینی و مبتنی بر فرکانسهای رادیویی
- حسگرهای بیکن (حسگرهای مکانیابی که بر پای فناوری کممصرف بلوتوثی عمل میکنند)
- فناوری تگ (برچسبگذاری موقعیت یا تجهیزات با ویژگیهای خاص)
فناوری خودروهای بدون سرنشین
بیشتر از ۱۰ سال است که استفاده از خودروهای بدون سرنشین در صنایع معدنی آغاز و در سالهای اخیر و بهمنظور افزایش دقت در حمل مواد معدنی، افزایش کارایی، کاهش هزینهها و ارتقاء امنیت در معدن، رشد فراگیری داشته است.
سنجش محیط و کنترل هوشمند باعث افزایش استقلال خودروها شده است. حسگرها به این خودروها امکان فعالیت ۲۴ ساعته را میدهند و با ویژگیهایی چون بهینهسازی تشخیص مسیر و مکان، جلوگیری از برخورد با موانع، نیروی انسانی و سایر تجهیزات معدنی، کاهش هزینههای نگهداری و تعمیر، بهبود قابلتوجهی در عملیات معدنی ایجاد کردهاند.
اخیراً، ترکیب سنجش محلی (مجانبتی) و سنجش از راه دور (موقعیتیابی) منجر به افزایش قابلیت اطمینان به این رویکرد در حملونقل معدنی شده است. بخصوص، ردیابی آنی خودروها، برنامهریزی زمانبندی انتقال مواد و مدیریت هوشمند بهرهبرداری نتیجه استفاده از حسگرها در خودروهای معدنیاند.
یکی از مهمترین سیستمهای مورداستفاده در فناوری خودروهای بدون سرنشین ADAS (سیستمهای کمکراننده پیشرفته) نامیده میشود. در این سیستم عملکردهای فراوانی چون مکانیابی، ممانعت از برخورد، پارک خودکار، تشخیص هوشمند تغییر مسیر و کنترل سرعت تطبیقی پیشبینیشدهاند. حسگرهای فراصوت و LIDAR از مهمترین حسگرهای مورداستفاده در این سیستمهای کنترلی هستند.
سیستمهای موقعیتیابی داخلی و امواج رادیویی (RF)
سایتهای معدنی، بخصوص معادن زیرزمینی، معمولاً در موقعیتهایی واقعشدهاند که امکان استفاده از شبکههای موقعیتیابی استاندارد و سراسری مانند GPS یا موقعیتیاب ماهوارهای را ندارند. در چنین شرایطی، سیستمهای موقعیتیابی داخلی گزینه مطلوبی برای حفظ ارتباط بین اعضای انسانی و ماشینی معدن هستند.
در این سیستمهای داخلی، حسگرها معمولاً از طریق امواج رادیویی با یکدیگر و شبکه کنترل اجزاء در ارتباطاند. همچنین، حسگرهای پوشیدنی در معادن زیرزمینی و بزرگ به فناوری تبادل امواج رادیویی مجهز هستند تا احتمال هرگونه تهدید ناشی از حذف موقعیت معدنکار از شبکه کنترل به صفر برسد.
یکی از مشهورترین کاربردهای این حسگرها و شیوه موقعیتیابی متناظر با آنها، استفاده از شافلها و بازوهای رباتیک خودکار در عملیات استخراج معدن است. این تجهیزات از رده بالایی از حسگرهای محیطی برای درک موقعیت، انجام عملیات و توقفهای اضطراری استفاده میکنند.
حسگرهای بیکن و RFID
سیستمهای تشخیص و انتقال موقعیت بیکن از اصلیترین عناصر در فعالیت ردیابی تودهها و صخرههای موجود در سایتهای معدنی هستند. با استفاده از بیکنها موقعیت توده تعیین میشود و وضعیت آن در سراسر فعالیتهای استخراج با استفاده از حسگرها رصد و گزارش میشود. بهویژه، استفاده از این حسگرها اولین گام در اتخاذ روند بهینه در استخراج برای تخریب کمتر سایت، کاهش میزان گنگ همراه مواد معدنی و بهرهبرداری حداکثری از توده است.
