首钢集团有限公司矿业公司
首钢集团有限公司矿业公司（以下简称“首钢矿业公司”）位于河北省迁安市、迁西县境内，是首钢重要的原料基地。自1959年建矿以来，经过几十年的生产建设，已发展成为以采矿、选矿为主业，兼营资源综合利用产业、绿色物流运输产业、矿山装备制造、矿山技术服务等相关产业，集生产、科研、开发为一体的特大型现代化矿山企业。公司拥有大石河铁矿、水厂铁矿、杏山铁矿、唐首马铁矿、马城铁矿五个铁矿生产基地。首钢矿业公司秉承“首钢为首”的创新基因，致力于数字矿山向智能矿山转型，以“现场无人化、操控集约化、管理智慧化”为目标，以一张图理念为主线，推进“智能采矿、智能选矿、智能运输、智慧管理”四大平台建设，推进企业高质量发展。首钢矿业公司现有在岗职工近8000人，年矿石生产能力4000万吨以上，年产精矿粉500万吨，全年销售收入138亿元，上缴利税总额10亿元。
（一）建设智能矿山是行业变革发展的必然选择
2016年《全国矿产资源规划（2016-2020年）》明确提出加快建设数字化、智能化、信息化、自动化矿山。2017年《安全生产“十三五”规划》要求矿山领域实施“机械化换人，自动化减人”。2018年出台智慧矿山信息系统技术规范，规定智慧矿山信息系统通用技术要求。随着国家政策的导向，科学技术的不断进步，建设智能矿山，推进企业高质量、高效益、安全、绿色发展已经成为行业的共识，是矿山行业抢占发展制高点的必然趋势。
（二）矿业公司第三次大发展提供了机遇
随着马城、马矿、水厂等多个地采矿山的建设及综合利用产业的发展，矿业公司面临着第三次大发展的战略机遇，同时，新产业、新产线的投入面临着2000多人的人员缺口。通过一张图理念的创建，整合原有不同时期建设的独立的自动化系统，提升产线智能化水平，推进操控集约化，为管理人员搭建现场化、一体化、可视化的管理平台，释放现有产线的人力资源；
管控新建产线的工艺、设备配置，将现有成熟技术移植到新建产线，最大限度减少新产线的人员配置，是解决人力资源缺口的急迫需求。
（三）智能矿山建设的深入奠定了基础
2019年，首钢矿业公司打破专业之间、专业与厂矿之间的界限，在公司范围内成立智能采矿、智能选矿、智能运输三个智能矿山课题研究小组，系统的研究智能矿山标志标准、实现途径，梳理现状，2020年智能矿山建设写入公司职代会，全面启动智能矿山建设。经过两年来的探索与实践，智能矿山建设顶层设计及管理体系不断完善。两年来，实施项目近百项，不断完善现场硬件设施，推进现场无人化，以裴庄资源综合利用产线为试点，以一张图理念为指引，实施了工控一张图操控系统和管理一张图实时监控分析系统，取得了较好的经济和管理效果，为一张图理念的推广应用奠定了基础。
（四）数字化专业管理提出了需求
传统的管理模式基于汇报和检查，基层各级管理人员将生产、设备、能源、质量、成本等报表通过电子、纸质、信息系统等方式上报给上级专业，时间周期一般为日、周或月，上级专业对报表进行分析，做出指导意见反馈厂矿，日常对厂矿进行检查。这种管理模式流程长，人工录入数据造成工作量大，可能出现数据错误等各种问题，管理人员不能及时掌握产线运营情况，无法做到及时管控。自动采集生产中的各类数据，集成专业管理平台信息，搭建面向产线的现场化、一体化、可视化的管理环境，运用数字化手段实时掌控产线生产运营分析情况，智能预警、辅助分析，是提高产线生产效率、提高产线经济运行水平的有效手段和需求。
在矿业公司智能矿山建设过程中，以“无人工厂”为目标、以裴庄建材产线为试点，探索智能产线建设。实践中逐步形成、创建了一张图管控理念。
