張皓棟

(重慶川儀軟件有限公司,重慶 401121)

0 引言

我國石油、天然氣對外依存度日益提高，國家能源安全問題日益突出。采用創(chuàng)新技術(shù)大力發(fā)展現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè),既可以保障石化產(chǎn)業(yè)安全、促進(jìn)石化原料多元化,又可以形成煤化工與石油化工產(chǎn)業(yè)互補(bǔ)、協(xié)調(diào)發(fā)展的新格局[1]。發(fā)展新型煤化工可以部分代替石化產(chǎn)品，對于保障國家能源安全具有重要的戰(zhàn)略意義。煤化工行業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，其對促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、方便群眾生活等方面都起到了很好的作用。但是，關(guān)于安全、健康、環(huán)境等方面的風(fēng)險(xiǎn)長期存在，尤其在設(shè)備管理方面問題突出。具體表現(xiàn)在：設(shè)備大型化，連續(xù)生產(chǎn)工藝復(fù)雜，易出現(xiàn)局部故障影響全局；故障發(fā)生時(shí)損失巨大；設(shè)備維護(hù)人工化，效率低下，總體質(zhì)量水平不高。本文提出煤化工行業(yè)設(shè)備全生命周期健康監(jiān)測診斷系統(tǒng)方案，解決工廠的設(shè)備管理痛點(diǎn)。

1 國內(nèi)外發(fā)展情況

自20世紀(jì)60年代美國故障診斷預(yù)防小組和英國機(jī)器保健中心成立以來,故障診斷技術(shù)逐步在世界范圍內(nèi)推廣普及。全球科研和工程領(lǐng)域工作者在信號(hào)獲取與傳感技術(shù)、故障機(jī)理與征兆聯(lián)系、信號(hào)處理與特征提取、識(shí)別分類與智能決策等方面開展了積極的探索,取得了豐碩的成果[2]。早在20世紀(jì)60年代，美國宇航局首先推出機(jī)械故障診斷研究，英國以RA.Collacott為首的機(jī)械保健中心開始研究狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)；20世紀(jì)70年代，國外學(xué)者將狀態(tài)檢測與診斷技術(shù)推廣到實(shí)用化階段；20世紀(jì)80年代，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起，故障診斷技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，使其迅猛發(fā)展，其中曼徹斯特大學(xué)成立沃福森工業(yè)維修公司，主要從事狀態(tài)檢測與故障診斷工作；20世紀(jì)90年代中期，現(xiàn)代機(jī)械故障診斷技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了融合，誕生基于Internet遠(yuǎn)程應(yīng)用系統(tǒng)。

我國從20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的研究，并成立了中國振動(dòng)工程學(xué)會(huì)故障診斷學(xué)會(huì)，國家也將該技術(shù)的研究列入國家攻關(guān)項(xiàng)目。國內(nèi)的設(shè)備狀態(tài)檢測和故障診斷技術(shù)從初步認(rèn)識(shí)階段到初步實(shí)踐階段，其主要以學(xué)習(xí)英、美、日等先進(jìn)技術(shù)為主，并且成立了一些專門的研究機(jī)構(gòu)，如中國石化總公司設(shè)備狀態(tài)檢測中心、冶金部設(shè)備診斷研究室、中國機(jī)械設(shè)備診斷技術(shù)學(xué)會(huì)等。這些組織廣泛交流國內(nèi)在該領(lǐng)域的各方面技術(shù)成果，深入探討設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷在國內(nèi)外的發(fā)展動(dòng)向。

設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷對于工業(yè)部門重要設(shè)備的管理維護(hù)，提高企業(yè)生產(chǎn)能力和保證安全生產(chǎn)，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量都具有十分重要的意義。但是我國煤化工行業(yè)的裝備監(jiān)測檢測水平普遍不高，人工檢測作為主要檢測手段，效率較為低下，質(zhì)量水平不高。生產(chǎn)設(shè)備大型化、復(fù)雜化，工藝過程自動(dòng)化、連續(xù)化，設(shè)備投資巨大；設(shè)備與能耗物耗密切相關(guān)，非計(jì)劃停產(chǎn)損失巨大。生產(chǎn)過程對設(shè)備的依賴程度越來越高，設(shè)備高效、安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行至關(guān)重要；現(xiàn)役高能耗設(shè)備運(yùn)行普遍存在，設(shè)備故障時(shí)有發(fā)生，不能確保安全長周期運(yùn)行，大量設(shè)備長期偏離設(shè)計(jì)工況低效運(yùn)行。諸多不利問題導(dǎo)致行業(yè)總體發(fā)展質(zhì)量水平不高，總體品牌影響力缺乏，創(chuàng)造創(chuàng)新能力不足，進(jìn)而影響了國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展水平。

