數字化轉型中的設備管理與精準化維修

高 飛，于寶青，馮占中，高方欣

（神華北電勝利能源有限公司，內蒙古錫林郭勒盟 026015）

0 引言

隨著“中國制造2025”目標和“兩化融合”發展方向的提出，在4G 網絡推廣、5G 網絡布局的新形勢下，核心網絡技術阻礙已經消除，實施工程設備遠程檢測、現場數據收集監測是工礦企業精益化管理的必然趨勢。為保障設備安全高效運行，本著“緊抓核心業務與主要的采、運、排設備”原則，將承修的設備采用自主維修與委外維修兩種模式，其中對WK-35 電鏟、220 t 卡車、SF31904C 卡車等設備采用自主維修的模式，對WK-10B 電鏟、部分液壓鏟、TR100 卡車等設備采用委外維修的模式（表1）。

表1 承修設備分布情況

1 設備管理情況及存在問題

公司使用的設備的管理軟件主要分3 類：設備自帶的各類傳感器及對應軟件、集團的ERP及CEMS 軟件以及自行開發的軟件。其中，設備自帶軟件一般在進口或自動化程度高的設備上，能顯示設備運行主要參數、故障信息及位置，如：礦山卡車調度系統、輪胎全壽命管理系統；集團的ERP 及CEMS 軟件主要是實現對設備備件的計劃、采購、財務等管理的軟件，全面統計設備基本信息、啟用、折舊、報廢等。而自行開發的軟件是指各基層單位根據自身需求自行開發的軟件，如調度管理系統軟件能統計設備點巡檢、保養、故障等信息。

設備硬件存在的問題首先是設備管理的硬件（PC 端、處理器等）跟不上，很多基層生產現場沒有配備工控機，特別是具有5G 信號傳輸功能和接口的設備。其次是信息采集終端（傳感器、攝像頭等）選型不準、數量不夠。由于選型的差異，傳輸的信號質量和用途差異巨大，選型不準的采集終端所傳輸的信號所利用的價值不高，達不到生產管理要求，需要專業的人員進行管理和設計。

設備軟件存在的問題首先是設備本身的故障報警功能，尤其在電氣方面，無法遠程操作。其次是設備管理工具或軟件所采集的運行參數、保養信息、采購信息等僅僅是電氣方面，機械、溫度和振動等方面欠缺。第三是ERP 系統的數據源使用開發不夠，不同的使用人員所能操作的功能不一樣，非常片面且無法整合。

2 采掘設備數字化管理現狀

電鏟是露天礦采剝作業中重要的大型設備，電鏟故障率和出動率的高低直接決定了露天煤礦生產效率的高低。公司現有太重生產WK-35 電鏟7 臺，單臺價格約7000 多萬元，每年固定消耗及維修費用近千萬元，7 臺WK-35 電鏟承擔著勝利露天礦自營生產80%的剝離任務以及主要的煤炭生產任務。有效利用電鏟提供的數據能夠提高設備使用率和出動率，目前電鏟數據來源有以下3 個方面：①電鏟PLC 和變頻器內部參數，自身自動傳感器等儀表收集到的數據。通過這些元件能夠得到設備運行的狀態參數、工況數據以及使用過程中發生的實時參數，如振動、溫度、轉速、電流、電壓等；②人工收集的數據，如設備的維護保養記錄、點檢巡檢記錄、設備故障維修記錄、整修大修記錄；③其他相關外部信息，如來自其他同類設備的相關數據、信息等。

從實際使用情況來看，電鏟大數據的使用情況存在不足：①通過設備或人工收集到的數據，僅限于有限的維修檢查、統計報表等，沒有綜合分析數據用來指導生產維修；②各類專項設備采集到的數據，只能顯示參數信息，非專業人員不理解參數表達的意義，無法充分發揮采掘數據的價值。

3 構建數據采集的電鏟數字化平臺

勝利能源WK-35 電鏟數字化平臺可以實時地在遠控端采集電鏟設備不同工況下各重要機構的運行狀態、參數，指導設備科學維護保養，提高使用效率，降低維修成本，如圖1 所示。通過監視設備的主要機構以及輔助系統運行狀態，異常狀態下產生預警，人為參與到預防措施中，避免大型故障發生。在線診斷設備故障和指導維修，縮短維修時間。以更加精細和動態的方式管理設備，實現對設備的安全、高效等一體化管理。

