一文读懂工业物联网的矿业智能化应用

2018-05-10

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未来已来！一文读懂工业物联网的矿业智能化应用！

关于物联网(IoT)，Kevin Ashton是这样描述的：“如果计算机可以在没有人干涉的情况下感知到物品的变化，我们将能够跟踪和记录一切，并极大地减少浪费、缩小成本。我们可以知道物品需要什么时候更换、修理或者回收，也能了解它们的新旧程度。”

工业物联网是指将具有感知、监控能力的各类传感器或控制器以及移动通信、智能分析等技术融入工业生产各个环节，从而大幅提高生产效率，降低生产成本和资源消耗，最终将传统工业提升到智能化的新阶段。随着传感技术日趋成熟、移动互联迅速发展以及宽带网络日益普及，“万物互联”时代正在到来，行业巨头们窥视到了巨大商机，尤其在制造业领域。工业物联网对企业的直接回报就是提高营运效率，一些企业已经收到成效。例如，成都安尔法智控科技有限公司利用联网三轴加速度振动传感器及温度传感器，提前预判选煤及选矿设备故障，并进行预警，从而有效减少了非计划停机。

●传感器技术：价格低廉、性能良好的传感器是工业物联网应用的基石。工业物联网的发展要求更准确、更智能、更高效以及兼容性更强的传感器技术。智能数据采集技术是传感器技术发展的一个新方向。信息的泛在化对工业传感器和传感装置提出了更高的要求。具体如，微型化：元器件的微小型化，要求节约资源与能源；智能化：具备自校准、自诊断、自学习、自决策、自适应和自组织等人工智能技术；低功耗与能量获取技术：供电方式为电池、阳光、风、温度、振动等多种方式。

由成都安尔法智控科技有限公司研发的三轴嵌入式振动传感器（三向(X,Y,Z)振动传感器），已经开始应用了选煤厂和选矿厂的设备振动监测，为设备状态诊断和故障预警提供了硬件基础。这款加速度计具备了用于工业设备振动监测方面之更大积木位准解决方案的能力与可编程性，不仅体积小、整合度高，且成本更低。该三轴振动传感器也提供了一组数字温度传感器、数字电源供应量测功能、以及峰值输出撷取功能。

●设备兼容技术：大部分情况下，企业会基于现有的工业系统建造工业物联网，如何实现工业物联网中所用的传感器能够与原有设备已应用的传感器相兼容是工业物联网推广所面临的问题之一。传感器的兼容主要指数据格式的兼容与通信协议的兼容，兼容关键是标准的统一。目前，工业现场总线网络中普遍采用的如Profibus、Modus协议，已经较好地解决了兼容性问题，大多数工业设备生产厂商基于这些协议开发了各类传感器、控制器等。近年来，随着工业无线传感器网络应用日渐普遍，当前工业无线的WirelessHART、ISA100．11a以及wIA—PA3大标准均兼容了IEEE802．15．4无线网络协议，并提供了隧道传输机制兼容现有的通信协议，丰富了工业物联网系统的组成与功能。

●网络技术：网络是构成工业物联网的核心之一，数据在系统不同的层次之间通过网络进行传输。网络分为有线网络与无线网络，有线网络一般应用于数据处理中心的集群服务器、工厂内部的局域网以及部分现场总线控制网络中，能提供高速率高带宽的数据传输通道。工业无线传感器网络则是一种新兴的利用无线技术进行传感器组网以及数据传输的技术，无线网络技术的应用可以使得工业传感器的布线成本大大降低，有利于传感器功能的扩展，因此吸引了国内外众多企业和科研机构的关注。

传统的有线网络技术较为成熟，在众多场合已得到了应用验证。然而，当无线网络技术应用于工业环境时，会面临如下问题：工业现场强电磁干扰、开放的无线环境让工业机器更容易受到攻击威胁、部分控制数据需要实时传输。相对于有线网络，工业无线传感器网络技术则正处在发展阶段，它解决了传统的无线网络技术应用于工业现场环境时的不足，提供了高可靠性、高实时性以及高安全性，主要技术包括：自适应跳频、确实性通信资源调度、无线路由、低开销高精度时间同步、网络分层数据加密、网络异常监视与报警以及设备入网鉴权等。

●信息处理技术：工业信息出现爆炸式增长，工业生产过程中产生的大量数据对于工业物联网来说是一个挑战，如何有效处理、分析、记录这些数据，提炼出对工业生产有指导性建议的结果，是工业物联网的核心所在，也是难点所在。

