基于云端技術的頂管掘進機監控系統及應用數據庫的建立*

岳亞軍

(中國煤炭科工集團 上海有限公司， 上海 200030)

0 引言

頂管非開挖技術在世界范圍內已得到大量的實際工程應用，且保持著高速的增長勢頭，無論在頂管掘進機技術、裝備還是施工工藝上都取得了很大的進步。

雖然頂管掘進機技術得到了很大的發展和應用，但在地下管線施工中，由于受地質條件變化和頂進長度的影響，諸多技術瓶頸沒有突破，尤其是操作員自身經驗和能力等人為因素嚴重影響頂進質量和速度。

云端監控系統可結合專家控制系統和可支持多人同時在線訪問的云端監控界面，使更多人參與到頂管掘進機的日常維護、日常施工及使用經驗總結等工作中來。云端應用數據庫所儲存的應用數據可幫助設備制造方根據不同的地質條件及時優化和提升后續設備的生產制造[1]。在現有的頂管掘進系統中增加云端監控系統和應用數據庫可提升設備本身的技術能力，同時為頂管掘進機向無人化、智能化技術發展方向提供技術支撐和基礎。

1 基本原理

基于云端技術的頂管掘進機監控系統及應用數據庫是依托物聯網技術，將頂管掘進機上各個I/O組件和傳感器的實時采集值由現場控制器自帶的總線端口接入Internet的網關接口,再通過高速上傳網關傳輸至網絡或者通過控制器進行中轉之后將數據傳至網絡云端，實時傳輸至云端的數據在云端服務器再進行結構化處理還原[2]。

數據的處理主要包括對現場實際使用情況的遠程干預和云端數據的展示，尤其是在移動端和PC端的展示。盡管某些廠家的確提供了客戶端展示功能，但往往都是基于標準界面的頁面展示和基本功能交互，行業深度仍然不夠，更談不上對設備現場使用情況的保護、保養維修指導等。設備制造方可通過云端軟件設置設備的報警值、故障值、定期保養等,并通過云端軟件直接實時下發至現場使用人員。在設備的使用過程中,結合專家控制系統及施工經驗,可遠程自動控制現場各設備的啟動停止及速度給定,如圖1所示。

圖1 系統框架

2 系統硬件及軟件設計

通過對現場頂管掘進機主控制PLC內部數據的實時采集，后臺云端可實時監測設備的使用情況并實時下發至在線客戶端。通過大數據監控、分析、處理可了解設備的現場使用情況，并建立相關的設備應用數據庫，為后續設備的優化、研究及技術升級提供現場使用數據。

2.1 數據上傳網關

針對頂管掘進機上各傳感器的性能特點、響應時間等要求，針對地下管線結構、復雜惡劣工況環境對數據傳輸的影響,在功能完備性、可靠性、實時性、開放性、通用性等原則的指導下,需要選用統一的數據接口標準，編寫接口功能模塊,實現通用化的數據接入標準格式,實現不同廠商的終端設備、可在物聯網平臺上互聯互通。各現場傳感器由現場PLC進行統一采集,通過具有穿墻功能的通信網關將現場數據接入互聯網傳至云端[3]。如圖2所示,通過PLC編程軟件和組態等上位機實現對PLC的云端操作及監控、遠程采集數據等，為進一步頂管機數據監控與預測性維護奠定基礎。

2.2 云端數據的分析處理

針對現場不同機型返回的數據與云端控制軟件設備的設計值偏差進行自動比對，超過設定的報警值及故障值時迅速給出現場操作者相應的提示信息。對應的報警值、故障值及設備在現場安裝的保護值等都生成具體的參數,一旦現場反饋的數據超過報警值即自動給現場操作人員以聲光、信息的形式下發提醒，并記錄現場人員的處理措施。上傳的數據超過故障值則由云端控制系統自動下發停機命令。

圖2 云端監控系統控制

由于頂管施工工藝較為復雜,需要實時調整設備的頂進方向、刀盤轉速、頂進速度、進水排泥流量、減摩注漿系統,并需要實時觀測設備運行的外界環境。云端監控系統可根據現場條件設置各系統參數實現自動頂進的功能，也可以通過云端控制系統遠程操作設備施工。

當前設備在維護方面主要依靠經驗進行，隨著設備自動化程度的提高,結構更加復雜，依靠單一的經驗對設備進行控制和診斷已經不能滿足設備運行高效、安全的要求。本套控制軟件可將設備實際問題操作經驗、設備故障的維護處理經驗、故障診斷專家經驗等進行提煉、歸納，最終將其變為高度標準化的數據存儲在云端數據庫中，用于設備遠程維護。

2.3 建立數據監控管理系統

建立數據監控管理系統主要包括數據存儲、狀態監控、過程數據和狀態數據云端存儲、PC端查詢平臺。系統具有遠程設備數據的分析、顯示、存儲等功能[4]，可實現對頂管機工作參數的實時查詢、監測,對頂管機故障進行分析判定,頂管機保養提醒,并根據不同用戶群進行權限設定。云端監控界面如圖3所示，該控制界面可直觀地顯示總頂進長度、頂進速度、刀盤電流值、泥水壓力值、方向變化、注漿減摩系統等。該界面作為云端顯示的客戶端，可同時接受多人訪問。

圖3 云端監控界面

3 應用數據庫的建立

根據各個現場設備上傳到云端的數據，在云端控制軟件內進行篩選、規整,以實現數據存儲、界面顯示，如圖4所示。“一機一檔案，一段一存儲”,針對不同地質條件及現場設備的使用情況建立應用數據庫，將設備使用過程中的所有數據根據時間存儲在應用數據庫中，方便及時查閱、分析、下載。作為設備使用者,可總結施工經驗,不斷提升設備的使用效率，制造者可通過應用數據庫中的現場數據不斷優化設計，提高設備的競爭力,同時為后續研發新型設備提供理論數據支撐。

圖4 應用數據庫

4 結論

利用“云端技術”對頂管機的工作狀態進行多人遠程在線實時監控，對設備在使用過程中出現的不當操作給予自動信息提示，對設備故障可在線診斷,并給出相應的解決方案。本套系統同時集成了專家、現場應用等多方面的知識和經驗，對頂管機的運行狀態進行遠程診斷，符合國家能源裝備科技發展指引及行業發展趨勢。研究內容將會對頂管掘進機的掘進方式、設備現場服務、施工問題診斷等方面帶來革命性的創新，大幅度提高設備使用效率和壽命，從而提升企業的經濟效益和社會效益[5]。