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水工機(jī)械智能遠(yuǎn)程運(yùn)維新模式

2019-01-30 02:09:04于創(chuàng)宇
水電與新能源 2019年1期
關(guān)鍵詞:水工水電站運(yùn)維

于創(chuàng)宇,江 南

(鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,河南 鄭州 450000)

水工機(jī)械是指在水利工程中,為實(shí)現(xiàn)防洪泄洪、調(diào)控船舶通航、水資源調(diào)配、發(fā)電等功能,而使用的金屬結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力、控制裝置。包括閘門系統(tǒng)、船閘系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、升船機(jī)系統(tǒng)等。水工機(jī)械工作環(huán)境惡劣,故障形式復(fù)雜,其故障引起的后果往往十分嚴(yán)重且損失巨大[1]。

由于技術(shù)及觀念等的制約,我國大部分水利工程,對閘門等金屬結(jié)構(gòu)的運(yùn)行監(jiān)測,仍停留在人工目測階段。長期的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測及更多類數(shù)據(jù)采集和關(guān)聯(lián)并未進(jìn)行,這也是限制水電站自動(dòng)化無故障運(yùn)行的一個(gè)關(guān)鍵因素[2]。

隨著新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展,以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)和人工智能技術(shù)在工業(yè)中的落地應(yīng)用,水工機(jī)械設(shè)備的遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù),也具備了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“數(shù)字化、信息化、智能化”的條件,最終達(dá)到電站“無人值班、少人值守”的狀態(tài)[3-4]。

1 水工機(jī)械現(xiàn)狀分析

水工機(jī)械裝備屬于國家的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè),是人類管控利用水資源的重要工具。水工機(jī)械裝備在防洪調(diào)度、水利發(fā)電、引水調(diào)配、生態(tài)保護(hù)方面具有重要的作用,對合理利用水資源及推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展都有著重大意義。

1.1 水工機(jī)械基本情況

根據(jù)2017年水利發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào),到目前為止,全國已建成各類水庫98 795座,總庫容9 035億m3;全國已建成流量為5 m3/s及以上的水閘103 878座,其中大型水閘893座;按水閘類型分,分洪閘8 363座,排(退)水閘18 280座,擋潮閘5 130座,引水閘14 435座,節(jié)制閘57 670座。

中國已成為世界上水庫大壩數(shù)量最多、農(nóng)田灌溉面積最大、水電總裝機(jī)容量最大、調(diào)水工程里程最長的國家[5]。隨著我國“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施,“中國水電”更全面地進(jìn)入國際市場,在“一帶一路”沿線國家承建了多個(gè)“三峽工程”,如尼泊爾上馬相迪A水電站、馬來西亞巴貢水電站、蘇丹麥洛維水電站等。目前為止,我國在水利水電裝備產(chǎn)業(yè)方面,已擁有一半以上的國際市場份額。

隨著我國水利事業(yè)的發(fā)展,水利建筑和水工機(jī)械也在向巨型化、復(fù)雜化、精密化的方向發(fā)展。例如在三峽升船機(jī)系統(tǒng)中,升船機(jī)一次安全運(yùn)載總重量超過15 500 t,提升高度為113 m,包括:平衡重系統(tǒng)、長螺母柱短螺桿安全系統(tǒng)、齒輪齒條爬升驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、充泄水系統(tǒng)、防撞系統(tǒng)、橫向及縱向?qū)蛳到y(tǒng)、間隙水封閉系統(tǒng)、閘首門及啟閉系統(tǒng)等[6]。

1.2 水工機(jī)械的主要特征

1)在結(jié)構(gòu)和工作條件上,水工機(jī)械裝備通常由大型金屬零部件和復(fù)雜啟閉傳動(dòng)系統(tǒng)組成,工作環(huán)境惡劣,受動(dòng)水載荷和振動(dòng)影響,有些長期在水中工作,并且運(yùn)動(dòng)中負(fù)載大、慣性力大,工作頻次高,對運(yùn)動(dòng)的精度和穩(wěn)定性要求較高。如三峽升船機(jī)提升重量達(dá)到15 500 t,每年單程動(dòng)作平均達(dá)12 060次,四個(gè)驅(qū)動(dòng)爬升點(diǎn)同步精度小于2 mm[7]。

