نوآوری نقش مهمی در صنایع معدنی، به‌عنوان ابزاری در بهبود کارایی فرایندهای هوشمند آن، بازی می‌کند. کاهش هزینه‌ها، بهبود سیستم‌های تعمیر و نگهداری، رفع نگرانی‌های اجتماعی و زیست‌محیطی تنها در حضور فناوری روز و شیوه‌های نوآورانه آن در تعریف رویکردهای جدید ممکن است.
به‌ویژه، فناوری مهم‌ترین ابزار در آینده دسترسی معادن به ذخایر جدید و ارتقاء کارایی در فرایندهای پیچیده‌ای چون کنترل مگا-پروژه‌های عظیم معدنی، استخراج از توده‌ها با گرید پایین، فعالیت در شرایط آب‌وهوایی دشوار، دسترسی به ذخایر عمیق و محیط‌های پراسترس است.
اوج‌گیری نمودار تقاضا در بازار کالاهای معدنی
تاریخ غنی صنعت معدن سرشار از برهه‌هایی است که پیشرفت همه‌جانبه جامعه تنها در پناه فعالیت‌های معدنی ممکن بوده است. از نمک و خمیردندان گرفته تا وسایل نقلیه عمومی، تجهیزات الکتریکی و فناوری‌های هوشمند، مواد معدنی بخش اصلی زندگی روزمره انسان‌اند. منابع ارزشمندی که از سطوح مختلف زمین استخراج می‌شوند، رویکردهای مبتنی بر نوآوری و فناوری‌های امروز را ممکن کرده‌اند و قابلیت رشد اقتصادی را محرک بوده‌اند.
امروزه استخراج معدن در عصر جدید، مهم‌ترین اهرم برای کمک به پیشبرد سیاست‌های جهانی در انرژی سبز و انتقال دیجیتال است. انتظار می‌رود که تقاضا برای مواد معدنی تا سال ۲۰۵۰، بخصوص در موادی چون گرافیت، لیتیوم و کبالت، بیشتر از ۵۰۰ درصد رشد کند. برای مثال، رسیدن به هدف کاهش ۲ درجه‌ای گرمای زمین، به بیش از ۳ میلیارد تن مواد معدنی مختلف نیاز دارد. این مواد معدنی در مصارفی چون تولید و انتقال انرژی‌های بادی و خورشیدی به کار می‌روند.
مفهومی به نام انتقال دیجیتال
مفهوم انتقال دیجیتال در سال‌های اخیر رواج یافته و در صنایع مختلف تعریف‌های کم‌وبیش متفاوتی از آن ارائه می‌شود. برای نمونه، انتقال دیجیتال را فرایند انطباق سازمان‌ها با فناوری‌های دیجیتال جدید تعریف می‌کنند. دلیل اصلی در تفاوت تعریف انتقال دیجیتال در صنایع مختلف، بهره‌گیری متفاوت آن‌ها از انواع مختلف محصولات فناوری و به منظورهای متفاوت است.
بااین‌حال، تعریفی دقیق‌تر و شاید کاربردی برای بخش‌های بعدی این مقاله را می‌توان به‌صورت زیر ارائه داد:
“فرایندی که هدف آن بهبود یک موجودیت با ایجاد تغییرات قابل‌توجه در ویژگی‌های آن از طریق ترکیبی از نوآوری، فناوری‌های اطلاعات، محاسبات، ارتباطات و شبکه‌ها است.”
اصلی‌ترین فناوری‌ها برای کاربردهای معدنی
انتقال دیجیتال در هر صنعت انقلابی مختص آن را نتیجه داده یا می‌دهد. در صنایع معدنی این تحول تاریخی در سال‌ها و حتی روزهای ابتدایی خود است. در بطن این تحول، ابزارهای فناوری قرار دارند که می‌توان فهرستی از انواع پراهمیت را به‌صورت زیر خلاصه کرد:
- خودکارسازی، رباتیک، عملیات کنترل از راه دور
- همزادهای دیجیتال
- اینترنت اشیاء، حسگرهای هوشمند
- یادگیری ماشین، هوش مصنوعی، تحلیل‌های پیش‌بینی کننده
در ادامه سعی خواهیم کرد که به کاربرد این فناوری‌ها و نوآوری‌های متناظر با آن‌ها در بخش تعمیر و نگهداری دارایی‌های معدنی بپردازیم. همچنین، استفاده از نوآوری‌های متناظر با انرژی‌های پاک در ارتقاء بهره‌وری در معادن را به‌صورت خلاصه توضیح می‌دهیم.
