礦山冶煉廠綠色智能應(yīng)用研究

許 前，姜中曄，沈 波，姜 東

（1.礦冶科技集團(tuán)有限公司；2.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.北礦智能科技有限公司，北京 100160；4.新疆喀拉通克礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 富蘊(yùn) 836107；5.江蘇北礦金屬循環(huán)利用科技有限公司，江蘇 徐州 221000）

某礦山企業(yè)的冶煉廠原料以銅、鎳為主成分，伴生有金、銀、鉑、鈷等貴金屬和硒、硫等非金屬，品質(zhì)波動大，冶煉工藝極為復(fù)雜。為解決小批量冶煉與大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的矛盾[1]，該企業(yè)需要以現(xiàn)有自動化、信息化建設(shè)為基礎(chǔ)，全面推進(jìn)大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)在冶煉生產(chǎn)中的應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)冶煉裝備、生產(chǎn)物料、風(fēng)水電火能源等的智能化管控，最終將冶煉廠建成自動化生產(chǎn)線扁平化管理、生產(chǎn)設(shè)備集成化控制、能源精細(xì)化管控的智能化工廠。

1 智能冶煉廠架構(gòu)

在智能冶煉廠建設(shè)過程中，該礦山企業(yè)采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺作為核心架構(gòu)，建立“平臺協(xié)同運(yùn)營、工廠智能生產(chǎn)”的業(yè)務(wù)管理控制系統(tǒng)。一是對冶煉廠現(xiàn)有生產(chǎn)線進(jìn)行自動化與智能化升級改造，使用可編程邏輯控制器（PLC）、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的改造升級，最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)及配套設(shè)施的智能化控制與全生命周期管理；二是將冶煉廠已建信息化系統(tǒng)和新建信息化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融匯統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)化與統(tǒng)一化，進(jìn)而為冶煉廠邊緣側(cè)大數(shù)據(jù)分析與智能化決策提供強(qiáng)力支撐；三是對冶煉廠信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)應(yīng)用、開發(fā)、服務(wù)等功能進(jìn)行企業(yè)云化處理，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)匯聚與分析、工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)系統(tǒng)化等功能[2]。

2 智能冶煉廠資源數(shù)字化體系

智能冶煉廠建設(shè)期間，可采用三維環(huán)境感知系統(tǒng)和三維可視化管理系統(tǒng)，構(gòu)建資源數(shù)字化體系。

2.1 三維環(huán)境感知系統(tǒng)

利用三維激光掃描儀和同步定位與建圖技術(shù)（SLAM）非接觸、高密度、高精度、數(shù)字化、自動化、實(shí)時化等特點(diǎn)，全方位掃描破碎篩分設(shè)備、精礦庫、熔煉爐、空壓機(jī)房、高壓風(fēng)機(jī)房、鍋爐房、化水站、制酸站、成品庫、供配電設(shè)備等生產(chǎn)及配套設(shè)施，形成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)而支撐冶煉廠三維可視化管理系統(tǒng)與數(shù)字孿生系統(tǒng)建設(shè)。

2.2 三維可視化管理系統(tǒng)

依托三維可視化管理系統(tǒng)，將冶煉廠原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成動態(tài)的三維模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)冶煉廠資源的可視化管理、生產(chǎn)作業(yè)的扁平化管理、生產(chǎn)技能等的虛擬培訓(xùn)?？諌簷C(jī)房三維模型如圖1 所示。

圖1 空壓機(jī)房三維模型

三維可視化管理系統(tǒng)具有3 個主要功能。一是生產(chǎn)的精細(xì)化建模與動態(tài)更新功能。生產(chǎn)及配套設(shè)施的精細(xì)化建模與動態(tài)更新是智能冶煉廠建設(shè)中必不可少的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，是智能冶煉廠實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)智能組織與生產(chǎn)任務(wù)智能分配的前提。二是生產(chǎn)任務(wù)智能分配與計劃編制功能。三維可視化管理系統(tǒng)采用自頂向下（由生產(chǎn)任務(wù)至生產(chǎn)排產(chǎn)）的方式實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計劃的編制與生產(chǎn)任務(wù)的分配，包括年度、季度和月度計劃，并可根據(jù)資源市場條件實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)的快速調(diào)整與優(yōu)化。三是虛擬仿真培訓(xùn)功能。針對冶煉廠實(shí)際業(yè)務(wù)場景，開發(fā)面向冶煉廠的虛擬仿真系統(tǒng)，對建設(shè)范圍的廠區(qū)場景進(jìn)行三維建模，使用者能夠便捷地對冶煉廠進(jìn)行三維瀏覽、漫游等操作，同時借助虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備獲得身臨其境的體驗(yàn)。

