工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)“咖”解丨張軍：基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的礦山機械設(shè)備智能化管理
作者：張 軍 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事、中信云網(wǎng)有限公司副總經(jīng)理
趙國光 中信云網(wǎng)有限公司CTO
01 行業(yè)背景
礦業(yè)的發(fā)展可以使一個國家或地區(qū)的資源優(yōu)勢變?yōu)楫a(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，進而形成經(jīng)濟優(yōu)勢。礦業(yè)作為基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，與加工業(yè)、制造業(yè)相比，雖有相同之處，但更多是差異性，如礦產(chǎn)資源分布的不均勻性、礦業(yè)企業(yè)經(jīng)濟效益的遞減性、礦山工作和生活環(huán)境的艱苦性、礦業(yè)效益的后續(xù)性等。礦山企業(yè)的生產(chǎn)能力關(guān)乎當?shù)貐^(qū)域的經(jīng)濟優(yōu)勢。
礦山機械信息化水平是影響礦山企業(yè)的生產(chǎn)能力非常重要的一個影響因素，礦山機械信息化的主要目標和重要任務就是運用先進的信息技術(shù)及信息管理技術(shù)，建立基于企業(yè)礦山機械數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)倉庫應用系統(tǒng)。實現(xiàn)企業(yè)級大量的異質(zhì)數(shù)據(jù)的集成，有效解決現(xiàn)存礦山機械設(shè)備通信當中的“信息孤島”現(xiàn)象，利用其指導企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營和相應的生產(chǎn)戰(zhàn)略決策。
我國礦山機械信息化建設(shè)正在興起，用信息技術(shù)優(yōu)化生產(chǎn)運營結(jié)構(gòu)，提升生產(chǎn)技術(shù)水平與創(chuàng)新能力，是我國礦業(yè)發(fā)展的必由之路。數(shù)字礦山和智慧礦山的提出，為礦山機械信息化建設(shè)帶來了新的契機，空間信息、數(shù)據(jù)管理、可視化、人工智能等多種技術(shù)的發(fā)展為其注入了新的血液，多技術(shù)多數(shù)據(jù)融合的數(shù)字化智能化管理需求更為其快速發(fā)展帶來了新的挑戰(zhàn)。
目前礦山機械現(xiàn)場單一自動化系統(tǒng)基本已經(jīng)實現(xiàn)，絕大多數(shù)單系統(tǒng)都已基本上實現(xiàn)了各自子系統(tǒng)的自動化管理。到目前為此，雖然高速網(wǎng)絡(luò)及軟件技術(shù)得到了飛速發(fā)展，但數(shù)字化礦山建設(shè)在絕大多數(shù)的礦山企業(yè)仍然處于淺層次的綜合自動化水平，主要實現(xiàn)的本地的監(jiān)測監(jiān)控。只有在單系統(tǒng)自動化的基礎(chǔ)上，通過高速網(wǎng)絡(luò)接入各單系統(tǒng)，充分數(shù)據(jù)融合，建立合理的聯(lián)動機制才能完成從單系統(tǒng)自動化到綜合自動化的轉(zhuǎn)變，該部分的轉(zhuǎn)變從投入的資金和實現(xiàn)的容易度相對來講可實現(xiàn)性和可控性都比較容易，但是從綜合自動化向數(shù)字化礦山發(fā)展，涉及的面比較廣，必須由多方共同來推進，一般涉及到“展現(xiàn)三維化”、“空間數(shù)字化”及“管理信息化”三大方面，三者缺一不可，通過三者的有機融合，再通過合適的可視化工具進行展示，同時通過科學合理的管理制度和流程加以應用才真正有意義。
