采礦設(shè)備智能運(yùn)維管理系統(tǒng)在礦山的開發(fā)與應(yīng)用*

賴作星，楊案江

（江西銅業(yè)股份有限公司城門山銅礦 江西 九江 332100）

1 引言

智能化礦山發(fā)展已經(jīng)成為趨勢(shì)，江銅集團(tuán)作為行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)，一直通過創(chuàng)新和技術(shù)推動(dòng)行業(yè)發(fā)展。城門山銅礦是智能化礦山建設(shè)的試點(diǎn)單位，目前正在通過技術(shù)升級(jí)打造行業(yè)標(biāo)桿［1］，圍繞“互聯(lián)網(wǎng)+礦山”，聚焦“5G+轉(zhuǎn)型和升級(jí)”，以及“AR+礦山場(chǎng)景應(yīng)用”，實(shí)現(xiàn)露天礦業(yè)從傳統(tǒng)要素驅(qū)動(dòng)向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)［2］、智能驅(qū)動(dòng)［3］轉(zhuǎn)變，打造露天智慧礦山［4］升級(jí)版。

2 設(shè)備管理難點(diǎn)及改進(jìn)方向

城門山銅礦采礦場(chǎng)在用設(shè)備主要用于鉆孔、鏟裝、運(yùn)輸、破碎等工藝流程，同時(shí)配備了部分生產(chǎn)輔助設(shè)備。礦山設(shè)備種類繁多：穿孔設(shè)備主要為志高公司一體化鉆機(jī)；鏟裝設(shè)備主要有沃爾沃和徐工兩個(gè)品牌的鏟運(yùn)機(jī)；運(yùn)輸設(shè)備主要有沃爾沃A40E、A45G，小松HM400 及部分外協(xié)車輛；輔助設(shè)備包括山推推土機(jī)、卡特平地機(jī)、裝載機(jī)等。

目前，設(shè)備管理的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)主要沿用傳統(tǒng)方法，日常表單以紙質(zhì)為主，缺乏專業(yè)設(shè)備管理系統(tǒng)，沒有自動(dòng)采集設(shè)備運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)。此外，現(xiàn)有數(shù)字化系統(tǒng)各自獨(dú)立，部分系統(tǒng)大量數(shù)據(jù)依賴于人工錄入，費(fèi)時(shí)費(fèi)力、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)、缺乏應(yīng)用價(jià)值。存在的問題主要表現(xiàn)在：

（1）沒有設(shè)備工況數(shù)據(jù)在線監(jiān)控，缺乏強(qiáng)有力的設(shè)備故障預(yù)警機(jī)制。

（2）缺乏操作監(jiān)督，操作員操作不規(guī)范，設(shè)備故障多，維修成本高。

（3）設(shè)備油耗、出勤小時(shí)和產(chǎn)量等信息無法自動(dòng)獲取，嚴(yán)重依賴人工記錄，效率低下。

（4）設(shè)備維護(hù)方面缺乏信息化手段輔助，設(shè)備點(diǎn)檢、保養(yǎng)、維修等日常工作難以規(guī)范化實(shí)施，制表工作量大，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析困難。

（5）多種系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)作，形成數(shù)據(jù)孤島，無法綜合分析，數(shù)據(jù)價(jià)值無法充分發(fā)揮。

鑒于此，城門山銅礦與廣州振銘機(jī)電科技有限公司共同研發(fā)了采礦設(shè)備智能化運(yùn)維管理系統(tǒng)［5］。系統(tǒng)主要功能如圖1 所示，包括生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)控，故障預(yù)警與分析診斷，操作員違規(guī)操作行為監(jiān)視統(tǒng)計(jì)，出勤小時(shí)與油耗統(tǒng)計(jì)分析，設(shè)備點(diǎn)檢，保養(yǎng)管理，維修管理，部件生命周期管理，綜合數(shù)據(jù)集成，報(bào)表統(tǒng)計(jì)與決策支持等。通過上述功能的開發(fā)實(shí)現(xiàn)，最終達(dá)到提高企業(yè)設(shè)備管理智能化程度，降低維護(hù)成本，提高設(shè)備出勤率的目的。