3 智能冶煉廠管理體系

3.1 三維生產(chǎn)管控平臺

三維生產(chǎn)管控平臺業(yè)務(wù)模塊如圖2 所示。通過三維生產(chǎn)管控平臺對冶煉廠已經(jīng)建設(shè)的信息化系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)集成，根據(jù)冶煉廠的整體生產(chǎn)工藝流程特點(diǎn)，結(jié)合冶煉廠實(shí)際管理需求，形成整體生產(chǎn)經(jīng)營的數(shù)字化管控體系，實(shí)現(xiàn)在平臺上協(xié)調(diào)一致作業(yè)，達(dá)到數(shù)據(jù)共享、全流程協(xié)作、規(guī)范化精細(xì)運(yùn)營管理的目標(biāo)。系統(tǒng)建成以后，橫向打通生產(chǎn)管理（塊料破碎篩分、配料、熔煉、電爐貧化、吹煉、高冰鎳水碎）、生產(chǎn)計劃、安防管理、設(shè)備全生命周期管理、質(zhì)量管理、能源管理、培訓(xùn)考試等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)冶煉廠生產(chǎn)作業(yè)全流程的閉環(huán)管理；縱向?qū)崿F(xiàn)各管理層級實(shí)時、按需、動態(tài)調(diào)用各類數(shù)據(jù)，協(xié)同辦公，高效支撐經(jīng)營管理。

圖2 三維生產(chǎn)管控平臺業(yè)務(wù)模塊

3.2 安全管理系統(tǒng)

安全管理系統(tǒng)以三維管控平臺為基礎(chǔ)，對冶煉廠破碎篩選、熔煉、吹煉等生產(chǎn)環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)計、分析，對數(shù)據(jù)信息反映的安全狀態(tài)進(jìn)行整理和歸集，對安全隱患、違章的處理流程及結(jié)果信息進(jìn)行實(shí)時管理。安全管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖3所示。

圖3 安全管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

3.3 智能安防系統(tǒng)

如圖4 所示，冶煉廠的智能安防系統(tǒng)由5G 網(wǎng)絡(luò)、綜合管理分析、智能監(jiān)控等模塊構(gòu)成。該系統(tǒng)具有架構(gòu)穩(wěn)定、安全分級管控、實(shí)時報警等特性，能夠?qū)崿F(xiàn)視頻監(jiān)控信息實(shí)時查看、回溯等功能，還可以利用人工智能（AI）平臺實(shí)現(xiàn)危重區(qū)域侵入監(jiān)測、車輛管理、人員行為監(jiān)測和人員防疫管理等功能。

圖4 智能安防系統(tǒng)架構(gòu)

3.4 設(shè)備全生命周期管理系統(tǒng)

如圖5 所示，設(shè)備全生命周期管理系統(tǒng)是以整個設(shè)備生命周期管理為主線，結(jié)合多平臺應(yīng)用體系，以落實(shí)化執(zhí)行、預(yù)見化修護(hù)、可控化流程、高效化辦公為重點(diǎn)，以提升企業(yè)綜合效益為根本原則的智能化管理系統(tǒng)。在系統(tǒng)建設(shè)過程中，在生產(chǎn)及配套設(shè)施中易損的關(guān)鍵設(shè)備（破碎機(jī)、篩分器、熔煉爐、空壓機(jī)、高壓風(fēng)機(jī)、鍋爐、變配電設(shè)備等）上安裝振動、溫度、轉(zhuǎn)速、電流、電壓等傳感檢測設(shè)備，對這些設(shè)備產(chǎn)生的振動、溫度、轉(zhuǎn)速、電流、電壓等重要參數(shù)進(jìn)行全天候監(jiān)測，并將采集的數(shù)據(jù)信息、歷史趨勢以及安全閾值集中展示在三維生產(chǎn)管控平臺上。同時，將采集的數(shù)據(jù)融入企業(yè)數(shù)據(jù)庫，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，深入挖掘數(shù)據(jù)信息，對生產(chǎn)及配套設(shè)施的狀態(tài)、故障診斷、預(yù)維護(hù)等進(jìn)行深入管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的全生命周期管理。同時，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)及配套設(shè)施的臺賬、備品備件、報廢等的超前管理，進(jìn)而降低企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營成本，簡化企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營管理程序[3]。