礦山機械信息化同時也是后續(xù)數(shù)字化發(fā)展的基礎(chǔ)，在合適的環(huán)節(jié)加上有效的決策分析系統(tǒng)，在全面獲取礦山機械物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，形成閉環(huán)的礦山機械安全、協(xié)同管理模式，為領(lǐng)導層提供生產(chǎn)經(jīng)營管理的決策依據(jù)、實現(xiàn)向智能礦山的發(fā)展。實現(xiàn)這一階段的轉(zhuǎn)變需要不斷的對決策分析系統(tǒng)進行豐滿，以實現(xiàn)信息化到知識化觀念和形式的重要轉(zhuǎn)變。
礦山機械行業(yè)中的一類核心設(shè)備是磨礦機械。磨礦機械，指的是用以完成磨礦作業(yè)的機械。按磨礦介質(zhì)的不同分為球磨機、棒磨機、礫磨機、礦石自磨機等，用得最多的是球磨機和棒磨機。
球磨機的磨礦介質(zhì)為鋼球或鐵球。球磨機又分為溢流型球磨機和格子型球磨機。溢流型球磨機排礦端礦軸直徑比給礦端中空軸頸的直徑大，形成磨機內(nèi)給礦端與排礦端的礦漿面有一個高差，促使礦漿從排礦端自動溢流出去。與格子型球磨機相比，溢流型生產(chǎn)率小，磨礦效率低，但其構(gòu)造簡單，能產(chǎn)出較細的產(chǎn)品，仍用于第三段磨礦上；格子型球磨機的排礦端有格子板強制排礦，磨機內(nèi)儲存的礦漿少，已磨細的礦粒能及時排出，所以格子型球磨機生產(chǎn)率高，產(chǎn)品粒度粗，用于兩段磨礦的第一段。
球磨機是由水平的筒體，進出料空心軸及磨頭等部分組成，筒體為長的圓筒，筒內(nèi)裝有研磨體，筒體為鋼板制造，有鋼制襯板與筒體固定，研磨體一般為鋼制圓球，并按不同直徑和一定比例裝入筒中，研磨體也可用鋼段。根據(jù)研磨物料的粒度加以選擇，物料由球磨機進料端空心軸裝入筒體內(nèi)，當球磨機筒體轉(zhuǎn)動時候，研磨體由于慣性和離心力作用，摩擦力的作用，使它附在筒體襯板上被筒體帶走，當被帶到一定的高度時候，由于其本身的重力作用而被拋落，下落的研磨體像拋射體一樣將筒體內(nèi)的物料給擊碎。
球磨機是破碎、選別之間的關(guān)鍵性的設(shè)備，也是選礦中的耗能大戶；同時，它還是選礦操作中最難，控制工藝指標很重要的設(shè)備。因此，通過優(yōu)化球磨機的操作控制，提高球磨機的磨礦效率，降低單位產(chǎn)能下的電耗、球耗及設(shè)備損耗，提高磨礦粒級優(yōu)選比例，能夠節(jié)約生產(chǎn)成本，產(chǎn)生直接的經(jīng)濟效益，對于企業(yè)顯得至關(guān)重要。影響球磨機磨礦效率的因素很多，礦石的性質(zhì)（耐磨特性、入磨粒級）、介質(zhì)填充率、礦石填充率、球荷配比、磨礦濃度、排礦粒級（考慮原礦中目的礦物結(jié)晶粒級）、球磨轉(zhuǎn)速、磨機潤滑、襯板磨損、電機狀況等，并且這些因素無法直接檢測，導致了磨礦操作中的難度。因此，要實現(xiàn)既定磨礦目標，通常需要控制好如下磨礦過程：
1）控制磨機合適的轉(zhuǎn)速；
2）控制閉路磨礦適當?shù)难h(huán)負荷；
3）控制磨機合適的充填率和合理的加球制度；
4）控制好磨礦濃度。其中控制磨機合適的轉(zhuǎn)速對于提升磨礦效率具有明顯效果。
襯板是大型球磨機、自磨機、半自磨機的主要耗材，以 10.37 m 、 5.19 m的半自磨為例，襯板總質(zhì)量超過400t，其中筒體襯板及部分排料襯板總質(zhì)量超過300t，每年更換3~5次，單臺設(shè)備每年的襯板更換費用達數(shù)千萬元。
襯板在磨機使用過程中具有重要的功能：保護磨機筒體結(jié)構(gòu)不受破壞性磨損。襯板在生產(chǎn)過程中不斷與礦石、鋼球等發(fā)生沖擊和研磨，同時還會受到礦漿的腐蝕，當襯板磨損達到一定程度后，磨礦效率降低，襯板本身也會由于厚度變薄而容易碎裂，襯板失效以后，筒體直接受到鋼球和物料的沖擊而損壞，因此襯板的磨損量需要重點監(jiān)控，并做到在失效之前更換襯板。
能夠及時地更換襯板，企業(yè)需要做好襯板備件管理。備件管理的目的是用最少的備件資金，合理的庫存儲備，保證設(shè)備維修的需要，不斷提高設(shè)備的可靠性、維修性和經(jīng)濟性，并做到以下幾點：
1）把設(shè)備突發(fā)故障所造成的停工損失減少到最低限度。
2）把設(shè)備計劃維修的停歇時間和維修費用降低到最低限度。
3）把備件庫的儲備資金壓縮到合理供應的最低水平。為了達到襯板更換及時且最低化備件庫儲備資金的目標，就需要對襯板的使用壽命做出較精準的預測。
02 工業(yè)智能優(yōu)化的實現(xiàn)
