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

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械設(shè)備，如燃?xì)馊蹱t、冷軋機、保溫爐、鑄造機、循環(huán)風(fēng)機等。這些機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，且長期處于高溫高壓的工作環(huán)境中，潛在危險多、故障識別難度高、維修保養(yǎng)困難，給機械設(shè)備的安全管理帶來極大挑戰(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、數(shù)據(jù)處理與分析，存在可靠性差、效率低、安全隱患多等問題。對于一些潛在安全隱患，若未能及時發(fā)現(xiàn)和正確處理，極易造成嚴(yán)重后果，對作業(yè)人員的生命健康帶來極大危害。例如，當(dāng)通風(fēng)設(shè)備未正常工作時，作業(yè)人員難以及時檢出，會造成局部廢氣超標(biāo)，一旦具備燃燒條件就會發(fā)生燃燒爆炸。此外，若未及時對冷軋機、鑄造機、物流運輸?shù)仍O(shè)備進(jìn)行維修維護，可能發(fā)生撞傷人員、軋傷作業(yè)人員等危險。

智能制造是未來制造業(yè)發(fā)展的趨勢，其目標(biāo)是通過將物聯(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，從而提高機械設(shè)備的安全管理水平，這對于確保機械設(shè)備安全穩(wěn)定運行，減少安全隱患，延長設(shè)備使用壽命，提高企業(yè)經(jīng)濟效益具有重要意義。

目前，國內(nèi)眾多學(xué)者對機械設(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)，有效提高了我國制造業(yè)生產(chǎn)管理水平。李萌等提出了面向LNG 運輸加注船的作業(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)的機械設(shè)備安全管理系統(tǒng)，重點了討論了大數(shù)據(jù)庫、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)計方法，通過對數(shù)據(jù)挖掘和大數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合，實現(xiàn)對電網(wǎng)作業(yè)過程的安全評估與預(yù)測。許劍波提出了基于多元統(tǒng)計和多元敏感數(shù)學(xué)模型的煤礦用機電設(shè)備安全管理系統(tǒng)，通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計理論對安全事故發(fā)生率進(jìn)行預(yù)測評估。

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，提出該系統(tǒng)的功能需求、實施方案和功能設(shè)計，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)需求分析與實施方案

1.1 安全管理系統(tǒng)的需求分析

隨著社會經(jīng)濟水平與科學(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)雜的競爭環(huán)境。當(dāng)前，制造業(yè)正面臨著智能化的機遇和挑戰(zhàn)，對制造業(yè)高效、安全、穩(wěn)定生產(chǎn)的要求不斷提高，企業(yè)對機械設(shè)備的安全管理也越來越重視，這對機械設(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)過程中，對信息化、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)帶來諸多困難。因此，對于已有車間的設(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，實現(xiàn)安全投入成本和經(jīng)濟效益的最佳配置。

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)信息實時采集

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

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

1.1.2 生產(chǎn)過程監(jiān)控與評估

能源鋁板帶生產(chǎn)中機械設(shè)備運行過程信息的準(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)過程處于受控狀態(tài)，必須對直接或間接影響產(chǎn)品質(zhì)量和安全的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)控。一旦設(shè)備出現(xiàn)異常狀態(tài)，系統(tǒng)需及時識別到相關(guān)數(shù)據(jù)的變化，并進(jìn)行報警信息提示和緊急處置。如圖1所示，對于循環(huán)風(fēng)機，通過對生產(chǎn)時主機頻率和電流數(shù)據(jù)的采集來判斷風(fēng)機是否處于正常工作狀態(tài)，若運行數(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)機排氣不暢而導(dǎo)致燃燒爆炸。

圖1： 循環(huán)風(fēng)機主機數(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、熱軋機電控系統(tǒng)等）是典型的機電液一體化產(chǎn)品。其結(jié)構(gòu)與工作原理非常復(fù)雜，并且由于長時間在高溫高壓的環(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)測可能出現(xiàn)的故障及變化趨勢，并最終給出適合的處理方案。

1.1.4 維修操作指導(dǎo)

維修維護是確保能源鋁板帶生產(chǎn)設(shè)備安全穩(wěn)定運行的重要工作，傳統(tǒng)的紙質(zhì)維修操作手冊利用二維圖紙和文字來描述維修工作，維修人員難以理解維修過程且紙質(zhì)文檔難以保存，嚴(yán)重影響維修維護工作的正常進(jìn)行，不僅會延長設(shè)備停機時間，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，維修人員通過三維可視化模型和動畫，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工作的效率和準(zhǔn)確性。

