煤礦機(jī)電設(shè)備智慧檢修系統(tǒng)研究與應(yīng)用

李博文，張 斌，呂曉明

(國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西省榆林市，719315)

0 引言

煤礦機(jī)電設(shè)備檢修管理工作是煤礦機(jī)電運(yùn)行管理的重要內(nèi)容，隨著智能礦山建設(shè)步伐的加快以及科技的不斷發(fā)展，人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等各種新技術(shù)被不斷地應(yīng)用于智能化機(jī)電設(shè)備中，使得智能化機(jī)電設(shè)備的功能不斷增強(qiáng)，以往憑經(jīng)驗(yàn)、故障搶修處理、人工點(diǎn)檢、設(shè)備故障報(bào)警等檢修模式已不適用于當(dāng)前的智能化時(shí)代[1-3]。因此，在煤礦機(jī)電設(shè)備檢修工作中應(yīng)用煤礦機(jī)電設(shè)備智慧檢修系統(tǒng)十分必要。

目前，國內(nèi)的智慧檢修系統(tǒng)只停滯在基于數(shù)據(jù)庫平臺系統(tǒng)的智能決策階段，應(yīng)用于水電站發(fā)電機(jī)組的智慧檢修、火力發(fā)電站運(yùn)輸設(shè)備及發(fā)電機(jī)組、交通運(yùn)輸中的高鐵和飛機(jī)智慧檢修系統(tǒng)較多，大多數(shù)智慧檢修系統(tǒng)均未實(shí)現(xiàn)圖形窗口提示、三維爆炸圖式立體動(dòng)態(tài)顯示及播報(bào)功能[4-5]。在煤礦企業(yè)機(jī)電設(shè)備檢修領(lǐng)域，智慧系統(tǒng)的應(yīng)用還處于空白，因此開發(fā)一款適合煤礦機(jī)電設(shè)備智慧檢修管理系統(tǒng)的軟件平臺工作迫在眉睫[6-8]。

1 機(jī)電設(shè)備檢修模式現(xiàn)狀

1.1 經(jīng)驗(yàn)檢修模式

檢修人員憑借自己多年的檢修工作經(jīng)驗(yàn)對設(shè)備進(jìn)行檢修維護(hù)保養(yǎng)的現(xiàn)象普遍存在。很多檢修人員可能會依據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)來對設(shè)備做出相應(yīng)的檢修工作，有的甚至干脆不進(jìn)行檢修，敷衍了事的情況經(jīng)常出現(xiàn)。這樣不夠科學(xué)的檢修方法由于檢修人員在能力、責(zé)任心等方面的不同，最終導(dǎo)致的檢修效果存在較大差別，這必然會導(dǎo)致一些故障出現(xiàn)，影響正常生產(chǎn)。

1.2 應(yīng)急搶修模式

故障搶修是一種被動(dòng)的檢修模式，設(shè)備突發(fā)故障會造成生產(chǎn)中斷。由于搶修準(zhǔn)備不夠充分，包括人員、備件、工器具受搶修時(shí)間和環(huán)境限制等不利因素容易造成人身傷害事故釀成更大損失，所以突發(fā)故障的被動(dòng)檢修模式應(yīng)極力避免和重點(diǎn)管控。

1.3 預(yù)防性檢修模式

預(yù)防性設(shè)備檢修管理模式是常見的檢修模式，主要是通過觀察機(jī)械設(shè)備的磨損程度，判斷機(jī)械設(shè)備是否需要進(jìn)行大型檢修作業(yè)。具體的檢修周期由機(jī)電管理人員根據(jù)設(shè)備的使用情況確定。如果設(shè)備使用頻率較高，造成磨損程度較大的設(shè)備，可科學(xué)地調(diào)整機(jī)械設(shè)備的檢修維護(hù)周期，保證機(jī)械設(shè)備能夠穩(wěn)定運(yùn)行[9]。設(shè)備預(yù)防性檢修針對部件運(yùn)行時(shí)間較長、磨損量較大或日常檢修過程中無法檢查的大型部件檢修更換作業(yè)。該檢修模式的缺點(diǎn)是人為憑經(jīng)驗(yàn)觀察設(shè)備的磨損情況，而后做出主觀更換部件的判斷，會造成設(shè)備部件還沒有達(dá)到壽命周期就盲目進(jìn)行更換部件，造成成本浪費(fèi)。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程檢修模式

