一文讀懂工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的礦業(yè)智能化應用

2018-05-10

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未來已來！一文讀懂工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的礦業(yè)智能化應用！

關于物聯(lián)網(wǎng)(IoT)，Kevin Ashton是這樣描述的：“如果計算機可以在沒有人干涉的情況下感知到物品的變化，我們將能夠跟蹤和記錄一切，并極大地減少浪費、縮小成本。我們可以知道物品需要什么時候更換、修理或者回收，也能了解它們的新舊程度。”

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是指將具有感知、監(jiān)控能力的各類傳感器或控制器以及移動通信、智能分析等技術融入工業(yè)生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)，從而大幅提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本和資源消耗，最終將傳統(tǒng)工業(yè)提升到智能化的新階段。隨著傳感技術日趨成熟、移動互聯(lián)迅速發(fā)展以及寬帶網(wǎng)絡日益普及，“萬物互聯(lián)”時代正在到來，行業(yè)巨頭們窺視到了巨大商機，尤其在制造業(yè)領域。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對企業(yè)的直接回報就是提高營運效率，一些企業(yè)已經(jīng)收到成效。例如，成都安爾法智控科技有限公司利用聯(lián)網(wǎng)三軸加速度振動傳感器及溫度傳感器，提前預判選煤及選礦設備故障，并進行預警，從而有效減少了非計劃停機。

●傳感器技術：價格低廉、性能良好的傳感器是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的基石。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要求更準確、更智能、更高效以及兼容性更強的傳感器技術。智能數(shù)據(jù)采集技術是傳感器技術發(fā)展的一個新方向。信息的泛在化對工業(yè)傳感器和傳感裝置提出了更高的要求。具體如，微型化：元器件的微小型化，要求節(jié)約資源與能源；智能化：具備自校準、自診斷、自學習、自決策、自適應和自組織等人工智能技術；低功耗與能量獲取技術：供電方式為電池、陽光、風、溫度、振動等多種方式。

由成都安爾法智控科技有限公司研發(fā)的三軸嵌入式振動傳感器（三向(X,Y,Z)振動傳感器），已經(jīng)開始應用了選煤廠和選礦廠的設備振動監(jiān)測，為設備狀態(tài)診斷和故障預警提供了硬件基礎。這款加速度計具備了用于工業(yè)設備振動監(jiān)測方面之更大積木位準解決方案的能力與可編程性，不僅體積小、整合度高，且成本更低。該三軸振動傳感器也提供了一組數(shù)字溫度傳感器、數(shù)字電源供應量測功能、以及峰值輸出擷取功能。

●設備兼容技術：大部分情況下，企業(yè)會基于現(xiàn)有的工業(yè)系統(tǒng)建造工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，如何實現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中所用的傳感器能夠與原有設備已應用的傳感器相兼容是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)推廣所面臨的問題之一。傳感器的兼容主要指數(shù)據(jù)格式的兼容與通信協(xié)議的兼容，兼容關鍵是標準的統(tǒng)一。目前，工業(yè)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡中普遍采用的如Profibus、Modus協(xié)議，已經(jīng)較好地解決了兼容性問題，大多數(shù)工業(yè)設備生產(chǎn)廠商基于這些協(xié)議開發(fā)了各類傳感器、控制器等。近年來，隨著工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡應用日漸普遍，當前工業(yè)無線的WirelessHART、ISA100．11a以及wIA—PA3大標準均兼容了IEEE802．15．4無線網(wǎng)絡協(xié)議，并提供了隧道傳輸機制兼容現(xiàn)有的通信協(xié)議，豐富了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的組成與功能。

●網(wǎng)絡技術：網(wǎng)絡是構成工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的核心之一，數(shù)據(jù)在系統(tǒng)不同的層次之間通過網(wǎng)絡進行傳輸。網(wǎng)絡分為有線網(wǎng)絡與無線網(wǎng)絡，有線網(wǎng)絡一般應用于數(shù)據(jù)處理中心的集群服務器、工廠內部的局域網(wǎng)以及部分現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡中，能提供高速率高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸通道。工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡則是一種新興的利用無線技術進行傳感器組網(wǎng)以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g，無線網(wǎng)絡技術的應用可以使得工業(yè)傳感器的布線成本大大降低，有利于傳感器功能的擴展，因此吸引了國內外眾多企業(yè)和科研機構的關注。

傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡技術較為成熟，在眾多場合已得到了應用驗證。然而，當無線網(wǎng)絡技術應用于工業(yè)環(huán)境時，會面臨如下問題：工業(yè)現(xiàn)場強電磁干擾、開放的無線環(huán)境讓工業(yè)機器更容易受到攻擊威脅、部分控制數(shù)據(jù)需要實時傳輸。相對于有線網(wǎng)絡，工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡技術則正處在發(fā)展階段，它解決了傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡技術應用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境時的不足，提供了高可靠性、高實時性以及高安全性，主要技術包括：自適應跳頻、確實性通信資源調度、無線路由、低開銷高精度時間同步、網(wǎng)絡分層數(shù)據(jù)加密、網(wǎng)絡異常監(jiān)視與報警以及設備入網(wǎng)鑒權等。

●信息處理技術：工業(yè)信息出現(xiàn)爆炸式增長，工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)來說是一個挑戰(zhàn)，如何有效處理、分析、記錄這些數(shù)據(jù)，提煉出對工業(yè)生產(chǎn)有指導性建議的結果，是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的核心所在，也是難點所在。

