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      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*

      2022-02-01 10:03:22賴作星楊案江
      銅業(yè)工程 2022年6期
      關(guān)鍵詞:總線終端故障

      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。

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