砂石矿山加工全流程智能化系统建设

郭怡琳，张柏,

(1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012；2.国家金属采矿工程技术研究中心， 湖南 长沙 410012；3.湖南省智能矿山工程技术研究中心， 湖南 长沙 410012)

0 引言

在砂石矿山破碎、筛分、运输等各个加工环节中，加工设备的运行状态和参数监控、产品质量的全流程把控和加工区作业环境的监测是保障砂石矿山安全生产的重要因素，现阶段砂石矿山加工系统的智能化程度整体偏低，需借助大数据、网络传输和自动控制等技术对砂石矿山加工全流程进行智能化改造，整体提升砂石矿山的智能加工水平，实现矿山的安全高效生产。

智能化系统通过对基础设施、自动控制、监测监控以及综合管控等方面的建设，从矿石流的角度出发，对矿石加工全过程的设备、产品质量和作业环境进行实时监测，对异常情况进行实时反馈和处理，确保矿石从加工到销售全过程的可追溯性，提高加工设备作业的高效性和现场作业环境的安全性。由于智能化系统比较庞大，涉及到的作业工序和人员较多，为避免各子系统之间出现信息孤岛，需建立统一的数据标准和接口，确保对各子系统的集中管控，同时对不同岗位的作业人员设置相应权限，保障各子系统的安全高效运行。

1 智能化系统建设方案

智能化系统的建设涵盖了网络传输、数据和控制中心、加工系统、视频监控、安全环保以及智能管控等方面。

1.1 网络传输

核心骨干网是规划的主要网络设计部分，该部分网络包括控制中心，加工区车间汇聚点以及相应的接入层网络部分，整个网络采用典型的三层架构，见图1。

图1 网络拓扑图

（1）核心层。控制中心设置1台核心交换机，通过光纤连接，负责加工区域的数据传输、数据处理上传等服务。

（2）汇聚层。在办公区交换机、加工区 PLC室交换机设置汇聚交换机，负责PLC节点数据接入传输和摄像头的视频数据传输，可采用环网拓扑结构，与核心交换机形成加工区内环网。

（3）接入层。在加工区内配置接入交换机，负责传输PLC节点接入和摄像头接入数据，并采用POE交换机负责接入POE摄像头，把视频数据和控制数据传输到汇聚交换机。

1.2 数据和控制中心

数据中心需要配备硬件设备作为整个系统的基础，其稳定安全运行至关重要，同时涉及网络安全硬件的布设等。硬件主要包括机柜、服务器、磁盘阵列、交换机、防火墙、UPS和KⅤM等。

控制中心是整个公司的“指挥中枢”，负责实时监控生产和设备运行情况，指挥处置各类异常的重要职责。硬件主要包括拼接屏和视频处理器、操作台和操作电脑。

1.3 加工系统

1.3.1 自动化控制

（1）过程控制。根据矿石加工过程的设备数量及生产工艺流程，控制系统设计PLC分控操作台和远程IO柜；PLC分控操作台放置在PLC室，通过网线接入工业以太网交换机，IO柜一般布置在地表的高、低压配电室，通过工业环网现场总线接入主控制柜。

（2）皮带监控预警。皮带运行状态包括开机、停机、故障、就地/远程控制、拉绳开关状态、跑偏开关状态、打滑检测状态等，长度超过200 m的皮带，需要对皮带输送机上的跑偏开关和拉绳开关进行精确定位。跑偏及拉绳开关的 IO信号通过Modbus RTU协议采集到远程IO站上。当监测到皮带运行状态异常时，能分级预警，并启动应急措施，手动或自动停机。

（3）生产计量。生产计量主要是通过在堆场皮带的末端加装皮带秤，统计堆场的料位情况，给部分胶带机安装称重设备，实时获取主皮带和各条分皮带的产量，合理安排生产计划。自动计量系统采用DCS扩展系统的方式，皮带秤控制器和PLC组成现场总线网络，通过PLC的工业以太网接口接入 DCS中。称重计量的数据可完全通过网络集成到制造执行系统，以便生产管理人员合理安排工作进程。

（4）控制中心。控制中心是整个加工区自动化控制系统的中心，汇集整个加工区自动化控制系统，包含服务器、操作员站、工程师站、上位机PLC软件等。操作员站用于监视和操作整个自动控制系统；工程师站用于对自动控制系统进行维护和调试。在工程师站使用之前，必须先通过身份确认程序，保证系统安全。PLC控制中心汇集各个子流程控制系统，工作人员可直接通过工控机监控系统状态及操作系统。

