寧海波

（上海大屯能源股份有限公司鋁板帶廠 江蘇省徐州市 221611）

鋁板帶是以鋁為主要原料，并融入其他合金元素制造出來(lái)的鋁板或者鋁帶，廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、交通、能源、建筑、醫(yī)療、家電等眾多行業(yè)。其中，能源鋁板帶是面向能源行業(yè)，如石油天然氣、風(fēng)電、煤炭及煉化生產(chǎn)的專用鋁板帶。能源鋁帶板的制造工藝復(fù)雜、成本較高，需要使用大量不同類型的機(jī)械設(shè)備，如燃?xì)馊蹱t、冷軋機(jī)、保溫爐、鑄造機(jī)、循環(huán)風(fēng)機(jī)等。這些機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，且長(zhǎng)期處于高溫高壓的工作環(huán)境中，潛在危險(xiǎn)多、故障識(shí)別難度高、維修保養(yǎng)困難，給機(jī)械設(shè)備的安全管理帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。由于缺少數(shù)字化安全管理手段，能源鋁板帶企業(yè)目前仍主要由人工進(jìn)行設(shè)備安全監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理與分析，存在可靠性差、效率低、安全隱患多等問(wèn)題。對(duì)于一些潛在安全隱患，若未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和正確處理，極易造成嚴(yán)重后果，對(duì)作業(yè)人員的生命健康帶來(lái)極大危害。例如，當(dāng)通風(fēng)設(shè)備未正常工作時(shí)，作業(yè)人員難以及時(shí)檢出，會(huì)造成局部廢氣超標(biāo)，一旦具備燃燒條件就會(huì)發(fā)生燃燒爆炸。此外，若未及時(shí)對(duì)冷軋機(jī)、鑄造機(jī)、物流運(yùn)輸?shù)仍O(shè)備進(jìn)行維修維護(hù)，可能發(fā)生撞傷人員、軋傷作業(yè)人員等危險(xiǎn)。

智能制造是未來(lái)制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，其目標(biāo)是通過(guò)將物聯(lián)網(wǎng)、信息物理系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)與制造業(yè)深度融合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全制造流程和全生命周期管理的智能化、協(xié)同化、透明化、綠色化。當(dāng)前，推動(dòng)能源鋁板帶等信息化程度不足的傳統(tǒng)制造業(yè)企業(yè)向智能制造轉(zhuǎn)型發(fā)展，是“中國(guó)制造2025”的重要戰(zhàn)略任務(wù)。因此，將智能制造的關(guān)鍵技術(shù)與能源鋁板帶生產(chǎn)進(jìn)行結(jié)合，從而提高機(jī)械設(shè)備的安全管理水平，這對(duì)于確保機(jī)械設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，減少安全隱患，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)機(jī)械設(shè)備的安全管理進(jìn)行了研究，構(gòu)建了各類數(shù)字化安全管理系統(tǒng)，有效提高了我國(guó)制造業(yè)生產(chǎn)管理水平。李萌等提出了面向LNG 運(yùn)輸加注船的作業(yè)安全管理系統(tǒng)，綜合應(yīng)用數(shù)據(jù)、視頻等感知手段進(jìn)行信息融合，為作業(yè)人員提供安全輔助決策，極大提高了安全管理效率和水平。孫存虎研究了基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)械設(shè)備安全管理系統(tǒng)，重點(diǎn)了討論了大數(shù)據(jù)庫(kù)、編碼、傳感器等技術(shù)在安全管理系統(tǒng)中的應(yīng)用方法。朱孟周等提出基于數(shù)據(jù)挖掘的電網(wǎng)作業(yè)安全管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)挖掘和大數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)作業(yè)過(guò)程的安全評(píng)估與預(yù)測(cè)。許劍波提出了基于多元統(tǒng)計(jì)和多元敏感數(shù)學(xué)模型的煤礦用機(jī)電設(shè)備安全管理系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)理論對(duì)安全事故發(fā)生率進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估。

然而，目前還沒有能源鋁板帶設(shè)備安全管理系統(tǒng)的相關(guān)研究。如前所述，能源鋁板帶生產(chǎn)制造工藝復(fù)雜，需要使用大量不同類型的設(shè)備，出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)節(jié)眾多。因此，本文開展能源鋁板帶設(shè)備數(shù)字化安全管理系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)，提出該系統(tǒng)的功能需求、實(shí)施方案和功能設(shè)計(jì)，將有助于提高能源鋁板帶企業(yè)的安全管理水平。

