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         【科技興安】

         
        智能礦山建設實踐與思考

         

        科技興安  加入時間:2020-05-26 14:42  點擊:272   回首頁

        0?引言

        智能礦山是煤炭行業在數字礦山基礎上,在大數據、人工智能等前沿科技興起的背景下,對礦井信息自動、自動化技術升級需求提出的新概念[1-3]。智能礦山是一項多專業、多學科,應用前沿科技,針對煤礦特定環境開發的復雜系統,其規劃的難度巨大,如何實現規劃的落地,是擺在我們面前的現實課題。?

        1?智能礦山的應用構架

        具有代表性的智能礦山構架自下而上分為五層:設備層(監測監控子系統)、控制層、生產執行層、經營管理層、決策支持層[4-7],如圖?1?所示。?

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        ?1?應用構架?

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        1.1?設備層(監測監控子系統)

        設備層(監測監控子系統)是智能礦山基礎數據的來源和受控單元,在實踐中,鑒于目前煤礦設備的設計和制造現狀,為了便于數據的采集和設備成套控制,通常將特定的生產子系統、輔助生產子系統、各類安全子系統,作為數據分布式匯聚單元,這些子系統將設備底層數據匯聚、上傳,并接受控制層的測控聯動。

        1.2?控制層

        控制層是智能一體化的生產綜合監控系統,主要完成對礦井現場監測與監控子系統數據的集?

        成和聯動控制,提供數據分析和可視化展示。智能一體化生產綜合監控系統實現各監測監控子系統的統一管理,提供智能一體化生產執行系統與控制層的數據交互,起到承上啟下的作用。

        1.3?智能化一體化生產執行系統

        生產執行層主要服務于生產經營單位(業務管理部門),其功能分為業務功能和技術功能。

        業務功能能夠實現數據的集成、共享、分析和應用,在業務功能中實現工作流的定義、修改和運行,支撐與數據源的交互、關聯、歸集、匯總和分析,形成各種圖表和數據可視化展示,運行業務的全部流程。

        技術功能主要實現企業服務總線,完成數據模型的建立,實現數據、信息的轉換,具備信息檢索,用戶系統權限的管理等,根據業務流的需要,進行數據關聯,實現既定的管理目標[8]

        智能化一體化生產執行系統通常包括:生產管理、機電管理、調度管理、一通三防管理、安全管理、節能環保管理、煤質管理、設計管理、綜合分析等子系統模塊。

        1.4?經營管理層

        經營管理層是為各級業務管理提供數據和管理通道的模塊化業務管理集群。根據企業管理構架和設計,通常集成財務管理、人資管理、物資管理、銷售管理、計劃與全面預算管理、供應商關系管理、設備管理(資產)、項目管理、科技管理、審計管理、制度管理、檔案管理、安全管理、環保管理、投資管理、戰略資源管理以及辦公自動化等業務管理系統。

        2?智能礦山建設實踐的總結與思考

        2.1?關于規劃的思考

        智能礦山是在數字礦山建設的基礎上,緊密跟蹤國內外前沿科技,并結合煤礦實際,不斷引進、消化、吸收、創新的結果,特別是近年來,人工智能、大數據技術的興起,使煤礦智能化獲得了有效的技術支撐。?

        通過多年的數字化、智能礦山規劃建設經驗來看,規劃應同時具有實時性和前瞻性。實時性是在大量調研論證的基礎上,選擇成熟可靠的技術作為煤礦已固化業務和技術管理的支撐;前瞻性是緊密跟蹤前沿科技,選擇具有導向性的前沿科技作為決策支持、業務拓展、技術升級的支撐,納入到規劃中。根據礦井基建或改造的工期要求,采取總體規劃,分步實施的方式推進系統建設。?

        智能礦山規劃一般參照煤礦可行性研究報告(或礦井初步設計),根據礦井水文地質資料、采掘工藝、輔助運輸、“一通三防”等資料,結合智能礦山前期技術調研情況,通過充分論證進行規劃編制,應用構架各層級應采用模塊化設計,以便于未來拓展。?

        2.2?關于建設的思考

        智能礦山建設應根據統一規劃,分步實施的原則,按照礦井建設(或改造)工期及技術可行性,編制總體設計方案和建設計劃,建設計劃可按照圖?1.1“金字塔”型應用構架,宜遵循“重腰間,拓底尖”的思路開展建設。?

        (1)?IT?基礎設施在總體方案確定后即開始進行詳細設計和建設,設計過程中需認真研究數據中心和應用系統規模,充分論證集中與分布式數據中心的模式,研究網絡傳輸及網絡安全構架。?

        (2)?控制層、生產執行層應先行開發。為滿足礦井基本建設或礦井智能化改造工期的要求,為礦井安全生產提供支持的智能化管控平臺應先行開發,智能一體化生產綜合監控系統、智能化一體化生產執行系統既是智能礦山的基礎核心系統,且宜采用成熟可靠的技術進行開發。?

