Использование современных спутниковых технологий в горнодобывающей промышленности
За последнее десятилетие многие отрасли промышленности совершили гигантский скачок вперед, широко внедрив в производство автоматизацию и информационные технологии. К сожалению, в горнодобывающей промышленности существенных изменений в этом направлении не отмечено, что связано с большими размерами предприятий и постоянной перемещаемостью во времени и пространстве горного оборудования. Отсутствие надежных данных, содержащих точную информацию о местоположении горных машин в данный момент, препятствовало автоматизации горных работ.
Теперь такая технология существует в зрелой форме и хорошо опробована в полевых условиях — это Глобальная система определения местоположения (Global Positioning System — GPS). Возможности спутниковой системы GPS по обеспечению сантиметровой точности положения в реальном времени, в любой точке земного шара и двадцать четыре часа в сутки совершили настоящую революцию в горном деле. Высокая точность и скорость определения координат в единой системе, в любое время и при любой погоде, отсутствие требования прямой видимости между объектами привели к широкому внедрению спутниковой аппаратуры в горной промышленности.
Спутниковая система глобального определения местоположения была открыта для использования во всем мире с начала 90-х годов. В основу определения местоположения с помощью GPS положен простой принцип измерения расстояний до спутников. Сейчас система состоит из 27 специальных спутников, которые вращаются на околоземных орбитах на высоте около 20 тыс. км. Спутники непрерывно излучают сигналы, по времени распространения которых от каждого спутника до наземного приемника вычисляются расстояния, а затем и точные координаты.
GPS имеет ряд очень существенных характеристик для ее использования в горных работах. Отметим восемь основных свойств, которые делают GPS оптимальной технологией определения координат горного оборудования:
• точное трехмерное определение местоположения: GPS — система определения координат, обеспечивающая определение положения объектов в пространстве. Координаты объектов можно получать как в единой всемирной системе, так и в принятых в России системах координат сразу в цифровом виде, что позволяет оперативно передавать их в системы управления без ошибок взаимного соответствия. GPS также обеспечивает определение очень точного времени;
• 24-часовая доступность: созвездие спутников обеспечивает постоянную работу системы GPS в любом месте, ежедневно, днем и ночью;
• всемирное покрытие: спутниковые сигналы доступны в любой точке земного шара;
• работа при любой погоде: система GPS использует радиосигналы для измерения расстояний от спутников. Эти сигналы расположены в таком диапазоне частот, на который не влияют облака, дождь или снег;
• неограниченное число пользователей: GPS — радиовещательная система, подобная радио или телевидению, поэтому у нее может быть неограниченное число пользователей;
• взаимная видимость: обычные традиционные системы на основе оптических или лазерных приборов требуют, чтобы оборудование и сама система позиционирования были взаимно видимыми. Для GPS требуется лишь «видимость» спутников над различными наземными преградами;
• система динамического позиционирования: приемники GPS непрерывно следят за спутниками и могут вычислять и выводить точные координаты даже тогда, когда объекты перемещаются с высокими скоростями;
• бесплатное пользование: поддержка системы GPS и обеспечение ее обслуживания осуществляется бесплатно для всех пользователей приемников.
Точность определения координат с помощью системы GPS изменяется от нескольких метров до нескольких миллиметров — в зависимости от типа спутникового приемника и используемой методики работы. Для повышения точности GPS используется специальная дифференциальная методика — DGPS. Она состоит в размещении одного приемника GPS, называемого базовой станцией, на точке с известными координатами и использовании его для передачи поправок на подвижные приемники. Полученная дифференциальная точность GPS колеблется в диапазоне от 5 до 0.5 метров в зависимости от типа приемника и расстояния между базовой станцией и подвижными приемниками.
Позднее были разработаны два других метода, более подходящие для горных работ: кинематика в реальном времени (RTK) и кинематика с инициализацией «налету» (OTF). Оба метода позволяют пользователям практически мгновенно получать координаты с сантиметровой точностью даже в движении, используя данные от базовой станции. Приемники с RTK и OTF и стали ядром современных автоматизированных систем управления горным оборудованием.