設(shè)備是企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)的主要物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)，企業(yè)生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本都與設(shè)備的管理技術(shù)水平直接相關(guān)。因此，正確使用、精心保養(yǎng)、及時(shí)檢修維護(hù)設(shè)備并對設(shè)備的運(yùn)行性能進(jìn)行分析，使設(shè)備處于良好的狀態(tài)，才能保證各生產(chǎn)裝置安全、穩(wěn)定、優(yōu)化地運(yùn)行，并按計(jì)劃完成生產(chǎn)任務(wù)，從而提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。設(shè)備管理作為企業(yè)運(yùn)營和管理的一個(gè)重要組成部分，承擔(dān)著管理生產(chǎn)裝置設(shè)備的整個(gè)壽命周期，直接影響企業(yè)的生產(chǎn)與經(jīng)營活動(dòng)。因此，研究構(gòu)建設(shè)備全生命周期健康狀態(tài)監(jiān)測診斷系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)煤化工行業(yè)智能制造的重要一環(huán)，對于提升國內(nèi)煤化工行業(yè)的智能生產(chǎn)、高效高質(zhì)生產(chǎn)以及工廠的設(shè)備管理水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 系統(tǒng)構(gòu)想

隨著國內(nèi)煤化工行業(yè)的迅速發(fā)展，面臨的挑戰(zhàn)和競爭前所未有，同時(shí)暴露出的問題也越來越多。邊緣智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和“制造+互聯(lián)網(wǎng)”浪潮的興起，為行業(yè)實(shí)現(xiàn)總體質(zhì)量水平提升提供了手段。從生產(chǎn)環(huán)節(jié)來看，人、機(jī)、料、法、環(huán)是質(zhì)量保障的關(guān)鍵因素，可測才可控。一方面，通過采取技術(shù)改進(jìn)措施和規(guī)范設(shè)備管理相結(jié)合的方式，可以保證日常生產(chǎn)過程中關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的完好性；另一方面，通過狀態(tài)監(jiān)測可以獲得設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)情況，掌握真實(shí)的設(shè)備健康情況。在設(shè)備層面增加工業(yè)傳感實(shí)時(shí)監(jiān)測，用物聯(lián)網(wǎng)將傳感信息統(tǒng)一采集、傳輸，將設(shè)備狀態(tài)各種信息要素和企業(yè)信息化系統(tǒng)的各種知識(shí)要素聚合到云平臺(tái)實(shí)施設(shè)備健康診斷分析和預(yù)測性評價(jià)，形成工廠設(shè)備資產(chǎn)的數(shù)字檔案和健康大數(shù)據(jù)。

本文以設(shè)備傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)的流動(dòng)作為脈絡(luò)，面向在生產(chǎn)流程中發(fā)揮關(guān)鍵性作用、資產(chǎn)價(jià)值高低等不同類型的監(jiān)測對象量體裁衣、有的放矢；通過采用不同的監(jiān)測手段，實(shí)施對所有設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測。系統(tǒng)設(shè)計(jì)涵蓋數(shù)據(jù)的獲取、傳輸、匯聚、加工和分析。

典型的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[3]。本文提出的系統(tǒng)包括三個(gè)層級(jí)，系統(tǒng)體系如圖1所示。第一層是感知層，它是獲取設(shè)備現(xiàn)場信息的觸角；第二層是傳輸層，它是傳遞現(xiàn)場感知設(shè)備信息的途徑，其中還包括與現(xiàn)場設(shè)備的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)；第三層是應(yīng)用層，既支撐設(shè)備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理和分發(fā)，形成特征大數(shù)據(jù)，又支撐設(shè)備健康管理、分析、診斷、預(yù)測及與企業(yè)信息系統(tǒng)的互通。