礦山機械設(shè)備行業(yè)應用基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的設(shè)備數(shù)據(jù)采集、存儲、展示、查詢和使用過程，重點圍繞設(shè)備數(shù)據(jù)的可視化、關(guān)鍵指標的自動調(diào)節(jié)控制、歷史數(shù)據(jù)挖掘分析能力等進行應用環(huán)境的構(gòu)建，并在應用環(huán)境的基礎(chǔ)上構(gòu)建多環(huán)節(jié)、多任務數(shù)據(jù)互通融合的智能優(yōu)化應用，從而實現(xiàn)礦山機械設(shè)備更加高效、智能運行管理的目的。
中信云網(wǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺構(gòu)建了完善的工業(yè)智能優(yōu)化系統(tǒng)軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施。在此基礎(chǔ)上，以數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制和第三方系統(tǒng)集成等綜合技術(shù)為基礎(chǔ)，定義礦山行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的各類業(yè)務場景，實現(xiàn)包含數(shù)據(jù)采集、設(shè)備管理、設(shè)備仿真、工藝優(yōu)化、預測維護等各類機械設(shè)備智能化管理場景。
其中數(shù)據(jù)采集依賴多種技術(shù)，包括溫濕度、轉(zhuǎn)速、視頻、光照、聲音等各類傳感器、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議、SCADA、MES等系統(tǒng)。設(shè)備管理主要設(shè)備注冊、設(shè)備分組、設(shè)備標簽、設(shè)備拓撲等各類設(shè)備生命周期管理，物模型的屬性、事件、服務等管理、設(shè)備調(diào)試、設(shè)備維護與設(shè)備監(jiān)控等。
數(shù)字孿生是設(shè)備仿真、工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)。它是指采用數(shù)字化的表達方式在虛擬世界中建立一個與物理世界所對應的設(shè)備、工藝，并且隨著生產(chǎn)過程變化，維持高度一致的數(shù)字化鏡像。數(shù)字孿生技術(shù)是對物理環(huán)境中設(shè)備、工藝在制造過程中實時的多維度信息的獲取、分析、優(yōu)化和展示，是企業(yè)實現(xiàn)制造過程監(jiān)控、生產(chǎn)工藝優(yōu)化的有效支撐技術(shù)。
基于數(shù)字孿生的設(shè)備虛擬仿真與工藝優(yōu)化，可以通過三個步驟逐步實施：首先通過數(shù)據(jù)實時感知與過程數(shù)據(jù)采集完成物理環(huán)境中生產(chǎn)狀態(tài)到虛擬空間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，構(gòu)建虛擬環(huán)境的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；然后通過建立虛擬空間中設(shè)備、工藝的數(shù)字孿生模型完成物理環(huán)境中生產(chǎn)單元到虛擬空間單元鏡像的關(guān)聯(lián)映射，構(gòu)建面向產(chǎn)品生產(chǎn)的生產(chǎn)過程孿生；最后通過虛擬環(huán)境中實時同步的設(shè)備、工藝虛擬孿生進行生產(chǎn)過程的虛擬仿真，根據(jù)數(shù)字孿生仿真結(jié)果指導實際物理環(huán)境中設(shè)備、生產(chǎn)工藝的優(yōu)化。
礦山機械設(shè)備通過數(shù)據(jù)采集裝置實時將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，然后根據(jù)工業(yè)智能優(yōu)化系統(tǒng)的模型，對實時和歷史數(shù)據(jù)進行分析，最終輸出相關(guān)預測性維護和工藝優(yōu)化的結(jié)果，通過指定規(guī)則對設(shè)備進行控制，從而最終達到降低成本，增加生產(chǎn)效率的目的。
