智能礦山信息化建設實施與應用探討

趙 奕,韋永蘭,石 磊,丁 濤

(中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

0 引言

全球礦業正在經歷新的信息化、智能化革命。加快推動人工智能、大數據、物聯網、云計算等新一代信息通訊技術(ICT)在礦業的應用,推動采礦業信息化、智能化,實現礦業綠色發展,已成為國內國際市場的迫切需求。信息化作為智能礦山建設的關鍵一環,起著承上啟下、融會貫通的作用。因此,在信息化建設項目啟動前,必須先明確信息化建設的目標,了解信息化項目的實施方法,才能實施好、應用好信息化項目。

1 信息化建設是智能礦山的必然選擇

以數字礦山和自動化礦山為基礎,利用系統工程理論、物聯網、大數據和人工智能等技術,構建礦山信息物理系統,充分挖掘和利用礦山從勘探、建設和生產過程中產生的各種數據,建立物理礦山和其虛擬模型、經濟模型的映射關系,提升礦山全過程的自動化生產和最優決策水平,達到資源利用率和資產效率的最大化,實現礦山安全、高效生產。

智能礦山建設是基于空間和時間的四維地理信息、泛在網、云計算、大數據、虛擬化、計算機軟件及各種網絡,集成應用各類傳感感知、數據通信、自動控制、智能決策等技術,對礦山信息化、工業自動化深度融合,能夠完成礦山企業所有信息的精準適時采集、高可靠網絡化傳輸、規范化信息集成、實時可視化展現、生產環節自動化運行,能為各類決策提供智能化服務的數字化智慧體,并對人-機-環的隱患、故障和危險源提前預知和防治,使整個礦山具有自我學習、分析和決策能力。

智能礦山以現代信息、控制技術和先進裝備為基礎,其內涵包括實現現場設備智能化、固定設施無人化、生產流程一體化、運營管理統一化,使礦山安全、綠色、高效運營,最終構建智能化無人礦山。

2 智能礦山信息化建設的目標

智能礦山的建設目標是通過生產自動化、管理信息化,實現礦山的高效生產運營管理,最終建設安全、綠色、高效的智能礦山。

智能礦山信息化建設的本質是利用先進的技術和數字化的工具取代傳統礦山的生產管理模式和人工業務流程,實現對礦山生產的信息化管理與控制。信息化建設的最終目標是實現管理扁平化、業務標準化、工具數字化、數據可視化、決策智慧化。

(1)管理扁平化

圖1 智能礦山建設目標

傳統礦山的組織管理體系復雜,組織機構交叉、職能重疊,造成了生產指令上傳下達的滯后和模糊,已經不能適應當前礦山安全、綠色、高效生產的需求。通過信息化技術和工具可以對礦山的組織管理體系進行重構,可以有效減少人為的管理瓶頸,優化組織架構,簡化管理流程,實現智能礦山扁平化管理。

(2)業務標準化

傳統礦山的生產調度管理、指令下達通過常規有線通信排班計劃進行管理。信息化建設通過數字化工具(無線通信器、平板電腦等),將生產計劃和任務工單直接下達至每位操作人員手中,操作人員根據任務工單開展工作并在任務完成后,對工單進行在線填報提交,系統即可自動生成當班的工作記錄。實現礦山的無紙化、數字化在線管理,建立標準化的智能礦山業務流程。

(3)工具數字化

傳統礦山的生產數據統計、分析及報告都是通過人工進行統計、計算的,往往避免不了人為因素干擾和數據紕漏;如今,通過數字化工具/自動生成報告的應用,所有的數據統計分析都由信息系統自動生成,確保了數據的可靠性、準確性、及時性,為企業的生產管理提供了高效的決策依據。

(4)數據可視化

數據是礦山生產的關鍵因素,通過數據可以了解整個礦山的生產過程、生產指標、安全環保等關鍵生產信息。因此數據展示的準備性、易讀性非常重要,數據呈現的最終形式應能最大滿足各崗位的管控需求,實現按需所示,一崗一圖,而不是大數據的堆砌,讓使用者從海量的數據中查詢自己所需的信息。

智能礦山信息建設能夠用表格、電子儀表看板等多種方式展現數據,并且針對其中的異常數據發出警報,以便礦山管理人員利用。數據的提取和查詢、報表的應用簡單化、可視化,還可以以三維、虛擬現實等多種數字化形式展現。

