工業互聯網“咖”解丨張軍：基于工業互聯網平臺的礦山機械設備智能化管理
作者：張 軍 工業互聯網產業聯盟理事、中信云網有限公司副總經理
趙國光 中信云網有限公司CTO
01 行業背景
礦業的發展可以使一個國家或地區的資源優勢變為產業優勢，進而形成經濟優勢。礦業作為基礎產業，與加工業、制造業相比，雖有相同之處，但更多是差異性，如礦產資源分布的不均勻性、礦業企業經濟效益的遞減性、礦山工作和生活環境的艱苦性、礦業效益的后續性等。礦山企業的生產能力關乎當地區域的經濟優勢。
礦山機械信息化水平是影響礦山企業的生產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，建立基于企業礦山機械數據的數據倉庫應用系統。實現企業級大量的異質數據的集成，有效解決現存礦山機械設備通信當中的“信息孤島”現象，利用其指導企業的生產經營和相應的生產戰略決策。
我國礦山機械信息化建設正在興起，用信息技術優化生產運營結構，提升生產技術水平與創新能力，是我國礦業發展的必由之路。數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、數據管理、可視化、人工智能等多種技術的發展為其注入了新的血液，多技術多數據融合的數字化智能化管理需求更為其快速發展帶來了新的挑戰。
目前礦山機械現場單一自動化系統基本已經實現，絕大多數單系統都已基本上實現了各自子系統的自動化管理。到目前為此，雖然高速網絡及軟件技術得到了飛速發展，但數字化礦山建設在絕大多數的礦山企業仍然處于淺層次的綜合自動化水平，主要實現的本地的監測監控。只有在單系統自動化的基礎上，通過高速網絡接入各單系統，充分數據融合，建立合理的聯動機制才能完成從單系統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的容易度相對來講可實現性和可控性都比較容易，但是從綜合自動化向數字化礦山發展，涉及的面比較廣，必須由多方共同來推進，一般涉及到“展現三維化”、“空間數字化”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數字化發展的基礎，在合適的環節加上有效的決策分析系統，在全面獲取礦山機械物聯網數據基礎上，形成閉環的礦山機械安全、協同管理模式，為領導層提供生產經營管理的決策依據、實現向智能礦山的發展。實現這一階段的轉變需要不斷的對決策分析系統進行豐滿，以實現信息化到知識化觀念和形式的重要轉變。
礦山機械行業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，溢流型生產率小，磨礦效率低，但其構造簡單，能產出較細的產品，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率高，產品粒度粗，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，通過優化球磨機的操作控制，提高球磨機的磨礦效率，降低單位產能下的電耗、球耗及設備損耗，提高磨礦粒級優選比例，能夠節約生產成本，產生直接的經濟效益，對于企業顯得至關重要。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）控制閉路磨礦適當的循環負荷；
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。襯板在生產過程中不斷與礦石、鋼球等發生沖擊和研磨，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控，并做到在失效之前更換襯板。
能夠及時地更換襯板，企業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、維修性和經濟性，并做到以下幾點：
1）把設備突發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。
02 工業智能優化的實現
礦山機械設備行業應用基于工業互聯網平臺的設備數據采集、存儲、展示、查詢和使用過程，重點圍繞設備數據的可視化、關鍵指標的自動調節控制、歷史數據挖掘分析能力等進行應用環境的構建，并在應用環境的基礎上構建多環節、多任務數據互通融合的智能優化應用，從而實現礦山機械設備更加高效、智能運行管理的目的。
中信云網工業互聯網平臺構建了完善的工業智能優化系統軟硬件基礎設施。在此基礎上，以數據采集、設備控制和第三方系統集成等綜合技術為基礎，定義礦山行業工業互聯網平臺的各類業務場景，實現包含數據采集、設備管理、設備仿真、工藝優化、預測維護等各類機械設備智能化管理場景。
其中數據采集依賴多種技術，包括溫濕度、轉速、視頻、光照、聲音等各類傳感器、工業網絡協議、網絡傳輸協議、SCADA、MES等系統。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、設備維護與設備監控等。
數字孿生是設備仿真、工藝優化的基礎。它是指采用數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，并且隨著生產過程變化，維持高度一致的數字化鏡像。數字孿生技術是對物理環境中設備、工藝在制造過程中實時的多維度信息的獲取、分析、優化和展示，是企業實現制造過程監控、生產工藝優化的有效支撐技術。