03 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在礦山機械設(shè)備中的應用
（1）球磨機襯板使用壽命智能預測
襯板磨損在線測量系統(tǒng)由檢測螺栓（含螺栓傳感器和信號發(fā)射器）、無線信號接收器和上位機３部分構(gòu)成。其中，檢測螺栓的扁頭比傳統(tǒng)螺栓長，加長的扁頭內(nèi)部集成了長度傳感器探頭、無線通信模塊、處理器模塊和電源模塊等。將檢測螺栓裝入襯板后，檢測螺栓扁頭部分會隨著襯板的磨損而磨損，磨損的傳感器信號經(jīng)過處理后通過無線方式發(fā)出，再經(jīng)過磨機旁邊的無線信號接收器將信號轉(zhuǎn)化為襯板磨損量。其中，上位機可以將磨損數(shù)據(jù)及襯板壽命預測值通過通信方式傳輸至中控DCS畫面上，還可以通過加密的SDK傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)云平臺，并可以通過網(wǎng)頁及手機端查看，便于生產(chǎn)管理。
以上解決了襯板磨損量的實時測量的問題，但這還不足以解決最優(yōu)化備件管理的問題。為了達到及時更換，同時也將備件庫的儲備資金降至最低的目標，需要對襯板的使用壽命進行預測，以便指導襯板備件管理的相關(guān)決策。
由于襯板所處的環(huán)境比較復雜，因此其磨損程度可能受多個因素的影響，如物料情況（給料大、中、小礦石比例）、磨機直徑、磨機轉(zhuǎn)速、旋流機進料濃度、加水量、處理量等。為了確定這些因素對襯板磨損影響的顯著性，采集多輪襯板生命周期的歷史數(shù)據(jù)，并對它們進行多因素方差分析和回歸分析，形成礦石處理量對襯板磨損程度決定性影響模型。不斷對模型進行訓練和校驗。
依據(jù)此模型，以礦石處理量為自變量，建立預測襯板磨損程度的回歸模型，并將實時采集的礦石處理量作為模型輸入，不斷預測當前襯板的剩余壽命，并根據(jù)預測結(jié)果聯(lián)動排產(chǎn)與備件庫，做到以最低資金和庫存成本，最快速度更換襯板，提起調(diào)整合理生產(chǎn)計劃。
（2）基于計算機視覺的球磨機轉(zhuǎn)速動態(tài)調(diào)整
工業(yè)智能優(yōu)化系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)、圖像識別等技術(shù)，實現(xiàn)了球磨機轉(zhuǎn)速自動化調(diào)整。
球磨機轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)由紅外攝像機、機器學習平臺、物聯(lián)網(wǎng)平臺和變頻控制柜4部分組成。其中，紅外攝像機負責實時采集磨機內(nèi)部的紅外影像，邊緣端設(shè)備根據(jù)訓練好的模型，識別和計算內(nèi)部鋼球的拋物高度，并將結(jié)果返回到物聯(lián)網(wǎng)平臺，同時上傳視頻流，機器學習平臺基于提供的視頻數(shù)據(jù)和其他傳感器數(shù)據(jù)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)平臺采集到的球磨機的實時轉(zhuǎn)速和鋼球高度數(shù)據(jù)，將最終計算結(jié)果導入流式引擎，流式引擎會根據(jù)設(shè)置的動態(tài)規(guī)則，綜合判斷后，向球磨機邊緣端的變頻控制柜發(fā)送變頻指令，變頻控制柜控制球磨機，使其轉(zhuǎn)速達到預期的最優(yōu)轉(zhuǎn)速。
04 成效與結(jié)論
在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)智能優(yōu)化系統(tǒng)基礎(chǔ)上開發(fā)應用方案。基于中信云網(wǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺在礦山裝備行業(yè)應用，接入行業(yè)主要設(shè)備，實現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)監(jiān)測與控制，實現(xiàn)以下成效：
