煤礦機電設備智慧檢修系統研究與應用

李博文，張 斌，呂曉明

(國能神東煤炭集團有限責任公司，陜西省榆林市，719315)

0 引言

煤礦機電設備檢修管理工作是煤礦機電運行管理的重要內容，隨著智能礦山建設步伐的加快以及科技的不斷發展，人工智能、機器學習、物聯網、云計算等各種新技術被不斷地應用于智能化機電設備中，使得智能化機電設備的功能不斷增強，以往憑經驗、故障搶修處理、人工點檢、設備故障報警等檢修模式已不適用于當前的智能化時代[1-3]。因此，在煤礦機電設備檢修工作中應用煤礦機電設備智慧檢修系統十分必要。

目前，國內的智慧檢修系統只停滯在基于數據庫平臺系統的智能決策階段，應用于水電站發電機組的智慧檢修、火力發電站運輸設備及發電機組、交通運輸中的高鐵和飛機智慧檢修系統較多，大多數智慧檢修系統均未實現圖形窗口提示、三維爆炸圖式立體動態顯示及播報功能[4-5]。在煤礦企業機電設備檢修領域，智慧系統的應用還處于空白，因此開發一款適合煤礦機電設備智慧檢修管理系統的軟件平臺工作迫在眉睫[6-8]。

1 機電設備檢修模式現狀

1.1 經驗檢修模式

檢修人員憑借自己多年的檢修工作經驗對設備進行檢修維護保養的現象普遍存在。很多檢修人員可能會依據自己的經驗來對設備做出相應的檢修工作，有的甚至干脆不進行檢修，敷衍了事的情況經常出現。這樣不夠科學的檢修方法由于檢修人員在能力、責任心等方面的不同，最終導致的檢修效果存在較大差別，這必然會導致一些故障出現，影響正常生產。

1.2 應急搶修模式

故障搶修是一種被動的檢修模式，設備突發故障會造成生產中斷。由于搶修準備不夠充分，包括人員、備件、工器具受搶修時間和環境限制等不利因素容易造成人身傷害事故釀成更大損失，所以突發故障的被動檢修模式應極力避免和重點管控。

1.3 預防性檢修模式

預防性設備檢修管理模式是常見的檢修模式，主要是通過觀察機械設備的磨損程度，判斷機械設備是否需要進行大型檢修作業。具體的檢修周期由機電管理人員根據設備的使用情況確定。如果設備使用頻率較高，造成磨損程度較大的設備，可科學地調整機械設備的檢修維護周期，保證機械設備能夠穩定運行[9]。設備預防性檢修針對部件運行時間較長、磨損量較大或日常檢修過程中無法檢查的大型部件檢修更換作業。該檢修模式的缺點是人為憑經驗觀察設備的磨損情況，而后做出主觀更換部件的判斷，會造成設備部件還沒有達到壽命周期就盲目進行更換部件，造成成本浪費。

1.4 標準作業流程檢修模式

標準作業流程檢修模式即“流程卡”檢修，將每項檢修作業以流程卡片的形式下發至檢修人員，檢修作業中選擇相符合的流程卡，依據卡上指導的維修工藝進行作業。其內容包括：作業前環境檢查、準備工作、安全注意事項、操作步驟、收尾工作等流程。標準作業流程檢修適用于較大的設備部件檢修項目，其規范的檢修模式大大降低了失誤和誤操作的發生機率，從而保障檢修作業人員的安全，提升檢修效率[10]。但是流程卡片不能涵蓋全部的檢修內容，如果將設備的所有故障、所有檢修項目全部涵蓋到流程卡內，檢修工所攜帶的流程卡將會很厚重，并且找到符合現場實際的檢修標準作業流程也要耗費較長時間，因此標準作業流程檢修作業并不適合所有的故障處理和檢修作業。

1.5 電子記錄檢修模式

電子記錄檢修模式是目前神東公司各礦井應用最廣泛的檢修模式，數據平臺應用手機App云端電子檢修系統。電子記錄檢修系統是集成原標準作業檢修流程所有業務上傳至云端，隨時可調取、下載、查看本班檢修任務。電子記錄檢修系統將檢修計劃分為班檢、日檢、周檢、月檢，檢修時使用手機App拍攝檢修視頻進行上傳。管理人員隨時可查看檢修質量、檢修結果、檢修工作內容。電子記錄檢修系統可根據檢修周期發送短信提醒設備包機人進行設備檢修，然而也存在發送短信方式不能引起檢修工足夠的重視，且短信發送方式不夠直觀、有時會被忽略等不足。

