基于工業(yè)數(shù)據(jù)平臺(tái)的鋼鐵企業(yè)電氣智能化發(fā)展及應(yīng)用研究

周思敏

（三鋼閩光股份有限公司，福建 三明 365000）

工業(yè)數(shù)據(jù)平臺(tái)是將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)處理應(yīng)用平臺(tái)進(jìn)行結(jié)合的產(chǎn)物。它通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，形成跨系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流動(dòng)，結(jié)合大數(shù)據(jù)平臺(tái)的采集、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分層應(yīng)用的特點(diǎn)，滿足用戶全方位的數(shù)字化需求。

近年來(lái)，在國(guó)家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的政策下，鋼鐵行業(yè)中電力能源占比越來(lái)越大，電氣系統(tǒng)重要性不斷上升，對(duì)提高能源利用效益，降低系統(tǒng)故障率和維護(hù)成本提出了新的要求。

因此，利用工業(yè)數(shù)據(jù)平臺(tái)發(fā)展電氣智能化，主動(dòng)從有價(jià)值的數(shù)據(jù)中尋求提高管理水平，促進(jìn)電氣能源與生成的協(xié)同優(yōu)化的方法，提高企業(yè)的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

1 平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

工業(yè)數(shù)據(jù)平臺(tái)采用分層式架構(gòu)，主要包含邊緣層、基礎(chǔ)設(shè)施層（IaaS）、平臺(tái)層（PaaS）和應(yīng)用層（SaaS）。系統(tǒng)在滿足要求的安全防護(hù)體系下，從邊緣層終端設(shè)備或其他數(shù)據(jù)接口獲取原始數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器等其他企業(yè)服務(wù)總線設(shè)施，構(gòu)建數(shù)據(jù)高效轉(zhuǎn)化集成、數(shù)據(jù)模型存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)預(yù)處理、快速開(kāi)發(fā)工具、算法服務(wù)及各類組件庫(kù)的平臺(tái)層，再通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)接口，快速開(kāi)發(fā)企業(yè)各類需求的應(yīng)用，用戶僅需從同一門戶入口單點(diǎn)登錄，便可根據(jù)自身角色和權(quán)限使用相應(yīng)的功能模塊，滿足企業(yè)各方面的智能化管理需求。

2 工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)

2.1 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)接入能力

工業(yè)方面的數(shù)據(jù)主要分為3種類型，即現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)、生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)及外部數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)來(lái)自生產(chǎn)設(shè)備、機(jī)器、產(chǎn)品等方面的數(shù)據(jù)；生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)是指企業(yè)傳統(tǒng)信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如SCM、CRM、ERP、MES等；外部數(shù)據(jù)是指包括來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)的市場(chǎng)、環(huán)境、客戶、政府、供應(yīng)鏈等外部環(huán)境的信息和數(shù)據(jù)。上述數(shù)據(jù)皆可直接從相應(yīng)的端口及協(xié)議接入數(shù)據(jù)平臺(tái)。

2.2 數(shù)據(jù)利用高效、準(zhǔn)確、安全

從工業(yè)數(shù)據(jù)平臺(tái)接入的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理和存儲(chǔ)，可被上層特定應(yīng)用快速高效的用來(lái)進(jìn)行各種分析診斷功能，分析過(guò)程不依賴于人的判斷，結(jié)果準(zhǔn)確可靠；整套系統(tǒng)裝備信息安全防護(hù)體系，能夠確保內(nèi)部系統(tǒng)不被入侵破壞，敏感數(shù)據(jù)不外泄。

2.3 應(yīng)用層功能全面、可拓展性好

基于標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)訂閱接口及應(yīng)用分層的設(shè)計(jì)，根據(jù)用戶需求，在應(yīng)用層部署通用的企業(yè)管理、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)、日常運(yùn)維和輔助監(jiān)控應(yīng)用等等功能模塊，基本涵蓋了企業(yè)運(yùn)行中涉及的研發(fā)設(shè)計(jì)、過(guò)程監(jiān)督、生產(chǎn)管理、工藝優(yōu)化、能耗管理以及創(chuàng)新性應(yīng)用。工業(yè)數(shù)據(jù)平臺(tái)也具備應(yīng)用程序二次開(kāi)發(fā)與集成功能，抑或?qū)ν忾_(kāi)放開(kāi)發(fā)者論壇和應(yīng)用商店，自主選購(gòu)功能模塊，極大提高企業(yè)業(yè)務(wù)效率。

