選煤廠設(shè)備健康系統(tǒng)智能化研究

鄭維國，朱建軍

(泰戈特(北京)工程技術(shù)有限公司，北京 100022)

1 研究背景

設(shè)備健康系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，在物聯(lián)網(wǎng)、民用飛機、雷達系統(tǒng)、飛行器、汽車電子、機械制造等行業(yè)都有應(yīng)用，重要設(shè)備的有效健康管理保證了系統(tǒng)的高效安全運轉(zhuǎn)。當前選煤廠智能化在國家兩化融合的春風(fēng)中爭相綻放，在信息化浪潮中各種技術(shù)百家爭鳴，眾多廠家從多個角度展望選煤廠智能化的未來。選煤廠智能化發(fā)展的基礎(chǔ)是設(shè)備智能化與系統(tǒng)智能化的建設(shè)，設(shè)備智能化有2個方面：一是設(shè)備選型時設(shè)備本身智能化，這在選煤廠初建時基本達到要求；二是使用中保證智能化設(shè)備的正常運行，保證設(shè)備正常運行的條件是設(shè)備健康且穩(wěn)定可靠。因此研究選煤廠設(shè)備健康系統(tǒng)智能化具有實用價值。

2 選煤廠設(shè)備健康系統(tǒng)現(xiàn)狀

選煤廠目前設(shè)備健康系統(tǒng)發(fā)展狀況良莠不齊，智能化方向主要是通過離線與在線檢測設(shè)備驅(qū)動電機與減速箱等傳動部分的溫度與振動值，利用檢測值判斷設(shè)備這些部位的健康狀況。設(shè)備健康系統(tǒng)離線檢測最早開始應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場，通過在現(xiàn)場設(shè)備附近位置粘貼設(shè)備牌，巡檢人員攜帶點檢儀，在巡檢中通過手動檢測設(shè)備溫度、振動值，關(guān)鍵位置可以拍照、錄像。待巡檢人員回到辦公室后，連接后臺服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)，在點檢系統(tǒng)軟件模塊內(nèi)完成對應(yīng)數(shù)值處理及分析診斷功能。手動點檢儀的增強版是應(yīng)用點檢儀無線WiFi或移動SIM卡功能，人工在現(xiàn)場用手持點檢儀檢測到設(shè)備數(shù)值后直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)近c檢后臺服務(wù)器軟件系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)處理。在線檢測就是通過有線、無線或有線無線混合的通信方式將檢測值實時上傳，減少人員干預(yù)。這種方式檢測是在現(xiàn)場設(shè)備上安裝檢測傳感器，消除了人為點檢隨機因素，不足之處是不能實時拍照，在需要圖像時還需人工方式現(xiàn)場處理。在線式設(shè)備健康檢測，可以時刻檢測，連續(xù)性好，報警靈敏度得以提高。當前市場上設(shè)備健康數(shù)據(jù)檢測基本都在使用這種拓撲進行數(shù)據(jù)采集(見圖1)，因設(shè)備健康數(shù)據(jù)檢測就像醫(yī)生看病一樣，“望聞問切”后得到的信息就是各種傳感器檢測到的數(shù)值，醫(yī)生診斷病因并給出處方，而醫(yī)生的醫(yī)術(shù)及專業(yè)知識才是解決病情的核心。設(shè)備健康系統(tǒng)也一樣，檢測數(shù)值收集后利用數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)備問題及解決方案才是設(shè)備健康系統(tǒng)的核心意義所在。

