鋼廠電氣設備智能運維系統(tǒng)淺析

　　1 引言

　　在現(xiàn)代化鋼廠中，電氣設備故障是造成電氣火災的重要原因，由其引發(fā)的各類停電事故也給鋼廠帶來了重大經(jīng)濟損失。導致電氣設備故障的原因多種多樣，如設備部件達到使用年限、設備電壓波動、設備操作不當?shù)?。不同故障因素對電氣設備的損耗情況各不相同，要求企業(yè)及時采取相應措施對設備進行維護，以保障日常生產順利運行。

　　近年來，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術的快速發(fā)展，生產設備的智能運維已逐漸成為研究熱點。電氣設備智能運維系統(tǒng)采集并分析電氣設備的相關數(shù)據(jù)，可以對電氣設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)控和預測，實現(xiàn)精準維檢。本文將重點論述該技術在智慧鋼廠中的應用。

　　2 電氣設備運維方案設計

　　鋼鐵企業(yè)生產環(huán)節(jié)采用的電氣設備種類繁多，其中應用較為廣泛的主要是配電設備、電機設備、控制設備和輔助設備。

　　1)配電設備

　　配電設備是鋼廠生產過程中用電管理的重要部分，對全廠生產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、高中壓開關柜、低壓開關柜、照明配電箱、檢修電源箱、開關箱、直流屏等。

　　2)電機設備

　　鋼廠常用電機設備包括泵、閥、風機、膠帶機、起重設備等。部分設備配有機旁操作箱和PLC控制接口，設備結構相對復雜,對平時的維護要求也比較高,出現(xiàn)故障時有可能直接影響全廠生產運行。

　　3)控制設備

　　控制與傳動設備是鋼廠生產運行的“神經(jīng)元”，包括PLC、變頻器、軟啟動器等。其中，PLC負責全廠主要用電設備的計算機集中控制;變頻器主要應用于電動機的調速控制;軟啟動器集成了軟啟動、軟停車和多種保護功能，主要應用于大功率電機的啟?？刂?。

　　4)輔助設備

　　輔助設備負責鋼廠主要生產工序外的輔助工作，包括空調、測溫儀、攝像頭、電子秤、通訊設備等。

　　在日常生產運行過程中，鋼廠電氣設備性能會逐漸退化，最后功能失效達到壽命終點。根據(jù)維保工作技術思路的差異，鋼廠電氣設備的維護策略可分為三個層次：響應式維護、預防性維護和預測性維護。

　　?設備響應式維護

　　實時全方位監(jiān)測設備運行狀態(tài)，故障發(fā)生后快速定位故障位置，通過系統(tǒng)后臺自動派工，借助手機APP推送等方式第一時間通知維護人員，精準告知故障情況，并發(fā)送維修指導文件。維修人員佩戴可穿戴式智能裝置，接受平臺遠程運維指導，APP上傳維修日志，及時完成故障排除。系統(tǒng)內嵌的數(shù)字化文檔保存了圖紙、程序和手冊，方便維保人員使用。

　　?設備預防性維護

　　結合工廠生產計劃，制定設備維護的日、周、月、季度和年度規(guī)劃，提前創(chuàng)建維保工單，主動推送維護計劃，同時安排好維保人員，準備好維護工具和材料，對電氣設備進行檢查、維修、保養(yǎng)和部件更換。

　　?設備預測性維護

　　實時監(jiān)測設備運行數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)變化趨勢及變量間相關關系，利用人工智能算法建立預測維護模型，預估設備剩余壽命，提前制定運維計劃。

　　三類維護策略對比如表1所示。在具體維護實施過程中，綜合考慮不同電氣設備的故障頻率、故障風險和運維成本，采取適宜的運維措施。通過預防性維護和預測性維護，可以有效降低故障搶修成本，延長設備使用壽命，進而降低設備更換的采購成本。同時，由于電氣設備的可靠性得以提高，停電事故的出現(xiàn)概率及其帶來的經(jīng)濟損失也將顯著減小。

　　3 智能運維系統(tǒng)架構

　　鋼廠電氣設備智能運維系統(tǒng)在應用實施過程中主要包括現(xiàn)場硬件部署及平臺軟件設計。

　　3.1系統(tǒng)硬件架構

　　智能運維系統(tǒng)硬件由設備端、智能網(wǎng)關、服務端、客戶端、平臺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、傳動設備和現(xiàn)場設備，當設備在運行過程中發(fā)生異常時，控制系統(tǒng)可將運行信息反饋給管理人員。因此，在數(shù)據(jù)采集層面，主要從鋼廠設備控制系統(tǒng)以及配備數(shù)據(jù)通訊接口的智能設備(如智能電表等)取數(shù)。此外，還需采集電氣室及現(xiàn)場設備音視頻監(jiān)控、溫濕度等環(huán)境信息，以輔助運維系統(tǒng)進行決策。巡檢和運維過程中，維保人員通過佩戴智能安全帽，與平臺系統(tǒng)智能交互，實現(xiàn)在線視頻及圖像傳輸、遠程運維指導等功能。借助超寬帶(Ultra Wide Band, UWB)定位技術，可實現(xiàn)危險區(qū)域人員高精度定位，確保運維人員安全作業(yè)。