標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程檢修模式即“流程卡”檢修，將每項(xiàng)檢修作業(yè)以流程卡片的形式下發(fā)至檢修人員，檢修作業(yè)中選擇相符合的流程卡，依據(jù)卡上指導(dǎo)的維修工藝進(jìn)行作業(yè)。其內(nèi)容包括：作業(yè)前環(huán)境檢查、準(zhǔn)備工作、安全注意事項(xiàng)、操作步驟、收尾工作等流程。標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程檢修適用于較大的設(shè)備部件檢修項(xiàng)目，其規(guī)范的檢修模式大大降低了失誤和誤操作的發(fā)生機(jī)率，從而保障檢修作業(yè)人員的安全，提升檢修效率[10]。但是流程卡片不能涵蓋全部的檢修內(nèi)容，如果將設(shè)備的所有故障、所有檢修項(xiàng)目全部涵蓋到流程卡內(nèi)，檢修工所攜帶的流程卡將會很厚重，并且找到符合現(xiàn)場實(shí)際的檢修標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程也要耗費(fèi)較長時(shí)間，因此標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程檢修作業(yè)并不適合所有的故障處理和檢修作業(yè)。

1.5 電子記錄檢修模式

電子記錄檢修模式是目前神東公司各礦井應(yīng)用最廣泛的檢修模式，數(shù)據(jù)平臺應(yīng)用手機(jī)App云端電子檢修系統(tǒng)。電子記錄檢修系統(tǒng)是集成原標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)檢修流程所有業(yè)務(wù)上傳至云端，隨時(shí)可調(diào)取、下載、查看本班檢修任務(wù)。電子記錄檢修系統(tǒng)將檢修計(jì)劃分為班檢、日檢、周檢、月檢，檢修時(shí)使用手機(jī)App拍攝檢修視頻進(jìn)行上傳。管理人員隨時(shí)可查看檢修質(zhì)量、檢修結(jié)果、檢修工作內(nèi)容。電子記錄檢修系統(tǒng)可根據(jù)檢修周期發(fā)送短信提醒設(shè)備包機(jī)人進(jìn)行設(shè)備檢修，然而也存在發(fā)送短信方式不能引起檢修工足夠的重視，且短信發(fā)送方式不夠直觀、有時(shí)會被忽略等不足。

2 煤礦機(jī)電設(shè)備智慧檢修系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 總體思路

開發(fā)一款基于智慧礦區(qū)的大數(shù)據(jù)軟件平臺系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示各礦井綜采、掘進(jìn)、主運(yùn)輸?shù)裙ぷ鲌鼍耙约霸O(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，構(gòu)建各設(shè)備運(yùn)行情況。當(dāng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊進(jìn)入設(shè)備位置后，屏幕左側(cè)將彈出三維立體爆炸圖，右側(cè)將彈出所有設(shè)備、部件使用更換信息、故障信息、狀態(tài)信息，并以語音播報(bào)的方式進(jìn)行播報(bào)，并且詳細(xì)說明配件更換的技術(shù)方案、使用工器具、預(yù)計(jì)故障處理時(shí)間、標(biāo)準(zhǔn)檢修作業(yè)流程、可能存在的風(fēng)險(xiǎn)同步提示等。設(shè)備管理人員、技術(shù)人員、檢修人員想重點(diǎn)了解哪個(gè)部件和零件只要點(diǎn)擊進(jìn)入便可了解詳細(xì)信息。

