周文略 連民杰

(中鋼礦業(yè)開發(fā)有限公司，北京100080)

面對人力成本的不斷增長，國家對安全、環(huán)境保護要求日趨嚴格，國內(nèi)礦山企業(yè)開始從勞動密集型粗放管理向智能化科學管理轉(zhuǎn)變。生產(chǎn)控制與管理的智能化建設(shè)是礦山實現(xiàn)智能化科學管理的關(guān)鍵，需要緊貼礦山運行特點，選用合適的、性價比高的技術(shù)和設(shè)備來實現(xiàn)。中鋼礦業(yè)公司一直致力于現(xiàn)代化礦山的建設(shè)，積極應(yīng)用電子信息技術(shù)、智能控制技術(shù)，實現(xiàn)采選工藝和各輔助生產(chǎn)系統(tǒng)操控的智能化、經(jīng)營管理的信息化。經(jīng)過7 a 的探索和建設(shè)，公司所屬礦山在智能控制、信息化管理等方面已初具規(guī)模，運行效果良好。

1 智能化生產(chǎn)控制與管理建設(shè)體系

智能化生產(chǎn)控制與管理主要基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以信息化、自動化為基礎(chǔ)，使礦山在生產(chǎn)、管理等方面實現(xiàn)數(shù)字信息化、自動化，決策與預(yù)警智能化。根據(jù)礦山企業(yè)的運行特點，生產(chǎn)控制與管理智能化建設(shè)可圍繞4 個核心系統(tǒng)進行建設(shè)，即地質(zhì)、測量、采礦信息的數(shù)字化與可視化、生產(chǎn)運行智能化控制、安全生產(chǎn)智能化監(jiān)測與預(yù)警、經(jīng)營管理信息化。地測采信息數(shù)字化與可視化主要以礦體地質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過計算機三維建模和數(shù)據(jù)管理，實現(xiàn)礦體的可視化和采礦信息的數(shù)字化。生產(chǎn)運行智能化控制主要以設(shè)備自動化控制為基礎(chǔ)，通過軟件控制平臺，實現(xiàn)智能運行和人機交流。安全監(jiān)測智能化主要以固定式和移動式監(jiān)控、感應(yīng)設(shè)備為基礎(chǔ)，通過集中顯示和控制平臺，實現(xiàn)自動監(jiān)測和智能預(yù)警功能。經(jīng)營管理信息化主要以經(jīng)營數(shù)據(jù)挖掘為基礎(chǔ)，通過信息化軟件平臺，實現(xiàn)經(jīng)營過程的準確、有序化管理。建設(shè)架構(gòu)如圖1。

圖1 智能生產(chǎn)控制與管理建設(shè)體系Fig.1 The architecture of intelligent production control and management

2 地測采綜合信息管理系統(tǒng)

基于各種軟件平臺的信息管理和三維可視化在各礦山應(yīng)用的比較多，中鋼礦業(yè)公司主要利用工程設(shè)計上普遍使用的AutoCAD，開發(fā)針對地質(zhì)、測量、采礦等專業(yè)的CAD 功能模塊，構(gòu)建起礦山三維數(shù)字化地測采綜合信息管理平臺，全面實現(xiàn)地質(zhì)、測量、采礦室內(nèi)工作的自動化、信息處理與服務(wù)功能。系統(tǒng)主要從幾方面進行功能建設(shè)，總體功能架構(gòu)如圖2。

圖2 地測采綜合信息管理功能架構(gòu)圖Fig.2 Comprehensive information management architecture of geology，measurement and mining

2.1 礦體三維模型的建立

通過建立地質(zhì)與工程數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)建多種可視三維模型，可直觀反映整個礦山所有礦體與工程的空間關(guān)系，并提供編輯、圖形計算功能，實現(xiàn)可視化的動態(tài)管理。包括地表模型、礦體形態(tài)與品位模型、地下工程模型、開拓運輸模型、供水、供電和通風系統(tǒng)模型等。模型效果見圖3。