圖1 設(shè)備健康系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲

3 設(shè)備健康發(fā)展研究

關(guān)于選煤廠設(shè)備健康預(yù)測預(yù)防的優(yōu)點，選煤行業(yè)的認可度基本一致：提前預(yù)測、預(yù)防及做好維保，合理安排設(shè)備檢修時間，減少設(shè)備突發(fā)故障維修，保證設(shè)備的完好性，最終減少故障停產(chǎn)時間，提高生產(chǎn)效率，降低備品備件的數(shù)量，優(yōu)化庫存物資，提高經(jīng)濟效益。因此設(shè)備健康數(shù)據(jù)檢測不論是離線式還是在線式，關(guān)鍵還是對取得的數(shù)據(jù)進行科學(xué)的分析處理，通過大數(shù)據(jù)智能分析設(shè)備性能狀態(tài)，有針對性地“下處方”，通過數(shù)據(jù)分析提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的故障隱患點，給與針對性的維修處理，保證設(shè)備正常工作，盡量減少故障停產(chǎn)時間，才是保持設(shè)備健康最終之目的。所以設(shè)備健康的研究方向是如何檢測設(shè)備數(shù)據(jù)，怎樣利用數(shù)據(jù)分析，通過數(shù)學(xué)建模和函授算法預(yù)測設(shè)備存在的問題，并給出針對性的解決方案才是選煤廠設(shè)備健康研究的重點。

3.1 正確的檢測傳感技術(shù)

檢測數(shù)據(jù)的準確度、檢測方式、傳感器數(shù)量、測控技術(shù)的成熟性及安裝方式是決定后續(xù)設(shè)備健康數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)。目前市場的主流以溫度、振動傳感器在線檢測為主，手動點檢復(fù)核為輔(見圖2)，通過這2類傳感器檢測數(shù)據(jù)，測算可能故障隱患，無論是設(shè)備的機械故障還是電氣故障，這方面具有一定的籠統(tǒng)性和片面性，這也降低了設(shè)備健康診斷的準確性。因術(shù)業(yè)有專攻，用這2組數(shù)據(jù)檢測判斷設(shè)備的所有故障與缺陷，明顯不具有代表性。通過對多家公司健康診斷系統(tǒng)的調(diào)研，比較專業(yè)的公司做得比較成熟，在實際設(shè)備健康應(yīng)用中，能夠提供專業(yè)的檢測傳感器，配以科學(xué)的安裝，同時對數(shù)據(jù)檢測的準確度影響有深入的數(shù)據(jù)分析，確實能夠在自己專業(yè)的領(lǐng)域通過數(shù)模分析，較準確地給出設(shè)備的健康問題，提前給出診斷結(jié)果。如電動機磁感技術(shù)，傳動機械機構(gòu)的油質(zhì)分析等，都有其獨到之處，再結(jié)合溫度、振動傳感器數(shù)據(jù)，靶向定位故障問題準確。

圖2 傳感器安裝位置示意

目前研究傳感器技術(shù)對設(shè)備健康數(shù)據(jù)的檢測非常重要，精細化趨勢非常明顯，專業(yè)公司由于對設(shè)備有深入的了解，依據(jù)掌握的專業(yè)知識，數(shù)據(jù)檢測有其獨到之處。各專業(yè)公司檢測傳感器類型比較多，使得設(shè)備健康檢測多樣化、復(fù)雜化，標準不統(tǒng)一，整合多個專業(yè)公司系統(tǒng)到一個設(shè)備管理健康平臺的難度非常大。這個問題是設(shè)備健康檢測發(fā)展中的痛點之一，目前許多用戶還沒有意識到檢測傳感器的專業(yè)性。以后設(shè)備傳感器就與看病一樣，目前的溫度、振動檢測就像人體的測溫、B超一樣，只是模糊確定一個方向性。要準確定位，查出主要原因并對癥下藥，傳感測控技術(shù)像醫(yī)學(xué)的CT、MBR檢測技術(shù)一樣，對設(shè)備從外到里的準確檢查，將設(shè)備的健康問題吃透，有目標性地徹底解決，這是設(shè)備健康檢測未來關(guān)鍵技術(shù)的突破方向。

3.2 設(shè)備故障預(yù)測與分析過程

在選煤廠智能化的發(fā)展趨勢下，結(jié)合人工智能對設(shè)備進行故障預(yù)測和剩余壽命預(yù)測，實現(xiàn)單臺設(shè)備的精準維護，形成選煤廠的標配系統(tǒng)之一。設(shè)備健康管理的目標是減少非計劃停機，保障生產(chǎn)平穩(wěn)運行，減少維護不足和過度維護的次數(shù)，對設(shè)備部件使用壽命更加準確的評估和預(yù)測，避免提前更換。故障預(yù)測及維護模式的目標如圖3所示。

