Aby sa zlepšila ziskovosť v ťažobnom priemysle, treba pracovať na účinnosti a zefektívnení dopravy a ťažby kovov s cieľom dosiahnuť optimalizáciu ich toku. Pomalé a postupné zlepšenia však čelia klesajúcim výnosom a priemysel postupne upriamuje svoju pozornosť na automatizáciu ako ďalšiu oblasť príležitostí.

Jedným z predpokladov úspešnej automatizácie všeobecne je zavedenie lepšej prepojiteľnosti vrátane mobilného prepojenia v baniach. V posledných rokoch sa preukázalo, že mobilné pripojenie je dostatočne odolné na to, aby sa mohlo nasadiť v drsnom ťažobnom prostredí bez toho, aby spôsobovalo narušenie ťažby rudy. Boliden je jednou z najúspešnejších banských spoločností na svete so silnou produktivitou a výkonnosťou na akciových trhoch. Má osem baní a jedna z nich, Aitik, ktorá sa nachádza na severe Švédska, je najväčšou otvorenou povrchovou baňou v Európe. S mnohými partnermi vrátane spoločnosti Ericsson sa Boliden zúčastnil na spoločnom výskumnom projekte zameranom na vytvorenie bane budúcnosti. V tomto článku sa autori pokúsili definovať úlohu automatizácie v ťažobnom priemysle a odhaliť pridanú hodnotu využívania technológie 4G a 5G v banskom priemysle, a to z hľadiska ekonomiky aj udržateľnosti.

Testovanie 5G

Implementáciou automatizácie dosiahla spoločnosť Boliden výrazné zvýšenie produktivity. V článku je naznačená významná príležitosť rastu v ťažobnom priemysle aj pre poskytovateľov mobilných telekomunikačných služieb.

Príležitosť

Kľúčovými výhodami mobilnej komunikácie v baniach sú pokrytie, spoľahlivosť, malé oneskorenie, lepšia presnosť polohovania, veľká šírka pásma a schopnosť prevádzkovať mnoho zariadení, senzorov alebo diaľkovo riadených strojov. Ak je dostupné pokrytie mobilnou komunikáciou, ťažobný priemysel bude jednou z oblastí zrelých na inovácie prostredníctvom vývoja aplikácií závislých od mobilnej siete.

Výzva

Baňa Aitik sa neustále rozširuje. Ak sa chcete dostať k medenej rude, treba odstrániť veľa horniny, pričom jej objem každoročne narastá. V závislosti od toho, kde sa ruda nachádza, sa pomer horniny a rudy mení; na každú tonu rudy sa v priemere odoberie asi tona horniny. Súčasná ročná produkcia Aitiku 36 miliónov ton rudy sa má zvýšiť na 45 miliónov ton a odstránená hornina sa zvýši rovnako, ak nie viac. Vzhľadom na to, že baňa je rušné miesto, nie je vôbec jednoduché zvyšovať počet veľkých strojov potrebných na presun kameňa a zeminy a následne ich všetky udržiavať v perfektnom stave. Okrem toho každý výbuch pri odvalení horniny vytvára toxické plyny, ktoré sa musia rozptýliť skôr, ako ľudia vstúpia do oblasti a začne sa ťažba.