علاوهبراین، سیستمهای بیکن گزینههایی مناسب برای موقعیتیابی مکان با استفاده از برداشت اطلاعات مجانبی، نقطهگذاری و فنسگذاری مجازیاند. درنهایت، تجهیزاتی که با حسگرهای RFID (تشخیص فرکانس رادیویی) تجهیز شدهاند، میتوانند از فنسها یا نقاط معینشده برای تشخیص موقعیت خود یا سایر تجهیزات و نیروی انسانی معدنی استفاده کنند.
حسگرهای مجانبی (Proximity Sensors)
حسگرهای مجانبی، چنانکه از اسم آنها پیداست، برای مکانیابی نسبی و در محیطی کوچک از موقعیت حسگر استفاده میشوند. این حسگرها دقت نسبی بالایی دارند و اطلاعات بیشتری را از محدوده کوچک خود برداشت و انتقال میدهند. از این حسگرها بخصوص در متههای حفاری، خودروهای بدون سرنشین معدنی و بازوهای رباتیک در انفجارهای معدنی بهره گرفته میشود.
حسگرهای دیداری
حسگرهای دیداری به دو زیر دسته CCD و CMOS تقسیم میشوند. هر دو دسته بر اساس تحریک الکترونی حاصل از برخورد با فوتون (نور ساطعشده از اجسام) و شدت نور دریافتی عمل میکنند. از یک فیلتر نوری برای تشخیص رنگهای قرمز، آبی و سبز و تشخیص تصویر استفاده میشود.
در حسگرهای CCD هر فریم (تصویر) از تغییر میزان بار الکتریکی از یک پیکسل به پیکسل دیگر تشکیل میشود. در حسگرهای CMOS هر پیکسل بهصورت مستقل عمل میکند و بهطور جداگانه آدرسدهی میشود. بهویژه، CMOSها اندازه بسیار کوچکی دارند و در انواع مختلف تجهیزات قابلاستفادهاند. آنها همچنین بسیار بهصرفه، ارزانقیمت و مقاوم به شرایط محیطی مختلفاند.
حسگرهای مادونقرمز
دوربینهای مادونقرمز نیز کاربردهای مختلفی در صنعت معدن دارند. برای مثال، جلوگیری از تصادف در خودروهای بدون سرنشین، استفاده بهعنوان فیلتر وضوح تصویر در محیطهای تاریک یا پر از گردوغبار و رصد وضعیت تجهیزات معدن ازجمله کاربردهای اینگونه حسگرها در معادن هستند.
این حسگرها همچنین جزئی از سیستمهای اعلام هشدار در سایتهای معدنیاند، زیرا امکان تشخیص تغییرات دمایی شدید را دارند و بااتصال به سیستم هشدار، میتوانند به اعلام بهموقع تهدیدات کمک کنند.
حسگرهای تشخیص عمق و حجم
پیشرفتهای فناوری در سیستمهای رصد، بهبودهای فراوانی در کنترل داراییهای معدنی ایجاد کردهاند. از آن جمله پیشرفتها، ورود حسگرهای تشخیص عمق و حجم اشیاء به فرایندهای کنترلی در معادن است. این حسگرها امکان عکسبرداری سهبعدی و تشخیص ویژگیهای واقعی اشیاء نسبت به محیط را فراهم آوردهاند.
نقشهکشی سهبعدی
نقشهکشی سهبعدی ترکیبی از حسگرهای نوری و موقعیت/جهتگیری است. همچنین، استفاده از دوربینهای تشخیص عمق، نرمافزارهای بازسازی فضایی و حسگرهای مجانبی نیز به بهبود نتایج حاصل کمک میکند.
این حسگرها معمولاً به سیستمهای نقشهبرداری ماهوارهای متصلاند تا تصاویر گستردهتر با عمق و حجم دقیقتری را نتیجه دهند. بهویژه، نقشههای سهبعدی معدنی جزء اولین عناصر موردنیاز برای تعریف و بهرهبرداری از همزادهای دیجیتال معدنی و سیستمهای شبیهسازیاند.
نقشههای سهبعدی در سالهای اخیر به یک رشته مجزا که ترکیبی از علوم کامپیوتر، زمینشناسی و دادهکاوی است تبدیلشده است. انتظار میرود در چند سال آینده، شرکتهای بزرگ معدنی اقدام به استخدام نیروهایی کنند که بهصورت کاملاً تخصصی وظیفه و مهارت آنها طراحی و استنباط نقشههای سهبعدی است.
