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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(jìn)而形成經(jīng)濟(jì)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(jì)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(dāng)?shù)貐^(qū)域的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

礦山機(jī)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(jī)械信息化的主要目標(biāo)和重要任務(wù)就是運(yùn)用先進(jìn)的信息技術(shù)及信息管理技術(shù)，建立基于企業(yè)礦山機(jī)械數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)倉庫應(yīng)用系統(tǒng)。實(shí)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(jī)械設(shè)備通信當(dāng)中的“信息孤島”現(xiàn)象，利用其指導(dǎo)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營和相應(yīng)的生產(chǎn)戰(zhàn)略決策。

我國礦山機(jī)械信息化建設(shè)正在興起，用信息技術(shù)優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)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(jī)械信息化建設(shè)帶來了新的契機(jī)，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(jī)械現(xiàn)場單一自動化系統(tǒng)基本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，絕大多數(shù)單系統(tǒng)都已基本上實(shí)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(shí)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?jǐn)?shù)據(jù)融合，建立合理的聯(lián)動機(jī)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(shí)現(xiàn)的容易度相對來講可實(shí)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(jìn)，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(jī)融合，再通過合適的可視化工具進(jìn)行展示，同時通過科學(xué)合理的管理制度和流程加以應(yīng)用才真正有意義。

礦山機(jī)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(jī)械物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，形成閉環(huán)的礦山機(jī)械安全、協(xié)同管理模式，為領(lǐng)導(dǎo)層提供生產(chǎn)經(jīng)營管理的決策依據(jù)、實(shí)現(xiàn)向智能礦山的發(fā)展。實(shí)現(xiàn)這一階段的轉(zhuǎn)變需要不斷的對決策分析系統(tǒng)進(jìn)行豐滿，以實(shí)現(xiàn)信息化到知識化觀念和形式的重要轉(zhuǎn)變。

礦山機(jī)械行業(yè)中的一類核心設(shè)備是磨礦機(jī)械。磨礦機(jī)械，指的是用以完成磨礦作業(yè)的機(jī)械。按磨礦介質(zhì)的不同分為球磨機(jī)、棒磨機(jī)、礫磨機(jī)、礦石自磨機(jī)等，用得最多的是球磨機(jī)和棒磨機(jī)。

球磨機(jī)的磨礦介質(zhì)為鋼球或鐵球。球磨機(jī)又分為溢流型球磨機(jī)和格子型球磨機(jī)。溢流型球磨機(jī)排礦端礦軸直徑比給礦端中空軸頸的直徑大，形成磨機(jī)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(jī)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(xì)的產(chǎn)品，仍用于第三段磨礦上；格子型球磨機(jī)的排礦端有格子板強(qiáng)制排礦，磨機(jī)內(nèi)儲存的礦漿少，已磨細(xì)的礦粒能及時排出，所以格子型球磨機(jī)生產(chǎn)率高，產(chǎn)品粒度粗，用于兩段磨礦的第一段。

球磨機(jī)是由水平的筒體，進(jìn)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(jī)進(jìn)料端空心軸裝入筒體內(nèi)，當(dāng)球磨機(jī)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(dāng)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(jī)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(biāo)很重要的設(shè)備。因此，通過優(yōu)化球磨機(jī)的操作控制，提高球磨機(jī)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(jì)效益，對于企業(yè)顯得至關(guān)重要。影響球磨機(jī)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(jī)潤滑、襯板磨損、電機(jī)狀況等，并且這些因素?zé)o法直接檢測，導(dǎo)致了磨礦操作中的難度。因此，要實(shí)現(xiàn)既定磨礦目標(biāo)，通常需要控制好如下磨礦過程：

1）控制磨機(jī)合適的轉(zhuǎn)速；

2）控制閉路磨礦適當(dāng)?shù)难h(huán)負(fù)荷；

3）控制磨機(jī)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(jī)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(jī)、自磨機(jī)、半自磨機(jī)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(fèi)用達(dá)數(shù)千萬元。

襯板在磨機(jī)使用過程中具有重要的功能：保護(hù)磨機(jī)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(dāng)襯板磨損達(dá)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(diǎn)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(jì)性，并做到以下幾點(diǎn)：

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(jì)劃維修的停歇時間和維修費(fèi)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(yīng)的最低水平。為了達(dá)到襯板更換及時且最低化備件庫儲備資金的目標(biāo)，就需要對襯板的使用壽命做出較精準(zhǔn)的預(yù)測。

礦山機(jī)械設(shè)備行業(yè)應(yīng)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(diǎn)圍繞設(shè)備數(shù)據(jù)的可視化、關(guān)鍵指標(biāo)的自動調(diào)節(jié)控制、歷史數(shù)據(jù)挖掘分析能力等進(jìn)行應(yīng)用環(huán)境的構(gòu)建，并在應(yīng)用環(huán)境的基礎(chǔ)上構(gòu)建多環(huán)節(jié)、多任務(wù)數(shù)據(jù)互通融合的智能優(yōu)化應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)礦山機(jī)械設(shè)備更加高效、智能運(yùn)行管理的目的。

