鐘耀球，陳 耕，于伴丁

(江西銅業(yè)集團公司貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424)

1 引言

隨著工廠自動化控制技術(shù)和裝備水平的不斷提高，工藝人員對自動化控制過程系統(tǒng)的依賴不斷增強，設(shè)備的穩(wěn)定、可靠運行顯得尤其重要。我廠多年來堅持的“以點檢為核心的全員預(yù)防維修體系”在設(shè)備保障體系中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，但對于精密電子化的儀器、儀表，由于直觀、可視的故障較少，采取傳統(tǒng)的目視巡檢方式，手段較為單一，難以精確的定位故障，對設(shè)備的劣化傾向也很難發(fā)現(xiàn)。由此，帶來了點檢發(fā)現(xiàn)表層化等一系列問題，造成事后維修發(fā)生率居高不下，相比起其它維護模式，事后維修是對已經(jīng)產(chǎn)生的后果進行補救性維護、因而會對生產(chǎn)造成不利影響，維護壓力大。如何確保設(shè)備的可靠運行是多年來困擾計控車間的一大難題，迫切需要對點檢維護方式和內(nèi)容進行創(chuàng)新，實現(xiàn)目的性和針對性較強的深入點檢，即實現(xiàn)從傳統(tǒng)的經(jīng)驗型、被動維護管理模式迅速向主動性和預(yù)測性設(shè)備維護管理模式轉(zhuǎn)化，從而實現(xiàn)預(yù)見性甚至是預(yù)測性的維護點檢維護，達(dá)到豐富點檢發(fā)現(xiàn)，提高點檢效率，創(chuàng)新維護管理模式的目的。

2 貴冶自動化設(shè)備維護模式

2.1 貴冶自動化設(shè)備傳統(tǒng)維護模式

我廠設(shè)備維護模式，引進自日本二十世紀(jì)70年代，且在世界許多國家應(yīng)用。這種模式核心是企業(yè)的生產(chǎn)管理人員、維護人員、生產(chǎn)操作人員等全員參加的覆蓋設(shè)備生命周期全過程的生產(chǎn)維護模式，即全員生產(chǎn)維修模式(Total Productive Mantenance，簡稱TPM)。其要點為:全員參與以提高設(shè)備綜合效能為目標(biāo)，以設(shè)備壽命周期為對象的綜合性設(shè)備預(yù)防維修體系[6]。其具體內(nèi)容如下:

(1)目標(biāo)是使設(shè)備的綜合效能最大化;

(2)建立包括設(shè)備整個壽命周期的生產(chǎn)維修體系(即管理設(shè)備的一生);

(3)體系包含與設(shè)備有關(guān)的所有部門，如設(shè)備規(guī)劃、設(shè)備使用、維修部門等;

(4)從最高管理部門到基層員工的全體人員都參加;

(5)開展小組自主管理活動推進生產(chǎn)維修與管理。

以點檢為核心的全員預(yù)防維修體系TPM模式，不可否認(rèn)在貴冶設(shè)備保障體系中發(fā)揮了關(guān)鍵作用;其核心是以采用崗位點檢+維護巡檢+專業(yè)巡檢“三級結(jié)合”的點檢加計劃性定期維修 (事故維修)[5]，即傳統(tǒng)的預(yù)防性維修方式。這種以點檢為核心的維護方式作業(yè)主要依靠目測和人工測量相結(jié)合，但恰恰忽視了最重要、最豐富的信息資源—— “實時數(shù)據(jù)”的利用。這會帶來幾方面問題:

(1)點檢內(nèi)容、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一呆板，不分層次，盲目性較大，點檢發(fā)現(xiàn)趨于表層化，更側(cè)重人體感官的依賴，易造成點檢誤報、漏報、點檢數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等情況發(fā)生。

(2)以測點為對象的故障判斷，割裂了點與點之間的系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，在進行復(fù)雜系統(tǒng)故障分析排查時，缺乏科學(xué)的方法，難以精確的定位故障點。

