文章来源：《智能矿山》2024年第8期 “学术园地”专栏
作者简介：刘波，工程师，硕士，主要从事煤矿自动控制理论与工程、智能化技术研究工作
作者单位：北京天玛智控科技股份有限公司
引用格式：刘波.煤矿泵站全生命周期管理系统的研发与应用[J].智能矿山，2024，5（8）：77-84.
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煤矿泵站是综采工作面核心装备之一，乳化液泵站负责为液压支架提供液压动力，喷雾泵站负责为工作面喷雾降尘提供水源。泵站属于大型复杂液压机械装备，目前对其设计、制造、运行、维修的管控主要依赖人工记录的数据管理方式，为提高泵站产业链运行效率、提升产品质量、延长设备寿命，亟需研发煤矿泵站全生命周期管理系统。
全生命周期管理是从对设备的需求开始，涵盖采购、部署、使用、维护到设备淘汰报废的全部生命历程中，通过信息技术来实现其生命周期过程中协同的产品定义、制造和管理。
当前设备全生命周期管理作为一种综合管理方法，在医疗、交通运输、电信、电力等领域得到应用，主要应用为：①数字化转型，通过将设备管理数字化，可实时监控设备状态、提前预测故障、减少停机时间，通过数据分析制定维护计划，降低成本并延长设备使用寿命；②智能化应用，结合人工智能和机器学习技术，实现预测性维护，通过数据
分析及时发现潜在问题，保障作业安全进行；③多源数据集成化，与ERP、MES等系统数据融合，达成数据共享和流程优化；④移动化和可视化，通过移动终端方便现场人员实时获取设备信息、及时处理问题，借助图标和图形展示设备状态数据，便于管理者掌握设备情况。
近年来，煤矿设备全生命周期管理也取得了一些进展，主要体现在：①明确了建设目的及内涵，目的是通过建立集团化设备全生命周期管理体系，实现矿区间设备配件调配，形成数据链以建立远程诊断和预警系统，内涵是实现数据共享，构建网络生态和管理生态系统，使设备处于受控状态，保持最佳性能；②建立设备唯一性编码，实现了对物资管理的精准对接；③实现了与生产环境的关联，煤矿生产环境动态变化，现已实现了设备随环境变化进行调整并与环境适配，使得设备与环境紧密结合。
煤矿设备全生命周期管理当前也存在一些问题，主要为：①大量自动化设备未联网，导致设备数据难以有效发掘和分析；②诸多机械类设备信息还依赖人工统计，数据源不统一、数据不透明、不准确，难以支撑综合统计分析；③设备零部件管理困难，备件记录不易追溯；④传统设备管理模式下，对设备数字信息关注度不够，部门间缺乏有效的信息共享。
目前针对煤矿泵站的全生命周期管理研究尚属空白，且常规方案主要关注仓储、运维、制造阶段，没有全面覆盖设备和项目的全流程。煤矿泵站的设备和项目管理主要面临以下难题：①煤矿设备需要经历工厂、运输途中、矿方地面、煤矿井下等地理位置，尤其矿方对外网络接口限制，缺乏相匹配的网络拓扑架构，导致产生大量信息碎片和信息孤岛；②泵站结构复杂，存在大量零部件，尤其针对易损件难以精细化管理，当产品或零部件在运行过程中出现问题，很难追溯设备或零部件的历史信息，大幅影响了设备设计和质量改进；③泵站运行项目业务链条交叉，涉及部门较多，仅靠简单的管理路线难以起到良好效果，供需双方及内部部门协同工作效率很低。
针对以上问题，本文重点攻克煤矿泵站多源异地分布式网络架构、多层级设备零部件电子标签绑定、多维度长业务链条流程化等技术，研发了针对煤矿泵站的全生命周期管理系统，并在北京天玛智控科技股份有限公司（简称天玛智控）自动化工厂成功上线使用。
（1）建立以设备为单元的综合管理体系
目前主要依靠人工记录设备编号、检验记录等数据，需要规范设备管理流程，实现设备、物料、BOM等主数据信息及技术规范文档的体系化管理。实现泵站设备全生命周期数据的电子化记录、分析、汇总、管理等功能，自动记录泵站数字编号，汇总泵站设备及其零部件测试、运行、维修的过程数据，最终实现泵站设备数据的一站式管理。
（2）建立以项目为主线的项目全生命周期管理