　　設備端接入支持各類工業(yè)協(xié)議解析的智能網(wǎng)關，其數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關傳輸至服務器，供服務端進行處理。服務端在設備監(jiān)控過程中根據(jù)不同電氣設備的具體特性變化趨勢進行判斷。例如對于變頻器，采集系統(tǒng)狀態(tài)、給定方式、運行方式、控制方式、運行頻率、輸出電流、柜內溫度等信號，通過在線監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)短路、欠壓、過壓、溫度過高、面板故障、主回路跳閘等故障;對于直流屏，采集交流及直流模擬量數(shù)據(jù)，以及電池組過壓、欠壓等信號，當信號異常超限時推送報警。

　　在人機交互方面，服務端將系統(tǒng)業(yè)務數(shù)據(jù)、設備監(jiān)控數(shù)據(jù)等需要展示的信息發(fā)布到平臺中心看板，并通過互聯(lián)網(wǎng)推送到PC端和移動端，供客戶瀏覽。

　　3.2系統(tǒng)軟件架構

　　軟件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集層、大數(shù)據(jù)平臺層和智能運維應用層組成，整體架構如圖1所示。從圖1可知，數(shù)據(jù)采集層負責和各硬件系統(tǒng)進行通信，獲取系統(tǒng)的各類實時數(shù)據(jù);大數(shù)據(jù)平臺層是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲與處理中心，它將采集層獲取的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)轉換與預處理，并根據(jù)數(shù)據(jù)邏輯進行關聯(lián)，保存到歷史數(shù)據(jù)庫中，系統(tǒng)同時設置實時數(shù)據(jù)庫，以適應高實時性數(shù)據(jù)處理需求;智能運維應用層主要分為智能分析和可視化應用兩部分。

　　智能分析部分包含設備數(shù)字孿生、預測性維護和智能化巡檢技術，以及基于專家經(jīng)驗知識的遠程專家診斷系統(tǒng)和設備維護專家?guī)?。其中，設備數(shù)字孿生技術對電氣設備進行數(shù)字化建模，實現(xiàn)關鍵電氣設備三維模型和監(jiān)控數(shù)據(jù)的融合展示。基于機器學習的預測性維護技術實時監(jiān)測設備運行數(shù)據(jù)，通過時序模型、回歸分析、統(tǒng)計推斷等方法，對海量的設備數(shù)據(jù)進行分析，可以訓練出該類型設備的數(shù)據(jù)模型，并將該模型應用于設備狀態(tài)和剩余壽命的預測中，實現(xiàn)從響應式維護到預測性維護的轉變。智能化巡檢則根據(jù)生產計劃和設備運行狀態(tài)監(jiān)測結果，自動生成巡檢計劃，對工作時間長、報警頻率高、壽命周期短的關鍵設備加大巡檢力度。對于數(shù)據(jù)驅動技術難以解決的設備運維問題，引入工藝和電氣技術專家的團隊力量，通過設立遠程專家診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡環(huán)境下的電氣設備在線診斷，并記錄專家運維案例，對設備維護專家知識庫進行及時更新。

　　可視化應用部分提供設備運維系統(tǒng)的各種可視化運維管理功能，可在PC端和移動端實現(xiàn)，其人機界面包括運維APP和平臺中心看板。其中，運維APP可根據(jù)管理人員和運維人員等不同角色配置不同的功能和權限，支持設備管理、報警管理、維護管理等多種功能。平臺中心看板主要實現(xiàn)運維信息大屏幕展示功能，包括：1)設備管理：全廠電氣設備類型、數(shù)量、狀態(tài)信息、運行數(shù)據(jù)、設備地圖等;2)報警管理：設備報警信息、專家在線情況、診斷結果、處理建議等;3)維護管理：顯示運維信息，包括運維人員在線情況、維保工單、運維現(xiàn)場畫面、備件信息等。

　　4 結語

　　鋼廠電氣設備運維管理工作是一項系統(tǒng)工程，能夠降低設備故障幾率，有效保障鋼廠生產的順利運行和企業(yè)員工的生命安全。本文介紹了現(xiàn)代化鋼廠電氣設備的智能運維策略，采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進技術，創(chuàng)新集成智能產品，對設備智能運維平臺架構進行了分析。與傳統(tǒng)運維技術相比，該智能運維系統(tǒng)的主要優(yōu)勢表現(xiàn)在：1)數(shù)字孿生技術為電氣設備智能運維提供了基礎數(shù)據(jù)，也是鋼廠數(shù)字化轉型的重要依托;2)融合專家經(jīng)驗知識和機器學習技術的智能運維策略可以預測設備狀態(tài)變化趨勢，提前制定運維計劃;3)借助智能安全帽、UWB定位等智能設備構建遠程運維指導系統(tǒng)，增強了即時運維能力，提高了鋼廠安全監(jiān)管的實效性。

　　來源：世界金屬導報