（1）機械設(shè)備數(shù)字化展現(xiàn)
通過各種傳感器采集球磨機的各部位數(shù)據(jù)，采集運行狀態(tài)下的實時值，并通過MQTT協(xié)議上傳到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，可實現(xiàn)在網(wǎng)頁端和移動端查看運行參數(shù)的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。
（2）襯板磨損數(shù)據(jù)測量與預測
在大型球磨機安裝檢測螺栓后，能夠?qū)崿F(xiàn)不停機對襯板磨損的測量，減少因停機而造成的損失，同時避免人工進入磨機測量帶來的安全風險；對采集到的襯板厚度上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺進行記錄，同時可隨時查看襯板壽命的預測結(jié)果，為后續(xù)襯板更換和維護提供了良好的數(shù)據(jù)支撐。
（3）球磨機轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)
在大型球磨機上安裝紅外攝像機，將拍攝到的紅外視頻實時上傳到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，再通過在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺流式引擎配置規(guī)則，可以實現(xiàn)對磨機的智能化自動調(diào)節(jié)。
通過在中信重工等礦山機械企業(yè)實際應用顯示，經(jīng)過工業(yè)智能優(yōu)化系統(tǒng)優(yōu)化后球磨機的平均電耗實現(xiàn)了較大幅度的降低，提高了礦山機械設(shè)備運行經(jīng)濟效益。
05 展望
基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的礦山機械設(shè)備智能化管理，已在中信重工等企業(yè)的礦物實驗、產(chǎn)品研發(fā)、裝備制造、運維服務、工藝優(yōu)化和工業(yè)大數(shù)據(jù)方面進行了融合應用，初步實現(xiàn)了將工業(yè)技術(shù)、管理、應用等方面的經(jīng)驗和知識進行模塊化、軟件化處理，并以微服務組件或工業(yè)APP的形式賦能行業(yè)企業(yè)，實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期管理和全流程智能化服務。同時，礦山機械設(shè)備工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺通過行業(yè)大數(shù)據(jù)分析應用打通產(chǎn)業(yè)鏈，最終形成以智能化產(chǎn)品和“互聯(lián)網(wǎng)+”服務為一體的綜合智能服務體系和產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈，賦能礦山產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。展望未來，我們將繼續(xù)探索基于5G技術(shù)對礦山機械設(shè)備的實時遠程操控，實現(xiàn)作業(yè)面無人操作，解決了傳統(tǒng)人工作業(yè)操作危險系數(shù)大、勞動強度高的問題，提升采掘效率；并按照點、線、面的總體思路，首先單點突破，打造數(shù)字礦山中礦山機械設(shè)備智能化應用的典型場景；以此為基礎(chǔ)，進一步推進垂直深耕，打通行業(yè)應用壁壘；最后，進行橫向拓展，形成智慧礦山產(chǎn)業(yè)生態(tài)，發(fā)展基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的跨行業(yè)、跨領(lǐng)域協(xié)同，助推行業(yè)企業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈重塑和升級，推動企業(yè)更高質(zhì)量發(fā)展。
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