設(shè)備健康管理系統(tǒng)中設(shè)備檢測信號數(shù)據(jù)分析，流行的檢測傳感器是振動與溫度，核心是振動傳感器。因分析震動信號可以提前預(yù)知軸承的磨損情況，根據(jù)不同的故障，振動特性不同，通過正向?qū)W習(xí)分析，反向推理，應(yīng)用高頻(10 K以上)采集，極大地提高了分析的精確性。根據(jù)ISO10816-3國際標準，參考值如圖4所示。

圖3 預(yù)測性維護分析及系統(tǒng)功能示意

圖4 ISO 10816-3國際標準

選煤行業(yè)一般常見設(shè)備主要檢測電機、減速機、風(fēng)機和泵等旋轉(zhuǎn)設(shè)備，重點分析其損壞前的征兆?？勺R別的故障：

(1)機械損傷：共振、不平衡、軸承損傷、齒嚙合故障、錯位、葉片通過頻率。

(2)電氣故障：定子磁場故障、轉(zhuǎn)子銅條斷裂。

(3)電機損壞：電機損壞的典型分析如圖5所示。

基于檢測及故障定性的基礎(chǔ)上，通過對設(shè)備連續(xù)進行監(jiān)視，收集數(shù)據(jù)，然后對監(jiān)視數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)合故障預(yù)測過程的理論知識，對設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視進行分析，如圖6、圖7所示。

3.3 數(shù)據(jù)分析

由于通信技術(shù)的成熟性，目前無論在線還是離線，都能把數(shù)據(jù)成功傳輸，只不過數(shù)據(jù)采樣周期根據(jù)系統(tǒng)容量不同而已?？茖W(xué)設(shè)置或規(guī)定數(shù)據(jù)采樣周期，在線式檢測方式的優(yōu)勢明顯。當前不論采用哪種方式把大量的檢測數(shù)據(jù)采集到系統(tǒng)服務(wù)器，通過后臺專用軟件對數(shù)據(jù)進行數(shù)模分析(見圖8)，都是各廠家基本遵循的原則。目前數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的有線及無線通信技術(shù)、IT技術(shù)都具有通用性，而設(shè)備健康管理的實質(zhì)是準確地數(shù)據(jù)采集，并對數(shù)據(jù)進行專業(yè)性地分析，這需要對設(shè)備某個分部配件制造設(shè)計進行深度研究，如減速器設(shè)備，并建立起豐富的大數(shù)據(jù)庫，這樣數(shù)據(jù)采集建模后才有對比，且能應(yīng)用專業(yè)的設(shè)計制造及維護經(jīng)驗進行快速診斷，給出正確的處理意見。從實例項目數(shù)據(jù)分析的調(diào)研結(jié)果看，專業(yè)公司設(shè)備健康診斷數(shù)據(jù)來源及依據(jù)較可靠，故障點預(yù)測具有一定的利用價值。數(shù)據(jù)分析存在的難點是專業(yè)公司的大數(shù)據(jù)庫由于商業(yè)市場競爭原因，不愿意開放，具有技術(shù)保密性，不能與整臺設(shè)備的其它部分廠家數(shù)據(jù)共享，使得各廠家設(shè)備健康系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分析平臺建設(shè)有重復(fù)化、同質(zhì)化、無統(tǒng)一標準的傾向。

