基于數(shù)字孿生的電解整流所運(yùn)維系統(tǒng)

蔣小銘,張 斌

(沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

整流所內(nèi)整流設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系到整個電解鋁廠的安全。為實(shí)現(xiàn)對整流設(shè)備狀態(tài)的感知與管控,整流所設(shè)備的運(yùn)維巡檢一直是電解鋁廠的重點(diǎn)工作內(nèi)容之一。目前,整流所的運(yùn)維工作基本以人工參與為主,部分鋁廠采用了人工巡檢、視頻監(jiān)控、綜合檢修等方式對整流所的設(shè)備進(jìn)行人工或半人工方式管理。隨著整流所的容量和設(shè)備數(shù)量不斷增加,特別是對設(shè)備的安全運(yùn)行和能源管理精細(xì)度的不斷提高,設(shè)備運(yùn)維工作量大量增加。另外企業(yè)為了控制人力成本受減員增效的壓力越來越大,現(xiàn)場巡檢人員或遠(yuǎn)程監(jiān)管人員相對不足對鋁廠生產(chǎn)造成了巨大的困擾。傳統(tǒng)巡檢工作的自動化、信息化、智能化水平較低,目前整流所除綜合自動化系統(tǒng)外,各類在線監(jiān)測系統(tǒng)由于接口規(guī)約等原因,未形成有機(jī)整體,且既有在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)量有限,整流所設(shè)備不能有效全面監(jiān)控,從而導(dǎo)致不能對整流所及時進(jìn)行維護(hù),易出現(xiàn)漏檢、錯檢等現(xiàn)象,導(dǎo)致作業(yè)質(zhì)量、設(shè)備壽命、人身安全等方面具有極大的隱患。

1 數(shù)字孿生技術(shù)簡介

數(shù)字孿生(Digital Twin,DT)是一個融合多學(xué)科、物理量和維度的模擬過程,兼容智能傳感器、大數(shù)據(jù)、人工智能等前沿技術(shù)。DT 技術(shù)依托數(shù)字載體,通過在虛擬空間中構(gòu)建物理實(shí)體映射,實(shí)時掌握物理實(shí)體的運(yùn)行情況。針對狀態(tài)評估算法中動態(tài)指標(biāo)應(yīng)用不足的問題,數(shù)字孿生的快速感知能力和數(shù)據(jù)全景顯示功能可以有效捕捉設(shè)備運(yùn)行中的各類自檢和報警信息。為了緩解保護(hù)系統(tǒng)實(shí)時運(yùn)行信息應(yīng)用滯后的問題,數(shù)字孿生技術(shù)可以將獲得的運(yùn)行信息數(shù)字化為特征量,并建立數(shù)字模型,實(shí)時掌握和預(yù)測設(shè)備狀態(tài)[1]。在對設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)分析和維修決策后,數(shù)字孿生實(shí)時雙向數(shù)據(jù)流可以傳輸設(shè)備狀態(tài)評定或維修結(jié)果,幫助數(shù)字模型進(jìn)行改進(jìn)。數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)資源中心通過結(jié)果反饋進(jìn)行自我完善,在運(yùn)行過程中可以不斷更新故障推理知識庫,完善推理規(guī)則?！皵?shù)字陰影”可以自動獲取物理對象的信息,模擬實(shí)體的實(shí)時狀態(tài),這是一個單向的過程。數(shù)字孿生可以實(shí)現(xiàn)實(shí)體與數(shù)字模型在虛擬空間中的雙向數(shù)據(jù)交互,虛擬模型可以將命令和信息回傳給實(shí)體,實(shí)現(xiàn)相互控制。在工業(yè) 4.0 的背景下開發(fā)了由數(shù)字孿生層、應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)字層、通信層和物理層組成的數(shù)字孿生參考架構(gòu),并將其應(yīng)用于工業(yè)。