圖5 設(shè)備全生命周期管理系統(tǒng)

3.5 能源管理系統(tǒng)

能源管理系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集（用能量、能源價格、用能形式等）、數(shù)據(jù)分析、能源監(jiān)控和數(shù)據(jù)發(fā)布（利用圖表形式將分析結(jié)果轉(zhuǎn)化為各種報表和預(yù)測報告等，提供給管理層，以便做出決策）等能力，以實(shí)現(xiàn)能源數(shù)據(jù)系統(tǒng)化、透明化、格網(wǎng)化[4]。同時，建立能源三級管控體系，即按照公司級、車間級、班組級配置水、電、油、氣等能源，實(shí)現(xiàn)能源設(shè)備在線過程全天候監(jiān)控、能源調(diào)度、高能耗設(shè)備報警等功能，從而輔助冶煉廠實(shí)現(xiàn)降本增效，完成雙碳指標(biāo)任務(wù)。能源管理業(yè)務(wù)流程如圖6 所示。

圖6 能源管理業(yè)務(wù)流程

3.6 質(zhì)量管理系統(tǒng)

質(zhì)量管理系統(tǒng)以三維生產(chǎn)管控平臺為基礎(chǔ)，結(jié)合冶煉廠各生產(chǎn)工藝實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)破碎篩選、熔煉、吹煉等工藝過程中質(zhì)量數(shù)據(jù)的整理和歸集，實(shí)現(xiàn)進(jìn)出場原料或產(chǎn)成品的規(guī)范化化驗(yàn)管理，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量檢驗(yàn)、生產(chǎn)技術(shù)、信息中心等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)檢數(shù)據(jù)的高效共享[5]。質(zhì)量管理系統(tǒng)具有4 項(xiàng)功能。

一是接樣制樣。質(zhì)檢部門接收樣品后，根據(jù)不同的制樣規(guī)則及化驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行制樣，然后在系統(tǒng)內(nèi)建立化驗(yàn)任務(wù)，任務(wù)通過系統(tǒng)流轉(zhuǎn)給化驗(yàn)人員并通過消息待辦的方式提醒化驗(yàn)人員。二是化驗(yàn)任務(wù)。不同的化驗(yàn)人員根據(jù)化驗(yàn)任務(wù)領(lǐng)取樣品，根據(jù)任務(wù)要求開始化驗(yàn)并向系統(tǒng)提交化驗(yàn)單據(jù)。三是允差預(yù)警。關(guān)鍵環(huán)節(jié)的化驗(yàn)結(jié)果可以設(shè)置允差閾值，對于超出允差的錄入值，系統(tǒng)給予提示，防止錄入過程中出現(xiàn)錯誤。四是資源管理。根據(jù)管理需求，建立實(shí)驗(yàn)室相關(guān)用品的臺賬和領(lǐng)用制度及配套管理流程，實(shí)現(xiàn)對相關(guān)資源的全面管理。

4 結(jié)論

本文提出一種基于綠色智能礦山生產(chǎn)體系的智能冶煉廠建設(shè)方案，利用大數(shù)據(jù)分析、AI 識別、5G網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)冶煉廠的智能化管理。該方案以三維生產(chǎn)管控平臺為核心，充分挖掘數(shù)據(jù)資源，形成了一套高可靠性、高及時性、高度扁平化的冶煉廠管理體系，對冶煉廠綠色化、智能化發(fā)展起到重要支撐作用。