赵一波
中煤新集能源股份有限公司技术中心 安徽淮南 232000
摘 要：为了构建煤矿统一开放的智能化生产、安全、经营、服务一体化管控体系，提升煤炭开采效率和效益，推动安全生产与经营管控高效协同，以建设智能化矿山为契机，论文从单轨吊现场实际应用存在的问题为出发点，应用Wi-Fi无线通信技术，实现单轨吊运行数据的采集，利用矿井原有的视频监控系统和工业环网，实现数据的传输，重点介绍了系统的构架设计和软件主要功能，实现对单轨吊机车的有效闭环管理，深度推进装备、系统升级，实现智能化煤炭开采模式，助推矿井双提、双减、双降，使得矿井资源开发利用水平显著提高，煤矿职业健康和工作环境根本改善，实现企业高质量发展。
关键词：单轨吊；维保系统；设备管理；智能
Research on Intelligent Maintenance System of mine monorail crane
Zhao Yibo
(Technology Center of China Coal Xinji Energy Co., Ltd,Huainan,Anhui,232000)
Abstract:In order to build a unified and open intelligent production, safety, operation, service integrated management and control system，Improve coal mining efficiency and benefits,We will promote efficient collaboration between production safety and management and control,Taking the opportunity of building intelligent mines,This paper starts from the problems existing in the practical application of monorail crane,Wi-Fi wireless communication technology is applied to realize the collection of operation data of monorail crane,The original video monitoring system and industrial ring network are used to realize data transmission,This paper focuses on the system architecture design and the main functions of the software,Realize the effective closed-loop management of monorail crane locomotive,further promote the upgrading of equipment and systems,realize intelligent coal mining mode,Boost the double lifting, double reducing and double lowering of the mine,The development and utilization level of mine resources has been significantly improved, the occupational health and working environment of coal mine have been fundamentally improved, and the high-quality development of enterprises has been realized.
Key words: Monorail crane;Maintenance system;equipment management；Intelligence
1引言
1.1 研究背景