數(shù)字孿生是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)落地的核心和關(guān)鍵,目前主要有兩類實(shí)用場景:一類是產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計,主要體現(xiàn)在產(chǎn)品生命周期管理解決方案上;二是產(chǎn)品使用過程的數(shù)字化,主要的服務(wù)模式是基于狀態(tài)的維護(hù)。整流所設(shè)備的設(shè)計、研發(fā)、測試及運(yùn)維相對獨(dú)立。各個環(huán)節(jié)的相關(guān)問題無法從設(shè)備全生命周期的角度進(jìn)行綜合管理。運(yùn)維人員需要面對數(shù)據(jù)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控、業(yè)務(wù)系統(tǒng)監(jiān)控、故障診斷和修復(fù)以及其他業(yè)務(wù)場景。信息類型多,關(guān)聯(lián)關(guān)系復(fù)雜,運(yùn)維信息抽象低效,“人-機(jī)-物”無法雙向合作互動,故障診斷和故障排除困難。整流所智能交互設(shè)備技術(shù)成熟度和系統(tǒng)集成度不高,信息平臺虛實(shí)映射交互能力不足,難以支撐整流所生產(chǎn)運(yùn)行、安全監(jiān)督管理等業(yè)務(wù)創(chuàng)新和智能交互。數(shù)字孿生利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行信息歷史等,在虛擬空間完成整流所實(shí)體測繪設(shè)備,具有“全生命周期、實(shí)時、雙向”的特點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于設(shè)備監(jiān)測、設(shè)備檢驗(yàn)、現(xiàn)場安全監(jiān)測、虛擬業(yè)務(wù)場景,如電解鋁廠利用數(shù)字化技術(shù)升級傳統(tǒng)業(yè)務(wù),提高全要素生產(chǎn)效率。通過建設(shè)數(shù)字化智能監(jiān)控運(yùn)維數(shù)字孿生應(yīng)用服務(wù)組件,提高整流所全景監(jiān)控顯示、故障診斷預(yù)測、安全事件預(yù)警、“人機(jī)-物料”協(xié)同交互水平[2]。

2 整流所數(shù)字孿生運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計原理

基于數(shù)字孿生的整流所智能運(yùn)維系統(tǒng),包括通過5G無線網(wǎng)絡(luò)連接的整流所模組和集控站模組,集控站模組包括運(yùn)維工作站、服務(wù)器和交換機(jī);根據(jù)圖1的技術(shù)路線搭建整流所設(shè)備數(shù)字孿生體各類數(shù)據(jù)傳感監(jiān)測設(shè)備。整流所模組包括信息建模模塊、主設(shè)備監(jiān)控模塊、輔助設(shè)備監(jiān)控模塊、立體安全管控模塊和三維虛擬巡視模塊;交換機(jī)用于將整流所模組和集控站模組的信號直接轉(zhuǎn)換交換,信息建模模塊用于生成整流所的三維模型,將三維模型反饋到服務(wù)器并在運(yùn)維工作站的操作電腦上完成整流所三維孿生可視化建模,主設(shè)備監(jiān)控模塊和輔助設(shè)備監(jiān)控模塊用于實(shí)時的監(jiān)控整流所的運(yùn)行情況,將監(jiān)控到的信息反饋給服務(wù)器并對應(yīng)顯示在整流所三維孿生可視化模型上;立體安全管控模塊用于三維孿生可視化模型中顯示設(shè)備的帶電狀、模擬預(yù)演、邊界劃分和作業(yè)預(yù)警,為工作人員提供精準(zhǔn)的檢修步驟指導(dǎo)和檢修路線指導(dǎo)。

圖1 整流所數(shù)字孿生體設(shè)備

信息建模模塊以基于現(xiàn)實(shí)物理環(huán)境精確仿真建立的三維模型為基礎(chǔ),在運(yùn)維工作站的操作電腦上完成整流所三維孿生可視化建模,且完成的三維孿生可視化建模支撐無插件瀏覽器快速加載三維場景,實(shí)現(xiàn)三維全景瀏覽和沉浸式漫游,具備設(shè)備模型監(jiān)測定位及臺賬信息點(diǎn)擊查看功能,融合呈現(xiàn)設(shè)備臺賬信息及告警異常信息。

