王 瑜，步子豪

(中煤天津地下工程智能研究院，天津 300120)

《中國制造2025》強(qiáng)調(diào)，我國工業(yè)建設(shè)應(yīng)該圍繞創(chuàng)新驅(qū)動、智能轉(zhuǎn)型、綠色發(fā)展的主題，推進(jìn)基礎(chǔ)制造業(yè)轉(zhuǎn)型，加快我國從制造業(yè)大國向制造業(yè)強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的步伐[1-3]。在轉(zhuǎn)型過程中，需要逐步實現(xiàn)產(chǎn)品方案的創(chuàng)新性設(shè)計、生產(chǎn)過程的數(shù)字化模擬，產(chǎn)品的全生命周期追蹤及使用過程的高保真模擬等。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是典型的現(xiàn)代智能化技術(shù)，能夠為我國的制造企業(yè)轉(zhuǎn)型提供較好支持。因此，如何將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與目前的制造業(yè)進(jìn)行有機(jī)融合，成為了目前企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的熱點問題[4，5]。

我國是一個典型的煤炭大國，煤炭在未來較長的一段時間會是我國的支柱能源。由于各地存在著一定程度上的工業(yè)基礎(chǔ)建設(shè)不均衡，導(dǎo)致各地煤礦以及選煤廠的設(shè)備層次和生產(chǎn)水平存在著較大差距。最終導(dǎo)致部分選煤廠存在設(shè)備運(yùn)行效率低下、管控方式粗放、故障率高、精煤品質(zhì)低等問題。

1 研究現(xiàn)狀

為了解決上述問題，許多煤礦企業(yè)和學(xué)者從不同的角度對該問題展開了研究。西北工業(yè)大學(xué)石勵等人以山東某選煤廠為對象，系統(tǒng)性的敘述了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在其選煤廠中應(yīng)用，結(jié)果顯示，選煤廠企業(yè)日常生產(chǎn)狀況、設(shè)備運(yùn)行情況均能快速傳遞給相關(guān)管理人員，較好提高工作效率[6]。中國礦業(yè)大學(xué)的楊東平等人以兗州礦業(yè)集團(tuán)公司某選煤廠為例，敘述了整個工業(yè)以太網(wǎng)的集控改造，基本實現(xiàn)了視頻、監(jiān)控數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫等重要數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程瀏覽[7]。苑輝則是基于J2EE技術(shù)實現(xiàn)了選煤廠的工程信息的時實管理[8]。盛慧以濟(jì)南某煤礦的選煤廠為對象，基于工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)，搭建了PLC選煤監(jiān)控系統(tǒng)，極大提高了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性[9]。孫延峰等人基于目前工廠數(shù)字化，設(shè)備智能化的潮流，提出了智慧選煤廠的建設(shè)，為未來選煤廠建設(shè)提供較好的借鑒[10]。張振則提出了一種智能化選煤廠的監(jiān)控一體方案，為提高管理效率、改善工作環(huán)境、降低企業(yè)成本指明了方向[11]。任杰等人則從自動化集成技術(shù)角度對選煤廠的智慧轉(zhuǎn)型展開了探索[12]。李樹品以鄒莊礦選煤廠為例，對其PLC進(jìn)行了集成化設(shè)計，并取得了一定的效果[13]。

綜上所述，隨著現(xiàn)代通信和控制技術(shù)的不斷提高，傳統(tǒng)選煤廠采用的繼電器控制、陳舊通信系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代化高效率工廠的要求。因此，以現(xiàn)代5G通信為基礎(chǔ)，結(jié)合智能化設(shè)備，搭建現(xiàn)代化智能選煤廠成為了必然選擇。

2 技術(shù)展望

目前，選煤廠主要的運(yùn)行設(shè)備包括原煤分級篩、旋流器、浮選機(jī)、帶式輸送機(jī)、給煤機(jī)等。由于工作環(huán)境較差，且存在瓦斯及煤塵等不良因素，因此易導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障。目前，多數(shù)選煤廠多采用PLC以及單片機(jī)對設(shè)備進(jìn)行控制，但是該類設(shè)備通信能力較差，無法實時傳遞現(xiàn)場數(shù)據(jù)，導(dǎo)致一線管理人員無法掌握現(xiàn)場狀況。由于選煤過程屬于高危險作業(yè)過程，任何一個小的故障，都可能帶來較為嚴(yán)重的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失，因此，實現(xiàn)生產(chǎn)全過程監(jiān)控，設(shè)備運(yùn)動高可靠，控制操作無人化成為目前亟待解決的問題。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是一種開放、互聯(lián)和共享的網(wǎng)絡(luò)，將人、機(jī)器和數(shù)據(jù)連接起來，屬于工業(yè)系統(tǒng)、高級計算和傳感分析的高度融合。其本質(zhì)是將設(shè)備、生產(chǎn)線、管理者和一線工人甚至客戶連接起來的超級數(shù)據(jù)平臺。針對當(dāng)下選煤廠智慧轉(zhuǎn)型中所面臨的問題，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為了目前的唯一解決方案，如圖1所示。