圖1 運(yùn)維管理系統(tǒng)主要功能

3 智能運(yùn)維管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由終端硬件、軟件平臺(tái)構(gòu)成，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。硬件終端安裝在設(shè)備上，能實(shí)時(shí)采集設(shè)備工況數(shù)據(jù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至本地系統(tǒng)平臺(tái)。系統(tǒng)中，所有數(shù)據(jù)終端通過CPE 連接礦山4G基站，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳。平臺(tái)基于B/S 架構(gòu)設(shè)計(jì)，用戶可通過瀏覽器查看管理平臺(tái)信息，也可通過APP 實(shí)現(xiàn)信息查詢、錄入及處理。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.2 技術(shù)路線

智能運(yùn)維系統(tǒng)是一套綜合性設(shè)備管理系統(tǒng)，建立在數(shù)據(jù)采集與分析的基礎(chǔ)之上，主要依托的數(shù)據(jù)包括設(shè)備油耗數(shù)據(jù)、生產(chǎn)產(chǎn)量數(shù)據(jù)、維護(hù)保養(yǎng)數(shù)據(jù)及設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)［6］。目前，礦山已經(jīng)構(gòu)建了多種專業(yè)化子系統(tǒng)，已完成多種重要數(shù)據(jù)采集，針對(duì)既有數(shù)據(jù)，系統(tǒng)只需通過API 接口讀取集成即可。針對(duì)無法直接集成信息，系統(tǒng)則需要通過技術(shù)手段進(jìn)行單獨(dú)收集。礦山已經(jīng)建成卡調(diào)系統(tǒng)，設(shè)備產(chǎn)量數(shù)據(jù)通過卡調(diào)系統(tǒng)讀取。礦山已經(jīng)建成IC 卡加油系統(tǒng)，加油數(shù)據(jù)可通過加油管理系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫讀取。鉆機(jī)產(chǎn)量數(shù)據(jù)可通過鉆機(jī)產(chǎn)量APP 后臺(tái)數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)讀取。

通過對(duì)設(shè)備電路原理研究，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)測(cè)試與解析，最終確定了設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集［7］方案。每臺(tái)設(shè)備都有多個(gè)ECU，他們通過數(shù)據(jù)總線互連。在設(shè)備開機(jī)后，ECU 之間通過總線實(shí)時(shí)交換傳感器數(shù)據(jù)及控制命令，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與調(diào)控。為實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)工況數(shù)據(jù)，現(xiàn)研制一種專用數(shù)據(jù)終端，使其能有效地接入設(shè)備總線系統(tǒng)，并從總線系統(tǒng)提取所需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。終端具備豐富的總線接口，同時(shí)還支持多路模擬量采集（外接傳感器信號(hào)），滿足寬壓供電，且具備高防護(hù)等級(jí)，其基本特性如圖3 所示。

圖3 終端特性

由于全部目標(biāo)設(shè)備的控制總線均采用了CANbus 或J1708，所以只需在每臺(tái)設(shè)備上安裝終端，并以相應(yīng)接口與車輛控制總線連接即可獲取總線數(shù)據(jù)。終端從總線直接獲取的數(shù)據(jù)稱為總線原始數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)到結(jié)果數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換需要基于設(shè)備通信協(xié)議。如果只有原始數(shù)據(jù)卻沒有通信協(xié)議，則無法解讀數(shù)據(jù)含義，原始數(shù)據(jù)也沒有意義。數(shù)據(jù)終端通過前期對(duì)設(shè)備總線數(shù)據(jù)的大量采集和分析，已經(jīng)基本掌握了設(shè)備總線通信規(guī)則，并編制成解碼程序燒錄在終端中，使終端具備了數(shù)據(jù)解碼能力。

在接入總線后，數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)終端能實(shí)時(shí)讀取總線數(shù)據(jù)，通過終端中預(yù)置的解碼程序?qū)偩€原始數(shù)據(jù)解碼，從而提取出所需的設(shè)備關(guān)鍵數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力、水溫、渦輪信息、噴射壓力、電池電壓、變速箱信息、液壓信息等。所有采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后，通過CPE 無線傳輸至系統(tǒng)平臺(tái)，如圖4 所示。數(shù)據(jù)統(tǒng)一上平臺(tái)后，就可通過平臺(tái)去監(jiān)控所有設(shè)備運(yùn)行狀況。