圖3 礦山三維模型Fig.3 Three dimensional model of mine

2.2 地質(zhì)信息的處理

能及時反映礦體形態(tài)和品位的動態(tài)變化，實現(xiàn)日常的礦體模型的維護，包括礦體區(qū)域生成、充填區(qū)域生成、平面圖解譯、邊界品位修改、礦量及品位計算等功能。在三維礦體模型上，進行實體剖切剖面及平面圖生成并進行解譯，構(gòu)建靈活快速的地質(zhì)專業(yè)室內(nèi)計算與管理的數(shù)據(jù)采集、查詢、輸出、報送體系，提高了作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量。功能架構(gòu)如圖4。

圖4 地質(zhì)處理功能架構(gòu)Fig.4 Geological disposal function architecture

2.3 測量數(shù)據(jù)的處理

能完成外業(yè)控制測量、工程細部驗收測量的內(nèi)業(yè)計算、圖解填繪平面工程圖等。根據(jù)實測數(shù)據(jù)生成三維巷道模型，并保存相應(yīng)的施工進度及質(zhì)量信息，計算出副產(chǎn)礦巖量，通過對數(shù)據(jù)分析整理，派生出各種進度報表，形象地反映整體施工狀況。實現(xiàn)對采掘工程的進度管理與質(zhì)量管理。

2.4 采礦設(shè)計與生產(chǎn)計劃編制

基于AUTOCAD 開發(fā)了一系列的功能插件，可以快捷地完成各種采礦設(shè)計及生產(chǎn)計劃的編制和上傳審批。采礦設(shè)計主要包括:開拓、采準、采切設(shè)計、巷道及碹岔設(shè)計等。將巷道、溜井等常用工程進行模塊化，設(shè)計時只需調(diào)用工程模塊進行編輯，并自動計算出工程量表及工程坐標表。采礦計劃主要包括:掘進計劃、采準計劃、回采計劃及充填計劃?？梢詫崿F(xiàn)按計劃時間和礦體品級列出采準計劃詳細計算結(jié)果表，自動計算出回采計劃量(萬t)及礦體品位，按計劃時間和空間列出充填計劃詳細計算結(jié)果表等功能。通過三維技術(shù)應(yīng)用，實現(xiàn)了設(shè)計、計劃的三維可視化。同時，結(jié)合Excel 與ACAD 數(shù)據(jù)交換技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)計劃報表與現(xiàn)行的管理手段的統(tǒng)一。采礦模塊設(shè)計工具如圖5 所示。

圖5 巷道斷面設(shè)計Fig.5 Tunnel section design

2.5 井下采礦生產(chǎn)全局可視化

基于礦體三維模型，將開拓工程、采掘系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)、礦山機械、給排水、供電、通風等設(shè)施的工作狀態(tài)呈現(xiàn)于三維模型中，實現(xiàn)可視化采礦生產(chǎn)管理。

(1)采掘?？梢栽谌S視圖中顯示各采掘系統(tǒng)空間的準確位置，根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)重建采掘推進面，及時反映采礦與掘進位置。主要的采掘設(shè)備模型顯示在三維立體圖中，提供設(shè)備屬性列表查詢。

(2)開拓工程及運輸。采用ACIS 技術(shù)建立三維運輸顯示系統(tǒng)，形象地反映開拓工程布置及各種運輸狀態(tài)。

(3)排水、供水、供電顯示。分別建立井下排水、供水、供電等三維模型，將主要設(shè)備數(shù)字模型布置圖中，提供設(shè)備屬性列表查詢。

(4)通風系統(tǒng)。建立全礦的三維通風系統(tǒng)模型，將主要通風設(shè)備、通風構(gòu)筑物以模型方式放置圖中，顯示進風、出風路線和通風數(shù)據(jù)，操作人員可在界面上進行風機開啟及通風構(gòu)筑物的調(diào)節(jié)。

3 生產(chǎn)運行控制智能化

目前在礦井提升、排水、通風、尾礦充填、選礦、計量等工序方面實施了智能化生產(chǎn)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了關(guān)鍵生產(chǎn)過程的監(jiān)控、調(diào)整、預(yù)警、故障保護、故障在線診斷等。通過建立礦山調(diào)度集控中心，將各工藝流程的控制和監(jiān)控都集中到控制中心，在統(tǒng)一的工作平臺上自動運行，也提供人工對生產(chǎn)流程的協(xié)調(diào)控制，提高了整體生產(chǎn)流程的效率，確保了生產(chǎn)的正常運行。

