钢厂电气设备智能运维系统浅析
1 引言
在现代化钢厂中，电气设备故障是造成电气火灾的重要原因，由其引发的各类停电事故也给钢厂带来了重大经济损失。导致电气设备故障的原因多种多样，如设备部件达到使用年限、设备电压波动、设备操作不当等。不同故障因素对电气设备的损耗情况各不相同，要求企业及时采取相应措施对设备进行维护，以保障日常生产顺利运行。
近年来，随着工业互联网、大数据、人工智能等新兴技术的快速发展，生产设备的智能运维已逐渐成为研究热点。电气设备智能运维系统采集并分析电气设备的相关数据，可以对电气设备的运行状态进行监控和预测，实现精准维检。本文将重点论述该技术在智慧钢厂中的应用。
2 电气设备运维方案设计
钢铁企业生产环节采用的电气设备种类繁多，其中应用较为广泛的主要是配电设备、电机设备、控制设备和辅助设备。
1)配电设备
配电设备是钢厂生产过程中用电管理的重要部分，对全厂生产用电安全有着显著影响。它主要分为高中压配电和低压配电两大部分，包括变压器、高中压开关柜、低压开关柜、照明配电箱、检修电源箱、开关箱、直流屏等。
2)电机设备
钢厂常用电机设备包括泵、阀、风机、胶带机、起重设备等。部分设备配有机旁操作箱和PLC控制接口，设备结构相对复杂,对平时的维护要求也比较高,出现故障时有可能直接影响全厂生产运行。
3)控制设备
控制与传动设备是钢厂生产运行的“神经元”，包括PLC、变频器、软启动器等。其中，PLC负责全厂主要用电设备的计算机集中控制;变频器主要应用于电动机的调速控制;软启动器集成了软启动、软停车和多种保护功能，主要应用于大功率电机的启停控制。
4)辅助设备
辅助设备负责钢厂主要生产工序外的辅助工作，包括空调、测温仪、摄像头、电子秤、通讯设备等。
在日常生产运行过程中，钢厂电气设备性能会逐渐退化，最后功能失效达到寿命终点。根据维保工作技术思路的差异，钢厂电气设备的维护策略可分为三个层次：响应式维护、预防性维护和预测性维护。
♦设备响应式维护
实时全方位监测设备运行状态，故障发生后快速定位故障位置，通过系统后台自动派工，借助手机APP推送等方式第一时间通知维护人员，精准告知故障情况，并发送维修指导文件。维修人员佩戴可穿戴式智能装置，接受平台远程运维指导，APP上传维修日志，及时完成故障排除。系统内嵌的数字化文档保存了图纸、程序和手册，方便维保人员使用。
♦设备预防性维护
结合工厂生产计划，制定设备维护的日、周、月、季度和年度规划，提前创建维保工单，主动推送维护计划，同时安排好维保人员，准备好维护工具和材料，对电气设备进行检查、维修、保养和部件更换。
♦设备预测性维护
实时监测设备运行数据，根据数据变化趋势及变量间相关关系，利用人工智能算法建立预测维护模型，预估设备剩余寿命，提前制定运维计划。
三类维护策略对比如表1所示。在具体维护实施过程中，综合考虑不同电气设备的故障频率、故障风险和运维成本，采取适宜的运维措施。通过预防性维护和预测性维护，可以有效降低故障抢修成本，延长设备使用寿命，进而降低设备更换的采购成本。同时，由于电气设备的可靠性得以提高，停电事故的出现概率及其带来的经济损失也将显著减小。
3 智能运维系统架构
钢厂电气设备智能运维系统在应用实施过程中主要包括现场硬件部署及平台软件设计。
3.1系统硬件架构
智能运维系统硬件由设备端、智能网关、服务端、客户端、平台中心看板等几部分组成。
