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智能化煤矿设备全生命周期管理体系 建设与应用

2023-11-30 15:44:55  来源:智能矿山杂志  作者:陈永光,王学强
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煤矿智能化建设要求煤矿逐步从“点、线、面”式的零散生产作业模式向系统化生产模式转变,“采、掘、机、运、通、抽、监测、地质、水文”等系统通过高速网络有机融合,规范数据标准,从底层消除数据对接瓶颈,实现煤矿系统化、平台化生产。目前,煤矿智能化建设技术装备保障不足,缺乏煤矿智能化方面高端技术人才,而保障煤矿智能化顺利建设至关重要。

近年来,煤矿装备不断优化升级,已从电气机械化逐步向网络智能化发展,这是对煤矿机电设备管理的一次新挑战,机电设备管理稍有疏忽将带来不可挽回的损失。笔者探索了煤矿智能化生产条件下的煤矿设备管理新思想、新理念,提出智能化煤矿设备全生命周期管理体系(简称全生命周期管理体系)。通过分析设备唯一性编码方法,明确环境与设备、人与设备的关系,实现设备的智能感知、自我诊断、超前预测;通过设备闭环管理,保障设备以最佳性能运行并始终处于受控状态,实现煤矿智能化建设。

全生命周期管理体系建设目的及内涵

建设目的

煤矿智能化建设涉及人工智能、工业物联网、云计算、大数据、机器人等先进技术,而基层煤矿缺乏具有相关理论基础和高端技术的人才,这是制约煤矿智能化发展的一大因素。煤矿智能化建设包括网络生态和管理生态两大系统建设,网络生态是围绕网络的设备生态建设,是煤矿智能化的建设基础。矿山企业下辖若干矿井,虽然各矿井所处地理位置不同,但其生产管理模式相通,存在较多可相互借鉴之处,通过建立集团化设备全生命周期管理体系可实现:

(1) 矿区间设备配件调配,减少物资储备。

(2) 人才共享,分享各矿成功的管理经验。

(3) 获得多方面信息,形成数据链,快速建立设备诊断知识库,形成远程诊断、远程预警系统。

(4) 其他矿井在遇到类似问题时,及时进行有效规避。

建立集团化设备全生命周期管理体系能够从根本上解决智能化矿井设备管理人才匮乏难题,并可有效杜绝设备资源浪费、减少设备库存积压,实现基层矿区零库存管理。

建设内涵

煤矿智能化实现方式是利用数据传输、数据生产、数据应用的计算机技术逐步实现煤矿智能感知、智能决策和协同控制。煤矿智能化分为2 个生态系统建设:一是建设网络生态,用网络把各系统融为一体(图1),二是对硬件驱动的管理生态系统建设。网络生态是煤矿智能化建设基础,高度集成化的生产对设备管理要求较高,必须构建智能化设备管理体系来管理设备。一方面通过管理体系掌控设备实时状态,使设备始终处于受控状态,保持其最佳性能;另一方面还可解决基层煤矿智能化人才缺乏难题,通过智能化系统实时诊断设备状态,根据系统工单进行必要设备维护。智能化煤矿设备全生命周期管理体系示意如图2 所示。

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煤矿设备唯一性编码

实现煤矿设备全生命周期管理,需要通过网络把“采、掘、机、运、通、抽、监测、地质、水文”等系统融为一体的网络生态建设(硬件设备系统建设)。管理生态建设赋予了硬件设备底层逻辑关系,数据间有逻辑才有实质意义。煤矿智能化网络生态应有属于自己的特定网络标识,通过网络设备硬件地址MAC进行区分,其他种类设备也可通过MAC绑定设备编码了解具体信息。

