預(yù)測性維護(hù)在煤化工企業(yè)中的應(yīng)用研究

余智勇

（神木職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，陜西 神木 719300）

2015年，我國政府制定了“中國制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃，“中國制造2025”是中國制造業(yè)在第四次工業(yè)革命下的一個重大舉措?；诠I(yè)基礎(chǔ)技術(shù)中的核心技術(shù)突破，“中國制造2025”主要涵蓋物聯(lián)網(wǎng)與人工智能以及大數(shù)據(jù)分析等方面[1]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過機(jī)器自我學(xué)習(xí)、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)裝置所提供的信息，讓人們能夠更好地了解系統(tǒng)的運行和維護(hù)。當(dāng)前中小型煤化工企業(yè)對于設(shè)備的維護(hù)還處于修復(fù)性維護(hù)和預(yù)防性維護(hù)階段，對基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的預(yù)測性維護(hù)暫時還未提出相關(guān)技術(shù)應(yīng)用。本文所提出的預(yù)測性維護(hù)是基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一種典型應(yīng)用，對于降低煤化工企業(yè)損耗成本以及提升生產(chǎn)效率有著明顯優(yōu)勢。本文基于煤化工企業(yè)為案例點，提出如何將預(yù)測性維護(hù)技術(shù)應(yīng)用在企業(yè)中并闡述具體實施路徑及策略方法。預(yù)測性維護(hù)運作流程圖如圖1所示。

圖1 預(yù)測性維護(hù)運作流程圖

1 預(yù)測性維護(hù)技術(shù)在國內(nèi)外的理論研究與設(shè)計

預(yù)測性維護(hù)分析系統(tǒng)以其對數(shù)據(jù)的實時處理為主要特征。對設(shè)備進(jìn)行虛擬程序劃分為多個邏輯區(qū)域，建模并將其劃分成不同的邏輯單元，每個區(qū)域都有自己的特點。在實際使用預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)時，結(jié)合該系統(tǒng)所提供的相應(yīng)數(shù)據(jù)與資料，設(shè)備維護(hù)人員可以據(jù)此對生產(chǎn)設(shè)備作出評定，分析其性能降低或者失效原因，從而找出設(shè)備故障的具體原因。該系統(tǒng)具有多個傳感器，能夠?qū)崟r向外部傳輸數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行分析，判斷是否存在問題，降低損失。

在國內(nèi)，預(yù)測性維護(hù)技術(shù)已有相關(guān)理論支撐與研究基礎(chǔ)。設(shè)備監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸與分析方面，提出基于PROFINET技術(shù)對設(shè)備故障診斷，并以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)再經(jīng)PROFINET歷史數(shù)據(jù)比對與分析，實現(xiàn)設(shè)備預(yù)測性維護(hù)[2]，該技術(shù)主要應(yīng)用于汽車生產(chǎn)公司等；基于EHM系統(tǒng)解決了企業(yè)設(shè)備系統(tǒng)軟件不夠深度、架構(gòu)分散等缺陷，融合IT、DT、工業(yè)AI等技術(shù)，實現(xiàn)設(shè)備故障診斷與在線監(jiān)測等智能化功能[3]，滿足預(yù)測性維護(hù)對企業(yè)的應(yīng)用；就物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對城市燃?xì)馓岢鲈O(shè)備監(jiān)控SCADA系統(tǒng)的設(shè)計[4]，基于云計算技術(shù)對無人零售終端設(shè)備提出遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)設(shè)計[5]，兩者在實現(xiàn)智能化系統(tǒng)的同時，對預(yù)測性維護(hù)進(jìn)一步提出數(shù)據(jù)分析與設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的具體應(yīng)用。

在國外，主要集中在預(yù)測性維護(hù)技術(shù)的核心算法方面，以ANN為基礎(chǔ)，建立了風(fēng)電場模擬的數(shù)學(xué)模型。該模型對風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵零部件進(jìn)行故障分析，采用失效零件替代正常工況，對風(fēng)機(jī)運行工況、故障工況進(jìn)行分析，并利用ANN方法對其進(jìn)行預(yù)測；通過使用工藝傳感器的數(shù)據(jù)，對工業(yè)企業(yè)的陽極生產(chǎn)裝置進(jìn)行實時故障診斷；為了解決齒輪的壽命預(yù)測問題，采用加權(quán)放大的方法，將注意力機(jī)制引入到長、短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，使其在一定程度上增大了輸入權(quán)重和回歸權(quán)重[6－7]。通過實例分析，證明了此方法的準(zhǔn)確性。