نگهداری اجزاء زنجیره ارزش معدن: از حفاظت نیروی انسانی تا تضمین در چرخه ماندن دارایی‌های معدنی
فعالیت‌های معدنی بخش قابل‌توجهی از اقتصادِ کشورهای مختلف و وابستگی آن‌ها به مواد معدنی برای توسعه زیرساخت‌های انتقال دیجیتال هستند. انتظار می‌رود این وابستگی در سال‌های آینده با شیب‌های فوق‌العاده شدیدتری بروز کند؛ روندهایی که از حرکت جهانی به سمت کاهش گازهای گلخانه‌ای و تغییرات اقلیمی نشأت می‌گیرند. ازآنجاکه صنعت معدن به‌طورکلی یک صنعت سنگین (یعنی فعالیت‌ها و بودجه‌بندی‌های آن در حجم‌ها و مقادیر کلان تعریف می‌شوند) است، سازگاری با حجم بالای تقاضای پیش رو بدون اتخاذ روش‌های نوآورانه و فناوری‌های بهینه‌شده، غیرممکن خواهد بود.
صنعت معدن یک صنعت چرخه‌ای با عملیات هزینه‌بر است؛ عملکردهایی موفق خوانده می‌شوند که این زنجیره ارزش عظیم را هم‌زمان با تقویت بهره‌وری آن، با سرمایه‌های کمتری به تأمین تقاضاها برسانند. کلیدی‌ترین اهرم در کاهش هزینه‌ها و حفظ بهره‌وری، استفاده از شیوه‌های نوآورانه، دیجیتال و بهینه در تعمیر و نگهداری دارایی‌های سازمان است.
زمینه‌هایی مانند کاهش هزینه‌های سنگین تعمیر و نگهداری ناوگان و کاهش دفعات توقف برنامه‌ریزی‌شده در سایت‌های معدنی، معیارهای تعیین‌کننده امروزی در کارا خواندن یک پروژه معدنی هستند.
بهبود کارایی در نگهداری و تولید
برای تحقق این حجم باور نکردنی از تقاضا، معادن هیچ راهی به‌جز استفاده از ذهنیت نوآورانه در تمام اجزای فعالیت‌های معدنی ندارند. بخصوص، مدیریت پیشگیرانه، در مقابل مدیریت واکنش گرا، از عملیات چرخه‌ای و هزینه‌بر معدن برای کاهش هزینه‌های تولید محصولات معدنی حائز اهمیت است. مهم‌تر اینکه، هزینه‌بر بودن فعالیت‌ها، ارتباطی با اندازه معدن و نوع ماده استخراجی ندارد؛ بنابراین، هر آنچه در ادامه می‌آید برای هر سایت معدنی با هر پتانسیل عملیاتی کاربرد دارد.
