El sistema de control de perforación que fue desarrollado originalmente para mejorar la fragmentación también permite al operador evitar peligrosos taludes altos

Por Steve Fiscor, Editor-en-Jefe

La automatización se ha vuelto el eslogan de los mejoramientos de tecnología minera. Mientras los ingenieros en mina alrededor del mundo intentan conseguir la automatización total en la minería a rajo abierto, descubren las variables específicas de cada lugar que exige a las máquinas pensar y resolver problemas. A menudo esas variables se vuelven abrumadoras cuando se considera la operación completa. Para algunos procesos repetitivos que requieren un rendimiento constante, tal como la perforación por voladura, hoy en día la industria está viendo a la tecnología mejorar a pasos agigantados.

El sistema Ardvarc (Control por Radio Automatizado Avanzado del Vector para Perforadora Giratoria) es uno de estos sistemas. Recientemente ha ganado la atención del negocio minero metálico y está atrayendo más atención a la parte de extracción de carbón del negocio. Trabajando en conjunto con uno de sus clientes, Flanders Electric ha desarrollado la tecnología para Ardvarc y lo comercializó en el 2005. Luego llevaron la tecnología un paso más allá y crearon  diferentes niveles de sofisticación para el sistema de control de perforación.

El sistema tiene tres configuraciones. Ardvarc es el sistema básico seguido por Ardvarc con One-Touch y Ardvarc con Auto Propel. Ardvarc básico es un sistema de manejo de perforación que proporciona a los usuarios datos de producción, datos de la condición de la máquina y posicionamiento GPS. El sistema auto-perforación brinda todos los datos y funcionalidad del sistema de administración de datos con el control de perforación One-Touch (de un toque). El sistema Auto-Propel (autopropulsión) combina un sistema de propulsión y posicionamiento automático, y una opción para sistema con capacidades de operación autónoma con un conjunto One-Touch.

Actualmente, unas pocas perforadoras están usando el sistema Auto-Propel. Más de 25 perforadoras han sido equipadas con sistemas One-Touch en todo el mundo. Aunque todas sus aplicaciones han sido en minas de cobre en Arizona, Indonesia y una versión anterior en Chile, otras minas metálicas y algunos operadores de carbón han expresado un interés, explicó Mike Casson, director de operaciones internacionales de Flanders Electric. “El gran beneficio de este sistema es una mejor fragmentación y aumentos de productividad del 20% al 30% desde el punto de vista minero metálico, pero tenemos algunos clientes que lo consideran simplemente por el aspecto de la seguridad al trabajar en faenas remotas cerca de taludes altos,” dijo Casson. La operación remota de los equipos permite al operador acercarse al pie o al borde del talud sin preocuparse si hay alguna falla.

Hasta ahora, el nivel de aceptación en las minas es lo que uno esperaría. Los operadores más jóvenes, conocedores de tecnología, llegan a comprender el sistema rápidamente. Manos más experimentadas lo cuestionan, pero no pueden ignorar los resultados. Las máquinas interpretan un diseño de carga explosiva pre-programada y perforan en forma constante el círculo completo con poca o ninguna interacción humana. Mientras hace esto, el sistema anticipa y corrige el proceso de perforación, informa el rendimiento de la perforadora y su condición, traza mapas del estrato, y proporciona reportes personalizados para mantención y producción.

Visión General del Sistema
El sistema de control de perforación Ardvarc con One-Touch es actualmente la opción más popular. El sistema Ardvarc Auto Propel, que brinda un completo control autónomo de la perforadora, está en algunas máquinas y logrando más atención. “el sistema de control de perforación Ardvarc proporciona a las perforadoras de voladura la capacidad de operar las máquinas en modo recolección de datos/posicionamiento GPS, modo semi-automático y modo totalmente autónomo,” dijo Curtis Stacy, gerente, grupo de productos avanzados, Flanders Electric. “Por totalmente autónomo, queremos decir sin operadores en la máquina y con cero interacción humana aparte de la determinación del orden de perforación de los pozos.”

El sistema de recolección de datos Ardvarc, una versión simplificada del sistema de control, proporciona a los operadores mineros la capacidad de recolectar datos de la condición y de la producción de la máquina, manteniendo los controles OEM existentes en su lugar. Los datos recolectados pueden usarse entonces para hacer cambios en la planificación minera y en el proceso de mejoramiento de fragmentación antes de cargar la perforadora.