رصد وضعیت تجهیزات معدنی و رویکرد هوشمند در نگهداری و تعمیر آنها
رصد وضعیت کلیدیترین عنصر در کاهش زمان خرابی و بهبود وضعیت تجهیزات ازنظر کارایی عملیاتی و نیاز به تعمیرات مداوم است. استفاده از حسگرهای رصدی یک رویکرد نوین با محوریت فناوری است که به اصلیترین رویکرد در برنامهریزی، بهرهبرداری، و مدیریت نگهداری و تعمیر داراییهای معدن بدل شده است.
این حسگرها درواقع اجزاء یک شبکه اینترنت اشیاء (IOT) هستند که دادهها را از کانون فعالیت و بطن تجهیزات معدنی برداشت و به مراکز تحلیل و کنترل عملیات معدن ارسال میکنند. میزان لرزش، روند افزایش و کاهش دما، میزان کارکرد و تاریخچه تعمیر دستگاه ازجمله پارامترهایی هستند که توسط این حسگرها برداشت و گزارش میشوند.
بزرگترین شرکتهای تولیدکننده تجهیزات معدنی مانندCaterpillar و Komatsu در حال حاضر از رده بالایی از حسگرهای اینترنت اشیاء برای تشخیص وضعیت و عملکرد محصولات خود در حین استخراج و فرآوری مواد معدنی استفاده میکنند. این شرکتها همچنین، با همکاری شرکتهای فناوری چون IBM، اقدام به تولید نرمافزارهای تصمیمگیری و پلتفرمهای کنترل شبکه اینترنت اشیاء برای بهبود هرچه بیشتر عملکرد محصولات خود در معادن کردهاند.
اندازهگیری ترکیب مواد معدنی
اصلیترین کاربردهای استفاده از حسگرهای ارزیابی و تحلیل ترکیبات مواد موجود در تودههای معدنی، تعیین ساختار کانیشناسی مواد معدنی در مراحل استخراج، فرآوری (بخصوص در فرایندهای پرعیارسازی)، دستهبندی سنگهای معدن متناظر با گرید آنها و انتقال مواد تفکیکشده میباشند.
با کاهش گرید سنگهای معدن و افزایش نیاز به روشهای فرآوری با کارایی بیشتر و هزینه کمتر، استفاده از حسگرهای تشخیص ویژگی کانیهای معدنی و دستهبندی آنها اوج گرفته است. موارد زیر شاخصترین روشهای تحلیل سنگ معدن هستند:
- فلورسانس پرتو ایکس (XRF)
- پراش پرتو ایکس (XRD)
- رصد با میکروسکوپهای الکترونی (SEM)
- طیفسنجی انرژی توده با استفاده از پرتو ایکس (EDX)
با استفاده از این سیستمهای تشخیص آنی امکان جداسازی حداکثری مواد معدنی از گنگ، بازیافت بهینه مواد معدنی از ضایعات معدنی، افزایش گرید مواد معدنی با کاهش درصد مواد زائد و کاهش هزینههای مراحل مختلف فرآوری ایجادشده است.
اکتشاف
روشهای رصد مختلفی برای بهبود وضعیت در مطالعات اکتشاف ذخایر معدنی طراحی و پیادهسازی شدهاند. به دلیل نیاز بالا به بررسی جغرافیای مناطق گسترده، روشهای تشخیص از راه دور و اندازهگیریهای ذخایر با استفاده از روشهای پردازش تصویر و زمینشناسی هوایی، به انواع آنلاین ترجیح داده میشوند.
گرادیومتری گرانشی
گرادیومتری گرانشی یک تکنیک رایج برای اندازهگیری میزان تغییرات در شتاب گرانشی زمین است. در صنایع معدنی از این روش برای تعیین چگالی زمینهای موردبررسی و امکان وجود ذخایر، درصد و ارزش تقریبی آنها بهره گرفته میشود.
حسگرهای موردنیاز در این روش بر اساس اندازهگیری دیفرانسیل شتاب مماسی و با استفاده از یک دیسک چرخان چگالی منطقه موردبررسی را تجزیهوتحلیل میکنند. در روشهای جدیدتر، از لیزرها با دقت بالا بهعنوان حسگرهای تشخیص شتاب و تغییرات آن استفاده میگردد.
رصد روندهای لرزهنگاری
از لرزهسنجها برای اندازهگیری حرکت با فرکانس پایین و دامنه بزرگ پوسته زمین استفاده میشود. از این حسگرها در صنایع نفت، گاز و معدن برای تقریب ترکیب و ساختار زیرزمینی در طول مراحل اکتشاف بهره گرفته میشود.