圖1 系統(tǒng)體系圖

(1)邊緣感知層。

感知層是具備邊緣智能的傳感監(jiān)測層，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)流程關(guān)鍵設(shè)備和重要設(shè)備的實(shí)時(shí)感知。通過創(chuàng)新監(jiān)測和檢測方法，以應(yīng)力波監(jiān)測技術(shù)為主體，融合電流諧波和溫度、速度、噪聲、壓力、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、扭矩等其他物理信號(hào)監(jiān)測，形成多傳感融合監(jiān)測能力。

感知層充分利用不同監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，全面覆蓋設(shè)備的電氣和機(jī)械故障，從早期、中期、晚期，對電氣信號(hào)宏觀變化、機(jī)械信號(hào)微觀變化和振動(dòng)信號(hào)宏觀變化進(jìn)行洞察。

①感知層利用應(yīng)力波預(yù)測性監(jiān)測能力，形成覆蓋從設(shè)備故障發(fā)生前到故障發(fā)生設(shè)備失效的全過程設(shè)備監(jiān)測能力，從微觀層面捕捉設(shè)備運(yùn)動(dòng)內(nèi)部不同部件之間的摩擦和沖擊信號(hào)，建立軸承、齒輪、葉輪等動(dòng)部件故障監(jiān)測能力，適用于低速、中速、高速等不同類型的設(shè)備。其采用非侵入式安裝，在工廠動(dòng)設(shè)備監(jiān)測部署時(shí)特別便利；基于應(yīng)力波分析的狀態(tài)監(jiān)控與故障預(yù)測技術(shù)，可以實(shí)時(shí)測量運(yùn)行設(shè)備摩擦、沖擊和動(dòng)態(tài)載荷的電子信號(hào)。這種高頻超聲傳感監(jiān)測技術(shù)過濾工況振動(dòng)和背景可聽的噪聲，通過時(shí)域和頻域特征提取軟件，采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，可以對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行定量分析和故障預(yù)測，定期提供設(shè)備健康診斷分析報(bào)告，為企業(yè)建立預(yù)知性檢維修體系[4]。此外，很多體積大的設(shè)備屬于低速設(shè)備，設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)很弱，難以監(jiān)測。當(dāng)設(shè)備產(chǎn)生故障信號(hào)時(shí)，常常監(jiān)測不到，導(dǎo)致漏報(bào)[5]。應(yīng)力波能夠很好地適應(yīng)低速設(shè)備的故障監(jiān)測需求。

②利用電流諧波，密切監(jiān)測設(shè)備電氣故障信號(hào)，從電流信號(hào)中提取2～40次諧波成分，對不同諧波成分的組合進(jìn)行分析和智能判斷，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備原動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)機(jī)的宏觀監(jiān)測。從總體上判定設(shè)備的基本運(yùn)行狀態(tài)，建立定轉(zhuǎn)子氣隙不均勻、絕緣不良、缺相等電氣故障和負(fù)載的宏觀機(jī)械故障監(jiān)測能力；諧波故障診斷技術(shù)可以在不拆解設(shè)備、不停機(jī)的基礎(chǔ)上，診斷出設(shè)備是否劣化、劣化部位以及劣化程度，并給出維修建議[6]。

③利用傳統(tǒng)振動(dòng)監(jiān)測，洞察設(shè)備運(yùn)動(dòng)情況，建立不平衡、不對中、松動(dòng)和滑動(dòng)軸承等故障信號(hào)的監(jiān)測能力。針對不同類型的設(shè)備，必須利用不同類型的振動(dòng)傳感器獲得振動(dòng)信號(hào)，從而獲取機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行故障診斷[7]。

通過對故障分類建立不同種適用的監(jiān)測手段，最終實(shí)現(xiàn)多信號(hào)統(tǒng)一監(jiān)測技術(shù)，部署支持應(yīng)力波等多傳感統(tǒng)一監(jiān)測的智能設(shè)備。利用信息感知實(shí)現(xiàn)基于時(shí)域能量曲線圖、電流諧波含有率、劣化率圖、頻譜圖、直方圖、軸心軌跡圖、伯德圖等多種圖表分析，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的全面故障定位、幅度和能量相對變化的碰撞探測及失效預(yù)測等智能分析邊緣計(jì)算能力。