3 鋼鐵企業(yè)電氣智能化發(fā)展和應(yīng)用

在建設(shè)企業(yè)信息化過(guò)程中，企業(yè)一般上線了眾多專業(yè)的智能信息化系統(tǒng)，產(chǎn)生了眾多信息孤島和多專業(yè)海量的數(shù)據(jù)?；诠I(yè)互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)應(yīng)用管理平臺(tái)能夠解決上述問(wèn)題。統(tǒng)一門戶，單點(diǎn)登錄，集成若干個(gè)異構(gòu)系統(tǒng)，滿足現(xiàn)場(chǎng)數(shù)十萬(wàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接入和百路以上的視頻接入，能夠?qū)?shù)萬(wàn)個(gè)設(shè)備單獨(dú)建模，擁有平臺(tái)大數(shù)據(jù)分析算法庫(kù)，可快速依靠平臺(tái)組件開(kāi)發(fā)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障預(yù)測(cè)分析、參數(shù)尋優(yōu)、能源預(yù)測(cè)、產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)估分析等功能，構(gòu)建分布式多元對(duì)象化數(shù)據(jù)湖，滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全與效率。

3.1 鋼鐵企業(yè)電氣智能化升級(jí)

鋼鐵行業(yè)中的關(guān)鍵電氣設(shè)備一般智能化程度低，除了新采購(gòu)的設(shè)備外，都需要按照設(shè)備特點(diǎn)，安裝對(duì)應(yīng)的在線監(jiān)測(cè)傳感器，并從企業(yè)SCADA系統(tǒng)讀取相關(guān)監(jiān)測(cè)量，將所有數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行處理。一般可進(jìn)行智能化升級(jí)的設(shè)備有主變壓器、避雷器、中壓開(kāi)關(guān)柜、輸電電纜橋架、大功率旋轉(zhuǎn)電機(jī)、配電變壓器、無(wú)功補(bǔ)償裝置等。

3.2 電氣設(shè)備精益化模型算法

目前上線的多數(shù)所謂智能化系統(tǒng)多數(shù)僅能算是“自動(dòng)化采集系統(tǒng)”，大多只做了基本的閾值判斷，缺少基于工作機(jī)理的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)模型；也未從數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方向上對(duì)設(shè)備性能進(jìn)行診斷分析。下面以幾個(gè)關(guān)鍵電氣設(shè)備智能化為例討論電氣智能化的研究發(fā)展方向。

3.2.1 鋼鐵行業(yè)中主變壓器的健康診斷

主變壓器是企業(yè)用電的樞紐設(shè)備，對(duì)主變壓器的健康狀態(tài)分析，應(yīng)該從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析：（1）基于繞組熱點(diǎn)溫升的變壓器油紙絕緣壽命分析。變壓器以油紙作為其工作絕緣介質(zhì)，當(dāng)絕緣材料溫度升高時(shí)，其工作壽命急劇下降。因此以繞組最熱點(diǎn)的溫度作為評(píng)估變壓器絕緣壽命的參數(shù)，依據(jù)IEEE Std C57.91-2011標(biāo)準(zhǔn)中建議的方法，計(jì)算累計(jì)的等效老化時(shí)間，得到基于繞組熱點(diǎn)溫升的主變壓器的剩余壽命。（2）油中溶解氣體分析是主變壓器常用的故障監(jiān)測(cè)手段，能夠分析出明顯的局部放電、發(fā)熱和匝間短路等故障。但是當(dāng)變壓器初始油中氣體含量較少，且故障較輕，利用常規(guī)手段往往無(wú)法判斷。但是利用數(shù)據(jù)挖掘算法，利用多維氣體數(shù)據(jù)在高維空間中的聚類特性，識(shí)別高維空間數(shù)據(jù)狀態(tài)的躍變，進(jìn)而依據(jù)特征氣體法對(duì)故障定性分析。（3）變壓器油紙絕緣放電階段診斷技術(shù)。利用油紙絕緣材料在局部放電初期和局部放電快速劣化后期的平均放電量、單位放電次數(shù)、脈沖放電間隔等多指標(biāo)量的數(shù)據(jù)特征有著明顯區(qū)別，可判斷當(dāng)前產(chǎn)生的局部放電所處的放電階段，對(duì)于預(yù)警即將擊穿的嚴(yán)重放電有著重要作用。（4）基于數(shù)據(jù)分布規(guī)律偏移的預(yù)警功能。像變壓器鐵芯接地電流和套管絕緣監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)異常增大預(yù)示著可能存在的故障。對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行多參數(shù)高斯分布擬合，識(shí)別不同周期的數(shù)據(jù)是否有顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)。依據(jù)模型的概率密度分布特性，當(dāng)數(shù)據(jù)偏移于自身分布規(guī)律達(dá)到一定幅度時(shí)進(jìn)行故障預(yù)警。

