鋼廠電氣設備智能運維系統淺析

　　1 引言

　　在現代化鋼廠中，電氣設備故障是造成電氣火災的重要原因，由其引發的各類停電事故也給鋼廠帶來了重大經濟損失。導致電氣設備故障的原因多種多樣，如設備部件達到使用年限、設備電壓波動、設備操作不當等。不同故障因素對電氣設備的損耗情況各不相同，要求企業及時采取相應措施對設備進行維護，以保障日常生產順利運行。

　　近年來，隨著工業互聯網、大數據、人工智能等新興技術的快速發展，生產設備的智能運維已逐漸成為研究熱點。電氣設備智能運維系統采集并分析電氣設備的相關數據，可以對電氣設備的運行狀態進行監控和預測，實現精準維檢。本文將重點論述該技術在智慧鋼廠中的應用。

　　2 電氣設備運維方案設計

　　鋼鐵企業生產環節采用的電氣設備種類繁多，其中應用較為廣泛的主要是配電設備、電機設備、控制設備和輔助設備。

　　1)配電設備

　　配電設備是鋼廠生產過程中用電管理的重要部分，對全廠生產用電安全有著顯著影響。它主要分為高中壓配電和低壓配電兩大部分，包括變壓器、高中壓開關柜、低壓開關柜、照明配電箱、檢修電源箱、開關箱、直流屏等。

　　2)電機設備

　　鋼廠常用電機設備包括泵、閥、風機、膠帶機、起重設備等。部分設備配有機旁操作箱和PLC控制接口，設備結構相對復雜,對平時的維護要求也比較高,出現故障時有可能直接影響全廠生產運行。

　　3)控制設備

　　控制與傳動設備是鋼廠生產運行的“神經元”，包括PLC、變頻器、軟啟動器等。其中，PLC負責全廠主要用電設備的計算機集中控制;變頻器主要應用于電動機的調速控制;軟啟動器集成了軟啟動、軟停車和多種保護功能，主要應用于大功率電機的啟停控制。

　　4)輔助設備

　　輔助設備負責鋼廠主要生產工序外的輔助工作，包括空調、測溫儀、攝像頭、電子秤、通訊設備等。

　　在日常生產運行過程中，鋼廠電氣設備性能會逐漸退化，最后功能失效達到壽命終點。根據維保工作技術思路的差異，鋼廠電氣設備的維護策略可分為三個層次：響應式維護、預防性維護和預測性維護。

　　?設備響應式維護

　　實時全方位監測設備運行狀態，故障發生后快速定位故障位置，通過系統后臺自動派工，借助手機APP推送等方式第一時間通知維護人員，精準告知故障情況，并發送維修指導文件。維修人員佩戴可穿戴式智能裝置，接受平臺遠程運維指導，APP上傳維修日志，及時完成故障排除。系統內嵌的數字化文檔保存了圖紙、程序和手冊，方便維保人員使用。

　　?設備預防性維護

　　結合工廠生產計劃，制定設備維護的日、周、月、季度和年度規劃，提前創建維保工單，主動推送維護計劃，同時安排好維保人員，準備好維護工具和材料，對電氣設備進行檢查、維修、保養和部件更換。

　　?設備預測性維護

　　實時監測設備運行數據，根據數據變化趨勢及變量間相關關系，利用人工智能算法建立預測維護模型，預估設備剩余壽命，提前制定運維計劃。

　　三類維護策略對比如表1所示。在具體維護實施過程中，綜合考慮不同電氣設備的故障頻率、故障風險和運維成本，采取適宜的運維措施。通過預防性維護和預測性維護，可以有效降低故障搶修成本，延長設備使用壽命，進而降低設備更換的采購成本。同時，由于電氣設備的可靠性得以提高，停電事故的出現概率及其帶來的經濟損失也將顯著減小。

　　3 智能運維系統架構

　　鋼廠電氣設備智能運維系統在應用實施過程中主要包括現場硬件部署及平臺軟件設計。

　　3.1系統硬件架構

　　智能運維系統硬件由設備端、智能網關、服務端、客戶端、平臺中心看板等幾部分組成。

　　現代化鋼廠的控制系統通常包含控制室PLC柜、傳動設備和現場設備，當設備在運行過程中發生異常時，控制系統可將運行信息反饋給管理人員。因此，在數據采集層面，主要從鋼廠設備控制系統以及配備數據通訊接口的智能設備(如智能電表等)取數。此外，還需采集電氣室及現場設備音視頻監控、溫濕度等環境信息，以輔助運維系統進行決策。巡檢和運維過程中，維保人員通過佩戴智能安全帽，與平臺系統智能交互，實現在線視頻及圖像傳輸、遠程運維指導等功能。借助超寬帶(Ultra Wide Band, UWB)定位技術，可實現危險區域人員高精度定位，確保運維人員安全作業。

