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01 行业背景
矿业的发展可以使一个国家或地区的资源优势变为产业优势，进而形成经济优势。矿业作为基础产业，与加工业、制造业相比，虽有相同之处，但更多是差异性，如矿产资源分布的不均匀性、矿业企业经济效益的递减性、矿山工作和生活环境的艰苦性、矿业效益的后续性等。矿山企业的生产能力关乎当地区域的经济优势。
矿山机械信息化水平是影响矿山企业的生产能力非常重要的一个影响因素，矿山机械信息化的主要目标和重要任务就是运用先进的信息技术及信息管理技术，建立基于企业矿山机械数据的数据仓库应用系统。实现企业级大量的异质数据的集成，有效解决现存矿山机械设备通信当中的“信息孤岛”现象，利用其指导企业的生产经营和相应的生产战略决策。
我国矿山机械信息化建设正在兴起，用信息技术优化生产运营结构，提升生产技术水平与创新能力，是我国矿业发展的必由之路。数字矿山和智慧矿山的提出，为矿山机械信息化建设带来了新的契机，空间信息、数据管理、可视化、人工智能等多种技术的发展为其注入了新的血液，多技术多数据融合的数字化智能化管理需求更为其快速发展带来了新的挑战。
目前矿山机械现场单一自动化系统基本已经实现，绝大多数单系统都已基本上实现了各自子系统的自动化管理。到目前为此，虽然高速网络及软件技术得到了飞速发展，但数字化矿山建设在绝大多数的矿山企业仍然处于浅层次的综合自动化水平，主要实现的本地的监测监控。只有在单系统自动化的基础上，通过高速网络接入各单系统，充分数据融合，建立合理的联动机制才能完成从单系统自动化到综合自动化的转变，该部分的转变从投入的资金和实现的容易度相对来讲可实现性和可控性都比较容易，但是从综合自动化向数字化矿山发展，涉及的面比较广，必须由多方共同来推进，一般涉及到“展现三维化”、“空间数字化”及“管理信息化”三大方面，三者缺一不可，通过三者的有机融合，再通过合适的可视化工具进行展示，同时通过科学合理的管理制度和流程加以应用才真正有意义。
矿山机械信息化同时也是后续数字化发展的基础，在合适的环节加上有效的决策分析系统，在全面获取矿山机械物联网数据基础上，形成闭环的矿山机械安全、协同管理模式，为领导层提供生产经营管理的决策依据、实现向智能矿山的发展。实现这一阶段的转变需要不断的对决策分析系统进行丰满，以实现信息化到知识化观念和形式的重要转变。
矿山机械行业中的一类核心设备是磨矿机械。磨矿机械，指的是用以完成磨矿作业的机械。按磨矿介质的不同分为球磨机、棒磨机、砾磨机、矿石自磨机等，用得最多的是球磨机和棒磨机。
球磨机的磨矿介质为钢球或铁球。球磨机又分为溢流型球磨机和格子型球磨机。溢流型球磨机排矿端矿轴直径比给矿端中空轴颈的直径大，形成磨机内给矿端与排矿端的矿浆面有一个高差www.cechina.cn，促使矿浆从排矿端自动溢流出去。与格子型球磨机相比，溢流型生产率小，磨矿效率低，但其构造简单，能产出较细的产品，仍用于第三段磨矿上；格子型球磨机的排矿端有格子板强制排矿，磨机内储存的矿浆少，已磨细的矿粒能及时排出，所以格子型球磨机生产率高，产品粒度粗，用于两段磨矿的第一段。
球磨机是由水平的筒体，进出料空心轴及磨头等部分组成，筒体为长的圆筒，筒内装有研磨体，筒体为钢板制造，有钢制衬板与筒体固定，研磨体一般为钢制圆球，并按不同直径和一定比例装入筒中，研磨体也可用钢段。根据研磨物料的粒度加以选择，物料由球磨机进料端空心轴装入筒体内，当球磨机筒体转动时候，研磨体由于惯性和离心力作用，摩擦力的作用，使它附在筒体衬板上被筒体带走，当被带到一定的高度时候，由于其本身的重力作用而被抛落，下落的研磨体像抛射体一样将筒体内的物料给击碎。
球磨机是破碎、选别之间的关键性的设备，也是选矿中的耗能大户；同时，它还是选矿操作中最难，控制工艺指标很重要的设备。因此，通过优化球磨机的操作控制，提高球磨机的磨矿效率，降低单位产能下的电耗、球耗及设备损耗，提高磨矿粒级优选比例，能够节约生产成本，产生直接的经济效益，对于企业显得至关重要。影响球磨机磨矿效率的因素很多，矿石的性质（耐磨特性、入磨粒级）、介质填充率、矿石填充率、球荷配比、磨矿浓度、排矿粒级（考虑原矿中目的矿物结晶粒级）、球磨转速、磨机润滑、衬板磨损、电机状况等，并且这些因素无法直接检测，导致了磨矿操作中的难度。因此，要实现既定磨矿目标，通常需要控制好如下磨矿过程：