2 預(yù)測性維護(hù)技術(shù)在煤化工企業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前煤化工企業(yè)設(shè)備的維護(hù)方法主要有兩種，即故障修復(fù)和計劃修復(fù)，故障修復(fù)指在發(fā)生故障或設(shè)備損壞后進(jìn)行修復(fù)。在實際使用過程中，只有出現(xiàn)意外的中斷，相應(yīng)工作人員或者維護(hù)人員才會對其進(jìn)行修復(fù)，也就是不定期維護(hù)。而計劃檢修，是按照時間來安排的，對煤化工企業(yè)中的設(shè)備定期進(jìn)行檢查與修復(fù)，分析有無故障，若出現(xiàn)設(shè)備故障就需要更換，以免發(fā)生更大的問題，影響到整個煤化工的生產(chǎn)效率。目前，在煤化工企業(yè)中，這種維護(hù)方法被普遍采用，且對生產(chǎn)效率的影響相對較小。

在智能化的今天，大多數(shù)的煤化工企業(yè)都在向智能化方向發(fā)展，但大多對設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和分析不全面不及時，所以不能對設(shè)備進(jìn)行實時的監(jiān)測和維護(hù)。設(shè)備預(yù)測性維護(hù)分析系統(tǒng)通過其本身的監(jiān)控軟件，對整個煤化工企業(yè)的設(shè)備進(jìn)行實時預(yù)測與分析，其最大的優(yōu)勢就是可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障，分析原因，從而減少設(shè)備的維修和維護(hù)費用，提升設(shè)備的利用率和生產(chǎn)能力。但是，目前來看，部分煤化工企業(yè)在實現(xiàn)設(shè)備預(yù)測性維護(hù)時，多受限于資金、技術(shù)與管理方面，使得現(xiàn)有的預(yù)測性維護(hù)技術(shù)難以普及更多的煤化工企業(yè)?；谠摲矫?，分別就化工設(shè)備硬件、系統(tǒng)以及平臺等方面提出有效解決方案，提高預(yù)測性維護(hù)技術(shù)的普遍性。

3 預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)中設(shè)備監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析的設(shè)計應(yīng)用

本文主要是針對整個嵌入式主板進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。采用外部設(shè)備的擴(kuò)充，對煤化工企業(yè)設(shè)備的工作狀況進(jìn)行實時監(jiān)控。對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納與分析，將其傳送至數(shù)據(jù)服務(wù)器并實時顯示在終端上。工作人員就可以利用遠(yuǎn)程設(shè)備對煤化工企業(yè)設(shè)備的生產(chǎn)、操作進(jìn)度進(jìn)行實時監(jiān)測，從而提高企業(yè)生產(chǎn)效率。應(yīng)用于煤化工企業(yè)的預(yù)測性維護(hù)設(shè)備監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)主要涵蓋硬件和軟件兩部分，以壓縮機(jī)監(jiān)測為例，預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析圖如圖2所示。

圖2 預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析圖

3．1 硬件方面

預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)中設(shè)備監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析的硬件主要包括主控芯片、傳感器、數(shù)據(jù)采集與服務(wù)器等。根據(jù)煤化工企業(yè)在實際生產(chǎn)時的成本以及具體需求考慮，主控芯片可選用ARM核心處理器，它是該系統(tǒng)的核心控制部分，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)歸類、數(shù)據(jù)分析以及邏輯處理等重要環(huán)節(jié)，它的優(yōu)點在于體積小、功率消耗低、性能好、價格低。傳感器方面，仍以壓縮機(jī)為例，在其鍵相、殼體、十字頭以及氣缸等部位，分別布置鍵相傳感器、速度傳感器以及加速度傳感器，對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、連桿、壓差、液擊等狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測。數(shù)據(jù)收集和服務(wù)器的硬件部分，其原理在于采用專用的信號處理系統(tǒng)，利用A／D轉(zhuǎn)換技術(shù)，實現(xiàn)了對數(shù)字信號的實時采集。數(shù)據(jù)服務(wù)器為嵌入式網(wǎng)絡(luò)軟件的開發(fā)提供了硬件支撐，實現(xiàn)了對模塊化用戶端軟件的要求。

3．2 軟件與操作方面

3．2．1 數(shù)據(jù)采集與分析

本系統(tǒng)內(nèi)置于數(shù)據(jù)采集裝置，通過信號調(diào)節(jié)板，實現(xiàn)對各個傳感器的信號處理。A／D板讀取和寫入存儲器，完成各個信號的特征提取，對設(shè)備的各個分系統(tǒng)進(jìn)行分析，并對其進(jìn)行無損壓縮，然后傳輸至現(xiàn)場的數(shù)據(jù)服務(wù)器。

