皇甫宜龍，盛亞飛，王成林，劉 斌

（1.北京物資學(xué)院，北京 101149；2.北京順鑫農(nóng)業(yè)股份有限公司牛欄山酒廠，北京 101301）

0 引言

隨著智慧物流的發(fā)展，物流機(jī)械設(shè)備綜合構(gòu)建倉儲一體化，存取自動化，物流和信息流一體的高度柔性化物流系統(tǒng)。其中，巷道式堆垛機(jī)以其在電氣控制方式、整體調(diào)速性能、定位準(zhǔn)確度、起升精度、耐磨性等方面的突出特點得到廣泛應(yīng)用，特別是用于在高層貨架的巷道內(nèi)來回穿梭運(yùn)行，作為智慧物流的核心機(jī)械設(shè)備，長時間、高強(qiáng)度和超高速的使用造成巷道式堆垛機(jī)存在隨機(jī)且復(fù)雜的故障隱患，降低整個設(shè)備的可靠性，直接影響物流系統(tǒng)的正常運(yùn)作。在現(xiàn)實工況下，設(shè)備仍采用定期維護(hù)方式，一旦發(fā)生故障，將會對整個物流系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，特別是突發(fā)性停機(jī)，易帶來重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，本文建立基于巷道式堆垛機(jī)健康狀態(tài)管理和智能維護(hù)方案，基于多特征參數(shù)健康狀態(tài)綜合評估模型，進(jìn)行設(shè)備實時監(jiān)測，結(jié)合歷史維修數(shù)據(jù)和專家系統(tǒng)，進(jìn)行全方面健康狀態(tài)反饋，實現(xiàn)設(shè)備綜合智能管理維護(hù)。

1 巷道式堆垛機(jī)健康管理與智能維護(hù)綜合方案

圖1 雙立柱巷道式堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)

雙立柱巷道式堆垛機(jī)健康檢測實驗為雙立柱巷道式堆垛機(jī)。該種雙立柱巷道堆垛機(jī)的主要組成結(jié)構(gòu)主要有上橫梁、下橫梁、左右立柱、主控柜、載貨臺、貨叉機(jī)構(gòu)、貨叉伸縮電機(jī)、行走機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)、提升鏈條、天軌導(dǎo)向輪、載貨臺導(dǎo)向輪、地軌導(dǎo)向輪、主動輪、從動輪（圖1）。根據(jù)雙立柱巷道式堆垛機(jī)核心零部件工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，結(jié)合現(xiàn)有狀態(tài)檢測技術(shù)，建立了振動、電機(jī)、電壓、電流、傳感器和轉(zhuǎn)速等多種狀態(tài)實時檢測以及智能維護(hù)體系。

設(shè)備健康狀態(tài)是反映設(shè)備當(dāng)前工作狀態(tài)，通過量化設(shè)備工況下運(yùn)行采集數(shù)據(jù)形成設(shè)備健康指數(shù)，采用設(shè)備磨合后正常性能狀態(tài)健康指數(shù)做參考，真實反映設(shè)備目前性能的偏差程度。要實現(xiàn)設(shè)備健康狀態(tài)綜合評估，需要針對被評估設(shè)備的數(shù)據(jù)采樣，以及歷史數(shù)據(jù)分析處理。設(shè)備健康狀態(tài)評估需要在待評估設(shè)備關(guān)鍵監(jiān)控部位裝載傳感器記錄實時工作數(shù)據(jù)，并結(jié)合歷史維修數(shù)據(jù)形成綜合評估數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)備構(gòu)成進(jìn)行層次劃分提取特征參數(shù)，建立健康狀態(tài)模型計算特征參數(shù)閾值和標(biāo)準(zhǔn)值，得到健康指數(shù)判斷設(shè)備健康狀態(tài)。巷道式堆垛機(jī)健康狀態(tài)綜合評估框架如圖2 所示。

圖2 基于特征參數(shù)設(shè)備健康狀態(tài)綜合評估框架

設(shè)備健康管理與智能維護(hù)綜合方案，采用分布式調(diào)用架構(gòu)，采用5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，綜合設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測傳感器、健康狀態(tài)綜合評估技術(shù)、設(shè)備狀態(tài)管理和工作人員統(tǒng)一管理交互平臺，設(shè)計健康狀態(tài)綜合評估系統(tǒng)、智能維護(hù)系統(tǒng)和信息交互系統(tǒng)，其中，按照功能分為設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測部分、數(shù)據(jù)交互平臺部分、設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)部分三部分。在運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測部分集合監(jiān)測儀器和傳感器基于工業(yè)以太網(wǎng)和5G 無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)庫上傳工作；在數(shù)據(jù)交互平臺部分，通過信息交互進(jìn)行健康狀態(tài)綜合評估，結(jié)合智能維護(hù)系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)自動生成檢測報告并進(jìn)行維修任務(wù)發(fā)布；設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)部分通過系統(tǒng)預(yù)警或定期檢查狀態(tài)檢測報告，實施設(shè)備維護(hù)措施，執(zhí)行人員將設(shè)備實際維護(hù)以文字和圖片形式上傳數(shù)據(jù)庫，建立完整智能維修閉環(huán)控制。綜合方案數(shù)據(jù)庫中會統(tǒng)一保存每次診斷數(shù)據(jù)和反饋信息，形成系統(tǒng)知識庫，更新健康狀態(tài)綜合評估中特征參數(shù)，優(yōu)化診斷結(jié)果提高智能維護(hù)準(zhǔn)確率。

