基于大数据的电铲健康管理系统设计分析

高方欣

（国能北电胜利能源有限公司，内蒙古 锡林浩特 026000）

1 矿山设备制造企业的发展方向

大型露天矿用机械正铲式挖掘机承担矿岩的“挖掘”和“装载”两大重要职能，是露天矿山开采系统的核心装备，斗容≥12m3，自重≥500t，下面简称“电铲”，是矿山采掘环节中的主要设备，电铲的综合性能，对整个矿山开采效率都有影响作用。结合电铲自身数据特点来分析矿山物联网相关研究，积累企业在设计、建模、控制、优化技术等方面的技术，应用实践时根据矿山生产规划、过程控制、安全监控、智慧化建设等方面，在大数据物联网背景下，电铲的发展方向如下。

（1）基于大数据的电铲设备健康管理系统。通过监测设备各类运行状态数据，如振动、温度、光谱、粉尘、电流、电压、功率等，判断设备是否出现异常，是否存在运行故障，能够直接代替人工进行故障诊断。结合故障诊断结果，做好数据管理，为后续开发设备健康系统奠定基础。

（2）基于大数据的无人操作电铲研发。在借助大数据研发无人操作电铲时，存在无人和有人的两个阶段。需要利用设备搜集矿山的矿品、各种设备的运行数据信息等，这样就能够根据这些信息研发出满足露天开采需求的电铲。

（3）在矿山物联网的状态下，所有的信息数据都可以共。矿山能够实现全流程一体化生产，将电铲应用其中也可以实现自动操作。在故障诊断和故障预测的支持下，电铲大数据运行系统能够正常运转，能够高效分享矿山设备的所有数据，利用这些数据提高电铲和各设备的配合度。还可以挖掘各设备、各运行层和控制层的隐藏数据，根据这些数据优化控制方法，优化生产流程。这样能够发挥这些数据的最大化价值，帮助矿山企业降低生产能耗和物耗。

电铲设备健康管理是以大数据为支撑的，必须做好数据挖掘等多项工作，这样电铲才能够稳定地实现无人操作，并为矿山全流程一体化自动运行和智慧矿山的建立奠定基础。现阶段，人们已经完成了基本准备工作，无人挖掘机的研发工作也在紧张开展。矿山企业与相关高校、智能制造国家实验室建立了合作关系，研发工作将能有序进行。

2 基于大数据的电铲设备健康管理系统

某产品服务云平台是一种能够远程监控、服务重型设备的平台，拥有传感技术、通信技术以及嵌入式技术等。将基于大数据的电铲设备健康管理系统应用在WK系列的挖掘机中，就能够做好备件管理和设备故障诊断等多项工作。能够根据故障预测结果，提前做好养护、维修等多项工作，延长设备的使用寿命以及使用的稳定性。这是一种应用价值较高的电铲设备健康管理系统。

2.1 电铲数据采集传输方案

现阶段，矿山企业应用的矿山大数据平台只能够进行数据方面的监控，有很多应用方式只停留在理论研究方面，需要深入探索。这表明还没有充分发挥大数据的隐含价值。矿山企业要扩大大数据的应用范围，结合设备特点，研究符合设备需求的数据采集方案，为开发设备健康管理系统奠定基础，也能够为后续的设备升级提供数据支持。

2.1.1 基于设备特性的数据分频传输

电铲的设备数据分为开关量（控制开关量、状态开关量）和模拟量（控制模拟量、状态模拟量）两大类。设备在运行时，系统会结合运行情况发射控制指令数据，设备会及时做出响应，运行过程中产生的数据就是控制量。当前，系统在应用过程中采集的主要是状态量，一般会选取最高值的状态量录入数据传输频率的设计模型中。

步入了“有人值守”环节后，系统会同时采集状态量和控制量这两种数据。到了“生产全流程一体化”环节后，设备会根据控制平台发出的指令运行。要想储存这些数据是比较困难的，而且储存量比较大。为了节约成本，减少储存容量，可以针对每种类型的数据设定特定的采集频率。这样可以有选择地储存一些重要数据，将一些不必要的数据剔除，方案如下。

