砂石礦山加工全流程智能化系統(tǒng)建設(shè)

郭怡琳，張柏,

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012；2.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心， 湖南 長沙 410012；3.湖南省智能礦山工程技術(shù)研究中心， 湖南 長沙 410012)

0 引言

在砂石礦山破碎、篩分、運輸?shù)雀鱾€加工環(huán)節(jié)中，加工設(shè)備的運行狀態(tài)和參數(shù)監(jiān)控、產(chǎn)品質(zhì)量的全流程把控和加工區(qū)作業(yè)環(huán)境的監(jiān)測是保障砂石礦山安全生產(chǎn)的重要因素，現(xiàn)階段砂石礦山加工系統(tǒng)的智能化程度整體偏低，需借助大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸和自動控制等技術(shù)對砂石礦山加工全流程進行智能化改造，整體提升砂石礦山的智能加工水平，實現(xiàn)礦山的安全高效生產(chǎn)。

智能化系統(tǒng)通過對基礎(chǔ)設(shè)施、自動控制、監(jiān)測監(jiān)控以及綜合管控等方面的建設(shè)，從礦石流的角度出發(fā)，對礦石加工全過程的設(shè)備、產(chǎn)品質(zhì)量和作業(yè)環(huán)境進行實時監(jiān)測，對異常情況進行實時反饋和處理，確保礦石從加工到銷售全過程的可追溯性，提高加工設(shè)備作業(yè)的高效性和現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境的安全性。由于智能化系統(tǒng)比較龐大，涉及到的作業(yè)工序和人員較多，為避免各子系統(tǒng)之間出現(xiàn)信息孤島，需建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和接口，確保對各子系統(tǒng)的集中管控，同時對不同崗位的作業(yè)人員設(shè)置相應(yīng)權(quán)限，保障各子系統(tǒng)的安全高效運行。

1 智能化系統(tǒng)建設(shè)方案

智能化系統(tǒng)的建設(shè)涵蓋了網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)和控制中心、加工系統(tǒng)、視頻監(jiān)控、安全環(huán)保以及智能管控等方面。

1.1 網(wǎng)絡(luò)傳輸

核心骨干網(wǎng)是規(guī)劃的主要網(wǎng)絡(luò)設(shè)計部分，該部分網(wǎng)絡(luò)包括控制中心，加工區(qū)車間匯聚點以及相應(yīng)的接入層網(wǎng)絡(luò)部分，整個網(wǎng)絡(luò)采用典型的三層架構(gòu)，見圖1。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

（1）核心層?？刂浦行脑O(shè)置1臺核心交換機，通過光纖連接，負責(zé)加工區(qū)域的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理上傳等服務(wù)。

（2）匯聚層。在辦公區(qū)交換機、加工區(qū) PLC室交換機設(shè)置匯聚交換機，負責(zé)PLC節(jié)點數(shù)據(jù)接入傳輸和攝像頭的視頻數(shù)據(jù)傳輸，可采用環(huán)網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，與核心交換機形成加工區(qū)內(nèi)環(huán)網(wǎng)。

（3）接入層。在加工區(qū)內(nèi)配置接入交換機，負責(zé)傳輸PLC節(jié)點接入和攝像頭接入數(shù)據(jù)，并采用POE交換機負責(zé)接入POE攝像頭，把視頻數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚交換機。

1.2 數(shù)據(jù)和控制中心

數(shù)據(jù)中心需要配備硬件設(shè)備作為整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其穩(wěn)定安全運行至關(guān)重要，同時涉及網(wǎng)絡(luò)安全硬件的布設(shè)等。硬件主要包括機柜、服務(wù)器、磁盤陣列、交換機、防火墻、UPS和KⅤM等。

控制中心是整個公司的“指揮中樞”，負責(zé)實時監(jiān)控生產(chǎn)和設(shè)備運行情況，指揮處置各類異常的重要職責(zé)。硬件主要包括拼接屏和視頻處理器、操作臺和操作電腦。

1.3 加工系統(tǒng)

1.3.1 自動化控制

（1）過程控制。根據(jù)礦石加工過程的設(shè)備數(shù)量及生產(chǎn)工藝流程，控制系統(tǒng)設(shè)計PLC分控操作臺和遠程IO柜；PLC分控操作臺放置在PLC室，通過網(wǎng)線接入工業(yè)以太網(wǎng)交換機，IO柜一般布置在地表的高、低壓配電室，通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)現(xiàn)場總線接入主控制柜。

