設(shè)備智能化管理系統(tǒng) 在化工行業(yè)智能工廠建設(shè)中的應(yīng)用

韓笑，劉毅，張曉明，崔世宇(中化信息技術(shù)有限公司，北京 100045)

0 引言

近年來，新一代信息技術(shù)的高速發(fā)展為傳統(tǒng)工業(yè)與制造業(yè)領(lǐng)域帶來了新的機遇。信息技術(shù)加持下的制造技術(shù)發(fā)展出了新的生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)形態(tài)與商業(yè)模式，在提供了新的經(jīng)濟增長點的同時也引發(fā)了具有深遠影響的產(chǎn)業(yè)變革[1]。“智能制造”的概念從數(shù)字化制造和網(wǎng)絡(luò)化制造的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，是制造業(yè)智能化的成熟階段[2]，智能工廠是智能制造的重要載體[3]，在智能工廠的設(shè)計中，智能化控制、生產(chǎn)、保障、供應(yīng)鏈、經(jīng)營等環(huán)節(jié)基于統(tǒng)一平臺的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通實現(xiàn)業(yè)務(wù)高效協(xié)同，助力企業(yè)向安全、綠色、節(jié)能、高效、柔性的方向全面提升智能制造能力。

化工行業(yè)在信息與集成技術(shù)發(fā)展的過程中已經(jīng)逐步形成了以企業(yè)資源計劃(ERP)、制造執(zhí)行系統(tǒng) (MES) 和過程控制系統(tǒng) (PCS)[4]為代表的三層結(jié)構(gòu)體系[5]，具備了較為成熟和全面的信息化水平，并開始逐步啟動智能工廠建設(shè)。其中，設(shè)備作為基礎(chǔ)性生產(chǎn)元素和信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源[5]，在智能工廠規(guī)劃和建設(shè)的實踐過程中處于重要地位。然而，化工行業(yè)作為設(shè)備重資產(chǎn)行業(yè)，專業(yè)設(shè)備多、設(shè)備規(guī)模大、設(shè)備種類復雜，傳統(tǒng)的設(shè)備管理模式在智能化建設(shè)的過程中暴露出了諸多突出的問題，主要包括：(1)設(shè)備臺賬難理清：現(xiàn)代化工企業(yè)中，傳統(tǒng)的人工記錄、紙質(zhì)表單等管理模式記錄效率低、保存狀況差、數(shù)據(jù)查詢困難，無法適應(yīng)智能工廠的管理需求；(2)維修成本難降低：設(shè)備故障停機損失、設(shè)備維修費用、備品備件庫存成本等設(shè)備運維成本占生產(chǎn)運行成本的比例很高，資金和人員投入較大；(3)巡檢作業(yè)難落實：傳統(tǒng)管理模式對巡檢人員不巡檢或巡而不檢缺乏監(jiān)控能力；對巡檢執(zhí)行情況難以評價；缺少數(shù)據(jù)問題的實時上報手段，大量數(shù)據(jù)存在紙質(zhì)單據(jù)上，難以通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)改善重點和趨勢；(4)設(shè)備數(shù)據(jù)價值難發(fā)揮：設(shè)備相關(guān)業(yè)務(wù)運行數(shù)據(jù)未經(jīng)提煉分析，難以形成知識資產(chǎn)，因而無法對現(xiàn)有業(yè)務(wù)提供支持；(5)設(shè)備故障難預測[6]：缺乏對設(shè)備故障的及時告警能力，通常只在故障發(fā)生后進行補救。非計劃停機等問題會影響生產(chǎn)進度，造成經(jīng)濟損失甚至安全事故。

基于上述問題，本文結(jié)合化工企業(yè)智能工廠建設(shè)過程中的實際需求，提出了結(jié)合新技術(shù)、針對化工行業(yè)的設(shè)備智能化管理解決方案。該系統(tǒng)以設(shè)備全生命周期管理為指導，旨在建立企業(yè)設(shè)備資產(chǎn)管理體系，同時利用5G的uRLLC(高可靠超低時延連接)特性和mMTC(海量物聯(lián))特性[7]打通業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通道，幫助企業(yè)實現(xiàn)設(shè)備的全面實時信息化監(jiān)測和管理，保持設(shè)備穩(wěn)定性，實現(xiàn)企業(yè)資產(chǎn)效益的全面提升。