近年来，随着资源和环境约束不断强化，劳动力等生产要素成本不断上升，在能源行业经济发展严峻的形势下，创新驱动发展将成为未来发展的新主题。同时根据国家发改委等八部委《关于印发《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》的通知》（发改能源〔2020〕283号）精神，推动煤矿智能化发展势之所趋。要求煤矿企业构建统一开放的智能化生产、安全、经营、服务一体化管控体系，提升煤炭开采效率和效益，推动安全生产与经营管控高效协同，以建设智能化矿山为契机，深度推进装备、系统升级，实现智能化煤炭开采模式，助推矿井双提、双减、双降，使得矿井资源开发利用水平显著提高，煤矿职业健康和工作环境根本改善，实现企业高质量发展。
1.2煤矿单轨吊应用现状
矿用单轨吊机车以其可靠性高、成本低、安装方便、转弯半径小、能实现一站到工作面的不转载直达运输等优点,成为井下辅助运输的重要方式。随着单轨吊应用的普及，使用中的问题逐渐暴露出来：一是工人业务水平不能满足设备运维需求；二是机车日常检修不到位，存在超时检修、假检修、漏检修的问题；三是煤矿对检修工作监管不到位。这些问题的背后是巨大的安全隐患，例如隔爆板清理不彻底，很容易造成巷道内CO浓度升高等煤矿涉险事故。煤矿井下环境复杂，设备运行环境相对恶劣，设备检修不到位，很容易造成机车牵引力不足、爬坡能力下降等一系列问题。根据安全管理和智能化矿山建设的要求，迫切需要一种管理软件能够解决现实存在的问题。目前沙尔夫、芬瑞特等国外厂家未开发单轨吊维保管理系统，国内也没有关于煤矿单轨吊机车智能维保系统的专门产品。
1.3设备维修管理现状
设备维修管理是煤矿企业安全生产管理的重要部分，该系统是为了实现故障处理、巡检处理、设备管理、维修管理、系统管理以及手机客户端功能等六大功能所采用的信息化管理系统。开始只是作为整个企业设备管理信息的一小部分，或者作为生产管理系统的一部分出现。其典型特点是“大而全”，有的不但包括了生产管理、人事管理，还包括财务、安全、办公自动化等功能，它实现了全企业数据的及时保存、共享及查询，能够在一定程度上满足企业相关部门和人员的要求。但是这仅仅起到了一种电子记录本的作用，将设备的一些信息通过数据库保存起来。看似功能强大，实际落实在各个具体功能上，除了实现电子记录本的功能外，其他功能十分有限，因为一些数据还要手工去录入，反而成了基层工作者的一种负担，体现的是一种粗放式管理模式。另外由于系统庞大，设备数量多，有的大型企业，设备数量达上万台甚至几十万台，时间一久系统运转缓慢，查询效率低。随着国内智能化矿山建设的逐步推动，煤矿企业管理从粗放型到精细型的转变是一个趋势，相应地也要求企业的管理软件向专业化、精细化方向转变。
1.4目的
通过该系统的研究，使单轨吊的管理科学化、规范化，进而保证企业对生产设备的各种管理制度真正落到实处，保证点检人员按时按点的按照计划对各地点的单轨吊进行点检，进而保证设备始终保持良好的工作状态和生产质量，真正实现点检维修工作的信息化管理。通过维修点检的信息化管理，可以有效提高点检人员的工作效率，杜绝虚报点检，杜撰报表等事件发生。通过检修工单体系、操作指导体系和专家体系的应用，稳步提升维保人员业务能力，极大降低因职工业务能力不高对安全生产造成的影响。
2 系统构架设计
基于建立设备全生命周期管理的思路，结合应急维修和预防性维修的维修策略，形成设备检修工单，建立技术资料信息库和故障应急处理指导信息库，逐步形成企业知识资产，同时建立监管和考核评价体系，形成包含检修---技术指导---监管---考核的闭环管理体系。实现以下功能：基本设备管理功能、备品备件管理功能、检修周期控制及层级授权管理功能、检修工单操作指导功能、故障处理辅助诊断分析功能、远程专家援助功能、监控功能、监管考核功能、知识资产管理和可视化操作培训功能。
3系统硬件设计
3.1机车电控系统简介
以沙尔夫DZ2000 3+3型柴油单轨吊为例，其电控系统为SMT Scharf生产，主要由发电机、控制箱、操纵箱、电磁阀、显示屏、速度编码器、压力及温度传感器组成。通过发电机提供电源，由控制箱内的控制板处理输入输出信号，机车信号采集单元采集各传感器数据数值及各传感器的状态后通过CAN总线发送至控制输出单元，由操纵箱的操纵手柄控制机车的前后方向，由电磁阀门对液压系统进行监控，显示屏显示系统参数和故障，速度编码器监测机车的运行速度及转速，温度及压力传感器检测系统不同点的压力和温度值。预警和瓦斯监控系统可以测量井下瓦斯浓度，当瓦斯浓度超标时，通过瓦斯测量装置给出的信号控制机车的急停，瓦斯探测仪由独立电源、控制板、显示屏等部件组成。
3.2系统网络构架