دلیل این نیاز ضروری به نوآوری چیست؟
به‌طور خلاصه، چون با افزایش تقاضا، وقفه‌ها در فرایندها بیشتر می‌شود و متناظر با آن، هزینه‌های تولید بالا می‌روند، نیاز به میانبرها و رویکردهای بهینه‌تر تنها در حضور تفکر نوآورانه ممکن است. علاوه‌براین، میزان بازدهی عملیات استخراج متناسب با هزینه‌ها و حجم عملیات نیست؛ اصلی‌ترین مانع، تعمیر و نگهداری سنتی و ناکارا است:
جدول ۱ دلایلی بر نیاز به نوآوری در بخش نگهداری صنایع معدنی
| عملیات معدنی با راندمان عملیاتی ۷۰ درصدی اجرا می‌شوند، چراکه خرابی‌ها، توقف در تولید و مسائل عملیاتی دیگر مانع بهره‌وری ۱۰۰ درصدی می‌شوند. | تعمیر و نگهداری کارخانه، ناوگان و تجهیزات، ۳۰ تا ۵۰ درصد از هزینه عملیات معدنی را به خود اختصاص می‌دهند. | خرابی‌ها و تعمیر و نگهداری برنامه‌ریزی‌نشده ۳ تا ۵ برابر بیشتر از انواع برنامه‌ریزی‌شده اتفاق می‌افتند. | هر شرکت متوسط معدنی، سالانه ۵ درصد از ارزش دارایی جایگزین (RAV) خود را صرف تعمیر و نگهداری می‌کند. اما در حالت بهینه، این عدد می‌تواند کمتر از ۲ درصد باشد. |
فناوری‌های دیجیتال و استراتژی‌های داده – محور
برای فائق آمدن بر چالش‌های عملیاتی بالا، انطباق عملیات معدنی با فناوری‌های دیجیتال و خودکار الزامی است. ظرفیت‌های فناوری باعث خلق ” معادن دیجیتال ” می‌شوند و فرایندهای زیر را تسهیل می‌کنند:
- پیشگیری از خرابی‌ها، بخصوص خرابی‌های برنامه‌ریزی نشده
- ارتقاء سطح امنیت کارکنان
- افزایش بهره‌وری عملیات معدنی
- کاهش میزان انرژی مصرفی
- تحقق دستورالعمل‌های حفظ محیط‌زیست
نگهداری اموال معدنی اولین گام و قدرتمندترین اهرم در تحقق برنامه‌های کاهش هزینه‌های تولید در معادن است.
مثالی از نتایج پیاده‌سازی نگهداری فناوری – محور اموال معدن
با استفاده از رویکرد نگهداری پیش‌بینی کننده، کاهش زمان خرابی برنامه‌ریزی‌نشده اصلی‌ترین نتیجه است. در این نمونه تحقیقاتی، از داده‌های حاصل از رصد هوشمندِ عملیات و تجهیزات معدن استفاده شد تا امکان خرابی و نیاز به تعمیرات در مؤثرترین زمان ممکن خبررسانی شود. همین امر باعث شد که برنامه‌ریزی پیش‌بینی محور قابل‌اجرا باشد و با دقت بالایی نقاط زمانی خروج تجهیزات از چرخه استخراج پیش‌بینی شوند.
با استفاده از این رویکرد نوآورانه، ۱۴ درصد در هزینه‌های نگهداری تجهیزات صرفه‌جویی شد (عددی معادل ۸ میلیون دلار برای یک معدن با مقیاس عملیاتی متوسط).
پتانسیل فوق‌العاده داده‌ها در تغییر سطح کارایی عملیات، غیرقابل‌چشم‌پوشی است. باوجوداین، شکاف بزرگی بین جمع‌آوری داده، استفاده و تحلیل داده و استخراج بینش‌های قابل‌اعمال و معنادار از داده وجود دارد. برای مثال، ۱ درصد استفاده سودمند از داده‌ها معادل هدر دادن ۹۹ درصد سرمایه‌گذاری موردنیاز در جمع‌آوری داده‌ها است.
بدون الگوریتم‌های متناسب با صنعت و بینش‌های عملی در به دست آوردن نتایج مختصِ فعالیت، دسترسی به پتانسیل‌های استفاده از داده در صنعت معدن امکان‌پذیر نیست. توازن کلید این ارتباط و استفاده درست است. داده‌ها به پرسنل بخش‌های مختلف عملیات معدنی کمک می‌کنند که هم‌زمان با کاهش هزینه‌های نگهداری، بهبود در بهره‌وری عملیات را نیز تضمین کنند.