基于數字孿生的設備虛擬仿真與工藝優化，可以通過三個步驟逐步實施：首先通過數據實時感知與過程數據采集完成物理環境中生產狀態到虛擬空間數據的轉換，構建虛擬環境的數據基礎；然后通過建立虛擬空間中設備、工藝的數字孿生模型完成物理環境中生產單元到虛擬空間單元鏡像的關聯映射，構建面向產品生產的生產過程孿生；最后通過虛擬環境中實時同步的設備、工藝虛擬孿生進行生產過程的虛擬仿真，根據數字孿生仿真結果指導實際物理環境中設備、生產工藝的優化。
礦山機械設備通過數據采集裝置實時將相關數據傳輸至工業互聯網平臺，然后根據工業智能優化系統的模型，對實時和歷史數據進行分析，最終輸出相關預測性維護和工藝優化的結果，通過指定規則對設備進行控制，從而最終達到降低成本，增加生產效率的目的。
03 工業互聯網在礦山機械設備中的應用
（1）球磨機襯板使用壽命智能預測
襯板磨損在線測量系統由檢測螺栓（含螺栓傳感器和信號發射器）、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過處理后通過無線方式發出，再經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據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傳輸到物聯網云平臺，并可以通過網頁及手機端查看，便于生產管理。
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。
由于襯板所處的環境比較復雜，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據，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，并根據預測結果聯動排產與備件庫，做到以最低資金和庫存成本，最快速度更換襯板，提起調整合理生產計劃。
（2）基于計算機視覺的球磨機轉速動態調整
工業智能優化系統基于物聯網、圖像識別等技術，實現了球磨機轉速自動化調整。
球磨機轉速自動控制系統由紅外攝像機、機器學習平臺、物聯網平臺和變頻控制柜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網平臺，同時上傳視頻流，機器學習平臺基于提供的視頻數據和其他傳感器數據，結合物聯網平臺采集到的球磨機的實時轉速和鋼球高度數據，將最終計算結果導入流式引擎，流式引擎會根據設置的動態規則，綜合判斷后，向球磨機邊緣端的變頻控制柜發送變頻指令，變頻控制柜控制球磨機，使其轉速達到預期的最優轉速。
04 成效與結論
在工業互聯網的工業智能優化系統基礎上開發應用方案。基于中信云網工業互聯網平臺在礦山裝備行業應用，接入行業主要設備，實現關鍵數據監測與控制，實現以下成效：
（1）機械設備數字化展現
通過各種傳感器采集球磨機的各部位數據，采集運行狀態下的實時值，并通過MQTT協議上傳到工業互聯網平臺，可實現在網頁端和移動端查看運行參數的實時數據和歷史數據。
（2）襯板磨損數據測量與預測
在大型球磨機安裝檢測螺栓后，能夠實現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網平臺進行記錄，同時可隨時查看襯板壽命的預測結果，為后續襯板更換和維護提供了良好的數據支撐。
（3）球磨機轉速自動調節系統
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互聯網平臺，再通過在工業互聯網平臺流式引擎配置規則，可以實現對磨機的智能化自動調節。
通過在中信重工等礦山機械企業實際應用顯示，經過工業智能優化系統優化后球磨機的平均電耗實現了較大幅度的降低，提高了礦山機械設備運行經濟效益。
05 展望
基于工業互聯網平臺的礦山機械設備智能化管理，已在中信重工等企業的礦物實驗、產品研發、裝備制造、運維服務、工藝優化和工業大數據方面進行了融合應用，初步實現了將工業技術、管理、應用等方面的經驗和知識進行模塊化、軟件化處理，并以微服務組件或工業APP的形式賦能行業企業，實現產品全生命周期管理和全流程智能化服務。同時，礦山機械設備工業互聯網平臺通過行業大數據分析應用打通產業鏈，最終形成以智能化產品和“互聯網+”服務為一體的綜合智能服務體系和產業生態圈，賦能礦山產業數字化轉型升級。展望未來，我們將繼續探索基于5G技術對礦山機械設備的實時遠程操控，實現作業面無人操作，解決了傳統人工作業操作危險系數大、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，打造數字礦山中礦山機械設備智能化應用的典型場景；以此為基礎，進一步推進垂直深耕，打通行業應用壁壘；最后，進行橫向拓展，形成智慧礦山產業生態，發展基于工業互聯網的跨行業、跨領域協同，助推行業企業的產業鏈重塑和升級，推動企業更高質量發展。
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