圖4 連接CAN 網(wǎng)絡(luò)

平臺(tái)主要采用java Spring 框架開發(fā)，前端采用Vue 開發(fā)。平臺(tái)主要用于數(shù)據(jù)請(qǐng)求、接收、存儲(chǔ)處理及展示。平臺(tái)功能模塊可以劃分為數(shù)據(jù)管理、信息管理、故障診斷及分析報(bào)表4 個(gè)功能部分。核心子功能則包括工況數(shù)據(jù)監(jiān)視、趨勢(shì)圖展示、ECM預(yù)警、閾值報(bào)警、司機(jī)行為監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)、油耗統(tǒng)計(jì)、出勤統(tǒng)計(jì)、歷史數(shù)據(jù)分析、點(diǎn)巡檢、知識(shí)管理、保養(yǎng)維修、部件生命周期管理、數(shù)據(jù)集成及綜合報(bào)表輸出，平臺(tái)框架設(shè)計(jì)如圖5 所示。

圖5 平臺(tái)框架設(shè)計(jì)

3.3 改造方案

通過在礦山設(shè)備上安裝數(shù)據(jù)采集器，接入設(shè)備通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取。其中，沃爾沃的設(shè)備主要使用J1708 總線通訊，徐工、山推、小松、航天重工、同力、志高等設(shè)備則使用CAN-bus 通訊。所有的采集設(shè)備都預(yù)先安裝了專網(wǎng)CPE，且預(yù)留了一個(gè)LAN 通信接口，數(shù)據(jù)采集器均可通過LAN 與CPE 連接，最終實(shí)現(xiàn)將采集的數(shù)據(jù)傳輸至平臺(tái)服務(wù)器,數(shù)據(jù)采集原理如圖6 所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集原理

3.4 終端運(yùn)行情況

該系統(tǒng)合計(jì)安裝終端22 套，終端均通過LAN與車載CPE 連接，通過ACC 供電，鑰匙開關(guān)打開即可聯(lián)網(wǎng)通信。項(xiàng)目上線以來，各項(xiàng)功能運(yùn)行正常，對(duì)設(shè)備優(yōu)化管理發(fā)揮了積極作用，設(shè)備相關(guān)的重要信息在平臺(tái)界面一目了然。通過在線狀態(tài)和報(bào)警狀態(tài)可以快速了解當(dāng)日開機(jī)情況和設(shè)備總體健康情況?；趯?shí)時(shí)數(shù)據(jù)，了解設(shè)備參數(shù)變化、分析設(shè)備性能情況、發(fā)現(xiàn)參數(shù)異常及報(bào)警。同樣，系統(tǒng)提供了ECM 報(bào)警功能和閾值報(bào)警功能，當(dāng)設(shè)備報(bào)警時(shí)，平臺(tái)用戶可第一時(shí)間了解，平臺(tái)監(jiān)控界面如圖7 所示。

圖7 平臺(tái)監(jiān)控界面

4 基于系統(tǒng)應(yīng)用的設(shè)備管理在線評(píng)價(jià)

基于數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，多種數(shù)據(jù)集成及綜合分析，克服了原有設(shè)備管理中存在的諸多問題。目前系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了出勤時(shí)間、設(shè)備油耗、生產(chǎn)產(chǎn)量、保養(yǎng)、維修等多種數(shù)據(jù)的統(tǒng)一化平臺(tái)分析，有利于設(shè)備價(jià)值的進(jìn)一步挖掘。

系統(tǒng)對(duì)A40E 系列的V15 和V08 進(jìn)行設(shè)備綜合運(yùn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如表1 所示，評(píng)價(jià)報(bào)告包含設(shè)備出勤時(shí)間、油耗、報(bào)警、加油、產(chǎn)量、保養(yǎng)、維修等數(shù)據(jù)。