2.2 系統(tǒng)拓展功能

該系統(tǒng)還應(yīng)關(guān)聯(lián)設(shè)備使用信息臺賬數(shù)據(jù)庫智慧管理系統(tǒng)、同類型號設(shè)備零部件可否互換功能、在線健康監(jiān)測系統(tǒng)、設(shè)備智能感知系統(tǒng)、設(shè)備自身傳感系統(tǒng)、三維立體爆炸圖零件裝配系統(tǒng)、智能播報(bào)語音等功能。

2.3 系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用工具

建立大數(shù)據(jù)軟件平臺實(shí)現(xiàn)設(shè)備智慧管理功能。本系統(tǒng)技術(shù)框架采用Java Spring Boot框架，分為Web展示、App展示和后臺服務(wù)3個(gè)部分。Web展示主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)展示和統(tǒng)計(jì)查詢，重點(diǎn)在整體設(shè)備狀態(tài)展示和數(shù)據(jù)維護(hù)；App展示主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場操作的業(yè)務(wù)模塊；后臺服務(wù)包括數(shù)據(jù)存儲模塊、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)模塊、設(shè)備信息采集、技術(shù)故障診斷等后臺服務(wù)。Web展示和App展示都是與后臺服務(wù)進(jìn)行通信、執(zhí)行后臺服務(wù)的業(yè)務(wù)模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理的各項(xiàng)功能。

3 煤礦機(jī)電設(shè)備智慧檢修系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)庫功能模塊

采用MySQL數(shù)據(jù)庫建立大數(shù)據(jù)平臺，該數(shù)據(jù)庫軟件是與Java語言配合最緊密的數(shù)據(jù)庫之一，能快速構(gòu)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和建立數(shù)據(jù)訪問通道，提高開發(fā)效率。根據(jù)設(shè)備管理的實(shí)際業(yè)務(wù)需要，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)分為系統(tǒng)數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)表包括用戶信息表(TB_UserInfo)、部門管理表(TB_DeptInfo)、角色權(quán)限表(TB_RollAndRight)、系統(tǒng)日志表(TB_Log)、故障信息表(TB_Error)。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)表包括設(shè)備登記信息(TB_Equipment)、設(shè)備計(jì)劃表(TB_Plan)、設(shè)備維修表(TB_Maintain)、設(shè)備配套表(TB_Checklog)、設(shè)備接入?yún)?shù)表(TB_Access)。

該模塊可根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的設(shè)備ID號跟蹤查找設(shè)備，將每臺采煤機(jī)的生產(chǎn)廠家、型號、系列號、出廠日期、返廠維修情況、更換部件情況輸入至數(shù)據(jù)庫中，幫助管理人員、技術(shù)人員隨時(shí)查看設(shè)備運(yùn)行信息、運(yùn)行狀態(tài)，從而做出何時(shí)返廠大修、何時(shí)項(xiàng)修、何時(shí)更換哪些部件、何時(shí)報(bào)廢等決策。

3.2 人工點(diǎn)檢模塊

目前，有些改造的智能化采煤機(jī)沒有安裝自身感知功能傳感器，可以應(yīng)用手持點(diǎn)檢設(shè)備進(jìn)行人工檢測。利用紅外感應(yīng)器對設(shè)備運(yùn)行的溫度、振動(dòng)等進(jìn)行檢測，如果出現(xiàn)溫度或振動(dòng)超出設(shè)定范圍時(shí)，紅外感應(yīng)器會立即報(bào)警，提示檢修人員準(zhǔn)確地找出故障部位。手持點(diǎn)檢設(shè)備能夠與智能化綜采工作面5G通訊，數(shù)據(jù)直接記錄、存儲在智慧檢修系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。檢修人員也可通過手機(jī)藍(lán)牙與智能點(diǎn)檢設(shè)備相連，實(shí)時(shí)讀取檢測數(shù)據(jù)，同時(shí)能夠通過App應(yīng)用上傳至智慧檢修系統(tǒng)，為設(shè)備的運(yùn)行分析提供數(shù)據(jù)。智慧檢修系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)鏈形成連續(xù)曲線，當(dāng)設(shè)備部件出現(xiàn)異常情況時(shí)，系統(tǒng)會提示檢修工重點(diǎn)檢查，從而降低設(shè)備故障發(fā)生的概率。