现代化钢厂的控制系统通常包含控制室PLC柜、传动设备和现场设备，当设备在运行过程中发生异常时，控制系统可将运行信息反馈给管理人员。因此，在数据采集层面，主要从钢厂设备控制系统以及配备数据通讯接口的智能设备(如智能电表等)取数。此外，还需采集电气室及现场设备音视频监控、温湿度等环境信息，以辅助运维系统进行决策。巡检和运维过程中，维保人员通过佩戴智能安全帽，与平台系统智能交互，实现在线视频及图像传输、远程运维指导等功能。借助超宽带(Ultra Wide Band, UWB)定位技术，可实现危险区域人员高精度定位，确保运维人员安全作业。
设备端接入支持各类工业协议解析的智能网关，其数据通过网关传输至服务器，供服务端进行处理。服务端在设备监控过程中根据不同电气设备的具体特性变化趋势进行判断。例如对于变频器，采集系统状态、给定方式、运行方式、控制方式、运行频率、输出电流、柜内温度等信号，通过在线监测，及时发现短路、欠压、过压、温度过高、面板故障、主回路跳闸等故障;对于直流屏，采集交流及直流模拟量数据，以及电池组过压、欠压等信号，当信号异常超限时推送报警。
在人机交互方面，服务端将系统业务数据、设备监控数据等需要展示的信息发布到平台中心看板，并通过互联网推送到PC端和移动端，供客户浏览。
3.2系统软件架构
软件系统由数据采集层、大数据平台层和智能运维应用层组成，整体架构如图1所示。从图1可知，数据采集层负责和各硬件系统进行通信，获取系统的各类实时数据;大数据平台层是整个系统的数据存储与处理中心，它将采集层获取的数据进行数据转换与预处理，并根据数据逻辑进行关联，保存到历史数据库中，系统同时设置实时数据库，以适应高实时性数据处理需求;智能运维应用层主要分为智能分析和可视化应用两部分。
智能分析部分包含设备数字孪生、预测性维护和智能化巡检技术，以及基于专家经验知识的远程专家诊断系统和设备维护专家库。其中，设备数字孪生技术对电气设备进行数字化建模，实现关键电气设备三维模型和监控数据的融合展示。基于机器学习的预测性维护技术实时监测设备运行数据，通过时序模型、回归分析、统计推断等方法，对海量的设备数据进行分析，可以训练出该类型设备的数据模型，并将该模型应用于设备状态和剩余寿命的预测中，实现从响应式维护到预测性维护的转变。智能化巡检则根据生产计划和设备运行状态监测结果，自动生成巡检计划，对工作时间长、报警频率高、寿命周期短的关键设备加大巡检力度。对于数据驱动技术难以解决的设备运维问题，引入工艺和电气技术专家的团队力量，通过设立远程专家诊断系统，实现远程网络环境下的电气设备在线诊断，并记录专家运维案例，对设备维护专家知识库进行及时更新。
可视化应用部分提供设备运维系统的各种可视化运维管理功能，可在PC端和移动端实现，其人机界面包括运维APP和平台中心看板。其中，运维APP可根据管理人员和运维人员等不同角色配置不同的功能和权限，支持设备管理、报警管理、维护管理等多种功能。平台中心看板主要实现运维信息大屏幕展示功能，包括：1)设备管理：全厂电气设备类型、数量、状态信息、运行数据、设备地图等;2)报警管理：设备报警信息、专家在线情况、诊断结果、处理建议等;3)维护管理：显示运维信息，包括运维人员在线情况、维保工单、运维现场画面、备件信息等。
4 结语
钢厂电气设备运维管理工作是一项系统工程，能够降低设备故障几率，有效保障钢厂生产的顺利运行和企业员工的生命安全。本文介绍了现代化钢厂电气设备的智能运维策略，采用工业互联网、大数据、人工智能等先进技术，创新集成智能产品，对设备智能运维平台架构进行了分析。与传统运维技术相比，该智能运维系统的主要优势表现在：1)数字孪生技术为电气设备智能运维提供了基础数据，也是钢厂数字化转型的重要依托;2)融合专家经验知识和机器学习技术的智能运维策略可以预测设备状态变化趋势，提前制定运维计划;3)借助智能安全帽、UWB定位等智能设备构建远程运维指导系统，增强了即时运维能力，提高了钢厂安全监管的实效性。
来源：世界金属导报