设备编码方法

煤矿智能化体系所涉及的设备管理不只是把电气设备、机械设备及特殊器具作为管理对象,而是更为广义的设备管理概念。煤矿智能化网络生态上每个设备均影响高度集中生产模式下的矿井生产工作的正常开展,仅将电气机械设备作为管理对象,忽视其他设备管理,必将影响煤矿智能化体系的正常运行。采用编码管理设备是煤矿通用做法,设备编码从物资编码延续而来,由于物资编码并未指定具体设备,仅截止到具体类型,编码不具唯一性,无法体现设备全生命周期管理,不适用于煤矿智能化设备管理要求。例如:同型号模块灌入不同程序,所起作用不同,如果两模块互换必然发生问题,而作为电气机械设备就不存在这样的问题;工作面液压支架仅区分端头架、过渡架和基本架,未对各支架进行区分,系统无法区分液压支架的维护检修信息,无法掌握各液压支架工况。

设备必须进行唯一性编码,实现物资管理精准对接,设备编码可延续物资编码规则,按大类、子类、项、单元、材料项、批次(时间+序号) 进行编码,加入项、单元、材料项编码可对设备部件进行编码,利于设备配件计划报送、采购及后期设备检修工单派发。

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设备编码的唯一性

设备编码管理是设备管理的一本台账,账物相符,才是平账。实际管理中,账物不符的情况较多,造成这一现象的原因有多方面,要解决这一问题,必须把编码赋予实物设备,以便系统化管理。通过对设备编码进行扫描,可快速对账管理,实现设备巡检、检修及故障排查管理。由于井下环境特殊,加之某些设备处于工作状态,设备间存在摩擦碰撞现象,不利于设备编码的固定。因此,在设备出厂前可考虑在设备铭牌处预留区域用于二次编码。对于相对固定设备、配件,还可采用激光打印方式进行编码固定。

煤矿生产设备与生产环境

煤矿生产最大特点是动态变化,采掘工作面时刻变化,其生产辅助系统也在相应调整,即设备随生产环境变化而变化。然而,随着生产环境变化,生产辅助系统的调整并不是简单将设备由A点移至B点,而是需要与生产环境相适配。例如:某矿新盘区巷道下山输送带选用两相变频器,生产过程发生输送带飞车、机头被埋、电机烧毁、变频器烧毁事故,工作面长时间停产,造成巨大经济损失。看似盘区输送带长度、载荷一致,但把上山巷道设备安装到下山巷道,设备便出现问题,进而引发事故。由此可知,随着环境变化,设备也要随之进行调整。井下强排系统是在井下泵房遇到水害事故无法排水时进行强制排水,其重要性不言而喻,如某矿强排系统潜水泵频繁烧泵,为煤矿安全管理埋下隐患,经专家会诊认定为强排水仓设计问题,水泵气蚀是潜水泵频繁烧毁的根本原因。由此可知,煤矿设备与井下环境关系极为紧密。

“搬家倒面”是设备的一次大迁移,也是煤矿设备管理的难点之一。设备在井下拆解后运至地面,检修后再运回井下,整个“搬家倒面”的安装、调试、运行过程经历较长时间,期间容易造成设备损坏和丢失。建设设备与位置的关系体系,能及时跟踪设备位置并掌握设备动态位置,有效预防设备损坏、丢失、拆配等。

煤矿接续管理是矿井中长期发展规划,接续管理不到位,矿井无法有序生产,矿井安全管理将置于被动之地。煤矿接续管理不仅关乎采掘接续,还涉及矿井各方面,其中设备接续也是煤矿接续管理的重要内容,设备接续依据矿井采掘接续设计图,根据采掘接续的中长期规划设计,对存量设备调整配置,对缺口设备计划采购,确保设备接续正常进行。

通过上述分析,可以看出设备管理与矿井环境关系极其紧密,不能脱离矿井环境谈设备管理。矿井设备管理须结合现场环境进行管理,方能发挥设备最佳性能,消除设备管理中的弊端。因此,矿井“一张图”是矿井设备管理的重要抓手,不但可以实现物与环境的紧密结合,还可直观了解系统构成、设备分类统计及其设备备用保障。

煤矿设备管理职责

设备编码实现了设备唯一性辨识,设备与环境关系的建立分清了在用设备、备用设备、待检修设备和报废设备,还可获知设备与设备间的连接辅材及环境关系,通过这种关系还可对管线使用及辅材数量进行精准统计。在设备管理系统上获得设备相关参数、设备安装、移动、检修、使用、报废信息,这就要建立设备与人的动态关系体系。