1 安全管理系統(tǒng)需求分析與實(shí)施方案

1.1 安全管理系統(tǒng)的需求分析

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平與科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及人口、資源、環(huán)境等約束的不斷強(qiáng)化，制造業(yè)需要更高效、更自主、更精準(zhǔn)的生產(chǎn)，傳統(tǒng)制造模式已不能滿足日益復(fù)雜的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境。當(dāng)前，制造業(yè)正面臨著智能化的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，對(duì)制造業(yè)高效、安全、穩(wěn)定生產(chǎn)的要求不斷提高，企業(yè)對(duì)機(jī)械設(shè)備的安全管理也越來(lái)越重視，這對(duì)機(jī)械設(shè)備的智能化、安全管理的系統(tǒng)化、數(shù)字化提出了更高的要求。但是，大部分企業(yè)以往在生產(chǎn)車間建設(shè)過(guò)程中，對(duì)信息化、數(shù)字化、安全管理等方面考慮不足，這給后續(xù)的設(shè)備數(shù)字化安全管理系統(tǒng)建設(shè)帶來(lái)諸多困難。因此，對(duì)于已有車間的設(shè)備安全管理系統(tǒng)改造，或?qū)π萝囬g的安全管理系統(tǒng)規(guī)劃，必須充分考慮實(shí)際建設(shè)條件，從頂層進(jìn)行規(guī)劃，開展詳細(xì)的需求分析與功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)安全投入成本和經(jīng)濟(jì)效益的最佳配置。

能源鋁板帶企業(yè)的設(shè)備安全管理系統(tǒng)應(yīng)包含以下功能需求：

1.1.1 設(shè)備生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)采集

能源鋁板帶生產(chǎn)作為傳統(tǒng)制造業(yè)，企業(yè)在引進(jìn)機(jī)械設(shè)備過(guò)程中，主要關(guān)注的是設(shè)備功能、精度及能耗等指標(biāo)，對(duì)設(shè)備相關(guān)配套能力考慮不足，如是否提供對(duì)信息環(huán)境的支撐，是否具備數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)功能等，導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備主要單機(jī)運(yùn)行，難以將生產(chǎn)過(guò)程中生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)及分析。

因此，需要對(duì)能源鋁板帶生產(chǎn)的相關(guān)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化改造，布置不同類型的傳感器對(duì)設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，為后續(xù)的安全評(píng)估與決策提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.1.2 生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控與評(píng)估

能源鋁板帶生產(chǎn)中機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過(guò)程信息的準(zhǔn)確性和一致性，直接關(guān)系到生產(chǎn)作業(yè)的安全性以及最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

因此，為確保能源鋁板帶生產(chǎn)過(guò)程處于受控狀態(tài)，必須對(duì)直接或間接影響產(chǎn)品質(zhì)量和安全的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。一旦設(shè)備出現(xiàn)異常狀態(tài)，系統(tǒng)需及時(shí)識(shí)別到相關(guān)數(shù)據(jù)的變化，并進(jìn)行報(bào)警信息提示和緊急處置。如圖1所示，對(duì)于循環(huán)風(fēng)機(jī)，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)時(shí)主機(jī)頻率和電流數(shù)據(jù)的采集來(lái)判斷風(fēng)機(jī)是否處于正常工作狀態(tài)，若運(yùn)行數(shù)據(jù)異常，作業(yè)人員必須立即進(jìn)行檢查和處理，以避免風(fēng)機(jī)排氣不暢而導(dǎo)致燃燒爆炸。

圖1： 循環(huán)風(fēng)機(jī)主機(jī)數(shù)據(jù)采集

1.1.3 故障診斷

能源鋁板帶生產(chǎn)設(shè)備（如鋁材退火爐組、熱軋機(jī)電控系統(tǒng)等）是典型的機(jī)電液一體化產(chǎn)品。其結(jié)構(gòu)與工作原理非常復(fù)雜，并且由于長(zhǎng)時(shí)間在高溫高壓的環(huán)境下工作，性能衰退規(guī)律各異，表現(xiàn)出的故障也是多種多樣，既有因設(shè)備硬件缺陷和性能惡化所引起的，也有因系統(tǒng)軟件及外在環(huán)境所引起的，還有因操作不當(dāng)所引起的故障。這些故障相互交織影響，給維修人員的正確診斷帶來(lái)極大困難。

因此，系統(tǒng)應(yīng)該具備故障診斷功能，能夠根據(jù)采集到的設(shè)備數(shù)據(jù)及異常表現(xiàn)快速診斷故障發(fā)生的原因、預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的故障及變化趨勢(shì)，并最終給出適合的處理方案。