(3)無論是點檢還是維修，都只關(guān)注當(dāng)前狀態(tài)，缺乏對設(shè)備劣化過程的認(rèn)識，造成事后維修發(fā)生率居高不下，不利于展開設(shè)備運行規(guī)律和設(shè)備安全保障等工作。

(4)計劃檢修是建立在故障統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)備的使用壽命周期，在設(shè)備失效之前安排計劃性的檢修，這樣不可避免增加了維護，造成設(shè)備過度檢修。

(5)另外，事故維修不可避免地存在盲目檢修，或設(shè)備出現(xiàn)故障時，未能發(fā)現(xiàn)，造成生產(chǎn)的無計劃停車，從而帶來重大損失。

(6)這種模式更適用于機械和電氣設(shè)備等易于觀測和點檢的維護，而對于電子自動化儀表儀器這類難于目測觀察內(nèi)部故障的系統(tǒng)則顯得適用性、針對性較差。

2.2 貴冶自動化設(shè)備創(chuàng)新維護模式

為了提升企業(yè)的競爭力，實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)能力和效益最大化，就必須強化設(shè)備維護管理，確保設(shè)備的完好率。最大限度的降低設(shè)備的故障率和減少故障設(shè)備的修復(fù)時間、降低設(shè)備的維護成本，實現(xiàn)設(shè)備穩(wěn)定有效的運行。在這種背景情況下，就必須對現(xiàn)有的設(shè)備管理模式進行創(chuàng)新，以克服和消除現(xiàn)有維護模式下存在的問題和不足。

2.2.1 貴冶自動化設(shè)備維護模式創(chuàng)新的基礎(chǔ)

隨著計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)以及信息化技術(shù)的發(fā)展，一方面，以PLC、DCS、工業(yè)控制計算機為代表的計算機控制系統(tǒng)取代了常規(guī)儀表模擬控制。在這些技術(shù)普及應(yīng)用的背景下，過程參數(shù)可以被方便的進行集中采集、記錄、儲存和跟蹤。過程數(shù)據(jù)由此可以不再依從于所屬設(shè)備而被抽象成為一種豐富的信息資源，傳統(tǒng)巡檢方式中所忽視的采集數(shù)據(jù)恰恰是現(xiàn)場過程信號最直接的表征，它不僅可以表達(dá)信號的“值”，還可以界定和評估信號的各種狀態(tài)，相比于目測和人工測量，會更為直觀和精確[1]。

此前，我們已利用引進的智能設(shè)備管理系統(tǒng)作為平臺，開展設(shè)備診斷技術(shù)的研究，取得了階段性的成果，但這些軟件只針對智能型儀表，且監(jiān)測的設(shè)備數(shù)量有限，不能跨系統(tǒng)使用，不易推廣。但重要的是，它提供的數(shù)據(jù)分析思路和方法是通用的。另一方面，已投入運行5年的生產(chǎn)實時信息系統(tǒng)很好的解決了異構(gòu)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合問題，通過大量的應(yīng)用項目開發(fā)，對周邊技術(shù)和業(yè)務(wù)積累了豐富的經(jīng)驗。結(jié)合上述技術(shù)優(yōu)勢，在試點的基礎(chǔ)上延伸拓展，全面覆蓋常規(guī)儀表和智能儀表，建立一套全方位的綜合數(shù)據(jù)分析點檢系統(tǒng)，作為傳統(tǒng)點檢的補充手段，切實達(dá)到提高點檢質(zhì)量和效率，及時發(fā)現(xiàn)和降低故障率的目的，在技術(shù)上是可行而且有效的。