علاوه‌براین، حفظ سلامت کارکنان در سایت‌های معدن، از مهم‌ترین چالش‌ها و بایست‌های صنعت است. در سال‌های اخیر، فناوری و نوآوری موجود در بطن آن، کلید دسترسی به سطوح بالا در تضمین امنیت نیروی انسانی بوده است. برای مثال، در یکی از معادن و در یک بازه زمانی ۱۰ ساله، استفاده از یک OEE (استفاده از فناوری در اثربخشی کلی تجهیزات) به میزان ۵۲ درصد، بهبودی ۶۹ درصدی در وضعیت امنیت کارکنان را نتیجه داد. در یک جمله، هرچقدر جزئیات و عملیات با دقت و پیش‌بینی درست‌تری برنامه‌ریزی شوند، سطح امنیت بالاتر می‌رود.
قدرت سیستم‌های هوشمند نظارت بر وضعیت
در عملیات معدنی، نظارت پیش‌بینی – محور بر وضعیت، نقطه عطفی در آزادسازی پتانسیل نهفته در بخش مدیریت تعمیر و نگهداری تجهیزات معدنی هستند. باوجود نتایج قابل‌توجه در نظارت هوشمند، استفاده از این رویکردها تنها در برنامه‌های مدیریتی وارد می‌شوند و در عمل تنها شرکت‌های انگشت‌شماری این رویکردها را به مرحله اجرا می‌رسانند. در ادامه اجزای لازم در اجرایی کردن عملیات مبتنی بر سیستم نظارت هوشمند را توضیح می‌دهیم.
شکست در عملیات، یک فرایند است نه یک حادثه
از دید رویکردهای نظارت هوشمند عملیات، شکست یک فرایند مرحله‌به‌مرحله، و نه یک حادثه ناگهانی، است. برای فهم بهتر این جمله، نمودار فرایندی زیر را با دقت بنگرید. درواقع این نمودار این واقعیت را به تصویر می‌کشد که سیستم هوشمند یک بازه زمانی را با اتفاقات و شرایط مرتبط با وسیله معدنی سازگار می‌کند تا وضعیت‌های ممکن را در نقاط زمانی آینده، پیش‌بینی کند.
| زمان |
| پیشرفت خرابی‌ها |
| شروع خرابی‌ها |
| بدون خرابی |
| شروع آسیب |
| خرابی |
| خوب |
متناظر با نمودار بالا قدرت داده‌کاوی و رصد دیجیتال را می‌توان این‌گونه تعبیر کرد: با داشتن داده‌های متناظر با وضعیت کنونی و نظارت لحظهای بر شیوه پیشرفت وخامت وضعیت دستگاه در بازه زمانیِ عملیات، می‌توان پیش‌بینی دقیق‌تری از زمان ازکارافتادن دستگاه در دست داشت.
چگونگی تشخیص خرابی در نظارت هوشمند
رویکرد نظارت هوشمند در پیش‌بینی خرابی‌ها قبل از رخداد آن‌ها، از طریق رصد و ارزیابی ویژگی‌های مکانیکی اموال معدنی صورت می‌گیرد. بخصوص، ویژگی‌های زیر در این رصد بااهمیت هستند:
- میزان لرزش
- درجه حرارت
- سطح بهره‌وری (مثلاً حجم بر دقیقه)
- کیفیت روغن دستگاه‌هایی چون دریل‌ها و کامیون‌های معدنی
با رصد این متغیرها، و سفارشی‌سازی آن‌ها برای هر دارایی، می‌توان تغییر الگوی عملیاتی دارایی را تشخیص و گزارش داد. در این گزارش لحظهای، ناهنجاری‌ها نیز به‌صورت لحظهای تشخیص داده می‌شوند و متناظر با آن، تصمیم‌گیری لحظهای را ممکن می‌کنند. مهم‌ترین ابزارها در این رصد هوشمند، حسگرهای اینترنت اشیاء، یادگیری ماشین، تحلیل پیشگیرانه و الگوریتم‌های تصمیم‌گیری بهینه هستند.