（2）皮帶監(jiān)控預(yù)警。皮帶運行狀態(tài)包括開機、停機、故障、就地/遠程控制、拉繩開關(guān)狀態(tài)、跑偏開關(guān)狀態(tài)、打滑檢測狀態(tài)等，長度超過200 m的皮帶，需要對皮帶輸送機上的跑偏開關(guān)和拉繩開關(guān)進行精確定位。跑偏及拉繩開關(guān)的 IO信號通過Modbus RTU協(xié)議采集到遠程IO站上。當(dāng)監(jiān)測到皮帶運行狀態(tài)異常時，能分級預(yù)警，并啟動應(yīng)急措施，手動或自動停機。

（3）生產(chǎn)計量。生產(chǎn)計量主要是通過在堆場皮帶的末端加裝皮帶秤，統(tǒng)計堆場的料位情況，給部分膠帶機安裝稱重設(shè)備，實時獲取主皮帶和各條分皮帶的產(chǎn)量，合理安排生產(chǎn)計劃。自動計量系統(tǒng)采用DCS擴展系統(tǒng)的方式，皮帶秤控制器和PLC組成現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，通過PLC的工業(yè)以太網(wǎng)接口接入 DCS中。稱重計量的數(shù)據(jù)可完全通過網(wǎng)絡(luò)集成到制造執(zhí)行系統(tǒng)，以便生產(chǎn)管理人員合理安排工作進程。

（4）控制中心。控制中心是整個加工區(qū)自動化控制系統(tǒng)的中心，匯集整個加工區(qū)自動化控制系統(tǒng)，包含服務(wù)器、操作員站、工程師站、上位機PLC軟件等。操作員站用于監(jiān)視和操作整個自動控制系統(tǒng)；工程師站用于對自動控制系統(tǒng)進行維護和調(diào)試。在工程師站使用之前，必須先通過身份確認程序，保證系統(tǒng)安全。PLC控制中心匯集各個子流程控制系統(tǒng)，工作人員可直接通過工控機監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)及操作系統(tǒng)。

1.4 視頻監(jiān)控

（1）地表重點區(qū)域監(jiān)測。攝像頭布點覆蓋在粗碎、一篩、二篩、三篩、中細碎等車間，以及半成品堆場、成品堆場、混合堆場、生活區(qū)、油庫、各配電房等地表重點區(qū)域進行實時監(jiān)測，對礦區(qū)重點區(qū)域和邊界通過加設(shè)激光對射探測器設(shè)置警戒區(qū)域和警戒線，當(dāng)可疑人員違規(guī)進入防區(qū)或有越界行為時，報警信息推送至管理人員能有效減少安全事故的發(fā)生。

（2）設(shè)備運行狀況監(jiān)測。在礦山的破碎、篩分車間、半成品堆場、成品堆場、混合堆場和配電房等加工區(qū)域的重點設(shè)備附近安裝高清攝像頭，對現(xiàn)場設(shè)備進行實時監(jiān)控，控制室的工作人員可根據(jù)現(xiàn)場的實時視頻情況對設(shè)備進行控制和調(diào)整，保障加工區(qū)設(shè)備的安全高效運行。

（3）門禁管理系統(tǒng)。門禁管理系統(tǒng)通過人臉識別終端辨別人臉信息，使得只有經(jīng)過授權(quán)的人臉信息才能進入受控的區(qū)域門組?？蓪κ褂谜呤谟璨煌倪M出權(quán)限，進行多級控制；對礦區(qū)內(nèi)不同的區(qū)域及特定的門及通道進行進出管制，系統(tǒng)可聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)控。

1.5 安全環(huán)保

（1）粉塵在線監(jiān)測及智能控制系統(tǒng)。在粉塵控制區(qū)域設(shè)置智能環(huán)境監(jiān)測站，對各車間內(nèi)的空氣懸浮物進行監(jiān)控，并通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)、報警信息以短信、郵件等形式推送給管理人員，實現(xiàn)各車間的實時環(huán)境監(jiān)測。

