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礦山粉碎機實時監測與調度優化

【摘要】：以礦山所用的粉碎機系統為例，加深一下對于“控制”“調度”、“特征檢測”、“實時監測”的理解。

“控制”、“調度”、“特征檢測”、“實時監測”是工業物聯網在具體工業場景中所需的，也是智物聯目前在MixIOT的應用上做重點突破的方向。本文以礦山的粉碎機系統為例，加深一下對于它們的理解。重點是明白，其實它們之間并沒有十分明確的，必須的界限。

在礦山，礦石采回來后，首先就是要進行粉碎，粉碎機系統應該是最為傳統的工業裝置了，圖示如下:

礦石采礦后，大卡車把礦石運到礦石粉碎場卸料，通過進料傳輸機把礦石輸送到提升機，提升機就像個電梯一樣，把礦石再送到螺旋進料機，再由螺旋進料機把礦石推到粉碎機里面，礦石經粉碎后，通過料斗，落到出料傳輸機，進來的礦石，如果本身就是細碎的，就直接通過1#分流篩落到四個出料儲槽。

下面以“實時監測”為例，來解釋一下，這個項目要做什么。

粉碎機非常容易出問題，關鍵就是進料量與粉碎能力不匹配。

粉碎機有個外殼，這個外殼是可以空轉的。外殼里面有一個像攪拌棒一樣的粉碎棒，用這個粉碎棒去把礦石砸碎。假設，正常礦石進料的話，粉碎機的電流是110-120A，一旦進來的料多了，粉碎機的力矩就會增加，電流增大。一旦進來的料太多堵死了，再加大電流也粉碎不了的話，粉碎機電機就會被燒掉。

粉碎機的這些問題，一直都沒有得到徹底解決，最多也就是增加了一些限流保護裝置，也就是設定電流超過一定限度時，趕緊停機，停止粉碎，以免電機被燒掉。然后，就要讓工人爬到粉碎機上面，打開粉碎機蓋子，用一根鐵棒子不斷的捅，讓里面的料落下去一些，等到粉碎機里面的空間有松動了，工人下來，再啟動粉碎機空轉，讓粉碎好的細碎礦石先落下來，然后再啟動粉碎。如果我們去過礦石粉碎場的現場，就會知道，上述的這個事情，反復發生。

一旦粉碎機被堵塞，還要及時去停掉進料傳輸機、提升機、螺旋輸料機，否則礦石還是會被源源不斷推到粉碎機里面，而粉碎場很大，這些動作要依次完成，并不能很及時，而且人工處理也是非常危險的。

但如果礦場用了我們的實時監測系統，那么，這一系列問題其實就都很容易解決了。不僅可以防止粉碎機電機被燒掉，防止粉碎機堵死，還能節能。下面就用這個例子，來慢慢講解。

首先，要做好數字化工作，就是數據采集，粉碎系統中，進出料傳輸機、提升機、螺旋進料機、出料儲槽等設備，都是獨立的，整個粉碎系統實際上是多種設備拼湊在一起。所以，要分別去做好數據采集，做好這個一覽表：

我們一個一個來對應,首先是粉碎機：

粉碎機電流是只讀的，粉碎狀態是可以控制的。

進出料傳輸機、提升機、螺旋輸料機，啟停狀態，可以讀寫，可以控制。出料儲槽儲量是可以讀，閘口是可以控制。

假設，現在我們分別采集了數據，在現有的MixIOT 系統里面，它們分別是多個對象，這些對象是之前就建立好的，因為需要做顯示板、大屏、統計之類的,這些都不是問題。

現在如果要來做調度或者實時監控，需要做一件事，就是新建一個實時監控的對象。

建立這個新對象，要寫一個對應的映射表。每個裝置當然可能會有其他很多參數，但對于實時監控而言，這些參數并不需要。所以，這個新對象，僅僅保留了所需要的FV，重新命名。

我們要做的，實際上是粉碎機保護，就是三個問題要解決:

1、監控什么數據，什么特征；

2、檢查什么關聯條件；

3、當出現所監控的特征，而且滿足關聯條件后，需要采取什么行動。

這個案例其實是很明顯的，我們一個一個來回答：

1、需要監控的數據，就是粉碎機電流。這在我們定義的特征中稱為“上樓梯”（Upstairs)的類型，而且上樓梯后，維持一段時間的高位電流。之所以可以維持一段時間的高位電流，是因為畢竟電機也是鐵打的，只要時間不長，還是不會出問題。假設上樓梯特征定義為，在一分鐘里面，電流升高30A，并維持在140A左右3分鐘。