1.1.4 維修操作指導(dǎo)

維修維護(hù)是確保能源鋁板帶生產(chǎn)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要工作，傳統(tǒng)的紙質(zhì)維修操作手冊(cè)利用二維圖紙和文字來(lái)描述維修工作，維修人員難以理解維修過(guò)程且紙質(zhì)文檔難以保存，嚴(yán)重影響維修維護(hù)工作的正常進(jìn)行，不僅會(huì)延長(zhǎng)設(shè)備停機(jī)時(shí)間，還增加了安全隱患。

因此，系統(tǒng)應(yīng)該具備數(shù)字化的維修操作指導(dǎo)功能，維修人員通過(guò)三維可視化模型和動(dòng)畫，直觀理解設(shè)備的工作原理和維修步驟，可極大提高維修維護(hù)工作的效率和準(zhǔn)確性。

1.1.5 設(shè)備維護(hù)履歷

能源鋁板帶生產(chǎn)中主要機(jī)械設(shè)備的使用壽命長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年，在使用過(guò)程中，機(jī)械設(shè)備會(huì)歷經(jīng)大小多達(dá)幾十次的維修維護(hù)工作，涉及維修保養(yǎng)、更換和改造等過(guò)程，如冷軋機(jī)維修，電機(jī)與電線等零部件更換，熱軋機(jī)乳液潤(rùn)滑系統(tǒng)優(yōu)化改造。

因此，系統(tǒng)應(yīng)具備設(shè)備維護(hù)履歷功能，詳細(xì)記錄每一次的維修維護(hù)內(nèi)容，相關(guān)信息將有助于未來(lái)的備件采購(gòu)、維修時(shí)間預(yù)測(cè)和故障診斷等。如圖2 所示，為保證進(jìn)出爐膛或站在爐門下的維修人員的安全以及保障進(jìn)出料動(dòng)作的正常完成，爐門升降機(jī)上配備有2 個(gè)氣動(dòng)安全銷，若安全銷失效會(huì)導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)并對(duì)維修人員帶來(lái)生命危險(xiǎn)。為保證氣動(dòng)安全銷的正常工作，需定期進(jìn)行檢查和更換，而通過(guò)設(shè)備維護(hù)履歷，維修人員可以快速查看下次維修時(shí)間和備件到貨信息。

圖2： 爐門升降機(jī)示意圖

1.1.6 系統(tǒng)功能擴(kuò)展

為了滿足日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境以及持續(xù)變化的客戶需求，能源鋁板帶生產(chǎn)企業(yè)需及時(shí)對(duì)制造工藝進(jìn)行調(diào)整，因而會(huì)將部分機(jī)械設(shè)備進(jìn)行升級(jí)和更換，而安全管理系統(tǒng)應(yīng)能支持上述變化。

因此，系統(tǒng)應(yīng)具備擴(kuò)展功能，能夠?qū)ο到y(tǒng)中的相關(guān)功能模塊進(jìn)行擴(kuò)展，如支持新設(shè)備數(shù)據(jù)接口的增加、設(shè)備故障模型的輸入，以滿足新設(shè)備、新工藝下的安全管理需求。

1.1.7 基礎(chǔ)應(yīng)用功能

為了滿足操作人員的日常使用，系統(tǒng)應(yīng)具備相應(yīng)的基礎(chǔ)應(yīng)用功能，如用戶管理功能、數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能、網(wǎng)絡(luò)管理功能、設(shè)備接口管理功能等。

1.2 安全管理系統(tǒng)的實(shí)施方案

針對(duì)目前能源鋁板帶設(shè)備安全管理中存在的問(wèn)題，本文借助數(shù)字化手段開展安全管理系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)，在完成數(shù)字化安全管理系統(tǒng)建設(shè)后，將有效保障機(jī)械設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，減少安全隱患，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，并提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，其技術(shù)路線如圖3 所示。

圖3： 技術(shù)路線圖

首先，針對(duì)面臨的安全管理問(wèn)題，對(duì)能源鋁板帶生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)研，梳理能源鋁板帶制造工藝流程，明確主要機(jī)械設(shè)備的功能、主要參數(shù)、生產(chǎn)過(guò)程中的主要安全風(fēng)險(xiǎn)，以及安全管理相關(guān)的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)與歷史數(shù)據(jù)。然后，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)條件制定數(shù)字化安全管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，主要包括三個(gè)方面的內(nèi)容：設(shè)備數(shù)據(jù)采集與狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷與維修操作指導(dǎo)、數(shù)據(jù)綜合處理與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警；其中，后者是前兩者的基礎(chǔ)，即數(shù)據(jù)綜合處理與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模塊能夠?qū)⑺鸭降脑O(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)與已有存儲(chǔ)信息進(jìn)行結(jié)合，并通過(guò)數(shù)據(jù)的綜合分析對(duì)出現(xiàn)的故障及潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行診斷及預(yù)警。最后，開展數(shù)字化安全管理系統(tǒng)的集成與應(yīng)用，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況對(duì)已有設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