狀態(tài)監(jiān)測的任務(wù)是了解和監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)，包括各種監(jiān)測，測量、監(jiān)視、分析和判斷的方法，結(jié)合系統(tǒng)的歷史趨勢和現(xiàn)狀，考慮環(huán)境因素，對設(shè)備的運行狀態(tài)進行評估，判斷其是否處于正?；蚍钦顟B(tài)，已有部分關(guān)鍵重點設(shè)備在我廠得以開展應(yīng)用，并運用到工廠設(shè)備管理網(wǎng)上。

2.2.2 設(shè)備維護管理模式創(chuàng)新背景

本項目嘗試從優(yōu)化點檢行為入手，通過充分發(fā)掘PI實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和FF現(xiàn)場設(shè)備資源管理器中的軟件功能和技術(shù)特點，采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)加工、數(shù)據(jù)挖掘等數(shù)據(jù)融合技術(shù)和數(shù)據(jù)分析方法，主要針對儀表設(shè)備點檢的內(nèi)容、規(guī)范和經(jīng)驗習(xí)慣進行綜合整理分析，設(shè)計構(gòu)建層次豐富，適應(yīng)不同業(yè)務(wù)需求的立體應(yīng)用框架，開發(fā)一套綜合數(shù)據(jù)分析點檢系統(tǒng)，對點檢過程進行科學(xué)的指導(dǎo)、跟蹤和修正，提高點檢維護工作的針對性、科學(xué)性、有效性[3]。

本項目把影響閃速爐投料的誘因進行分析和甄別，以減少閃速爐非計劃停降料作為項目的主攻方向，為了使設(shè)備不良運行狀況發(fā)現(xiàn)的時間點前移，實現(xiàn)預(yù)見性，甚至是預(yù)測性的維護點檢，在上述成果的基礎(chǔ)上，針對關(guān)鍵重點設(shè)備，在設(shè)備劣化趨勢故障預(yù)測診斷方面開展了深層次應(yīng)用研究。

本項目主要涉及到以下兩個方面的應(yīng)用:(1)構(gòu)建了綜合數(shù)據(jù)分析點檢系統(tǒng)，利用該平臺，開發(fā)了面向不同維護人員所需的個性化維護界面，形成了數(shù)字化點檢維護方面的應(yīng)用;(2)基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，以及PI實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和現(xiàn)場總線設(shè)備管理軟件平臺技術(shù)，開展了設(shè)備劣化趨勢故障預(yù)測分析方面的應(yīng)用。

2.2.3 設(shè)備維護管理模式主要創(chuàng)新內(nèi)容與做法

總體思路:利用生產(chǎn)實時信息平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取，借鑒設(shè)備管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)完成數(shù)據(jù)應(yīng)用和處理，形成準(zhǔn)確直觀的輸出信息，點檢人員則根據(jù)這些信息的指導(dǎo)開展點檢維護作業(yè)。

主要內(nèi)容有:

(1)根據(jù)各點檢維護人員所維護的儀表設(shè)備和考核內(nèi)容，產(chǎn)生設(shè)計需求，形成數(shù)字化點檢系統(tǒng)平臺雛形，再由系統(tǒng)管理人員把各點檢員所編寫的點檢內(nèi)容，連接到PI實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和WEB瀏覽服務(wù)器中，工段和車間也可以瀏覽監(jiān)視;

(2)利用開發(fā)工具軟件，開發(fā)出個性化設(shè)備運行狀態(tài)界面 (或表格、或流程圖方式)，以及一些重點設(shè)備的劣化傾向分析，同時給出運行狀況不良或故障設(shè)備的警示信息或提示。形成數(shù)字化點檢系統(tǒng)與現(xiàn)場點檢相結(jié)合的點檢方式，來提高點檢維護效率;

(3)充分利用PI實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和現(xiàn)場總線設(shè)備管理軟件平臺，通過數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析技術(shù)，開展了設(shè)備劣化趨勢故障預(yù)測分析方面的應(yīng)用，并已成功地應(yīng)用在年修項目中，另外，還通過一些深層次的開發(fā)、來探索設(shè)備預(yù)測維護和優(yōu)化控制等方面的應(yīng)用。具體做法:

