岳亞軍

(中國煤炭科工集團 上海有限公司， 上海 200030)

0 引言

頂管非開挖技術在世界范圍內已得到大量的實際工程應用，且保持著高速的增長勢頭，無論在頂管掘進機技術、裝備還是施工工藝上都取得了很大的進步。

雖然頂管掘進機技術得到了很大的發(fā)展和應用，但在地下管線施工中，由于受地質條件變化和頂進長度的影響，諸多技術瓶頸沒有突破，尤其是操作員自身經驗和能力等人為因素嚴重影響頂進質量和速度。

云端監(jiān)控系統(tǒng)可結合專家控制系統(tǒng)和可支持多人同時在線訪問的云端監(jiān)控界面，使更多人參與到頂管掘進機的日常維護、日常施工及使用經驗總結等工作中來。云端應用數(shù)據(jù)庫所儲存的應用數(shù)據(jù)可幫助設備制造方根據(jù)不同的地質條件及時優(yōu)化和提升后續(xù)設備的生產制造[1]。在現(xiàn)有的頂管掘進系統(tǒng)中增加云端監(jiān)控系統(tǒng)和應用數(shù)據(jù)庫可提升設備本身的技術能力，同時為頂管掘進機向無人化、智能化技術發(fā)展方向提供技術支撐和基礎。

1 基本原理

基于云端技術的頂管掘進機監(jiān)控系統(tǒng)及應用數(shù)據(jù)庫是依托物聯(lián)網(wǎng)技術，將頂管掘進機上各個I/O組件和傳感器的實時采集值由現(xiàn)場控制器自帶的總線端口接入Internet的網(wǎng)關接口,再通過高速上傳網(wǎng)關傳輸至網(wǎng)絡或者通過控制器進行中轉之后將數(shù)據(jù)傳至網(wǎng)絡云端，實時傳輸至云端的數(shù)據(jù)在云端服務器再進行結構化處理還原[2]。

數(shù)據(jù)的處理主要包括對現(xiàn)場實際使用情況的遠程干預和云端數(shù)據(jù)的展示，尤其是在移動端和PC端的展示。盡管某些廠家的確提供了客戶端展示功能，但往往都是基于標準界面的頁面展示和基本功能交互，行業(yè)深度仍然不夠，更談不上對設備現(xiàn)場使用情況的保護、保養(yǎng)維修指導等。設備制造方可通過云端軟件設置設備的報警值、故障值、定期保養(yǎng)等,并通過云端軟件直接實時下發(fā)至現(xiàn)場使用人員。在設備的使用過程中,結合專家控制系統(tǒng)及施工經驗,可遠程自動控制現(xiàn)場各設備的啟動停止及速度給定,如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架

2 系統(tǒng)硬件及軟件設計

通過對現(xiàn)場頂管掘進機主控制PLC內部數(shù)據(jù)的實時采集，后臺云端可實時監(jiān)測設備的使用情況并實時下發(fā)至在線客戶端。通過大數(shù)據(jù)監(jiān)控、分析、處理可了解設備的現(xiàn)場使用情況，并建立相關的設備應用數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)設備的優(yōu)化、研究及技術升級提供現(xiàn)場使用數(shù)據(jù)。

2.1 數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)關

針對頂管掘進機上各傳感器的性能特點、響應時間等要求，針對地下管線結構、復雜惡劣工況環(huán)境對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?在功能完備性、可靠性、實時性、開放性、通用性等原則的指導下,需要選用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口標準，編寫接口功能模塊,實現(xiàn)通用化的數(shù)據(jù)接入標準格式,實現(xiàn)不同廠商的終端設備、可在物聯(lián)網(wǎng)平臺上互聯(lián)互通。各現(xiàn)場傳感器由現(xiàn)場PLC進行統(tǒng)一采集,通過具有穿墻功能的通信網(wǎng)關將現(xiàn)場數(shù)據(jù)接入互聯(lián)網(wǎng)傳至云端[3]。如圖2所示,通過PLC編程軟件和組態(tài)等上位機實現(xiàn)對PLC的云端操作及監(jiān)控、遠程采集數(shù)據(jù)等，為進一步頂管機數(shù)據(jù)監(jiān)控與預測性維護奠定基礎。