3.3 設(shè)備在線健康監(jiān)測模塊

設(shè)備在線健康監(jiān)測是通過大數(shù)據(jù)應(yīng)用對機(jī)電設(shè)備實(shí)施在線實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度、振動(dòng)、故障信息等數(shù)據(jù)，對設(shè)備的實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行線上診斷，檢修人員通過檢測的結(jié)果及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理故障，使設(shè)備時(shí)刻處于最優(yōu)的健康運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)備在線健康監(jiān)測模塊將在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)讀取并接入智慧檢修數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)顯示在圖形功能模塊上，使故障直觀地顯示出來，并報(bào)警提示檢修人員及時(shí)處理。設(shè)備在線健康監(jiān)測界面如圖1所示。

圖1 設(shè)備在線健康監(jiān)測界面

3.4 設(shè)備自身傳感器故障報(bào)警模塊

目前智能化設(shè)備自身都加裝了許多傳感器，該模塊具有自身提示報(bào)警功能。以綜采智能化采煤機(jī)為例，采煤機(jī)電氣故障提示包括主回路、分支回路加裝電流傳感器實(shí)現(xiàn)過流故障提示；電壓互感器實(shí)現(xiàn)過電壓、欠電壓、缺相故障提示；漏電故障監(jiān)測模塊提示漏電故障；采煤機(jī)跟機(jī)電纜拖拽拉力傳感器提示張力過大故障；采煤機(jī)變頻器安裝各類監(jiān)測傳感器提示變頻器通訊故障或IGBT故障；液壓系統(tǒng)油溫、油位、油壓、過濾器壓差傳感器提示液壓系統(tǒng)故障等。采煤機(jī)自身傳感器通過CAN BUS 總線通信或RS485通信將故障代碼通過地址方式記錄在故障菜單內(nèi)，并接入智慧檢修系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，提示檢修人員快速查找并處理故障。

3.5 集成時(shí)間函數(shù)及智能算法模塊

(1)時(shí)間函數(shù)累加算法模塊。該模塊將機(jī)械零部件運(yùn)行時(shí)間或過煤量建立模型、編輯公式輸入數(shù)據(jù)庫，設(shè)定初始值后由系統(tǒng)自動(dòng)累加計(jì)算，當(dāng)零件運(yùn)行數(shù)據(jù)達(dá)到警告值時(shí)，零件所在的部位顯示黃色，并且閃爍提示，系統(tǒng)將彈出對話框(例如：“警告！采煤機(jī)右側(cè)鏈輪已運(yùn)行60 d，距離使用壽命還有15 d”)，并同步發(fā)送至手機(jī)App終端提示報(bào)警信息，提示設(shè)備管理人員、技術(shù)人員、包機(jī)責(zé)任人重點(diǎn)檢修維護(hù)。

(2)計(jì)數(shù)器累加算法模塊。該模塊對煤機(jī)裝備各類控制電機(jī)合閘的接觸器、各回路的斷路器、總進(jìn)線的隔離開關(guān)合閘次數(shù)以計(jì)數(shù)器的形式進(jìn)行記錄、存儲并發(fā)送至數(shù)據(jù)庫，當(dāng)合閘次數(shù)達(dá)到使用壽命時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)提示。例如：采煤機(jī)液壓泵電機(jī)接觸器合閘次數(shù)已達(dá)100萬次時(shí)，采煤機(jī)電控箱部位顯示紅色，并且閃爍提示，彈出對話框“警告！采煤機(jī)液壓泵電機(jī)接觸器已達(dá)使用壽命，立即更換！”同時(shí)將煤機(jī)存儲器內(nèi)的記錄數(shù)據(jù)通過5G通訊傳入智慧檢修數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并同步發(fā)送至手機(jī)App終端提示檢修工故障信息，提示檢修工及時(shí)處理避免故障出現(xiàn)。