充分利用現(xiàn)有的PI生產(chǎn)實時信息系統(tǒng)，以及周邊的開發(fā)工具軟件DataLink、ProcessBook、VB、C++等，進行二次開發(fā)，通過分類、估值、預(yù)測、相關(guān)性分組或關(guān)聯(lián)規(guī)則、聚集、描述和可視化、復(fù)雜數(shù)據(jù)類型挖掘 (Text，Web，圖形圖像，視頻，音頻等)等多種手段，進行多個層面的應(yīng)用開發(fā)。構(gòu)建數(shù)字化點檢系統(tǒng)，把多年積累的維護經(jīng)驗進行知識化、規(guī)則化，結(jié)合海量實時數(shù)據(jù)，形成高智能化的計算機數(shù)據(jù)輔助分析系統(tǒng)，對點檢過程進行有效的指導(dǎo)、跟蹤和修正;針對關(guān)鍵重點設(shè)備，以系統(tǒng)為單元，利用可獲取的信號或狀態(tài)，通過敏感區(qū)間的設(shè)置和點對點的關(guān)聯(lián)規(guī)則的設(shè)置，建立科學(xué)的設(shè)備綜合故障診斷分析系統(tǒng)，使設(shè)備的劣化過程能夠被實時的、直觀的跟蹤和評估，便于精確地定位維護時機，制定維修策略。已成熟并推廣的應(yīng)用包括:

(1)單一測點的設(shè)備劣化趨勢預(yù)測。

對于簡單的、過程值相對固定的測點可以直接用劣化度來評價該測點對應(yīng)的儀表檢測設(shè)備的劣化狀態(tài)，實現(xiàn)檢測設(shè)備的預(yù)知維修。如冷卻水電阻點檢故障分析方法已成功推廣至其他類型儀表的一般故障判斷。

(2)關(guān)聯(lián)設(shè)備的故障預(yù)測。

①將局部生產(chǎn)過程作為一個對象。

將復(fù)雜的生產(chǎn)流程按功能拆分成若干個相對獨立的單元，每個單元完成特定的生產(chǎn)功能。在生產(chǎn)工藝成熟的條件下，每個單元的功能性取決于各設(shè)備狀態(tài)。如果將該局部生產(chǎn)過程視作一臺設(shè)備，則生產(chǎn)功能衰退 (或工況惡化)可作為該“設(shè)備”劣化的征兆。

②基于工況制定數(shù)據(jù)融合規(guī)則，以獲得該單元的狀態(tài)參數(shù)。

首先要確定能夠最大程度體現(xiàn)該單元功能性的參數(shù)，該參數(shù)如果無法從原始監(jiān)控數(shù)據(jù)中選取，則通過數(shù)據(jù)融合的方式來獲取。這就需要按照生產(chǎn)工藝中各參數(shù)之間的關(guān)系，制定相應(yīng)的數(shù)據(jù)融合規(guī)則。

③狀態(tài)參數(shù)的劣化趨勢預(yù)測及預(yù)警。

可參照前一小節(jié)單一測點的設(shè)備劣化趨勢預(yù)測部分。例如大型轉(zhuǎn)動設(shè)備包含眾多類型的實時狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù) (例如軸承振動、位移、電機溫度、電流等等)與人工點檢參數(shù)。將這些測點按一定規(guī)則分為多個子系統(tǒng)，(例如按測點類型類型將軸承的振動及位移測點作為一個子系統(tǒng)、電機的各相電流及功率作為一個子系統(tǒng))。先做出每個狀態(tài)測點的單點劣化趨勢，再結(jié)合點檢數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)融合建立設(shè)備子系統(tǒng)及整體設(shè)備的劣化趨勢模型，據(jù)此對設(shè)備狀態(tài)進行評價與故障預(yù)測判斷，從而實現(xiàn)設(shè)備預(yù)知維修。

