中國(guó)煤炭科工集團(tuán)重慶研究院有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)中國(guó)煤科重慶研究院）研制的GJJ100A型煤礦用激光甲烷傳感器是新一代甲烷檢測(cè)類(lèi)產(chǎn)品，具有測(cè)量準(zhǔn)確，不受其他烷類(lèi)氣體干擾，不受有毒有害氣體影響，標(biāo)校間隔時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，受到市場(chǎng)青睞，需求量逐年提升，是中國(guó)煤科重慶研究院的產(chǎn)值主力產(chǎn)品。

文章來(lái)源：《智能礦山》2025年第5期“革新·改造：優(yōu)秀 QC 成果”欄目

第一作者：黃海峰，現(xiàn)任中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司測(cè)控分院儀器儀表車(chē)間主任，主要從事煤礦用報(bào)警儀、傳感器、攝像儀等產(chǎn)品的制造。E-mail：26813835@qq.com

作者單位：中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司

引用格式：黃海峰，孫世嶺，劉啟軍，等. 激光甲烷傳感器高低溫工作自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)研制[J]. 智能礦山，2025，6(4)：42-46.

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根據(jù)市場(chǎng)推廣需求2024年產(chǎn)能>2萬(wàn)臺(tái)，目前生產(chǎn)現(xiàn)狀最多年產(chǎn)1.4萬(wàn)臺(tái)（除設(shè)備維保檢修，一次性不良率及其他因素），不能滿(mǎn)足市場(chǎng)推廣要求，市場(chǎng)推廣需求見(jiàn)表1。

表1 市場(chǎng)推廣需求測(cè)算

激光甲烷傳感器傳統(tǒng)的測(cè)試方式與智能制造生產(chǎn)模式匹配度低，為了適應(yīng)市場(chǎng)需求，奮進(jìn)QC小組勇挑重?fù)?dān)，承擔(dān)了激光甲烷傳感器生產(chǎn)技術(shù)升級(jí)以及提效提產(chǎn)任務(wù)。

選擇課題

（1）分析生產(chǎn)流程

QC小組梳理分析激光甲烷傳感器的生產(chǎn)工序。高低溫工作測(cè)試使用2臺(tái)高低溫箱，每臺(tái)每天測(cè)試2批次，2臺(tái)共計(jì)4批次，單批次為20臺(tái)，合計(jì)日產(chǎn)能80臺(tái)，人工耗時(shí)640 min，平均效率為8 min/臺(tái)，為滿(mǎn)足市場(chǎng)需求目標(biāo)，需將日產(chǎn)能從80臺(tái)提升至約120臺(tái)（2萬(wàn)臺(tái)/系數(shù)0.7/年工作日250天≈120臺(tái)），單位效率從8 min/臺(tái)降至3.33 min/臺(tái)（人工耗時(shí)1天400 min/120臺(tái)），激光甲烷傳感器測(cè)試流程如圖1所示。

圖1 激光甲烷傳感器測(cè)試流程

（2）分析高低溫測(cè)試操作流程

激光甲烷傳感器高低溫測(cè)試操作流程為上電倒計(jì)時(shí)60 s→按動(dòng)遙控器到1功能調(diào)零→在進(jìn)入U(xiǎn)和L功能界面依次記錄電壓和電流2個(gè)參數(shù)→遙控循環(huán)保存調(diào)零數(shù)據(jù)→按動(dòng)遙控器上下鍵共4次進(jìn)入內(nèi)部調(diào)試界面→依次進(jìn)入8個(gè)功能界面記錄8個(gè)參數(shù)→斷電取下傳感器→運(yùn)輸至高低溫設(shè)備→上電進(jìn)入-20 ℃低溫測(cè)試→運(yùn)行2 h→按照以上流程外部記錄2個(gè)參數(shù)、內(nèi)部記錄8個(gè)參數(shù)→切換至25 ℃溫度測(cè)試運(yùn)行2 h→按照流程再記錄10個(gè)參數(shù)→切換至40 ℃高溫測(cè)試運(yùn)行2 h→按照流程再記錄10個(gè)參數(shù)→測(cè)試完成取下傳感器。

分析表明測(cè)試流程復(fù)雜需按動(dòng)遙控器184次進(jìn)入136個(gè)功能界面，重復(fù)記錄數(shù)據(jù)多，共4個(gè)溫度階段40項(xiàng)數(shù)據(jù)，批次測(cè)試數(shù)量少，僅20臺(tái)/批；人工操作耗時(shí)達(dá)160 min/批。

（3）制定改進(jìn)方案

QC小組通過(guò)總結(jié)分析數(shù)據(jù)討論得出改進(jìn)方案。研制1套自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)來(lái)滿(mǎn)足需求，用計(jì)算機(jī)程序代替人工操作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、采集、記錄、判定，測(cè)試過(guò)程無(wú)人值守，提升測(cè)試效率與智能化程度；通過(guò)改變承載結(jié)構(gòu)方式，提高箱體內(nèi)部的空間利用率，實(shí)現(xiàn)高低溫實(shí)驗(yàn)箱的單次容量擴(kuò)容，提升單次批次測(cè)試容量。