مواد معدنی متفاوت، دارایی‌های متفاوت: نیاز به استراتژی‌های متفاوت
برای انواع مختلف از مواد معدنی فرایندهای کلی استخراج، سایت‌های سطحی و زیرزمینی، و شیوه‌های فرآوری، کاملاً متفاوت از یکدیگرند. هرکدام از این شیوه‌های استخراج و فناوری، به تجهیزات خاص خود نیاز دارند. اگرچه رصد هوشمند را می‌توان برای تمام فرایندها و کلیت معدن اعمال کرد، اما هر دارایی و هر رویکرد، نیاز به شیوه نظارتی خاص خود دارد.
حتی فراتر، هر شیوه اجرایی، نیاز به اجزای هوشمند متفاوتی چون حسگرها، شبکه‌های انتقال داده، مداخله‌های هوشمند و تصمیم‌گیری‌های بلند و کوتاه‌مدت دارند. همچنین، فاکتورهایی چون نتیجه حاصل از خرابی تجهیزات، در دسترس بودن قطعات جایگزین و میزان اهمیت هر دارایی و فعالیت متناظر با آن، بر روند اجرای نظارت هوشمند تعمیر و نگهداری اجزای معدن، تأثیرگذارند.
بر اساس میزان اهمیت دارایی‌ها، آن‌ها را به انواعی با بالاترین سطح اهمیت، مهم، متوسط و کم‌اهمیت تقسیم‌بندی می‌کنیم ( نمودار زیر را مشاهده کنید). درنهایت، تصمیم‌گیری برای خروج یا نگهداری دارایی معدنی از چرخه استخراج، وابسته به این مؤلفه‌ها است.
کاربرد نوآوری‌های بخش انرژی در معادن
بروز انرژی‌های تجدید پذیر مانند خورشیدی، بادی و ژئوترمال، فرصت‌های فوق‌العاده‌ای برای معادن در استفاده از نوآوری‌های پاک در این صنعت به وجود آورده‌اند. این نوآوری‌ها فرصتی برای شرکت‌های معدن برای کاهش هم‌زمان هزینه‌های عملیاتی و تأثیر منفی زیست‌محیطی است.
در بطن فناوری‌های متناظر با انرژی پاک، فرصت‌هایی برای بهبود وضعیت استفاده از آب، کاهش تزریق مواد شیمیایی به زمین و آب‌های زیرزمینی، افزایش بهره‌وری عملیات و حتی طراحی بهینه سایت‌های معدنی نهفته‌اند.
نمونه‌ای از استفاده بهینه از انرژی خورشیدی: کشور نامیبیا
برای شرکت‌های معدنی فعال در کشور نامیبیا، آفتابی‌ترین کشور دنیا، استفاده از انرژی خورشیدی بهترین شیوه در بهینه‌سازی مصرف انرژی بوده است. یکی از این شرکت‌ها (B2GOLD) یک نیروگاه خورشیدی ۷ مگاواتی تأسیس کرده تا انرژی بخش عظیمی از عملیات معدنی خود را از این طریق فراهم کند.
به‌ویژه، این شرکت برنامه‌های عملیاتی خود را طوری برنامه‌ریزی کرده است که در ساعات پیک مصرف برق، کمترین حجم از عملیات انجام گیرد و در ساعات شبانه، با بهره‌گیری از تعرفه‌های ارزان‌تر، عملیات سنگین‌تر اجرا شوند.
جالب اینکه، این شرکت معدنی به سطحی از بهینگی رسیده است که در طول روز به بخش قابل‌توجهی از سیستم شهری نیز برق‌رسانی می‌کند تا رسالت اجتماعی خود را نیز تحقق بخشد.
محرکه‌های اصلی در نوآوری
اما سؤال دیگری که کمتر به آن پرداخته می‌شود این است که محرکه‌های اصلیِ این نوآوری‌ها و فناوری‌های منتج از آن‌ها چیست؟ پاسخ به این سؤال درواقع بهترین راهکارها و سناریوها را برای راهبری عملیات معدنی و شیوه‌های معدنکاری تعریف می‌کند.
شاید اصلی‌ترین محرکه نوآوری، نیاز به کاهش هزینه‌ها (سودآوری بیشتر) و ارتقاء سطح بهره‌وری عملیات باشد. این ارتقاء بهره‌وری به بخش‌های مختلف عملیات معدنی اشاره دارد. از نیروی انسانی گرفته تا حسگرهای دریافت داده، همه اجزاء باید هم‌زمان ارتقاء یابند تا بهره‌وری به‌صورت پایدار رشد کند.