立體安全管控包括立體空間防誤拓?fù)渑c校核、操作票三維模擬預(yù)演、檢修作業(yè)邊界劃分和作業(yè)安全風(fēng)險預(yù)警,立體空間防誤拓?fù)渑c校核為根據(jù)設(shè)備連接關(guān)系拓?fù)浞治龀鲭娖髟O(shè)備帶電狀態(tài),作為空間安全邊界校核的依據(jù),并在可視化三維模型中動態(tài)著色顯示;操作票三維模擬預(yù)演基于倒閘操作票操作序列[3],自動匹配設(shè)備的三維模型及動作動畫,通過自動或單步預(yù)演操作票操作序列,在操作前基于實(shí)景對作業(yè)全過程進(jìn)行危險分析和應(yīng)對措施的提前準(zhǔn)備;檢修作業(yè)邊界劃分依據(jù)當(dāng)前檢修設(shè)備的狀態(tài)、連接關(guān)系和操作順序,智能形成三維展示界面,通過帶電著色功能進(jìn)行區(qū)分隔離邊界、檢修區(qū)域、安全區(qū)域和帶電設(shè)備區(qū)域;作業(yè)安全風(fēng)險預(yù)警對三維空間中各個設(shè)備對應(yīng)區(qū)域進(jìn)行空間關(guān)系計算,得到隔離邊界、檢修區(qū)域、帶電范圍等空間安全邊界,對作業(yè)人員行為和軌跡進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和預(yù)警,支持對越界進(jìn)入帶電區(qū)域和危險區(qū)域、超出作業(yè)時間在作業(yè)區(qū)域逗留、進(jìn)入非工作區(qū)域等危險行為進(jìn)行預(yù)警提示。

主設(shè)備監(jiān)控模塊經(jīng)正向隔離裝置采集整流所原有主設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù),包括不限于一次設(shè)備信息及狀態(tài)、二次設(shè)備信息及狀態(tài)和各類報警及故障信息,并傳輸?shù)秸魉S孿生可視化模型上,完成數(shù)字模型和三維模型的物理映射,以三維立體呈現(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)主設(shè)備電器參量的實(shí)時監(jiān)測和設(shè)備臺賬管理。

輔助設(shè)備監(jiān)控模塊包括設(shè)備在線監(jiān)測、安全防范監(jiān)測、動環(huán)監(jiān)控、消防監(jiān)測和視頻監(jiān)控,設(shè)備在線監(jiān)測以實(shí)時數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和趨勢分析展示形式,實(shí)現(xiàn)變壓器類、整流器類、開關(guān)類、兼容設(shè)備及避雷器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測功能;安全防范監(jiān)測包括實(shí)時監(jiān)測電子圍欄、紅外對射、紅外雙鑒及門禁設(shè)備的布防/撤防狀態(tài)信息、運(yùn)行工況信息、防區(qū)告警信息和故障告警信息,并實(shí)現(xiàn)防入侵設(shè)備報警確認(rèn)和布防/撤防操作;動環(huán)監(jiān)測對整流所環(huán)境參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、通信狀態(tài)和故障告警信息實(shí)時監(jiān)測,并根據(jù)設(shè)定的閾值和告警實(shí)現(xiàn)對設(shè)備冷卻系統(tǒng)、空調(diào)、風(fēng)機(jī)就地閉環(huán)自動控制,并支持遠(yuǎn)方遙控;消防監(jiān)測將整流所的消防主機(jī)采用modbus協(xié)議接入規(guī)約轉(zhuǎn)化裝置,用DL/T860送至輔助設(shè)備監(jiān)控模塊,實(shí)現(xiàn)對整流所火災(zāi)自動報警系統(tǒng)動作及狀態(tài)信息的監(jiān)控,并實(shí)現(xiàn)與視頻監(jiān)測的視頻進(jìn)行聯(lián)動;視頻監(jiān)控用于實(shí)現(xiàn)整流所設(shè)備、環(huán)境和運(yùn)維作業(yè)的多維度視頻監(jiān)測,通過視頻智能分析識別技術(shù),實(shí)現(xiàn)智能化應(yīng)用,包括不限于整流所區(qū)域安全檢測和人員管理;且視頻監(jiān)測與安全、消防、環(huán)境及主設(shè)備聯(lián)動,及時跟蹤現(xiàn)場狀態(tài)變化,推送畫面并拍照和錄像,為后續(xù)分析提供依據(jù)。

三維虛擬巡視模塊基于規(guī)劃路徑實(shí)施全站自動巡視和手動自由巡視,數(shù)據(jù)采集手段包括不限于圖像識別、紅外遙感、高頻檢測、RFID射頻、各類無線傳感器等技術(shù),立體呈現(xiàn)巡視結(jié)果并同步推送異常數(shù)據(jù)狀態(tài),巡視點(diǎn)位與視頻資源自動匹配,點(diǎn)擊可推送關(guān)聯(lián)畫面,具備巡視點(diǎn)位的巡視資源覆蓋分析,直觀呈現(xiàn)已覆蓋點(diǎn)位和未覆蓋點(diǎn)位,并對未覆蓋點(diǎn)位提供新增視頻布點(diǎn)策略。