(3)復(fù)雜測點的處理。

將所有實時數(shù)據(jù)編制成動態(tài)電子表格，根據(jù)點與點之間，點與設(shè)備之間的邏輯關(guān)系、數(shù)據(jù)的正常操作范圍，計算、判斷設(shè)備的運行狀態(tài)的好壞。如閃速爐爐膛壓力劣化傾向分析，來判斷出該壓力點是否故障，避免壓力點在完全堵死的情況下進行事后維護。

(4)基于智能設(shè)備管理系統(tǒng)平臺下的設(shè)備診斷技術(shù)應(yīng)用。

借助設(shè)備管理和診斷軟件，可以在線對FF現(xiàn)場總線儀表和FF現(xiàn)場總線閥門定位器進行遠(yuǎn)程調(diào)校;同時，通過對智能閥門定位器特征曲線進行在線實時分析，可以正確的分析閥體的狀況好壞情況，如診斷閥門的填料、閥座與閥芯是否有磨損，診斷執(zhí)行機構(gòu)是否有串氣或漏氣，閥桿磨檫力(填料的松與緊)等情況。并根據(jù)診斷的信息結(jié)果，來指導(dǎo)、幫助和提醒維護人員對閥門那些地方需要進行維護和維修等工作，已成功地應(yīng)用在年修項目中[4]。

3 應(yīng)用實例

(1)針對系統(tǒng)維護人員所開發(fā)的個性化維護界面開發(fā)。

通過DCS系統(tǒng)運行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)視畫面(如圖一所示)，系統(tǒng)維護人員就可以直接監(jiān)視到所維護的DCS系統(tǒng)控制器運行狀態(tài)、控制器運行負(fù)荷、系統(tǒng)服務(wù)器、各操作站以及底層控制網(wǎng)絡(luò)和上層監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)等情況。進入該數(shù)字化點檢系統(tǒng)，就能一目了然的發(fā)現(xiàn)設(shè)備所出現(xiàn)的問題或故障，并能夠確切的定位到故障發(fā)生在哪里。初步判斷故障或問題出現(xiàn)的原因和結(jié)果，這樣系統(tǒng)維護人員能夠有針對性的對所管轄的設(shè)備進行維護，來提高點檢維護的效率。

圖1 DCS系統(tǒng)運行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)視畫面圖

(2)有目的、有計劃、有針對性的開發(fā)點檢維護方面的應(yīng)用。

該實例是針對閃速爐水冷電阻點檢系統(tǒng)而開發(fā)(如圖2所示)，實現(xiàn)有目的、有計劃、有針對性的點檢維護達(dá)到提高維護效率。

首先根據(jù)數(shù)據(jù)挖掘的方法將經(jīng)由PI采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)點進行分類(Classification)和聚集(Clustering)，把與其他測點相對獨立的測點數(shù)據(jù)劃分出來，例如冷卻水點和其他一些簡單測點，然后經(jīng)過對這些測點做基本判斷，進行描述和可視化(Description and Visualization)處理，如下圖所示。

這套冷卻水點檢系統(tǒng)中，首先利用PI中的DataLink將600多個冷卻水溫度點數(shù)據(jù)收集起來，并將這些測點數(shù)據(jù)與冷卻水進水總管(冷卻水進行冷卻前)溫度對比，將溫度低于總管溫度1℃以上，即:

式中:ti為冷卻水各點溫度，單位℃;t0為冷卻水進水總管溫度，單位℃。

以及壞值(bad value)和超限報警測點甄別出來進行描述和可視化處理，顯然這比以往的傳統(tǒng)點檢方式更加有效率和準(zhǔn)確，能一目了然的知道故障點，并遠(yuǎn)程擬定故障處理方案[2]。