每个项目都涉及到众多环节，经历投标中标、任务分解、技术方案设计、组装及测试、外协加工及采购、联合调试、验收、运行维护、大修等，各环节息息相关、错综复杂，各环节信息碎片化，缺乏一站式浏览手段和整体进度把控。因此要实现项目的各环节协同管理体系，对项目里程碑节点进行任务监控和协同反馈，实现项目供需双方的高效协同联动。
（3）打造针对煤矿泵站的物联网平台、云平台、诊断平台、网络架构
物联网平台实现泵站采集数据的接入、采集策略的下发、数据的转发等边缘侧业务。实现泵站箱体RFID电子标签方式管理；云平台实现工厂级私有云建设、示范性矿区私有云建设、系统级公有云建设，以及公有云与私有云的混合对接，私有云具有专用网关以保证数据安全，对数据库中泵站实现异地查询、分级权限查询；诊断平台PHM（Prognosticsand Health Management，故障预测与健康管理）系统的对接或集成，将大数据分析和机理建模进行深度融合，提供全厂设备状态概览、单体设备总貌、参数劣化分析、故障模型预警分析与设备诊断报告等多个层级和维度的应用；网络架构根据系统需求，设计并实施相匹配的网络拓扑，部署边缘计算网关、网络交换机、功能相关服务器、云端、平台软件等。
煤矿泵站全生命周期管理系统架构包含边缘数据采集层、工业互联网平台、工业数据智能平台和运维管理平台4个部分，如图1所示。基于工业PaaS平台实现基于微服务架构的工业App的快速开发、部署、运行和统一管理。
图1 煤矿泵站全生命周期管理系统架构
边缘数据采集层是煤矿泵站全生命周期管理系统的基础部分，完成对设备的接入、协议解析和边缘层的计算、建模，能够将泵站接入的振动加速度参数、油液品质参数、视频画面、RFID设备扫描信息、油温、油压、油位、水压等信息进行采集和边缘计算，并上传给上层进行数据分析处理，是实现泵站全生命周期管理的重要前提。
边缘数据采集层具备数据采集功能、数据转发、数据缓存、协议库等功能。
（1）数据采集支持多种场景数据采集需求，包括大量零散设备数据采集、零散移动设备数据采集，支持OPC、MODBUS等常用工业数据通信协议，同时具备协议定制开发的能力，实现一些非标准协议设备的数据采集。
（2）数据转发支持将采集到的设备数据通过网络发送到平台侧做数据的清洗与存储，为了保证数据转发的灵活、高效、安全，具备支持选择性传输、数据压缩等功能。
（3）数据缓存包括实时缓存和历史缓存。实时缓存能够支持采集、计算、模型数据的共享，历史缓存用于保存历史数据。
（4）协议库用于管理设备的通信协议，其丰富程度决定了采集系统的设备接入能力。协议库能够提供协议的入库、删除、更新等功能，并根据协议类型与标准做归类管理。
（1）工业互联网平台能够提供针对多源异构数据采集的解决方案。在数据传输方面，该平台提供分布式部署的消息队列组件，保证传输的高效、安全和可靠。
（2）工业互联网平台提供流式计算框架，能够对庞大的连续数据流做提取、过滤和分析等操作。该平台对流式计算的任务要实现统一的监控，提供可视化的任务启停和监管功能。流式计算能够达到低延迟、高可用、稳定的近实时数据处理的应用要求。
（3）工业互联网平台提供批量计算框架，能够支持大量高并发、计算密集型的作业或应用任务，能够自动加载数据，并根据预先设定的策略进行作业调度，在运行时根据并发量和数据量弹性缩放计算资源。
（4）工业互联网平台支持用户便捷创建面向大数据处理的离线计算作业，并提供可视化的任务调度、监控功能。
工业数据智能平台能够针对不同类型的数据提供完整的高可用和扩展性的存储系统。通过列式存储数据库、分布式文件系统、内存数据库等支撑各类结构化和非结构化数据的存储需求。在数据访问层，该平台能够针对不同类型数据提供统一的数据访问接口。
运维管理平台包括角色权限、应用管理等功能。
（1）角色权限功能支持动态配置系统中的角色，能配置不同类型用户使用系统时所拥有的功能权限，包括：支持添加、删除角色及定义标准角色；支持添加、删除相关用户及用户组；支持动态配置角色能够使用的应用功能权限，如添加、删除、导出等功能的权限；支持动态配置角色能够查看的应用数据权限，如只能查看自己所在部门添加的数据。
（2）应用管理功能支持动态添加、删除应用，支持定义应用内包含的程序与功能，支持维护应用的菜单，并且应用菜单能支持多层级维护和展示。