(2)工業(yè)物聯(lián)傳輸層。

傳輸層不但承擔(dān)著現(xiàn)場感知層的信息中轉(zhuǎn)和匯聚轉(zhuǎn)發(fā)，也承擔(dān)著與現(xiàn)場生產(chǎn)控制系統(tǒng)(比如壓縮機(jī)控制系統(tǒng))的信息交換。依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場一些特殊場合對本安、防爆的要求，本層傳感器在連接上創(chuàng)新地利用了一種為適用于本安、防爆工況的供電和通信疊加的兩線制新型通信技術(shù)、通信卡件，用安全網(wǎng)絡(luò)貫通設(shè)備和傳感群的信息孤島。

傳輸層基于網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)多種傳感設(shè)備現(xiàn)場實(shí)時(shí)信息的匯聚。為增加傳感設(shè)備的接入能力和處理能力，構(gòu)建了多路點(diǎn)對點(diǎn)的兩線制傳感自動(dòng)傳輸通信網(wǎng)絡(luò)，可以提高現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、傳輸效率和帶寬能力。智能網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備群的現(xiàn)場傳感信息匯聚和并行處理，同時(shí)分發(fā)監(jiān)測信息和控制信息到設(shè)備運(yùn)維平臺(tái)和現(xiàn)場生產(chǎn)控制系統(tǒng)，保障了現(xiàn)場感知信息和平臺(tái)及控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。網(wǎng)關(guān)支撐級(jí)聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)信息網(wǎng)絡(luò)的合并，以及生產(chǎn)控制系統(tǒng)、傳感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合，同時(shí)在網(wǎng)關(guān)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)傳感的監(jiān)測服務(wù)信息和設(shè)備的控制信息分流，將控制信息送往控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)處理；將服務(wù)信息送往上層的設(shè)備運(yùn)維平臺(tái)。

此外，網(wǎng)關(guān)內(nèi)部還設(shè)有單向信息閘門，從設(shè)備運(yùn)維平臺(tái)下發(fā)的信息不會(huì)傳遞到生產(chǎn)控制系統(tǒng)，生產(chǎn)控制系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⒁膊粫?huì)傳遞設(shè)備運(yùn)維平臺(tái)。這種將傳統(tǒng)的控制信息和傳感服務(wù)信息分流的設(shè)計(jì)，既兼容了設(shè)備原有的控制，又實(shí)現(xiàn)了多傳感監(jiān)測的數(shù)據(jù)服務(wù)的獲取，同時(shí)又保障現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的工業(yè)安全。

網(wǎng)關(guān)與平臺(tái)互聯(lián)如圖2所示。網(wǎng)關(guān)有兩種應(yīng)用方式：一種是廠內(nèi)本地部署，另一種是在異地廣域部署。對于本地部署，網(wǎng)關(guān)和平臺(tái)機(jī)房較近的地方可以采用以太網(wǎng)的電口進(jìn)行連接，直接連接或者通過局域網(wǎng)交換機(jī)連接到設(shè)備運(yùn)維平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)通信接口；對于本地部署，網(wǎng)關(guān)和平臺(tái)機(jī)房距離很遠(yuǎn)的地方可以用光纖進(jìn)行連接，直接連接或者通過局域網(wǎng)交換機(jī)連接到設(shè)備運(yùn)維平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)通信接口。對于異地部署，跨城市、跨地區(qū)應(yīng)用時(shí)，遠(yuǎn)端難以實(shí)施有線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域，可以依靠電信/聯(lián)通/移動(dòng)的4G或5G連接構(gòu)建廣域網(wǎng)關(guān)與設(shè)備運(yùn)維平臺(tái)之間的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(virtual private network,VPN)，實(shí)現(xiàn)帶寬可控、流量可調(diào)的高強(qiáng)度安全加密的數(shù)據(jù)通道。