Одной из первых компаний, освоивших массовый выпуск спутниковых приемников и систем для горных работ с разнообразными эксплуатационными характеристиками, стала американская компания Trimble Navigation Ltd. Компактные и защищенные GPS-приемники используются в транспортных приложениях для точной навигации. Высокоточные приемники применяются для создания маркшейдерского обоснования и при разведочных работах. Экономичные приемники средней точности применяются в топографических и геологических съемках. Завершают ряд высокоточные приемники с алфавитно-цифровым вводом и возможностями автоматического считывания данных внешних датчиков. Со спутниковыми приемниками операторы горного оборудования определяют свое местоположение с высокой точностью прямо в реальном времени и выводят его на заданную точку кратчайшим путем, без предварительной разметки маршрута. В настоящее время компания TRIMBLE является признанным мировым лидером по исследованиям, производству и поставке спутникового оборудования.
Первыми эффективность использования GPS оборудования на карьере оценили маркшейдеры. С помощью GPS систем они быстро создавали опорные сети, обеспечивающие точный каркас для топографической и фотограмметрической съемок. Кроме того, это оборудование активно используется ими для подсчета объемов работ, а также для проверки качества рекультивационных работ. Независимое и автономное выполнение работ в течение длительного времени и с помощью только одного маркшейдера перенесли центр тяжести работ из полевых условий в камеральные. Недостатком этой методики является необходимость сбора большого количества сырых спутниковых данных и их последующая обработка на компьютере.
С появлением новой технологии RTK и OTF стало возможным получать точное решение сразу в поле и почти мгновенно. И тут первыми пользователями новой технологии съемки стали горные предприятия. При выполнении разбивочных работ по выносу скважин, мониторинге объемов выработки, периодических измерений бортов и топографических съемках производительность маркшейдерских бригад увеличилась более чем на 100%. Это привело к окупаемости спутниковых систем менее чем за один год. Эффективность использования GPS оборудования для съемочных работ не осталась незамеченной, и сегодня множество горных предприятий в России и во всем мире используют системы Trimble RTK для производства маркшейдерских работ.
С увеличением надежности и точности GPS систем, динамическое позиционирование было быстро признано и в приложениях по управлению машинами. Например, компания R.A.Hanson (RAHCO) впервые применила GPS для управления погрузочными машинами уже в середине 1993 г. Затем RAHCO разработала автономный транспорт для транспортировки горной массы, а совсем недавно использовала GPS приборы TRIMBLE для управления системой складирования и погрузки на медном руднике Эль-Абра в Чили.
Чтобы увеличить производительность и автоматизировать работу горных предприятий требуется больше, чем просто доступ к точным координатам. В 1995 г. TRIMBLE объявил стратегический союз с компанией Aquila Mining Systems, являющейся разработчиком систем текущего контроля и управления буровыми станками и экскаваторами с помощью GPS. Разработанная совместно современная система бурения использует GPS для навигации (исключая необходимость предварительной разбивки) и определения координат. Система включает возможность автоматического управления буровым станком, увеличивая производительность оператора и снижая износ станка. При соединии возможностей системы по позиционированию и по распознаванию материала достигается оптимизация процесса взрывных работ. Точные взрывные работы способствуют увеличению производительности карьера, обеспечивая повышение эффективности использования экскаваторов. Аналогичная система на экскаваторе обеспечивает контроль качества, промышленную статистику и индекс производительности, который может использоваться для текущего контроля эффективности взрывных работ. Установка GPS систем на экскаваторы также приносит выгоды при установке их в проектное положение. Важно отметить, что системы на основе GPS улучшают контроль качества и приводят к уменьшению переработки.
При наличии на карьере нескольких единиц с установленной GPS системой возникает вопрос о создании системы управления. Ранние диспетчерские системы обеспечивали только основную координатную информацию. Сегодня системы слежения и диспетчеризации на основе GPS выдают положение горной машины в реальном времени, ее скорость и направление движения. С точными GPS системами можно установить место разгрузки с точностью менее одного метра. Системы слежения и диспетчеризации со спутниковым позиционированием — неотъемлемая часть информационной системы многих месторождений во всем мире. GPS системы TRIMBLE предлагаются в системах слежения и диспетчеризации для горной промышленности канадской компанией Wenco Int.
В 1995 г. компании Modular Mining System впервые поступило предложение от одного рудника в Mиннесоте на разработку совмещенной горной системы, включающей съемочные работы, диспетчерскую систему, управление экскаваторами и информацию обо всей работе в реальном масштабе времени. TRIMBLE поставлял точные GPS приборы для Modular Mining, обеспечивая ядро совмещенной системы на основе GPS. Законченная к началу 1996 г. система была первой в мире, включавшей высокоточные GPS приемники во все компоненты горных работ. GPS стала ключевой технологией, используемой системой Modular для текущего контроля и управления всеми аспектами работ. С использованием общей базовой станции TRIMBLE и системы радиосвязи отслеживалось положение автосамосвалов, получали задания операторы экскаваторов и погрузчиков, определялось местоположение земляных работ в соответствии с проектом, выполнялась разбивка и вычислялись объемы — и все это одновременно.
