鋼廠電氣設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)淺析

　　1 引言

　　在現(xiàn)代化鋼廠中，電氣設(shè)備故障是造成電氣火災(zāi)的重要原因，由其引發(fā)的各類停電事故也給鋼廠帶來(lái)了重大經(jīng)濟(jì)損失。導(dǎo)致電氣設(shè)備故障的原因多種多樣，如設(shè)備部件達(dá)到使用年限、設(shè)備電壓波動(dòng)、設(shè)備操作不當(dāng)?shù)?。不同故障因素?duì)電氣設(shè)備的損耗情況各不相同，要求企業(yè)及時(shí)采取相應(yīng)措施對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，以保障日常生產(chǎn)順利運(yùn)行。

　　近年來(lái)，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)的快速發(fā)展，生產(chǎn)設(shè)備的智能運(yùn)維已逐漸成為研究熱點(diǎn)。電氣設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)采集并分析電氣設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)，可以對(duì)電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)維檢。本文將重點(diǎn)論述該技術(shù)在智慧鋼廠中的應(yīng)用。

　　2 電氣設(shè)備運(yùn)維方案設(shè)計(jì)

　　鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)采用的電氣設(shè)備種類繁多，其中應(yīng)用較為廣泛的主要是配電設(shè)備、電機(jī)設(shè)備、控制設(shè)備和輔助設(shè)備。

　　1)配電設(shè)備

　　配電設(shè)備是鋼廠生產(chǎn)過(guò)程中用電管理的重要部分，對(duì)全廠生產(chǎn)用電安全有著顯著影響。它主要分為高中壓配電和低壓配電兩大部分，包括變壓器、高中壓開(kāi)關(guān)柜、低壓開(kāi)關(guān)柜、照明配電箱、檢修電源箱、開(kāi)關(guān)箱、直流屏等。

　　2)電機(jī)設(shè)備

　　鋼廠常用電機(jī)設(shè)備包括泵、閥、風(fēng)機(jī)、膠帶機(jī)、起重設(shè)備等。部分設(shè)備配有機(jī)旁操作箱和PLC控制接口，設(shè)備結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,對(duì)平時(shí)的維護(hù)要求也比較高,出現(xiàn)故障時(shí)有可能直接影響全廠生產(chǎn)運(yùn)行。

　　3)控制設(shè)備

　　控制與傳動(dòng)設(shè)備是鋼廠生產(chǎn)運(yùn)行的“神經(jīng)元”，包括PLC、變頻器、軟啟動(dòng)器等。其中，PLC負(fù)責(zé)全廠主要用電設(shè)備的計(jì)算機(jī)集中控制;變頻器主要應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制;軟啟動(dòng)器集成了軟啟動(dòng)、軟停車和多種保護(hù)功能，主要應(yīng)用于大功率電機(jī)的啟?？刂啤?/span>

　　4)輔助設(shè)備

　　輔助設(shè)備負(fù)責(zé)鋼廠主要生產(chǎn)工序外的輔助工作，包括空調(diào)、測(cè)溫儀、攝像頭、電子秤、通訊設(shè)備等。

　　在日常生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，鋼廠電氣設(shè)備性能會(huì)逐漸退化，最后功能失效達(dá)到壽命終點(diǎn)。根據(jù)維保工作技術(shù)思路的差異，鋼廠電氣設(shè)備的維護(hù)策略可分為三個(gè)層次：響應(yīng)式維護(hù)、預(yù)防性維護(hù)和預(yù)測(cè)性維護(hù)。

　　?設(shè)備響應(yīng)式維護(hù)

　　實(shí)時(shí)全方位監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，故障發(fā)生后快速定位故障位置，通過(guò)系統(tǒng)后臺(tái)自動(dòng)派工，借助手機(jī)APP推送等方式第一時(shí)間通知維護(hù)人員，精準(zhǔn)告知故障情況，并發(fā)送維修指導(dǎo)文件。維修人員佩戴可穿戴式智能裝置，接受平臺(tái)遠(yuǎn)程運(yùn)維指導(dǎo)，APP上傳維修日志，及時(shí)完成故障排除。系統(tǒng)內(nèi)嵌的數(shù)字化文檔保存了圖紙、程序和手冊(cè)，方便維保人員使用。