圖3 設(shè)備健康管理與智能維護(hù)綜合方案

2 巷道式堆垛機(jī)綜合健康狀態(tài)綜合評價模型

設(shè)備在使用壽命內(nèi)經(jīng)過磨合階段、正常使用階段和急劇磨損階段，在不同階段各項指標(biāo)因時間變化而變化，結(jié)合設(shè)備設(shè)計參數(shù)、狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)和故障維修數(shù)據(jù)，進(jìn)行健康狀態(tài)綜合評估。因為巷道式堆垛機(jī)不是一個單一結(jié)構(gòu)機(jī)械設(shè)備，設(shè)備是一個完整系統(tǒng)，需要綜合系統(tǒng)內(nèi)子系統(tǒng)健康狀態(tài)進(jìn)行評價，最終得出設(shè)備整體性能健康數(shù)值代入計算模型得到0 到1 之間數(shù)值。該健康數(shù)值越高代表設(shè)備健康狀態(tài)越好，1 是最佳狀態(tài)，0 是完全損壞狀態(tài)。

通過收集設(shè)備運(yùn)行過程中狀態(tài)信息，實時監(jiān)測振動、電壓、電流、噪音和轉(zhuǎn)速等信息，可以構(gòu)建多個特征狀態(tài)參數(shù)評價模型，量化設(shè)備綜合健康狀態(tài)數(shù)值。僅考慮監(jiān)測信息的反饋是無法進(jìn)行全面評價，建立設(shè)備監(jiān)測狀態(tài)故障性、設(shè)備可靠性、零件經(jīng)濟(jì)性和零件可維修性的綜合框架才能反映設(shè)備真實狀態(tài)。建立評價指標(biāo)體系：

（1）監(jiān)測狀態(tài)故障性。指標(biāo)包含設(shè)備各傳感器采集數(shù)據(jù)值、歷史維修數(shù)據(jù)值和使用時長。

（2）設(shè)備可靠性。指標(biāo)包含設(shè)備內(nèi)各組件對設(shè)備正常運(yùn)行影響程度、各個組件之間關(guān)聯(lián)度，損壞后是否可替代和設(shè)計生命周期。

（3）零件經(jīng)濟(jì)性。指標(biāo)包含設(shè)備內(nèi)各組件價值、折舊費(fèi)用、失效損失費(fèi)用和維修費(fèi)用。

（4）零件可維修性。指標(biāo)包含設(shè)備內(nèi)各組件維修更換難易程度和同等功能可替代性。

首先建立單一組件特征參數(shù)計算模型，通過設(shè)備設(shè)計參數(shù)、性能測試和歷史數(shù)據(jù)綜合評估，綜合得到時間序列參數(shù)閾值范圍，建立基于時間序列函數(shù)f（t）與最大閾值xmax和最小xmin之間計算模型。

其中，H（t）為基于時間序列特征參數(shù)；f（t）為此刻設(shè)備監(jiān)測反饋值為此刻設(shè)備設(shè)計時標(biāo)準(zhǔn)值。

根據(jù)設(shè)備組件之間零件進(jìn)行編碼建立每個重要零件的權(quán)重評價值，根據(jù)上述指標(biāo)體系進(jìn)行進(jìn)一步完善，區(qū)分零件健康狀態(tài)對設(shè)備健康狀態(tài)影響程度。采用均一化權(quán)重賦值模式可能會導(dǎo)致核心零件影響程度弱化，非核心零件影響程度強(qiáng)化，不能真實反饋設(shè)備健康狀態(tài)。本項目采用經(jīng)典變權(quán)公式，結(jié)合上述構(gòu)建指標(biāo)體系進(jìn)行權(quán)重設(shè)定。

其中，為設(shè)備第i 個零件第j 個特征參數(shù)值；m 為特征參數(shù)總數(shù)為特征參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)權(quán)值為綜合結(jié)果權(quán)值；a 為綜合常數(shù)，取值范圍（0，0.5）。

基于時間序列建立設(shè)備綜合健康狀態(tài)綜合評估計算模型如下：

基于H（t）計算值結(jié)合歷史維修數(shù)據(jù)建立設(shè)備健康狀態(tài)分級體系，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)反饋確定映射關(guān)系，如表1 所示綜合健康狀態(tài)分級體系。