圖2 網(wǎng)關(guān)與平臺(tái)互聯(lián)圖

(3)云端應(yīng)用層。

應(yīng)用層是整個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)中心，處于整個(gè)系統(tǒng)層次的最頂層，也是面向用戶面向應(yīng)用直接的層次。

以設(shè)備運(yùn)維平臺(tái)為依托，基于現(xiàn)場感知層匯聚的各類設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)信息和歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行信息數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全管理功能。以初加工的信息數(shù)據(jù)為基本元素，在本層次構(gòu)建一個(gè)數(shù)據(jù)倉庫，實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心拓展數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)擬合和數(shù)據(jù)挖掘，形成各種數(shù)據(jù)再加工成果。留出數(shù)據(jù)分發(fā)接口，為基于數(shù)據(jù)應(yīng)用提供支撐，涵蓋全生命周期的質(zhì)量評價(jià)、可靠性評價(jià)、故障診斷與分析、預(yù)測性維護(hù)、設(shè)備特征大數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)字畫面、數(shù)據(jù)分享等開放式服務(wù)。

此外，設(shè)備運(yùn)維平臺(tái)對接企業(yè)信息管理系統(tǒng)，比如ERP/MES等，實(shí)現(xiàn)基于設(shè)備運(yùn)維信息和狀態(tài)及報(bào)警變化的信息管理同步優(yōu)化調(diào)整，真正實(shí)現(xiàn)基于設(shè)備運(yùn)維來優(yōu)化企業(yè)管理、增效設(shè)備管理水平和質(zhì)量，優(yōu)化備品備件庫存計(jì)劃管理等。通過信息匯聚，構(gòu)造智能設(shè)備云， 開展智能故障診斷、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)與備件優(yōu)化、遠(yuǎn)程診斷與預(yù)測性維護(hù)、質(zhì)量可靠性保障提升等活動(dòng)。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳統(tǒng)的監(jiān)測手段融合管理設(shè)備，形成設(shè)備運(yùn)維大數(shù)據(jù)，構(gòu)建與實(shí)體設(shè)備資產(chǎn)全生命周期健康狀態(tài)相對應(yīng)的數(shù)字化虛擬畫像，從而縮短備品備件周期，及早制定應(yīng)對措施， 優(yōu)化、提升企業(yè)設(shè)備維保和經(jīng)營水平[8]。服務(wù)平臺(tái)如圖3所示。

表1顯示：系統(tǒng)對數(shù)據(jù)檢索的速率一般，數(shù)據(jù)驗(yàn)證對比結(jié)果正確率達(dá)到百分百，也就是說系統(tǒng)可以完整地對數(shù)據(jù)進(jìn)行存證。

圖3 服務(wù)平臺(tái)示意圖

基于傳輸層的數(shù)據(jù)構(gòu)建的服務(wù)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)用戶體驗(yàn)與用戶交互，同時(shí)提供各類基于設(shè)備數(shù)據(jù)衍生的應(yīng)用功能服務(wù)：風(fēng)險(xiǎn)分析與決策專家判斷、數(shù)據(jù)趨勢與報(bào)告、現(xiàn)場裝備信息服務(wù)和其他基于數(shù)據(jù)的應(yīng)用等；可以實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)中的設(shè)備預(yù)測性診斷，創(chuàng)建設(shè)備管理信息庫，自動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)和安全預(yù)警，保障系統(tǒng)的平穩(wěn)可靠運(yùn)行；基于服務(wù)云和以環(huán)境參數(shù)為關(guān)鍵數(shù)據(jù)的網(wǎng)格集群計(jì)算，可以搭建裝備信息3D模型，將裝備和關(guān)聯(lián)元素進(jìn)行形象化展示；基于數(shù)據(jù)信息可以對設(shè)備工況適應(yīng)性和服役過程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，用于監(jiān)測設(shè)備設(shè)計(jì)的可靠性、評估服役能力和風(fēng)險(xiǎn)，并指導(dǎo)設(shè)備制造企業(yè)的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行反饋修正；可以對現(xiàn)場裝備運(yùn)維趨勢做出預(yù)判；可以對裝備設(shè)計(jì)模型評價(jià)與優(yōu)化，并通過云匯聚的信息統(tǒng)一整理，進(jìn)行面向故障與效率的關(guān)聯(lián)分析。