1 設(shè)備智能化管理系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

設(shè)備智能化管理系統(tǒng)通過“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺+智能應(yīng)用”的模式，在PaaS層與控制系統(tǒng)及各業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行集成，在實現(xiàn)IOT數(shù)據(jù)共享和互聯(lián)互通的同時為其他工業(yè)應(yīng)用提供設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，打破數(shù)據(jù)孤島，實現(xiàn)企業(yè)“智造”轉(zhuǎn)型。

1.2 系統(tǒng)功能

1.2.1 設(shè)備基礎(chǔ)管理

系統(tǒng)通過基礎(chǔ)信息管理、設(shè)備檔案管理、備品備件管理、知識庫管理等模塊實現(xiàn)化工設(shè)備全方位的信息化管理，建立了從設(shè)備的采購、使用、運行、維保、維修到報廢的全流程設(shè)備檔案；實現(xiàn)備品備件庫存情況監(jiān)控和維修過程備件申請；對知識和案例經(jīng)驗進行固化，為維修人員提供標準依據(jù)，將提高維修效率。有形的設(shè)備資產(chǎn)、無形的知識資產(chǎn)進行系統(tǒng)性梳理和信息化存儲，實現(xiàn)費用管理能力升級和知識經(jīng)驗高效傳承。

1.2.2 設(shè)備智能巡檢維保模塊

系統(tǒng)依托智能點巡檢、缺陷故障管理、檢維修工單、計劃管理、預防性維護等模塊，實現(xiàn)設(shè)備運維閉環(huán)。巡檢系統(tǒng)通過PDA實現(xiàn)巡檢人員定位、巡檢任務(wù)執(zhí)行、巡檢結(jié)果上報、巡檢數(shù)據(jù)同步。5G技術(shù)的應(yīng)用使得支撐5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的廠區(qū)的巡檢工作具有優(yōu)異的及時性、高效性和準確性。巡檢過程發(fā)現(xiàn)的問題自動轉(zhuǎn)入檢維修管理模塊，形成檢修計劃并生成工單，其中涉及危險作業(yè)的工單將轉(zhuǎn)入作業(yè)管理系統(tǒng)生成作業(yè)票，進行現(xiàn)場作業(yè)。作業(yè)完成后，故障和工單信息將生成臺賬并對知識庫進行迭代更新，巡檢人員也可跟蹤異常問題的實際處理情況。

運維模塊同樣用于生成預防性維護的工單，預防性維護基于時間周期或?qū)υO(shè)備運行時間/狀態(tài)的監(jiān)測，當滿足預防性維護策略時生成處理通知，涵蓋定期檢修、日常保養(yǎng)、檢驗檢測、潤滑等維護項，幫助設(shè)備管理人員合理安排一切運維計劃與活動，全面提高設(shè)備健康水平，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益。

1.2.3 設(shè)備預測性維護模塊

系統(tǒng)通過IOT技術(shù)，基于無線或有線智能網(wǎng)關(guān)，通過MQTT協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對被監(jiān)測設(shè)備的振動(包括速度、加速度、位移、包絡(luò))和工藝運行數(shù)據(jù)(溫度、壓力、流量、液位、能耗等)的采集，以直觀的、圖形化的方式監(jiān)測設(shè)備實時狀態(tài)和各參數(shù)變化，滿足現(xiàn)場設(shè)備管理與運維人員的設(shè)備監(jiān)測需求。同時，由于PaaS層實現(xiàn)了各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的互聯(lián)互通，設(shè)備運行數(shù)據(jù)能夠在各智能應(yīng)用間實現(xiàn)共享，提供數(shù)據(jù)支持(圖1)。

圖1 設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)展示

系統(tǒng)內(nèi)置支持向量機回歸(SVR)算法預測模型，并經(jīng)人工復檢確認驗證算法結(jié)果。SVR是基于支持向量機(SVM)原理的回歸算法，其用于工業(yè)數(shù)據(jù)建模的優(yōu)勢在于輸入數(shù)據(jù)的維度不會顯著地影響計算復雜度。模型訓練選取1#設(shè)備機組2020.10—2021.03六個月的運行數(shù)據(jù)用于訓練和擬合。以設(shè)備輸出功率為例，算法在RMSE定義性能指標的情況下得到的精度如表1所示。