圖1 智能選煤廠方案

2.1 設(shè)備監(jiān)測常態(tài)化

伴隨著5G通信技術(shù)的發(fā)展及新型傳感器技術(shù)的進(jìn)步，對于設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行常態(tài)化檢測成為可能。選煤過程中存在分級篩、旋流器、浮選機(jī)等運(yùn)行設(shè)備，通過振動傳感器的測量可以實時檢測此類機(jī)器的工作信息，保證機(jī)器工作狀態(tài)平穩(wěn)，并將機(jī)器運(yùn)行信息通過無線傳輸模塊傳到廠方管理的數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)對設(shè)備的實時檢測。

設(shè)備監(jiān)測常態(tài)化過程存在以下技術(shù)難點：

(1)監(jiān)控設(shè)備的合理布置。由于選煤工序復(fù)雜，工作環(huán)境較差，為了實現(xiàn)監(jiān)控全覆蓋，需要在考慮實際工作環(huán)境的基礎(chǔ)上，采用優(yōu)化算法，對監(jiān)控器的布置進(jìn)行優(yōu)化，保證實現(xiàn)監(jiān)控設(shè)備利用最大化。

(2)監(jiān)控設(shè)備適應(yīng)性改進(jìn)。常規(guī)監(jiān)測設(shè)備通常只在傳統(tǒng)的車間使用，但是由于選煤廠中存在粉塵、劇烈振動以及其他非常規(guī)環(huán)境，會導(dǎo)致監(jiān)控設(shè)備性能降低，因此需要針對不同的作業(yè)環(huán)境，對相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)。

2.2 生產(chǎn)信息共享化

選煤廠作為傳統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)，一線的生產(chǎn)信息傳遞到管理人員處往往需要一定時間。而當(dāng)新的生產(chǎn)指令下發(fā)后，一線的生產(chǎn)部門往往不能及時執(zhí)行。為了打破生產(chǎn)部門與管理部門之間的數(shù)據(jù)藩籬，需要搭建數(shù)據(jù)中臺，完成生產(chǎn)數(shù)據(jù)與管理數(shù)據(jù)實時顯示，讓生產(chǎn)部門與管理部門實現(xiàn)即時通訊，保證產(chǎn)能與市場需求相匹配。

生產(chǎn)共享化存在的技術(shù)難點為選煤廠內(nèi)部信息共享系統(tǒng)研發(fā)。目前，部分廠商通過現(xiàn)有的即時通信軟件、工作交流軟件進(jìn)行溝通，雖然可以通過群聊的方式完成消息互通，但是難以對其分享的信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，無法直接完成各種指令下達(dá)。因此，需要開發(fā)一種兼具信息分享、消息管理、指令下達(dá)、進(jìn)度查詢的溝通系統(tǒng)，用以實現(xiàn)生產(chǎn)信息共享。

2.3 洗配方案智能化

傳統(tǒng)的洗配方案多基于經(jīng)驗，根據(jù)不同的煤種、灰分以及原煤倉存等情況制定。然而，每日到達(dá)選煤廠的原煤品質(zhì)是不一致的，這就導(dǎo)致洗配方案需要更改。為了實現(xiàn)洗配方案的智能化，可利用工業(yè)大數(shù)據(jù)將之前的洗煤方案與煤的各項質(zhì)量指標(biāo)做成一個數(shù)據(jù)庫，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計一個智能洗配方案生成系統(tǒng)。在系統(tǒng)開始運(yùn)行階段，采取系統(tǒng)生成，人為修改的方式，保證方案的可行性和合理性。在系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定階段，采取系統(tǒng)生成，人為監(jiān)控的方式，從而較大的提高了制定洗配方案的時間，提高了整體的運(yùn)行效率。

洗配方案智能化存在以下技術(shù)難點：

(1)洗配方案數(shù)據(jù)庫的建立。在通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建智能洗配方案的生成系統(tǒng)之前，需要建立一個洗配方案的數(shù)據(jù)庫對該系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練。但是目前由于大部分選煤廠的數(shù)字化水平較低，未能完成之前洗配方案數(shù)據(jù)的保存，因此，初始數(shù)據(jù)缺乏成為構(gòu)建數(shù)據(jù)庫的難點。建議可以通過多家選煤廠聯(lián)合積累數(shù)據(jù)的方式，完成初始數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建。

