«Умный» экскаватор следит за состоянием зубьев ковша

История вопроса

Потеря зуба ковша чревата сразу несколькими последствиями для процесса майнинга.

Во-первых, экскаватор теряет производительность из-за снижения эффективности черпания.

Во-вторых, потеря зуба в породе часто приводит к попаданию его частей в оборудование на последующих этапах обработки руды, что может стать причиной поломок и клина оборудования и вынужденным неплановым простоям. Так, подобный инцидент на дробильном отделении может обойтись от 10 000 долларов при простом простое, до 200 000 долларов из-за экстренного ремонта дробильной линии.

В-третьих, начинается долгосрочная деградация конструкции экскаватора за счет неравномерной нагрузки на ковш с неполным набором зубьев. Это снижает эксплуатационный срок до следующего планового обслуживания и увеличивает долгосрочный бюджет на ремонт на 10-30% в зависимости от степени нарушений.

Специалисты группы компаний «Цифра» (входит в группу «Энергопром») начали разработку цифрового решения, которое могло бы:

•    обеспечить автономный контроль наличия зубьев;

•    информировать оператора экскаватора об инциденте;

•    создавать (фиксировать) инцидент в системах управления горным предприятием, для последующей обработки;

•    собирать статистику по поломкам, связанным с потерей зубьев;

•    максимально минимизировать внесение конструктивных изменений в работу машин при внедрении решения.

Решение

Процесс обнаружения зубьев было решено максимально автоматизировать. Это позволило не вносить изменения в существующий привычный процесс добычи, но снизить влияние человеческого фактора.

На экскаваторы устанавливалась камера, обеспечивающая качественный обзор рабочей области экскавации. Выбранные модели камер имели простую конструкцию для легкости установки и обслуживания, а также практически не требовали инженерных работ с конструкцией экскаватора.

На борт экскавационной машины был установлен компьютер, который обрабатывает информацию с камеры и сразу выдает результат анализа. Такое решение значительно снизило требования к наличию информационной сети на карьере. Высокая степень автономности позволила работать в условиях полной отсутствии связи с диспетчером и системами управления добычей.

Была выбрана модель компьютера, оснащенная энергоэффективными комплектующими, что позволило не использовать активное охлаждение для поддержания работоспособности системы в режиме 24/7. Частью комплектующих являются микросхемы от лидера рынка ускорителей вычислений компании Nvidia.

Дополнительно (опционально) решение предусматривает возможность установить монитор в кабину экскаватора для информирования оператора. На нем отображается текущий статус зубьев и предоставляется обзор рабочей области ковша.

Поскольку добыча ведется в сложных для техники условиях устанавливаемая камера и компьютер должны были быть выполнены в «индустриальном исполнении». Это проявляется в:

•    степени защиты до IP67;

•    ударо-вибро устойчивости;

•    работе в широком диапазоне температур (от -40 до +60 для РФ);

•    адаптации питания для работы от бортовой сети.

Программная часть решения была выполнена с помощью систем с открытым исходным кодом с использование библиотек искусственного интеллекта от компаний Google и Facebook. Ядром решения стала композиция из нескольких нейронный сетей и бизнес логика, позволяющая избавиться от ложных срабатываний.

Система исследует поступающее изображение с камеры и анализирует качество кадра. Удачные кадры используются в дальнейшей обработке. Первый этап ищет положение ковша в кадре и зубьев на нем. Это позволяет ускорить общее время обработки, используя только часть изображения для основного анализа. Найденный ряд зубьев анализируется на наличие каждого из зубьев, их взаимное расположение и целостность. В случае обнаружения поломанных зубьев выводится уведомление оператору, история фиксируется в базе данных.

Система постоянно выводит информацию о состоянии зубьев в кабину экскаватора. По открытому протоколу передачи данных (REST API) данные отгружаются в системы управления карьером. При возникновении инцидента с зубьями, информация передается в кабину. В системах управления карьером диспетчер обрабатывает событие и создает наряд задание на замену поврежденного зуба.

Если зуб был потерян непосредственно на участке, где проходит майнинг полезных ископаемых, предусмотрен особый порядок реагирования. В этом случае, самосвал, который грузился в момент инцидента, помечается как потенциально опасный и перенаправляется в отдельный отвал для поиска остатков зуба.

Среда

Уже сегодня систему можно использовать для решения широкого круга задач.

•    Обнаружение целостности зубьев на ковше.

•    Обработка изображения для работы в условиях сложного освещения, будь то ночь, тень, солнечные блики, осадки и неконтрастный фон.

•    Передача данных в системы управления и диспетчеризации карьера.

•    Сбор статистики по инцидентам.

•    Привязка инцидента к координатам при условии наличия системы позиционирования.

•    Превентивное планирование ремонта, связанного с потерей зуба.

Результат

Установка на одном экскаваторе смогла доказать свою полезность. Был проведен ряд испытаний в различных условиях эксплуатации для проверки устойчивости решения. Тестирование проводилось в виде долгосрочного ОПЭ, без вмешательства в рабочий график карьера. Испытания прошли и в теплый, и в холодный сезоны. Камера не обслуживалась более 3-х месяцев, что позволило доказать автономность решения от инженеров сопровождения. Экскаватор находился в низине и при потерях связи весь архив записей передавался в системы управления карьером для восстановления статусов. Зимой 2019 был «пойман» зуб и своевременное извещение об инциденте также было испытано.

Аварии в дробильном отделении удалось избежать.

Внеплановые простои экскаватора снизились на 3%.

Дальнейший тираж решения на весь карьер позволит снизить время работы экскаваторов без зубьев за счет оптимизации работы ремонтных бригад путем оперативного перепланирования расписаний нарядов.

Перспективы

Дорожная карта развития продукта предусматривает заметное расширение возможностей системы.

Для повышения производительности экскаватора она способна осуществлять:

•    подсчет циклов экскаватора. Это позволит вычислять эффективность экскаватора «в ковшах» за смену;

•    расчет среднего цикла экскаватора. Это покажет статистику скорости копания внутри смены и между сменами;

•    учет простоев экскаватора. Это поможет косвенно классифицировать причины простоя (перемещение, отсутствие транспорта, сложность раскопки забоя).

Возможности системы по обнаружению износа зубьев и оценке остаточной прочности коронки зубьев – позволят планировать ППР для экскаваторов, связанные с заменой зубьев, и оценивать риски скорого отвала.