狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)在造船門式起重機安全保障上的應(yīng)用

朱 靖

中船第九設(shè)計研究院工程有限公司 上海 200090

0 引言

發(fā)展是第一要務(wù)，安全是第一保障。工業(yè)和信息化部應(yīng)急管理部聯(lián)合印發(fā)《“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+安全生產(chǎn)”行動計劃（2021-2023年）》的通知，提出“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+安全生產(chǎn)”是通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在安全生產(chǎn)中的融合應(yīng)用，增強工業(yè)安全生產(chǎn)的感知、監(jiān)測、預(yù)警、處置和評估能力，加速安全生產(chǎn)從靜態(tài)分析向動態(tài)感知、事后應(yīng)急向事前預(yù)防、單點防控向全局聯(lián)防的轉(zhuǎn)變，提升工業(yè)生產(chǎn)本質(zhì)安全水平。

船廠造船門式起重機單臺造價高，在船舶制造中起著不可或缺的作用，由于其作業(yè)工況復(fù)雜（單機抬吊翻身和雙機聯(lián)吊、多機型交叉作業(yè)）、環(huán)境惡劣（露天臨海/江、鹽霧、濕度、大風(fēng)），容易導(dǎo)致整機碰撞干涉、失穩(wěn)傾覆、主體結(jié)構(gòu)變形失效以及零部件腐蝕、疲勞斷裂失效等事故隱患，引發(fā)較重大的特種設(shè)備安全事故。

1 造船門式起重機安全保障現(xiàn)狀

目前各大船廠在役的造船門式起重機大部分都是新世紀(jì)以來由我國自行設(shè)計、制造、使用和運維的產(chǎn)品。受當(dāng)時客觀條件所限，這些造船門式起重機設(shè)計安全系數(shù)冗余，系數(shù)同制造安裝水平的匹配性，理論工作級別與實際工作循環(huán)次數(shù)的一致性，零部件性能與維護保養(yǎng)的關(guān)聯(lián)性等都存在較大差異和不確定性。由于船舶建造周期緊張，造船門式起重機不得不高負荷運行、交叉作業(yè)、甚至帶病運行。目前船廠的生產(chǎn)設(shè)備維護主要以定期檢修和事后應(yīng)急搶修為主，現(xiàn)場安全管理人員無法掌握生產(chǎn)設(shè)備實時狀況，對于設(shè)備的狀態(tài)評估仍舊以靜態(tài)經(jīng)驗判斷為主，且因為設(shè)備問題繁多復(fù)雜，常常無法兼顧所有設(shè)備的深度維護保養(yǎng)，故需一套完善的造船門式起重機安全保障系統(tǒng)來保駕護航。

根據(jù)船廠造船門式起重機特點和管理現(xiàn)狀對存在的風(fēng)險等級進行分類，將造船門式起重機安全保障面臨的內(nèi)容分為4個等級的風(fēng)險：

I類風(fēng)險不造成人員傷害和設(shè)備損壞，如安全標(biāo)識缺失、不夠人性化的設(shè)計、維保體系的不完善；

II類風(fēng)險可能造成人員傷害和設(shè)備損壞，但可以排除和控制，如不規(guī)范的操作方法、結(jié)構(gòu)異常變形、起升機構(gòu)振動超差、運行機構(gòu)啃軌現(xiàn)象、剛?cè)嵬冗\行機構(gòu)同步性超差、區(qū)域起重機互相干涉等大部分險肇發(fā)生前期出現(xiàn)的問題；

III類風(fēng)險會造成人員傷害和設(shè)備損壞，須立即處理：如主結(jié)構(gòu)裂縫、主要承載結(jié)構(gòu)變形失穩(wěn)、關(guān)鍵零部件疲勞失效等；

IV類風(fēng)險造成人員傷害和設(shè)備損壞，如事故和故障狀態(tài)。

從安全保障上來看，著重關(guān)注的應(yīng)是處在萌芽狀態(tài)的II類風(fēng)險，通過有效的監(jiān)測手段，提前預(yù)知故障隱患并進行預(yù)警，防止風(fēng)險等級的上升。