设备选型

设备选型是对矿建设计的响应,矿建设计需要匹配配套设备,否则出现“小马拉大车、大马拉小车”现象,对矿井安全生产造成影响。设备选型依据矿建设计,矿建必须满足设备安装需求,否则易出现问题。例如:某矿输送带从1 800 m延长至4 200 m,在2 000 m处安装1 部中部驱动装置,中部驱动装置是为满足矿井生产设计需要,但中部驱动基础施工完成后无法满足设备安装需要,不得不进行多次挑顶施工,勉强将设备安装完成。线缆、管道与输送带间距不足,对运输系统运行埋下安全隐患。中部驱动设备、管路剖面示意如图3 所示。因此,提报设备采购计划时,必须搞清楚设备相关参数,同时将设备外观尺寸及系统组合参数报送矿建设计单位。

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设备采购

设备选型确定后,由设备管理单位将设备采购计划报送物资供应部,设备到货后,由物资供应部组织相关单位进行验收,验收合格后入库,入库时对设备进行编码建档,同时将设备相关参数、技术图纸、安装使用说明及技术资料录入设备管理系统,实现资料与设备绑定,通过设备编码可直接调用对应资料。

设备安装及运维

设备管理单位编制设备安装、调试措施后,从物资供应部办理设备出库单,根据措施采取运输方式将设备运至安装地点,组织人员安装,安装完成后,根据措施要求调试设备,将设备运行职责交由设备使用单位,将设备与位置信息关联,同时编制设备管理制度。设备运行单位依据相关规程及设备技术要求,编制设备操作规程及设备保养维护制度,将设备管理职责落实到岗位上。

设备接近使用年限、设备发生事故或其他原因造成设备运行效率低下,继续使用产生的经济效益与设备运行费用不成正比,由设备管理单位组织专家会诊后,给出会诊意见,对更换下来的无维修价值设备申请报废,按照设备报废流程审批。

煤矿设备与资产管理

设备是煤矿资产重要组成部分,由于设备磨损,设备的使用价值和经济价值将逐渐减少,且具有一定寿命周期。由于煤矿生产环境特殊,设备在潮湿、有毒有害气体、粉尘及空间狭小的环境下运行,生命周期相对较短。如要延长煤矿设备寿命周期,发挥其最大效能,使煤矿资产保值增值,就要从煤矿设备动态中进行管理,通过建立设备与人、设备与环境、设备与设备的关系,综合判断设备状态,及时发现设备管理中出现的问题并加以解决,发挥设备最大效能。如某矿工作面供水系统将含沙污水供给了工作面乳化液系统,造成工作面液压支架大面积漏液、串液,液压系统内的沙子无法彻底清除,沙子在液压系统内循环往复,造成设备寿命大打折扣,设备资产严重缩水,引发生产滞后、职工工作强度加大、安全事故频发等问题。煤矿生产的特殊性决定了煤矿设备管理的特殊性,煤矿设备管理必须以动态思维管理,可从以下6 个方面进行动态管理。

设备空间关系

设备选型是对矿井生产设计的响应,设备选型确定后,必须设计设备的安装空间。例如:某矿井下永久变电硐室矿建施工完成后,变电设备安装时发现硐室宽度不足,采购设备体积增大、数量增多,设备勉强安装。但设备与设备之间、设备与墙体之间距离不足,给设备维护管理带来困难。因此,解决好设备与空间关系是设备动态管理的第一步,通过建立等比例设备模型可计算出设备安装所需空间尺寸,矿建时工作人员根据空间尺寸设计矿建图纸,保证设备有一个较好的运行空间,发挥最佳性能,从根本上杜绝设备与环境不匹配的问题,从源头上消除设备运行的不安全隐患。