圖5 電機損壞分析

圖6 設(shè)備狀態(tài)分析方法

圖7 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視單線

圖8 軟件數(shù)模分析

目前設(shè)備健康系統(tǒng)理論數(shù)模分析方法一般采用頻域法、磁場法、油質(zhì)品相法、溫度與材質(zhì)關(guān)系曲線、溫度與傳動部分的技術(shù)參數(shù)關(guān)系曲線等方法。應(yīng)用專業(yè)的分析方法，專業(yè)公司對專業(yè)知識深度掌控，數(shù)學(xué)建模較成熟，應(yīng)用產(chǎn)學(xué)研結(jié)合將頻譜、溫度、色度、磁場等前沿的學(xué)術(shù)知識予以匯總建模，數(shù)據(jù)曲線偏差分析較準確，預(yù)測性故障判斷具有一定的前瞻性。實際應(yīng)用中的軟件平臺將理論知識進行轉(zhuǎn)化，在健康管理系統(tǒng)中對大量的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理，相關(guān)處理方法包括：數(shù)據(jù)濾波、簡單閾值判定、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、故障診斷方法、壽命預(yù)測算法、維修決策方法等。選煤廠設(shè)備數(shù)據(jù)檢測后的結(jié)果同樣適用于專業(yè)公司的規(guī)模數(shù)據(jù)庫，所有專業(yè)公司的數(shù)據(jù)庫就是一本“百科全書”，將設(shè)備檢測數(shù)據(jù)分析的結(jié)果在“百科全書”中能找到對應(yīng)的解決策略，這樣的結(jié)果也可達到選煤廠設(shè)備健康診斷的智能化目標。各集團公司下屬選煤廠從長遠的目標發(fā)展，請專業(yè)廠家建立自己的設(shè)備健康系統(tǒng)，集團公司將下屬選煤廠建立的設(shè)備健康數(shù)據(jù)檢測、診斷過程、解決方案等信息資料進行采集匯總，將數(shù)據(jù)以私有云的方式存儲在集團信息中心，建立完善適合集團公司選煤設(shè)備健康的私有云“百科全書”及大數(shù)據(jù)庫，使得集團公司內(nèi)所有設(shè)備健康檔案可實時查看，達到真正的預(yù)測、預(yù)防、維護、供應(yīng)鏈優(yōu)化，降低設(shè)備故障率、提高備件利用率、減少生產(chǎn)線故障停機時間的目的，最終促進企業(yè)提高決策效率、使得經(jīng)濟效益最大化。

3.4 方案解決

選煤廠設(shè)備健康方案解決是基于傳感測控技術(shù)與數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上展開。煤炭行業(yè)各集團公司設(shè)備選型后直接決定了后續(xù)設(shè)備健康系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模，所以不同的集團公司選煤廠需要個性化定制建設(shè)，解決方案要符合集團內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備的實際情況，然后分解設(shè)備，應(yīng)用ABC分類法，選擇對應(yīng)專業(yè)設(shè)備健康公司，前期共同診斷，輔助建立集團公司的私有云設(shè)備健康檔案，逐步收集完善集團內(nèi)部設(shè)備健康百科全書。集團MER系統(tǒng)整合資源，將設(shè)備健康內(nèi)容填充進入系統(tǒng)，導(dǎo)入各下屬選煤廠，完成各選煤廠個性化設(shè)備健康系統(tǒng)。應(yīng)用上述思路可一攬子解決選煤廠設(shè)備健康系統(tǒng)全壽命周期管理。

另外一種解決方案就是合作共贏，由專業(yè)公司入駐，專業(yè)公司做專業(yè)設(shè)備健康分析，給企業(yè)提供一攬子解決辦法。但是，企業(yè)將面臨設(shè)備健康系統(tǒng)多平臺化建設(shè)，大量協(xié)調(diào)各專業(yè)公司之間的通訊接口、問題職責(zé)劃分、協(xié)調(diào)管理工作量加大等一系列問題。

4 設(shè)備健康應(yīng)用及展望

目前在2025智能制造，大數(shù)據(jù)、云計算、機器深度學(xué)習(xí)認知化的大環(huán)境下，炙熱的設(shè)備健康系統(tǒng)建設(shè)，使得各行各業(yè)都在嘗試、試驗及探求突破，各廠商都提出通過專業(yè)化多年的經(jīng)驗，深度學(xué)習(xí)，完全能夠定位設(shè)備健康狀況及解決辦法，但市場上仍存在良莠不齊。展望未來，隨著傳感技術(shù)、測控技術(shù)、射線成像、AI智能視頻分析等先進技術(shù)的發(fā)展，相信在實時監(jiān)測分析軟件加專業(yè)監(jiān)測設(shè)備的基礎(chǔ)上，設(shè)備健康檢查就和醫(yī)院流程檢查一樣，完全能夠定性定量的為設(shè)備做出全面的健康報告，服務(wù)于各工業(yè)現(xiàn)場，使生產(chǎn)設(shè)備良好運行，降低損耗，最終達到很好的社會與經(jīng)濟效益。