2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)和狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

2.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)

近年來，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革快速發(fā)展，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)給傳統(tǒng)造船行業(yè)帶來了新的契機。本文以接入層、平臺層和應(yīng)用層這一典型技術(shù)架構(gòu)建立的數(shù)字化平臺作為承載造船門式起重機的安全保障系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺。

1）接入層 由外部數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)采集及邊緣計算、工業(yè)機理模型等組成；

2）平臺層 由工業(yè)大數(shù)據(jù)計算中心——分布式文件存儲系統(tǒng)、數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)、機器學(xué)習(xí)算法庫、分布式協(xié)同調(diào)度服務(wù)、流式實施計算模型、大數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)等組成；工業(yè)know-how模型由算法框架、工業(yè)微服務(wù)共享庫、專業(yè)機理模型庫、知識圖譜、語義模型、領(lǐng)域知識和評價體系等組成；

3）應(yīng)用層 提供運行狀態(tài)監(jiān)測、健康評估、異常情況預(yù)警、實時故障診斷和智能化運維服務(wù)的各類工業(yè)APP。

2.2 狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

1）通過傳感器進行數(shù)據(jù)采集

針對II類風(fēng)險中結(jié)構(gòu)異常變形、起升機構(gòu)振動超差等存在劣化趨勢的風(fēng)險，采用狀態(tài)監(jiān)測的方法對風(fēng)險進行預(yù)測和預(yù)警。起重機狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)路線如圖1所示。通過采集設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和在線狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)來獲得設(shè)備運行和維保階段產(chǎn)生的能反映設(shè)備整體和各部件狀態(tài)變化的特征數(shù)據(jù)。

圖1 起重機狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)路線圖

設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)主要是指設(shè)備的工況數(shù)據(jù)，如載荷大小、起升高度、行走距離以及設(shè)備控制系統(tǒng)參數(shù)，如電機的電流、電壓、轉(zhuǎn)矩等，這些數(shù)據(jù)的采集可從安全監(jiān)控管理系統(tǒng)和PLC管理的數(shù)據(jù)庫中搜集。

在線狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)是通過外加的專用傳感器采集相關(guān)的特征數(shù)據(jù)，針對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件和機構(gòu)件，從結(jié)構(gòu)變形和機構(gòu)振動2個方面布置應(yīng)變和加速度傳感器，分別采集起重機工作時的時域和頻域特征值數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于數(shù)據(jù)采集的渠道、協(xié)議以及時序均存在差異性，需對采集到的原始數(shù)據(jù)進行時間同步、清洗、集成、轉(zhuǎn)換、離散化、規(guī)約、降維和特征提取等處理工作，以滿足分析、預(yù)測、診斷等功能的實施。將采集到的設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和在線狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行清洗、分類和梳理，將各類不同來源的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)采集模型內(nèi)進行時間同步，并將關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)通過邊緣計算進行篩選和整合，減少后續(xù)平臺的處理工作量，滿足應(yīng)用需求。

3）基于機理模型和大數(shù)據(jù)技術(shù)的數(shù)據(jù)分析

根據(jù)對II類風(fēng)險的分析，結(jié)合在設(shè)計、制造安裝、實際使用過程中遇到的問題和解決問題積累的經(jīng)驗，從整機鋼結(jié)構(gòu)、起升機構(gòu)及關(guān)鍵零部件的循環(huán)特性、疲勞累積和趨勢變化等對安全性影響較大的內(nèi)容進行研究。

通過運行狀態(tài)數(shù)據(jù)估算起重設(shè)備整機以及關(guān)鍵零部件的已使用壽命，從而評估起重設(shè)備的健康狀況?；诓杉倪\行狀態(tài)數(shù)據(jù)和在線狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，再結(jié)合造船門式起重機的機理模型，進行專業(yè)分析及大數(shù)據(jù)分析，監(jiān)測起重設(shè)備的故障趨勢，實現(xiàn)故障的預(yù)警與預(yù)測。