3.6 三維爆炸圖模塊

當(dāng)用鼠標(biāo)點(diǎn)擊或手指觸摸進(jìn)入采煤機(jī)各部件后，屏幕左側(cè)將彈出三維立體爆炸圖，可層層遞進(jìn)，檢修工能夠清晰地看出各零部件的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、工作原理、裝配順序及裝配情況等。采煤機(jī)搖臂行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)爆炸圖示意如圖2所示。

圖2 采煤機(jī)搖臂行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)爆炸圖示意

生成爆炸圖同時(shí)屏幕右側(cè)彈出所有部件、零件的使用、更換信息，并以語音播報(bào)的形式快速播報(bào)，并且更換的技術(shù)方案、使用工器具、預(yù)計(jì)故障處理時(shí)間、可能存在的風(fēng)險(xiǎn)同步提示、同步下載。

3.7 手機(jī)App軟件關(guān)聯(lián)模塊

煤礦機(jī)電設(shè)備智慧檢修系統(tǒng)與手機(jī)App軟件相關(guān)聯(lián)，實(shí)時(shí)提示檢修工設(shè)備狀態(tài)。該模塊的開發(fā)應(yīng)用使檢修工能快速了解機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障的原因，避免浪費(fèi)較多的故障排查時(shí)間。也可以根據(jù)設(shè)備的預(yù)警提示功能提前更換零部件，避免突發(fā)故障造成的不利影響。同時(shí)也可以隨時(shí)調(diào)取檢修標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程，全程標(biāo)準(zhǔn)化檢修作業(yè)，防范作業(yè)過程中出現(xiàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)，消除安全隱患。煤礦機(jī)電設(shè)備智慧檢修系統(tǒng)手機(jī)App是智慧檢修系統(tǒng)的終端，二者互為一體相互關(guān)聯(lián)，可隨時(shí)上傳、下載系統(tǒng)內(nèi)所有信息。

4 應(yīng)用效果

煤礦機(jī)電設(shè)備智慧檢修系統(tǒng)融合了上述檢修模塊的全部功能，且具備良好的擴(kuò)展性和功能前瞻性。設(shè)備管理人員、技術(shù)人員可隨時(shí)掌握煤礦機(jī)電設(shè)備的所有數(shù)據(jù)信息，為設(shè)備調(diào)劑、配套、大項(xiàng)修、大型部件管理提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐[11-12]。系統(tǒng)可隨時(shí)編輯、修改、添加以及更新數(shù)據(jù)庫內(nèi)容，為企業(yè)未來發(fā)展提供持續(xù)的設(shè)備管理保障。智慧檢修系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用使檢修人員方便開展設(shè)備檢修和迅速排除故障工作，為礦井安全管理提供可靠的技術(shù)保障，為礦井的安全生產(chǎn)提供有力支撐。

2023年1月，煤礦機(jī)電設(shè)備智慧檢修系統(tǒng)在神東公司哈拉溝煤礦正式應(yīng)用，綜采隊(duì)依照系統(tǒng)提示進(jìn)行周期性檢修并更換大型部件，故障率顯著降低，由2022年下半年的3.49%下降到2.13%，且上半年未發(fā)生過因設(shè)備檢修問題影響正常生產(chǎn)的情況，月均產(chǎn)量上升至92萬t，較2022年下半年提升了8.3%。

5 結(jié)語

煤礦機(jī)電設(shè)備智慧檢修系統(tǒng)能夠幫助煤炭企業(yè)的設(shè)備管理從信息化走向智能化。煤礦機(jī)電設(shè)備智慧檢修系統(tǒng)通過智能傳感器將現(xiàn)場信息進(jìn)行收集，通過有線+無線的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娣?wù)器上進(jìn)行分析，為管理人員提供決策依據(jù)。隨著智能化礦山建設(shè)的飛速發(fā)展，在機(jī)電設(shè)備智慧檢修的基礎(chǔ)上，還將陸續(xù)建成礦井智慧供電、主運(yùn)輸智慧計(jì)量、主要通風(fēng)機(jī)智慧通風(fēng)、給排水設(shè)備智慧運(yùn)行等工作，為建設(shè)智慧礦山、智慧園區(qū)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。