2 安全管理系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1 安全管理系統(tǒng)的主要功能

根據(jù)對(duì)能源鋁板帶設(shè)備安全管理系統(tǒng)的需求分析，對(duì)安全管理系統(tǒng)的三個(gè)主要功能設(shè)計(jì)如下：

2.1.1 設(shè)備數(shù)據(jù)采集與狀態(tài)監(jiān)控

分析能源鋁板帶機(jī)械設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)、功能特點(diǎn)、主要參數(shù)，以及對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)安全的影響后，確定需要獲取的主要生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)。對(duì)于信息化程度較高的機(jī)械設(shè)備，本身已具備大量數(shù)據(jù)采集裝置，直接將信息傳入安全管理系統(tǒng)即可，如退火爐控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)采集爐中溫度、工藝參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息。而對(duì)于部分信息化程度較低的機(jī)械設(shè)備，需要安裝相應(yīng)傳感器后才能獲取設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

在此基礎(chǔ)上，如圖4 所示，構(gòu)建車間級(jí)局域網(wǎng)絡(luò)，將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接至設(shè)備的各個(gè)傳感器，通過(guò)OPC 服務(wù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息的實(shí)時(shí)采集與傳輸；構(gòu)建設(shè)備監(jiān)控模塊，基于采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)、加工效率及健康狀態(tài)等信息。

圖4： 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控

2.1.2 故障診斷與維修指導(dǎo)

如圖5 所示，基于故障診斷理論與已有的故障歷史數(shù)據(jù)，建立能源鋁板帶機(jī)械設(shè)備及主要功能部件的故障類型庫(kù)，故障診斷專家知識(shí)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)故障樹構(gòu)建與推理方法，快速診斷發(fā)生故障的零部件位置和原因并推送維修方案。在維修操作指導(dǎo)模塊中，通過(guò)三維可視化方式向作業(yè)人員展示維修操作方案，包括設(shè)備的拆裝順序、使用工具和注意事項(xiàng)等。

圖5： 設(shè)備故障診斷與預(yù)測(cè)

2.1.3 數(shù)據(jù)綜合處理與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

如圖6 所示，數(shù)據(jù)綜合處理與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模塊是前兩部分功能的后臺(tái)，數(shù)字化安全管理系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)信息都存儲(chǔ)于該模塊中。通過(guò)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，確定故障和風(fēng)險(xiǎn)并提出實(shí)時(shí)預(yù)警信息。

圖6： 數(shù)據(jù)綜合處理與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

2.2 主要功能的界面設(shè)計(jì)

基于上述研究，對(duì)安全管理系統(tǒng)的主要功能界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，本節(jié)對(duì)其中的部分界面進(jìn)行介紹。如圖7 所示，用戶登錄系統(tǒng)后，在界面左側(cè)導(dǎo)航欄中可以選擇進(jìn)入安全管理系統(tǒng)的不同功能模塊。當(dāng)點(diǎn)擊“設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)”模塊時(shí)，界面右側(cè)將彈出相應(yīng)界面，用戶在設(shè)備列表中選擇需要查看的設(shè)備，界面將自動(dòng)切換顯示該設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息。

圖7： 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)界面

當(dāng)點(diǎn)擊左側(cè)導(dǎo)航欄中的“故障歷史數(shù)據(jù)”模塊時(shí)，界面右側(cè)會(huì)彈出能源鋁板帶機(jī)械設(shè)備的所有故障歷史數(shù)據(jù)。用戶在在該界面中可以用時(shí)間、處理人等為關(guān)鍵字搜索以往故障信息及處理措施。同時(shí)，界面支持對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行修改和刪除，并能增加新的故障信息。

3 小結(jié)

本文以能源鋁板帶生產(chǎn)為對(duì)象，對(duì)設(shè)備數(shù)字化安全管理系統(tǒng)進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)。根據(jù)能源鋁板帶生產(chǎn)特點(diǎn)，對(duì)安全管理系統(tǒng)進(jìn)行了需求分析，明確了系統(tǒng)主要功能，并提出了安全管理系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)施方案。在此基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)的主要功能進(jìn)行了分析和界面設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用提供了支撐。