表1 算法精度比較

訓練后的算法能夠幫助系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的短期預測，進而發(fā)現(xiàn)早期故障苗頭，及時向用戶提供報警、故障報告，為用戶設(shè)備維護和檢修工作提供支持。通過對關(guān)鍵設(shè)備的智能維護，預計可以為客戶節(jié)省人工費用5萬元/年，減少計劃外停機造成的損失和設(shè)備失效，保障生產(chǎn)安全和產(chǎn)能提升，降低設(shè)備運維成本。

智能診斷采用基于知識和數(shù)據(jù)混合驅(qū)動的故障診斷理論，基于行業(yè)機理知識形成PHM算法庫，包括PCA算法和信息熵實現(xiàn)線性及非線性數(shù)據(jù)特征化、SMOTE上采樣技術(shù)改善數(shù)據(jù)不平衡性、訓練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)知識表達邏輯化等，建立基于數(shù)據(jù)的診斷模型，實現(xiàn)診斷過程的自動化和智能化。

2 系統(tǒng)應(yīng)用實踐

2.1 實施背景

系統(tǒng)實施目標企業(yè)在信息化建設(shè)方面起步較早，至今已先后建成ERP系統(tǒng)、PI系統(tǒng)、BI系統(tǒng)以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等，但是由于前期缺乏整體的信息化架構(gòu)規(guī)劃，各個系統(tǒng)間沒有數(shù)據(jù)交互，形成了一個個的信息孤島，無法有效整合設(shè)備數(shù)據(jù)資源。

根據(jù)企業(yè)現(xiàn)狀，設(shè)備智能化管理系統(tǒng)將聚焦于建立設(shè)備全生命周期管理體系，打通工業(yè)數(shù)據(jù)上云入湖通道，為智能工廠建設(shè)提供有力保障。

2.2 應(yīng)用成效

截至目前，目標化工企業(yè)設(shè)備管理系統(tǒng)現(xiàn)已接入數(shù)十個分廠下14條工段的共計2萬余條設(shè)備臺賬信息，對設(shè)備全生命周期進行管理；廠內(nèi)巡檢人員能夠使用防爆終端對全廠48條巡檢路線下的全部1 200余條巡檢項進行移動打卡巡檢；對核心設(shè)備數(shù)據(jù)通過統(tǒng)計分析進行設(shè)備功率、流量、運行狀態(tài)等指標的展示，實現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備在線監(jiān)測。此外，系統(tǒng)的建設(shè)同時促進了企業(yè)設(shè)備管理方式的升級和時間成本的降低，具體包括：(1)對核心設(shè)備，所有設(shè)備相關(guān)的信息全部集中線上匯聚，并隨時隨地可查詢，使得設(shè)備檔案等同于設(shè)備的知識庫和學習平臺，便于員工的快速學習成長；(2)實現(xiàn)與DCS等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)互通，將設(shè)備運行數(shù)據(jù)采集、共享、分析，為智能化應(yīng)用提供堅實的數(shù)據(jù)支撐；(3)工單管理系統(tǒng)的上線，實現(xiàn)了設(shè)備運維閉環(huán)，提高了維修工單的執(zhí)行效率，每單縮短10 min以上的執(zhí)行時間。經(jīng)系統(tǒng)試運行以來的統(tǒng)計分析結(jié)果表明，設(shè)備智能管理系統(tǒng)的投運可減少維修成本7%，延長設(shè)備壽命10%，降低備件庫存5%，減少巡檢時間30%。

3 結(jié)語

本文研究了化工行業(yè)在智能工廠建設(shè)過程中設(shè)備管理的現(xiàn)狀和需求方向，設(shè)計了適應(yīng)行業(yè)需求的針對性設(shè)備智能化管理系統(tǒng)。系統(tǒng)基于IOT技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集、在線監(jiān)測、建模和數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)底層數(shù)據(jù)互通、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)打通和頂層智能應(yīng)用，通過智能點巡檢、檢維修管理、工單管理等模塊搭建維護閉環(huán)，全面提升設(shè)備全生命周期管理能力。在實際場景應(yīng)用中，系統(tǒng)建設(shè)提高了設(shè)備壽命、設(shè)備使用效率，降低了故障率和巡檢時間人力成本，強化了企業(yè)設(shè)備管理綜合能力。