圖1 電鏟數字化平臺顯示模塊

電鏟實時參數檢測模塊，主界面提供7 臺電鏟的常規運行狀態，主要顯示故障示警、電網電壓、主要變頻器運行參數、負載情況、各鏟的變頻器運行計時等。

電鏟實時參數檢測模塊的分頁面中可實時顯示如下內容：

（1）變頻器的實時運行參數包含電壓、電流、速度、轉矩、溫度以及報警和故障代碼。數據顯示通過對電鏟的變頻器通信設置實現。發生故障后通過變頻器的相關信息判斷故障原因，具體參數提供數據采集功能。

（2）限位監測和操作監測實現對操作的數據采集，并預留遠程控制端口，通過靜態下的主令零位監測可以判斷主令老化、故障。開閉制動器控制點和制動器狀態監測可遠程診斷制動器相關控制的故障。

（3）過熱監測包含電鏟全部電動機的過熱故障，包含電源通斷、熱繼電器的運行等。潤滑監測可實時查看潤滑油路液動換向閥的換向動作、潤滑時間預設以及潤滑時間計時等功能。

電鏟實時參數監測模塊可以遠程判斷80%以上的故障種類，并提供部分數據分析，改變為維修模式，減少了故障后到現場的排查、測試時間以及安全風險。

電鏟全時狀態采集系統還通過對電鏟重點減速箱、傳動軸等通過傳感器進行狀態數據采集，可以全天不間斷對測量部位進行采集，形成各類相關數據庫，從而進行數據分析，指導生產。其中振動部分對每臺WK-35 電鏟的提升、推壓、回轉減速箱8 個振動監測點進行實時監測，使用高精度一體式振動傳感器，頻率為0.4～12 000 Hz、靈敏度為100 mV/g，可實現對振動點0～20 mm/s 的振動速度值進行監測。溫度傳感器采用高精度、易安裝的A 級別0.01 精度貼片式溫度傳感器，誤差值小于0.2%。每臺WK-35 電鏟安裝姿態檢測模塊，要求使用高精度10 軸電子羅盤傳感器，實現方向精度為0.5°、傾斜范圍±65°、輸出頻率0.1～200 Hz。在使用過程中，±3.5°為預警值，±5°為報警值，報警后及時調整作業鏟位，清理工作面可有效減少大角度作業，防止機械構件損壞。所有安裝的傳感器通過設定頻率進行采集，有效數據100 000 條/天，數據報表功能可根據時間段、傳感器種類進行匯總并導出。趨勢分析功能可根據設備號、時間段、頻率、周期進行線性分析。根據規律尋找設備的劣化趨勢。

通過近3 年來的統計來看電鏟突發故障次數明顯減少，且和維修車輛往返次數成正比關系。維修車輛往返次數也有大幅降低，由2018 年的1000 多次到2020 年的400 多次，年均減少30%，在單次故障維修車輛往返次數方面也由2018 年的2.28 次降低到2021 年上半年平均1.16 次，直接降低了維修車輛在露天采場與礦用卡車交叉作業的風險，從根本上降低了事故的可能性。故障的發生是一個劣化的過程，一個小的電氣元件或機械元件狀態不良可能造成更嚴重的后果，及早發現異常情況直接降低了維修難度，提高了人員安全系數。

4 結論

目前，電鏟全時狀態數字化平臺在使用過程中實現了一般常規故障的遠程診斷、電鏟運行狀態的大數據采集等功能，應用效果良好，達到了開發目的。但目前數據服務功能還不夠完善，無法支撐元件的大數據建模以及高級分析研究應用，控制平臺的軟件部分還無法做到全元件的全生命周期管理以及其他數字化運維管理的深度應用，需要對數據算法、控制平臺等繼續進行深度開發，使平臺具備進行基于設備狀態于實際運行參數的全生命預防性管理的研究應用基礎，打破經驗式維修的傳統，填補國內同行業數字化驅動運維的空白，發揮數據分析作為預防性維修依據的作用。在有些細節方面如程序設計、模型建立等沒有展開論述。

隨著設備智能化管理系統建設的不斷深入，許多問題將在系統構建的具體過程中不斷更新和完善，需將以下兩個方面作為工作的關注重點：

（1）在特定數學模型下，設備智能化系統將具備自我學習功能，不需要人員參與就能夠提供設備狀態預測，是在實現設備智能化方面需要后續重點關注解決的問題。

（2）本文重點關注了基于大數據的設備智能化管理，將來如何進一步融入設備實現遠程操作或無人操作值得探討。