一张图管控理念的内涵：搭建工控一张图操控系统和管理一张图监控分析系统。工控一张图是现场操控系统，目的是将产线所有设备集中到一张图上，实现一个产线一个指挥中心集中控制，引领推进现场硬件升级改造，监控人工调控频次，总结操控点、操控规则、形成控制模型，推进各产线“现场无人操作、一键经济启停、流程自主调控”，提升产线智能化运行水平；
管理一张图是网络版监控分析系统，目的是深度融合产线现场数据及专业管理平台信息，搭建网络版可视化、现场化监控平台，实时掌控各产线运行状态，自动分析产量、设备、质量、能源、销售、成本等情况，推进到工序流程的全要素动态精益管控，提升产线经济运营水平。主要做法包括：
（一）强化顶层设计，规范一张图建设
2022年，矿业公司在裴庄产线两个一张图建设取得较好效果的基础上，为规范其它产线两个一张图推广应用，制定了《首钢矿业公司“一张图”建设规范》，明确了建设理念、建设目标、页面布局、数据采集的原则和展示模式、运营分析各模块设置目的及规范。建设规范的发布为推动矿业公司以“两个一张图”为载体进行智能矿山建设奠定了基础。
图1 “一张图”建设规范
（二）搭建工控一张图操控系统，推进无人产线
1.管控新建产线设施配置，实现集中操控
新建产线，在系统建设时，对照智能矿山建设标准，确定“现场无人操作、一键经济启停、流程自主调控”的目标，按此原则开展自动化系统设计，实现产线所有流程设备具备自动化控制接口，每台套设备均可实现远程集中控制，通过配置设备自保护、联锁启停、运行参数自动采集、自动运行等功能，生产过程中无需人工现场操作。裴庄产线建设过程中，打破传统逆料流启车，顺料流停车的模式，以5个“缓冲仓”为控制分界点，将整个产线划分为6段独立工序控制单元，并进一步将6段独立的单元控制程序进行集成统一，即能实现独立单元单独控制，又能实现整个产线一键经济启停，同时将破碎、除尘、制砂楼、装车站等多套单体设备进行了集成控制，实现了整条产线的一键控制。
2.整合原有分散系统，推进操控集约化
按照“大流程”“大工序”理念，将相关、相近的上下道工序流程进行整合，最大限度精干组织机构、压缩管理层级，重塑生产组织模式。搭建大石河水源、水厂选矿、大石河选矿、杏山铁矿5套工控一张图操控系统，实现各产线所有设备在一张图上集中操控，整合组织机构和集控人员，向科学的组织模式要效率，向现场精细化管控要效率，促使全域生产效率提升。杏山铁矿一张图操控系统，整合主井、副井、破碎、通风、排水、电机车运输、地面干选、建材产线、人员定位等子系统，可在一个界面上实时监控整个杏山铁矿的生产情况，并预留单体设备接口，具备运行状态、位置等信息后陆续接入到系统中，并可对各子系统进行控制，极大地方便了生产指挥（见图2）。
图2 杏山工控一张图操控系统
3.实施一键启停，促进经济运行
系统整合后，打破原来车间、子系统中间的壁垒，从大工序的角度出发，研究各子系统间的控制逻辑，实施整个流程的一键经济启停，改变传统的顺物料停车、逆物流启车的控制模式，充分利用中间仓、液位池等，实现全流程一键经济启停。裴庄产线建设时，充分利用中间仓料位，设置四个控制点。自动控制仓上、仓下设备的启停，开机时判断中间仓仓位，达到设定值时下道工序自动开机，避免设备空转，停机时，相关设备物料出空后自动停机，从而实现了流程的经济运行。
4.应用数学模型，推进自主调控