2 煤礦機電設備智慧檢修系統總體設計

2.1 總體思路

開發一款基于智慧礦區的大數據軟件平臺系統，實時顯示各礦井綜采、掘進、主運輸等工作場景以及設備的運行狀態，構建各設備運行情況。當鼠標點擊進入設備位置后，屏幕左側將彈出三維立體爆炸圖，右側將彈出所有設備、部件使用更換信息、故障信息、狀態信息，并以語音播報的方式進行播報，并且詳細說明配件更換的技術方案、使用工器具、預計故障處理時間、標準檢修作業流程、可能存在的風險同步提示等。設備管理人員、技術人員、檢修人員想重點了解哪個部件和零件只要點擊進入便可了解詳細信息。

2.2 系統拓展功能

該系統還應關聯設備使用信息臺賬數據庫智慧管理系統、同類型號設備零部件可否互換功能、在線健康監測系統、設備智能感知系統、設備自身傳感系統、三維立體爆炸圖零件裝配系統、智能播報語音等功能。

2.3 系統開發應用工具

建立大數據軟件平臺實現設備智慧管理功能。本系統技術框架采用Java Spring Boot框架，分為Web展示、App展示和后臺服務3個部分。Web展示主要負責數據展示和統計查詢，重點在整體設備狀態展示和數據維護；App展示主要負責現場操作的業務模塊；后臺服務包括數據存儲模塊、業務數據模塊、設備信息采集、技術故障診斷等后臺服務。Web展示和App展示都是與后臺服務進行通信、執行后臺服務的業務模型，實現設備管理的各項功能。

3 煤礦機電設備智慧檢修系統功能模塊設計

3.1 數據庫功能模塊

采用MySQL數據庫建立大數據平臺，該數據庫軟件是與Java語言配合最緊密的數據庫之一，能快速構建數據結構和建立數據訪問通道，提高開發效率。根據設備管理的實際業務需要，數據庫結構分為系統數據表結構和業務數據表結構。系統數據表包括用戶信息表(TB_UserInfo)、部門管理表(TB_DeptInfo)、角色權限表(TB_RollAndRight)、系統日志表(TB_Log)、故障信息表(TB_Error)。業務數據表包括設備登記信息(TB_Equipment)、設備計劃表(TB_Plan)、設備維修表(TB_Maintain)、設備配套表(TB_Checklog)、設備接入參數表(TB_Access)。

該模塊可根據數據庫中的設備ID號跟蹤查找設備，將每臺采煤機的生產廠家、型號、系列號、出廠日期、返廠維修情況、更換部件情況輸入至數據庫中，幫助管理人員、技術人員隨時查看設備運行信息、運行狀態，從而做出何時返廠大修、何時項修、何時更換哪些部件、何時報廢等決策。

3.2 人工點檢模塊

目前，有些改造的智能化采煤機沒有安裝自身感知功能傳感器，可以應用手持點檢設備進行人工檢測。利用紅外感應器對設備運行的溫度、振動等進行檢測，如果出現溫度或振動超出設定范圍時，紅外感應器會立即報警，提示檢修人員準確地找出故障部位。手持點檢設備能夠與智能化綜采工作面5G通訊，數據直接記錄、存儲在智慧檢修系統數據庫中。檢修人員也可通過手機藍牙與智能點檢設備相連，實時讀取檢測數據，同時能夠通過App應用上傳至智慧檢修系統，為設備的運行分析提供數據。智慧檢修系統通過數據鏈形成連續曲線，當設備部件出現異常情況時，系統會提示檢修工重點檢查，從而降低設備故障發生的概率。

3.3 設備在線健康監測模塊

設備在線健康監測是通過大數據應用對機電設備實施在線實時監控溫度、振動、故障信息等數據，對設備的實際工作狀態進行線上診斷，檢修人員通過檢測的結果及時發現、處理故障，使設備時刻處于最優的健康運行狀態。設備在線健康監測模塊將在線監測系統數據實時讀取并接入智慧檢修數據庫中，同時顯示在圖形功能模塊上，使故障直觀地顯示出來，并報警提示檢修人員及時處理。設備在線健康監測界面如圖1所示。

圖1 設備在線健康監測界面

3.4 設備自身傳感器故障報警模塊

目前智能化設備自身都加裝了許多傳感器，該模塊具有自身提示報警功能。以綜采智能化采煤機為例，采煤機電氣故障提示包括主回路、分支回路加裝電流傳感器實現過流故障提示；電壓互感器實現過電壓、欠電壓、缺相故障提示；漏電故障監測模塊提示漏電故障；采煤機跟機電纜拖拽拉力傳感器提示張力過大故障；采煤機變頻器安裝各類監測傳感器提示變頻器通訊故障或IGBT故障；液壓系統油溫、油位、油壓、過濾器壓差傳感器提示液壓系統故障等。采煤機自身傳感器通過CAN BUS 總線通信或RS485通信將故障代碼通過地址方式記錄在故障菜單內，并接入智慧檢修系統數據庫中，提示檢修人員快速查找并處理故障。