(5)決策智慧化

信息化建設的最終目標是為生產管理服務,它可以提高生產制造的效率,改善企業的業務績效及盈利表現。這一切通過對涵蓋整個企業的生產實時信息的處理、分析和展現得以實現。這使企業IT 人員,車間主任及生產經理可以基于當前準確的信息做出更快更好的管理決策。

3 信息化建設實施方法

信息化建設實施方法在項目的整個生命周期分為如下四個階段:用戶需求調研與分析、項目策劃與設計、項目開發與部署、項目優化與維護。

(1)用戶需求調研與分析

用戶需求調研是項目執行的關鍵一環,明確其實際需求,才能切實制定針對性的方案、計劃和信息化項目建設目標,滿足其生產管理需要。在用戶需求調研結束后,應分析整個礦山生產和管理流程,理解其在生產管理上的痛點、難點和關鍵需求。目標是將需求和項目交付的功能做出對應關系,同時定義實施策略。

(2)項目策劃與設計

策劃階段相當于初步設計的功能,定義整個項目的策略和具體實施步驟,根據上面需求分析的內容詳細定義項目實現功能的界限和范圍。文檔化生產管理流程,包括業務流程和操作流程、項目的實施計劃,如詳細時間表,其中有定期的用戶方溝通時間、內容,需要考慮用戶方的生產周期、節假日等因素。整個初步設計文檔序列將由用戶方項目小組確認,并作為項目的基準。

設計階段是項目實施過程至關重要的階段,其內容直接影響到交付功能是否符合需求和用戶的滿意度。在此階段將確定最終的詳細技術架構,實現前面初步設計列出的交付功能的方法等。此階段需要有進一步的用戶溝通,牽涉到所有相關部門,如IT、工藝、設備、質量、安全等。

(3)項目開發與部署

在開發階段,將在此項目設計基礎上建立系統的模型。系統模型的建立和使用將大大減少最終系統部署的風險。在多次了解現有流程和需求功能的前提條件下,通過建立系統模型來對各項功能的技術實現進行設計確認,并可作為所有二次開發或組態的方法和標準。系統應用培訓將考慮到用戶方的不同人員角色和技能,分別處理。最終的操作人員是系統應用成功的關鍵因素,現場操作人員的使用情況將對整個生產管理起到決定性的作用。讓所有操作人員正確使用系統并提出積極反饋,是通過培訓和教導的知識轉移過程。

項目安裝和部署最主要的目標是將系統與礦山日常業務合為一體。通過用戶方領導層的大力支持。積極推動關鍵績效指標、作業流程的持續改善與管理人員的直接支持分不開。在系統投運階段將完成。

(4)項目優化與維護

項目優化階段是對投運的項目的微調過程,在此階段,為了更好地利用關鍵生產數據KPI,實施方的顧問將幫助解決用戶方在項目的數據分析和使用上的問題,以此來幫助用戶方最大化信息化項目的收益。

4 信息化建設項目應用案例分析

4.1 BMA 項目

4.1.1 項目簡介

BMA 是必和必拓與三菱合資的聯合體,位于澳大利亞昆士蘭中部的煤炭資源豐富的鮑文盆地,是澳大利亞最大的煤炭生產商,擁有每年超過5 500萬t 煤炭的生產能力,向23 個國家的90 家客戶出口大量煤炭。

4.1.2 面臨的問題

(1)操作信息質量無法保證:手動數據嚴重滯后、對KPI 的計算不一致、調試KPI 時缺乏清晰性。

(2)操作數據的及時性:發現異常事件和其它問題不能及時反饋。

(3)數據采集和生產報表的成本過高:兩倍的處理數據、月末提交生產報告需要花費很多時間。

4.1.3 解決方案

項目采用了AVEVA 公司礦山數據分析軟件Ampla 用于對礦山生產數據分析與信息化管理。Ampla 在全球大量礦山應用系統中成功應用,包括力拓、必和必拓、淡水河谷等多家礦業巨頭。

(1)用戶選擇Ampla 軟件的原因:成熟的產品應用;能準確捕獲延遲,并為用戶提供向這些延遲事件記錄添加值的方法;在同一客戶端接口中進行延遲分析和KPI 計算;通過web 服務訪問數據的能力;具有煤炭行業經驗的交付團隊。

(2)系統構成:一臺“企業級”Ampla 服務器、一臺中心數據源(Honeywell PHD)、7 座礦山、1 個港口、大約350 個RP 授權報告點、70 GB 的數據存儲庫。

(3)數據應用:項目采用了三種Ampla 模塊用于數據采集與分析:①Downtime 停機模塊:停機、慢速運行。②Metrics 績效模塊:可用性、利用率等;時間使用模型。③Production 生產模塊:總噸數和產量,操作(人員、班次、產品類型等)。