服務(wù)平臺(tái)利用現(xiàn)場實(shí)時(shí)多樣化的數(shù)據(jù)，可以支撐實(shí)現(xiàn)多種設(shè)備相關(guān)業(yè)務(wù)流程，建立智能化、高效的設(shè)備保障管理體系。

①故障診斷：根據(jù)近一段時(shí)間內(nèi)的設(shè)備檢測數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀況,預(yù)先判斷設(shè)備可能出現(xiàn)故障的時(shí)間、故障模式、故障類型和故障位置,并能給出相應(yīng)的判定和決策,確保其正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

②健康評估：利用在線監(jiān)測系統(tǒng)獲得的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，定期或不定期地對設(shè)備狀態(tài)作出評估。主要評估被監(jiān)測系統(tǒng)或者分系統(tǒng)、部件等的健康狀態(tài)，分析設(shè)備的性能衰退趨勢。

③壽命預(yù)測：設(shè)備壽命通常是設(shè)備進(jìn)行更新和改造的重要決策依據(jù)。對設(shè)備進(jìn)行壽命預(yù)測，可以評估設(shè)備健康程度，有效保證設(shè)備系統(tǒng)正常運(yùn)行。

④檢維修決策優(yōu)化：對修復(fù)性維修、定時(shí)維修及視情維修等復(fù)雜裝備的維修種類進(jìn)行分級(jí)診療，根據(jù)設(shè)備故障診斷、設(shè)備健康評估和設(shè)備壽命預(yù)測的結(jié)果，制定維修計(jì)劃、采購維修備件、維修任務(wù)調(diào)度、維修資源分配等。

基于設(shè)備健康的檢維修優(yōu)化圖如圖4所示。通過趨勢曲線的平坦、波動(dòng)、緩升、緩降、陡升、陡降等趨勢變化的形態(tài)分析和綠色、黃色、紅色健康區(qū)間的范圍評判，可以對檢維修決策優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)從基于經(jīng)驗(yàn)的從晚期高成本維護(hù)向基于健康狀態(tài)的早期低成本維護(hù)轉(zhuǎn)變。

圖4 基于設(shè)備健康的檢維修優(yōu)化圖

在機(jī)器學(xué)習(xí)模型構(gòu)建中，可以借助貝葉斯理論和決策樹，通過利用多元人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法，尋找建立設(shè)備故障結(jié)果、現(xiàn)場檢維修結(jié)論、設(shè)備故障成因變化、現(xiàn)場設(shè)備多種監(jiān)測參數(shù)之間的邏輯關(guān)系，形成面向不同設(shè)備、不同工藝、不同廠家、不同行業(yè)的復(fù)合設(shè)備病理特征庫、設(shè)備故障診斷結(jié)論庫。基于特征和結(jié)論庫建立反映部件、材料和工況適應(yīng)度的各種部件指數(shù)，優(yōu)化工廠設(shè)備的備品備件采購選型，提升工廠服役裝備的可靠性，最終實(shí)現(xiàn)基于質(zhì)量的主動(dòng)性維護(hù)。從故障形成的根源減少發(fā)病、劣化的概率，優(yōu)化調(diào)整保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，最終徹底提升設(shè)備設(shè)備綜合效率(overall equipment effectiveness，OEE)，實(shí)現(xiàn)以生產(chǎn)過程的設(shè)備節(jié)點(diǎn)優(yōu)化帶動(dòng)生產(chǎn)流程效能的優(yōu)化和質(zhì)量的管控?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)的識(shí)別與優(yōu)化如圖5所示。

圖5 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的識(shí)別與優(yōu)化

3 系統(tǒng)解決的關(guān)鍵問題

①旋轉(zhuǎn)設(shè)備、往復(fù)式設(shè)備中，可以構(gòu)建部件磨損和結(jié)構(gòu)缺陷的沖擊和摩擦形成的應(yīng)力波特征及失效演化模型。