自主调控能力是产线智能化水平高低的体现。生产中，随着各种条件的变化，需要进行调节来稳定生产，如人工进行干预、调节，一是造成人工工作量大，二是生产不稳定。通过摸索控制点、总结控制规则，应用数学模型，实现自动调整，是提高产线稳定生产、提升生产效率、降低人工工作量的必然选择。大石河水源系统由张官营、西里铺两个加压泵站和42口深井组成，改造前由两个加压泵站的集控岗位进行远程控制深井泵、加压泵的启停、倒泵等操作。对系统进行整合后，取消人为操作，实现了水源系统全自主经济运行。深井控制以蓄水池水位为控制目标，自动计算各个水泵供水能力，自动轮换深井泵，实现用电峰期低水位运行、用电谷期高水位运行。加压泵控制以管网末端压力为控制目标，自动调整供水压力，轮换加压泵，彻底改变人工操控模式，释放人力资源，提高了供水系统的及时性、经济性、可靠性。
裴庄产线投入运行之初，虽实现了一键经济启停，但生产情况变化大，过程中人为调控较多，集控人员工作强度大。针对这一问题，瞄准人工调控内容，开发了人工调控统计报表，通过报表分析，按照重点突破的原则，一个模型一个模型的开发、测试，到目前为止，两条建材产线已有21个调控模型取得成功应用。统计裴庄产线不同阶段人工调控次数，即可明显反应控制模型的显著效果。2021年2月22日12-16时4个小时内，人工调控次数为160次；
而2022年2月23日20点至24日16点，人工调控次数仅为2次。同时，开发过程中还改变了以往只从单点考虑的控制模式，综合考虑工序间的逻辑关系，多个复杂的控制模型应用，均取得了较好的控制效果，促进生产稳定运行。
5.持续优化完善，提升辅助工序智能化水平
主体设备及主工序实现一张图集中操控、自主调控的预期目标后，即将目标转向辅助工序。对各产线人工作业环节按照工序、流程、岗位、作业频次、作业时间等内容进行梳理，研究自动化、信息化可替代措施，并提出解决方案，并逐步推进落实，取得较好效果，有效释放现场人员，提升智能化水平。水厂破碎站自动监翻，通过RFID车号识别、AI大块识别、控制模型的应用，实现破碎站翻卸指挥的自动控制，取代人工指挥，同时采集车辆数据用于生产分析；
针对日常人工巡检内容，通过加装温度、压力、液位检测方式，变定期检测为实时监测，由人工汇报变为自动预警，大石河、水厂破碎、球磨系统的智能监控项目均取得较好效果，减少岗位工作量；
照明实现远程控制，既取消了现场人工操作，也起到了节能降耗的作用。
6.强化系统智能联控，提升风险防控
智能矿山建设带来的不仅仅是技术上的提升，更是管理理念的变化。随着各个系统的建设，改变传统的各专业各管一摊的观念，加强专业协同，通过系统联控，用技术手段有效实现管理目标。汽运装车以往一直由人工现场进行装车、监管、存在一定的廉政风险，不好管控。大石河磁滑轮甩尾放矿与智能计量系统联控，实现过皮后发送信号给工控系统，未过空车不能放矿、放矿时间不能超过规定时间、装车完成后发送信号给计量系统，超过规定时间不过重自动报警等功能；
其他自助装车实现了客户车辆自动识别、定量自助装车，规避非客户装车、错装品种等风险；
汽车自助装车取消了人工现场操作，同时与门卫管控系统进行了联控，对超时未装车、未过重、重车出厂等高风险情况进行预警，有效提高了风险防控能力。
（三）搭建管理一张图监控分析系统，推进智慧管理
集成现场数据及专业管理平台信息，搭建了管理一张图监控分析系统，实现动态掌控各产线生产、设备、质量、消耗、销售、成本、人员等情况，营造现场化、可视化管理环境，初步形成面向产线的运营分析能力，辅助生产决策，提升产线经济运营管控水平，推进管理智慧化。
1.实时掌控产线运行状况