根据单轨吊移动目标属性，建立以Wi-Fi为基础的移动网络通讯传输系统构架。单轨吊随车配置车载信息采集子系统，井下巷道设置Wi-Fi无线网络分站，通过工业以太网传输到地面系统服务器，现场和远程分站通过工业以太网或现场Wi-Fi无线网络分站接收服务器处理数据，实现对单轨吊的运行和检修监管。结构图如下图1：
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图1：系统整体网络结构图
Figure 1: overall network structure of the system
3.3维保系统硬件设计
该维保系统主要包括车载信息子系统、本安型网络无线移动摄像仪、现场移动终端、本安无线路由、地面服务器和地面监控分站。
3.3.1本安型网络无线摄像仪
摄像仪由本安外壳、镜头、摄像机、无线发射板以及接线端子组成，主要负责监视检修现场，利用Wi-Fi信号，无线连接至就近Wi-Fi AP点，形成无线音视频联络监控,传入矿井视频监控系统，以便维保系统调取监控信息。供电电源选用矿用本安型直流电源。
3.3.2现场移动终端
采用矿用本安型手持终端，终端采用安卓系统，能通过浏览器或APP连接服务器登录维保系统，支持4G全网通，Wi-Fi和蓝牙等，可实现语音通信，前后摄像头方便现场工作的录像和拍照，内存容量2GB+16GB，支持扩展128GB SD卡，满足用户经常询问的拍录和储存需要。
3.3.3矿用本安型无线路由
无线路由采用工业级无线通信模块，支持IEEE802.11b/g/n 标准，最高速率达 150Mbps，支持 WEP、WPA、WPA2等多种加密方式，电源接口5V-26V（DC12V/1A或DC5V/2A），内置电源反向保护和过压保护。无线路由通过光纤就近接入附近的交换机；井下节点交换机连接地面核心交换机，形成工业以太环网，将数据传给服务器。
3.3.4地面服务器和地面监控分站
由于该系统应用的单一性，同时登陆用户最多也就几百人，视频数据由矿井视频监控系统服务器处理，系统仅是调用数据，地面服务器建议选用酷睿服务器即可满足使用要求，CPU：Intel Core E5400 2.7GHz，内存：2G DDR3 1066内存，硬盘：1TB。地面监控分站最好和服务器同等配置，形成一用一备，增强系统数据可靠性。
3.3.5车载信息子系统
矿用防爆型车载信息子系统是将机车数据转换成无线信号传输给井下环网，并进行无网络状态的信息数据暂存。子系统内部集成一路CAN--bus接口，一路Wi-Fi无线接口及TCP/IP协议栈，支持IEEE802.11b/g/n 标准，每个子系统形成各自MAC地址，方便服务器识别不同机车。系统配置可存储硬盘，网络不通时进行数据存储。子系统供电系统使用机车供电，配置供子系统数据存储不少于8小时的防爆可充电电池。
4、软件设计
4.1系统软件构架
软件访问基于B/S构架设计，用户可以在终端使用浏览器访问并接入本系统，可以在任何地方进行操作而不用安装任何专门的软件。只要有一台能上网的电脑就能使用，客户端零维护。又可以通过各种方式与数据库服务器连接，大量的数据存放在数据库服务器中。系统的扩展性非常容易，只要能上网，再由系统管理员分配一个用户名和密码，就可以使用。
4.2系统软件模块划分
4.2.1基本设备管理模块
对单轨吊的基本信息，如位置、规格等属性进行维护管理，主要实现对设备信息的添加、编辑、删除等操作。对维修人员信息进行维护，维修人员作为维修计划的制订与执行者，需要登录系统进行相关的业务操作。记录设备档案信息及进行历史追溯查询，具备设备调拨及管理职责更改功能。另外该系统软件访问基于B/S构架设计，可在开发企业资产管理软件时轻松实现无缝对接。
4.2.2备品备件管理模块
该功能主要是对预防性检修及故障解决过程中替换备件进行入库、出库、调拨的管理。备件库分为矿中心备件库与区队备件库。各区队维修小组拥有独立的备件库，各备件库之间可以相互调拨设备。各区队备件库可以查询中心库库存，以便申请领用。另外建立备品备件的供应商管理库，根据备品备件的消耗数量对比及质量反馈，轻松实现对备品备件的供应商进行考核，做到精细化闭环管理。
4.2.3检修周期控制及层级授权管理模块
根据应急维修和日常预防性维修的维修策略，根据检修内容，制定详细的检修计划，控制检修项目的检修周期，结合设备运行状态，自动形成每班或每日的巡检和检修清单，并将工作任务发送给管理者人，再由管理者分派给设备维保责任人，也可根据权限自由设定任务分配流程。根据现场生产需要，未进行正常的设备维保的，需进行延迟修理请示，根据检修内容的紧急程度制定合理的延迟时间权限，进行层级授权管理，超时未进行维保的，系统将进行报警，超过延迟权限的，将层级报警，并进行记录，作为设备维保考核依据。