表1 設(shè)備綜合運(yùn)行評(píng)價(jià)表

在線分析功能可幫助管理人員洞悉問題要點(diǎn)，為生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的優(yōu)化提供科學(xué)支撐。例如，通過設(shè)備可靠性分析指導(dǎo)設(shè)備選型；通過成本與產(chǎn)出分析，估算生產(chǎn)邊際成本；通過設(shè)備故障統(tǒng)計(jì)了解設(shè)備故障的發(fā)生原因與規(guī)律，從而優(yōu)化設(shè)備點(diǎn)檢及保養(yǎng)策略。

每個(gè)部件都有自己的生命周期［8］。對(duì)于已經(jīng)明確生命周期的部件，當(dāng)數(shù)據(jù)逼近生命周期末期，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警提醒，避免部件故障引起停機(jī)和二次損壞；對(duì)于尚未達(dá)到周期的部件實(shí)施跟蹤，并通過跟蹤數(shù)據(jù)指導(dǎo)該部件后續(xù)的維護(hù)或更換。

通過該系統(tǒng)的使用，企業(yè)設(shè)備管理水平得到提高，同時(shí)降低了管理工作強(qiáng)度。系統(tǒng)可以通過操作人員違規(guī)操作，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)其不良操作習(xí)慣，并通過培訓(xùn)和持續(xù)監(jiān)督提高操作人員的業(yè)務(wù)水平。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù)和ECM 故障代碼則可用于故障預(yù)警，同時(shí)，這些數(shù)據(jù)也反映了設(shè)備性能和潛在問題，為預(yù)防性檢查和維修提供重要依據(jù)。除此之外，設(shè)備數(shù)據(jù)還用于定時(shí)保養(yǎng)提醒，從而避免漏保和嚴(yán)重的延遲保養(yǎng)問題。簡(jiǎn)而言之，該系統(tǒng)的投入使用，已幫助企業(yè)在設(shè)備管理方面從傳統(tǒng)模式轉(zhuǎn)入到全新的數(shù)字化智能化模式。

5 系統(tǒng)應(yīng)用效果和下一步提升方向

設(shè)備智能運(yùn)維管理系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了通過數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，以數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析結(jié)論來指導(dǎo)設(shè)備管理，有效避免“經(jīng)驗(yàn)主義”，充分發(fā)揮精細(xì)化管理優(yōu)勢(shì)，提高了設(shè)備管理水平。在成本管控方面，及時(shí)掌握設(shè)備完好率、維修成本、主要零備件消耗情況，通過橫向與縱向?qū)Ρ?，了解消耗的合理性，使降本增效落到?shí)處。在規(guī)范員工行為方面，通過系統(tǒng)可以監(jiān)督、及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正操作人員違規(guī)操作行為；通過針對(duì)性培訓(xùn)提高操作人員的操作水平，可降低能源消耗、減少設(shè)備故障，提高設(shè)備使用壽命。在設(shè)備管理方面，能實(shí)時(shí)掌握設(shè)備開動(dòng)情況，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警，加強(qiáng)預(yù)防性維護(hù)［9］，可減少設(shè)備事故；通過設(shè)備維修頻率指標(biāo)，掌握設(shè)備故障情況，繼而分析故障頻發(fā)原因，并有針對(duì)性地進(jìn)行解決；通過分析設(shè)備綜合成本、設(shè)備可開動(dòng)率［10］等指標(biāo)，評(píng)估設(shè)備健康狀況，為設(shè)備大修或置換提供數(shù)據(jù)支持。在管理決策支撐方面，通過統(tǒng)計(jì)分析設(shè)備油耗、出勤時(shí)間、產(chǎn)量、噸油耗、運(yùn)輸效率等關(guān)鍵生產(chǎn)指標(biāo)，為生產(chǎn)計(jì)劃編制提供依據(jù)。該項(xiàng)目于2019 年10 月啟動(dòng)建設(shè)，通過1 年多的開發(fā)、應(yīng)用和優(yōu)化，于2020 年10 月投入運(yùn)行。目前，系統(tǒng)應(yīng)用已初見成效，但在深度和廣度方面仍需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)使用情況不斷升級(jí)完善系統(tǒng)，包括將終端覆蓋到更多的生產(chǎn)設(shè)備，擴(kuò)充數(shù)據(jù)的采集種類，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的分析應(yīng)用，深入挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，達(dá)到降低設(shè)備維護(hù)成本，提高設(shè)備出勤率的目的。