系統(tǒng)還包括告警管理模塊,支持告警信息分級、獨(dú)立視窗監(jiān)視和告警與恢復(fù);支持拓?fù)鋱D方式監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)、報警點(diǎn)位平面圖定位和設(shè)備故障平面圖定位;支持自動彈出告警窗、彈出聯(lián)動信息和告警提醒,告警提醒方式可以采用語音警示、圖元變色警示和閃爍警示等多種形式。

還包括數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析模塊,數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析模塊包括異常越界分析與告警、告警信息統(tǒng)計、作業(yè)違規(guī)信息統(tǒng)計和設(shè)備運(yùn)行統(tǒng)計,異常越界分析與告警主要是通過設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測裝置進(jìn)行監(jiān)視,如系統(tǒng)電壓、電流、頻率、變壓器氣體繼電器、壓力釋放繼電器、設(shè)備的溫度、濕度、振動、局放、冷卻水水溫、水壓和水質(zhì)等測量值告警閾值,對于越過一級閾值的給予提示報警,越過二級閾值則推送嚴(yán)重告警,使運(yùn)維人員及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行異常情況;告警信息統(tǒng)計具體是按照電壓等級和設(shè)備類別對整流所數(shù)據(jù)分別統(tǒng)計告警總數(shù)量,并按告警類型進(jìn)行分類統(tǒng)計;作業(yè)違規(guī)信息統(tǒng)計具體是對作業(yè)過程中的各類人員違規(guī)行為分類統(tǒng)計;設(shè)備運(yùn)行統(tǒng)計具體是對整流所設(shè)備運(yùn)行情況分類統(tǒng)計,按設(shè)備在線率、故障率和故障時間統(tǒng)計。

3 整流所數(shù)字孿生運(yùn)維系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

本文以國內(nèi)某電解鋁廠整流所數(shù)字孿生運(yùn)維系統(tǒng)為例,說明該系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用,如圖2所示,數(shù)字孿生整流所智能運(yùn)維系統(tǒng),包括通過5G無線網(wǎng)絡(luò)連接的整流所模組和集控站模組,集控站模組包括運(yùn)維工作站、服務(wù)器和交換機(jī);整流所模組包括信息建模模塊、主設(shè)備監(jiān)控模塊、輔助設(shè)備監(jiān)控模塊、立體安全管控模塊和三維虛擬巡視模塊;交換機(jī)用于將整流所模組和集控站模組的信號直接轉(zhuǎn)換交換,信息建模模塊以數(shù)字孿生建立的三維模型為基礎(chǔ),在運(yùn)維工作站的操作電腦上完成整流所三維數(shù)字孿生可視化建模,且完成的三維數(shù)字孿生可視化建模支撐無插件瀏覽器快速加載三維場景,實(shí)現(xiàn)三維全景瀏覽和沉浸式漫游,具備設(shè)備模型監(jiān)測定位及臺賬信息點(diǎn)擊查看功能,融合呈現(xiàn)設(shè)備臺賬信息及告警異常信息;立體安全管控包括立體空間防誤拓?fù)渑c校核、操作票三維模擬預(yù)演、檢修作業(yè)邊界劃分和作業(yè)安全風(fēng)險預(yù)警異常信息;立體安全管控包括立體空間防誤拓?fù)渑c校核、操作票三維模擬預(yù)演、檢修作業(yè)邊界劃分和作業(yè)安全風(fēng)險預(yù)警。

