太钢矿业智慧矿山建设实践

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2.2 规划与实施指导思想

基于“One Mine”理念，践行中国宝武智慧制造“四个一律”“三跨融合”指导思想，按照集团“基础设施标准化、生产作业智能化、生产管控智慧化、运营决策数智化”的建设要求，遵循“装备大型机械化→远程操控→智能化作业”技术发展规律，太钢矿业智慧化建设遵循“因地制宜、统筹规划、逐步推广”的原则，根据各基地自身实际情况、智能技术和产品在当前其他矿山的应用深度及广度，以实现效益最大化为目标，选择适合自身智能矿山建设的等级（建设等级包括单项应用、集成协同应用和整体应用3 个等级）而制定相应的建设方案，逐步实施与推广，最终达到“少人化、集控化、一体化”转型，实现“安全、高效、绿色、智能”总目标。

全面推广应用云计算、大数据、物联网、移动互联、人工智能、工业互联网、5G通信、自动驾驶等新技术以及集团内外部先进实践经验，系统设计智能矿山架构蓝图。太钢矿业智慧矿山总体技术架构采用“云、边、端”架构，将各矿山基地部分基于传统IT 架构的信息系统作为平台的数据源，继续发挥原系统价值，并逐步推进信息化业务的云化部署，解决太钢矿业各矿山基地传统信息系统向新建的XIn3Plat工业互联网迁移，同时建设数据治理中心，构建太钢矿业各矿山基地私有云，采集采选生产、能源等数据，确保数据完整性和数据质量，提升装备可靠性和可维护性，太钢矿业基于XIn3Plat 工业互联网平台的智慧矿山技术架构见图1。

通过构建太钢矿业一体化管控系统（包括自主建设和集团共享覆盖管控系统）、智能矿山决策支持系统、虚拟仿真平台及各基地边缘管控系统等，形成太钢矿业智慧矿山管控系统集群，为实现太钢矿业“一总部多基地”管控提供了有效的管控手段，整个应用架构基于5G、4G、NB-IOT 等无线协议、XIn3Plat工业以太网、工业总线CAN、Modbus 等工业通信协议，将采、选、球团、公辅等设备运行信息数据接入到边缘层协同平台并向上支撑各类管控平台。太钢矿业智慧矿山整体应用架构见图2。

随着太钢集团融入中国宝武集团工作的纵深推进，在中国宝武集团对信息化建设坚持“统一语言、统一标准、统一平台、统一文化”的管控要求下，信息化建设作为智慧矿山建设的重要基础，信息化系统升级改造已成为太钢矿业智慧化矿山建设的首要抓手。2021年3月，太钢矿业按照太钢集团信息化和智能化建设升级改造的总体部署，遵循中国宝武数字化规划确定的架构和平台的原则要求，在统一的XIn3Plat 工业互联网生态平台上，构建了“跨产业、跨基地”的互通融合和“一总部多基地”的管控系统集群。实现了专业化管理和原有区域化管理的协同，提高了整体管理效率，太钢矿业信息化一体化管控集群架构见图3。

要实现智慧矿山建设的有效推进，必须充分发挥现代物联网、无人驾驶、云计算和人工智能等新技术的优势，开展矿山装备的智能化提档升级，加大智能装备的应用范围和力度，进一步推动矿山智能化技术的创新发展。太钢矿业坚持以智能制造方案“优先在基础好的矿山基地试点实施，成熟一个推广一个，避免一哄而上”的实施原则为基础，以注重实效为总目标，逐步提升各基地智慧制造的核心竞争力。近2 年多来，相继在各基地实施多处智能化改造，作业装备智能化水平大幅度提升。

按照“统一平台、统一语言”的原则和iPlat 工业互联网平台+SIMATIC WinCC 并存的模式，整合建设了袁家村铁矿采矿部、选矿部、球团部和能动部iPlat平台智控中心，建立“一部一集控、全矿可集控”管控模式。为实现这一目标，袁家村铁矿采用iPlat 工业互联网平台，通过对采、选、球团、能动各工序的基础自动化集控室整合，将采、选、球团和能动等全矿17个操作室集中到四部智控中心，同时建立了袁家村铁矿矿部综合集控中心，实现了“一部一集控、全矿可集控”管控模式，有效地实现了矿山统一调度，集中化生产管控。