3.2.2 鋼鐵行業(yè)智能中壓開(kāi)關(guān)柜

中壓開(kāi)關(guān)柜作為鋼鐵行業(yè)配電系統(tǒng)中的重要配電設(shè)備，它的可靠性、安全性直接關(guān)系著整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)安全與穩(wěn)定。

（1）斷路器機(jī)械特性。通過(guò)測(cè)量斷路器的分合閘過(guò)程的速度、反彈、超程、開(kāi)距等參數(shù)，結(jié)合斷路器主機(jī)構(gòu)彈簧疲勞、阻尼器故障、機(jī)構(gòu)卡澀等故障特征，智能識(shí)別各類故障信息。（2）滅弧觸頭磨損、電壽命，通過(guò)多次合閘超程的變化趨勢(shì)智能識(shí)別滅弧觸頭的機(jī)械磨損量值，通過(guò)滅弧觸頭的分?jǐn)嚯娏骷訖?quán)累積法評(píng)估觸頭的電壽命損失，綜合判斷滅弧觸頭的剩余壽命情況。（3）分合閘線圈故障檢測(cè)。通過(guò)分合閘線圈過(guò)壓、欠壓、卡澀、卡滯、匝間短路、行程異常等精細(xì)化模型確定的分合閘線圈電流波形特征，結(jié)合波形濾波等技術(shù)，智能識(shí)別各類故障特征，提前預(yù)警故障發(fā)生，避免分合閘失敗帶來(lái)的嚴(yán)重故障。（4）儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)、底盤車機(jī)構(gòu)和電動(dòng)接地開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)的過(guò)程診斷。通過(guò)監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)工作位置與驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流波形特征，分析設(shè)備工作過(guò)程中電機(jī)啟停時(shí)的內(nèi)部阻抗特性，過(guò)程中做功的變化，智能識(shí)別驅(qū)動(dòng)電機(jī)和機(jī)構(gòu)動(dòng)作中的短路、斷線、卡澀、阻塞等等故障。（5）開(kāi)關(guān)柜連接點(diǎn)溫升特性智能分析。通過(guò)開(kāi)關(guān)柜導(dǎo)體溫升電流的設(shè)計(jì)值曲線和運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)的積累，實(shí)現(xiàn)定制化的溫升特性判斷，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)操作維修后開(kāi)關(guān)柜內(nèi)連接點(diǎn)溫升異常的早期特征，杜絕因發(fā)熱而導(dǎo)致的各類事故。

3.2.3 鋼鐵行業(yè)機(jī)泵類故障監(jiān)測(cè)

（1）電機(jī)作為鋼鐵行業(yè)電力系統(tǒng)中的重要用電設(shè)備，它的可靠性、安全性直接關(guān)系著整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)安全與穩(wěn)定。目前電動(dòng)機(jī)主要通過(guò)故障后或定期大修維護(hù)，存在一定的誤差和滯后性。雖然部分大型電機(jī)出廠時(shí)已經(jīng)內(nèi)置了測(cè)溫、測(cè)振傳感單元，但由于大部分電機(jī)工作模式復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，采集的數(shù)據(jù)難以直觀反應(yīng)電機(jī)健康狀態(tài)，數(shù)據(jù)利用率不高。

（2）基于定子電流頻譜分析電機(jī)故障監(jiān)測(cè)。當(dāng)電機(jī)發(fā)生某種故障時(shí)，自身的電場(chǎng)和磁場(chǎng)也將發(fā)生變化，并最終反應(yīng)到定子電流的某些頻率分量上。通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)定子電流的頻譜分析，就能實(shí)現(xiàn)故障的監(jiān)測(cè)預(yù)警。通過(guò)采用先進(jìn)的降噪技術(shù)（自適應(yīng)的基波抵消辦法）、頻譜分析與校正技術(shù)等，將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別，識(shí)別出具有電機(jī)故障特征分量的信號(hào)，并將特征信號(hào)上傳至后臺(tái)軟件進(jìn)行分析處理。機(jī)泵溫振狀態(tài)無(wú)線監(jiān)測(cè)及智能診斷系統(tǒng)。系統(tǒng)將智能傳感技術(shù)與低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高頻自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)動(dòng)設(shè)備工作狀態(tài)。將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器進(jìn)行實(shí)時(shí)展示和分析，并對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行智能診斷，能有效避免設(shè)備事故發(fā)生，大幅降低非計(jì)劃性停車，保障安全生產(chǎn)。