1.4 视频监控

（1）地表重点区域监测。摄像头布点覆盖在粗碎、一筛、二筛、三筛、中细碎等车间，以及半成品堆场、成品堆场、混合堆场、生活区、油库、各配电房等地表重点区域进行实时监测，对矿区重点区域和边界通过加设激光对射探测器设置警戒区域和警戒线，当可疑人员违规进入防区或有越界行为时，报警信息推送至管理人员能有效减少安全事故的发生。

（2）设备运行状况监测。在矿山的破碎、筛分车间、半成品堆场、成品堆场、混合堆场和配电房等加工区域的重点设备附近安装高清摄像头，对现场设备进行实时监控，控制室的工作人员可根据现场的实时视频情况对设备进行控制和调整，保障加工区设备的安全高效运行。

（3）门禁管理系统。门禁管理系统通过人脸识别终端辨别人脸信息，使得只有经过授权的人脸信息才能进入受控的区域门组。可对使用者授予不同的进出权限，进行多级控制；对矿区内不同的区域及特定的门及通道进行进出管制，系统可联网实时监控。

1.5 安全环保

（1）粉尘在线监测及智能控制系统。在粉尘控制区域设置智能环境监测站，对各车间内的空气悬浮物进行监控，并通过互联网将数据、报警信息以短信、邮件等形式推送给管理人员，实现各车间的实时环境监测。

（2）噪声在线监测及智能控制系统。在噪声控制区域设置噪声的监测点，对各车间内的噪声进行监控，并及时预警，通过智慧系统有效控制。噪声监测与粉尘监测系统可同步建设。

1.6 智能管控

1.6.1 生产管理

生产管理主要包括生产计划的编制，从计量系统中获取每日生产数据、设备运行数据、能源耗品、备品备件消耗数据，进行数据统计和分析。

1.6.2 调度管理

（1）运销调度管理。通过道闸和红外等技术对车辆进行上磅调控，并收集分析称重数据，通过智能化车辆调度实现成品料的智能化管理。

（2）生产组织调度。生产调度管理主要实现生产重要参数、重要设备、重要物料、重要能源的实时监视，从而做出合理调度、平衡生产，同时通过调度任务管理、调度交接班日志、调度工作记录等规范日常调度工作，提升调度效率，保障生产的平稳性。

1.6.3 三维可视化管控

基于全区域三维模型的生产运行一张图展示加工整体运行情况（见图2），结合管理需求，将关键生产数据（如加工骨料数据、作业人数数据、在场车辆数据等）和监测监控数据（如边坡安全数据、摄像数据等）叠加在相应的三维场景中，实现信息的自动化可视化汇总与指标输出，并适配调度室大屏，做到信息的三维集成综合可视化，为矿山领导层对计划、生产和质量等指标的决策分析提供技术支撑。

图2 矿山运行一张图

2 技术难点与创新点

2.1 技术难点

（1）矿石生产加工各作业工序繁杂，设备数量较多且分散性强，加上智能化系统比较庞大，涉及的作业工序和人员较多，不便于系统的管理和维护。

（2）各子系统和设备由于种类数量多，接口和数据标准不统一，会导致各子系统之间出现信息孤岛，不利于对各子系统进行集中管控。

2.2 创新点

（1）根据砂石矿山智能化系统建设实际需求及具体的使用特性，结合智能矿山建设的发展趋势，兼顾技术新旧更替不断加快的特点，智能化系统建设以“统一规划、分步实施、控制造价、注重实效”为总体原则，保障矿山智能化系统在不影响生产和安全的前提下有序推进。

（2）建立统一的数据标准和接口，确保对各子系统的集中管控，同时对不同岗位的作业人员设置相应权限，确保各子系统的安全高效运行。

3 结论

砂石矿山加工全流程智能化系统通过对基础设施、自动控制、监测监控以及综合管控等方面的建设，对矿石加工、运输、销售全流程的设备、产品质量和作业环境进行实时监测，确保各智能化子系统安全、稳定、高效地运行，同时对各子系统进行有效集成和有机整合，实现矿山的监、管、控一体化，降低企业生产成本、改善一线员工作业环境，提高矿山信息感知传输装置、生产过程监测监控系统的智能化水平，提升企业的生产、经营和服务能力，也为企业带来了一定的经济和社会效益。