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摘 要 ：随着中国制造 2025 规划的实施, 钢铁企业的智能制作水平得到了大幅度的提升, 产线设备的网络化、数字化、 智能化水平有了质的飞跃,同时钢铁企业对设备的点检维护要求也发生了变化,传统的现场点检定修的运维模式已经无法满足 生产需要。本文以钢铁企业设备点检运维工作为背景,围绕钢铁企业设备管理新需求,基于云计算、工业互联网、大数据、移 动互联网和人工智能等先进技术,分析了当前设备运维工作面临的机遇与挑战,提出了钢铁行业智能点检运维定义,阐述了智 能点检运维系统的核心内容,介绍了钢铁企业开发应用智能点检系统的整体架构、主要功能和应用效果。验证了智能点检运维 模式的可行性、可靠性和有效性,为钢铁企业设备点检运维工作变革和智能点检运维模式实施提供了参考。
关键词：钢铁企业,智能点检运维,运维模式,故障预测与诊断,工业互联网,工厂数据库,移动互联网
Development and Application of Intelligent Spot Inspection and Operation Maintenance System for Iron and Steel Enterprises
ZHANG Baoyu
(Tangshan Iron and Steel Group Company, Tangshan Hebei 063000)
【Abstract】：With the implementation of made in China 2025 plan, the intelligent production level of iron and steel enterprises has been greatly improved, and the networked, digital and intelligent level of production line equipment has made a qualitative leap. At the same time, the spot inspection and maintenance requirements of iron and steel enterprises for equipment have also changed, and the traditional operation and maintenance mode of on-site spot inspection and repair has been unable to meet production needs. Based on the background of equipment routine inspection, operation and maintenance of iron and steel enterprises, this paper focuses on the new requirements of equipment management of iron and steel enterprises, analyzes the opportunities and challenges faced by the current equipment operation and maintenance work based on cloud computing, industrial Internet, big data, mobile Internet, artificial intelligence and other advanced technologies, puts forward the definition of intelligent routine inspection, operation and maintenance of iron and steel industry, and describes the core content of intelligent routine inspection, operation and maintenance system, this article introduces the overall architecture, main functions, and application effects of the intelligent inspection system developed and applied by steel enterprises. The feasibility, reliability, and effectiveness of the intelligent spot check operation and maintenance mode have been verified, providing a reference for the transformation of equipment spot check operation and maintenance work in steel enterprises and the implementation of the intelligent spot check operation and maintenance mode.