4.2.4检修工单操作指导模块
检修工单是现场执行的关键环节，检修工单操作指导功能即系统在分配到具体检修任务后，自动形成检修工单，工单内容亦全部自动生成，工单内容有详细操作步骤、工作前工器具准备、操作安全注意事项等内容不需维保人员填写，全部内容在现场移动终端中显示，实时无纸化检修过程记录。同时每个工单内容都用3D仿真动画视频进行生动介绍，在检修人员技术生疏，操作无把握时可及时进行查看，在“干中学，学中干” ，对职工的操作有临场生动的技术指导作用和知识技能的稳步提高。
4.2.5故障处理辅助诊断分析模块
单轨吊电控系统一般都没有自诊断功能，仅仅是形成故障记录，需要现场检修人员查询设备说明书的故障代码进行故障排除的分析，该系统的故障处理辅助诊断分析功能旨在调取设备故障记录，对产生故障的原因进行可能性分析，给出故障排除的关键路径，配合系统的操作指导功能，逐一确认故障原因，最后实现故障的消除。若故障原因系统未给出正确指导路径，需反馈至系统知识资产管理功能模块，为下一次同类故障处理提供数据支持。
4.2.6远程专家援助模块
利用AR与远程通信技术结合的AR远程专家援助，员工在井下持移动终端向指定专家发起通话请求，并将拍摄的画面通过网络与专家进行共享，还可进行语音交流，及时处理现场需要难以处理的故障，寻求专家的指导。亦可将设备的运行状况及设备维修记录台账分享给专家，让专家对设备维护情况进行评价。
4.2.7监控模块
对单轨吊关键部位的温度、湿度、速度、振动、机车运行状态和运行时间等实时信息进行采集和分析，当出现异常时进行报警，还可权限设定进行远程控制。车载信息采集子系统具备信息储备功能，当单轨吊运行在无网络信号状态时进行数据存储，接收到信号后再上传到服务器。同时在检修地点设置视频监控，实时监控现场检修状况。
4.2.8监管考核和设备维修综合评价模块
设备维修监管一直是煤矿设备管理的难点，全凭职工的责任心，安全监管不到位，设备维修评价更是一片空白，只以是否影响生产论英雄。该系统的监管考核和设备维修综合评价体系是建立在视频监管和设备维修状况为一体的监管考核体系，通过对检修任务的完成情况、设备故障率、备品备件库存情况、视频抽检操作规范情况等进行综合打分评价。
4.2.9知识资产管理和可视化操作培训模块
国际越来越重视知识管理，“知识与技能”是企业重要的资产；“利用我们已知的”——不要再从头学习，可以提高工作效率的3倍；全球化使知识管理成为价值最大化的关键，即知识资产管理。维修管理的知识资产也是需要不断创造和管理，这是企业不可多得的财富，日常管理中都把他浪费掉了，因此需要系统建立可扩展的知识资产管理功能，维修管理的知识管理流程：创造---提炼总结----文件化----传播-----基于知识的管理----设计工作流程和指标---控制维修过程。该系统模块同时具备联网分享功能，通过交流将自己好的经验和知识分享出去，并吸收别人的优点，不断完善自己的数据库和知识储备。
可视化操作培训是依托三维仿真及虚拟现实技术为技术支撑，制作典型设备的高精度3D模型，在此基础上制作出生动形象的三维动画视频培训课件，从而实现对设备基本信息、结构组成、工作原理、标准操作及故障分析等内容进行可视化培训。在界面中通过点击3D模型的某组件，实现将模型组件从模型上拆解出来，展示模型从零到整和从整到零的过程，同时显示各组件的名称，从而帮助培训对象深化对设备结构的掌握程度。
5总结与展望
5.1总结
论文从单轨吊现场实际应用存在的问题为出发点，实现单轨吊运行数据的采集，基于矿井原有的视频监控系统和工业环网，应用Wi-Fi无线通信技术，实现数据的传输，重点介绍了系统的构架设计和软件主要功能，实现对单轨吊机车的有效闭环管理。该系统软件开发是关键，需要设备制造厂、软件设计商和设备使用单位三方共同协作，才能使软件的功能和效用充分发挥出来。
5.2展望
随着煤矿信息化的发展，5G通讯、机器人、智能AI和大数据等技术的发展，故障诊断更加实时、更准确、覆盖面更广，检修策略会发生改变，由“周期修”变成“状态修”，信息化的管理，对机车的运行状态进行全面评估，减少维修成本和维修时间，保障安全生产，提高生产效率。
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作者简介：赵一波，出生于1984年7月，男，安徽淮南人，大学本科学历，现工作于中煤新集能源股份有限公司技术中心智能矿山建设研究所，副主任工程师，工程师。