2、關聯條件，就是螺旋輸料機維持在運行狀態，也就是還在不斷往里面推送礦石。

3、如果發現電流上樓梯，而且維持電流高位3分鐘的時間里面，螺旋輸料機還在不停的往里面推送礦石，那么，就要依次停掉：進料傳輸機、提升機、螺旋輸料機。

假設，我們是Admin，現在就來創建這個項目。

圖示的項目列表中因為之前已經有過一個發動機異常停機保護的項目了，所以粉碎機是第二個創建的項目：

現在創建項目：

這幾個容易寫的內容，先寫好，該輸入的輸入，該選擇的選擇，腳本一個一個來：

先看看，特征腳本怎么寫：

F1，是第一個特征的標識，為了關聯條件的表述對應一致，用一個“行號”。該特征監測是從0-60秒，因為我們需要監測的是一分鐘內電流上樓梯，總監測時長是0-240，也就是4分鐘；監測F是S701，因為這個應用已經選擇了對象OBJ901，所以，腳本中也無需再指明對象標識了。

Upstair 特征三個參數，分別是30、5、60。60就是interval；30是爬升高度；5是爬升后的最大降低高度。也就是說，原來的電流是x的話，上樓梯后，電流應該在x+25到x+30之間，這是Upstair（30，5，60）三個參數的含義。

再看F2，第二個特征，Maintain（5，5，180）。180自然是interval；第一個5，是向上波動5，第二個5是向下波動5。假設爬樓梯后，電流是y，那么F2特征的意思，就是要維持在y-5到y+5之間。這里，可能大家會有疑問，為什么我們所有的特征，都只談“增減”，而不談“實際的量”是多少？那能不能寫一個Maintain（135,145,180）呢？這肯定是不行的。至于為什么不能這樣，很難幾句話說明白，但大家只需要記住一點，因為原來的x、y是多少我們并不知道，而且我們也并不關心，我們關心的是增量。

再來看，關聯條件設定腳本怎么寫：

關聯條件前面也解釋了，就是螺旋輸料機還在維持工作，也就是S705這個FV一直都1：

這樣，關聯條件設定的腳本也就出來了：

檢測結果的輸出，就不寫了。

關聯適配器設定腳本，回顧一下需要采取的動作就行，如果發現特征，且滿足關聯條件，那么需要采取幾個動作，分別是：

（1）讓粉碎機空轉。空轉的意思，就是不加粉碎力矩，讓已經細碎的礦石先通過空轉搗騰出來。這個對應的適配器是420881，Key是L1_234，讓它等于1;

（2）讓進料傳輸機停下來，對應的適配器是A20883，Key是L1_456，讓它等于0；

（3）讓提升機停下來，對應的適配器是A20882，Key是L1_345，讓它等于0；

（4）讓螺旋輸料機停下來，對應的適配器是A20884，Key是L1_567，讓它等于0。

這樣一來，反向控制設定也就出來了：

該輸入的都輸入了，保存：

保存后，就能看到創建好的第二個實時監控項目：

我們畫一張圖：

上圖中，要注意，藍色的虛線，是監測到的時刻。這個時刻，不是掛小旗的地方，而是整個240秒（4分鐘）結束點位置，監測到電流上樓梯而且維持3分鐘后，并與關聯條件做檢查，確定是完全符合特征，就下發指令。

粉碎機收到指令后，停止粉碎力矩的加載，轉為空轉。這需要一點時間和過程，過了一會兒，粉碎機電流就下來了，實時監測就起作用了。

如果我們同時也做了監測結果輸出，比如輸出到App、微信、短信之類的，監測到的時候就可以發送消息，起作用后也可以發送消息。在應用詳細設計的時候，可以考慮這些內容。

這個例子講到現在，解決的就是礦石粉碎機安全生產的問題，下面把這個例子延伸一下，做到怎么去調度控制優化，讓粉碎機系統既要安全生產，還要節能減排。這就會用到那四個出料儲槽的儲量。

我們回顧一下礦石粉碎工藝圖:

前面利用“實時監測”的方法，做了一個“粉碎機電機過流保護”的應用案例。粉碎機之所以會被堵塞甚至堵死，是因為粉碎機里面礦石的量，超出了正常粉碎機的粉碎能力（我們稱為粉碎強度）。礦石從礦山被采回來后，單個礦石的個頭有大有小。個頭小的礦石，在粉碎機滾筒里面，可能轉個一圈，就被粉碎了；中等個頭的礦石，可能在滾筒里面轉個兩三圈，也能被徹底粉碎；而個頭大的礦石，在粉碎機滾筒里面轉個四五圈甚至更多，可能都不能被徹底粉碎。

這些礦石是被螺旋輸料機推到粉碎機滾筒里面，如果前面的礦石都是個頭大的居多，那么在同樣的粉碎強度下，之前的還沒被徹底粉碎，新的礦石又被推到粉碎機里面。這樣的話，用不了多久，粉碎機就會被堵死。即便此時被人發現及時停機，也需要停工，需要人上去用根鐵棍去捅。這是一個既費時又費工，而且還非常不安全的事情。反過來，如果最近的這批礦石，小個頭的居多，進來的料基本上轉一兩圈兒就出來了，那么，如果還是使用同樣的粉碎強度，就浪費了大量電能。

事實上，現在的礦石粉碎機，先進一點的，都有一個力矩回饋感應裝置（傳感器)。力矩回饋的意思就是，可以感知力矩的大小,從而調整粉碎強度。這就像我們要拿起一個東西，如果是一團棉花,就不會使大力氣，而如果要拿起一個很重的東西，就得把吃奶的力氣都拿出來。差不多就是這個意思。

但粉碎機力矩大小應該是多少，基本上是個很初級的東西，因為它們只能干一件事：這個力道轉不動了，就加大力道；再轉不動了，再加大力道。而其中的復雜性在于，粉碎機并不知道里面的礦石到底是個什么情況。試想，如果粉碎機里面，都填滿了細碎的礦石粉末,這個密度就非常大，粉碎機只能不斷加大力道，升高電流,最終還是轉不動，直到把電機燒掉為止，這種情況會比粉碎大個頭礦石更加危險。

所以，粉碎機究竟要用多大力道，才能讓粉碎機不堵塞，而且耗電量最低，這需要整個粉碎機系統的協調與匹配，包括對進來礦石大小的估計以及進料量的多寡。所以，只做到對粉碎機電機過流保護，只是一個最低要求。如果能做到對整個粉碎機系統的優化，這才是真正的能耐。

MixIOT是為工業而生的，其使命就是要能解決這些問題，那這個問題又該怎么解決呢？

先放一個實景圖：

這就是要粉碎的礦石，大大小小，什么都有。礦石被卡車倒進進料傳輸機（傳輸帶）后，就被輸送到提升機：

提升機有很多料斗，一直在循環轉著圈：

提升機料斗到達頂部的時候，會做一個翻斗動作，把礦石倒下去：

翻斗后倒下去的礦石，就到了“分流篩”。分流篩的結構，是一個進口、兩個出口：

其中有一側出口，是一個篩網。如果已經是很細碎的礦石，無需經過粉碎的，就直接從篩網出去。而被篩網擋住的礦石，都是需要粉碎的，因為它們個頭大，過不去這個篩網，所以，就進了螺旋輸料機的入口處：

而能經過分流篩篩網的細碎礦石，就下滑到了分流器，由分流器分配到四個出料儲槽里面：

然后，等待出料儲槽把閘口打開的時候，落到出料傳輸帶上：

而到了螺旋輸料機入口的那些礦石，可以由螺旋輸料機，把礦石推進粉碎機里面：

沒有被推進到粉碎機里面的礦石，重新又回到提升機里面，繼續循環：

經過粉碎后的礦石，會落到一個粉碎機的出料料斗:

料斗里面，有完成粉碎的，可能也有沒有達到粉碎要求，而需要繼續再來一次粉碎的。無需再粉碎的，就直接落到出料傳輸帶上。而需要繼續粉碎的，同樣也是過不了這個分流篩的過濾網，因此就重新落到進料傳輸帶上，一切從頭再來。