2)故障形式多樣。復(fù)雜的水文環(huán)境、巨大的金屬結(jié)構(gòu)件、大載荷條件下的傳動(dòng)系統(tǒng),使水工機(jī)械故障形式多樣,系統(tǒng)中構(gòu)件的變形、失穩(wěn)、傳動(dòng)系統(tǒng)故障、動(dòng)力與控制系統(tǒng)問題均會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性的故障,尤其是不確定的動(dòng)水載荷可能會(huì)引起金屬構(gòu)件的強(qiáng)烈振動(dòng),甚至共振,使故障的診斷過程更為復(fù)雜。

有關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示,在病險(xiǎn)水庫和水電站中,金屬結(jié)構(gòu)問題占40%,在病險(xiǎn)水閘中占76.7%。影響水工機(jī)械安全的因素眾多,除本身結(jié)構(gòu)問題、應(yīng)力問題、動(dòng)力問題外,還有水文環(huán)境引起的腐蝕、動(dòng)水載荷、振動(dòng)和變形問題。

3)故障損失巨大。2009年薩揚(yáng)水電站閘門不能關(guān)閉,導(dǎo)致水淹廠房,造成75人死亡,整個(gè)水電站被毀,直接經(jīng)濟(jì)損失130億美元;2007年魚劍口水電站閘門事故,導(dǎo)致水庫漫頂1.21 m,造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。1993年8月青海溝后水庫發(fā)生潰壩事故,釀成300多人死亡的慘劇。板橋水庫閘門故障,泄洪不及時(shí)造成垮壩,造成29個(gè)縣市、1 100萬人受災(zāi),直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)百億元[8]。三峽船閘啟閉機(jī)的一次事故至少需要10 d才能完成疏散,曾經(jīng)造成400余艘船滯留。國內(nèi)外部分金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備失事實(shí)例,見表1。

4)運(yùn)維成本高且難度大。在大壩和水電站中,每年的定期檢查維護(hù),通常需要設(shè)置一個(gè)月以上的停航停運(yùn)期,影響了水電樞紐的工作,給通航帶來不便。檢修維護(hù)期間通常需要專業(yè)的人員組成的幾十人的隊(duì)伍,在各個(gè)設(shè)備現(xiàn)場進(jìn)行輪值,其成本甚至高于設(shè)備本身。另外,受人工經(jīng)驗(yàn)和素質(zhì)不穩(wěn)定性的影響,設(shè)備的健康狀況難以通過人工全面檢測和診斷。

長期以來,我國水利工程中的水工設(shè)備監(jiān)控,仍以人工目測檢查為主。閘門等設(shè)備的應(yīng)力、變形、門槽水力學(xué)參數(shù)、啟閉力等關(guān)鍵參數(shù)并未能進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測,更沒有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)積累和數(shù)據(jù)關(guān)系的挖掘、驗(yàn)證。目前,具備長期實(shí)時(shí)在線監(jiān)測,具有預(yù)報(bào)、預(yù)警功能的水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備安全運(yùn)行管理系統(tǒng)在國內(nèi)外還是空白。