В 1996 г. компании CATERPILLAR и TRIMBLE объявили о стратегическом партнерстве. Новые системы, совместно разработанные двумя компаниями, объединили GPS, радиосвязь, компьютеры и программное обеспечение в один защищенный комплект, специально предназначенный для горных работ. Система предназначена для увеличения производительности всех видов горного оборудования, включая бульдозеры, гидравлические экскаваторы, погрузчики и автогрейдеры. Системы на основе GPS обеспечили совмещенное решение для руководства всем комплексом горных работ.
Информация из системы планирования горных работ экспортируется в офисную систему управления, расположенную на месторождении. Офисная система управления горными работами служит единым центром, обрабатывающим данные, переданные (принятые) с помощью радиосвязи от парка погрузочных и транспортных машин. Планы работы передаются на экскаваторы и погрузчики для точного ведения работ на вскрышных и добычных уступах. Информация об истинном положении поверхности передается бульдозерам для рекультивации, а информация о съездах передается грейдерам для содержания дорог. Передача данных в реальном времени позволяет руководителю видеть и контролировать полевые операции. Оборудование также посылает информацию об изменениях поверхности карьера назад в систему планирования горных работ.
Информация о состоянии оборудования, требованиях по использованию и обслуживанию может быть послана по эфиру центрам обслуживания для плановой профилактики. Сокращение простоя и увеличение производительности погрузочных и транспортных машин обеспечивают большие дивиденды горнодобывающим компаниям. Современные методы сбора данных и возможности обработки, предлагаемые этой передовой информационной системой, позволяют руководителям производства принять важные решения, основанные на точных и постоянно обновляемых данных.
Заключительная стадия в процессе внедрения GPS систем для автоматизированного управления и контроля — полностью автономное оборудование. Пионеры в этой области, такие как компании Modulaire и RAHCO, уже продемонстрировали автономные машины, разработанные с использованием высокоточного GPS оборудования TRIMBLE вместе с другими системами датчиков.
Полностью автономное оборудование аналогично станкам с числовым управлением в машиностроении. В ближайшем будущем горный инженер сможет посылать чертежи подлежащих отработке блоков, а горная техника (бурстанки, экскаваторы и автосамосвалы) будет отрабатывать эти блоки, подобно тому, как инженер-машиностроитель с системой САПР посылает чертеж механической части на токарный станок. Такое же автоматическое управление будет осуществляться различным вспомогательным оборудованием карьера (грейдерами, бульдозерами, скреперами).
Выгоды от полностью автоматизированного оборудования в горной промышленности огромны. Значительное увеличение производительности и безопасности работ приведет к существенным изменениям в экономике всей промышленности. Отрабатываемые месторождения станут более конкурентоспособными. Кроме того, месторождения, отработка которых признана сейчас экономически не целесообразной, могут перейти в разряд экономически выгодных. Но чтобы эти выгоды стали реальностью, системы на основе GPS должны быть интегрированы с некоторыми другими технологиями, такими, как системы управления гидравликой, сверхзвукового или радарного обнаружения преград, лазерами, распознавания видеоизображения. Все это потребует много лет научно-исследовательских работ. Используя GPS как интеграционную технологию, горные предприятия смогут создать мощные горнодобывающие информационные системы управления, которые будут иметь большое влияние на промышленность.
Свою продукцию в России и ближнем зарубежье компания TRIMBLE реализует через официального представителя — акционерное общество «ПРИН». Помимо спутниковых АО «ПРИН» поставляет и традиционные маркшейдерские приборы и сопутствующие программные комплексы, выполняет обучение персонала пользователей, консультационное и техническое сопровождение поставляемой продукции, производит гарантийное и послегарантийное обслуживание оборудования. 9-летний опыт работы компании «ПРИН» на рынке России позволил ей успешно сотрудничать с многочисленными горными предприятиями: Кузбассразрезуголь, Михайловский ГОК, Лебединский ГОК, ООО «Карельский окатыш», Кольская горнорудная и Северная горно-геологическая компании и другие.