大石河选矿、大石河水源、水厂选矿、杏山铁矿、二马产线、裴庄产线均搭建了网页版实时监控系统，通过矿业内网实时掌控产线全流程运行情况。实时显示产线设备运行状态、主要运行参数（电流、频率、流程量等），为生产、设备、安全等专业及领导人员提供可视化的管理环境，实时掌控生产情况（见图3）。
图3 裴庄网页版实时监控系统
2.色标引领现场硬件改造
整合各分散控制系统，形成一张图操控系统，实现所有设备在一张图上的状态监测。不同颜色表示设备的不同状态，如绿色表示运行、红色表示停止、半黄色标色可监控状态但不能控制、黄色表示既不能监控状态也不能控制。使各级管理人员对设备现状一目了然，进而通过必要性、技术、经济可行性分析，确定是否进行改造升级。如水厂老厂实时监控分析系统中，红色框部分的磁选机及分级机，半黄色表示可采集运行、电流等信号，但不可远程控制，为现场手动控制；
蓝色框部分的精选机，既不可控制也不未采集运行数据。
3.趋势分析提升生产管控
实时画面显示的是当前状态，而通过一段时间的曲线变化及趋势能更好的看出设备或生产的情况，也更有利于设备管理。各个产线的实时监控分析系统的界面上，可以点击某一重要设备或数据，则会弹出二级画面，展示的一段时间内的设备运行、电流趋势等。
4.一张图调度引领智能运输
2020年，运输部迁安地区运输总量突破5000万吨，相比“十三五”初的2500万吨/年，增幅达100%，面对高运量、快节奏的生产形势，生产组织各环节的不适应性日益突出，运输体系面临四个不够用的问题：一是人不够用，二是车不够用，三是线路不够用，四是调度岗位脑子不够用。
为解决上述问题，全面解放思想，打破固有的国铁劳动作业方式束缚，对标一流企业，完成运输一张图调度系统建设，一期项目2021年8月份完成，实现了四大目标：
一是在冶金企业率先实现“单乘制”。通过一系列创新举措，司乘人员由3人减至2人，再减至1人，实现了铁路运输由行业传统的“三乘制”向“联乘制”再向“单乘制”的突破性变革，累计释放人力116人（见图4）。
图4 “百里矿区”运输一张图调度平台
二是调度指令直达机车。系统内下达调度指令后，可直接在机车界面直观显示，为一级调度创造了条件。
三是搭建可视化、一体化、实时化运营管控平台。在一张图内，实时掌控所有机车的位置、运行状态、任务、所挂车辆、物料以及站场、道岔、信号、道口等信息。
四是实现运行能力智慧分析。可实时掌控分析铁路运输系统进出车辆、在矿车辆、运量、运行里程、设备状况、能源消耗、成本等情况。
5.运营分析推进智慧管理
结合各产线实际情况，运营分析包括生产、设备、质量、能耗、销售、成本等模块。通过日、月、年的数据分析，掌握产线生产、设备、能耗等变化情况，及时作出决策
（1）流程量分析。流程量模块自动采集实时输入量、输出量，以及各产品的当班、当日产量及产率信息，对比当日的计划产量、产率情况，统计当日、当月、本年的产量及产率数据信息。二级页面提供对应产品产量明细记录及曲线图，可以按照时间段查询所选产品的产量明细。流程量分析实现对产线输入、产品输出的实时监控，通过设置产品产率指标，根据不同产品的价值，有针对性的组织生产，提高高价值产品产率，降低低价值产品产率，进而提高产线的经济运行水平。
（2）小时管控。实时显示裴庄产线小时管控数据及日志，数据全部为自动采集数据，数据来源于现场工控系统数据库。小时管控分析替代现有的人工表格统计工作，减轻基层岗位工作量，能够实时监控产线各工序小时作业时间、工序量等指标，为实时管控各产线生产是否均衡稳定提供数据支撑。