圖2 基于數(shù)字孿生整流所設(shè)備運(yùn)維系統(tǒng)模型

數(shù)字孿生整流所智能運(yùn)維系統(tǒng)的具體運(yùn)作如下:信息建模模塊以數(shù)字孿生建立的三維模型為基礎(chǔ),在運(yùn)維工作站的操作電腦上完成整流所三維數(shù)字孿生可視化建模,主設(shè)備監(jiān)控模塊主設(shè)備監(jiān)控模塊經(jīng)正向隔離裝置采集整流所原有主設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù),包括不限于一次設(shè)備狀態(tài)、二次設(shè)備狀態(tài)及狀態(tài)和各類報警及故障信息,并傳輸點(diǎn)映到整流所三維孿生可視化模型上,輔助設(shè)備監(jiān)控模塊進(jìn)行設(shè)備在線監(jiān)測、安全防范監(jiān)測、動環(huán)監(jiān)控、消防監(jiān)測和視頻監(jiān)控,設(shè)備在線監(jiān)測(包括避雷器在線監(jiān)測,整流變壓器及動力變壓器油色譜在線監(jiān)測、繞組光纖在線測溫、鐵芯/夾件接地電流監(jiān)測、局部放電監(jiān)測,整流器及其冷卻系統(tǒng)的在線橋臂溫度、均流數(shù)據(jù)、冷卻水壓力、溫度、流量、水質(zhì),以及供電系統(tǒng)電壓、電流、頻率等數(shù)字表在線監(jiān)測等);安全防范監(jiān)測包括實(shí)時監(jiān)測電子圍欄、紅外對射、紅外雙鑒及門禁設(shè)備的布防/撤防狀態(tài)信息、運(yùn)行工況信息、防區(qū)告警信息和故障告警信息,并實(shí)現(xiàn)防入侵設(shè)備報警確認(rèn)和布防/撤防操作;動環(huán)監(jiān)測對整流所環(huán)境參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、通信狀態(tài)和故障告警信息實(shí)時監(jiān)測,并根據(jù)設(shè)定的閾值和告警實(shí)現(xiàn)對設(shè)備冷卻系統(tǒng)、空調(diào)、水泵就地閉環(huán)自動控制,并支持遠(yuǎn)方遙控;消防監(jiān)測將整流所的消防主機(jī)采用modbus協(xié)議接入規(guī)約轉(zhuǎn)化裝置,通過5G無線網(wǎng)絡(luò)送至輔助設(shè)備監(jiān)控模塊,實(shí)現(xiàn)對整流所火災(zāi)自動報警系統(tǒng)動作及狀態(tài)信息的監(jiān)控,視頻監(jiān)控用于實(shí)現(xiàn)整流所設(shè)備、環(huán)境和運(yùn)維作業(yè)的多維度視頻監(jiān)測,通過視頻智能分析識別技術(shù),實(shí)現(xiàn)智能化應(yīng)用,包括不限于變電站區(qū)域安全檢測和人員管理;且視頻監(jiān)測與安全、消防、環(huán)境及主設(shè)備聯(lián)動,及時跟蹤現(xiàn)場狀態(tài)變化,推送畫面并拍照和錄像,為后續(xù)分析提供依據(jù);三維虛擬巡視模塊基于規(guī)劃路徑實(shí)施全站自動巡視和手動自由巡視,立體呈現(xiàn)巡視結(jié)果,巡視點(diǎn)位與視頻資源自動匹配,點(diǎn)擊可推送關(guān)聯(lián)畫面,具備巡視點(diǎn)位的巡視資源覆蓋分析,直管呈現(xiàn)已覆蓋點(diǎn)位和未覆蓋點(diǎn)位,并對未覆蓋點(diǎn)位提供新增視頻布點(diǎn)策略。

4 結(jié) 語

針對整流所設(shè)備運(yùn)維,本文創(chuàng)新結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù),利用智能終端接收管理系統(tǒng)、數(shù)字孿生平臺、現(xiàn)場巡檢決策系統(tǒng)一體化巡檢整流所設(shè)備,以優(yōu)化管理流程為導(dǎo)向,以數(shù)字孿生平臺為載體,結(jié)合設(shè)備狀態(tài)和趨勢進(jìn)行預(yù)判和分析,并給予解決方案,調(diào)取廠家資料,與專家、AI協(xié)同診斷,協(xié)助運(yùn)維人員對整流所設(shè)備進(jìn)行全生命周期的運(yùn)維管理,可以做到全過程閉環(huán)管理控制,提高作業(yè)效率及設(shè)備使用年限[4-5]。使用數(shù)字孿生體系整流所運(yùn)維系統(tǒng),將整流所的設(shè)備信息、巡檢信息、環(huán)境信息等全部以鏡像化展現(xiàn)在終端上,輔助巡檢管理員分析診斷設(shè)備問題及有效決策,以數(shù)字仿真替代方式解決了巡檢人員在現(xiàn)場作業(yè)的安全問題,以整流所全天候、全自主巡檢方式為巡檢工作提供安全高效的作業(yè)方式、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)維成本、智能化管理模式,有效降低電解鋁廠整流所的運(yùn)營成本,確保電解鋁廠供電整流的安全、可靠生產(chǎn)運(yùn)行。