（4）技術(shù)基礎(chǔ)借鑒

QC小組成員檢索《激光甲烷傳感器高低溫工作自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)》等關(guān)鍵字，并未發(fā)現(xiàn)有相關(guān)專(zhuān)利、文獻(xiàn)、產(chǎn)品；在行業(yè)內(nèi)調(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)類(lèi)似系統(tǒng)應(yīng)用，中國(guó)煤科重慶研究院的KJ90X型煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的一對(duì)多通信、集中控制與管理等方面與制定的改進(jìn)方案有契合點(diǎn)。

設(shè)定目標(biāo)

通過(guò)分析生產(chǎn)流程以及量化計(jì)算年產(chǎn)能，QC小組確定激光甲烷傳感器高低溫工作測(cè)試效率由8 min/臺(tái)/人降至3.33 min/臺(tái)/人，高低溫工作測(cè)試時(shí)間目標(biāo)設(shè)定主要技術(shù)指標(biāo)分組情況如圖2所示。

圖2 高低溫工作測(cè)試時(shí)間目標(biāo)設(shè)定

（1）目標(biāo)可行性論證

QC小組成員按照測(cè)試平臺(tái)功能與技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分組，主要技術(shù)指標(biāo)分組情況如圖3所示。激光甲烷傳感器高低溫測(cè)試過(guò)程中分為4個(gè)階段，每階段10種參數(shù)，共需要紅外遙控控制并手寫(xiě)記錄40個(gè)參數(shù)；借鑒KJ90X煤礦監(jiān)控系統(tǒng)，1臺(tái)上位機(jī)同時(shí)實(shí)現(xiàn)多臺(tái)傳感器數(shù)據(jù)自動(dòng)采集并記錄，節(jié)省重疊時(shí)間。

圖3 激光甲烷傳感器高低溫工作測(cè)試主要技術(shù)指標(biāo)分組情況

（2）效率提升論證

QC小組詳細(xì)分析和預(yù)估計(jì)算借鑒效果，理論上忽略遙控和記錄數(shù)據(jù)時(shí)間，將效率提升為（160 min×4批-120 min×4批）/80臺(tái)=2 min/臺(tái)，高于目標(biāo)值，計(jì)算得出可行目標(biāo)，效率提升預(yù)估見(jiàn)表2。

表2 效率提升預(yù)估

（3）可行性論證結(jié)論

QC小組成員經(jīng)驗(yàn)豐富、創(chuàng)新能力強(qiáng)，近年完成多個(gè)QC項(xiàng)目，并屢次獲得各種獎(jiǎng)勵(lì)；領(lǐng)導(dǎo)層高度重視質(zhì)量管理；預(yù)計(jì)材料成本約1.5萬(wàn)元，未超過(guò)可接受的成本范圍。以上綜合指標(biāo)滿(mǎn)足要求，表明可完成設(shè)定目標(biāo)。

提出并確定最佳方案

圍繞活動(dòng)目標(biāo)，QC小組成員討論提出2套解決問(wèn)題的總體方案，分析對(duì)比2套總體方案的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。

（1）一體化專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備

研制1臺(tái)激光甲烷傳感器高低溫工作專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，采用軟件方案進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、控制、展示，存檔。通過(guò)對(duì)高低溫箱進(jìn)行改造，嵌入自研系統(tǒng)、承載結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備專(zhuān)用。優(yōu)點(diǎn)為集成度高，整體效果好；缺點(diǎn)為成本高，且需改造大型高低溫設(shè)備，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估存在不確定性，不兼容其他產(chǎn)品。

（2）分布式測(cè)試系統(tǒng)

研制1套分布式系統(tǒng)，對(duì)高低溫箱內(nèi)的產(chǎn)品擺放重新布局，增加容量，通過(guò)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、控制、展示，存檔。實(shí)施詳情為不改造高低溫箱，通過(guò)與外設(shè)硬件、軟件配合使用。優(yōu)點(diǎn)為可復(fù)制性強(qiáng)、擴(kuò)展性強(qiáng)，升級(jí)、改造、維護(hù)方便，成本低、兼容性強(qiáng)、可測(cè)試其他產(chǎn)品；缺點(diǎn)為各部分呈分布式擺放，美觀度不佳。

通過(guò)對(duì)比與分析2套方案，成員討論決定采用研制分布式測(cè)試系統(tǒng)來(lái)保障目標(biāo)的順利完成。

（3）子方案最優(yōu)應(yīng)用確定

確定總體最優(yōu)方案后，提出子方案包括數(shù)據(jù)采集，承載結(jié)構(gòu)，硬件電路3個(gè)模塊，確定每個(gè)模塊的最佳應(yīng)用子方案。數(shù)據(jù)采集選用傳感器自帶485通信，采集效率高，采集數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，雙向通信實(shí)現(xiàn)控制與記錄全自動(dòng)化，滿(mǎn)足無(wú)人值守，上位機(jī)軟件控制并且自動(dòng)記錄；承載結(jié)構(gòu)采用立體多層懸掛式掛架承載，承載容量大，通風(fēng)性能好，溫度曲線好，設(shè)計(jì)了底部滑輪，搬運(yùn)便捷；硬件電路采用模塊化通信與總線控制器相結(jié)合，獨(dú)立模塊抗干擾能力強(qiáng)，維護(hù)成本低，重復(fù)導(dǎo)線連接較少，采用總線通信速度、運(yùn)算速度更快。