國內(nèi)相關(guān)行業(yè)尚未建立起穩(wěn)定、可靠、高效的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測體系，大多采用獨(dú)立的壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)監(jiān)測，未形成整合性分析，無法指導(dǎo)工廠管理建立起高效的預(yù)測性維護(hù)能力。通過將各類獨(dú)立的參數(shù)監(jiān)測進(jìn)行整合，并引入先進(jìn)的應(yīng)力波分析技術(shù)，以構(gòu)建可靠精準(zhǔn)的預(yù)測性監(jiān)測技術(shù)手段，幫助建立部件磨損和缺陷引起的失效演化模型，便于基于模型實(shí)施基于數(shù)據(jù)和狀態(tài)的故障預(yù)測。

②可以對設(shè)備實(shí)現(xiàn)復(fù)合失效的時(shí)頻分析及其早期故障征兆預(yù)測和故障診斷。

基于結(jié)構(gòu)中應(yīng)力波動(dòng)信號(hào)對缺陷有很高的敏感性，可利用應(yīng)力波信號(hào)來檢測結(jié)構(gòu)的缺陷。通過檢測大型設(shè)備或管道閥門在運(yùn)行過程中因摩擦或沖擊而出現(xiàn)的應(yīng)力波能量，并對該能量進(jìn)行量化分析，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)和健康程度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析，在設(shè)備早期故障征兆產(chǎn)生時(shí)做出診斷。

③可以對長周期運(yùn)行與嚴(yán)苛工況下的動(dòng)設(shè)備建立質(zhì)量完整性評價(jià)及全生命周期性能評估。

針對動(dòng)設(shè)備缺乏長期自動(dòng)監(jiān)測和維護(hù)手段，應(yīng)用適應(yīng)嚴(yán)苛工況的通信網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備聯(lián)網(wǎng)接入部件，為動(dòng)設(shè)備自動(dòng)監(jiān)測和互聯(lián)創(chuàng)造接入手段。通過傳感、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的一體云平臺(tái)，實(shí)施設(shè)備健康全生命周期性能評估和完整性評價(jià)體系。

④基于云平臺(tái)的長周期大存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)挖掘，可以實(shí)現(xiàn)長期運(yùn)行和嚴(yán)苛工況的設(shè)備群監(jiān)測數(shù)據(jù)集聚與預(yù)警分析。

4 效果與展望

①工廠實(shí)現(xiàn)檢維修的轉(zhuǎn)變，用設(shè)備數(shù)據(jù)說話，帶來看得見摸得著的價(jià)值回報(bào)。

化工裝備種類較多，主要分為動(dòng)、靜兩大類。其中，加氫反應(yīng)器、氣化爐、還原爐、換熱器、盛運(yùn)容器等壓力容器和管道、閥門等屬于靜裝備，泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、空分裝備等屬于動(dòng)裝備。以往設(shè)備缺少有效的設(shè)備健康分析手段，導(dǎo)致事后維修，對生產(chǎn)影響程度較為嚴(yán)重。由于缺乏設(shè)備運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，使維修具有盲目和不準(zhǔn)確性。預(yù)防性檢修是按規(guī)定周期進(jìn)行的檢修方式，但可能在設(shè)備還處于良好狀態(tài)時(shí)停機(jī)檢修，造成維護(hù)過度和資源浪費(fèi)[9]。利用應(yīng)力波監(jiān)測、電流諧波監(jiān)測技術(shù)，與已有的傳統(tǒng)溫度、振動(dòng)監(jiān)測手段密切配合，通過整個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備全生命周期健康狀態(tài)檢測診斷系統(tǒng)的構(gòu)建，能夠全面覆蓋機(jī)械和電氣的信號(hào)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)設(shè)備“未病先防、既病防變”，有助于行業(yè)由普遍采用的計(jì)劃性檢修向基于設(shè)備健康狀態(tài)的監(jiān)測和預(yù)警診斷進(jìn)行轉(zhuǎn)變，以有效提升近年來計(jì)劃性檢維修存在的過維修、欠維修等痛點(diǎn)，從而優(yōu)化原有設(shè)備管理體制。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對生產(chǎn)設(shè)備的全面覆蓋，建立預(yù)測性維護(hù)手段，有效控制設(shè)備檢修對生產(chǎn)的影響，及時(shí)修復(fù)彌補(bǔ)延長設(shè)備的可靠服役水平。此外，該系統(tǒng)能夠保障生產(chǎn)裝置安全、穩(wěn)定地完成生產(chǎn)任務(wù)，提升裝備檢修工作水平，降低運(yùn)維費(fèi)用，提高運(yùn)營運(yùn)維水平，優(yōu)化備品備件和物料管理。