●安全技术：工业物联网安全主要涉及数据采集安全、网络传输安全等过程，信息安全对于企业运营起到关键作用，例如在冶金、煤炭、石油等行业采集数据需要长时问的连续运行，如何保证在数据采集以及传输过程中信息的准确无误是工业物联网应用于实际生产的前提。

工业物联网构架的4个层次中网络层和平台层，多数也是架构在BAT或华为云等服务商。矿业智能化，重要的技术突破在于感知层和应用层。

① 感知层，有为矿山严峻工况环境定制的传感器，各类智能感知设备，通行模组等硬件；

② 应用层，有懂采矿和选矿的管理人员全程参与设计和开发的各类应用和系统，比如：设备故障预警系统。

工业物联网与普通物联网的区别

工业物联网主要强调在生产和服务方面的应用，工业物联网往往涉及更高价值的设备和自从，如能源、运输、工业控制，同时对运行安全有更高的高俅；而普通的物联网则更懂关注消费领域，如家居方面的应用。工业物联网建立在工业基础设施上，用于提升而费替代原有的工业生产设备和设施。总的来说，工业物联网是物联网的子集，集中在生产方面的应用。

智能矿山-采选智能化

① 采矿智能化：采矿设备的遥控系统（手势遥控操作，超视距遥控）。

② 选厂智能化：选煤厂，选矿厂无线故障预警及自适应调整智能化系统(基于物联网的无线实时监测系统）。

③ 智能电子皮肤：阿尔法脑电波安全头盔（用于现场一线工作人员疲劳程度等生命体征监测）。

推动矿业智能化的6大因素

① 廉价且灵敏度高的传感器 – 如：安尔法的三轴振动加速度传感器

② 更快的处理器

③ 可集成的开放平台或矿业运控数据中心 – 安尔法矿业采选数据中心（建设中）

④ 数据分析和机器学习 – 故障预警应用

⑤ 更便宜的存储

⑥ 采矿和选矿/选煤专业经验植入

综上，传感器，控制器和专用设备现在存在于网络的边缘，分配唯一的IP或网络地址，收集数据和执行大量通知和扩展企业能力的任务。这就是工业物联网(IIoT)，它将改变制造业、运输业、建筑业、采矿和能源行业。

为何业界会把把物联网的聚焦点放在工业领域？

工业物联网市场规模庞大：工业是国家财政收入的主要来源，其相关的产业市场规模不容小觑。2016年，我国工业物联网市场规模为1896亿元。预计到2020年中国工业物联网规模可以在4500亿元左右，在我国整体物联网产业中占比将达到25%。

投资回报高：基于物联网的智慧矿业解决方案供应商Alpha联合创始人杨博表示，矿山企业若能有效使用工业物联网，他们的投资至少会有三倍回报。当然这是建立在企业可以“有效使用工业物联网”的条件基础上，即通过传感器收集大量数据，对数据进行分析，根据分析结果采取对应行动。

产品和系统性能要求更高：相比于消费级物联网设备，工业级物联网设备所处的环境较恶劣。这就要求其具备抵抗高温、高湿、高腐蚀性等极端环境的能力，同时对其通信能力和电池寿命提出了较高要求。而在系统层面，一套工业级物联网系统会包含几十亿的数据点。未来在数据处理过程中，会更多采用边缘计算+云计算的融合方案。

抓住发展良机！

中国不应错失工业物联网发展良机，尤其是在矿业智能化应用领域！专业技术人才的短缺是矿业智能化发展面临的重大瓶颈，还好，2018年排名全球QS第19位的中国矿业大学的矿业工程学科终于加开了“智能采矿”特色班，解决了专业人才短缺问题！

值得注意的是，尽管62%的受访中国企业高管表示已制定了物联网发展战略，但只有40%表示已进行了相关投资。中国的企业管理者和政策制定者可通过推广物联网应用的试验、试点和示范项目，把物联网战略变为现实。

与此同时，中国矿山已展开了许多工业物联网应用实践和智能化改造。例如，陕西陕煤黄陵矿业一号煤矿已实现智能化无人综采工作面；中金黄金等公司实现了无轨采矿系统的远程操控；陕西神木石窑店矿业实现了选煤厂设备故障智能预警……

2018年是工业物联网在中国的矿业应用元年，未来已来！