太钢矿业在太钢袁家村铁矿建立的一体化采矿智控平台对5种不同种类矿石储量的数据统计，结合露天矿开采现状、开采计划，智控系统可以精准识别爆堆品位分布，为优化配矿提供科学依据和数据保障；三维地标建模，运用无人机对地形环境进行测绘，生成DEM、三维正射影像图、三维景观模型、三维地标模型等可视化数据；智能矿卡调度让矿山生产管理大数据呈现得更快捷；利用矿山原有的矿产资源地理信息来精细化配矿方案。

为了配合太钢矿业信息化升级改造，太钢矿业对各基地汽车衡和轨道衡全部实施无人值守升级改造，无人值守自动称重系统采用车号识别、红外探测、监控辅助等手段，通过手机小程序进行计量委托和装卸料确认，计量车辆上磅后，系统自动采集重量信息，后台记录计量信息，同时通过接口自动上传产销管控系统，整个过磅环节全部自动化无人值守，彻底杜绝以往计量数据实时性、准确性差等问题。实现了生产管控系统所有产品与原燃料进出厂计量数据自动采集不落地。

2021 年12 月底袁家村铁矿投用2 台X 荧光分析仪和6台熔样机，该套设备分析检测一个样品用时约2 min，而且可以同时分析样品中的全铁、二氧化硅、氧化钙、氧化镁等球团生产控制所需检测项目，作业效率较人工分析成倍提升，并逐步在其他两个铁矿山推广实施。

磨选智能控制系统的应用使袁家村铁矿半自磨系统全部实现自动连锁启停控制，特别是有效实现了给矿量、给矿浓度、给矿比率、半自磨机功率、轴压和钢球的冲击强度等的专家优化控制，大大简化了岗位人员的现场操作，确保了生产设备的可靠运行和生产稳定。球磨、再磨磨矿分级系统实现了泵池液位、渣浆泵频率、旋流器给矿流量、压力自动控制，稳定了旋流器的给矿浓度和压力，提高了旋流器的分级效率和溢流粒度的稳定性；磁选工序全部实现远程启停，强磁机实现了远程励磁电流的监控，能及时了解强磁机的运行情况，简化了现场岗位人员的操作，有利于生产指标稳定；磨矿专家系统是以模糊控制策略和统计学为基础的高级工艺控制软件，结合全频谱磨音分析、给矿粒度分析等高级控制仪表，能优化半自磨、球磨、再磨回路控制，既防止磨机过载或欠载，延长衬板使用寿命，同时实现使磨矿回路处理量增加5%以上，磨矿回路输出矿物粒度波动减小20%的预期目标，从而达到了增加处理量、提高产品质量和减少生产成本（能耗、磨矿介质等）的目的。

太钢矿业把生产装备的智能化升级改造和先进案例的应用作为智慧矿山建设的基础工作和重要抓手。近几年来，除了以上案例外，还先后实施了袁家村铁矿浮选专家系统应用、水电站无人值守及变电站机器人智能巡检、风动送样系统、采矿部皮带机器人智慧巡检控制系统、变电站巡检机器人、球团堆取料机远程操控应用、设备远程智能运维系统应用，实现峨口铁矿球团成品高位料仓自动布料系统、峨口铁矿1738 井底车场智能运输系统、五道湾泵站无人值守系统应用，尖山铁矿精矿管道及电位桩远程监测系统、水系统智能化改造，东山矿操作室合并及装车机自动化改造，复合材料厂遥控装车系统及机械平车系统改造，太钢鑫磊成品仓及筛分楼无人装车系统改造、石灰成品仓给（缓）料智能化控制系统改造、物流系统升级改造等，使各基地生产装备的智能化水平有了明显提升。