4.1.4 用戶收獲

(1)跨多個站點的一致和及時的數據捕獲和報告。

(2)能在較短時間對各個礦山的生產運營數據針對性比較。

(3)低TCO(運營總成本),系統穩定、可升級。

(4)Ampla 日報是BMA 每日最重要的參考文件。

(5)ROM 的(壓碎站)在煤炭處理過程中一直被視為瓶頸,Ampla 的數據分析使BMA 能夠判斷出,由于缺乏采礦供應導致整個業務的破碎站利用率不佳。因此,企業將引導至煤層恢復工作,而不是增加ROM 的容量。

圖2 BMA 項目總體架構

圖3 BMA 項目生產&延時分析報告

4.1.5 經驗總結

(1)具有程序/項目執行成熟度的客戶將獲得成功的結果。

(2)正確的用戶需求激發、變更管理和用戶培訓是系統的關鍵因素。

(3)保持簡單!關注Ampla 應用程序可以交付客戶的價值,而不需要過度定制。

(4)從長遠來看,可持續的Ampla 解決方案主要是在產品的范圍內構建的。

(5)系統要提前做好,前期調研、設計非常重要。

(6)軟件系統使用后、生產報告、業務流程、管理模式必須適用于系統。

(7)每個系統是定義特定問題,每個用戶有自己的需求,是兩種相互影響的因素,如何找到一個平衡點常重要。針對用戶需求,可以改變系統設計。在中國,改變系統→適應用戶;在國外,改變用戶→適應系統。

(8)公司的業務決定了系統選擇,系統需要實現用戶需求,用戶根據需求選擇系統,系統供應商通過配置來實現用戶需求。

(9)管理體系、管理規章制度要按系統執行;系統提供精確的數據給用戶提供決策依據,確保決策準確。

(10)系統實施:開始時沒有自動系統,所有數據需人工錄入系統,逐漸到控制系統采集、數據庫采集。當人員了解系統功能后,系統可以更好幫助人員實現生產操作、維護與管理。目前操作員、管理人員都在使用Ampla,所有數據都采集至系統,數據鏈上每個環節都重要。

(11)系統實施建議:①引入一個系統專家,用戶提出需求→專家看如何實現;②用戶團隊。用戶必須要培養一個內部團隊,用于項目的運行、數據拓展完善。

(12)總結

①Ampla 使數據變得簡單,提煉有效信息,消除垃圾信息。

②Ampla 幫助企業提高了效率,它集成了BMA等企業的生產、管理等實踐經驗,推廣至其它公司,使企業管理更加高效。

③Ampla 在持續升級,開始配置Ampla 時,會覺得太多細節且復雜,建議先梳理配置過程,完成一個配置,再配置下一個。

④數據驗證——確保數據的準確性

操作員手動錄入/系統自動錄入,班長審核驗證。數據驗證要在每班完成,需要通過管理制度確保上述操作的執行。

⑤Ampla 數據分析、展現通過Studio、Report 等,對外展現則通過Dashboard、ERP 等其它軟件。10多年前,BMA 剛啟用Ampla 時還沒有設備報表,現在信息化發展過程中,增加了許多功能。用戶BMA知道自己的需求,可以和系統一起發展。

⑥需要建立專門的團隊進行數據分析。

4.2 Sibelco Australia 項目

4.2.1 項目簡介

Sibelco Australia 項目生產和銷售一系列的鎂砂產品。這項業務的主要活動是:在昆瓦拉地區的昆瓦拉山開采、預濃縮和選礦,位于澳大利亞昆士蘭中部的羅克漢普頓以北70 公里處,在三個國家有業務,Ampla 于三年前開始啟動,二年前應用,在運營管理方面可以幫助用戶。

