基于大數據的電鏟健康管理系統設計分析

高方欣

（國能北電勝利能源有限公司，內蒙古 錫林浩特 026000）

1 礦山設備制造企業的發展方向

大型露天礦用機械正鏟式挖掘機承擔礦巖的“挖掘”和“裝載”兩大重要職能，是露天礦山開采系統的核心裝備，斗容≥12m3，自重≥500t，下面簡稱“電鏟”，是礦山采掘環節中的主要設備，電鏟的綜合性能，對整個礦山開采效率都有影響作用。結合電鏟自身數據特點來分析礦山物聯網相關研究，積累企業在設計、建模、控制、優化技術等方面的技術，應用實踐時根據礦山生產規劃、過程控制、安全監控、智慧化建設等方面，在大數據物聯網背景下，電鏟的發展方向如下。

（1）基于大數據的電鏟設備健康管理系統。通過監測設備各類運行狀態數據，如振動、溫度、光譜、粉塵、電流、電壓、功率等，判斷設備是否出現異常，是否存在運行故障，能夠直接代替人工進行故障診斷。結合故障診斷結果，做好數據管理，為后續開發設備健康系統奠定基礎。

（2）基于大數據的無人操作電鏟研發。在借助大數據研發無人操作電鏟時，存在無人和有人的兩個階段。需要利用設備搜集礦山的礦品、各種設備的運行數據信息等，這樣就能夠根據這些信息研發出滿足露天開采需求的電鏟。

（3）在礦山物聯網的狀態下，所有的信息數據都可以共。礦山能夠實現全流程一體化生產，將電鏟應用其中也可以實現自動操作。在故障診斷和故障預測的支持下，電鏟大數據運行系統能夠正常運轉，能夠高效分享礦山設備的所有數據，利用這些數據提高電鏟和各設備的配合度。還可以挖掘各設備、各運行層和控制層的隱藏數據，根據這些數據優化控制方法，優化生產流程。這樣能夠發揮這些數據的最大化價值，幫助礦山企業降低生產能耗和物耗。

電鏟設備健康管理是以大數據為支撐的，必須做好數據挖掘等多項工作，這樣電鏟才能夠穩定地實現無人操作，并為礦山全流程一體化自動運行和智慧礦山的建立奠定基礎。現階段，人們已經完成了基本準備工作，無人挖掘機的研發工作也在緊張開展。礦山企業與相關高校、智能制造國家實驗室建立了合作關系，研發工作將能有序進行。

2 基于大數據的電鏟設備健康管理系統

某產品服務云平臺是一種能夠遠程監控、服務重型設備的平臺，擁有傳感技術、通信技術以及嵌入式技術等。將基于大數據的電鏟設備健康管理系統應用在WK系列的挖掘機中，就能夠做好備件管理和設備故障診斷等多項工作。能夠根據故障預測結果，提前做好養護、維修等多項工作，延長設備的使用壽命以及使用的穩定性。這是一種應用價值較高的電鏟設備健康管理系統。

2.1 電鏟數據采集傳輸方案

現階段，礦山企業應用的礦山大數據平臺只能夠進行數據方面的監控，有很多應用方式只停留在理論研究方面，需要深入探索。這表明還沒有充分發揮大數據的隱含價值。礦山企業要擴大大數據的應用范圍，結合設備特點，研究符合設備需求的數據采集方案，為開發設備健康管理系統奠定基礎，也能夠為后續的設備升級提供數據支持。

2.1.1 基于設備特性的數據分頻傳輸

電鏟的設備數據分為開關量（控制開關量、狀態開關量）和模擬量（控制模擬量、狀態模擬量）兩大類。設備在運行時，系統會結合運行情況發射控制指令數據，設備會及時做出響應，運行過程中產生的數據就是控制量。當前，系統在應用過程中采集的主要是狀態量，一般會選取最高值的狀態量錄入數據傳輸頻率的設計模型中。

步入了“有人值守”環節后，系統會同時采集狀態量和控制量這兩種數據。到了“生產全流程一體化”環節后，設備會根據控制平臺發出的指令運行。要想儲存這些數據是比較困難的，而且儲存量比較大。為了節約成本，減少儲存容量，可以針對每種類型的數據設定特定的采集頻率。這樣可以有選擇地儲存一些重要數據，將一些不必要的數據剔除，方案如下。