　　?設(shè)備預(yù)防性維護(hù)

　　結(jié)合工廠生產(chǎn)計(jì)劃，制定設(shè)備維護(hù)的日、周、月、季度和年度規(guī)劃，提前創(chuàng)建維保工單，主動(dòng)推送維護(hù)計(jì)劃，同時(shí)安排好維保人員，準(zhǔn)備好維護(hù)工具和材料，對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行檢查、維修、保養(yǎng)和部件更換。

　　?設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)

　　實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)及變量間相關(guān)關(guān)系，利用人工智能算法建立預(yù)測(cè)維護(hù)模型，預(yù)估設(shè)備剩余壽命，提前制定運(yùn)維計(jì)劃。

　　三類維護(hù)策略對(duì)比如表1所示。在具體維護(hù)實(shí)施過(guò)程中，綜合考慮不同電氣設(shè)備的故障頻率、故障風(fēng)險(xiǎn)和運(yùn)維成本，采取適宜的運(yùn)維措施。通過(guò)預(yù)防性維護(hù)和預(yù)測(cè)性維護(hù)，可以有效降低故障搶修成本，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，進(jìn)而降低設(shè)備更換的采購(gòu)成本。同時(shí)，由于電氣設(shè)備的可靠性得以提高，停電事故的出現(xiàn)概率及其帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失也將顯著減小。

　　3 智能運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)

　　鋼廠電氣設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)在應(yīng)用實(shí)施過(guò)程中主要包括現(xiàn)場(chǎng)硬件部署及平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)。

　　3.1系統(tǒng)硬件架構(gòu)

　　智能運(yùn)維系統(tǒng)硬件由設(shè)備端、智能網(wǎng)關(guān)、服務(wù)端、客戶端、平臺(tái)中心看板等幾部分組成。

　　現(xiàn)代化鋼廠的控制系統(tǒng)通常包含控制室PLC柜、傳動(dòng)設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，當(dāng)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生異常時(shí)，控制系統(tǒng)可將運(yùn)行信息反饋給管理人員。因此，在數(shù)據(jù)采集層面，主要從鋼廠設(shè)備控制系統(tǒng)以及配備數(shù)據(jù)通訊接口的智能設(shè)備(如智能電表等)取數(shù)。此外，還需采集電氣室及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備音視頻監(jiān)控、溫濕度等環(huán)境信息，以輔助運(yùn)維系統(tǒng)進(jìn)行決策。巡檢和運(yùn)維過(guò)程中，維保人員通過(guò)佩戴智能安全帽，與平臺(tái)系統(tǒng)智能交互，實(shí)現(xiàn)在線視頻及圖像傳輸、遠(yuǎn)程運(yùn)維指導(dǎo)等功能。借助超寬帶(Ultra Wide Band, UWB)定位技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)域人員高精度定位，確保運(yùn)維人員安全作業(yè)。

　　設(shè)備端接入支持各類工業(yè)協(xié)議解析的智能網(wǎng)關(guān)，其數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳輸至服務(wù)器，供服務(wù)端進(jìn)行處理。服務(wù)端在設(shè)備監(jiān)控過(guò)程中根據(jù)不同電氣設(shè)備的具體特性變化趨勢(shì)進(jìn)行判斷。例如對(duì)于變頻器，采集系統(tǒng)狀態(tài)、給定方式、運(yùn)行方式、控制方式、運(yùn)行頻率、輸出電流、柜內(nèi)溫度等信號(hào)，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)短路、欠壓、過(guò)壓、溫度過(guò)高、面板故障、主回路跳閘等故障;對(duì)于直流屏，采集交流及直流模擬量數(shù)據(jù)，以及電池組過(guò)壓、欠壓等信號(hào)，當(dāng)信號(hào)異常超限時(shí)推送報(bào)警。

　　在人機(jī)交互方面，服務(wù)端將系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等需要展示的信息發(fā)布到平臺(tái)中心看板，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)推送到PC端和移動(dòng)端，供客戶瀏覽。

　　3.2系統(tǒng)軟件架構(gòu)