煤矿泵站生产阶段在工厂进行，经出厂测试合格后，发往矿方地面联调车间，联调通过验收后，运往井下使用，待大修周期到时产品升井维修。设备的生命周期包括多个环节，会经历多个环境位置，而且煤矿对外网络通信受限问题，难以将各阶段的数据信息进行汇总，因此整体网络架构设计为多源异地分布式网络架构，包括制造工厂私有云、各煤矿用户私有云、全生命周期管理系统公有云的网络架构，各私有云开放特定接口给公有云，以实现数据的整体融合，多源异地分布式网络架构如图2所示。
图2 多源异地分布式网络架构
煤矿泵站全生命周期管理系统的总部机房包含数据中台服务器集群、全生命周期虚拟服务器集群、第三方软件服务器集群，其与第三方软件系统的数据交互全都通过数据中台进行。该系统包含阿里云服务器，通过VPN方式与总部机房对接，全国联网用户可以通过阿里云服务器进行访问；包含异地生产基地的数据对接能力，可以将异地生产基地的固定读卡器数据、测试数据服务器数据通过VPN方式回传至全生命周期管理系统中。煤矿泵站全生命周期管理系统网络架构如图3所示。
图3 煤矿泵站全生命周期管理系统网络架构
煤矿泵站是一种大型复杂装备，整体结构可分解为整机、大型部件、零部件3个层级。整机可分解为减速箱、液力端、电机、卸载阀4大组件部分。分别将其中的易损零部件进行筛选，其中减速箱可以分解为曲轴、齿轮、轴承3个零部件，液力端可以分解为连杆、滑块、柱塞、吸液阀芯、排液阀芯5个零部件，电机可以分解为前轴承、后轴承、主轴3个零部件。乳化液泵整机结构分类如图4所示。
图4 乳化液泵整机结构分类
采用20位编码，第1位为系统标识位，表示该物料所属的系统，如P代表泵站供液系统。第2~3位为一级设备单元，表示该物料所属的一级设备，如01代表乳化液泵。第4~6位代表大型组件，如001代表液力端组件。第7~10位代表零部件，如0002代表减速箱的曲轴。第11~16位代表检验合格日期，如230209代表2023年02月09日检验合格。第17~20位代表流水号。
煤矿泵站全生命周期管理系统包含的RFID无线射频系统为泵站设备本体加装电子标签，生成统一的资产编码和资产编号。采用RFID电机标签与二维码混合方式，大型组件上固化RFID电子标签。电子标签应用如图5—图8所示。
图5 曲轴箱粘贴RFID电子标签
图6 电机粘贴RFID电子标签
图7 液力端粘贴RFID电子标签
图8 卸载阀粘贴RFID电子标签
在泵站箱体上固化RFID电子标签，该标签作为泵站整机唯一的识别编码，其编码在系统平台中关联了泵站泵型、流量、压力、电机功率、组装记录、测试记录、出厂记录等信息，当现场服务人员或客户用手持终端扫描该电子标签时，可以实时读取出该泵站整体的数据信息，以便为下一步维护检修工作提供依据。
小型零部件不便于固化RFID电子标签，因此选择自由表面且不易磨损位置，激光打标二维码，如图9—图11所示。
图9 连杆打印二维码
图10 滑块打印二维码
图11 柱塞打印二维码
在零部件上固化二维码信息，该二维码作为各类型零部件唯一的识别编码，其编码在系统平台中关联了零部件材质、供应商信息、到货时间、检验记录、组装记录、测试记录、设计变更等信息，当现场服务人员或客户用手持终端扫描该二维码时，可以实时读取出该零部件的数据信息，以便快速识别零部件。
全生命周期管理平台可将泵站整机与各零部件进行关联，形成泵站整机与各零部件的层级绑定，每次更换零部件时，可以在平台中将损坏的零部件移至拆解区域，将新的零部件与泵站整体进行重新关联。当需要历史追溯时，可以快速查看该泵站整机更换过的零部件信息并进行数据分析，协助使用方分析出一段时间周期内的备件消耗数量、频次，也可以协助研发人员分析出供应商、工艺、设计变更对产品寿命的影响，从而有效提升产品品质和矿方备件管理水平。
一个完整的项目业务流程主要包括：投标技术方案评审、中标合同签订、技术协议签订、实施方案评审、运行任务下发设备或部件清单、采购任务分解、外协生产加工、组件/零件入厂检验、运行项目领料、生产组装测试、生产过程检验、实验室跑合测试、出厂质检验收、设备收发货、地面调试验收、井下安装调试、井下运行、零部件更换/整机返修、设备大修/报废。项目业务流程如图12所示。
