0 引言

煤矿企业属于典型资产密集型企业，其机电设备种类繁多，部分设备老、旧、杂、带病运转，安全设施、保护装置不全，设备管理制度不健全，机电专业管理人员培训不到位，导致机电设备异常停机，给企业造成巨大经济损失[1-2]。目前，国内大部分煤矿通过人工登记管理设备基础信息、设备状态及使用记录，针对机电设备故障往往是事后处理[3-4]。为实现煤矿机电设备运行状况实时监控，多数煤矿机电设备配套建设了专用监测监控系统[5]，但各系统间运行相对独立，无法有效实现机电设备间协同工作。本文设计了基于物联网的煤矿机电设备智能管理平台，可实时采集机电设备运行参数，结合日常设备巡检记录，对设备全生命周期动态管理，实现设备预防性维护，使设备管理及维检人员及时准确地掌握设备运行状况。

1 煤矿机电设备分类

将煤矿机电设备分为开采设备、掘进设备、供电设备、运输设备、通风设备、排水设备、安全设备[6]，各类机电设备主要监测参数见表1。

表1 煤矿机电设备主要监测参数
Table 1 Main monitoring parameters of coal mine electromechanical equipments

分类主要设备 主要监测参数开采设备采煤机开停状态、位置、电压、电流、牵引速度、左右滚筒高度、温度、累计运行时间、方向 液压支架支架高度、前后柱压力刮板输送机开机率、温度、开停状态破碎机开停状态、负荷、温度、运行时间、电压、电流、转速及转矩转载机开停状态、负荷、温度、运行时间、电压、电流、转速及转矩掘进设备掘进机、连采机、锚杆机开停状态、故障、开关电压、电流、功率因数、运行时间、油缸油压、油缸位移、截割电动机工作时间供电设备高低压配电柜、移动变电站、高低压动力开关电压、电流、电量、有功功率、无功功率运输设备主提升机、副提升机钩数、质量、运行时间、提升速度、开停状态带式输送机运煤量、开停状态、故障状态、保护信号、运行速度、张力、温度、电流、电压辅助运输设备载人(货)信息、车辆信息、速度、运行轨迹通风设备主要通风机负压、风量、电压、电流、振动、轴承温度、绕组温度、转速压风机开停状态、风量、压力、电压、电流局部通风机开停状态、电压、电流排水设备水泵运行时间、运行台数、排水量、电流、电压、功率、功率因数、出口压力、流量、电动闸阀工作状态与启闭位置、电动机温度保护信号、电动机内腔贫水保护信号、动静态绝缘监测保护信号安全设备安全监控系统分站、电源、传感器分站在线/断线、正常/故障等状态;电源充电状态、输出电压和电流;传感器在线/断线、标校、故障等状态瓦斯抽放设备开停状态、累计运行时间、供电电压和电流人员定位基站在线/断线、正常/故障等状态供水设备流量、压力、液位、电压、电流、功率、阀门开闭应急通信装置在线/断线、正常/故障等状态矿压监测设备在线/断线、正常/故障等状态IP扩播装置在线/断线、正常/故障等状态工业视频设备在线/断线、正常/故障等状态

2 平台架构设计

基于物联网的煤矿机电设备智能管理平台总体架构如图1所示。各机电设备监测监控系统利用各类传感器实时自动采集现场设备运行参数，并通过工业以太环网上传至服务器，对现场实时数据进行处理、存储与发布；应用设备巡检记录仪读取设备标志卡，对机电设备主要运行参数进行人工检测与记录，并通过无线基站、工业以太环网上传至服务器，对巡检数据进行存储与发布；服务器根据现场实时数据、巡检数据，结合煤矿机电设备管理业务需求，进行数据增值与综合应用分析。

图1 基于物联网的煤矿机电设备智能管理平台架构
Fig.1 Architecture of intelligent management platform for coal mine electromechanical equipment based on Internet of things

3 平台功能设计

基于物联网的煤矿机电设备智能管理平台利用物联网编码规则[7-8]对煤矿机电设备、传感器监测点进行唯一性编码管理，建立各机电设备之间、各传感器监测点之间的关联关系，实时展示机电设备主要运行参数，并根据现场情况实现各机电设备间协同控制；结合煤矿机电设备巡检管理要求，实现巡检的计划编制、任务指派、过程记录、异常处理等功能；应用P(S)DCA(Plan(Standard)，Do，Check，Act，计划(标准)管理、过程执行、日常检查、指标分析)管理思路[9-10]，实现设备全生命周期管理，为机电设备管理提供辅助决策。平台功能架构如图2所示。