（1）根據規劃，采集所有的狀態開關量。但在采集控制類開關量時，可以根據重要程度篩選出一些重要度較高的數據，其余的數據可以忽略不計。電鏟的數據采集周期可以設定為一個較小的時間，例如，在采集開關量時，可以設定為1 個基本時間的周期，在傳輸時可以設定為5 個基本時間的周期。

（2）時間常數較大的模擬量如：各類軸承溫度、電機溫度、潤滑油液位、各機構消耗電量、電鏟挖掘噸數等，采集周期一般是5000 個基本時間，傳輸周期一般是20000 個基本時間。一些機構的轉速、電壓等一般是100 個基本時間的采集周期，傳輸周期則是1000 個基本時間。

2.1.2 基于數據安全和數據統一的數據映射方案

在應用大數據時，要統一數據代碼和數據信息。如果無法統一數據，就無法有效采集，儲存這些數據信息，也就難以完成后續的深度挖掘和應用工作。

在映射概念的支持下，要設計出符合要求的映射方案。可以在挖掘機設備原有的PLC 程序中建立全新的DB 數據模塊，在這個模塊中進行數據規劃。這個過程必須建立統一的數據結構，統計傳感器數據等其他設備的運行數據，這樣能夠得到較全面的映射數據。結合設備未來的發展方向，要提前留出一部分數據區域。這樣在開發新功能時就能夠儲存這些新數據。未來也不會出現數據儲存區域較小，出現重疊占用的情況。數據映射最基礎，最重要的工作就是數據規劃，要做好這項工作。

2.2 電鏟故障診斷模塊模型

在本地采集和遠程傳輸的支持下，人們能夠獲得電鏟各機構的數據信息。利用這些數據信息建立故障分析和故障預測模型。例如，搜集風機電機在散熱過程中的溫度信息以及電壓和電流情況，對比現階段風機電機在應用過程中的各項信息。如果溫度和電流有明顯上升的情況，表明可能出現了缺少潤滑油或是出現了軸承同心度方面的問題。如果針對這些方面采取了解決措施，溫度仍然持續上升。可能是電機產生了嚴重故障，系統會在第一時間發出強烈警報。工程師會立刻到現場做好檢查和維修工作。當然，也有一些故障是系統無法檢測出來的，這些故障信息會傳輸到工程師的電腦上。工程師會根據這些數據信息分析故障，這樣能夠節省到現場才開展故障分析和維護的時間。

3 電鏟管理維修要點與管理策略

3.1 建立模塊化隨動機制

礦坑是在不斷移動的模塊，也應當根據移動方向不斷移動。模塊化是實現合理分工的基礎，能夠高效處理各種復雜事物，屬于一種超分工。能夠提高各項工作的專業化水平和工作速度。隨動模塊又可以細分為后勤、檢修和配件等多個模塊，每個模塊都擁有整體移動能力，可以在模塊下方安裝可移動的車輪。根據礦坑的移動周期，每半年或是一年移動一次。

檢修模塊要做好電鏟檢修工作，要提前準備檢修工具和檢修資料，了解工況環境、做好電鏟定位等。

輔助模塊需要做好電鏟檢修的準備工作，必須維護好輔助車輛，完成這些車輛的養護和行駛等多項任務，同時還要做好技術準備。

配件模塊要根據配件需求發放、儲存配件，一般是小中型的配件，大中型配件一般存放在固定的庫房中，如果需要，可以隨時調取。

后勤則負責模塊的移動和供給等多項工作。為各個模塊供電、供水、提供食物等，還要做好所有模塊的安全防護和養護工作，到了搬遷的日期，需要整體移動模塊。

綜上所述，建立模塊隨動機制能夠確保維修隊伍和電鏟的工作位置在合理的范圍內移動，縮短電鏟維修的響應時間，這樣就能解決維修距離較遠的問題，能夠滿足現場生產維修的需求。