②形成行業(yè)設(shè)備監(jiān)測大數(shù)據(jù)特征庫。

系統(tǒng)具備在整個(gè)流程行業(yè)拓展實(shí)施的可行性，因此有助于形成可適應(yīng)于特定行業(yè)的設(shè)備監(jiān)測與完整性評價(jià)理論體系、設(shè)計(jì)方法和技術(shù)平臺(tái)。從應(yīng)用角度為完善和優(yōu)化理論體系、設(shè)計(jì)方法和技術(shù)平臺(tái)提供反饋意見，形成特定行業(yè)設(shè)備監(jiān)測與完整性評價(jià)驗(yàn)證大數(shù)據(jù)特征庫和健康樣本,最終支撐實(shí)現(xiàn)基于設(shè)備本體性能、工況工藝相互融合的設(shè)備數(shù)字資產(chǎn)畫像和特征大數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備故障診斷、健康評估、壽命預(yù)測和檢維修決策的信息流動(dòng)。通過設(shè)備智能監(jiān)測，為企業(yè)設(shè)備保障體系智能化管理帶來支撐。基于監(jiān)測數(shù)據(jù)可以形成不同類型設(shè)備的故障類型、廠家、特征統(tǒng)計(jì)，為形成產(chǎn)品服役健康性能和可靠性綜合指數(shù)、指導(dǎo)優(yōu)化裝備制造企業(yè)設(shè)計(jì)過程、保障用戶單位選型評估奠定了基礎(chǔ)條件。行業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用概覽如圖6所示。

圖6 行業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用概覽

③形成全生命周期管理數(shù)據(jù)服務(wù)。

基于監(jiān)測數(shù)據(jù)形成不同類型設(shè)備的故障類型、廠家、特征統(tǒng)計(jì)，為形成產(chǎn)品服役健康性能和可靠性綜合指數(shù)，指導(dǎo)優(yōu)化裝備制造企業(yè)設(shè)計(jì)過程，保障用戶單位選型評估奠定了基礎(chǔ)條件，形成了拓展制造加服務(wù)業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)條件?；谶h(yuǎn)程實(shí)時(shí)的多傳感融合監(jiān)測的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用和服務(wù)，為制造企業(yè)、用戶、科研和產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)提供豐富的現(xiàn)場數(shù)據(jù)素材。同時(shí)，也為形成行業(yè)全球資源制造協(xié)同奠定基礎(chǔ)。探索形成基于數(shù)據(jù)的裝備性能優(yōu)化提升，終端用戶使用過程保障，科研素材庫和成果驗(yàn)證庫、健康管理和工藝包優(yōu)化等新型的數(shù)據(jù)服務(wù)新型制造加服務(wù)模式，以及為未來形成基于裝備全生命周期數(shù)據(jù)的在線交易市場、探索設(shè)備融資、保險(xiǎn)等其他金融服務(wù)創(chuàng)造基礎(chǔ)支撐。

5 結(jié)束語

本文基于煤化工行業(yè)整體質(zhì)量提升的裝置檢測、監(jiān)測、健康管理、壽命預(yù)測等運(yùn)維的實(shí)際需求，構(gòu)建了設(shè)備全生命周期健康監(jiān)測診斷系統(tǒng)解決方案。該解決方案用數(shù)據(jù)互聯(lián)的手段建立在線實(shí)時(shí)的全面質(zhì)量評價(jià)和可靠性評價(jià)體系，以大聯(lián)通、大數(shù)據(jù)挖掘?yàn)槟繕?biāo)，實(shí)現(xiàn)基于現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的故障統(tǒng)計(jì)分析、建模、評判、預(yù)測性維護(hù)、預(yù)警等各種數(shù)據(jù)服務(wù)，有助于提升智能工廠建設(shè)中的設(shè)備管理保障核心板塊的智能化水平。系統(tǒng)方案適應(yīng)于煤化工行業(yè)等多類流程行業(yè)，具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。