制定實(shí)施對(duì)策

QC小組成員按照最佳方案討論并制定了相關(guān)的對(duì)策，運(yùn)用“5W1H”明確各模塊任務(wù)與分工，最佳子方案實(shí)施對(duì)策見(jiàn)表3，QC小組成員編寫(xiě)了軟件，實(shí)現(xiàn)了軟件的模塊功能，穩(wěn)定性與可靠性都符合預(yù)期，驗(yàn)證系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集功能界面如圖4所示，設(shè)計(jì)、加工制作掛架達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，傳感器測(cè)試掛架如圖5所示。

表3 最佳子方案實(shí)施對(duì)策

圖4 驗(yàn)證系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集功能界面

圖5 傳感器測(cè)試掛架

測(cè)試和優(yōu)化激光甲烷傳感器高低溫測(cè)試后，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集存檔，采集數(shù)據(jù)和人工讀取數(shù)據(jù)一致；除人工上下料外，測(cè)試中實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守；批次容量達(dá)到了預(yù)期數(shù)量90臺(tái)，功能全部實(shí)現(xiàn)，效果得到確認(rèn)，測(cè)試系統(tǒng)整體效果如圖6所示。

圖6 測(cè)試系統(tǒng)整體效果

測(cè)試系統(tǒng)效果

（1）測(cè)試系統(tǒng)對(duì)策實(shí)施完成后，QC小組通過(guò)3個(gè)月的實(shí)際運(yùn)行跟蹤調(diào)查，高低溫工作自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)1天可測(cè)試3批次，每批次90臺(tái)，共計(jì)270臺(tái)，單批次只需人工上下料耗時(shí)約40 min，QC小組抽取了6天的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出單位效率從8 min/臺(tái)/人降為0.44 min/臺(tái)/人，提效18倍，滿(mǎn)足產(chǎn)能與智能制造建設(shè)要求，效果檢查期間生產(chǎn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，測(cè)試目標(biāo)值對(duì)比如圖7所示。

表4 效果檢查期間生產(chǎn)數(shù)據(jù)（2024年）

圖7 測(cè)試目標(biāo)值對(duì)比

（2）測(cè)試系統(tǒng)成本合計(jì)1.5萬(wàn)元，和預(yù)算一致；經(jīng)計(jì)算活動(dòng)后3個(gè)月因節(jié)約工時(shí)直接經(jīng)濟(jì)效益27 922元。測(cè)試系統(tǒng)可復(fù)制性及推廣性強(qiáng)，根據(jù)需求復(fù)制1套，可再提升產(chǎn)能270臺(tái)/天，增強(qiáng)了急訂單、大訂單的應(yīng)對(duì)能力，相同的測(cè)試系統(tǒng)現(xiàn)已推廣至開(kāi)停傳感器測(cè)試裝置、傳感器老化箱等項(xiàng)目，均取得了良好效果。開(kāi)停傳感器測(cè)試裝置如圖8所示，傳感器老化箱如圖9所示。

圖8 開(kāi)停傳感器測(cè)試裝置

圖9 傳感器老化箱

（3）QC小組成員編寫(xiě)工作測(cè)試操作說(shuō)明書(shū)，并參與工藝文件修改歸檔，以備查閱。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)與理論培訓(xùn)相結(jié)合，對(duì)相關(guān)人員進(jìn)行了系列相關(guān)操作技術(shù)培訓(xùn)，保證現(xiàn)場(chǎng)操作人員熟練使用整套測(cè)試系統(tǒng)，保障生產(chǎn)活動(dòng)的進(jìn)行。

總 結(jié)

（1）激光甲烷傳感器高低溫工作自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研制替代人工操作，實(shí)現(xiàn)激光甲烷傳感器數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、自動(dòng)存檔、自動(dòng)判定、高低溫箱工作溫度自動(dòng)切換、無(wú)人值守，簡(jiǎn)化工作流程，取得了提質(zhì)、減人、增效、降勞動(dòng)強(qiáng)度的效果，提升了測(cè)試工作的智能化程度。

（2）激光甲烷傳感器高低溫工作自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)改變承載結(jié)構(gòu)，提高了高低溫箱設(shè)備利用率約4倍，單臺(tái)空間利用率4.5倍；采用獨(dú)立通信模塊，免于每次設(shè)置傳感器地址，節(jié)省測(cè)試時(shí)間；QC小組在硬件及軟件設(shè)計(jì)等累積了豐富的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)項(xiàng)目?jī)?chǔ)備經(jīng)驗(yàn)。

（3）QC小組下一步計(jì)劃結(jié)合目前的需求與生產(chǎn)痛點(diǎn)開(kāi)展《電源隔離模塊自動(dòng)測(cè)試裝置的研制》。

END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國(guó)科技核心期刊11種、中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國(guó)法院士

投稿網(wǎng)址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

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