3．2．2 客戶端軟件

本系統(tǒng)采用嵌入式軟件的形式，嵌入到具體數(shù)據(jù)應(yīng)用中，根據(jù)用戶需求選擇功能應(yīng)用。一方面，能夠滿足個性化的功能要求；另一方面，在新功能模塊的開發(fā)和加入過程中，原有的功能模塊不會受到影響。軟件的主要功能是：數(shù)據(jù)處理與通訊、專業(yè)圖形分析、報警監(jiān)測、診斷日志和數(shù)據(jù)統(tǒng)計等。

3．2．3 數(shù)據(jù)傳輸與接口

預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)在實際應(yīng)用時可選用高通平臺，型號為MDM9215，并使用 QuectelEC204G無線通訊芯片。EC20能夠提供 LTE、GSM／GPRS等多種功能，而內(nèi)嵌板則是以usb通訊為主。另外，由于工業(yè)攝影機(jī)拍攝的實景影像所占資料量大，若以串行方式傳送，會產(chǎn)生很大的時延導(dǎo)致無法接收影像，因此，工作人員在通信傳輸過程中可使用網(wǎng)口鏈接進(jìn)行資料傳送。

3．2．4 操作系統(tǒng)

選擇操作系統(tǒng)時，要根據(jù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和兼容性來確定不同的操作系統(tǒng)，在實際操作中，需要保障該系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性以及快速有效性。通過綜合比對，Linux系統(tǒng)是最好的開發(fā)工具。因此，Linux被選中作為一個嵌入式系統(tǒng)來進(jìn)行開發(fā)。

4 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺在煤化工企業(yè)中預(yù)測性維護(hù)策略應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)作為近年來的熱門概念，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行實現(xiàn)，它利用RFID等信息傳感裝置，將任意物體與因特網(wǎng)相連，實現(xiàn)信息的傳遞和交流，實現(xiàn)智能化的設(shè)備識別、設(shè)備定位、設(shè)備監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)管理等。目前對物聯(lián)網(wǎng)體系的定義已有很多種，其中最常用的是感知層（設(shè)備感知）、網(wǎng)絡(luò)層（邊緣控制）和應(yīng)用層（云端控制）三層結(jié)構(gòu)[7]，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺管控系統(tǒng)框架如圖3所示。感知層（設(shè)備感知）是物聯(lián)網(wǎng)的核心，溫度與壓力傳感器、管網(wǎng)設(shè)備以及GPS定位等。感知層的功能是在一定范圍內(nèi)進(jìn)行目標(biāo)的識別與收集。網(wǎng)絡(luò)層（邊緣控制）包括因特網(wǎng)、有線與無線實時通訊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理與分析等，它類似于人的大腦與神經(jīng)系統(tǒng)，將接收到的訊息傳遞、加工，實質(zhì)上是一種資訊與知識的集合。應(yīng)用層（云端控制）是將物聯(lián)網(wǎng)與個人、組織和其他系統(tǒng)的用戶聯(lián)系起來的接口，它必須與具體的工業(yè)需求結(jié)合起來，比如把它們和煤化工生產(chǎn)設(shè)備結(jié)合起來，從而實現(xiàn)對煤化工生產(chǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。本平臺采用的三層結(jié)構(gòu)以開放式結(jié)構(gòu)為主，實現(xiàn)對智能制造數(shù)據(jù)終端的訪問，解決了異構(gòu)協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸和應(yīng)用級的實現(xiàn)，通過對煤化工企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備及各個分設(shè)備的＂集散控制＂，實現(xiàn)了對生產(chǎn)設(shè)備的自動監(jiān)測與管理，為預(yù)測性維護(hù)在煤化工企業(yè)中的應(yīng)用提供保障。

圖3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺管控系統(tǒng)框架

因此，隨著數(shù)字智能化在工業(yè)生產(chǎn)模式中的應(yīng)用，企業(yè)的運作更加高效、經(jīng)濟(jì)。智能化生產(chǎn)給煤化工企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的高自由度限制帶來了生產(chǎn)管理的簡化，對平臺以及相應(yīng)系統(tǒng)的操作要求提出了更高的要求。在現(xiàn)階段智能制造系統(tǒng)中，如果不按計劃進(jìn)行，就會導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，產(chǎn)品交付能力降低。所以，針對煤化工企業(yè)的智能化生產(chǎn)，必然需要有一套與之相適應(yīng)的智能化維護(hù)體系。

5 結(jié)論

綜上所述，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的預(yù)測性維護(hù)中數(shù)據(jù)的采集技術(shù)和應(yīng)用方案，可以在煤化工各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)以及工業(yè)設(shè)備中進(jìn)行應(yīng)用。通過對企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的識別、跟蹤以及定位；對數(shù)據(jù)分析與處理；設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測以及數(shù)據(jù)傳輸、傳感器報警功能等方面綜合處理與運營，實現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控、設(shè)備故障報警的功能，達(dá)到煤化工企業(yè)預(yù)防性維護(hù)的目的。