（1）根据规划，采集所有的状态开关量。但在采集控制类开关量时，可以根据重要程度筛选出一些重要度较高的数据，其余的数据可以忽略不计。电铲的数据采集周期可以设定为一个较小的时间，例如，在采集开关量时，可以设定为1 个基本时间的周期，在传输时可以设定为5 个基本时间的周期。

（2）时间常数较大的模拟量如：各类轴承温度、电机温度、润滑油液位、各机构消耗电量、电铲挖掘吨数等，采集周期一般是5000 个基本时间，传输周期一般是20000 个基本时间。一些机构的转速、电压等一般是100 个基本时间的采集周期，传输周期则是1000 个基本时间。

2.1.2 基于数据安全和数据统一的数据映射方案

在应用大数据时，要统一数据代码和数据信息。如果无法统一数据，就无法有效采集，储存这些数据信息，也就难以完成后续的深度挖掘和应用工作。

在映射概念的支持下，要设计出符合要求的映射方案。可以在挖掘机设备原有的PLC 程序中建立全新的DB 数据模块，在这个模块中进行数据规划。这个过程必须建立统一的数据结构，统计传感器数据等其他设备的运行数据，这样能够得到较全面的映射数据。结合设备未来的发展方向，要提前留出一部分数据区域。这样在开发新功能时就能够储存这些新数据。未来也不会出现数据储存区域较小，出现重叠占用的情况。数据映射最基础，最重要的工作就是数据规划，要做好这项工作。

2.2 电铲故障诊断模块模型

在本地采集和远程传输的支持下，人们能够获得电铲各机构的数据信息。利用这些数据信息建立故障分析和故障预测模型。例如，搜集风机电机在散热过程中的温度信息以及电压和电流情况，对比现阶段风机电机在应用过程中的各项信息。如果温度和电流有明显上升的情况，表明可能出现了缺少润滑油或是出现了轴承同心度方面的问题。如果针对这些方面采取了解决措施，温度仍然持续上升。可能是电机产生了严重故障，系统会在第一时间发出强烈警报。工程师会立刻到现场做好检查和维修工作。当然，也有一些故障是系统无法检测出来的，这些故障信息会传输到工程师的电脑上。工程师会根据这些数据信息分析故障，这样能够节省到现场才开展故障分析和维护的时间。

3 电铲管理维修要点与管理策略

3.1 建立模块化随动机制

矿坑是在不断移动的模块，也应当根据移动方向不断移动。模块化是实现合理分工的基础，能够高效处理各种复杂事物，属于一种超分工。能够提高各项工作的专业化水平和工作速度。随动模块又可以细分为后勤、检修和配件等多个模块，每个模块都拥有整体移动能力，可以在模块下方安装可移动的车轮。根据矿坑的移动周期，每半年或是一年移动一次。

检修模块要做好电铲检修工作，要提前准备检修工具和检修资料，了解工况环境、做好电铲定位等。

辅助模块需要做好电铲检修的准备工作，必须维护好辅助车辆，完成这些车辆的养护和行驶等多项任务，同时还要做好技术准备。

配件模块要根据配件需求发放、储存配件，一般是小中型的配件，大中型配件一般存放在固定的库房中，如果需要，可以随时调取。

后勤则负责模块的移动和供给等多项工作。为各个模块供电、供水、提供食物等，还要做好所有模块的安全防护和养护工作，到了搬迁的日期，需要整体移动模块。

综上所述，建立模块随动机制能够确保维修队伍和电铲的工作位置在合理的范围内移动，缩短电铲维修的响应时间，这样就能解决维修距离较远的问题，能够满足现场生产维修的需求。