Riešenie

Riešením sú automatizované a diaľkovo ovládané stroje. Automatizované vrtné súpravy (známe ako Pit Viper) sa môžu pohybovať od jednej vŕtanej diery k nasledujúcej po vopred určenej trase a vykonávať opakujúce sa úlohy autonómne namiesto toho, aby ich operátor na mieste vykonával ručne. V prípade vrtnej súpravy ide o 30 metrov vysoké stroje, ktoré vŕtajú 17 metrov hlboké diery s priemerom 50 cm a sú plné výbušnín. Každý výbuch je strážený s najvyššou úrovňou bezpečnosti; po výbuchu sa musia odpariť nebezpečné látky a miesto musí byť zabezpečené skôr, ako začne personál vykonávať výkopové práce. Ak nie je pohyb automatizovanej vŕtacej súpravy preddefinovaný, je súprava vybavená kamerami, ktoré operátorovi umožňujú diaľkové ovládanie. Po väčšinu času je autonómne ovládanie dostatočné; správne hodnotenie však môžu vykonať iba ľudia (napríklad pri hodnotení stavu horniny), pričom následne je potrebné diaľkové alebo miestne posúdenie. Päť vrtných súprav pracujúcich v bani Aitik bolo vybavených autonómnymi funkciami a funkciami diaľkového ovládania. Pretože súčasná šírka pásma pripojenia umožňuje iba streaming videa v strednej kvalite, obmedzuje to možnosti diaľkového ovládania, ako aj prínosy tejto modernizácie. Pridalo sa niekoľko kamier, aktualizácia riadiaceho systému pre staršie súpravy a komunikačný modul.

„7 000 hodín ročne. 
Automatizáciou možno dosiahnuť 7 000 hodín prevádzky vrtnej súpravy ročne, čo predstavuje nárast o 2 000 hodín alebo 40 %.“

Automatizácia vrtnej súpravy by mohla zvýšiť prevádzkové hodiny z 5 000 na 7 000 ročne, čo by spoločnosti Boliden umožnilo vykonávať rovnaké množstvo trhacích operácií s týmito piatimi modifikovanými súpravami namiesto so siedmimi alebo viacerými tradičnými súpravami. Automatizácia tiež eliminuje potrebu dodatočného personálu, čerpacích staníc, parkovacích plôch, prepravy na frekventovaných prístupových cestách a nebezpečnej prepravy personálu v bani. Okrem riešenia týchto logistických výziev prináša automatizácia významné výhody z hľadiska efektívnosti, pretože Boliden dokáže zvládnuť zvýšený počet výbuchov s podobnou úrovňou technického vybavenia a počtu zamestnancov.

Nové možnosti vďaka komunikácii

Pre úplne autonómne, diaľkovo ovládané zariadenia je potrebná vysokovýkonná komunikácia. Komunikačný systém, ktorý sa dnes používa v ťažobnom priemysle, dokáže zvládnuť jednoduché, opakujúce sa automatizačné úlohy, ako je vŕtanie dier podľa určitých špecifikácií. Aktuálne sa v ťažobnom priemysle na tento účel používa Wi-Fi komunikácia, ktorá poskytuje prijateľné pokrytie a výkon prostredníctvom starostlivého usporiadania, nasmerovania a priradenia prístupových Wi-Fi bodov.

Spoločnosť Boliden nainštalovala komunikačný systém Wi-Fi, ktorý umožňuje používanie vrtných súprav v bani Aitik. Hoci to prinieslo novú úroveň produktivity, skúsenosti neboli bezchybné. Wi-Fi nie je určené na pokrytie vonkajších plôch, ako je aj povrchová baňa Aitik; toto riešenie tiež výrazne obmedzuje pridávanie ďalších automatizovaných strojov. Pripojiteľnosť vŕtacej súpravy pomocou Wi-Fi bolo funkčné – výkon a oneskorenie šírky pásma boli zvládnuteľné. Obavy týkajúce sa stability a používania nelicencovaného/nechráneného rádiového spektra vrátane opakovaného poklesu výkonu Wi-Fi v dôsledku rušenia s vonkajším spektrom sa riešili úpravou softvéru riadiaceho systému stroja formou záplaty. Úpravou logiky riadiaceho obvodu bolo možné zabrániť automatickým núdzovým zastaveniam.

Ťažobný priemysel všeobecne a ani spoločnosť Boliden sa v oblasti automatizácie svojich procesov nechcú uspokojiť s takýmto riešením. Existuje mnoho ďalších plánovaných krokov, ako sú zložité procesy vŕtania, automatizované nákladné autá a automatizované plánovanie a expedícia, kde sa bude vyžadovať vysokovýkonná komunikácia (napríklad 4G a 5G) na zvládnutie niekoľkých tokov 3D videa a na diaľkové riadenie zložitých úloh.

