采礦設備智能運維管理系統在礦山的開發與應用*

賴作星，楊案江

（江西銅業股份有限公司城門山銅礦 江西 九江 332100）

1 引言

智能化礦山發展已經成為趨勢，江銅集團作為行業領軍企業，一直通過創新和技術推動行業發展。城門山銅礦是智能化礦山建設的試點單位，目前正在通過技術升級打造行業標桿［1］，圍繞“互聯網+礦山”，聚焦“5G+轉型和升級”，以及“AR+礦山場景應用”，實現露天礦業從傳統要素驅動向數據驅動［2］、智能驅動［3］轉變，打造露天智慧礦山［4］升級版。

2 設備管理難點及改進方向

城門山銅礦采礦場在用設備主要用于鉆孔、鏟裝、運輸、破碎等工藝流程，同時配備了部分生產輔助設備。礦山設備種類繁多：穿孔設備主要為志高公司一體化鉆機；鏟裝設備主要有沃爾沃和徐工兩個品牌的鏟運機；運輸設備主要有沃爾沃A40E、A45G，小松HM400 及部分外協車輛；輔助設備包括山推推土機、卡特平地機、裝載機等。

目前，設備管理的數據統計主要沿用傳統方法，日常表單以紙質為主，缺乏專業設備管理系統，沒有自動采集設備運行過程中的數據。此外，現有數字化系統各自獨立，部分系統大量數據依賴于人工錄入，費時費力、數據不準、缺乏應用價值。存在的問題主要表現在：

（1）沒有設備工況數據在線監控，缺乏強有力的設備故障預警機制。

（2）缺乏操作監督，操作員操作不規范，設備故障多，維修成本高。

（3）設備油耗、出勤小時和產量等信息無法自動獲取，嚴重依賴人工記錄，效率低下。

（4）設備維護方面缺乏信息化手段輔助，設備點檢、保養、維修等日常工作難以規范化實施，制表工作量大，數據統計分析困難。

（5）多種系統獨立運作，形成數據孤島，無法綜合分析，數據價值無法充分發揮。

鑒于此，城門山銅礦與廣州振銘機電科技有限公司共同研發了采礦設備智能化運維管理系統［5］。系統主要功能如圖1 所示，包括生產設備運行狀態在線監控，故障預警與分析診斷，操作員違規操作行為監視統計，出勤小時與油耗統計分析，設備點檢，保養管理，維修管理，部件生命周期管理，綜合數據集成，報表統計與決策支持等。通過上述功能的開發實現，最終達到提高企業設備管理智能化程度，降低維護成本，提高設備出勤率的目的。

圖1 運維管理系統主要功能

3 智能運維管理系統設計

3.1 系統架構

系統由終端硬件、軟件平臺構成，其網絡結構如圖2 所示。硬件終端安裝在設備上，能實時采集設備工況數據，并通過無線網絡傳輸至本地系統平臺。系統中，所有數據終端通過CPE 連接礦山4G基站，實現數據實時上傳。平臺基于B/S 架構設計，用戶可通過瀏覽器查看管理平臺信息，也可通過APP 實現信息查詢、錄入及處理。

圖2 系統網絡結構

3.2 技術路線

智能運維系統是一套綜合性設備管理系統，建立在數據采集與分析的基礎之上，主要依托的數據包括設備油耗數據、生產產量數據、維護保養數據及設備運行數據［6］。目前，礦山已經構建了多種專業化子系統，已完成多種重要數據采集，針對既有數據，系統只需通過API 接口讀取集成即可。針對無法直接集成信息，系統則需要通過技術手段進行單獨收集。礦山已經建成卡調系統，設備產量數據通過卡調系統讀取。礦山已經建成IC 卡加油系統，加油數據可通過加油管理系統后臺數據庫讀取。鉆機產量數據可通過鉆機產量APP 后臺數據庫實時讀取。

通過對設備電路原理研究，結合現場信號測試與解析，最終確定了設備數據實時采集［7］方案。每臺設備都有多個ECU，他們通過數據總線互連。在設備開機后，ECU 之間通過總線實時交換傳感器數據及控制命令，從而實現設備狀態監測與調控。為實時采集系統工況數據，現研制一種專用數據終端，使其能有效地接入設備總線系統，并從總線系統提取所需的關鍵數據。終端具備豐富的總線接口，同時還支持多路模擬量采集（外接傳感器信號），滿足寬壓供電，且具備高防護等級，其基本特性如圖3 所示。

圖3 終端特性

由于全部目標設備的控制總線均采用了CANbus 或J1708，所以只需在每臺設備上安裝終端，并以相應接口與車輛控制總線連接即可獲取總線數據。終端從總線直接獲取的數據稱為總線原始數據，原始數據到結果數據之間的轉換需要基于設備通信協議。如果只有原始數據卻沒有通信協議，則無法解讀數據含義，原始數據也沒有意義。數據終端通過前期對設備總線數據的大量采集和分析，已經基本掌握了設備總線通信規則，并編制成解碼程序燒錄在終端中，使終端具備了數據解碼能力。

在接入總線后，數據數據終端能實時讀取總線數據，通過終端中預置的解碼程序對總線原始數據解碼，從而提取出所需的設備關鍵數據，這些數據包括發動機轉速、機油壓力、水溫、渦輪信息、噴射壓力、電池電壓、變速箱信息、液壓信息等。所有采集到的數據經過預處理后，通過CPE 無線傳輸至系統平臺，如圖4 所示。數據統一上平臺后，就可通過平臺去監控所有設備運行狀況。