3.1 提升運輸智能控制系統(tǒng)

礦井提升智能化控制系統(tǒng)可對提升機運行進行實時遠程的控制，在線安全故障監(jiān)控與診斷，確保提升系統(tǒng)的安全運行。具體特點包括:①制動閘系統(tǒng)智能檢測;②智能型提升過程數(shù)字監(jiān)控器;③主控計算機、信號系統(tǒng)及井口操罐設(shè)備的聯(lián)鎖控制;④提升機高度系數(shù)自校正;⑤提升機液壓站和潤滑站監(jiān)控;⑥一個信號工多水平跟罐操作;⑦多臺提升機智能化集中遠程控制與管理;⑧具備提升設(shè)備運行狀態(tài)自動分析，產(chǎn)量統(tǒng)計上報等。

3.2 泵房無人操控系統(tǒng)

針對變電站、井下中央變電所、水泵房等，采用DCAP－5000 系列綜合自動化系統(tǒng)及PLC 自動控制技術(shù)開發(fā)了泵房綜合智能化系統(tǒng)，可以完成遙測、遙控、遙調(diào)、遙信及所有遠動功能，實現(xiàn)了無人值守與智能化監(jiān)控、遙控操作，確保了供電、排水的安全運行。

3.3 通風智能控制系統(tǒng)

可在集控中心對主風機進行遠程集中控制，對機站風壓及主要進回風巷道的風速(風量)以及有害成分在線檢測與監(jiān)控?？刂栖浖蓽蚀_地控制現(xiàn)場的運行情況，并提供機站風機工作狀態(tài)和各種監(jiān)測數(shù)據(jù)以動畫、圖形或文字方式動態(tài)顯示。

3.4 充填智能控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)涵蓋了尾礦充填工藝流程各工序的自動化控制，可在主控室實現(xiàn)充填過程的實時模擬顯示、現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)和運行參數(shù)顯示、操作指令下達、報警顯示、報表分析等功能?？刂葡到y(tǒng)可實現(xiàn)尾礦進料，水泥(或膠固粉)倉上下料位報警，自動配料，攪拌造漿，充填料漿檢測與輸送智能控制，井下充填監(jiān)控等工作過程進行自動運行控制和可視化遠程監(jiān)控。

3.5 選礦智能控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)對選礦全流程進行自動控制和智能運行管理。選礦智能化重點在于對生產(chǎn)過程的信息自動分析和參數(shù)自動調(diào)整，通過建立磨選全流程控制系統(tǒng)，對各磨選過程進行自適應(yīng)協(xié)調(diào)，使各選礦設(shè)備共同適應(yīng)負荷的變化(如礦石性質(zhì)、給礦量等變化)，能自動調(diào)整以保持各個運行參數(shù)的穩(wěn)定。主要包括5種功能:①破碎過程智能控制;②磨礦分級過程智能控制;③磁選過濾過程智能控制;④排尾過程智能控制;⑤供水過程智能控制。

4 安全生產(chǎn)監(jiān)測智能預(yù)警平臺

充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開發(fā)了一個集日常安全管理、動態(tài)信息監(jiān)控、危險預(yù)警和應(yīng)急救援輔助決策功能于一體的安全監(jiān)測預(yù)警信息平臺。平臺是以信息化和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的RFID 身份識別、傳感器信號技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)進行開發(fā)。平臺由安全管理和危險預(yù)警系統(tǒng)、礦山安全地理信息系統(tǒng)、動態(tài)信息在線監(jiān)測系統(tǒng)、應(yīng)急救援輔助決策系統(tǒng)組成，平臺架構(gòu)如圖6。主要功能包括:①安全信息的采集、統(tǒng)計、分析、處理、傳遞和預(yù)警功能;②安全信息的分級管理、控制能力;③對已發(fā)生事故的分析與統(tǒng)計能力;④對危險源的辨識和潛在事故的預(yù)警預(yù)控能力;⑤能夠?qū)崟r掌握監(jiān)測物的不安全狀態(tài)，預(yù)警其不安全狀況，提示相應(yīng)對策。