        (3)?經營管理系統建設宜根據業務管理的需求,按照輕重緩急,分模塊有序開發。?

        (4)?決策支持系統需要技術含量較高的前沿科技作為支撐,如大數據、云計算、網絡安全、數據庫等科技。決策支持系統不僅存在于?L5?層,其應用同樣貫穿于?L1~L4?層,不僅為企業高層提供經營、人資、投資等的輔助決策支持,同時還要為經營層各業務管理提供決策依據,在?L2?

        L3?層中為礦井安全管理、生產管理、設備預防性檢修、物資庫存等工作提供數據分析支撐。決策支持系統采用大數據分析工具,對煤礦企業業務流和數據進行挖掘和分析,由于貫穿于應用構架的所有層級,其海量數據關聯邏輯復雜、分析工作量巨大,應根據實際情況,認真研究大數據分析方法和數據歸集,科學編制規劃。決策支持系統建設宜采用分步實施的方式,根據數據導則的研究和編制情況,先期完成基礎核心系統智能化設計,向上及向下層級的開發,宜分步實施,成熟一項實施一項。?

        3?智能礦山L1層子系統及關鍵技術的實踐及構想

        煤礦井下的特定環境,法律法規以及相關技術規范,賦予了煤礦安全生產系統及其設備配置的特殊要求,任何一項新技術、新工藝在煤礦的應用都必須經過安全評估、論證和法定機構的檢驗批準,較其他行業智能化規劃、設計、建設增加了一定難度。監測監控子系統是智能礦山數據的來源和智能化控制的基礎單元,智能化設計分為子系統智能化、綜合生產控制平臺智能化和業務管理智能化。子系統智能化在建設計劃編制時宜考慮以下原則。?

        (1)?優先建設和接入國家法律法規、行業技術規范規定的安全系統,如:安全監控、人員定位、主通風機監控、礦井通信廣播、礦壓監測、主排水監控、注氮監控、灌漿監控、壓風監控等子系統,在設計時應充分考慮井下多系統融合方案及設備配置。?

        (2)?可同步實施技術成熟且通信網絡標準符合行業技術導向的供電監控、供水監控、工業電視、輔助運輸、主運輸、選煤廠、裝車等子系統。在相關子系統智能化技術和方案不成熟的情況下,可先采用遠程集中控制和監測的技術方案,子系統接入智能一體化生產綜合監控系統,在系統平臺上實現各子系統數據交互和控制聯動,待技術條件成熟后,逐步實現子系統智能化。?

        (3)?在滿足礦井建設、生產需要的基礎上,緊密跟蹤新技術、新工藝,分步實施,推進監測監控子系統智能化的研究和開發工作,實施節能降耗、減員增效的少人、無人化智能系統,例如:主運輸系統智能化控制(順煤流啟動)加固定軌道巡檢機器人;采掘工作面智能化成套技術、智能化選煤廠、智能化裝車系統等。?

        3.1?主運輸系統智能化控制及巡檢機器人

        目前,煤礦主運輸系統大多通過變頻控制技術實現了軟啟動、遠程集中和人工調速功能。部分礦井采用視頻監測膠帶運輸機帶面煤流,實現了自動調速的節能降耗技術。2017?年,國家能源集團榆神能能源公司采用超聲波煤流檢測技術[9],通過控制邏輯研究和建模,實現了主運輸系統順煤流啟動,系統具備“煤多快跑、煤少慢跑、無煤不跑”的智能化控制功能,系統綜合節電率到達?25.6%,系統設備降損率達到?25.4%,在推進節能降耗的同時,以減員增效為目標的主運輸系統巡檢機器人也在研發過程中,按照預期目標,煤礦主運輸系統可實現無人化值守,機器人可替代巡檢工,完成主運輸系統巡檢,自主識別電機、減速器、滾筒、托輥等設備、部件故障,識別帶面損傷、巷道環境和設施異常,自主分析、判斷、定位,并發出警報、生成報告,提高巡檢質量,降低設備故障率,減少非計劃停機。?

        3.2?智能化輔助運輸管理系統

        ?L1?層子系統中,輔助運輸管理在智能化技術方面相對比較成熟。目前,多數輔助運輸管理系統可實現井下紅綠燈管理,車輛超速管理及車輛運行參數遠程監控等功能。在智能化方面,可進一步推進輔助運輸物聯網管理技術的研發,開發輔助運輸車輛駕乘人員及裝載物料識別技術及硬件模塊化組件開發。進一步完善輔助運輸管理系統功能,實現智能化運輸路徑規劃、駕乘人員不安全行為管理、車輛能耗管理、預防性檢修預警和運維專業化管理等功能。?

        3.3?智能化綜采工作面研究

        智能化綜采工作面在支架電液控制技術和煤機記憶截割的基礎上,智能化深入開發涉及的關鍵技術主要有四個方面,一是高精度、高可靠傳感器及煤巖界面識別技術[10];二是綜采工作面數據分析建模技術;三是全坐標系數據導航自動割煤技術;四是自動采煤模式下的人機安全技術。?