图2 基于物联网的煤矿机电设备智能管理平台功能架构
Fig.2 Functional architecture of intelligent management platform for coal mine electromechanical equipments based on Internet of things

(1) 基础信息管理。① 用户权限：对矿领导、设备管理人员、设备巡检人员、设备维修人员等不同岗位人员进行权限配置。② 无源标志库：用于存储设备巡检人员身份、区域地点、设备铭牌等信息，利用无源标志卡和设备巡检记录仪实现无源标志库信息的唯一性管理[11-12]。③ 设备台账：将企业资产管理系统涉及的设备基础信息同步到平台，包括设备分类、设备档案、设备维修保养手册、设备故障库、设备图纸等。④ 数据字典：对煤矿机电设备监测监控系统类型、传感器类型等数据的数据项、数据结构、数据存储、处理逻辑等进行定义和描述。

(2) 设备在线监控。① 集成系统管理：实现煤矿各机电设备监测监控系统基础信息的管理，包括系统类型、系统编号、系统名称、数据接入方式等。② 监测点配置：自动读取各机电设备监测监控系统中传感器监测点的配置表，对各传感器监测点包括监测点编号、监测点名称、监测点类型、传感器分类、报警门限、解报门限、监测点最高量程、监测点最低量程、关联监测点及关联关系进行配置。③ 实时展示：监测点数据以列表形式展示，利用矢量化图形技术实现煤矿各机电设备监测监控系统监测点数据的图形展示。④ 分级报警：根据报警值及报警持续时间进行分级报警，并根据不同岗位，通过语音、消息推送等方式对报警异常信息进行分级提醒。⑤ 故障定位：结合故障机电设备的主要监测点、关联监测点及关联机电设备监测点的实时、历史运行数据，实现故障快速定位，提供设备故障原因及处理措施。⑥ 协同控制：结合煤矿生产工艺流程节点中机电设备及关联设备间关系、传感器监测点及关联监测点间关系，实现机电设备间协同联动控制。

(3) 设备巡检。① 巡检计划编制：设备管理人员根据现场机电设备分布、设备运行状况、设备巡检人员数量，编制一定周期内的设备巡检及人员巡检任务计划。② 工单管理：设备管理人员根据设备异常事件、维检计划，以工单方式进行任务派单管理，以工作流、消息提醒等方式督促设备巡检人员按期按质完成任务。③ 日常巡检：通过设备巡检记录仪引导设备巡检人员按照巡检路线定时到达某地点，通过刷取地址标志卡，完成人员到岗履职记录，并自动筛选该地点所需巡检的机电设备，设备巡检人员通过读取设备标志卡，获得设备需检查项目、运行数据，其中检查项目按照标准进行人为判定记录，运行数据通过设备巡检记录仪自动测定或人为抄表方式进行记录。④ 故障处理：机电设备发生故障后，设备管理人员通过任务派单指派设备就近的设备巡检人员及时进行故障排查与处理。

(4) 综合应用分析。① 故障诊断：综合机电设备的实时监测数据、历史数据、巡检数据、累计运行时间，通过参数类比法[13]、趋势预测法[14]等进行设备故障诊断。② 设备使用率分析：根据一定周期内机电设备开停记录，计算设备使用率。③ 人员到岗履职考核：根据设备巡检执行、故障处理完成情况，对设备巡检人员到岗履职情况进行考核。④ 维检计划编制：综合各设备当前运行数据、设备累计运行时间、煤矿企业生产日历，编制设备维检计划。⑤ 能效分析：根据各机电设备水、电、气、汽等能源消耗情况，结合煤矿关键生产指标[15]，实现机电设备能效分析及全矿能效分析。

4 结语

基于物联网的煤矿机电设备智能管理平台通过实时采集煤矿机电设备运行数据，实现设备运行状况实时展示、故障分级报警、故障快速定位及设备间协同控制；通过管理机电设备巡检过程，实现巡检计划编制、工单管理、日常巡检及故障处理；通过融合分析实时监测数据和日常巡检数据，实现设备故障诊断、设备使用率分析、人员到岗履职考核、维检计划编制及能效分析。该平台的应用可提高机电设备间协同效率，有效降低设备故障发生概率，提升设备精细化管理水平，保障煤矿有序安全生产。

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