La perforación semi-automatizada consiste en que el operador propulsa la máquina manualmente a cada ubicación de los pozos. Luego, el operador simplemente presiona un botón en la interfaz del operador que inicia el ciclo de perforación One-Touch, que incluye nivelación, colocación de collarines, perforación, retracción de la broca y retracción de los gatos. “Una vez que el ciclo está completo, el operador cambia la máquina a modo de propulsión y simplemente avanza al lugar del pozo siguiente y reinicia el proceso,” dijo Stacy. “En cualquier momento el operador puede tomar control del proceso automatizado y luego devolver la máquina al modo automatizado.”

De igual modo, si un operador está tratando de hacer algo que no debiera, Ardvarc entrega un mensaje explicando por qué no puede hacer eso y lo que debe hacer. Por ejemplo, si el operador trata de bajar la pluma y la broca está demasiado baja—lo que destrozaría la plataforma—él recibiría un mensaje diciéndole que levante la broca hasta un límite seguro antes que el actuador permita otras acciones.

El sistema Auto Propel brinda una completa gama de control autónomo, incluyendo detección y mitigación de riesgos y obstáculos, y una estación de monitoreo remoto. Esta arquitectura de sistema permite sacar al operador de la máquina y situarlo en un lugar seguro, explicó Stacy. “Luego un operador puede monitorear hasta cinco máquinas desde una estación de monitoreo remoto,” dijo Stacy. “El operador remoto solamente debe interactuar con la máquina para decirle en qué orden se debe perforar la malla de perforación.”

Una vez determinada la secuencia de la malla de perforación, el sistema de control Ardvarc toma el mando y realiza la secuencia de perforación programada. Este sistema operador remotos actualmente está implementado en las tres máquinas Atlas Copco PV271 en una mina de cobre al sudeste de Arizona.

Cada sistema Auto-Propel también incluye un control de corto alcance. Esto permitirá al operador estar cientos de metros alejado de la perforadora si hay que perforar debajo de una muralla alta (peligro de caída de roca) o sobre el borde de un talud alto potencialmente inestable (peligro de rodad de la máquina al rajo o a un banco inferior).

La tecnología para el sistema Ardvarc fue desarrollada por el grupo de tecnología de minas de Flanders. “Desde entonces hemos creado un grupo especializado llamado el Grupo de Productos Avanzados que está trabajando en aplicaciones de alta tecnología tales como radiocontroles, tecnología inalámbrica, y sistemas para evitar colisiones,” dijo Casson. “Esta es tecnología para aplicaciones tanto mineras como militares. Sin embargo, ella está fuera del ámbito de lo que muchos clientes mineros normalmente asocian con Flanders Electric. El grado de minuciosidad de nuestros servicios de ingeniería es a menudo una sorpresa.”

¿Sistemas de Control de Perforación?
Se asocia más comúnmente a Flanders Electric con el diseño y la construcción de motores para el negocio minero. “Originalmente analizábamos los problemas de los motores en las perforadoras y descubrimos eran más bien problemas de accionamiento no problema de motor,” dijo Jarrid Cima, gerente de APG Software Systems, Flanders Electric. “Los operadores quemaban los campos de los motores debido a los accionamientos. Nosotros desarrollamos un regulador de torque, que reemplaza al accionamiento, y cambiamos los controles un poco. Como nos íbamos interiorizando de los diferentes aspectos de la perforadora y de lo que hace, sabíamos que podíamos crear auto perforación y seguimos proyectándonos a partir de aquello, incorporando GPS para enseñarle a la perforadora donde está perforando y después incorporamos auto propulsión.

“Durante el ciclo de perforación, la mayoría de los sistemas competitivos solamente controlan los aspectos de perforación y no reaccionan ante condiciones cambiantes del suelo,” dijo Cima. “El operador todavía tiene que nivelar la máquina, poner el collarín en el pozo, retraer la broca, etc. La auto perforación Ardvarc no requiere interacción humana. Nuestros pozos son perforados sin intervención humana.”

El sistema usa diferentes algoritmos para detectar si el pozo se está obstruyendo y cuando retroceder y levantar la broca. Un sistema de detección de vibración sin sensor monitorea la broca y puede decir cuando quedará colgando en el pozo. “Uno de los principales problemas con la perforación es el derrumbe del pozo, donde una roca cae desde el costado del pozo y bloquea la retracción,” dijo Cima. “Nosotros retraeremos la broca y le daremos al aire tiempo para achicar los desmontes y dejar que las brocas los muelan.”