Mobilná komunikácia poskytuje výhodu

Aby dokázala spoločnosť Boliden vytvoriť autonómne prevádzky, musí byť komunikačný systém schopný:

  • umožniť úplné vzdialené monitorovanie, ktoré vyžaduje veľmi veľkú šírku pásma a malé oneskorenie,
  • zabezpečiť riadenie mnohých ďalších autonómnych a diaľkovo ovládaných strojov rôznych značiek a s rôznymi riadiacimi systémami,
  • zvládnuť neustále sa meniace výrobné prostredie a geografiu,
  • zabezpečiť široké pokrytie do všetkých miest bane, kde by sa potenciálne mohlo nachádzať strojové zariadenie alebo personál,
  • sledovať a koordinovať rad mobilných zariadení, senzorov a iných zariadení v rámci jednej komunikačnej siete.

Mobilný komunikačný systém 4G by pre Boliden predstavoval bezpečné, flexibilné riešenie pripravené na budúcnosť. Zatiaľ čo 4G dokáže podporovať aktuálne potreby bane, iba 5G dokáže pohodlne zvládnuť najnáročnejšie požiadavky – šírku pásma, kvalitu služby, oneskorenie a sledovanie.

Vďaka vysokovýkonnej komunikácii je bani k dispozícii celá škála opatrení v oblasti bezpečnosti a účinnosti. Zatiaľ čo niektoré aplikácie potrebujú odoslať iba malé množstvo údajov, iné (napríklad úplne diaľkovo ovládané stroje) potrebujú schopnosti a kapacitu ponúkanú prostredníctvom mobilných komunikácií, ako sú 4G a najmä 5G.

Odhalenie prínosov

Zavedením automatizácie predstavuje mobilná komunikácia novú hodnotu z hľadiska ekonomiky a trvalej udržateľnosti. Vrtné súpravy spoločnosti Boliden sú iba ochutnávkou toho, čo má prísť; plne automatizovaná baňa by tieto výhody znásobila, pretože úrovne využívania strojov, ako sú vrtné súpravy a vyklápacie autá, prekonajú predtým nepredstaviteľné hranice.

Ekonomická hodnota

Automatizácia priniesla spoločnosti Boliden značne nižšie náklady v objeme približne jedno percento z celkových ročných nákladov spoločnosti Aitik. Vykonávanie vŕtania a trhacích prác pomocou automatizácie postavenej na báze mobilného pripojenia namiesto nákupu ďalších dvoch vrtných súprav predstavuje čistú ročnú úsporu 2,5 milióna eur iba pre baňu Aitik. Boliden verí, že významné zvýšenie produktivity, kvality a bezpečnosti možno dosiahnuť automatizáciou väčšieho počtu strojov, predovšetkým nákladných automobilov a rýpadiel (obr. 1).

Hodnota trvalej udržateľnosti

Ďalším krokom v zavádzaní automatizácie sú automatizované nákladné vozidlá, ktoré tvoria približne 95 % spotreby paliva v bani Aitik. Zvýšením efektívnosti v tejto oblasti sa dajú dosiahnuť obrovské výhody. Plne automatizované/diaľkovo ovládané nákladné vozidlá jazdia efektívnejšie a eliminujú tak zbytočné prestávky. Hladší prepravný tok, rovnomernejšia rýchlosť a menšie najazdené vzdialenosti znamenajú nižšiu spotrebu paliva, pričom spoločnosť odhaduje, že tento potenciál úspor bude v rozmedzí 10 %. Takéto zvýšenie účinnosti by znížilo ročné emisie Aitiku približne o 9 400 ton oxidu uhličitého (výpočty a predpoklady sú podrobnejšie opísané v dokumente spoločnosti Ericsson k udržateľnosti číslo 1/GFTB-18: 001328 Uen). Ďalšou výhodou z hľadiska udržateľnosti je znížený počet súprav a strojov.