【Key words】：steel enterprises;intelligent point inspection and operation maintenance;operation and maintenance mode;fault prediction and diagnosis;industrial Internet;factory database;mobile Internet
引言
随着钢铁企业智能制造建设的不断深入,企业的生 产效率,质量和成本控制能力都得到大幅提升,这些改 善和提升都需要建立在良好的设备管理水平之上。传统的现场点检定修运维模式面临着严峻的挑战,主要体现 在以下几个方面 ：
(1)现场人工点检模式无法满足设备状态全天候监 控和管理的需要。当代钢铁企业一般为流程化连续生产,生产节奏快,工序衔接紧密,需要保障设备 7×24 小时连续高精度运行,传统的人工点检现场点检模式无 论从点检频率和点检周期都无法满足要求。
(2)点检人员技术水平参差不齐,无法保障点检运 维水平。大型钢铁企业产线众多,设备数量大、型号 多,系统复杂,一个高水平点检技术人员即需要扎实的 理论知识又需要多年的工作经验才能做到,很难保证企 业各产线每个设备人员都具备这样的水平和能力。
(3)远离市区一业多地的生产模式,给传统的本地 设备运维模式带来巨大挑战。出于环保和城市规划合理 性等多方面的考虑,钢铁企业作为重能源消耗,重污染 企业大都采取退城搬迁策略、远离市区,相关产业链上 的企业如焦化等也都远离市区,这给企业人员通勤增加 了时间成本,传统的现场点检模式不能适应企业设备管 理的需要。
(4)技术人员短缺,使传统设备运维点检模式难以 为继。
(5)自动化、智能化设备的投入需要新的点检运维 模式。随着产线设备自动化和智能化水平的提升,传统 的通过人的感官判断进行点检和维护的方式已经不能满 足要求。需要引入更加精准的数字化、网络化和智能化 点检方式。
(6)主动维修方式 (PAM)、预知维修方式 (PDM) 需要建立新的点检运维模式。激烈的市场竞争,对设备 管理的效率和成本提出了新的更高的要求,在 20 世纪 80 年代以后,一些西方发达国家航空工业普遍开始采 用状态维修 (CBM),并开始采用预知维修方式 (PDM)。 进入 20 世纪 90 年代后期,激烈的市场竞争促使企业采 用一种主动维修方式 (PAM)[1],这些先进的设备管理方 式需要新系统和新工具的介入才能实现。
本文将以钢铁企业为研究对象,围绕数字化和智能 化时代钢铁企业设备管理新需求,基于工业互联网、云 计算、大数据、人工智能和移动互联网等先进技术,提 出钢铁企业智能点检运维系统的定义,阐述了智能点检 运维的本质特征,并结合实践提出了系统架构、主要功 能以及运行效果。
1 智能点检运维系统的定义
随着时代的发展,企业设备的智能化改造正在如火 如荼地进行,为适应新时代设备管理需求,国内外学者 和设备管理人员对新时代设备管理需求进行了深入研究, 提出了一些适应于数字化和智能化时代的设备管理新理 论和新模式。Jon Bokrantz 等对什么是智能运维和智能 运维的四个基本要素进行了阐述 [2]。
河钢唐钢秉承集团公司“退城搬迁, 向海图强”的 发展战略,在京唐港建设了具有世界先进水平的钢铁生 产基地。为了产线设备更好地发挥作用,唐钢信息自动 化部和惠唐物联运维团队充分利用新基地良好的信息 化、网络化、数字化和智能化基础,综合运用工业互联 网、云计算、大数据、人工智能和移动互联网等技术, 结合多年来储备的各专业、各种类设备的运维经营,自 主开发建设了一套智能点检运维系统。
2 智能点检运维系统的核心内容
钢铁企业维修策略演进路径是 ：从被动式维护 (RM) 到预防性维护 (PM),再到基于状态维护 (CBM),最后 到预测性维护 (PHM)。其中被动式维护是一种修复性 维护,整体花费最高。预防性维护是应对高可靠性系统 场景,可能造成系统过维护,进而造成较多的浪费。基 于状态的维护 (CBM) 可较准确地把握设备状态, 具有一 定的针对性和精确性,但也有一定局限性,因为 CBM 只 反映系统当前情况,对设备未来状态无法预知。预测性维 护 (PHM) 不仅可以对当前状态进行透视, 还能对设备未 来状态、寿命和性能进行预测,进而有效管理设备健康 状态和可能出现的风险,从而大大降低系统运维成本。
智能点检运维系统主要作用就是为基于状态的维护 (CBM)和预测性维护(PHM)设备维护方式提供技 术支撑。它结合了信息技术 (IT)、运营技术 (OT) 和数 据技术 (DT),主要功能包括对设备系统运行状态进行 监控、预测和管理,对设备运维点检知识、经验和机理 进行归纳总结和传承,根据设备目前的运行状态结合预 测模型为未来故障进行预测和分析,给出维修和优化建 议,从而最优化设备的运行维护方案。智能点检运维系 统区别于传统运维的最大特点是以“模型为核心”。模 型是可以学习人的经验,替代人来分析问题和形成决 策,能从新的问题中积累经验,从而避免问题的再次发 生 [3]。智能点检运维的重要特征为设备运行状态透明可 见、故障自诊断和可预测、运维计划可调度、剩余寿命 可评估,故障预测、告警信息、运维策略主动推送。