（3）典型故障知識(shí)庫(kù)與大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。建設(shè)用戶數(shù)據(jù)服務(wù)中心，通過(guò)積累數(shù)萬(wàn)小時(shí)、數(shù)十種機(jī)泵軸承的實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)形成典型故障知識(shí)庫(kù)，經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)訓(xùn)練后的智能電機(jī)診斷系統(tǒng)，準(zhǔn)確率可達(dá)90%以上。即使面對(duì)新型設(shè)備，只需一段時(shí)間的數(shù)據(jù)采集，通過(guò)模型的遷移學(xué)習(xí)，也能準(zhǔn)確診斷設(shè)備異常。

3.3 基于設(shè)備故障樹(shù)的健康診斷與應(yīng)急預(yù)案、改良方案

如何將設(shè)備的健康診斷和設(shè)備運(yùn)維工作銜接是企業(yè)設(shè)備故障管理中的一大難點(diǎn)。通過(guò)在管理系統(tǒng)中建立設(shè)備故障樹(shù)，將故障進(jìn)行分類細(xì)化，將人們對(duì)設(shè)備的故障認(rèn)知以樹(shù)干支葉形式延伸到末端，每一個(gè)設(shè)備的診斷模塊關(guān)聯(lián)一個(gè)設(shè)備故障樹(shù)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，同時(shí)在此節(jié)點(diǎn)上關(guān)聯(lián)設(shè)備異常時(shí)的改良方案和故障應(yīng)急預(yù)案。應(yīng)急預(yù)案用于設(shè)備發(fā)生緊急故障時(shí)，如何組織人員開(kāi)展應(yīng)急管理，如何最大化減小設(shè)備故障所帶來(lái)安全和財(cái)產(chǎn)的損失，以及如何迅速、有序地開(kāi)展應(yīng)急行動(dòng)而預(yù)先制定的行動(dòng)方案。是企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的重大保障。改良方案用于當(dāng)設(shè)備發(fā)生一般性故障時(shí)，明確設(shè)備現(xiàn)狀，說(shuō)明存在的問(wèn)題以及問(wèn)題可能造成的不良影響，以及如何正確地、高效地對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修管理的方案。通過(guò)在鋼鐵行業(yè)中引入設(shè)備故障樹(shù)關(guān)聯(lián)設(shè)備診斷和設(shè)備運(yùn)維護(hù)工作，能夠極大提高現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員對(duì)設(shè)備的認(rèn)知和管理水平，降低設(shè)備故障率，提高生產(chǎn)效率。圖1為變壓器故障樹(shù)。

圖1 變壓器故障樹(shù)

3.4 基于移動(dòng)端APP的電氣設(shè)備運(yùn)維管理

基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，具備Web端信息交互和移動(dòng)端APP管理功能，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)當(dāng)前電氣系統(tǒng)的工作概況、設(shè)備的報(bào)警信息和健康狀態(tài)分級(jí)，能夠查詢所有電氣設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，為用戶掌握電氣系統(tǒng)運(yùn)行情況提供極高的便捷性。

另一方面，用戶能通過(guò)移動(dòng)端APP接收預(yù)警信息，及時(shí)處理防止故障擴(kuò)大；在例行巡檢工作中，可使用移動(dòng)端APP將故障現(xiàn)象通過(guò)聲音、圖像、視頻等上傳至消缺平臺(tái)，經(jīng)過(guò)審核后自動(dòng)生成運(yùn)維工作任務(wù)單，派發(fā)至專業(yè)維護(hù)人員，經(jīng)過(guò)上傳消缺措施及故障原因分析，形成運(yùn)維問(wèn)題的閉環(huán)管理。

4 結(jié)語(yǔ)

基于工業(yè)數(shù)據(jù)平臺(tái)的鋼鐵企業(yè)電氣智能化系統(tǒng)，融合了信息通信、在線監(jiān)測(cè)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)底層數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸，在平臺(tái)端根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)督模型、設(shè)備運(yùn)行機(jī)理診斷模型、故障運(yùn)維管理模型等進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，從而達(dá)到管理人員可隨時(shí)隨地的掌握生產(chǎn)狀態(tài)，設(shè)備運(yùn)維人員通過(guò)預(yù)警信息采取預(yù)防性措施避免故障發(fā)生，企業(yè)可通過(guò)平臺(tái)系統(tǒng)達(dá)到持續(xù)性降本增效的創(chuàng)新目標(biāo)。