●安全技術：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安全主要涉及數(shù)據(jù)采集安全、網(wǎng)絡傳輸安全等過程，信息安全對于企業(yè)運營起到關鍵作用，例如在冶金、煤炭、石油等行業(yè)采集數(shù)據(jù)需要長時問的連續(xù)運行，如何保證在數(shù)據(jù)采集以及傳輸過程中信息的準確無誤是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用于實際生產(chǎn)的前提。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)構架的4個層次中網(wǎng)絡層和平臺層，多數(shù)也是架構在BAT或華為云等服務商。礦業(yè)智能化，重要的技術突破在于感知層和應用層。

① 感知層，有為礦山嚴峻工況環(huán)境定制的傳感器，各類智能感知設備，通行模組等硬件；

② 應用層，有懂采礦和選礦的管理人員全程參與設計和開發(fā)的各類應用和系統(tǒng)，比如：設備故障預警系統(tǒng)。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與普通物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)主要強調在生產(chǎn)和服務方面的應用，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)往往涉及更高價值的設備和自從，如能源、運輸、工業(yè)控制，同時對運行安全有更高的高俅；而普通的物聯(lián)網(wǎng)則更懂關注消費領域，如家居方面的應用。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建立在工業(yè)基礎設施上，用于提升而費替代原有的工業(yè)生產(chǎn)設備和設施。總的來說，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的子集，集中在生產(chǎn)方面的應用。

智能礦山-采選智能化

① 采礦智能化：采礦設備的遙控系統(tǒng)（手勢遙控操作，超視距遙控）。

② 選廠智能化：選煤廠，選礦廠無線故障預警及自適應調整智能化系統(tǒng)(基于物聯(lián)網(wǎng)的無線實時監(jiān)測系統(tǒng)）。

③ 智能電子皮膚：阿爾法腦電波安全頭盔（用于現(xiàn)場一線工作人員疲勞程度等生命體征監(jiān)測）。

推動礦業(yè)智能化的6大因素

① 廉價且靈敏度高的傳感器 – 如：安爾法的三軸振動加速度傳感器

② 更快的處理器

③ 可集成的開放平臺或礦業(yè)運控數(shù)據(jù)中心 – 安爾法礦業(yè)采選數(shù)據(jù)中心（建設中）

④ 數(shù)據(jù)分析和機器學習 – 故障預警應用

⑤ 更便宜的存儲

⑥ 采礦和選礦/選煤專業(yè)經(jīng)驗植入

綜上，傳感器，控制器和專用設備現(xiàn)在存在于網(wǎng)絡的邊緣，分配唯一的IP或網(wǎng)絡地址，收集數(shù)據(jù)和執(zhí)行大量通知和擴展企業(yè)能力的任務。這就是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)，它將改變制造業(yè)、運輸業(yè)、建筑業(yè)、采礦和能源行業(yè)。

為何業(yè)界會把把物聯(lián)網(wǎng)的聚焦點放在工業(yè)領域？

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模龐大：工業(yè)是國家財政收入的主要來源，其相關的產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模不容小覷。2016年，我國工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模為1896億元。預計到2020年中國工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模可以在4500億元左右，在我國整體物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中占比將達到25%。

投資回報高：基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧礦業(yè)解決方案供應商Alpha聯(lián)合創(chuàng)始人楊博表示，礦山企業(yè)若能有效使用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，他們的投資至少會有三倍回報。當然這是建立在企業(yè)可以“有效使用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)”的條件基礎上，即通過傳感器收集大量數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)分析結果采取對應行動。

產(chǎn)品和系統(tǒng)性能要求更高：相比于消費級物聯(lián)網(wǎng)設備，工業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)設備所處的環(huán)境較惡劣。這就要求其具備抵抗高溫、高濕、高腐蝕性等極端環(huán)境的能力，同時對其通信能力和電池壽命提出了較高要求。而在系統(tǒng)層面，一套工業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)會包含幾十億的數(shù)據(jù)點。未來在數(shù)據(jù)處理過程中，會更多采用邊緣計算+云計算的融合方案。

抓住發(fā)展良機！

中國不應錯失工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展良機，尤其是在礦業(yè)智能化應用領域！專業(yè)技術人才的短缺是礦業(yè)智能化發(fā)展面臨的重大瓶頸，還好，2018年排名全球QS第19位的中國礦業(yè)大學的礦業(yè)工程學科終于加開了“智能采礦”特色班，解決了專業(yè)人才短缺問題！

值得注意的是，盡管62%的受訪中國企業(yè)高管表示已制定了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略，但只有40%表示已進行了相關投資。中國的企業(yè)管理者和政策制定者可通過推廣物聯(lián)網(wǎng)應用的試驗、試點和示范項目，把物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略變?yōu)楝F(xiàn)實。

與此同時，中國礦山已展開了許多工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用實踐和智能化改造。例如，陜西陜煤黃陵礦業(yè)一號煤礦已實現(xiàn)智能化無人綜采工作面；中金黃金等公司實現(xiàn)了無軌采礦系統(tǒng)的遠程操控；陜西神木石窯店礦業(yè)實現(xiàn)了選煤廠設備故障智能預警……

2018年是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在中國的礦業(yè)應用元年，未來已來！