        國外自上世紀?80?年代開始,包括美國、歐盟、澳大利亞在內的工業發達國家,在綜采工作面設備電液控制、遙控、遠控、視頻監控、記憶割煤、煤巖識別、工作面自動調直等促進綜采工作面自動采煤相關技術方面開展研究,取得了豐富的成果。目前,采煤工作面半自動化以?JOY?公司為代表的“記憶割煤加視頻人工干預”的方式,得到廣泛應用,在工作面直線度自動控制方面,以澳大利亞聯邦科學院?LASCLongwall Automation Steering Committee?長壁工作面自動控制委員會)等科研機構為代表的先進傳感和測控技術,領先采礦行業[11-12]?

        國內目前處于國外技術的引進消化吸收階段,核心技術尚未完全掌握,且部分關鍵部件為美國軍用級器件,因技術壁壘的原因,對華封鎖,我國在相關領域國產化開發成為必由之路。?

        綜采工作面自動割煤涉及到煤巖界面識別、煤機姿態感知和控制,還涉及到液壓支架隨動、成組移架的大流量供液、推移步距的精確控制,以及自動割煤工況下的人機連鎖安全控制技術等一系列關鍵技術的攻關。高精度、高可靠傳感器和綜采工作面數據建模及精確控制程序研發對常態化自動化采煤極具現實意義。?

        安全環保、減人增效、節能降耗、降本增效需要綜采工作面智能化的數據采集及大數據分析技術,以支撐安全管理、非計劃停機、預防性檢修、備件庫存、勞動組織等一系列安全生產和管理工作。?

        3.4?智能化掘進工作面研究

        目前,國內在掘進工作面智能化開發方面,技術突破較為緩慢,在掘進一體化方面國家能源集團神東煤炭近年來研發的快速掘進系統,在掘、錨、裝運一體化方面取得了突破,在煤層賦存條件穩定的礦井使用效果良好。?

        在掘進工作面智能化研究方面,未來開發適用于各種掘進條件,信息化程度更高,自動控制能力更強,具備地質建模,具有全坐標系定位,智能化數據采集及分析的掘進及掘進后配套機器人群必將成為發展趨勢。其重點研究以下關鍵技術:?

        (1)?地質建模與掘進機控制模型及算法。?

        (2)?掘進及掘進后配套設備自動控制技術。?

        (3)?高精度傳感器及設備姿態控制技術。?

        (4)?全坐標系設備定位技術。?

        (5)?人機安全及防碰撞技術。?

        4?智能礦山項目管理的一些心得體會

        煤礦是以安全管理為基礎,生產經營為導向,以創造經濟效益為目標的實體企業,礦井的產量直接關系到員工的薪酬收益,任何可能影響到煤炭產量的工業性試驗,都會遇到各種各樣的阻力和困難。在智能礦山項目建設過程中同樣會遇到相似的問題,例如,綜采工作面自動化記憶割煤項目實施中,煤機控制計算機通過學習煤機司機的作業過程,記憶相關參數,在一定的條件下,能夠實現若干個循化的無人為干預自動化采煤。但實際調試過程中,因各種原因,自動割煤的效率要遠低于熟練煤機司機和支架工的人工操作采煤效率。這在系統調試的很長一段時間里是不可避免的,原煤產量會受到影響,相應的員工工資也會受到影響,使用自動化割煤技術的意愿不高。所以智能礦山項目建設實施,應制定以下項目管理保障措施:?

        (1)?成立以包括企業、煤礦主要領導及項目落地單位相關人員在內的項目建設領導和實施工作組。?

        (2)?制定項目管理和考核辦法,考核和獎勵參與項目實施并做出貢獻的員工。?

        (3)?建立激勵性的考核機制,調整項目落地單位的生產經營考核指標,在調試期間鼓勵使用

        智能化系統(如自動割煤)進行生產,考核辦法覆蓋到業務部門、區隊、班組,保證項目重測試、抓問題、促優化、謀改進、保落地的良性軌道。?

        (4)?做好項目的后評價和未來技術升級的準備工作。?

        5?結語

        近年來,國家大力推進供給側結構性改革和產業升級規劃,針對煤炭行業也出臺了一系列政策和導向性文件,《國家安全監管總局關于?開展“機械化換人、自動化減人”科技強安專項行動的通知》安監總科技〔201563?號文件和《煤礦機器人重點研發目錄》(國家煤礦安全監察局公告?2019?年第?1?號)對煤礦科技發展指出了方向,煤礦智能化開采是“安全高效”“以人為本”、 “綠色發展”的必由之路,未來,更多的前沿科技和創新技術會在煤礦得以應用,煤礦將展現出高科技、高效能、高安全保障的新業態。?

        參考文獻:

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        [4]神華集團數字礦山規劃項目組.?神華集團數字礦山規劃研究[M].北京,中國煤炭工業出版社,201214- 23.

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        [8]王莉.智慧礦山概念及關鍵技術探討[J].工礦自動化,2014,40(6):37-41.

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