圖 1   礦山機(jī)械設(shè)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(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(wù)場景，實(shí)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(yù)測維護(hù)等各類機(jī)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(biāo)簽、設(shè)備拓?fù)涞雀黝愒O(shè)備生命周期管理，物模型的屬性、事件、服務(wù)等管理、設(shè)備調(diào)試、設(shè)備維護(hù)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(dá)方式在虛擬世界中建立一個與物理世界所對應(yīng)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(shí)時的多維度信息的獲取、分析、優(yōu)化和展示，是企業(yè)實(shí)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(shí)施：首先通過數(shù)據(jù)實(shí)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(shí)時同步的設(shè)備、工藝虛擬孿生進(jìn)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(dǎo)實(shí)際物理環(huán)境中設(shè)備、生產(chǎn)工藝的優(yōu)化。

礦山機(jī)械設(shè)備通過數(shù)據(jù)采集裝置實(shí)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(shí)時和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終輸出相關(guān)預(yù)測性維護(hù)和工藝優(yōu)化的結(jié)果，通過指定規(guī)則對設(shè)備進(jìn)行控制，從而最終達(dá)到降低成本，增加生產(chǎn)效率的目的。

（1）球磨機(jī)襯板使用壽命智能預(yù)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(jī)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(jī)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(jī)可以將磨損數(shù)據(jù)及襯板壽命預(yù)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(jī)端查看，便于生產(chǎn)管理。

以上解決了襯板磨損量的實(shí)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(dá)到及時更換，同時也將備件庫的儲備資金降至最低的目標(biāo)，需要對襯板的使用壽命進(jìn)行預(yù)測，以便指導(dǎo)襯板備件管理的相關(guān)決策。

圖 2   壽命預(yù)測智能管理示意圖

由于襯板所處的環(huán)境比較復(fù)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(jī)直徑、磨機(jī)轉(zhuǎn)速、旋流機(jī)進(jìn)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(jìn)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(jìn)行訓(xùn)練和校驗(yàn)。

依據(jù)此模型，以礦石處理量為自變量，建立預(yù)測襯板磨損程度的回歸模型，并將實(shí)時采集的礦石處理量作為模型輸入，不斷預(yù)測當(dāng)前襯板的剩余壽命，并根據(jù)預(yù)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(jì)劃。

（2）基于計(jì)算機(jī)視覺的球磨機(jī)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(shí)現(xiàn)了球磨機(jī)轉(zhuǎn)速自動化調(diào)整。

球磨機(jī)轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)由紅外攝像機(jī)、機(jī)器學(xué)習(xí)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(jī)負(fù)責(zé)實(shí)時采集磨機(jī)內(nèi)部的紅外影像，邊緣端設(shè)備根據(jù)訓(xùn)練好的模型，識別和計(jì)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(jī)器學(xué)習(xí)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(jī)的實(shí)時轉(zhuǎn)速和鋼球高度數(shù)據(jù)，將最終計(jì)算結(jié)果導(dǎo)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(jī)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(jī)，使其轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)期的最優(yōu)轉(zhuǎn)速。

圖 3   轉(zhuǎn)速自動化調(diào)整示意圖

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(yīng)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(yīng)用，接入行業(yè)主要設(shè)備，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)監(jiān)測與控制，實(shí)現(xiàn)以下成效：

（1）機(jī)械設(shè)備數(shù)字化展現(xiàn)

通過各種傳感器采集球磨機(jī)的各部位數(shù)據(jù)，采集運(yùn)行狀態(tài)下的實(shí)時值，并通過MQTT協(xié)議上傳到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，可實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)頁端和移動端查看運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

圖 4   設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時變化

圖 5   設(shè)備數(shù)據(jù)的歷史趨勢

（2）襯板磨損數(shù)據(jù)測量與預(yù)測

在大型球磨機(jī)安裝檢測螺栓后，能夠?qū)崿F(xiàn)不停機(jī)對襯板磨損的測量，減少因停機(jī)而造成的損失，同時避免人工進(jìn)入磨機(jī)測量帶來的安全風(fēng)險；對采集到的襯板厚度上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行記錄，同時可隨時查看襯板壽命的預(yù)測結(jié)果，為后續(xù)襯板更換和維護(hù)提供了良好的數(shù)據(jù)支撐。

（3）球磨機(jī)轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)

在大型球磨機(jī)上安裝紅外攝像機(jī)，將拍攝到的紅外視頻實(shí)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(shí)現(xiàn)對磨機(jī)的智能化自動調(diào)節(jié)。

圖 7   自動調(diào)頻的流式規(guī)則引擎

通過在中信重工等礦山機(jī)械企業(yè)實(shí)際應(yīng)用顯示，經(jīng)過工業(yè)智能優(yōu)化系統(tǒng)優(yōu)化后球磨機(jī)的平均電耗實(shí)現(xiàn)了較大幅度的降低，提高了礦山機(jī)械設(shè)備運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益。