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矿山粉碎机实时监测与调度优化
智物联
技术干货丨MixIOT家族新成员系列——Mixco工业控制协同
技术干货丨灵活使用MixIOT解决各种问题

矿山粉碎机实时监测与调度优化

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【摘要】:以矿山所用的粉碎机系统为例,加深一下对于“控制”“调度”、“特征检测”、“实时监测”的理解。

“控制”、“调度”、“特征检测”、“实时监测”是工业物联网在具体工业场景中所需的,也是智物联目前在MixIOT的应用上做重点突破的方向。本文以矿山的粉碎机系统为例,加深一下对于它们的理解。重点是明白,其实它们之间并没有十分明确的,必须的界限。

 

在矿山,矿石采回来后,首先就是要进行粉碎,粉碎机系统应该是最为传统的工业装置了,图示如下:

 

 

矿石采矿后,大卡车把矿石运到矿石粉碎场卸料,通过进料传输机把矿石输送到提升机,提升机就像个电梯一样,把矿石再送到螺旋进料机,再由螺旋进料机把矿石推到粉碎机里面,矿石经粉碎后,通过料斗,落到出料传输机,进来的矿石,如果本身就是细碎的,就直接通过1#分流筛落到四个出料储槽。
 
下面以“实时监测”为例,来解释一下,这个项目要做什么。
 
粉碎机非常容易出问题,关键就是进料量与粉碎能力不匹配。
 
粉碎机有个外壳,这个外壳是可以空转的。外壳里面有一个像搅拌棒一样的粉碎棒,用这个粉碎棒去把矿石砸碎。假设,正常矿石进料的话,粉碎机的电流是110-120A,一旦进来的料多了,粉碎机的力矩就会增加,电流增大。一旦进来的料太多堵死了,再加大电流也粉碎不了的话,粉碎机电机就会被烧掉。
 
粉碎机的这些问题,一直都没有得到彻底解决,最多也就是增加了一些限流保护装置,也就是设定电流超过一定限度时,赶紧停机,停止粉碎,以免电机被烧掉。然后,就要让工人爬到粉碎机上面,打开粉碎机盖子,用一根铁棒子不断的捅,让里面的料落下去一些,等到粉碎机里面的空间有松动了,工人下来,再启动粉碎机空转,让粉碎好的细碎矿石先落下来,然后再启动粉碎。如果我们去过矿石粉碎场的现场,就会知道,上述的这个事情,反复发生。
 
一旦粉碎机被堵塞,还要及时去停掉进料传输机、提升机、螺旋输料机,否则矿石还是会被源源不断推到粉碎机里面,而粉碎场很大,这些动作要依次完成,并不能很及时,而且人工处理也是非常危险的。
 
但如果矿场用了我们的实时监测系统,那么,这一系列问题其实就都很容易解决了。不仅可以防止粉碎机电机被烧掉,防止粉碎机堵死,还能节能。下面就用这个例子,来慢慢讲解。
 

首先,要做好数字化工作,就是数据采集,粉碎系统中,进出料传输机、提升机、螺旋进料机、出料储槽等设备,都是独立的,整个粉碎系统实际上是多种设备拼凑在一起。所以,要分别去做好数据采集,做好这个一览表:

我们一个一个来对应,首先是粉碎机:

粉碎机电流是只读的,粉碎状态是可以控制的。

 

进出料传输机、提升机、螺旋输料机,启停状态,可以读写,可以控制。出料储槽储量是可以读,闸口是可以控制。
 
假设,现在我们分别采集了数据,在现有的MixIOT 系统里面,它们分别是多个对象,这些对象是之前就建立好的,因为需要做显示板、大屏、统计之类的,这些都不是问题。
 

现在如果要来做调度或者实时监控,需要做一件事,就是新建一个实时监控的对象。

建立这个新对象,要写一个对应的映射表。每个装置当然可能会有其他很多参数,但对于实时监控而言,这些参数并不需要。所以,这个新对象,仅仅保留了所需要的FV,重新命名。

 

我们要做的,实际上是粉碎机保护,就是三个问题要解决:
1、监控什么数据,什么特征;
2、检查什么关联条件;
3、当出现所监控的特征,而且满足关联条件后,需要采取什么行动。
 
