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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及信息管理技術，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)級大量的異質數(shù)據(jù)的集成，有效解決現(xiàn)存礦山機械設備通信當中的“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正在興起，用信息技術優(yōu)化生產(chǎn)運營結構，提升生產(chǎn)技術水平與創(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的發(fā)展為其注入了新的血液，多技術多數(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)絡及軟件技術得到了飛速發(fā)展，但數(shù)字化礦山建設在絕大多數(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)自動化的基礎上，通過高速網(wǎng)絡接入各單系統(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變，該部分的轉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，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)基礎上，形成閉環(huán)的礦山機械安全、協(xié)同管理模式，為領導層提供生產(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變。

礦山機械行業(yè)中的一類核心設備是磨礦機械。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，當球磨機筒體轉動時候，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的物料給擊碎。

球磨機是破碎、選別之間的關鍵性的設備，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)顯得至關重要。影響球磨機磨礦效率的因素很多，礦石的性質（耐磨特性、入磨粒級）、介質填充率、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晶粒級）、球磨轉速、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，襯板總質量超過400t，其中筒體襯板及部分排料襯板總質量超過300t，每年更換3~5次，單臺設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：保護磨機筒體結構不受破壞性磨損。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，保證設備維修的需要，不斷提高設備的可靠性、維修性和經(jīng)濟性，并做到以下幾點：

1）把設備突發(fā)故障所造成的停工損失減少到最低限度。

2）把設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。

礦山機械設備行業(yè)應用基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的設備數(shù)據(jù)采集、存儲、展示、查詢和使用過程，重點圍繞設備數(shù)據(jù)的可視化、關鍵指標的自動調節(jié)控制、歷史數(shù)據(jù)挖掘分析能力等進行應用環(huán)境的構建，并在應用環(huán)境的基礎上構建多環(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)礦山機械設備更加高效、智能運行管理的目的。

圖 1   礦山機械設備工業(yè)智能優(yōu)化系統(tǒng)

中信云網(wǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺構建了完善的工業(yè)智能優(yōu)化系統(tǒng)軟硬件基礎設施。在此基礎上，以數(shù)據(jù)采集、設備控制和第三方系統(tǒng)集成等綜合技術為基礎，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、設備管理、設備仿真、工藝優(yōu)化、預測維護等各類機械設備智能化管理場景。

其中數(shù)據(jù)采集依賴多種技術，包括溫濕度、轉速、視頻、光照、聲音等各類傳感器、工業(yè)網(wǎng)絡協(xié)議、網(wǎng)絡傳輸協(xié)議、SCADA、MES等系統(tǒng)。設備管理主要設備注冊、設備分組、設備標簽、設備拓撲等各類設備生命周期管理，物模型的屬性、事件、服務等管理、設備調試、設備維護與設備監(jiān)控等。

數(shù)字孿生是設備仿真、工藝優(yōu)化的基礎。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)字孿生技術是對物理環(huán)境中設備、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。

基于數(shù)字孿生的設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)的轉換，構建虛擬環(huán)境的數(shù)據(jù)基礎；然后通過建立虛擬空間中設備、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聯(lián)映射，構建面向產(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)字孿生仿真結果指導實際物理環(huán)境中設備、生產(chǎn)工藝的優(yōu)化。

礦山機械設備通過數(shù)據(jù)采集裝置實時將相關數(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，最終輸出相關預測性維護和工藝優(yōu)化的結果，通過指定規(guī)則對設備進行控制，從而最終達到降低成本，增加生產(chǎn)效率的目的。

（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部分構成。其中，檢測螺栓的扁頭比傳統(tǒng)螺栓長，加長的扁頭內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決策。

圖 2   壽命預測智能管理示意圖

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，提起調整合理生產(chǎn)計劃。

（2）基于計算機視覺的球磨機轉速動態(tài)調整

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，實現(xiàn)了球磨機轉速自動化調整。

球磨機轉速自動控制系統(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部的紅外影像，邊緣端設備根據(jù)訓練好的模型，識別和計算內部鋼球的拋物高度，并將結果返回到物聯(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)，結合物聯(lián)網(wǎng)平臺采集到的球磨機的實時轉速和鋼球高度數(shù)據(jù)，將最終計算結果導入流式引擎，流式引擎會根據(jù)設置的動態(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，使其轉速達到預期的最優(yōu)轉速。

圖 3   轉速自動化調整示意圖

04 成效與結論

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)智能優(yōu)化系統(tǒng)基礎上開發(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)主要設備，實現(xiàn)關鍵數(shù)據(jù)監(jiān)測與控制，實現(xiàn)以下成效：

（1）機械設備數(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)。

圖 4   設備數(shù)據(jù)的實時變化

圖 5   設備數(shù)據(jù)的歷史趨勢

（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，能夠實現(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）球磨機轉速自動調節(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節(jié)。

圖 7   自動調頻的流式規(guī)則引擎

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，提高了礦山機械設備運行經(jīng)濟效益。