智能点检运维系统通过传感器和数据采集系统替代 五感点检,获得产线和设备状态参数,利用阈值或趋势 模型进行智能分析和报警,再采用机理模型或机器学习 模型进行智能诊断和智能预测,基于大数据平台和智能 算法模型进行运维工作智能排程、解决方案推送,辅助 运维计划精准实施,根据需要运维专家进行远程支持, 运维结束后进行智能检查验证,最后形成运维流程闭 环,实现运维知识、专家经验、设备机理和大数据知识 的模型化,并通过模型不断迭代优化,从而提升模型的可靠性和准确性。
3 智能点检运维系统的云架构
河钢唐钢根据自身条件,综合运用云计算、工业互 联网、工厂数据库、移动互联网、人工智能等技术,通 过多专业的融合,完全自主研发和建设,覆盖了公司一 业多地的智能点检运维系统。该系统基于云平台搭建, 具有良好的横向和纵向拓展能力。系统按照数据处理流 程包含 ：数据采集、边缘计算、网络传输、数据存储、 数据分析、数据展示和数据应用等四个层次。按照云模 式部署,数据采集层属于“端”的部分,需要在现场部 署和实施 ;边缘计算和网络传输属于边部分,可以充分 利用公司现有的工业控制网和信息化园区网 ;数据存储, 数据分析以及数据展示和数据应用根据需要部署在公司私 有云平台和公有云平台,可以非常方便地扩展计算资源和 存储资源,快速地通过企业内网、互联网和移动互联网对 外发布应用。这种架构很好地保障了系统灵活性和可扩展 性,为系统的开发和应用打下了良好的架构基础。
4 智能点检运维系统的关键技术
开发和应用智能点检运维系统的关键技术包括如下 几点 ：
(1)数据采集技术 ：数据采集是故障预测和诊断的 前提。依托工业互联网,采用各种接口技术从各种类型 的设备、传感器和智能仪表上进行数据采集并传输,是 实现远程与运维服务的关键技术。(2)网络安全技术 ： 要实现远程运维服务,须打通互联网、园区网和工业控 制网 3 个网络,同时需要采取安全、可靠、高效的网 络安全技术,用以规避病毒、木马、黑客攻击等网络威 胁。(3)工业大数据平台 ：各产线系统和设备产生的数 据种类多,数据量大,频率高,必须建立专门的工业大 数据平台用于存储和处理工业大数据。(4)知识库、规 则库、故障代码库 ：建立运维知识库、点检规则库和故 障代码库,使知识固化,不断提升远程运维系统智能化 水平。(5)智能算法和智能点检软件 ：通过对历史数据 的统计分析,基于点检规则库,对设备状态数据进行分 析和判断,筛选出关键信息,结合知识库和故障代码库 向运维人员实时推送故障信息和维护建议,实现智能点 检和主动运维。
5 智能点检运维系统的功能和价值
目前唐钢智能点检运维系统的主要功能包括如下 几点 ：
(1)通过工业互联网技术实现对设备状态参数实时在线采集和安全传输。(2)通过工业大数据平台对设备 运行参数进行实时存储和查询。(3)通过云计算平台, 运用人工智能技术对设备状态数据进行筛选和分析,对 故障代码进行自动解析。(4)通过大屏幕和移动终端对 设备状态进行在线集中监测和管控。(5)通过移动互联 网对预警信息和维修预案进行智能推送。(6)通过远程 运维系统对现场维修工作提供专家技术支持,通过指挥 中心系统对维修力量进行调度,对维修过程全程跟踪。
系统仍然在不断地拓展和优化中,不断有新的设备 纳入到系统的监控和管理中,同时系统点检规则库、故 障代码库、运维知识库也在不断地完善和丰富。
系统产生的作用和价值主要包括以下几点 ：
(1) 降低了运维人员的劳动强度,用系统代替人工点 检,让运维人员的主要精力放在隐患消除和功能优化上。 (2)提高了设备点检的准确性和及时性,系统可以按照 规定的频率实现 7×24 小时的不间断的点检 ;可以真正 实现高密的精密点检。(3)减少故障和事故的发生,通 过不断优化点检标准可以及时发现设备运行中存在的隐 患,提前进行处置避免自动化设备事故的发生。(4)减 少故障的处理时间,通过系统可以实现秒级的故障告警 推送,可以让运维人员和相关技术人员第一时间发现设 备故障,为设备故障的处置争取宝贵的时间。(5) 实现 信息自动化专业化集中远程运维,系统可以实现跨区域 专业化集中点检和移动推送。(6)提高运维人员工作的 安全性,通过系统在线点检的方式可以避免人员到危险 的区域作业的次数,减少人员安全事故发生的可能性。
6 结语
智能点检运维系统在钢铁企业智能制造建设中占有 重用的地位,它为智能制造系统稳定高效的工作提供有 效的技术支撑,是未来设备运行维护的重用技术手段, 值得相关专业技术人员不断研究和应用。
参考文献
[1] 张翠凤.设备管理与维修模式探讨[J].设备管理与维修,2000 (2):7-9.
[2] Jon Bokrantz,Anders Skoogh,Cecilia Berlin,et al. Smart Maintenance:An Empirically Grounded Conceptualization[J].International Journal of Production Economics,2020(223):1-17.
[3] 李杰,倪军,刘宗长.从大数据到智能制造[M].上海:上海交通 大学出版社,2016:4-5.
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