这个案例其实是很明显的,我们一个一个来回答:
1、需要监控的数据,就是粉碎机电流。这在我们定义的特征中称为“上楼梯”(Upstairs)的类型,而且上楼梯后,维持一段时间的高位电流。之所以可以维持一段时间的高位电流,是因为毕竟电机也是铁打的,只要时间不长,还是不会出问题。假设上楼梯特征定义为,在一分钟里面,电流升高30A,并维持在140A左右3分钟。
2、关联条件,就是螺旋输料机维持在运行状态,也就是还在不断往里面推送矿石。
3、如果发现电流上楼梯,而且维持电流高位3分钟的时间里面,螺旋输料机还在不停的往里面推送矿石,那么,就要依次停掉:进料传输机、提升机、螺旋输料机。
 

假设,我们是Admin,现在就来创建这个项目。

 

图示的项目列表中因为之前已经有过一个发动机异常停机保护的项目了,所以粉碎机是第二个创建的项目:

现在创建项目:

 

这几个容易写的内容,先写好,该输入的输入,该选择的选择,脚本一个一个来:

先看看,特征脚本怎么写:

F1,是第一个特征的标识,为了关联条件的表述对应一致,用一个“行号”。该特征监测是从0-60秒,因为我们需要监测的是一分钟内电流上楼梯,总监测时长是0-240,也就是4分钟;监测F是S701,因为这个应用已经选择了对象OBJ901,所以,脚本中也无需再指明对象标识了。
 
Upstair 特征三个参数,分别是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。也就是说,原来的电流是x的话,上楼梯后,电流应该在x+25到x+30之间,这是Upstair(30,5,60)三个参数的含义。
 
再看F2,第二个特征,Maintain(5,5,180)。180自然是interval;第一个5,是向上波动5,第二个5是向下波动5。假设爬楼梯后,电流是y,那么F2特征的意思,就是要维持在y-5到y+5之间。这里,可能大家会有疑问,为什么我们所有的特征,都只谈“增减”,而不谈“实际的量”是多少?那能不能写一个Maintain(135,145,180)呢?这肯定是不行的。至于为什么不能这样,很难几句话说明白,但大家只需要记住一点,因为原来的x、y是多少我们并不知道,而且我们也并不关心,我们关心的是增量。
 

再来看,关联条件设定脚本怎么写:

 

关联条件前面也解释了,就是螺旋输料机还在维持工作,也就是S705这个FV一直都1:

 

这样,关联条件设定的脚本也就出来了:

检测结果的输出,就不写了。

关联适配器设定脚本,回顾一下需要采取的动作就行,如果发现特征,且满足关联条件,那么需要采取几个动作,分别是:
(1)让粉碎机空转。空转的意思,就是不加粉碎力矩,让已经细碎的矿石先通过空转捣腾出来。这个对应的适配器是420881,Key是L1_234,让它等于1;
(2)让进料传输机停下来,对应的适配器是A20883,Key是L1_456,让它等于0;
(3)让提升机停下来,对应的适配器是A20882,Key是L1_345,让它等于0;
(4)让螺旋输料机停下来,对应的适配器是A20884,Key是L1_567,让它等于0。

这样一来,反向控制设定也就出来了:

 

该输入的都输入了,保存:

保存后,就能看到创建好的第二个实时监控项目:

我们画一张图:

上图中,要注意,蓝色的虚线,是监测到的时刻。这个时刻,不是挂小旗的地方,而是整个240秒(4分钟)结束点位置,监测到电流上楼梯而且维持3分钟后,并与关联条件做检查,确定是完全符合特征,就下发指令。
 
粉碎机收到指令后,停止粉碎力矩的加载,转为空转。这需要一点时间和过程,过了一会儿,粉碎机电流就下来了,实时监测就起作用了。
 
如果我们同时也做了监测结果输出,比如输出到App、微信、短信之类的,监测到的时候就可以发送消息,起作用后也可以发送消息。在应用详细设计的时候,可以考虑这些内容。
 
这个例子讲到现在,解决的就是矿石粉碎机安全生产的问题,下面把这个例子延伸一下,做到怎么去调度控制优化,让粉碎机系统既要安全生产,还要节能减排。这就会用到那四个出料储槽的储量。
 

我们回顾一下矿石粉碎工艺图:

 

 