項目采用了三個Ampla 模塊,6 個報告點。

(1)Metrics 基于Downtime 和Production 數據,利用率OEE、波動率、關注主要設備。

(2)Downtime 捕獲停機事件(包括虛擬停機):機械的、電氣的、操作的、外部的。

(3)Production 生產數據:記錄濃縮工藝效益、產量及相關屬性;用于生產、交接班記錄。

4.2.2 與BMA 項目的不同

(1)操作人員、維護人員、管理人員都在使用Ampla;BMA 項目只有分析改善團隊使用Ampla,管理團隊僅看報表。

(2)設備維護人員通過查看Downtime,思考如何通過措施減少停機。

(3)不僅要保證數據正確,還要進行管理活動,用了Ampla 全部功能進行決策、報告。

(4)要保證數據正確→再通過其它軟件處理數據。

圖4 現場生產日報

4.2.3 經驗分析

(1)做項目前應明確使用Ampla 平臺的作用及使用人群。

(2)Ampla 是一款強大又使用靈活的工具,可根據用戶的需求采集和處理數據,尤其在停機模塊,通過分析數據,不同人員可以看到想要的信息。

(3)通過停機模塊,可以計算損失,并可分析出影響產能的主要因素。未使用Ampla 平臺前停機很多,但不了解相關情況。使用Ampla 平臺后可以度量停機事件并分析原因。發生停機后,操作人員可以點擊查看,查看原因,未進行其他操作,Ampla平臺已自動生成。

(4)兩個控制點,回收率/產量要達到平衡,通過操作員實現。

(5)每一班,交班生產數據不一樣,可以分析這些數據,做到有的放矢。

(6)現場可視化

數據從上到下非常暢通,所有人都可依據數據工作。以前則比較困難,以前都是手動做每天的生產→周報→年報。現在Ampla 自動生成這些報告。每天7:00 及19:00 自動生成報告,包括實際產量、預測產量、工序、班組信息等。生成什么樣的報告需要明確,班報、月報的數據來自績效管理點,通過選擇時間節點,自動生成周報、月報。

5 結束語

總之,智能礦山信息化建設應明確信息化只是工具,是人員使用工具,因此怎么使用信息化工具、用好信息化工具是關鍵因素。信息化建設不僅是生產技術的提升,更是管理理念、管理業務流程、管理制度、管理體系的綜合建設,沒有與之適應的管理體系,就像缺乏潤滑劑的機械設備一樣,無法保證安全、穩定、高效運轉。

5.1 信息化建設實施前提

(1)用戶明確自身的需求

根據項目特點和用戶需求,統一規劃整個項目擬采用的應用模塊,由簡入手,先完成必要的應用模塊建設,再擴展到全部應用。

對用戶的要求:用戶應明確需求,信息化項目要建設哪些內容?什么時間建?信息化要做到什么程度?各礦山的組織結構和人員崗位不同,現有的人工手段不利于管理提升。組織架構怎么改?傳統操作流程如何改?信息化建設需要對組織架構進行相應的優化調整。系統上不上,上到什么程度。需要定好以后,再決定實施。信息化促進管理提升,現有的調度管理達不到智能礦山的要求。數據、信息割裂,應要想好怎么改。

(2)組織架構重構

組織管理體系轉變:數據底層搭建,生產單元管理,管理職責都要變。傳統機構設置,人才儲備問題。班組生產單元發生變化。歸根結底:現有各個部門各自為政,缺乏整體意識,這和當前的組織管理架構、考核制度都有關系,為了礦山的統一管理,長遠發展,現有考核制度也需要進行變革。要把更多精力到用到穩定生產上,實現礦山一體化生產運營管理、從資源儲備、生產計劃、選礦品位,統一考慮,實現全礦區生產流程一體化運行管理。理念不轉、從上往下,不下決心,不可能推進。應明確信息化建設的方向、目標、路徑,當前的手段、技術滿足都可以滿足礦山需求,技術已經不是問題,關鍵是管理的轉變。

(3)管理理念轉變

怎么用生產信息管理系統和用好生產信息管理系統非常重要,有了一套先進的生產信息管理系統,而沒有把它用好是失敗的,這是中國企業的通病。如何通過生產信息管理系統提升企業的管理、改變企業的管理體系是面臨在每個中國企業前的迫切問題。為何改變、如何改變、怎么改變,是生產信息管理系統體系適應企業管理還是企業管理適應生產信息管理系統體系,如何走出這一步非常關鍵。企業要思考為什么西方的企業往往自動化水平、管理水平高,人員少,這些都是通過生產信息管理系統,管理制度共同實現的。

(4)管理制度轉變

用戶的管理體系要和信息化項目相融合,建立一套適合用戶管理體系和信息化運營管理、標準化業務流程的管理制度。在這個制度下,建立生產管理系統和人員崗位運營架構。并形成完善的管理制度。

5.2 信息化項目實施原則

(1)用戶需求要明確,盡量不要經常改變。

(2)每一個階段完成后可進行階段驗收。

(3)有了新的設計方案時,不應在設計階段進行修改,否則,用戶將不承認,費用也無法出;應將方案提交到評估調研階段,由用戶確認后,簽訂新合同后再往下執行。

(4)用戶如有新的需求則需要簽訂新的補充合同。