“رصد لرزهنگاری تایم لپس” یک رویکرد پراستفاده در رصد مستمر لرزههای زمینشناسی و مطالعه لحظهای دینامیک پوستههای زمین در مناطق موردمطالعه معدن است. حسگرهای مورداستفاده در این روش میزان پایداری زمین، امکان احداث سایتهای معدنی و فعالیت ماشینآلات غولپیکر معدنی در منطقه را بررسی میکنند. بهویژه، این حسگرها در مکانهایی دور از منطقه عملیات استقرار مییابند تا میزان تأثیر فعالیتهای معدن بر مناطق مسکونی اطراف را بسنجند.
نقش حسگرها در افزایش سطح امنیت در معادن
در سالهای اخیر، شرکتهای بزرگ معدنی گامهای مؤثری در بهکارگیری حسگرها برای افزایش سطح هوشیاری سیستم محافظت و امنیت معادن برداشتهاند. حسگرهای بصری و صوتی، راداری، شیمیایی، لرزهنگاری، حرکتی و بسیاری دیگر، به دیدهبانهایی تبدیلشدهاند که هرگز نمیخوابند و هوشیاری معادن در تشخیص حوادث و آمادگی برای برخورد با آنها را تضمین میکنند.
اصلیترین خانواده از حسگرهای موردنیاز برای تأمین و تضمین سلامت در سایتهای معدنی، حسگرهای پوشیدنی هستند که به فناوریهای مختلفی چون GPS، تشخیص ضربان قلب، اندازهگیری سطح اکسیژن بدن و …، مجهزند. دو مورد زیر، ازجمله کاربردهای شاخصِ حسگرهای امنیتی در سایتهای معدنی هستند:
- رصد سلامت شخصی: در سایتهای معدنی، بخصوص انواع زیرزمینی، شبکههای هوشمند از حسگرها در قالب یک پلتفرم کنترلی به کار گرفته میشوند. وظیفه این حسگرها ارزیابی و گزارش دادههایی چون ضربان قلب کارکنان و سطح اکسیژن آنها، سطح اکسیژن موجود در فضای معدن، ثبت دادههای لرزهنگاری و گزارش موارد خطرناک بهسرعت هرچهتمامتر …، است.
- افزایش سطح ایمنی محیط معدن: حسگرهای محافظتی مانند دوربینهای مداربسته، مسئول رصد مستمر زمینهای معدن، داراییهای آن و گزارش ورودهای غیرمجاز هستند. بهویژه، با استفاده از حسگرهای تصویری و بسیاری حسگرهای محیطی دیگر، از تهدیدهای متناظر با ورود غیرمجاز و غیرعمدی افراد به مناطق خطرناک معدن جلوگیری میشود.
جمعبندی:
حسگرها ابزارهای دیجیتال برای زندگی بخشیدن به اجزای ماشینی سایتهای عظیم معدنی و تولید اهرمهایی حیاتی برای کنترل عملیات در معدناند. دادههای باارزشی که از حسگرهای معدنی تأمین میشوند اولین مرحله برای تشخیص وضعیت کنونی، پیشبینی و تقریب وضعیت آتی و برنامهریزی برای مواجهه با چالشهای پیش رو هستند.
استفاده از شبکه اینترنت اشیاء که از دادههای حسگرهای محیطی قدرت میگیرند، اصلیترین مؤلفه در تشکیل و بهرهبرداری از معادن هوشمند است. خروجی این شبکهها، تحلیلهای پیشگویانه و پلتفرمهای مدیریتی است که با نرخ بهرهوری شرکتهای معدنی ارتباط مستقیمی دارد.
درنهایت، سلامت و امنیت در معدن شاخصترین و ضروریترین ویژگی یک معدن با سیاستهای همارز با انقلاب صنعتی ۴.۰ و شاخصهای مطلوب ESG است. سرمایهگذاری معادن در خرید و بهرهگیری از حسگرها اولین مرحله در بهبود وضعیت صنعت معدن کشور و پیشروی در مسیر صنعت ۴.۰ است.
کلمات کلیدی:
حسگر – اینترنت اشیاء – فرآوری و بهرهوری – سایتهای معدنی – سنگ معدن
منابع:
[۱] Pervasive Sensing