砂石礦山加工全流程智能化系統建設

郭怡琳，張柏,

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

0 引言

在砂石礦山破碎、篩分、運輸等各個加工環節中，加工設備的運行狀態和參數監控、產品質量的全流程把控和加工區作業環境的監測是保障砂石礦山安全生產的重要因素，現階段砂石礦山加工系統的智能化程度整體偏低，需借助大數據、網絡傳輸和自動控制等技術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，實現礦山的安全高效生產。

智能化系統通過對基礎設施、自動控制、監測監控以及綜合管控等方面的建設，從礦石流的角度出發，對礦石加工全過程的設備、產品質量和作業環境進行實時監測，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，提高加工設備作業的高效性和現場作業環境的安全性。由于智能化系統比較龐大，涉及到的作業工序和人員較多，為避免各子系統之間出現信息孤島，需建立統一的數據標準和接口，確保對各子系統的集中管控，同時對不同崗位的作業人員設置相應權限，保障各子系統的安全高效運行。

1 智能化系統建設方案

智能化系統的建設涵蓋了網絡傳輸、數據和控制中心、加工系統、視頻監控、安全環保以及智能管控等方面。

1.1 網絡傳輸

核心骨干網是規劃的主要網絡設計部分，該部分網絡包括控制中心，加工區車間匯聚點以及相應的接入層網絡部分，整個網絡采用典型的三層架構，見圖1。

圖1 網絡拓撲圖

（1）核心層。控制中心設置1臺核心交換機，通過光纖連接，負責加工區域的數據傳輸、數據處理上傳等服務。

（2）匯聚層。在辦公區交換機、加工區 PLC室交換機設置匯聚交換機，負責PLC節點數據接入傳輸和攝像頭的視頻數據傳輸，可采用環網拓撲結構，與核心交換機形成加工區內環網。

（3）接入層。在加工區內配置接入交換機，負責傳輸PLC節點接入和攝像頭接入數據，并采用POE交換機負責接入POE攝像頭，把視頻數據和控制數據傳輸到匯聚交換機。

1.2 數據和控制中心

數據中心需要配備硬件設備作為整個系統的基礎，其穩定安全運行至關重要，同時涉及網絡安全硬件的布設等。硬件主要包括機柜、服務器、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”，負責實時監控生產和設備運行情況，指揮處置各類異常的重要職責。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

1.3.1 自動化控制

（1）過程控制。根據礦石加工過程的設備數量及生產工藝流程，控制系統設計PLC分控操作臺和遠程IO柜；PLC分控操作臺放置在PLC室，通過網線接入工業以太網交換機，IO柜一般布置在地表的高、低壓配電室，通過工業環網現場總線接入主控制柜。

（2）皮帶監控預警。皮帶運行狀態包括開機、停機、故障、就地/遠程控制、拉繩開關狀態、跑偏開關狀態、打滑檢測狀態等，長度超過200 m的皮帶，需要對皮帶輸送機上的跑偏開關和拉繩開關進行精確定位。跑偏及拉繩開關的 IO信號通過Modbus RTU協議采集到遠程IO站上。當監測到皮帶運行狀態異常時，能分級預警，并啟動應急措施，手動或自動停機。

（3）生產計量。生產計量主要是通過在堆場皮帶的末端加裝皮帶秤，統計堆場的料位情況，給部分膠帶機安裝稱重設備，實時獲取主皮帶和各條分皮帶的產量，合理安排生產計劃。自動計量系統采用DCS擴展系統的方式，皮帶秤控制器和PLC組成現場總線網絡，通過PLC的工業以太網接口接入 DCS中。稱重計量的數據可完全通過網絡集成到制造執行系統，以便生產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自動化控制系統的中心，匯集整個加工區自動化控制系統，包含服務器、操作員站、工程師站、上位機PLC軟件等。操作員站用于監視和操作整個自動控制系統；工程師站用于對自動控制系統進行維護和調試。在工程師站使用之前，必須先通過身份確認程序，保證系統安全。PLC控制中心匯集各個子流程控制系統，工作人員可直接通過工控機監控系統狀態及操作系統。