En el sistema se han programado varias características innovadoras de automatización, que incluyen:
• Mitigación de barra pegada—Soltar la barra de perforación que perfora en malas condiciones;
• Certeza de la calidad del pozo—Monitorear la broca mientras es retraída para garantizar que el pozo sea adecua-damente perforado;
• Gestión de calidad del collarín del pozo—Siempre colocar adecuadamente el collarín en el pozo de perforación;
• Protección contra atasco giratorio—Protege el sistema de rotación contra condiciones de atasco y mitigar la causa origen del problema;
• Adecuada auto nivelación siempre—Nivela hasta dentro de 0.1º el 95% del tiempo;
• Protección contra pozos endebles—Usa torque giratorio, presión de aire y otros parámetros de perforación para detectar y mitigar pozos endebles antes que colapsen;
• Parámetros de perforación dinámicos—Los parámetros de perforación cambian al cambiar las condiciones del terreno.

“Nuestros sistemas han perforado miles de pies de pozos y nunca han doblado una barra,” dijo Cima. “Eso también incluye no arrastrar la perforadora con la barra aún en el pozo, lo que crea horas de tiempo muerto y puede acortar la vida útil de una perforadora.”

El sistema Ardvarc se puede usar en cualquier máquina, de controles eléctricos o diesel/hidráulicos. El cable umbilical en las perforadoras eléctricas puede complicar la función de auto propulsión pero eso se puede mitigar con el uso de un carrete de cables, explicó Casson.

Hardware y Software
Todo el hardware de Ardvarc está disponible en el comercio en un formato listo para usar. Este se hizo como parte de la especificación de diseño para dar apoyar fácilmente a la distribución del sistema en el mundo. Todos los componentes usados en conjunto con el sistema de control están disponibles en todo el mundo. Existen dos implementaciones básicas del hardware Ardvarc para control de perforación: hardware de recolección de datos y hardware de control de máquina.

Para monitorear la condición y recolectar datos solamente, se usa el sistema de control de la máquina existente proporcionado por el OEM. Para aplicaciones Auto Drill, todo el hardware suministrado por el OEM relacionado al control de la máquina es eliminado y luego reemplazado por el conjunto de hardware Ardvarc. Este conjunto de hardware consta de un controlador de automatización Allen-Bradley y un PC con sistema operativo Windows XP, pantalla con panel sensible al tacto hi-brite de 15”, y el software de Interfaz de Usuario (HMI).

“Se ha comprobado que el hardware de control Ardvarc es extremadamente confiable,” dijo Stacy. “Hasta la fecha, con más de 25 máquinas operando en terreno por más de cuatro años, Flanders ha reemplazado menos de 15 componentes. Así pues, el costo por remplazo de componentes ha sido muy por debajo de los US$25.000.” Esto no incluye los PCs y las pantallas sensibles al tacto, que tienen una vida útil esperada de alrededor de 24 meses en una mina.

Sistemas de equipos de perforación controlados hidráulicamente usan actuadores hidráulicos HKT y todas las máquinas controladas eléctricamente usan sistemas de accionamiento DC Torq-Reg Flanders. Todos los sistemas de control de perforación Ardvarc pueden usar pueden usar cualquier solución GPS de alta precisión actualmente en el mercado hoy en día. Los sistemas más comunes que se están usando son Novariant, Trimble y Novatel.

Todo el software para el sistema de control Ardvarc fue desarrollado por Flanders Electric. Puede dividirse en tres componentes principales: software de control, software HMI y el servidor de oficina. “El software de control controla todas las funciones principales de la máquina, proporciona interfaz de recolección de datos al mundo real, genera los datos, y brinda toda la programación de automatización, incluyendo perforación y traslado,” dijo Stacy. “El software HMI proporciona una interfaz entre hombre y máquina, información detallada de la condición del sistema, un servicio de recolección de datos que almacena datos generados por el PLC en una base de datos SQL, y una interfaz para el sistema GPS.”

El servidor de oficina proporciona una interfaz entre el departamento de planificación mina y el sistema Ardvarc. Se usa para enviar parámetros de patrón del plan de tronadura a los sistemas, usando datos exportados desde cualquier programa de mapeo o elaboración de programas vía Internet Explorer. Proporciona interacción en tiempo real a los sistemas de la perforadora por medio de páginas servidas por Web. El sistema también se puede usar como una estación de monitoreo remoto para control totalmente automatizado de la perforadora.

Sistema de Recolección de Datos
Los datos de Ardvarc son recolectados en una base de datos SQL y transmitidos hacia el exterior hasta un servidor con sistema centralizado. Los datos acerca de la máquina se mantienen perpetuamente en discos duros de alta capacidad. Los datos se dividen en tres grupos principales: productividad, condición de la máquina, y estado de la máquina.

Los datos de productividad se registran en tres tablas relacionales: datos pozo-por-pozo, datos del pozo, y datos de turno. Los datos pozo-por-pozo evalúan el diseño vs. la ubicación real del pozo usando un sistema de coordenadas geográficas. Calcula los tiempos de perforación totalizando el tiempo para nivelar, colocar collarín, perforar, retraer y reanudar y avanzar hasta el siguiente pozo. Monitorea el estado del sistema GPS y del sistema de automatización, y entrega datos básicos de producción del pozo.