（3）销售数据分析。实时显示裴庄产线各产品当日过磅量、本月累计过磅量、本月累计生产量、库存变化情况，数据来源于智能计量系统，实现各产品产销存数据的精准分析。
（4）质量数据分析。质量报表含质量完成、质检数据、筛网跟踪、工序管控四个子模块。实现各产品质量数据的统计、查询功能，包括各产线不同产品的质量检验项目、产品合格率等数据，具备智能预警功能，对于未达标的检验项目能够预警提醒。
（5）能耗数据分析。能耗数据模块下设三个子菜单：能源消耗、电量消耗、柴油消耗，为能耗精准管控提供依据。
能源消耗页面按照电耗、油耗进行分类统计，每个分类均细分了用量、单耗、单价、费用及成本，统计了当日、当月及上月、本年数据信息，为能耗精准管控提供依据。
电量消耗下设4个功能页面，可以查询用电主报表、用电日报表、用电班报表、用电小时报表；
柴油消耗下设4个功能页面，可以查询柴油消耗主报表、装载机柴油小时消耗、矿车柴油小时消耗、推杂机柴油小时消耗。
（6）设备数据分析。设备数据分析模块包含设备数据分析和备件跟踪两个子模块。
设备数据分析能够实时监控各类重点设备的运转时间、台效、作业率、负荷率等指标的当日数据、当月数据、上月数据、本年数据等；
自动提取设备健康系统数据，直观展示设备的健康状态，把设备健康状态分为4类健康、亚健康、隐患、严重隐患，系统能够自动感知设备运行状态，如果发现设备出现隐患，系统自动向相关岗位的手机端推送消息，实现智能预警。
设备关键备件寿命跟踪查询功能，实现对关键备件的寿命进行跟踪，如皮带寿命、破碎机衬板寿命跟踪。
（7）成本数据分析。成本数据模块分为按工序分析、按要素分析2个模块。按工序分析展示原料环节、加工环节、销售环节等不同工序的成本计划、日成本、月累成本、上月成本、年累成本及对比计划完成情况。按要素分析展示分专业的成本情况及对比计划完成情况。通过成本分析可实时掌控各产线当日成本、月累成本、上月成本、本年成本等数据；
按成本的构成要素对成本进行划分，包括电费、柴油费、备件费、材料费、人工费及其他费用等，实现成本的按要素分析。为进一步支撑成本管控及要素打开分析，成本报表增加了穿透查询功能。
（8）生产报表。生产报表板块分为裴庄生产日报、裴庄生产销售日动态、产线班组对标三个子模块。
裴庄生产日报：反映产线一天的生产情况，在裴庄产线生产过程中发挥重要作用，不仅为岗位提供生产指标的反馈，更能为管理层精准决策支持提供依据。
生产销售日动态：显示生产计划、完成、销售计划、销售完成、后期日均销售计划、自用及外排、累计盈亏、库存等数据，为生产经营销售发货提供参考。
产线班组对标：裴庄产线班组挂钩指标过去一直靠车间职能手工统计，工作量大、效率低、易出错，并且时效性差，不能够实时显示各班组指标完成情况从而形成良性竞争机制。产线班组对标功能上线后，工效挂钩日常使用的处理量、能源消耗、质量指标等指标均可实现实时查询及汇总统计分析，实现横向四班对标，纵向区域岗位对标，真正实现多劳多得的经营理念。
6.数据分析推进提质提效
（1）东排即时启停，颠覆传统模式。水厂铁矿皮带运输系统原来采用传统的逆物流启车模式，通过实时监控系统的数据分析，发现东西排系统设备作业率差别较大，无效转车时间长问题。针对这一问题，水厂铁矿深入剖析原因，认识到除三段控制可能导致人为联系不紧密外，传统的逆物流启动模式，也是造成无效转车时间长的重要原因：东西排启动时先启动排岩机、再逆物流启动各条皮带、最后启动破碎机，破碎机作业时，排岩机已至少空转215秒；