1.4 視頻監控

（1）地表重點區域監測。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、油庫、各配電房等地表重點區域進行實時監測，對礦區重點區域和邊界通過加設激光對射探測器設置警戒區域和警戒線，當可疑人員違規進入防區或有越界行為時，報警信息推送至管理人員能有效減少安全事故的發生。

（2）設備運行狀況監測。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域的重點設備附近安裝高清攝像頭，對現場設備進行實時監控，控制室的工作人員可根據現場的實時視頻情況對設備進行控制和調整，保障加工區設備的安全高效運行。

（3）門禁管理系統。門禁管理系統通過人臉識別終端辨別人臉信息，使得只有經過授權的人臉信息才能進入受控的區域門組。可對使用者授予不同的進出權限，進行多級控制；對礦區內不同的區域及特定的門及通道進行進出管制，系統可聯網實時監控。

1.5 安全環保

（1）粉塵在線監測及智能控制系統。在粉塵控制區域設置智能環境監測站，對各車間內的空氣懸浮物進行監控，并通過互聯網將數據、報警信息以短信、郵件等形式推送給管理人員，實現各車間的實時環境監測。

（2）噪聲在線監測及智能控制系統。在噪聲控制區域設置噪聲的監測點，對各車間內的噪聲進行監控，并及時預警，通過智慧系統有效控制。噪聲監測與粉塵監測系統可同步建設。

1.6 智能管控

1.6.1 生產管理

生產管理主要包括生產計劃的編制，從計量系統中獲取每日生產數據、設備運行數據、能源耗品、備品備件消耗數據，進行數據統計和分析。

1.6.2 調度管理

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

（2）生產組織調度。生產調度管理主要實現生產重要參數、重要設備、重要物料、重要能源的實時監視，從而做出合理調度、平衡生產，同時通過調度任務管理、調度交接班日志、調度工作記錄等規范日常調度工作，提升調度效率，保障生產的平穩性。

1.6.3 三維可視化管控

基于全區域三維模型的生產運行一張圖展示加工整體運行情況（見圖2），結合管理需求，將關鍵生產數據（如加工骨料數據、作業人數數據、在場車輛數據等）和監測監控數據（如邊坡安全數據、攝像數據等）疊加在相應的三維場景中，實現信息的自動化可視化匯總與指標輸出，并適配調度室大屏，做到信息的三維集成綜合可視化，為礦山領導層對計劃、生產和質量等指標的決策分析提供技術支撐。

圖2 礦山運行一張圖

2 技術難點與創新點

2.1 技術難點

（1）礦石生產加工各作業工序繁雜，設備數量較多且分散性強，加上智能化系統比較龐大，涉及的作業工序和人員較多，不便于系統的管理和維護。

（2）各子系統和設備由于種類數量多，接口和數據標準不統一，會導致各子系統之間出現信息孤島，不利于對各子系統進行集中管控。

2.2 創新點

（1）根據砂石礦山智能化系統建設實際需求及具體的使用特性，結合智能礦山建設的發展趨勢，兼顧技術新舊更替不斷加快的特點，智能化系統建設以“統一規劃、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在不影響生產和安全的前提下有序推進。

（2）建立統一的數據標準和接口，確保對各子系統的集中管控，同時對不同崗位的作業人員設置相應權限，確保各子系統的安全高效運行。

3 結論

砂石礦山加工全流程智能化系統通過對基礎設施、自動控制、監測監控以及綜合管控等方面的建設，對礦石加工、運輸、銷售全流程的設備、產品質量和作業環境進行實時監測，確保各智能化子系統安全、穩定、高效地運行，同時對各子系統進行有效集成和有機整合，實現礦山的監、管、控一體化，降低企業生產成本、改善一線員工作業環境，提高礦山信息感知傳輸裝置、生產過程監測監控系統的智能化水平，提升企業的生產、經營和服務能力，也為企業帶來了一定的經濟和社會效益。