图12 项目业务流程
不同流程节点具有不同的数据来源，例如：组件/零部件入厂检验、生产过程检验、出厂质检验收都属于质量管理，其数据来源是QMS质量管理系统；实验室跑合测试数据来源是实验室测试系统；井下运行数据来源是矿方地面调度室。
（1）项目投标阶段，编写项目投标技术方案并通过评审。如果项目中标，则签订商务合同和项目技术协议。将商务合同和技术协议以附件形式上传到系统中进行保存，便于以后追溯。煤矿泵站全生命周期管理系统能够自动对合同或技术协议中的关键信息进行文字识别，并将关键信息提取出来填入项目信息中。根据双方签字盖章的采购合同或技术协议，将合同或协议中规定的系统主要设备的名称、规格、参数以及主要技术自动填入该系统中。
（2）项目计划阶段，根据签订的商务合同及技术协议要求，编写项目实施方案并通过评审。根据实施方案，运行部拟定项目清单，将需要投产的子设备/零部件给生产部门下达投产任务，将需要采购外协的子设备/零部件给采购部门下达采购任务。根据项目交期、设备清单、零部件采购周期、当前库存数量等信息，自动生成项目甘特图。
（3）项目加工阶段，根据采购订单外协工厂开始加工子设备/零部件，根据事先约定好的编码规则，外协工厂使用编码A为内容，对零部件进行二维码激光打标或将RFID电子标签安装在设备/零部件上。待产品/零部件到货后，对入厂的组件/零部件进行入厂检验，检验完成后入库并将产品的编码A内容进行记录和存储在本系统中。零部件采购到货入厂时，通过待检区的读卡器或扫描枪，对零部件自动进行信息登记，检验记录也根据零部件编码进行自动上传绑定。
当运行项目开始组装生产时，根据项目清单从库房领料，此时将由人工进行组件/零部件详细信息的录入和绑定，先对组件/零部件的RFID电子标签或二维码进行扫描识别，得到相应的编码A，然后根据组件/零部件具体情况由人工录入该组件/零部件的编码B，系统将编码A与编码B映射绑定。将领出的组件/零部件根据生产工艺要求进行生产组装，按照整机−组件−部件的逻辑关系，由人工进行相应三级编码A的关联。生产组装过程中，进行生产过程检验，检验信息录入QMS质量管理系统。
设备完成整机组装后，整体进行实验室跑合测试，跑合完成后进行整体出厂验收，验收结果录入QMS质量管理系统。设备最终出厂时由进出库系统识别出厂时间、设备信息等存入煤矿泵站全生命周期管理系统，待设备到达矿方处，通过手持终端扫描整机RFID电子标签，手持终端装有4G通信卡，将到货信息传至本系统中。
（4）项目运行阶段，首先将到货系统进行地面联合调试，将地面联合调试的技术参数、测试情况记录入系统中；然后进行井下安装调试，井下控制系统的数据通过光纤上传至地面调度中心，地面调度中心再将数据发送给煤矿泵站全生命周期管理系统。
当设备正常在井下运行时，售后服务人员带着手持终端到井下进行设备点检服务，手持终端中具有事先录好的点检表，服务人员根据表单选项进行整套系统的点检，升井后将点检记录上传至本系统中。
当运行过程中，发生零部件损坏时，可以将损坏的零部件扫描其编码A，追溯其生产厂家、产品特性、生产日期、服役期限等。当整机发生损坏或大修返厂时，可以扫描整机编码A，追溯其出厂日期、实验室跑合测试记录、服役期限、更换备件记录等。
（1）针对煤矿泵站业务特点设计的多源异地分布式网络架构通过多个私有云实现了本地化数据的收集，通过公有云与私有云的通信能够实现系统整体数据额度融合，满足业务要求。
（2）通过对煤矿泵站结构的分解，多层级设备零部件电子标签绑定能够将泵站零部件多级层次关系表达清楚，可实现各级零部件的唯一电子编码。
（3）经过对煤矿泵站项目环节的梳理，建立了一整套业务流程路线，可实现各部门高效协同工作。
（4）煤矿泵站全生命周期管理系统解决了煤矿泵站产品标识不清楚、产品质量难以追溯、项目各阶段数据难以汇总等问题，可以为煤矿泵站全生命周期管理提供实时动态状态信息和高级决策依据，促进煤矿泵站业务数字化发展。
责编 | 李金松
编辑丨李雅楠
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