前面利用“实时监测”的方法,做了一个“粉碎机电机过流保护”的应用案例。粉碎机之所以会被堵塞甚至堵死,是因为粉碎机里面矿石的量,超出了正常粉碎机的粉碎能力(我们称为粉碎强度)。矿石从矿山被采回来后,单个矿石的个头有大有小。个头小的矿石,在粉碎机滚筒里面,可能转个一圈,就被粉碎了;中等个头的矿石,可能在滚筒里面转个两三圈,也能被彻底粉碎;而个头大的矿石,在粉碎机滚筒里面转个四五圈甚至更多,可能都不能被彻底粉碎。

 
这些矿石是被螺旋输料机推到粉碎机滚筒里面,如果前面的矿石都是个头大的居多,那么在同样的粉碎强度下,之前的还没被彻底粉碎,新的矿石又被推到粉碎机里面。这样的话,用不了多久,粉碎机就会被堵死。即便此时被人发现及时停机,也需要停工,需要人上去用根铁棍去捅。这是一个既费时又费工,而且还非常不安全的事情。反过来,如果最近的这批矿石,小个头的居多,进来的料基本上转一两圈儿就出来了,那么,如果还是使用同样的粉碎强度,就浪费了大量电能。
 
事实上,现在的矿石粉碎机,先进一点的,都有一个力矩回馈感应装置(传感器)。力矩回馈的意思就是,可以感知力矩的大小,从而调整粉碎强度。这就像我们要拿起一个东西,如果是一团棉花,就不会使大力气,而如果要拿起一个很重的东西,就得把吃奶的力气都拿出来。差不多就是这个意思。
 
但粉碎机力矩大小应该是多少,基本上是个很初级的东西,因为它们只能干一件事:这个力道转不动了,就加大力道;再转不动了,再加大力道。而其中的复杂性在于,粉碎机并不知道里面的矿石到底是个什么情况。试想,如果粉碎机里面,都填满了细碎的矿石粉末,这个密度就非常大,粉碎机只能不断加大力道,升高电流,最终还是转不动,直到把电机烧掉为止,这种情况会比粉碎大个头矿石更加危险。
 
所以,粉碎机究竟要用多大力道,才能让粉碎机不堵塞,而且耗电量最低,这需要整个粉碎机系统的协调与匹配,包括对进来矿石大小的估计以及进料量的多寡。所以,只做到对粉碎机电机过流保护,只是一个最低要求。如果能做到对整个粉碎机系统的优化,这才是真正的能耐。
 
MixIOT是为工业而生的,其使命就是要能解决这些问题,那这个问题又该怎么解决呢?
 

先放一个实景图:

这就是要粉碎的矿石,大大小小,什么都有。矿石被卡车倒进进料传输机(传输带)后,就被输送到提升机:

提升机有很多料斗,一直在循环转着圈:

提升机料斗到达顶部的时候,会做一个翻斗动作,把矿石倒下去:

 

 

翻斗后倒下去的矿石,就到了“分流筛”。分流筛的结构,是一个进口、两个出口:

 

其中有一侧出口,是一个筛网。如果已经是很细碎的矿石,无需经过粉碎的,就直接从筛网出去。而被筛网挡住的矿石,都是需要粉碎的,因为它们个头大,过不去这个筛网,所以,就进了螺旋输料机的入口处:

而能经过分流筛筛网的细碎矿石,就下滑到了分流器,由分流器分配到四个出料储槽里面:

 

然后,等待出料储槽把闸口打开的时候,落到出料传输带上:

而到了螺旋输料机入口的那些矿石,可以由螺旋输料机,把矿石推进粉碎机里面:

没有被推进到粉碎机里面的矿石,重新又回到提升机里面,继续循环:

 

经过粉碎后的矿石,会落到一个粉碎机的出料料斗:

料斗里面,有完成粉碎的,可能也有没有达到粉碎要求,而需要继续再来一次粉碎的。无需再粉碎的,就直接落到出料传输带上。而需要继续粉碎的,同样也是过不了这个分流筛的过滤网,因此就重新落到进料传输带上,一切从头再来。
 

刚才详细解释了整个矿石粉碎的过程。至于粉碎机,大概的样子是这样:

 

外面是一个套筒,有个口子进料和出料。这些大概知道就行。到现在基本上可以理解,如果我们能掌握:

(1)矿石的大小分布情况;
(2)螺旋输料机推进速度;
(3)粉碎机的粉碎力道。
 
那么,只要这三者能匹配起来,不仅粉碎机不会堵塞,电机不会被烧掉,不需要人工去清理粉碎机,还可以大大提高粉碎效率,大大降低耗电量。
 

矿石从矿山采下来,其大小是不可控的、随机的。但这种随机性,都符合一定的随机分布。怎么对矿石粒度大小进行估计呢,其实这个事情并不难。我们可以用抽样的方法,比如,用一个容器,随机从矿石堆里装一箱子矿石回来:

 

然后,把这些矿石,倒入一个多层的网筛:

这个网筛的每一层,筛目都不一样大。大的在上面,小的在下面。比如,这是五层网筛,最后一层A就是没有筛孔的:

矿石倒进网筛后,摇晃一下,让它们重复往下面落:

最大的矿石就留在了最上层,最细碎的(无需粉碎的)矿石,就落到了最下层。再把每层矿石的重量算出来。当然,如果能做一个直接称重的自动网筛,那就更省事了。那就可以弄个适配器,直接读取称重的数据,直接发到MixIOT系统了。

那么,这些称重有什么意义呢?这就是用来估算矿石大小分布的概率。具体的算法就不细说了,计算结果能让我们知道,100公斤矿石里面,A、B、C、D、E大概各是多少。
 
那么,我们只需要了解:
A是不用粉碎直接出去了的,就是落在四个储槽的量;
B是需要转一圈就可以被粉碎的;
C需要转两圈;
D需要转三圈;
E需要转四圈或以上。
 
这样就应该能算得出来,粉碎机应该使出多大的劲儿,螺旋输料机应该按什么送料速度往里推,就能达到整个粉碎机系统的整体优化了。
 
现在的问题是,矿石密度抽样多久做一次才行呢?其实采矿本来就很随机,密度分布总不会一成不变,但对同一批矿石来说,应该大致都是差不多的。
 

但是,毕竟矿石推进过程也是很随机的,那该怎么来判断呢?这就需要用到四个储槽了:

 

四个储槽的储量,就是A,也就是说,可以利用A的量(不停在变化),来估计B、C、D、E的量。这是因为在整个进料出料的过程中,我们并不知道一分钟进来了多少矿石,也根本无法采集到,但四个储槽的重量,是可以采集的,只要在四个储槽下面安装一个称重传感器,这是容易做到的。

 

利用重量变化数据,不仅可以计算出单位时间里面进料的实际总重量,还可以计算出A、B、C、D、E分别的重量:

 

通过这个重量,就可以去实时调整螺旋机输料速度,以及粉碎机的粉碎强度。为了实现这个目标,需要对之前的对应一览表做一些扩展:

 

 

我们把粉碎机电流(可控的)也对应出来,把螺旋输料机的输送速度(可控)也对应出来,然后,设定一个优化目标:

要么是:在相同耗电量(粉碎强度)的条件下和保证不堵塞的情况下,怎么调整螺旋输料机的推料速度,让粉碎量最大,也就是粉碎效率最高。
要么是:在同样矿石送料速度的条件下和在保证不堵塞的情况下,怎么调整粉碎机的粉碎强度,让粉碎机耗电量最低。
 
怎么去计算,就是另一回事了。如果大家看明白了这个例子,是不是会觉得,D&C、自动控制、实时监控、特征检测,这些其实是解决实际问题的不同侧面?
 
所以,解决一个实际问题,往往是很综合的,可能需要用到多个东西。比如这个粉碎机,创建一个实时监控保护项目是最底线的应用。再来一个 D&C应用,来做优化,何愁矿石粉碎机这个行业得不到提高?
 
其实,工业中,尤其是传统的工业中,太多太多的东西,跟粉碎机系统一样,需要有人去关注,并拿出技术方案。在国内很多矿场,采矿赚的钱,大部分基本上都交了电费,粉碎效率一直得不到提高,为了不堵塞,只能慢慢送料,虽然不堵机,但粉碎效率却下降了,可谓顾了头顾不了尾。这是现在国内传统工业领域的普遍现象,国家一直强调要去产能,就是因为这些领域确实是高能耗、高污染、低产出,既不赚钱又不安全,但却又是不得不存在的产业,如果我们能帮助到他们,就是为社会为国家做了贡献。
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