设备系统化管理体系

煤矿生产体系中,每台设备并不是孤立存在的,设备与设备之间、系统与系统之间相互关联,1 台设备或1 个系统出现问题均可能导致整个生产体系出现问题。例如:前述工作面供水系统案例,供水系统将含沙污水供给到工作面液压系统,供水系统虽不受影响,但对液压系统却是致命的。因此,要建立设备与设备、系统与系统之间的生产系统化管理体系,对体系间的薄弱环节进行重点监控,防止上一级设备(系统) 对下一级设备(系统) 带来的冲击。当某处出现问题时,设备管理系统应及时预警,切断与下一级的联络,确保生产系统安全。

设备生产管理化体系

频繁启动对设备及生产系统危害巨大,通常条件下电气设备启动电流是正常运行电流的5~6 倍,重载启动更是加重了机械设备磨损。而频繁启动也是缩短设备使用寿命的重要因素之一,加速了电气、网络、弱电设备老化。

某矿工作面转载机启停记录如下:2014 年8 月8日—9 日,生产20 h,启停41 次;2014 年8 月18 日—19 日,生产12 h,启停31 次。转载机频繁启动连锁造成了工作面其他设备启停,对设备造成系统性伤害,查其原因是前一级运输系统为预防过载而采取的停机措施,然而过载是可避免的,但对设备的伤害却是不可规避的。因此,应建立生产化管理体系,从源头控制无序生产,减少因系统过载而频繁启停对设备的伤害。

设备动态诊断

受井下采动影响,巷道、硐室发生变形,对设备安装基础造成影响,使设备出现偏心、倾斜等现象,如不能及时处理,易造成设备磨损加重,影响设备寿命。因此,对于矿井大型机械电气设备的管理,用震动、温度、应力、谐波、压力、计量等多种传感技术实施井下监护,建立数据模型分析体系,对细微问题加以预警分析,通过工单形式将问题派发给设备维护人员,将安全隐患消灭在萌芽状态,保障设备处于良好状态。矿用大型设备监测内容及功能架构如图4 所示。

设备动态维护检修计划

煤矿井下一般是一班检修、两班生产。设备检修质量直接影响生产班生产计划,因井下设备种类繁多,体积庞大,设备维护检修工作量大,往往造成检修失调,长此以往造成设备带“病”工作,导致生产班无法正常生产。出现这些问题的主要原因是未对设备状态进行综合分析,教条式按照既定检修计划检修。因此,应结合设备保养维护说明、运行时间、载荷量、启停次数、检修反馈等信息,对设备维护保养计划进行动态调整,实现检修计划动态工单化管理,制定有针对性的设备检修计划,杜绝“撒胡椒面”式检修。

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修旧利废 提升设备价值

对设备进行编码、定位、动态分析管理,可实现设备全方位全要素管理体系,充分掌握每台设备的全要素信息。设备使用本身是有磨损的,管理也只能延缓设备老化,延长设备使用寿命,设备寿命周期又分为物质寿命、技术寿命、经济寿命。进入报废期的设备并非完全没有利用价值,实现设备全要素管理,对设备内部结构、构件及配件更换情况系统均有明确记录,对设备的各部分及构件都能进行综合分析,对同类型设备进行拆解,通过系统分析对可利用构件加以利用,重新组合新设备,对经过测试符合生产要求的,重新对设备编码并加以备注,达到智能化煤矿设备的全生命周期管理(图5),实现设备最大经济价值。

总 结

智能化建设将使煤矿从“点、线、面”式的零散生产作业模式向系统化生产模式转变,“采、掘、机、运、通、抽、监测、地质、水文”等系统通过高速网络有机融合在一起,规范数据标准,从底层消除数据对接瓶颈。高度集中化的生产模式对煤矿设备管理来说将是一个新挑战,如果设备管理跟不上将严重制约矿井生产发展,煤矿智能化所涉及的设备不再是简单的电气机械设备,而是更为庞杂的设备体系。煤矿设备全生命周期管理从根本上解决了煤矿设备管理问题,建立集团、公司、矿区三级煤矿设备管理体系,建立设备与设备、设备与环境、设备与人的关系体系,构建各类管理模型,实现设备智能感知、自我诊断、超前预测,并通过智能工单实现闭环管理。


助理编辑:江振鹏

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