剛才詳細解釋了整個礦石粉碎的過程。至于粉碎機，大概的樣子是這樣：

外面是一個套筒，有個口子進料和出料。這些大概知道就行。到現在基本上可以理解，如果我們能掌握：

（1）礦石的大小分布情況；

（2）螺旋輸料機推進速度；

（3）粉碎機的粉碎力道。

那么，只要這三者能匹配起來，不僅粉碎機不會堵塞，電機不會被燒掉，不需要人工去清理粉碎機，還可以大大提高粉碎效率，大大降低耗電量。

礦石從礦山采下來，其大小是不可控的、隨機的。但這種隨機性，都符合一定的隨機分布。怎么對礦石粒度大小進行估計呢，其實這個事情并不難。我們可以用抽樣的方法，比如，用一個容器，隨機從礦石堆里裝一箱子礦石回來：

然后，把這些礦石，倒入一個多層的網篩：

這個網篩的每一層，篩目都不一樣大。大的在上面，小的在下面。比如，這是五層網篩，最后一層A就是沒有篩孔的：

礦石倒進網篩后，搖晃一下，讓它們重復往下面落:

最大的礦石就留在了最上層，最細碎的（無需粉碎的）礦石，就落到了最下層。再把每層礦石的重量算出來。當然，如果能做一個直接稱重的自動網篩，那就更省事了。那就可以弄個適配器，直接讀取稱重的數據，直接發到MixIOT系統了。

那么，這些稱重有什么意義呢？這就是用來估算礦石大小分布的概率。具體的算法就不細說了，計算結果能讓我們知道，100公斤礦石里面，A、B、C、D、E大概各是多少。

那么，我們只需要了解：

A是不用粉碎直接出去了的，就是落在四個儲槽的量；

B是需要轉一圈就可以被粉碎的；

C需要轉兩圈；

D需要轉三圈；

E需要轉四圈或以上。

這樣就應該能算得出來，粉碎機應該使出多大的勁兒，螺旋輸料機應該按什么送料速度往里推，就能達到整個粉碎機系統的整體優化了。

現在的問題是，礦石密度抽樣多久做一次才行呢？其實采礦本來就很隨機，密度分布總不會一成不變，但對同一批礦石來說，應該大致都是差不多的。

但是，畢竟礦石推進過程也是很隨機的，那該怎么來判斷呢?這就需要用到四個儲槽了：

四個儲槽的儲量，就是A，也就是說，可以利用A的量（不停在變化），來估計B、C、D、E的量。這是因為在整個進料出料的過程中，我們并不知道一分鐘進來了多少礦石，也根本無法采集到，但四個儲槽的重量，是可以采集的，只要在四個儲槽下面安裝一個稱重傳感器，這是容易做到的。

利用重量變化數據，不僅可以計算出單位時間里面進料的實際總重量，還可以計算出A、B、C、D、E分別的重量：

通過這個重量，就可以去實時調整螺旋機輸料速度，以及粉碎機的粉碎強度。為了實現這個目標，需要對之前的對應一覽表做一些擴展：

我們把粉碎機電流（可控的）也對應出來，把螺旋輸料機的輸送速度（可控)也對應出來，然后，設定一個優化目標：

要么是：在相同耗電量（粉碎強度）的條件下和保證不堵塞的情況下，怎么調整螺旋輸料機的推料速度，讓粉碎量最大，也就是粉碎效率最高。

要么是：在同樣礦石送料速度的條件下和在保證不堵塞的情況下，怎么調整粉碎機的粉碎強度，讓粉碎機耗電量最低。

怎么去計算，就是另一回事了。如果大家看明白了這個例子，是不是會覺得，D&C、自動控制、實時監控、特征檢測，這些其實是解決實際問題的不同側面？

所以，解決一個實際問題,往往是很綜合的，可能需要用到多個東西。比如這個粉碎機，創建一個實時監控保護項目是最底線的應用。再來一個 D&C應用，來做優化，何愁礦石粉碎機這個行業得不到提高？

其實，工業中，尤其是傳統的工業中，太多太多的東西，跟粉碎機系統一樣，需要有人去關注，并拿出技術方案。在國內很多礦場，采礦賺的錢，大部分基本上都交了電費，粉碎效率一直得不到提高，為了不堵塞，只能慢慢送料，雖然不堵機，但粉碎效率卻下降了，可謂顧了頭顧不了尾。這是現在國內傳統工業領域的普遍現象，國家一直強調要去產能，就是因為這些領域確實是高能耗、高污染、低產出，既不賺錢又不安全，但卻又是不得不存在的產業，如果我們能幫助到他們，就是為社會為國家做了貢獻。

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