1.1.5 設(shè)備維護履歷

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

因此，系統(tǒng)應(yīng)具備設(shè)備維護履歷功能，詳細(xì)記錄每一次的維修維護內(nèi)容，相關(guān)信息將有助于未來的備件采購、維修時間預(yù)測和故障診斷等。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)出料動作的正常完成，爐門升降機上配備有2 個氣動安全銷，若安全銷失效會導(dǎo)致設(shè)備停機并對維修人員帶來生命危險。為保證氣動安全銷的正常工作，需定期進(jìn)行檢查和更換，而通過設(shè)備維護履歷，維修人員可以快速查看下次維修時間和備件到貨信息。

圖2： 爐門升降機示意圖

1.1.6 系統(tǒng)功能擴展

為了滿足日益激烈的市場競爭環(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)需及時對制造工藝進(jìn)行調(diào)整，因而會將部分機械設(shè)備進(jìn)行升級和更換，而安全管理系統(tǒng)應(yīng)能支持上述變化。

因此，系統(tǒng)應(yīng)具備擴展功能，能夠?qū)ο到y(tǒng)中的相關(guān)功能模塊進(jìn)行擴展，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)的實施方案

針對目前能源鋁板帶設(shè)備安全管理中存在的問題，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，在完成數(shù)字化安全管理系統(tǒng)建設(shè)后，將有效保障機械設(shè)備安全穩(wěn)定運行，減少安全隱患，延長設(shè)備的使用壽命，并提高企業(yè)經(jīng)濟效益，其技術(shù)路線如圖3 所示。

圖3： 技術(shù)路線圖

首先，針對面臨的安全管理問題，對能源鋁板帶生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)研，梳理能源鋁板帶制造工藝流程，明確主要機械設(shè)備的功能、主要參數(shù)、生產(chǎn)過程中的主要安全風(fēng)險，以及安全管理相關(guān)的知識經(jīng)驗與歷史數(shù)據(jù)。然后，結(jié)合實際生產(chǎn)條件制定數(shù)字化安全管理系統(tǒng)設(shè)計方案，主要包括三個方面的內(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)險預(yù)警模塊能夠?qū)⑺鸭降脑O(shè)備實時運行數(shù)據(jù)與已有存儲信息進(jìn)行結(jié)合，并通過數(shù)據(jù)的綜合分析對出現(xiàn)的故障及潛在風(fēng)險進(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)實際應(yīng)用情況對已有設(shè)計方案進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

2 安全管理系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1 安全管理系統(tǒng)的主要功能

根據(jù)對能源鋁板帶設(shè)備安全管理系統(tǒng)的需求分析，對安全管理系統(tǒng)的三個主要功能設(shè)計如下：

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

分析能源鋁板帶機械設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)、功能特點、主要參數(shù)，以及對產(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)運行數(shù)據(jù)。對于信息化程度較高的機械設(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)能實時采集爐中溫度、工藝參數(shù)、設(shè)備運行狀態(tài)等信息。而對于部分信息化程度較低的機械設(shè)備，需要安裝相應(yīng)傳感器后才能獲取設(shè)備的運行數(shù)據(jù)。

在此基礎(chǔ)上，如圖4 所示，構(gòu)建車間級局域網(wǎng)絡(luò)，將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點連接至設(shè)備的各個傳感器，通過OPC 服務(wù)實現(xiàn)設(shè)備信息的實時采集與傳輸；構(gòu)建設(shè)備監(jiān)控模塊，基于采集到的數(shù)據(jù)實時顯示設(shè)備的運行數(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)，建立能源鋁板帶機械設(shè)備及主要功能部件的故障類型庫，故障診斷專家知識庫和歷史數(shù)據(jù)庫。通過故障樹構(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等。

圖5： 設(shè)備故障診斷與預(yù)測

2.1.3 數(shù)據(jù)綜合處理與風(fēng)險預(yù)警

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

圖6： 數(shù)據(jù)綜合處理與風(fēng)險預(yù)警

2.2 主要功能的界面設(shè)計

基于上述研究，對安全管理系統(tǒng)的主要功能界面進(jìn)行設(shè)計，本節(jié)對其中的部分界面進(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)點擊“設(shè)備運行狀態(tài)”模塊時，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，界面將自動切換顯示該設(shè)備的運行狀態(tài)信息。

圖7： 設(shè)備運行狀態(tài)界面

當(dāng)點擊左側(cè)導(dǎo)航欄中的“故障歷史數(shù)據(jù)”模塊時，界面右側(cè)會彈出能源鋁板帶機械設(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，界面支持對歷史數(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)為對象，對設(shè)備數(shù)字化安全管理系統(tǒng)進(jìn)行了研究與設(shè)計。根據(jù)能源鋁板帶生產(chǎn)特點，對安全管理系統(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)實施方案。在此基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的主要功能進(jìn)行了分析和界面設(shè)計，為系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用提供了支撐。