2.2 云端數(shù)據(jù)的分析處理

針對現(xiàn)場不同機型返回的數(shù)據(jù)與云端控制軟件設備的設計值偏差進行自動比對，超過設定的報警值及故障值時迅速給出現(xiàn)場操作者相應的提示信息。對應的報警值、故障值及設備在現(xiàn)場安裝的保護值等都生成具體的參數(shù),一旦現(xiàn)場反饋的數(shù)據(jù)超過報警值即自動給現(xiàn)場操作人員以聲光、信息的形式下發(fā)提醒，并記錄現(xiàn)場人員的處理措施。上傳的數(shù)據(jù)超過故障值則由云端控制系統(tǒng)自動下發(fā)停機命令。

圖2 云端監(jiān)控系統(tǒng)控制

由于頂管施工工藝較為復雜,需要實時調整設備的頂進方向、刀盤轉速、頂進速度、進水排泥流量、減摩注漿系統(tǒng),并需要實時觀測設備運行的外界環(huán)境。云端監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場條件設置各系統(tǒng)參數(shù)實現(xiàn)自動頂進的功能，也可以通過云端控制系統(tǒng)遠程操作設備施工。

當前設備在維護方面主要依靠經驗進行，隨著設備自動化程度的提高,結構更加復雜，依靠單一的經驗對設備進行控制和診斷已經不能滿足設備運行高效、安全的要求。本套控制軟件可將設備實際問題操作經驗、設備故障的維護處理經驗、故障診斷專家經驗等進行提煉、歸納，最終將其變?yōu)楦叨葮藴驶臄?shù)據(jù)存儲在云端數(shù)據(jù)庫中，用于設備遠程維護。

2.3 建立數(shù)據(jù)監(jiān)控管理系統(tǒng)

建立數(shù)據(jù)監(jiān)控管理系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)存儲、狀態(tài)監(jiān)控、過程數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)云端存儲、PC端查詢平臺。系統(tǒng)具有遠程設備數(shù)據(jù)的分析、顯示、存儲等功能[4]，可實現(xiàn)對頂管機工作參數(shù)的實時查詢、監(jiān)測,對頂管機故障進行分析判定,頂管機保養(yǎng)提醒,并根據(jù)不同用戶群進行權限設定。云端監(jiān)控界面如圖3所示，該控制界面可直觀地顯示總頂進長度、頂進速度、刀盤電流值、泥水壓力值、方向變化、注漿減摩系統(tǒng)等。該界面作為云端顯示的客戶端，可同時接受多人訪問。

圖3 云端監(jiān)控界面

3 應用數(shù)據(jù)庫的建立

根據(jù)各個現(xiàn)場設備上傳到云端的數(shù)據(jù)，在云端控制軟件內進行篩選、規(guī)整,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、界面顯示，如圖4所示?！耙粰C一檔案，一段一存儲”,針對不同地質條件及現(xiàn)場設備的使用情況建立應用數(shù)據(jù)庫，將設備使用過程中的所有數(shù)據(jù)根據(jù)時間存儲在應用數(shù)據(jù)庫中，方便及時查閱、分析、下載。作為設備使用者,可總結施工經驗,不斷提升設備的使用效率，制造者可通過應用數(shù)據(jù)庫中的現(xiàn)場數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化設計，提高設備的競爭力,同時為后續(xù)研發(fā)新型設備提供理論數(shù)據(jù)支撐。

圖4 應用數(shù)據(jù)庫

4 結論

利用“云端技術”對頂管機的工作狀態(tài)進行多人遠程在線實時監(jiān)控，對設備在使用過程中出現(xiàn)的不當操作給予自動信息提示，對設備故障可在線診斷,并給出相應的解決方案。本套系統(tǒng)同時集成了專家、現(xiàn)場應用等多方面的知識和經驗，對頂管機的運行狀態(tài)進行遠程診斷，符合國家能源裝備科技發(fā)展指引及行業(yè)發(fā)展趨勢。研究內容將會對頂管掘進機的掘進方式、設備現(xiàn)場服務、施工問題診斷等方面帶來革命性的創(chuàng)新，大幅度提高設備使用效率和壽命，從而提升企業(yè)的經濟效益和社會效益[5]。