1）控制磨机合适的转速；
2）控制闭路磨矿适当的循环负荷；
3）控制磨机合适的充填率和合理的加球制度；
4）控制好磨矿浓度。其中控制磨机合适的转速对于提升磨矿效率具有明显效果。
衬板是大型球磨机、自磨机、半自磨机的主要耗材，以 10.37 m 、 5.19 m的半自磨为例，衬板总质量超过400t，其中筒体衬板及部分排料衬板总质量超过300t，每年更换3~5次，单台设备每年的衬板更换费用达数千万元。
衬板在磨机使用过程中具有重要的功能：保护磨机筒体结构不受破坏性磨损。衬板在生产过程中不断与矿石、钢球等发生冲击和研磨，同时还会受到矿浆的腐蚀CONTROL ENGINEERING China版权所有，当衬板磨损达到一定程度后，磨矿效率降低，衬板本身也会由于厚度变薄而容易碎裂，衬板失效以后，筒体直接受到钢球和物料的冲击而损坏，因此衬板的磨损量需要重点监控，并做到在失效之前更换衬板。
能够及时地更换衬板，企业需要做好衬板备件管理。备件管理的目的是用最少的备件资金，合理的库存储备，保证设备维修的需要，不断提高设备的可靠性、维修性和经济性，并做到以下几点：
1）把设备突发故障所造成的停工损失减少到最低限度。
2）把设备计划维修的停歇时间和维修费用降低到最低限度。
3）把备件库的储备资金压缩到合理供应的最低水平。为了达到衬板更换及时且最低化备件库储备资金的目标，就需要对衬板的使用寿命做出较精准的预测。
02 工业智能优化的实现
矿山机械设备行业应用基于工业互联网平台的设备数据采集、存储、展示、查询和使用过程，重点围绕设备数据的可视化、关键指标的自动调节控制、历史数据挖掘分析能力等进行应用环境的构建，并在应用环境的基础上构建多环节、多任务数据互通融合的智能优化应用，从而实现矿山机械设备更加高效、智能运行管理的目的。
图 1 矿山机械设备工业智能优化系统
中信云网工业互联网平台构建了完善的工业智能优化系统软硬件基础设施。在此基础上，以数据采集、设备控制和第三方系统集成等综合技术为基础，定义矿山行业工业互联网平台的各类业务场景，实现包含数据采集、设备管理、设备仿真、工艺优化、预测维护等各类机械设备智能化管理场景。
其中数据采集依赖多种技术，包括温湿度、转速、视频、光照、声音等各类传感器、工业网络协议、网络传输协议、SCADA、MES等系统。设备管理主要设备注册、设备分组、设备标签、设备拓扑等各类设备生命周期管理，物模型的属性、事件、服务等管理、设备调试、设备维护与设备监控等。
数字孪生是设备仿真、工艺优化的基础。它是指采用数字化的表达方式在虚拟世界中建立一个与物理世界所对应的设备、工艺，并且随着生产过程变化，维持高度一致的数字化镜像。数字孪生技术是对物理环境中设备、工艺在制造过程中实时的多维度信息的获取、分析、优化和展示，是企业实现制造过程监控、生产工艺优化的有效支撑技术。
基于数字孪生的设备虚拟仿真与工艺优化，可以通过三个步骤逐步实施：首先通过数据实时感知与过程数据采集完成物理环境中生产状态到虚拟空间数据的转换，构建虚拟环境的数据基础；然后通过建立虚拟空间中设备、工艺的数字孪生模型完成物理环境中生产单元到虚拟空间单元镜像的关联映射，构建面向产品生产的生产过程孪生；最后通过虚拟环境中实时同步的设备、工艺虚拟孪生进行生产过程的虚拟仿真，根据数字孪生仿真结果指导实际物理环境中设备、生产工艺的优化。
矿山机械设备通过数据采集装置实时将相关数据传输至工业互联网平台，然后根据工业智能优化系统的模型，对实时和历史数据进行分析，最终输出相关预测性维护和工艺优化的结果，通过指定规则对设备进行控制，从而最终达到降低成本，增加生产效率的目的。
03 工业互联网在矿山机械设备中的应用
（1）球磨机衬板使用寿命智能预测
衬板磨损在线测量系统由检测螺栓（含螺栓传感器和信号发射器）、无线信号接收器和上位机３部分构成。其中，检测螺栓的扁头比传统螺栓长，加长的扁头内部集成了长度传感器探头、无线通信模块、处理器模块和电源模块等。将检测螺栓装入衬板后，检测螺栓扁头部分会随着衬板的磨损而磨损，磨损的传感器信号经过处理后通过无线方式发出，再经过磨机旁边的无线信号接收器将信号转化为衬板磨损量。其中，上位机可以将磨损数据及衬板寿命预测值通过通信方式传输至中控DCS画面上，还可以通过加密的SDK传输到物联网云平台，并可以通过网页及手机端查看，便于生产管理。
