一文讀懂工業物聯網的礦業智能化應用

2018-05-10

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未來已來！一文讀懂工業物聯網的礦業智能化應用！

關于物聯網(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?！?/p>

工業物聯網是指將具有感知、監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生產各個環節，從而大幅提高生產效率，降低生產成本和資源消耗，最終將傳統工業提升到智能化的新階段。隨著傳感技術日趨成熟、移動互聯迅速發展以及寬帶網絡日益普及，“萬物互聯”時代正在到來，行業巨頭們窺視到了巨大商機，尤其在制造業領域。工業物聯網對企業的直接回報就是提高營運效率，一些企業已經收到成效。例如，成都安爾法智控科技有限公司利用聯網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物聯網應用的基石。工業物聯網的發展要求更準確、更智能、更高效以及兼容性更強的傳感器技術。智能數據采集技術是傳感器技術發展的一個新方向。信息的泛在化對工業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的三軸嵌入式振動傳感器（三向(X,Y,Z)振動傳感器），已經開始應用了選煤廠和選礦廠的設備振動監測，為設備狀態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設備振動監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字溫度傳感器、數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，企業會基于現有的工業系統建造工業物聯網，如何實現工業物聯網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物聯網推廣所面臨的問題之一。傳感器的兼容主要指數據格式的兼容與通信協議的兼容，兼容關鍵是標準的統一。目前，工業現場總線網絡中普遍采用的如Profibus、Modus協議，已經較好地解決了兼容性問題，大多數工業設備生產廠商基于這些協議開發了各類傳感器、控制器等。近年來，隨著工業無線傳感器網絡應用日漸普遍，當前工業無線的WirelessHART、ISA100．11a以及wIA—PA3大標準均兼容了IEEE802．15．4無線網絡協議，并提供了隧道傳輸機制兼容現有的通信協議，豐富了工業物聯網系統的組成與功能。

●網絡技術：網絡是構成工業物聯網的核心之一，數據在系統不同的層次之間通過網絡進行傳輸。網絡分為有線網絡與無線網絡，有線網絡一般應用于數據處理中心的集群服務器、工廠內部的局域網以及部分現場總線控制網絡中，能提供高速率高帶寬的數據傳輸通道。工業無線傳感器網絡則是一種新興的利用無線技術進行傳感器組網以及數據傳輸的技術，無線網絡技術的應用可以使得工業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和科研機構的關注。

傳統的有線網絡技術較為成熟，在眾多場合已得到了應用驗證。然而，當無線網絡技術應用于工業環境時，會面臨如下問題：工業現場強電磁干擾、開放的無線環境讓工業機器更容易受到攻擊威脅、部分控制數據需要實時傳輸。相對于有線網絡，工業無線傳感器網絡技術則正處在發展階段，它解決了傳統的無線網絡技術應用于工業現場環境時的不足，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、網絡分層數據加密、網絡異常監視與報警以及設備入網鑒權等。

●信息處理技術：工業信息出現爆炸式增長，工業生產過程中產生的大量數據對于工業物聯網來說是一個挑戰，如何有效處理、分析、記錄這些數據，提煉出對工業生產有指導性建議的結果，是工業物聯網的核心所在，也是難點所在。

●安全技術：工業物聯網安全主要涉及數據采集安全、網絡傳輸安全等過程，信息安全對于企業運營起到關鍵作用，例如在冶金、煤炭、石油等行業采集數據需要長時問的連續運行，如何保證在數據采集以及傳輸過程中信息的準確無誤是工業物聯網應用于實際生產的前提。

工業物聯網構架的4個層次中網絡層和平臺層，多數也是架構在BAT或華為云等服務商。礦業智能化，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的各類應用和系統，比如：設備故障預警系統。

工業物聯網與普通物聯網的區別

工業物聯網主要強調在生產和服務方面的應用，工業物聯網往往涉及更高價值的設備和自從，如能源、運輸、工業控制，同時對運行安全有更高的高俅；而普通的物聯網則更懂關注消費領域，如家居方面的應用。工業物聯網建立在工業基礎設施上，用于提升而費替代原有的工業生產設備和設施?？偟膩碚f，工業物聯網是物聯網的子集，集中在生產方面的應用。

智能礦山-采選智能化

① 采礦智能化：采礦設備的遙控系統（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(基于物聯網的無線實時監測系統）。

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

推動礦業智能化的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運控數據中心 – 安爾法礦業采選數據中心（建設中）

④ 數據分析和機器學習 – 故障預警應用

⑤ 更便宜的存儲

⑥ 采礦和選礦/選煤專業經驗植入

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

為何業界會把把物聯網的聚焦點放在工業領域？

工業物聯網市場規模龐大：工業是國家財政收入的主要來源，其相關的產業市場規模不容小覷。2016年，我國工業物聯網市場規模為1896億元。預計到2020年中國工業物聯網規?？梢栽?500億元左右，在我國整體物聯網產業中占比將達到25%。

投資回報高：基于物聯網的智慧礦業解決方案供應商Alpha聯合創始人楊博表示，礦山企業若能有效使用工業物聯網，他們的投資至少會有三倍回報。當然這是建立在企業可以“有效使用工業物聯網”的條件基礎上，即通過傳感器收集大量數據，對數據進行分析，根據分析結果采取對應行動。

產品和系統性能要求更高：相比于消費級物聯網設備，工業級物聯網設備所處的環境較惡劣。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。而在系統層面，一套工業級物聯網系統會包含幾十億的數據點。未來在數據處理過程中，會更多采用邊緣計算+云計算的融合方案。

抓住發展良機！

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

值得注意的是，盡管62%的受訪中國企業高管表示已制定了物聯網發展戰略，但只有40%表示已進行了相關投資。中國的企業管理者和政策制定者可通過推廣物聯網應用的試驗、試點和示范項目，把物聯網戰略變為現實。

與此同時，中國礦山已展開了許多工業物聯網應用實踐和智能化改造。例如，陜西陜煤黃陵礦業一號煤礦已實現智能化無人綜采工作面；中金黃金等公司實現了無軌采礦系統的遠程操控；陜西神木石窯店礦業實現了選煤廠設備故障智能預警……

2018年是工業物聯網在中國的礦業應用元年，未來已來！