　　設備端接入支持各類工業協議解析的智能網關，其數據通過網關傳輸至服務器，供服務端進行處理。服務端在設備監控過程中根據不同電氣設備的具體特性變化趨勢進行判斷。例如對于變頻器，采集系統狀態、給定方式、運行方式、控制方式、運行頻率、輸出電流、柜內溫度等信號，通過在線監測，及時發現短路、欠壓、過壓、溫度過高、面板故障、主回路跳閘等故障;對于直流屏，采集交流及直流模擬量數據，以及電池組過壓、欠壓等信號，當信號異常超限時推送報警。

　　在人機交互方面，服務端將系統業務數據、設備監控數據等需要展示的信息發布到平臺中心看板，并通過互聯網推送到PC端和移動端，供客戶瀏覽。

　　3.2系統軟件架構

　　軟件系統由數據采集層、大數據平臺層和智能運維應用層組成，整體架構如圖1所示。從圖1可知，數據采集層負責和各硬件系統進行通信，獲取系統的各類實時數據;大數據平臺層是整個系統的數據存儲與處理中心，它將采集層獲取的數據進行數據轉換與預處理，并根據數據邏輯進行關聯，保存到歷史數據庫中，系統同時設置實時數據庫，以適應高實時性數據處理需求;智能運維應用層主要分為智能分析和可視化應用兩部分。

　　智能分析部分包含設備數字孿生、預測性維護和智能化巡檢技術，以及基于專家經驗知識的遠程專家診斷系統和設備維護專家庫。其中，設備數字孿生技術對電氣設備進行數字化建模，實現關鍵電氣設備三維模型和監控數據的融合展示。基于機器學習的預測性維護技術實時監測設備運行數據，通過時序模型、回歸分析、統計推斷等方法，對海量的設備數據進行分析，可以訓練出該類型設備的數據模型，并將該模型應用于設備狀態和剩余壽命的預測中，實現從響應式維護到預測性維護的轉變。智能化巡檢則根據生產計劃和設備運行狀態監測結果，自動生成巡檢計劃，對工作時間長、報警頻率高、壽命周期短的關鍵設備加大巡檢力度。對于數據驅動技術難以解決的設備運維問題，引入工藝和電氣技術專家的團隊力量，通過設立遠程專家診斷系統，實現遠程網絡環境下的電氣設備在線診斷，并記錄專家運維案例，對設備維護專家知識庫進行及時更新。

　　可視化應用部分提供設備運維系統的各種可視化運維管理功能，可在PC端和移動端實現，其人機界面包括運維APP和平臺中心看板。其中，運維APP可根據管理人員和運維人員等不同角色配置不同的功能和權限，支持設備管理、報警管理、維護管理等多種功能。平臺中心看板主要實現運維信息大屏幕展示功能，包括：1)設備管理：全廠電氣設備類型、數量、狀態信息、運行數據、設備地圖等;2)報警管理：設備報警信息、專家在線情況、診斷結果、處理建議等;3)維護管理：顯示運維信息，包括運維人員在線情況、維保工單、運維現場畫面、備件信息等。

　　4 結語

　　鋼廠電氣設備運維管理工作是一項系統工程，能夠降低設備故障幾率，有效保障鋼廠生產的順利運行和企業員工的生命安全。本文介紹了現代化鋼廠電氣設備的智能運維策略，采用工業互聯網、大數據、人工智能等先進技術，創新集成智能產品，對設備智能運維平臺架構進行了分析。與傳統運維技術相比，該智能運維系統的主要優勢表現在：1)數字孿生技術為電氣設備智能運維提供了基礎數據，也是鋼廠數字化轉型的重要依托;2)融合專家經驗知識和機器學習技術的智能運維策略可以預測設備狀態變化趨勢，提前制定運維計劃;3)借助智能安全帽、UWB定位等智能設備構建遠程運維指導系統，增強了即時運維能力，提高了鋼廠安全監管的實效性。

　　來源：世界金屬導報