　　軟件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集層、大數(shù)據(jù)平臺(tái)層和智能運(yùn)維應(yīng)用層組成，整體架構(gòu)如圖1所示。從圖1可知，數(shù)據(jù)采集層負(fù)責(zé)和各硬件系統(tǒng)進(jìn)行通信，獲取系統(tǒng)的各類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);大數(shù)據(jù)平臺(tái)層是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理中心，它將采集層獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與預(yù)處理，并根據(jù)數(shù)據(jù)邏輯進(jìn)行關(guān)聯(lián)，保存到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，系統(tǒng)同時(shí)設(shè)置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，以適應(yīng)高實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)處理需求;智能運(yùn)維應(yīng)用層主要分為智能分析和可視化應(yīng)用兩部分。

　　智能分析部分包含設(shè)備數(shù)字孿生、預(yù)測(cè)性維護(hù)和智能化巡檢技術(shù)，以及基于專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的遠(yuǎn)程專家診斷系統(tǒng)和設(shè)備維護(hù)專家?guī)?。其中，設(shè)備數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化建模，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵電氣設(shè)備三維模型和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的融合展示?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)的預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)時(shí)序模型、回歸分析、統(tǒng)計(jì)推斷等方法，對(duì)海量的設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以訓(xùn)練出該類型設(shè)備的數(shù)據(jù)模型，并將該模型應(yīng)用于設(shè)備狀態(tài)和剩余壽命的預(yù)測(cè)中，實(shí)現(xiàn)從響應(yīng)式維護(hù)到預(yù)測(cè)性維護(hù)的轉(zhuǎn)變。智能化巡檢則根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果，自動(dòng)生成巡檢計(jì)劃，對(duì)工作時(shí)間長(zhǎng)、報(bào)警頻率高、壽命周期短的關(guān)鍵設(shè)備加大巡檢力度。對(duì)于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)難以解決的設(shè)備運(yùn)維問(wèn)題，引入工藝和電氣技術(shù)專家的團(tuán)隊(duì)力量，通過(guò)設(shè)立遠(yuǎn)程專家診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的電氣設(shè)備在線診斷，并記錄專家運(yùn)維案例，對(duì)設(shè)備維護(hù)專家知識(shí)庫(kù)進(jìn)行及時(shí)更新。

　　可視化應(yīng)用部分提供設(shè)備運(yùn)維系統(tǒng)的各種可視化運(yùn)維管理功能，可在PC端和移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)，其人機(jī)界面包括運(yùn)維APP和平臺(tái)中心看板。其中，運(yùn)維APP可根據(jù)管理人員和運(yùn)維人員等不同角色配置不同的功能和權(quán)限，支持設(shè)備管理、報(bào)警管理、維護(hù)管理等多種功能。平臺(tái)中心看板主要實(shí)現(xiàn)運(yùn)維信息大屏幕展示功能，包括：1)設(shè)備管理：全廠電氣設(shè)備類型、數(shù)量、狀態(tài)信息、運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)備地圖等;2)報(bào)警管理：設(shè)備報(bào)警信息、專家在線情況、診斷結(jié)果、處理建議等;3)維護(hù)管理：顯示運(yùn)維信息，包括運(yùn)維人員在線情況、維保工單、運(yùn)維現(xiàn)場(chǎng)畫面、備件信息等。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　鋼廠電氣設(shè)備運(yùn)維管理工作是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，能夠降低設(shè)備故障幾率，有效保障鋼廠生產(chǎn)的順利運(yùn)行和企業(yè)員工的生命安全。本文介紹了現(xiàn)代化鋼廠電氣設(shè)備的智能運(yùn)維策略，采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，創(chuàng)新集成智能產(chǎn)品，對(duì)設(shè)備智能運(yùn)維平臺(tái)架構(gòu)進(jìn)行了分析。與傳統(tǒng)運(yùn)維技術(shù)相比，該智能運(yùn)維系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在：1)數(shù)字孿生技術(shù)為電氣設(shè)備智能運(yùn)維提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也是鋼廠數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要依托;2)融合專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的智能運(yùn)維策略可以預(yù)測(cè)設(shè)備狀態(tài)變化趨勢(shì)，提前制定運(yùn)維計(jì)劃;3)借助智能安全帽、UWB定位等智能設(shè)備構(gòu)建遠(yuǎn)程運(yùn)維指導(dǎo)系統(tǒng)，增強(qiáng)了即時(shí)運(yùn)維能力，提高了鋼廠安全監(jiān)管的實(shí)效性。

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