圖6 安全監(jiān)測預(yù)警信息平臺架構(gòu)Fig.6 Safety monitoring and early warning information platform

同時，建立了基于手持式移動終端的現(xiàn)場安全檢查系統(tǒng)，實現(xiàn)溫度、風量、風速、風質(zhì)和粉塵在線監(jiān)測;利用GIS 技術(shù)和傳感器構(gòu)建動態(tài)人員定位系統(tǒng)?？筛鶕?jù)動態(tài)監(jiān)測信息和事故救援信息自動生成動態(tài)模擬的逃生路線。

通過建立功能模塊，規(guī)范礦山安全管理工作，對包括企業(yè)安全概況、安全教育培訓管理、特種設(shè)備預(yù)警管理、安全生產(chǎn)費用管理、職業(yè)危害信息管理、“三同時”信息管理、安全衛(wèi)生設(shè)施管理等工作進行集中數(shù)字化管理，提供維護提醒、編輯、輸出等功能。

5 經(jīng)營管理信息化

5.1 生產(chǎn)成本管理

通過對各礦山成本費用項目的分析，開發(fā)了《中鋼礦業(yè)成本管理應(yīng)用系統(tǒng)》軟件。成本管理軟件由報表分析工具和匯總表生成工具組成，整合目前各礦山企業(yè)的生產(chǎn)統(tǒng)計、財務(wù)、票據(jù)、物資材料等信息，通過分析計算，生成格式統(tǒng)一、口徑一致的集預(yù)算控制、數(shù)據(jù)歸集、成本分析于一體的成本管理系統(tǒng)，實現(xiàn)礦山的“料、工、費”的動態(tài)管理。成本管理系統(tǒng)設(shè)計的成本報表包括了81 張表、2 846個指標、91 744個數(shù)據(jù)，指標細化到了每一道工序，每一個班組，每一個材料備件。將原本需要人工進行的數(shù)據(jù)統(tǒng)計、匯總、計算工作，通過成本管理軟件運行自動完成，設(shè)置超預(yù)算自動報警機制。下屬各礦山安裝軟件客戶端，通過互聯(lián)網(wǎng)方便快捷地傳遞給總公司，實現(xiàn)礦業(yè)公司對各礦山企業(yè)成本管理數(shù)據(jù)的匯總和審核，提高報表質(zhì)量和安全性。成本管理的信息化，有助于對標挖掘內(nèi)部潛力，起到了倒逼技術(shù)經(jīng)濟指標優(yōu)化的作用，各礦山企業(yè)的成本逐年下降，三項費用的控制效果明顯。

5.2 遠程移動管理系統(tǒng)

通過引入移動無線網(wǎng)絡(luò)，企業(yè)管理人員能夠通過移動終端(手機)隨時隨地地接入系統(tǒng)，及時了解礦山的生產(chǎn)狀況和安全狀況，并將各種實時數(shù)據(jù)(礦井下的“水、粉塵、風速等)傳送到相應(yīng)的管理人員的手機中，實現(xiàn)的功能包括:數(shù)據(jù)查詢、報表發(fā)送、人員定位、產(chǎn)量統(tǒng)計、視頻監(jiān)控、安全信息報警。