(2)洗配方案生成系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。選煤過程中的影響因素非常多，如何在考慮大部分影響因素的基礎(chǔ)上，能夠較為準(zhǔn)確的生成洗煤效果較好的方案成為一個十分具有挑戰(zhàn)性的難題。

2.4 操作控制無人化

選煤廠的工作環(huán)境較為惡劣，粉塵等不利于人身體健康的因素較多。從保證員工健康的角度出發(fā)，應(yīng)盡量減少一線員工的操作控制。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要特征之一就是“監(jiān)控一體”，其中“控”就代表對設(shè)備的控制。

操作控制無人化的措施需要從兩個方面著手：

(1)采用自動化較高的控制設(shè)備，即具有遠(yuǎn)程被操控能力的設(shè)備。當(dāng)該類設(shè)備可遠(yuǎn)程操控時，就可降低一線員工的數(shù)量；

(2)采用工業(yè)級的輪式機(jī)器人。當(dāng)存在部分無法避免需要現(xiàn)場操控的工作環(huán)節(jié)時，可采用輪式移動機(jī)器人加操作機(jī)械臂來完成，即現(xiàn)代機(jī)器人領(lǐng)域的輪臂異構(gòu)機(jī)器人。

操作控制無人化存在以下技術(shù)難點：

(1)輪臂機(jī)器人協(xié)同控制算法研究。相比于單純輪式移動機(jī)器人和多自由度操作機(jī)械臂，輪臂機(jī)器人是一個混合系統(tǒng)。工作現(xiàn)場一般要求機(jī)器人在移動過程中具有穩(wěn)定性，在操作過程中具有準(zhǔn)確性，且兩者之前通信時處于互聯(lián)狀態(tài)。因此，設(shè)計一種輪臂協(xié)同機(jī)器人的控制算法成為亟需解決的問題。

(2)多機(jī)器人統(tǒng)一管理和運(yùn)動規(guī)劃算法。在大規(guī)模批量化生產(chǎn)現(xiàn)場，通常是多臺機(jī)器人同時完成不同的操作。為了保證工作效率的最大化，需要上述多臺機(jī)器人進(jìn)行協(xié)同控制和管理。因此設(shè)計一種對多臺機(jī)器人同時進(jìn)行管理以及運(yùn)動規(guī)劃的算法，能夠較大幅度的提高工作效率。

2.5 整體管理精細(xì)化

目前，國內(nèi)不同的選煤廠均存在管理粗放、浪費(fèi)較多、效率低下的問題，歸根結(jié)底是目前的數(shù)據(jù)共融性低，指標(biāo)分配透明度低，信息反饋渠道不通暢，一線操作不規(guī)范等原因造成的。為了實現(xiàn)整體管理精細(xì)化，將生產(chǎn)指標(biāo)下放至選煤產(chǎn)業(yè)鏈的每一臺機(jī)器，將生產(chǎn)責(zé)任歸屬至每一個崗位操作工人，因此，需要建立一個以選煤廠為基礎(chǔ)的全數(shù)據(jù)實時共享平臺。在該平臺上，可實時顯示當(dāng)天的生產(chǎn)指標(biāo)完成情況、每一條生產(chǎn)線的運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)以及進(jìn)入選煤廠的原煤數(shù)量、運(yùn)出選煤廠的煤炭質(zhì)量等。該平臺非常有利于尋找薄弱環(huán)節(jié)，實現(xiàn)定點提升，進(jìn)而提高作業(yè)效率。整個管理數(shù)據(jù)共享方案如圖2所示。

圖2 選煤廠數(shù)據(jù)共享方案

當(dāng)實現(xiàn)一線生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時共享后，員工的個人績效管理則可基于該數(shù)據(jù)完成，保證績效分配公平透明。一些生產(chǎn)數(shù)據(jù)可實時反饋至管理層，保證整個選煤廠的數(shù)據(jù)處于合理運(yùn)行區(qū)間。

3 結(jié) 語

目前，在全世界范圍內(nèi)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為改造傳統(tǒng)制造業(yè)的必要工具。選煤廠作為典型傳統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)，也需要跟隨時代潮流，大踏步擁抱工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。選煤廠將會以實時數(shù)據(jù)平臺為基礎(chǔ)，高新傳感器和操控設(shè)備為手段，全領(lǐng)域信息流為核心，人工智能為輔助，大力發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以期待能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)過程智能化，操作流程自動化，常規(guī)決策智能化，生產(chǎn)管理集成化。大力推進(jìn)技術(shù)革新，提質(zhì)增效，走出一條安全、綠色、高效的生產(chǎn)模式，實現(xiàn)選煤廠的智慧轉(zhuǎn)型。