圖4 連接CAN 網絡

平臺主要采用java Spring 框架開發，前端采用Vue 開發。平臺主要用于數據請求、接收、存儲處理及展示。平臺功能模塊可以劃分為數據管理、信息管理、故障診斷及分析報表4 個功能部分。核心子功能則包括工況數據監視、趨勢圖展示、ECM預警、閾值報警、司機行為監測與統計、油耗統計、出勤統計、歷史數據分析、點巡檢、知識管理、保養維修、部件生命周期管理、數據集成及綜合報表輸出，平臺框架設計如圖5 所示。

圖5 平臺框架設計

3.3 改造方案

通過在礦山設備上安裝數據采集器，接入設備通信系統實現數據讀取。其中，沃爾沃的設備主要使用J1708 總線通訊，徐工、山推、小松、航天重工、同力、志高等設備則使用CAN-bus 通訊。所有的采集設備都預先安裝了專網CPE，且預留了一個LAN 通信接口，數據采集器均可通過LAN 與CPE 連接，最終實現將采集的數據傳輸至平臺服務器,數據采集原理如圖6 所示。

圖6 數據采集原理

3.4 終端運行情況

該系統合計安裝終端22 套，終端均通過LAN與車載CPE 連接，通過ACC 供電，鑰匙開關打開即可聯網通信。項目上線以來，各項功能運行正常，對設備優化管理發揮了積極作用，設備相關的重要信息在平臺界面一目了然。通過在線狀態和報警狀態可以快速了解當日開機情況和設備總體健康情況。基于實時數據，了解設備參數變化、分析設備性能情況、發現參數異常及報警。同樣，系統提供了ECM 報警功能和閾值報警功能，當設備報警時，平臺用戶可第一時間了解，平臺監控界面如圖7 所示。

圖7 平臺監控界面

4 基于系統應用的設備管理在線評價

基于數據自動采集，多種數據集成及綜合分析，克服了原有設備管理中存在的諸多問題。目前系統實現了出勤時間、設備油耗、生產產量、保養、維修等多種數據的統一化平臺分析，有利于設備價值的進一步挖掘。

系統對A40E 系列的V15 和V08 進行設備綜合運行評價，結果如表1 所示，評價報告包含設備出勤時間、油耗、報警、加油、產量、保養、維修等數據。

表1 設備綜合運行評價表

在線分析功能可幫助管理人員洞悉問題要點，為生產經營的優化提供科學支撐。例如，通過設備可靠性分析指導設備選型；通過成本與產出分析，估算生產邊際成本；通過設備故障統計了解設備故障的發生原因與規律，從而優化設備點檢及保養策略。

每個部件都有自己的生命周期［8］。對于已經明確生命周期的部件，當數據逼近生命周期末期，系統發出報警提醒，避免部件故障引起停機和二次損壞；對于尚未達到周期的部件實施跟蹤，并通過跟蹤數據指導該部件后續的維護或更換。

通過該系統的使用，企業設備管理水平得到提高，同時降低了管理工作強度。系統可以通過操作人員違規操作，統計發現其不良操作習慣，并通過培訓和持續監督提高操作人員的業務水平。系統的實時工況數據和ECM 故障代碼則可用于故障預警，同時，這些數據也反映了設備性能和潛在問題，為預防性檢查和維修提供重要依據。除此之外，設備數據還用于定時保養提醒，從而避免漏保和嚴重的延遲保養問題。簡而言之，該系統的投入使用，已幫助企業在設備管理方面從傳統模式轉入到全新的數字化智能化模式。

5 系統應用效果和下一步提升方向

設備智能運維管理系統的開發與應用，實現了通過數據采集和數據驅動，以數據統計和分析結論來指導設備管理，有效避免“經驗主義”，充分發揮精細化管理優勢，提高了設備管理水平。在成本管控方面，及時掌握設備完好率、維修成本、主要零備件消耗情況，通過橫向與縱向對比，了解消耗的合理性，使降本增效落到實處。在規范員工行為方面，通過系統可以監督、及時發現和糾正操作人員違規操作行為；通過針對性培訓提高操作人員的操作水平，可降低能源消耗、減少設備故障，提高設備使用壽命。在設備管理方面，能實時掌握設備開動情況，實現故障預警，加強預防性維護［9］，可減少設備事故；通過設備維修頻率指標，掌握設備故障情況，繼而分析故障頻發原因，并有針對性地進行解決；通過分析設備綜合成本、設備可開動率［10］等指標，評估設備健康狀況，為設備大修或置換提供數據支持。在管理決策支撐方面，通過統計分析設備油耗、出勤時間、產量、噸油耗、運輸效率等關鍵生產指標，為生產計劃編制提供依據。該項目于2019 年10 月啟動建設，通過1 年多的開發、應用和優化，于2020 年10 月投入運行。目前，系統應用已初見成效，但在深度和廣度方面仍需結合現場使用情況不斷升級完善系統，包括將終端覆蓋到更多的生產設備，擴充數據的采集種類，增強數據的分析應用，深入挖掘數據價值，達到降低設備維護成本，提高設備出勤率的目的。