2 智能遠(yuǎn)程運(yùn)維新模式

傳統(tǒng)遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)的研究和應(yīng)用,主要側(cè)重于信號和數(shù)據(jù)的采集和處理、智能算法研究以及遠(yuǎn)程監(jiān)控方面。而對于水工機(jī)械而言,更為重要的是,故障診斷、故障成因分析、衰退過程預(yù)測、預(yù)測性維護(hù)、主動(dòng)推送建議和預(yù)警,通過主動(dòng)的分析數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測仿真,達(dá)到主動(dòng)維護(hù)和接近零故障的目的。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能技術(shù)的進(jìn)一步成熟和落地應(yīng)用,遠(yuǎn)程運(yùn)維新模式將能更加系統(tǒng)地解決數(shù)據(jù)、關(guān)聯(lián)、衰減規(guī)律、數(shù)學(xué)模型、人工交互、輔助決策的問題,將分散的系統(tǒng)與數(shù)據(jù)打通形成統(tǒng)一體,真正做到智能化運(yùn)維。

2.1 遠(yuǎn)程運(yùn)維新模式

基于新一代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)水工設(shè)備的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化,在此基礎(chǔ)上形成異地運(yùn)行管理、智能診斷和決策維護(hù)的遠(yuǎn)程運(yùn)維新模式,提升設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性,降低維護(hù)成本,減少故障損失,同時(shí)全面分析現(xiàn)場設(shè)備的工作狀況,為設(shè)備的全生命周期優(yōu)化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

實(shí)現(xiàn)水工設(shè)備智能化監(jiān)測、分析、維護(hù)、優(yōu)化的遠(yuǎn)程運(yùn)維新模式主要包括六大部分。

表1 國內(nèi)外部分金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備失事實(shí)例表

1)數(shù)據(jù)的采集和融合。廣泛地傳感器采集系統(tǒng),并通過接口、集成、數(shù)據(jù)字典、數(shù)據(jù)模型等實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的自動(dòng)流通和融合。

2)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測反饋。實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集處理,并建立活動(dòng)模型,提供人機(jī)交互界面、動(dòng)態(tài)圖表等實(shí)時(shí)展示設(shè)備狀態(tài)并提供狀態(tài)建議和評估,同時(shí)可以對故障處理的結(jié)果進(jìn)行反饋。

3)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)仿真故障診斷。建立針對各設(shè)備的數(shù)學(xué)模型,利用數(shù)據(jù)和模型耦合的方式,通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行故障預(yù)測和診斷。

4)預(yù)測性維護(hù)。利用智能算法對各設(shè)備建立疲勞衰退模型,通過數(shù)據(jù)分析實(shí)時(shí)預(yù)測設(shè)備的健康狀況,對設(shè)備主動(dòng)實(shí)施預(yù)防性維護(hù)優(yōu)化,從而達(dá)到設(shè)備的自我維護(hù)和近乎零故障的目的。

5)虛擬運(yùn)維技術(shù)。通過機(jī)器學(xué)習(xí)或設(shè)備本身屬性建立相應(yīng)的整體式的數(shù)值仿真模型,對設(shè)備在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取后進(jìn)行仿真預(yù)測,并對比設(shè)備實(shí)際狀況數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,達(dá)到動(dòng)態(tài)仿真運(yùn)維優(yōu)化的目的。

6)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制訂。行業(yè)企業(yè)和用戶在構(gòu)建遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)時(shí)因缺乏統(tǒng)一規(guī)范,導(dǎo)致系統(tǒng)架構(gòu)及通信協(xié)議各不相同,造成了大量關(guān)鍵技術(shù)的重復(fù)研究,同時(shí)企業(yè)在跨平臺(tái)、跨系統(tǒng)部署設(shè)備時(shí)面臨因沒有統(tǒng)一規(guī)范而產(chǎn)生的巨大技術(shù)難題,導(dǎo)致設(shè)備彼此之間形成信息孤島。因此,制定統(tǒng)一的遠(yuǎn)程運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn),對于行業(yè)企業(yè)和用戶將起到指導(dǎo)規(guī)范的作用,加快行業(yè)的智能化升級,保障設(shè)備的安全穩(wěn)定,同時(shí)降低設(shè)備及運(yùn)維的成本。