圖2 閃速爐水冷電阻點檢系統(tǒng)監(jiān)視圖

4 實施效果與存在的不足

實施效果方面:通過以上所述的應(yīng)用實例介紹，以及推廣應(yīng)用，確實有效的提高了車間的管理效率、設(shè)備預(yù)知維修水平及設(shè)備故障處理效率，在提升車間員工業(yè)務(wù)能力方面也起到了積極的作用。如通過2011年的推廣應(yīng)用，到目前為止二系統(tǒng)因儀表故障影響閃速爐投料量由2011年的1185t降低至0t，遠(yuǎn)低于車間設(shè)定的影響二系統(tǒng)閃速爐投料量，達(dá)到每年降低影響二系統(tǒng)投料量20%的攻關(guān)目標(biāo)，提高了生產(chǎn)作業(yè)率，取得巨大的經(jīng)濟效益與社會效益。

存在的不足:(1)專業(yè)人員技術(shù)水平要求更高，由于設(shè)備維護方式的轉(zhuǎn)變，對設(shè)備維護人員知識面、專業(yè)知識水平提出了更高的要求，對傳統(tǒng)的掌握電子技術(shù)和電工基礎(chǔ)維護人員將提出了新的挑戰(zhàn);(2)需要專用的設(shè)備軟件分析工具，由于現(xiàn)場總線設(shè)備的應(yīng)用，設(shè)備的預(yù)測維護需要專用設(shè)備和軟件進行信號、波形、噪音等分析;(3)需要有軟件開發(fā)工具和工具軟件平臺，如PI實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和現(xiàn)場總線設(shè)備管理軟件平臺;(4)受到人才、專業(yè)知識方面的限制，只能在一些單參數(shù)、簡單相關(guān)設(shè)備之間的故障預(yù)測進行分析，而對建立生產(chǎn)裝置的安全操作、監(jiān)視和故障診斷系統(tǒng)對生產(chǎn)過程可能發(fā)生的事故實現(xiàn)事先警示和防范沒有辦法展開工作，需要與科研院校進行合作，共同開發(fā)。

5 結(jié)語

基于實時數(shù)據(jù)庫技術(shù)與設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視與故障診斷技術(shù)相結(jié)合，使貴冶自動化設(shè)備管理模式，取得了設(shè)備管理理念上的突破。通過對綜合數(shù)據(jù)分析點檢系統(tǒng)的利用，能夠做到設(shè)備故障前的主動維護和預(yù)測性維護，避免傳統(tǒng)的事后被動維護修體制。一方面，有目的、有針對性的點檢維護，可避免造成設(shè)備故障處理效率低的問題;另一方面，還能夠避免和減少工廠非計劃性停車所造成的損失。因此，其經(jīng)濟效益具體體現(xiàn)在可避免設(shè)備非計劃檢修以及工廠非計劃性停車所帶來的損失;另外，可減少或預(yù)防故障發(fā)生的頻次，來提高生產(chǎn)作業(yè)率，其帶來的效益是不可估量的，貴冶設(shè)備管理水平得到了突飛猛進的提升，極大的增強了企業(yè)核心競爭力。

[1]鐘耀球，常春，馬英奕.世界有色金屬.ISSN 1002－5065，2009:238－244.

[2]陳耕，貴冶2#閃速爐自控系統(tǒng)概況及優(yōu)化[J].銅業(yè)工程，2012(24):55－58.

[3]鐘耀球，張衛(wèi)華.FF總線技術(shù)在貴冶新30萬噸工程中的應(yīng)用[J].中國儀器儀表，2010(12):56－59.

[4]鐘耀球，創(chuàng)新FF總線智能設(shè)備維護管理與應(yīng)用[J].自動化博覽，ISSN1003－04922009，10:50－53.

[5]郝全天，李篙，高玉榮.在線監(jiān)測與故障診斷在大型復(fù)雜設(shè)備管理中的應(yīng)用[J].自動化應(yīng)用，2011，10:44－45.

[6]張志檁.設(shè)備維護管理技術(shù)進展[J].自動化博覽，2009(07).