表1 巷道式堆垛機(jī)綜合健康狀態(tài)分級體系

3 巷道式堆垛機(jī)健康狀態(tài)實驗分析

本項目采用北京順鑫農(nóng)業(yè)股份有限公司牛欄山酒廠雙立柱巷道式堆垛機(jī)為例進(jìn)行健康狀態(tài)綜合評估分析，首先搭建設(shè)備健康管理與智能維護(hù)綜合平臺，在設(shè)備上進(jìn)行健康狀態(tài)監(jiān)測采樣。本實驗搭建數(shù)據(jù)采樣臺，其中振動傳感器采用ICP 型三向加速度傳感器，在上導(dǎo)軌、立柱4.5 m 處和下導(dǎo)軌布置；速度傳感器在右側(cè)立柱1 m處布置；環(huán)境檢測采用臺達(dá)溫濕度噪聲傳感器，在立柱兩側(cè)2 m 處布置；電機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采用臺達(dá)變頻器收集，振動數(shù)據(jù)采集儀采用東方所研制INV3018CT 高精度采集儀，中心控制采用臺達(dá)PLC 控制單元，集中在在電控柜內(nèi)布置。雙立柱巷道式堆垛機(jī)工作狀態(tài)下，采樣平臺收集數(shù)據(jù)采樣頻率為100 Hz，采樣數(shù)據(jù)包含整機(jī)速度、各向加速度、峭度值、關(guān)鍵點電流電壓值、電機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)柜溫度、整機(jī)溫濕度和噪音，數(shù)據(jù)打包通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，結(jié)合相應(yīng)人工服務(wù)數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析處理。

通過采樣檢測平臺數(shù)據(jù)和設(shè)備設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行分成計算，得到設(shè)備內(nèi)各個組件特征參數(shù)及其詳細(xì)數(shù)值，如表2 所示。以完整特征參數(shù)和權(quán)重表為基準(zhǔn)，進(jìn)行設(shè)備健康狀態(tài)綜合評估。

巷道式堆垛機(jī)健康管理與智能維護(hù)系統(tǒng)如圖4 所示，是基于線上動態(tài)監(jiān)測技術(shù)和設(shè)備智能維護(hù)管理開發(fā)基于“綜合健康評價模型”的網(wǎng)絡(luò)管理平臺，該系統(tǒng)基于JAVA 開發(fā)語言，數(shù)據(jù)服務(wù)器采用SQL Sever 2013 為數(shù)據(jù)庫，支持Win7 以上運(yùn)行環(huán)境。該系統(tǒng)主要包含20 個巷道式堆垛機(jī)實時健康狀態(tài)動態(tài)監(jiān)測、設(shè)備狀態(tài)、預(yù)警和報警、工作環(huán)境監(jiān)測、統(tǒng)計報表、用戶管理和自檢測試模塊。該系統(tǒng)以健康狀態(tài)綜合評估為基礎(chǔ)，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)備數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)傳輸、健康狀態(tài)評估、工程師、維修人員等統(tǒng)一平臺實施管理，能夠有效進(jìn)行庫房部門、維修部門和管理部門之間信息溝通，實現(xiàn)快速效應(yīng)智能維修。綜合健康狀態(tài)評估基于實時設(shè)備采樣數(shù)據(jù)、專家知識系統(tǒng)、評價模型、原始設(shè)計數(shù)據(jù)和歷史維修數(shù)據(jù)生成運(yùn)行狀態(tài)診斷報告，判斷故障類型和原因，提出維修建議。通過維修部門現(xiàn)場勘察情況，工程師進(jìn)行健康狀態(tài)反饋，優(yōu)化綜合健康狀態(tài)評估模型，實現(xiàn)巷道式堆垛機(jī)完整閉環(huán)智能維護(hù)。

4 結(jié)論

通過采用5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，綜合設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測傳感器、健康狀態(tài)綜合評估技術(shù)、設(shè)備狀態(tài)管理和工作人員深度融合統(tǒng)一在線管理，促進(jìn)動態(tài)監(jiān)測技術(shù)和健康狀態(tài)診斷技術(shù)在巷道式堆垛機(jī)領(lǐng)域中的發(fā)展，搭建工業(yè)以太網(wǎng)和5G 傳感網(wǎng)絡(luò)提高設(shè)備到管理人員之間信息傳遞效率，避免了巷道式堆垛機(jī)定期查看傳統(tǒng)維修模式，為巷道式堆垛機(jī)建設(shè)基于狀態(tài)管理先進(jìn)智能維護(hù)手段，豐富設(shè)備健康管理內(nèi)容，為巷道式堆垛機(jī)維護(hù)提供可靠參考依據(jù)。

表2 巷道式堆垛機(jī)特征參數(shù)

圖4 巷道式堆垛機(jī)健康管理與智能維護(hù)系統(tǒng)

目前尚未解決問題：淤由于系統(tǒng)設(shè)計需要大量試驗數(shù)據(jù)采集，開發(fā)周期長，數(shù)據(jù)量大，涉及設(shè)備內(nèi)零件多，整體系統(tǒng)需要大量工作人員相互配合才能完成；于該系統(tǒng)涉及多個特征參數(shù)計算和權(quán)值判斷，針對性強(qiáng)，很難進(jìn)行普適性推廣應(yīng)用，針對不同設(shè)備需要重新計算并進(jìn)行針對性研究。在設(shè)備傳感監(jiān)測技術(shù)不斷發(fā)展的同時設(shè)備健康管理水平也在不斷進(jìn)步，基于設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行管理，能夠使設(shè)備產(chǎn)生更大使用效益和經(jīng)濟(jì)效益。