2.2 智能遠(yuǎn)程運(yùn)維實(shí)施的迫切性

對水工機(jī)械而言,由于其特殊的工作環(huán)境和特征,高質(zhì)量的產(chǎn)品設(shè)計(jì)只是保障水工機(jī)械安全高效運(yùn)行的一部分,后續(xù)的安裝調(diào)試、運(yùn)行過程中的基于數(shù)據(jù)的監(jiān)測和預(yù)測性診斷,對于水工機(jī)械的安全性、可靠性有著重要的意義。隨著水工機(jī)械日益變得龐大和復(fù)雜,傳統(tǒng)的現(xiàn)場工人維護(hù)方式,已經(jīng)逐漸無法滿足水工機(jī)械的運(yùn)維需求,加上專家人才的稀缺及分布不均,難以滿足水工機(jī)械的運(yùn)維需求,而對于水工設(shè)備安全性和穩(wěn)定性要求又很高,設(shè)備制造廠商和水電管理企業(yè)也急需通過有效的遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)進(jìn)一步提升設(shè)備的售后服務(wù)、設(shè)計(jì)質(zhì)量和管理水平。

現(xiàn)階段水工機(jī)械設(shè)備的數(shù)據(jù)采集處于不均衡的發(fā)展?fàn)顟B(tài),新建水庫、水電站多采用了先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù),傳感器及數(shù)據(jù)采集相對完善,而對于修建時(shí)間較早的水庫及水電站則數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)設(shè)施相對匱乏,而這些水利工程恰好是更需要進(jìn)行故障防范和及時(shí)預(yù)警的。新建水電站的設(shè)備往往更加龐大復(fù)雜,傳統(tǒng)人工維護(hù)方式難度巨大,一旦故障產(chǎn)生,損失巨大且維修成本很高,急需有效的遠(yuǎn)程運(yùn)維方式解決這些問題。傳統(tǒng)遠(yuǎn)程運(yùn)維主要關(guān)注信號處理、算法研究及遠(yuǎn)程監(jiān)控,而對水工設(shè)備而言,更需要進(jìn)行故障診斷、預(yù)測性仿真、主動(dòng)預(yù)警及數(shù)據(jù)的廣泛采集融合,因此,傳統(tǒng)遠(yuǎn)程運(yùn)維的實(shí)際使用效果并不好,甚至有些水電站出現(xiàn)了棄用遠(yuǎn)程運(yùn)維,改為人工監(jiān)測的方式。

伴隨著我國水電事業(yè)的快速發(fā)展,中國水電已占據(jù)國際水電市場一半以上的份額,更廣闊的國際平臺(tái)對水工設(shè)備及安全也有了更高的要求。保證設(shè)備更高的安全性、穩(wěn)定性,依靠傳統(tǒng)人工檢測或間斷性的數(shù)據(jù)采集,已經(jīng)無法滿足更高的要求。與此同時(shí),形成遠(yuǎn)程運(yùn)維行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn),促進(jìn)行業(yè)的快速發(fā)展,避免關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)工作的重復(fù)進(jìn)行,統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范和模式,對我國水電事業(yè)的發(fā)展升級也至關(guān)重要。

2.3 智能遠(yuǎn)程運(yùn)維的先進(jìn)性

在水工機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維的故障診斷方面,國內(nèi)外還沒有完整的針對水工機(jī)械故障的監(jiān)控系統(tǒng),雖然有相關(guān)的采集設(shè)備,但是采集信號量還比較少,而且還沒有更好地通過接口與相關(guān)水工機(jī)械設(shè)備進(jìn)行交互。對于數(shù)據(jù)的處理,已有專家系統(tǒng),但是無法實(shí)現(xiàn)故障診斷經(jīng)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)共享,即無法實(shí)現(xiàn)診斷知識的重用。在預(yù)警方面,已經(jīng)有較完善的預(yù)警系統(tǒng),但有時(shí)不能及時(shí)進(jìn)行故障狀態(tài)的推送,對故障的分析不夠全面。在數(shù)據(jù)分析方面,能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控,但是無法準(zhǔn)確地對故障發(fā)展過程進(jìn)行評估。