3.2 信息化管理模式

當前的信息化技術已經十分成熟，可以結合各崗位的工作流程、人員設備信息、質量保障體系、實際管理需求等，建立完善的信息化管理體系，讓設備維修信息管理系統覆蓋生產的全流程、全體工作人員，同時也要關注維修技能的時效性。為了滿足時效性方面的需求，在引入模塊后，要嚴格劃分工作內容，確保各模塊都有相應的負責人，工作人員可以各司其職。這也為信息化精準管理奠定了基礎。配件組只需要及時補充發放配件即可，要保證補充的時效性和發放的準確性。針對配件發放，建立實時信息化管理模塊。這樣能夠在第一時間查詢所有的配件信息，及時提醒哪種類型的配件庫存不足，還要增設動態推送配件信息的功能。后勤組要計算所有車輛的保養維修時間和每工作小時的耗油量，記錄重點檢修項目等，協調檢修組和輔助組共同完成設備的保養等多項工作，輔助司機高效率完成本職工作。檢修組和輔助組要做的工作內容有很多，包括檢查高空吊裝裝置、查看電鏟高處點檢位置、利用無人機繪制坑下道路等，需要將自動定位裝置和錄屏裝置安裝在下坑的人和車身上，這樣能夠提供遠程技術指導，也可以隨時傳輸數據信息。

3.3 電鏟管理要點

（1）加強日常管理。在應用電鏟設備進行露天開采時，還需做好電鏟設備的管理工作，并將其作為常規化的工作來開展。主要做法為，每天的生產作業結束后都對電鏟設備進行日常保養，確保其使用性能處于最佳狀態。此外，還應結合以往的設備維護經驗對設備維修的時間間隔進行動態調整，以確保在發現設備故障問題的第一時間確定故障位置，并解除故障隱患。我國在露天開采中所使用的電鏟存在規模大和體積大的特性，其設備購置成本較高，如果不科學開采設備管理工作，則會引發諸多問題，如增加露天開采成本和威脅作業人員人身安全等問題。因此，需要密切關注電鏟設備的運行現狀，加強對電鏟日常管理工作的重視。

（2）做好管理預案。通過對以往的電鏟故障成因的分析可以發現，引發電鏟故障的因素有很多種，除了與外部作業環境相關外，還與電鏟自身的運行性能相關，當電鏟的性能無法滿足實際開采需求的情況下，便會由于超負荷運行而產生諸多故障問題。基于此，在進行電鏟管理時，應根據電鏟作業的特點以及外部環境的特征制定有針對性的管理預案。具體需要先對外部環境進行分析，并結合電鏟作業的特點，分析可能會對電鏟設備產生影響的相關因素，明確實際作業中可能發生的故障※問題，并制定科學可行的管理預案。另外，需要對露天開采的作業要求進行細致分析，并選擇合適型號的電鏟，使其性能滿足實際開采要求，從根源上消除由于電鏟自身性能不足引發的故障問題。這便要求在設備進場前能夠安排專業的人員對設備質量和性能等進行綜合檢查，合格后方能入場使用。

（3）加強養護管理。從前期的露天開采工作來看，電鏟質量與露天開采效率直接相關，為能夠提高露天開采的效率，需要積極進行設備養護，使電鏟運行質量得到保障。為此，也需要將電鏟養護管理作為電鏟管理的重點內容，在條件允許的情況下，應設立專門的電鏟養護管理小組，主要負責對電鏟設備的維修養護工作，要求其中的小組成員具備一定的養護經驗和維修經驗，能夠根據電鏟設備的運行表現，判定設備的運行狀況，制定科學的養護計劃，使電鏟作業質量保持最佳狀態。

3.4 電鏟管理策略

為使電鏟管理工作得到有序開展，應結合電鏟設備的作業特點以及以往的故障因素對電鏟管理制度進行有效明確與規范。考慮到當前的電鏟設備更為精密，對維修和養護技術提出了更高的要求，在制定管理制度時，也需根據現階段電鏟設備的結構特征和技術原理，對管理內容進行細化，爭取為具體的管理工作作出明確的指導，使電鏟管理工作有據可依。此外，為了提高電鏟設備的作業效果，也要求相關的維修和養護人員具有更強的專業能力，還需組織開采技術培訓工作，全面提升設備維護人員的技術水平，為電鏟養護和管理工作提供可靠的人才支持。

4 結語

設備健康管理系統最重要的部分是設備故障診斷模塊，需要采集各類數據信息，開發符合本企業的自診斷模塊。隨著大數據技術的深度應用，獲取的數據信息越來越多，這能夠提高模塊的預測和診斷能力，但同時也要升級故障診斷模塊。將先進的算法和自學功能應用到模塊中，這是人們必須做的任務，也是提高設備健康管理系統的必經之路。在增設系統的新模塊時，必須遵守數據采集標準細節，嚴格遵循執行代碼的規劃，保證新的程序具有數據標準性、統一性。