برای نمونه، فناوری‌های پوشیدنی، مانند ردیاب‌های هوشمند، برای ارتقاء سطح امنیت نیروی انسانی تولیدشده‌اند. همچنین، برای مکان‌هایی که امکان ارتقاء بهره‌وری نیروی انسانی نباشد، مثل نقاط صعب‌العبور، نوآوری به خودکارسازی و استفاده از ربات‌ها منجر می‌شود.
کشف ذخایر جدید
علاوه بر بهره‌وری و نیاز به تعریف سطوح بالاتری از آن در فعالیت‌های معدنی، دستیابی به ذخایر جدید در آینده، رکنی حیاتی از بقاء صنعت معدن است. در چند دهه اخیر، کاهش کیفیت سنگ‌های معدنی چالشی جدید در این صنعت تعریف کرده است (چالش کاهش گرید سنگ‌آهن).
شکست هیدرولیکی، انفجار محدود، یا ترکیبی از هردو، نوآوری‌هایی بودند که امکان دستیابی به توده‌های عمیق‌تر از مواد معدنی را فراهم کردند. بنابراین، “نیاز” همیشه محرکه‌ای در اتخاذ ذهنیت‌های نوآورانه بوده است.
ESG و نگرانی‌های زیست‌محیطی
برای کاهش اثرات زیست‌محیطی متناظر با فعالیت‌های معدنی، شرکت‌های معدنی باید نوآورانه‌تر از همیشه ظاهر شوند. بخصوص در بحث وضعیت محیط‌زیست و دستورالعمل‌های بین‌المللی در کاهش صدمات متناظر با فعالیت‌های بخش صنعت، چالش‌های جدیدی برای شرکت‌های معدنی تعریف کرده‌اند.
یکی از مهم‌ترین فعالیت‌ها در کاهش آسیب‌های زیست‌محیطی، استفاده از شیوه‌های فناوری محور در کنترل، دفع و بازیافت باطله‌های معدنی است. با استفاده از این روش‌های جدید، میزان کمتری از منابع آبی مصرف و البته آلوده، می‌شوند. به‌ویژه در معادن سطحی، از روش‌های نوینی استفاده می‌شود که با به‌کارگیری دریل‌های هوشمند و قدرتمند، سطح کمتری از زمین برای اکتشاف و استخراج تخریب می‌شود.
جمع‌بندی:
یکی از اصلی‌ترین بخش‌های هزینه‌بر در عملیات معدنی، بخش تعمیر و نگهداری دارایی‌های معدنی است. کاهش این هزینه‌ها با افزایش بهره‌وری در اجزاء مختلف معدن هم‌ارز است. از طرفی، حرکت در مسیر بهینه‌سازی عملیات معدنی، بدون داشتن برنامه‌های نوآورانه و استفاده از فناوری‌های جدید، غیرممکن است. معادن، مشابه با سایر صنایع، نیازمند همسو کردن فعالیت‌ها و استراتژی‌های خود با برنامه جامع انقلاب صنعتی ۴ هستند.
در قلب انقلاب صنعتی ۴، انتقال دیجیتال قرار دارد. انتقالی که استفاده از فناوری در آن به بالاترین سطح خود می‌رسد و نوآوری مهم‌ترین ابزار آن برای استمرار در به‌روز شدن فناوری‌ها خواهد بود. به‌ویژه، هر نوآوری محرکه‌ای دارد که کشف و پرداختن به آن، خود راهگشای شرکت‌های معدنی در طرح و اتخاذ سیاست‌های فناوری – محور متناسب با شرکت آن‌ها خواهد بود.
درنهایت، استفاده از انرژی‌های پاک، ستون دیگری از انقلاب صنعتی ۴ است که هم‌زمان با اتخاذ تصمیمات فناوری محور، باید توسط شرکت‌های معدنی پیگیری شوند.