在運(yùn)維仿真方面,傳統(tǒng)遠(yuǎn)程運(yùn)維仿真主要針對部分機(jī)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)動(dòng)作、安裝調(diào)試等方面的模擬仿真,主要用于設(shè)備的安全風(fēng)險(xiǎn)評估,以水工機(jī)械的實(shí)際機(jī)電設(shè)備為依托,來實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的主要機(jī)構(gòu)的動(dòng)作模擬。智能遠(yuǎn)程運(yùn)維提供了整個(gè)水利工程中機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行仿真系統(tǒng),集運(yùn)行工藝、數(shù)據(jù)監(jiān)控、故障報(bào)警等功能于一體,并且具有良好的人機(jī)界面,依托于水工機(jī)械設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)文件,隨著運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的增加,運(yùn)行仿真系統(tǒng)的模擬試驗(yàn)將會(huì)更加接近真實(shí)[9]。

2.4 智能遠(yuǎn)程運(yùn)維預(yù)期解決的重大問題

1)系統(tǒng)通用性。構(gòu)建智能遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)時(shí),要使用開放性的基于標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議、平臺(tái)、工具和方法,形成遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)和技術(shù)的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)更加透明規(guī)范,促進(jìn)水工機(jī)械遠(yuǎn)程運(yùn)維的快捷高效。

2)智能預(yù)測。基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù),通過構(gòu)建的數(shù)據(jù)模型、知識庫、專家系統(tǒng)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法,對設(shè)備的狀態(tài)及故障進(jìn)行有效的預(yù)測和智能決策,并構(gòu)建出友好的人機(jī)交互模式。

3)運(yùn)維智能化。將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、仿真預(yù)測和人工智能技術(shù)廣泛地應(yīng)用到水工機(jī)械遠(yuǎn)程運(yùn)維中,更加深度的推進(jìn)遠(yuǎn)程運(yùn)維的自動(dòng)化、信息化、智能化,實(shí)現(xiàn)裝備的“無人值班,少人值守”。

4)信息實(shí)時(shí)傳遞。將制造企業(yè)制造信息、產(chǎn)品運(yùn)行信息、用戶需求信息實(shí)時(shí)傳遞給制造企業(yè),以便進(jìn)行設(shè)備的改進(jìn)設(shè)計(jì)和功能優(yōu)化。

5)主動(dòng)維護(hù)。實(shí)現(xiàn)基于主動(dòng)維護(hù)理念的智能維護(hù),通過廣泛的信號采集,數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、分析,性能衰退過程建模,數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)仿真分析,應(yīng)需式監(jiān)測等技術(shù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)維的優(yōu)化,體現(xiàn)主動(dòng)維護(hù)的理念,達(dá)到近乎零故障的目的。

3 結(jié) 語

水工機(jī)械裝備的安全運(yùn)行是保障水庫大壩安全運(yùn)行的首要條件。伴隨著我國水電工程技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平,水工機(jī)械也在向巨型化、復(fù)雜化、精密化的方向發(fā)展,加之復(fù)雜的水文環(huán)境的影響,傳統(tǒng)人工目測或間斷性的采集監(jiān)測已無法滿足水電廠安全和自動(dòng)化運(yùn)行的要求。智能遠(yuǎn)程運(yùn)維新模式基于水工機(jī)械遠(yuǎn)程運(yùn)維現(xiàn)有部署狀態(tài),對遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)中的通用性、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、知識庫、預(yù)測維護(hù)、虛擬運(yùn)維等方面的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行規(guī)范和研究,指導(dǎo)智能遠(yuǎn)程運(yùn)維的高效實(shí)施,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)水電站“無人值班、少人值守”自動(dòng)化運(yùn)行目標(biāo),助力中國水電的智能化升級。

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