要逐步推升智慧矿山的建设水平，需要建立健全一套行之有效的管理指标评价体系，以便从管理上促进智慧矿山建设水平的持续提升。太钢矿业基于中国宝武智慧制造“四个一律”的要求，结合各矿山基地生产模式，建立了太钢矿业智慧矿山“四个一律”（4A）管理指标评价体系。“四个一律”是指操作室一律集中、操作岗位一律机器人、运维一律远程和服务一律上线，是中国宝武智慧制造的创新性要求，也是太钢矿业智慧矿山建设的总目标。

“操作室一律集中”是以生产操控集中化为目标，通过尽量少的操作室来完成生产区域的操控，倒逼各工序管理变革和技术能力的提升。即：操作室越多，生产区域集中化水平就越低；操作室越少，集中化水平越高。

集中化建模如图4所示，模型图中的“控制点”是指当前生产区域生产工艺段的一个子工艺，包含工艺与装备，如开拓、采准、凿岩、破碎、筛分、铲运车、给矿皮带等。当一个操控点由一个操作室控制，为0%集 中；所有操控点由一个操作室控制，为100%集中。

为了量化评价集中化程度，定义了集中化指数ACC（All Controls in CCR）的计算公式：

式中，N为生产工艺段内的操控点总数；n为生产工艺段中实际配置的操作室个数。

这里提及的操作室为广义的操作室，不仅限于固定设施，移动的集中控制点也视作操作室，按照定义的公式计算，当n=N 时，操作室与操控点一一对应，集中度指数ACC=0%，属于完全不集中；当n=1时，也就是一个操作室管理所有操控点，则集中度指数ACC=100%，属于一律集中。集中化指数与操作室个数关系如图5所示。

就是以机旁作业无人化为目标，通过机械化、数学模型或者机器人等手段强化人机协同，减少或者替代生产人员在机旁的人工作业。

操作无人化模型如图6所示。

为了量化评价无人化程度，定义了无人化指数AOM（All Operations by Machine Rat）计算公式：无人化指数AOM（%）=（M-m）/M×100%（其中，M=生产工艺的作业总数；m=人工现场作业总数），作业数指作业地点上的作业工序，如凿岩、提升、掘进、细筛分级、尾矿浓缩等。当m=0 时，生产现场作业（机旁作业）不需要人工承担，则无人化指数AOM（%）=100%；当m=M 时，所有生产现场作业（机旁作业）都由人工承担，则无人化指数AOM（%）=0%。无人化指数与人工现场作业数关系如图7所示。

“运维一律远程”是指通过智能传感、信息通讯等新技术，代替设备运维中的人工无感点检，提升点检效率，实现设备精准维护。远程运维是智能化服务的发展方向，即集中汇聚各类设备状态数据、生产过程数据、管理过程数据，集成应用物联网、工业大数据分析、人工智能、工业互联网等技术，建设面向设备全生命周期的设备远程智能运维平台，并基于此平台优化一系列过程决策机制，实现重要生产设备状态监测、异常事件判断分析、最优维护方案的制定与实施等服务，推动运维模式智能化转型，支撑企业智能制造能力的提升。

为了量化评价远程运维程度，定义了远程化指数AMI（All Maintenances with Intelligence Ratio）计算公式：远程化指数AMI=主体设备在线采集数/主体设备总数×100%。其中，主体设备是指在生产过程中起主导、关键作用的设备，而主体设备在线采集数的大小是远程运维率高低的决定因素。

“服务一律上线”是指通过智慧交易，把矿山基地个性化的需求与标准化的生产对接，实现不同基地、不同产线之间的合理分工，提升现场设备效率，降低成本、提升竞争力。

服务上线指数ASP（All Services on Platform Ratio）的高低，取决于消耗品上网采购率和矿产品上网销售率。

上网采购率=年度电子商务平台实施采购金额（全品类）/年度采购总金额（全品类）×100%。

矿产品网上销售率=年度自产矿产品平台线上销售量/年度销售总量×100%。

服务上线指数ASP=（上网采购率+矿产品上网销售率）/2。

随着太钢矿业信息化一体化管控集群的健全与完善，包括大宗原燃料、各类设备、备件和资材等物资的采购以及所有产、副品销售交易服务基本实现全部上线，各类设备维护逐步实现远程运维。