以上解决了衬板磨损量的实时测量的问题，但这还不足以解决最优化备件管理的问题。为了达到及时更换，同时也将备件库的储备资金降至最低的目标，需要对衬板的使用寿命进行预测，以便指导衬板备件管理的相关决策。
图 2 寿命预测智能管理示意图
由于衬板所处的环境比较复杂，因此其磨损程度可能受多个因素的影响，如物料情况（给料大、中、小矿石比例）、磨机直径、磨机转速、旋流机进料浓度、加水量、处理量等。为了确定这些因素对衬板磨损影响的显著性，采集多轮衬板生命周期的历史数据，并对它们进行多因素方差分析和回归分析，形成矿石处理量对衬板磨损程度决定性影响模型。不断对模型进行训练和校验。
依据此模型，以矿石处理量为自变量，建立预测衬板磨损程度的回归模型，并将实时采集的矿石处理量作为模型输入，不断预测当前衬板的剩余寿命，并根据预测结果联动排产与备件库，做到以最低资金和库存成本，最快速度更换衬板，提起调整合理生产计划。
（2）基于计算机视觉的球磨机转速动态调整
工业智能优化系统基于物联网、图像识别等技术，实现了球磨机转速自动化调整。
球磨机转速自动控制系统由红外摄像机、机器学习平台、物联网平台和变频控制柜4部分组成。其中，红外摄像机负责实时采集磨机内部的红外影像，边缘端设备根据训练好的模型，识别和计算内部钢球的抛物高度，并将结果返回到物联网平台，同时上传视频流，机器学习平台基于提供的视频数据和其他传感器数据，结合物联网平台采集到的球磨机的实时转速和钢球高度数据，将最终计算结果导入流式引擎，流式引擎会根据设置的动态规则，综合判断后，向球磨机边缘端的变频控制柜发送变频指令，变频控制柜控制球磨机，使其转速达到预期的最优转速。
图 3 转速自动化调整示意图
04 成效与结论
在工业互联网的工业智能优化系统基础上开发应用方案。基于中信云网工业互联网平台在矿山装备行业应用，接入行业主要设备，实现关键数据监测与控制，实现以下成效：
（1）机械设备数字化展现
通过各种传感器采集球磨机的各部位数据，采集运行状态下的实时值，并通过MQTT协议上传到工业互联网平台，可实现在网页端和移动端查看运行参数的实时数据和历史数据。
图 4 设备数据的实时变化
图 5 设备数据的历史趋势
（2）衬板磨损数据测量与预测
在大型球磨机安装检测螺栓后，能够实现不停机对衬板磨损的测量，减少因停机而造成的损失控制工程网版权所有，同时避免人工进入磨机测量带来的安全风险；对采集到的衬板厚度上传到物联网平台进行记录，同时可随时查看衬板寿命的预测结果，为后续衬板更换和维护提供了良好的数据支撑。
图 6 衬板磨损量和剩余寿命
（3）球磨机转速自动调节系统
在大型球磨机上安装红外摄像机，将拍摄到的红外视频实时上传到工业互联网平台，再通过在工业互联网平台流式引擎配置规则，可以实现对磨机的智能化自动调节。
图 7 自动调频的流式规则引擎
通过在中信重工等矿山机械企业实际应用显示，经过工业智能优化系统优化后球磨机的平均电耗实现了较大幅度的降低，提高了矿山机械设备运行经济效益。
05 展望
基于工业互联网平台的矿山机械设备智能化管理，已在中信重工等企业的矿物实验、产品研发、装备制造、运维服务、工艺优化和工业大数据方面进行了融合应用，初步实现了将工业技术、管理、应用等方面的经验和知识进行模块化、软件化处理，并以微服务组件或工业APP的形式赋能行业企业，实现产品全生命周期管理和全流程智能化服务。同时，矿山机械设备工业互联网平台通过行业大数据分析应用打通产业链，最终形成以智能化产品和“互联网+”服务为一体的综合智能服务体系和产业生态圈，赋能矿山产业数字化转型升级。
展望未来，我们将继续探索基于5G技术对矿山机械设备的实时远程操控，实现作业面无人操作，解决了传统人工作业操作危险系数大、劳动强度高的问题，提升采掘效率；并按照点、线、面的总体思路，首先单点突破，打造数字矿山中矿山机械设备智能化应用的典型场景；以此为基础，进一步推进垂直深耕，打通行业应用壁垒；最后，进行横向拓展CONTROL ENGINEERING China版权所有，形成智慧矿山产业生态CONTROL ENGINEERING China版权所有，发展基于工业互联网的跨行业、跨领域协同，助推行业企业的产业链重塑和升级，推动企业更高质量发展。
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