„9 400 ton. 
Odhadovaná desaťpercentná úspora spotreby paliva zodpovedá zníženiu 9 400 ton emisií CO2 vyprodukovaných v rámci procesov v bani Aitik.“

Príležitosti aj pre poskytovateľov mobilných telekomunikačných služieb

Okrem súčasného trhu predplatného by do roku 2026 mohla príležitosť v priemyselných aplikáciách, ako je ťažba, generovať až 36 % dodatočných príjmov pre poskytovateľov telekomunikačných služieb (správa spoločnosti Ericsson: Obchodný potenciál 5G – digitalizácia priemyslu a nevyužitá príležitosť operátorov, 2017). Aby sa tento potenciál naplnil, treba zvládnuť niekoľko výziev:

  • Trh sa rýchlo rozvíja. Mnoho komunikačných technológií sa snaží vyhovieť priemyselným potrebám. K dispozícii je už Wi-Fi, pričom v niekoľkých baniach je v prevádzke pre určité typy menej náročných aplikácií. Aj keď Wi-Fi v súčasnosti nemôže splniť všetko, čo sľubuje 5G, neznamená to, že to tak zostane navždy.
  • Vyžaduje sa interakcia so zákazníkmi. Pochopenie potrieb zákazníkov z priemyslu v ich hlavných prevádzkach môže byť najväčšou výzvou. Kritické prevádzky sa tradične riadia miestne, aby sa predišlo spoliehaniu sa na dodávateľov pri odstraňovaní závažných porúch, ktoré zastavujú výrobu, takže poskytovatelia telekomunikačných služieb musia posilňovať dôveru zákazníkov a dávať im pocit istoty.
  • Modely doručovania sa presúvajú z výkonu kolektívnej siete na výkon konkrétneho zariadenia. Poskytovatelia telekomunikačných služieb sa musia vyrovnať s toleranciou nulovej chyby pre každého zákazníka a niekedy pre každé zariadenie. Dôsledky pre súčasný spôsob práce poskytovateľa telekomunikačných služieb budú významné, ak nie prelomové.

Hoci dnešné riešenia mobilnej komunikácie už môžu slúžiť vo väčšine súčasných prípadov použitia, 5G umožní realizovať najnáročnejšie aplikácie diaľkového ovládania. Pre poskytovateľov telekomunikačných služieb bude získanie opory v segmente priemyslu znamenať prispôsobenie sa zákazníkom, ktorí sú novými v mobilnej komunikácii a majú osobitné požiadavky. Zákazníci budú hľadať lokálne riešenia integrity dát, spoľahlivosti nezávislého mobilného pokrytia, bezpečnosti a špičkového výkonu (napríklad z pohľadu oneskorenia).

Poskytovatelia telekomunikačných služieb budú musieť spĺňať prísne a náročné SLA, niekedy aj pre jednotlivé zariadenia. Existuje veľa potenciálnych obchodných modelov, ale model prepojiteľnosti ako služba by bol vzhľadom na vysokú spoľahlivosť, širokú dostupnosť a relatívnu zložitosť mobilných komunikácií logickou voľbou. Pravdepodobne bude dopyt po iných modeloch, v neposlednom rade preto, že Wi-Fi učí zákazníkov kúpiť si systém a okamžite ho aj prevádzkovať. Licencované spektrum je konkurenčnou výhodou a nesmie sa podceňovať. Poskytovatelia telekomunikačných služieb môžu nasadením 5G riešení do ťažobného priemyslu získať hmatateľné výhody.

Zdroj: 5G business value. A case study on automation in mining, Ericsson AB. [online]. Publikované jún 2018. Dostupné na: https://www.ericsson.com/en/trends-and-insights/consumerlab/consumer-insights/reports/a-case-study-on-automation-in-mining.