2.3 應(yīng)用場景

將PLC中設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和在線監(jiān)測采集到的數(shù)據(jù)融合和迭代，采用標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理、圖形化數(shù)據(jù)顯示、人性化的用戶交互界面，快速顯示分析處理結(jié)果。從而實現(xiàn)對起重設(shè)備的健康評估、故障預(yù)測以及相應(yīng)的設(shè)備運維管理。

1）健康評估

如圖2所示，根據(jù)采集的設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，對造船門式起重機的主要結(jié)構(gòu)件、關(guān)鍵零部件的狀態(tài)進行分析和評估，評價其健康情況，有利于生產(chǎn)和維保部門提前預(yù)知設(shè)備狀況，有針對性地安排維修或零部件計劃。

圖2 起重機健康評估系統(tǒng)架構(gòu)圖

2）故障預(yù)測

①主梁結(jié)構(gòu)異常變形故障預(yù)測機理模型

如圖3所示，根據(jù)歷史積累數(shù)據(jù)對比不同時序下相同工況時應(yīng)變傳感器采集的應(yīng)變通道時域數(shù)據(jù)可判斷主梁結(jié)構(gòu)變化的趨勢，根據(jù)算法判斷存在劣化趨勢時進行故障預(yù)警，避免結(jié)構(gòu)失效引起的災(zāi)難事故。

圖3 起重機主梁結(jié)構(gòu)故障預(yù)測技術(shù)路線

②起升機構(gòu)傳動系統(tǒng)故障預(yù)測機理模型

如圖4所示，根據(jù)歷史積累數(shù)據(jù)對比不同時序下相同工況時采集的起升機構(gòu)傳動系統(tǒng)上各振動傳感器的頻域數(shù)據(jù)，可判斷機構(gòu)狀態(tài)變化的趨勢，避免重要機構(gòu)件險肇事故的發(fā)生。

圖4 起重機傳動系統(tǒng)故障預(yù)測技術(shù)路線

3）運維管理

在建立信息化設(shè)備運維管理平臺的基礎(chǔ)上，將電子臺賬、現(xiàn)場看板、設(shè)備電子資料、維護保養(yǎng)要求和記錄通過三屏合一的模式投放到各個終端進行無紙化管理。同時根據(jù)設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行易損件更換周期預(yù)估、潤滑油加注周期精確計算、備品備件預(yù)采購零庫存等一系列的拓展應(yīng)用，提升運維管理水平。

3 應(yīng)用價值

1）保障造船門式起重機生產(chǎn)安全

本系統(tǒng)對于造船門式起重機生產(chǎn)安全的介入時間點均是設(shè)備和系統(tǒng)參數(shù)在達到臨界點之前，能有效防止實際故障的發(fā)生，從而將造船門式起重機的安全生產(chǎn)從靜態(tài)分析向動態(tài)感知、從應(yīng)急向事前預(yù)防、從單點防控向全局聯(lián)防轉(zhuǎn)變，故生產(chǎn)的安全性大幅度提升。

2）降低造船門式起重機維護及停機成本

基于狀態(tài)監(jiān)測的造船門式起重機安全保障系統(tǒng)，使得維護周期動態(tài)可控；同時，因故障的提前預(yù)警，現(xiàn)場作業(yè)可合理安排維護工作，使造船門式起重機因故障意外停機時間大幅減少，從而降低總體維護及停機的成本。

3）提高造船門式起重機生產(chǎn)、運維的效率

采用先進的傳感器技術(shù)及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過專業(yè)分析與大數(shù)據(jù)算法并行，可實時了解造船門式起重機的關(guān)鍵參數(shù)和故障的演化趨勢，從而有針對性地調(diào)整設(shè)備或系統(tǒng)的運行狀態(tài)與負荷，最終尋找到產(chǎn)能、質(zhì)量與損耗三者的平衡點，提高造船門式起重機的綜合效率和延長其有效壽命。