5.3 輔助經(jīng)營信息化管理

中鋼礦業(yè)公司搭建了以ERP 系統(tǒng)、資金管理系統(tǒng)、物資采購與庫存管理系統(tǒng)、OA 系統(tǒng)、視頻會議系統(tǒng)等為核心的統(tǒng)一的集成應(yīng)用平臺，實現(xiàn)了對生產(chǎn)、財務(wù)、銷售、人力資源、設(shè)備資產(chǎn)，物資采購供應(yīng)等方面的信息化管理。以ERP 系統(tǒng)為例，礦業(yè)公司ERP系統(tǒng)建設(shè)也分為項目開發(fā)和礦山管理2 個模塊進行。項目開發(fā)模塊包括項目機會管理、項目機會評價、項目計劃管理、項目流程管理、項目文檔管理和項目大事記管理等6 個專業(yè)模塊，礦山管理模塊包括礦山統(tǒng)計、計劃報表管理及生產(chǎn)調(diào)度管理、安全生產(chǎn)管理、設(shè)備材料管理、大宗供應(yīng)商管理和安全管理等模塊，通過ERP 系統(tǒng)將礦山企業(yè)與礦業(yè)公司直接聯(lián)系起來，提高了管理的效率。

6 結(jié) 論

經(jīng)過多年的發(fā)展，中鋼礦業(yè)公司智能化生產(chǎn)控制與管理初見成效，主要特點包括:

(1)以AutoCAD 和微軟辦公軟件為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了地測采的室內(nèi)工作的三維數(shù)字化、信息化建設(shè)，保證了數(shù)據(jù)能及時準確地記錄、更新和查詢。

(2)以自動化控制和智能決策系統(tǒng)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)智能化運行、控制和管理，提高了勞動生產(chǎn)率，減少了礦山作業(yè)人員。公司下屬年產(chǎn)量200 萬t 規(guī)模的鐵礦山，選廠職工人數(shù)在100 人左右;年產(chǎn)量120 萬t 規(guī)模的鐵礦山，選廠職工人數(shù)在55人左右。

(3)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了安全標準化管理、危險預(yù)警及事故應(yīng)急措施的智能化決策，保證了礦山安全、有序地生產(chǎn)。

(4)以信息軟件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)礦山經(jīng)營管理信息化，對成本、采購、銷售、財務(wù)等經(jīng)營信息進行科學化管理，保證了礦業(yè)公司對各所屬礦山的扁平化高效管理。

由于井下采礦工藝和施工組織較復雜，具有離散性，成為礦山智能化的難點。中鋼礦業(yè)公司將采礦作業(yè)的遠程控制作為突破口，積極探索遙控設(shè)備進行采礦作業(yè)的技術(shù)要求和標準。同時，將繼續(xù)利用智能控制技術(shù)，進一步促進礦山的智能化科學管理的創(chuàng)新。

［1］ 方 鵬，黃德鏞. 數(shù)字礦山技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望［J］. 礦冶，2013，22(1):76-80.

Fang Peng，Huang Deyong.Application status and prospect of digital mine technology［J］.Mining ＆ Metallurgy，2013，22(1):76-80.

［2］ 王豐收，付光梅，李寶健，等. 礦山數(shù)字化系統(tǒng)的研究［J］. 工業(yè)安全與環(huán)保，2008，34(10):16-17.

Wang Fengshou，F(xiàn)u Guangmei，Li Baojian，et al. Research on mine digital system［J］. Industrial Safety and Environmental Protection，2008，34(10):16-17.

［3］ 駱 力.數(shù)字礦山特征及建設(shè)探析［J］.金屬礦山，2009(5):36-39.

Luo Li.Discussion on the characteristics and construction of digital mine［J］.Metal Mine，2009(5):36-39.

［4］ 荊永濱，王李管，魏建偉，等. 地下礦山開采的智能化及其實施技術(shù)［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2007，27(3):49-52.

Jing Yongbin，Wang Liguan，Wei Jianwei，et al. Intelligent underground mining system and its implementation［J］. Mining Research and Development，2007，27(3):49-52.

［5］ 張科利，任長忠. 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧礦山的智能生產(chǎn)系統(tǒng)展望［J］.中國礦業(yè)，2012，21(S):76-79.

Zhang Keli，Ren Changzhong. Mine intelligent production systems outlook based on internet of things［J］. China Mining Magazine，2012，21(S):76-79.

［6］ 吳立新，古德生. 數(shù)字礦山技術(shù)［M］. 長沙:中南大學出版社，2009:49-50，83-84.

Wu Lixin，Gu Desheng. Technologies for Digital Mine［M］. Changsha:Central South University Press，2009:49-50，83-84.