Los datos del pozo se registran sobre una base pie-por-pie (ó 0.3- x 0.3-m). Los datos representan la dureza del estrato durante la penetración del último pie de terreno. Proporciona un mapa 3-D (isopaca) de los estratos que muestran la resistencia de suelo real a una resolución de 1-ft. “Cada pie estamos registrando la dureza de la roca,” dijo Cima. “En realidad estamos midiendo la energía requerida para perforar ese pie de roca. La mina puede correlacionar los datos de la energía y elaborar factores adecuados de pólvora para las voladuras.”

La tabla de datos de turno registra totales para cada turno dado y proporciona un medio rápido de buscar datos y crear informes sencillos.

Los datos de la condición de la máquina se recolectan cuando ocurren fallas en la máquina. Estos datos pueden ser analizados posteriormente para resolución de problemas y RCA. Los planes enfocados en mantención preventiva pueden comenzar a tomar forma mientras el análisis de datos comienza prevalecer en los departamentos de mantención mina.  

“Nos estamos interiorizando acerca del motor y de todos los sistemas de la perforadora,” dijo Casson. “No sólo estamos monitoreando el regulador de torque, estamos monitoreando la perforadora completa.”

El sistema de diagnóstico de la condición de la máquina es realmente importante para el departamento de mantención y su capacidad para mantener la perforadora en actividad. “Los técnicos pueden ingresar comentarios sobre cualquiera de las fallas en la máquina, y ese conocimiento se transmite de un turno al otro,” dijo Cima. “El siguiente personal que trabaja en esa falla obtiene las observaciones. Lo mismo es válido para los repuestos. Si tienen un sensor que falla, anotarán la falla junto con el número de parte para referencia futura.”

Adicionalmente, se puede rastrear el desempeño de los grupos de mantención analizando el número de fallas en el transcurso del tiempo. Si la mantención está funcionando correctamente, debiera verse una disminución en el número de fallas que ocurren en una máquina dada a través del tiempo. Como los datos son almacenados en una base de datos SQL, cualquiera de las bases de datos puede ser personalizada para adaptarla a alguna necesidad específica.

Desempeño del Sistema
Cuando Flanders estaba desarrollando el sistema, la compañía fijó algunas metas internas de producción. Una fue lograr un nivel de rendimiento 100% tan bueno como el de los mejores operadores humanos al operar la máquina en modo automatizado. El gráfico de barras (p. 15) ilustra el aumento en la producción al operar la máquina en modo automatizado vs. operación en modo manual. “Como se puede ver en el gráfico, el sistema automatizado no sólo es más conveniente sino también más consistente, dando como resultado menor variabilidad en el proceso de perforación,” dijo Stacy. “Esto se observa a lo largo de los diferentes procesos de auto perforación mientras el sistema de control de la máquina sistemáticamente realiza la misma función una y otro vez de la misma manera. El sistema automatizado dio como resultado una reducción de 3,1 minutos en el tiempo total del ciclo (desde que se toca el suelo hasta que se retrae la broca de vuelta a la cima del mástil). Eso equivale a un 20% de aumento en la productividad.”

Desde el principio, los ingenieros de Flanders decidieron que el sistema no debe autodestruirse y debe ser capaz de diagnosticar sus propios problemas. “La preocupación cada vez que un proceso es automatizado es la posibilidad que el equipo se dañe a sí mismo por conseguir mayor productividad,” dijo Stacy. “A la fecha, las perforadoras con Ardvarc no han tenido daños significativos a la propiedad por el sistema de automatización. Esto se logra mediante un sistema de protección proactiva que está incorporado al sistema de control de la máquina. Hemos tenido un excelente éxito capacitando mecánicos de mina para usar las herramientas de diagnóstico Ardvarc que están incorporadas en la máquina.”

Los niveles de aceptación hasta ahora han sido una lotería, explicó Cima. “A los operadores nuevos les encanta el sistema,” dijo Cima. “Algunos de los operadores más experimentados naturalmente cuestionan al sistema. En una de las minas, parte de la calificación del desempeño de los operadores se establece en base a cuán a menudo usan el sistema automáticamente o si están tratando de perforar los pozos ellos mismos.” De por sí los datos de desempeño han demostrado la relación entre automatización y disponibilidad en tres máquinas operando en la misma mina. Cuando el porcentaje de utilización del sistema de automatización aumenta, también lo hace la disponibilidad de la máquina.

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