3.2 信息化管理模式

当前的信息化技术已经十分成熟，可以结合各岗位的工作流程、人员设备信息、质量保障体系、实际管理需求等，建立完善的信息化管理体系，让设备维修信息管理系统覆盖生产的全流程、全体工作人员，同时也要关注维修技能的时效性。为了满足时效性方面的需求，在引入模块后，要严格划分工作内容，确保各模块都有相应的负责人，工作人员可以各司其职。这也为信息化精准管理奠定了基础。配件组只需要及时补充发放配件即可，要保证补充的时效性和发放的准确性。针对配件发放，建立实时信息化管理模块。这样能够在第一时间查询所有的配件信息，及时提醒哪种类型的配件库存不足，还要增设动态推送配件信息的功能。后勤组要计算所有车辆的保养维修时间和每工作小时的耗油量，记录重点检修项目等，协调检修组和辅助组共同完成设备的保养等多项工作，辅助司机高效率完成本职工作。检修组和辅助组要做的工作内容有很多，包括检查高空吊装装置、查看电铲高处点检位置、利用无人机绘制坑下道路等，需要将自动定位装置和录屏装置安装在下坑的人和车身上，这样能够提供远程技术指导，也可以随时传输数据信息。

3.3 电铲管理要点

（1）加强日常管理。在应用电铲设备进行露天开采时，还需做好电铲设备的管理工作，并将其作为常规化的工作来开展。主要做法为，每天的生产作业结束后都对电铲设备进行日常保养，确保其使用性能处于最佳状态。此外，还应结合以往的设备维护经验对设备维修的时间间隔进行动态调整，以确保在发现设备故障问题的第一时间确定故障位置，并解除故障隐患。我国在露天开采中所使用的电铲存在规模大和体积大的特性，其设备购置成本较高，如果不科学开采设备管理工作，则会引发诸多问题，如增加露天开采成本和威胁作业人员人身安全等问题。因此，需要密切关注电铲设备的运行现状，加强对电铲日常管理工作的重视。

（2）做好管理预案。通过对以往的电铲故障成因的分析可以发现，引发电铲故障的因素有很多种，除了与外部作业环境相关外，还与电铲自身的运行性能相关，当电铲的性能无法满足实际开采需求的情况下，便会由于超负荷运行而产生诸多故障问题。基于此，在进行电铲管理时，应根据电铲作业的特点以及外部环境的特征制定有针对性的管理预案。具体需要先对外部环境进行分析，并结合电铲作业的特点，分析可能会对电铲设备产生影响的相关因素，明确实际作业中可能发生的故障※问题，并制定科学可行的管理预案。另外，需要对露天开采的作业要求进行细致分析，并选择合适型号的电铲，使其性能满足实际开采要求，从根源上消除由于电铲自身性能不足引发的故障问题。这便要求在设备进场前能够安排专业的人员对设备质量和性能等进行综合检查，合格后方能入场使用。

（3）加强养护管理。从前期的露天开采工作来看，电铲质量与露天开采效率直接相关，为能够提高露天开采的效率，需要积极进行设备养护，使电铲运行质量得到保障。为此，也需要将电铲养护管理作为电铲管理的重点内容，在条件允许的情况下，应设立专门的电铲养护管理小组，主要负责对电铲设备的维修养护工作，要求其中的小组成员具备一定的养护经验和维修经验，能够根据电铲设备的运行表现，判定设备的运行状况，制定科学的养护计划，使电铲作业质量保持最佳状态。

3.4 电铲管理策略

为使电铲管理工作得到有序开展，应结合电铲设备的作业特点以及以往的故障因素对电铲管理制度进行有效明确与规范。考虑到当前的电铲设备更为精密，对维修和养护技术提出了更高的要求，在制定管理制度时，也需根据现阶段电铲设备的结构特征和技术原理，对管理内容进行细化，争取为具体的管理工作作出明确的指导，使电铲管理工作有据可依。此外，为了提高电铲设备的作业效果，也要求相关的维修和养护人员具有更强的专业能力，还需组织开采技术培训工作，全面提升设备维护人员的技术水平，为电铲养护和管理工作提供可靠的人才支持。

4 结语

设备健康管理系统最重要的部分是设备故障诊断模块，需要采集各类数据信息，开发符合本企业的自诊断模块。随着大数据技术的深度应用，获取的数据信息越来越多，这能够提高模块的预测和诊断能力，但同时也要升级故障诊断模块。将先进的算法和自学功能应用到模块中，这是人们必须做的任务，也是提高设备健康管理系统的必经之路。在增设系统的新模块时，必须遵守数据采集标准细节，严格遵循执行代码的规划，保证新的程序具有数据标准性、统一性。