3.5 集成時間函數及智能算法模塊

(1)時間函數累加算法模塊。該模塊將機械零部件運行時間或過煤量建立模型、編輯公式輸入數據庫，設定初始值后由系統自動累加計算，當零件運行數據達到警告值時，零件所在的部位顯示黃色，并且閃爍提示，系統將彈出對話框(例如：“警告！采煤機右側鏈輪已運行60 d，距離使用壽命還有15 d”)，并同步發送至手機App終端提示報警信息，提示設備管理人員、技術人員、包機責任人重點檢修維護。

(2)計數器累加算法模塊。該模塊對煤機裝備各類控制電機合閘的接觸器、各回路的斷路器、總進線的隔離開關合閘次數以計數器的形式進行記錄、存儲并發送至數據庫，當合閘次數達到使用壽命時，系統自動提示。例如：采煤機液壓泵電機接觸器合閘次數已達100萬次時，采煤機電控箱部位顯示紅色，并且閃爍提示，彈出對話框“警告！采煤機液壓泵電機接觸器已達使用壽命，立即更換！”同時將煤機存儲器內的記錄數據通過5G通訊傳入智慧檢修數據庫系統，并同步發送至手機App終端提示檢修工故障信息，提示檢修工及時處理避免故障出現。

3.6 三維爆炸圖模塊

當用鼠標點擊或手指觸摸進入采煤機各部件后，屏幕左側將彈出三維立體爆炸圖，可層層遞進，檢修工能夠清晰地看出各零部件的傳動機構、工作原理、裝配順序及裝配情況等。采煤機搖臂行星傳動機構爆炸圖示意如圖2所示。

圖2 采煤機搖臂行星傳動機構爆炸圖示意

生成爆炸圖同時屏幕右側彈出所有部件、零件的使用、更換信息，并以語音播報的形式快速播報，并且更換的技術方案、使用工器具、預計故障處理時間、可能存在的風險同步提示、同步下載。

3.7 手機App軟件關聯模塊

煤礦機電設備智慧檢修系統與手機App軟件相關聯，實時提示檢修工設備狀態。該模塊的開發應用使檢修工能快速了解機械設備發生故障的原因，避免浪費較多的故障排查時間。也可以根據設備的預警提示功能提前更換零部件，避免突發故障造成的不利影響。同時也可以隨時調取檢修標準作業流程，全程標準化檢修作業，防范作業過程中出現的安全風險，消除安全隱患。煤礦機電設備智慧檢修系統手機App是智慧檢修系統的終端，二者互為一體相互關聯，可隨時上傳、下載系統內所有信息。

4 應用效果

煤礦機電設備智慧檢修系統融合了上述檢修模塊的全部功能，且具備良好的擴展性和功能前瞻性。設備管理人員、技術人員可隨時掌握煤礦機電設備的所有數據信息，為設備調劑、配套、大項修、大型部件管理提供了強有力的數據支撐[11-12]。系統可隨時編輯、修改、添加以及更新數據庫內容，為企業未來發展提供持續的設備管理保障。智慧檢修系統的開發應用使檢修人員方便開展設備檢修和迅速排除故障工作，為礦井安全管理提供可靠的技術保障，為礦井的安全生產提供有力支撐。

2023年1月，煤礦機電設備智慧檢修系統在神東公司哈拉溝煤礦正式應用，綜采隊依照系統提示進行周期性檢修并更換大型部件，故障率顯著降低，由2022年下半年的3.49%下降到2.13%，且上半年未發生過因設備檢修問題影響正常生產的情況，月均產量上升至92萬t，較2022年下半年提升了8.3%。

5 結語

煤礦機電設備智慧檢修系統能夠幫助煤炭企業的設備管理從信息化走向智能化。煤礦機電設備智慧檢修系統通過智能傳感器將現場信息進行收集，通過有線+無線的方式將數據傳輸到地面服務器上進行分析，為管理人員提供決策依據。隨著智能化礦山建設的飛速發展，在機電設備智慧檢修的基礎上，還將陸續建成礦井智慧供電、主運輸智慧計量、主要通風機智慧通風、給排水設備智慧運行等工作，為建設智慧礦山、智慧園區打下堅實基礎。