因为流程长，破碎机受料1560秒后，物流才可达到排岩机，此间排岩机又至少空转了1560秒。为解决此问题，大胆提出改变传统启车方式，确定试验开发“即时启动”程序，方案改变了破碎站、皮带系统、排岩机三个点位、三段控制的模式，实现从破碎机到排岩机的一体化控制、一键启停。即物流到达某设备前、该设备即时启车，进而减少各设备的空转时间。经评估，该方案实施后，一是可实现在指挥中心一键启停整个东排系统，取消分散控制室，为减员增效创造条件。二是采用“即时启动”方式替代逆物流启车方式，减少设备空转，按初步方案保守测算，每次启动可节电约686KWh，年可节电约686*每天2次*330天=41万KWh。三是取消破碎机、皮带系统、排岩机启停期间的岗位联系，消除联系环节空转时间。此外，还将为后期排岩机取消现场操作、改为指挥中心集中操作奠定基础。即时启停已经在东排成功应用，实现各设备在物料到达前1分钟完成启动，颠覆了逆物流启动的传统模式；
同时实现在指挥中心一键启停，为取消分散控制室、岗位合并创造了条件。
（2）专业管理应用数据解决问题能力不断增强。技术专业围绕稳定裴庄干砂质量，针对石粉含量合格率低的突出问题，研究工艺控制规则，年初提出制砂系统恒料量控制模型：依据质量结果设置19、20#皮带给料量，自主调控皮带给料速度，稳定给料量在设定值。经系统开发及参数摸索，裴庄干砂质量合格率有了质的提升。生产专业运用一张图系统中翻卸车明细数据，查找生产组织潜力，提高翻卸效率，进而促进产线高效运行，裴庄等产线小时翻卸车数稳定提升。
（一）经济效益明显
一是减少人员配置，降低运营成本。一张图操控系统的搭建，实现了现场无人化，取消了现场操作岗位配置，减少了巡检工作量及点检人员，也提高本质安全水平；
实现了操控集约化，一个集控中心集中操控，进一步压减集控人员；
推进流程自主调控，不断减少集控人员工作量。实施水厂铁矿无人选厂、破碎站自动监翻、破碎智能监测、大石河水源自主经济运行、杏山主副井合并等项目，合并主控室，实现大区域集成控制的模式，推进现场无人化和操控集约化，累计释放现场人员230人，减员效益为3852.5万元。
二是提升效率，降低消耗。随着流程自主调控、智能联控的不断推进，产线智能化水平提升，人工判断、干预减少，产线运行效率、稳定性、经济性持续提升。实施裴庄、二马智能化提升、水厂无人选厂等项目，提高生产效率，降低材料、能源等消耗，实现经济效益512.6万元。
（二）管理效果显著
一是提升产线经济运行管控能力。一张图监控分析系统的建设，实现了专业管理平台在产线的集成，搭建了一体化、可视化、现场化管控平台，实时掌控产线生产、设备、质量、能耗、成本等情况，提高了产线经济运行的管控能力。
二是提升专业管理人员数字化思维能力。管控平台的搭建，改变传统汇报、报表等专业管理方式，更加客观、真实地展现生产情况，促使专业管理人员通过数据去分析、判断，并作出决策，提升了专业管理人员的数字化思维能力，有助于管理人员打破传统思维、提升创新能力。
三是两个一张图的建设助推精益管理。两个一张图建设，提升了矿业公司智能矿山建设水平，促进了管理能力的提升。助力裴庄建材产线荣获北京市建筑砂石绿色基地称号，助力矿业公司评为全国国有重点200家标杆企业之一。
（三）为行业智能化建设提供借鉴
两个一张图是推进智能矿山建设的重要手段，可以有效推进现场无人化、操控集约化、管理智慧化，已在首钢股份公司、唐首马矿进行了推广应用，在矿山行业推广的具有较大的推广价值，对其他流程产线也具有较高的借鉴价值。
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