（2）噪聲在線監(jiān)測及智能控制系統(tǒng)。在噪聲控制區(qū)域設(shè)置噪聲的監(jiān)測點，對各車間內(nèi)的噪聲進行監(jiān)控，并及時預(yù)警，通過智慧系統(tǒng)有效控制。噪聲監(jiān)測與粉塵監(jiān)測系統(tǒng)可同步建設(shè)。

1.6 智能管控

1.6.1 生產(chǎn)管理

生產(chǎn)管理主要包括生產(chǎn)計劃的編制，從計量系統(tǒng)中獲取每日生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備運行數(shù)據(jù)、能源耗品、備品備件消耗數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析。

1.6.2 調(diào)度管理

（1）運銷調(diào)度管理。通過道閘和紅外等技術(shù)對車輛進行上磅調(diào)控，并收集分析稱重數(shù)據(jù)，通過智能化車輛調(diào)度實現(xiàn)成品料的智能化管理。

（2）生產(chǎn)組織調(diào)度。生產(chǎn)調(diào)度管理主要實現(xiàn)生產(chǎn)重要參數(shù)、重要設(shè)備、重要物料、重要能源的實時監(jiān)視，從而做出合理調(diào)度、平衡生產(chǎn)，同時通過調(diào)度任務(wù)管理、調(diào)度交接班日志、調(diào)度工作記錄等規(guī)范日常調(diào)度工作，提升調(diào)度效率，保障生產(chǎn)的平穩(wěn)性。

1.6.3 三維可視化管控

基于全區(qū)域三維模型的生產(chǎn)運行一張圖展示加工整體運行情況（見圖2），結(jié)合管理需求，將關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)（如加工骨料數(shù)據(jù)、作業(yè)人數(shù)數(shù)據(jù)、在場車輛數(shù)據(jù)等）和監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)（如邊坡安全數(shù)據(jù)、攝像數(shù)據(jù)等）疊加在相應(yīng)的三維場景中，實現(xiàn)信息的自動化可視化匯總與指標(biāo)輸出，并適配調(diào)度室大屏，做到信息的三維集成綜合可視化，為礦山領(lǐng)導(dǎo)層對計劃、生產(chǎn)和質(zhì)量等指標(biāo)的決策分析提供技術(shù)支撐。

圖2 礦山運行一張圖

2 技術(shù)難點與創(chuàng)新點

2.1 技術(shù)難點

（1）礦石生產(chǎn)加工各作業(yè)工序繁雜，設(shè)備數(shù)量較多且分散性強，加上智能化系統(tǒng)比較龐大，涉及的作業(yè)工序和人員較多，不便于系統(tǒng)的管理和維護。

（2）各子系統(tǒng)和設(shè)備由于種類數(shù)量多，接口和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，會導(dǎo)致各子系統(tǒng)之間出現(xiàn)信息孤島，不利于對各子系統(tǒng)進行集中管控。

2.2 創(chuàng)新點

（1）根據(jù)砂石礦山智能化系統(tǒng)建設(shè)實際需求及具體的使用特性，結(jié)合智能礦山建設(shè)的發(fā)展趨勢，兼顧技術(shù)新舊更替不斷加快的特點，智能化系統(tǒng)建設(shè)以“統(tǒng)一規(guī)劃、分步實施、控制造價、注重實效”為總體原則，保障礦山智能化系統(tǒng)在不影響生產(chǎn)和安全的前提下有序推進。

（2）建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和接口，確保對各子系統(tǒng)的集中管控，同時對不同崗位的作業(yè)人員設(shè)置相應(yīng)權(quán)限，確保各子系統(tǒng)的安全高效運行。

3 結(jié)論

砂石礦山加工全流程智能化系統(tǒng)通過對基礎(chǔ)設(shè)施、自動控制、監(jiān)測監(jiān)控以及綜合管控等方面的建設(shè)，對礦石加工、運輸、銷售全流程的設(shè)備、產(chǎn)品質(zhì)量和作業(yè)環(huán)境進行實時監(jiān)測，確保各智能化子系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效地運行，同時對各子系統(tǒng)進行有效集成和有機整合，實現(xiàn)礦山的監(jiān)、管、控一體化，降低企業(yè)生產(chǎn)成本、改善一線員工作業(yè)環(huán)境，提高礦山信息感知傳輸裝置、生產(chǎn)過程監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的智能化水平，提升企業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營和服務(wù)能力，也為企業(yè)帶來了一定的經(jīng)濟和社會效益。