郎 軍

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院,江蘇 徐州 221116；2.國(guó)家煤加工與潔凈化工程技術(shù)研究中心，江蘇 徐州 221116)

在第四次工業(yè)革命浪潮中，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)系統(tǒng)新一輪的升級(jí)換代在全球范圍內(nèi)迅速展開。企業(yè)不斷進(jìn)行科技創(chuàng)新，積極利用新設(shè)備、新技術(shù)、新工藝，實(shí)現(xiàn)資源利用最大化。根據(jù)目前我國(guó)國(guó)情和工業(yè)發(fā)展水平，新設(shè)備、新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用可能帶來巨大的成本投入和嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。因此，在較低成本和較低復(fù)雜程度條件下，在充分利用現(xiàn)有設(shè)備和工藝系統(tǒng)的前提下，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)合理升級(jí)，提高資源利用效率，成為當(dāng)前亟需解決的問題。對(duì)選煤廠而言，對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行智能化升級(jí)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備利用效率最大化，降低生產(chǎn)成本，不但具有可行性和可操作性，而且易于實(shí)施與實(shí)行。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展與壯大，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸、存儲(chǔ)成為可能。在充分利用硬件與軟件部署和配置的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)選煤生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備的互聯(lián)，在選煤廠內(nèi)部搭建設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)體系，將設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)(如振動(dòng)加速度、振動(dòng)位移、運(yùn)行溫度、油液品質(zhì)等)采集、傳輸給數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，通過大數(shù)據(jù)分析比對(duì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并給予設(shè)備故障預(yù)判和定位，這是智能選煤中設(shè)備智能健康管理的核心內(nèi)容。

1 選煤廠信息化發(fā)展

煤炭洗選是提高煤炭企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的一種有效途徑[1-2]，20世紀(jì)后期，隨著煤炭行業(yè)精細(xì)化發(fā)展和不同質(zhì)量產(chǎn)品的價(jià)格差異，選煤及其技術(shù)越來越受重視。

回顧選煤廠信息化發(fā)展歷程發(fā)現(xiàn)，選煤初期選煤廠主要是將煤炭中的矸石分離出去，以提高煤炭產(chǎn)品質(zhì)量，主要是提高煤炭產(chǎn)品的發(fā)熱量，這個(gè)階段的主要分選方式是人工選撿。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，選煤設(shè)備具備了自動(dòng)分選功能，煤炭分選效率大大提高；這個(gè)階段以單機(jī)分選為主，不能系統(tǒng)、有效地控制產(chǎn)能和生產(chǎn)效率，也不能避免非計(jì)劃停機(jī)和由此帶來的生產(chǎn)損失，生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定性沒有保障。20世紀(jì)末期，信息化和自動(dòng)化建設(shè)與系統(tǒng)升級(jí)在選煤廠得到大力推廣與大量應(yīng)用，這標(biāo)志著煤炭洗選進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段；但設(shè)備自身的健康管理仍然處于較低水平，人工點(diǎn)檢、人工經(jīng)驗(yàn)故障判斷及為了應(yīng)對(duì)設(shè)備突發(fā)故障預(yù)備的大量庫(kù)存成為選煤廠效率提升的瓶頸。與此同時(shí)，不完全信息化帶來的信息“孤島”現(xiàn)象，也成為選煤技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的障礙。在這種情況下，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理，非計(jì)劃停機(jī)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。因此，在現(xiàn)有設(shè)備和選煤工藝基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能健康管理意義重大[3]。

2 選煤廠信息化存在的問題

目前，各個(gè)選煤廠根據(jù)自身情況或多或少地實(shí)現(xiàn)了信息化，但現(xiàn)場(chǎng)面臨的問題不容忽視，主要包括以下六個(gè)方面：

(1)缺乏統(tǒng)一的信息化系統(tǒng)規(guī)劃。在選煤廠信息化過程中，缺乏統(tǒng)一的系統(tǒng)規(guī)劃，單一設(shè)備信息化、部分區(qū)域或功能信息化、信息化迭代障礙、信息化的網(wǎng)絡(luò)化障礙等成為選煤廠進(jìn)一步升級(jí)的難點(diǎn)和瓶頸。

(2)沒有實(shí)現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)。智能生產(chǎn)管理和智能制造的前提是信息互聯(lián)體系的建立，設(shè)備互聯(lián)是其根本，但目前國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)、信息互通的選煤廠較少。

(3)設(shè)備維護(hù)效率低，安全風(fēng)險(xiǎn)高。人工點(diǎn)檢和維護(hù)受人員經(jīng)驗(yàn)、管理水平和責(zé)任心的影響較大，點(diǎn)檢、維護(hù)效率低；對(duì)于高危區(qū)域的點(diǎn)檢和維護(hù)，存在高的安全風(fēng)險(xiǎn)。

(4)備件庫(kù)存率高，資金占用多。由于信息不全面、不系統(tǒng)，無(wú)法得知具體設(shè)備的生命狀態(tài)，加之必須保證正常生產(chǎn)，因此必須對(duì)設(shè)備的整機(jī)或零部件進(jìn)行提前備庫(kù)，備件庫(kù)存率高，資金占用嚴(yán)重，浪費(fèi)巨大。

(5)沒有搭建設(shè)備運(yùn)行共享大數(shù)據(jù)平臺(tái)。目前，很多選煤廠的生產(chǎn)設(shè)備通過手動(dòng)輸入設(shè)備編碼和數(shù)據(jù)到軟件中，實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息化管理。主要設(shè)備的信息沒有形成共享大數(shù)據(jù)平臺(tái)，全廠設(shè)備被人為設(shè)置或軟件設(shè)置成多個(gè)單元，無(wú)法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一、協(xié)調(diào)管理。

(6)沒有設(shè)置設(shè)備健康診斷系統(tǒng)。企業(yè)聚焦于信息化和自動(dòng)化帶來的產(chǎn)出，但忽略了設(shè)備自身健康管理，而設(shè)備自身健康運(yùn)行是信息化和自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)產(chǎn)出優(yōu)化的前提。沒有形成設(shè)備狀態(tài)評(píng)估，包括設(shè)備健康狀態(tài)等級(jí)、運(yùn)行狀態(tài)、狀態(tài)描述、維修建議等診斷系統(tǒng)，設(shè)備健康狀態(tài)只能通過人員現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)檢或依據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，誤判漏判現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

3 選煤廠智能化升級(jí)方案

在生產(chǎn)過程中，選煤廠既要保證生產(chǎn)系統(tǒng)的先進(jìn)性、安全性和可靠性，又要考慮設(shè)備使用和維護(hù)的科學(xué)性和高效性。當(dāng)前許多選煤廠正在積極尋找各種方法努力提高設(shè)備的綜合使用效率和維護(hù)效率，在工藝沒有大的革新前，可以通過設(shè)備的智能化升級(jí)間接提高生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)能，降低運(yùn)維成本，從而達(dá)到開源節(jié)流的目的。

3.1 設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)

實(shí)現(xiàn)全廠洗選設(shè)備的智能化、系統(tǒng)化是將選煤廠升級(jí)成智能化選煤廠的核心內(nèi)容。采用先進(jìn)的智能化系統(tǒng)，從源頭建立全廠設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，搭建設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化感知層，通過部署設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)信號(hào)傳感器，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；利用互聯(lián)網(wǎng)信息傳輸技術(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)(振動(dòng)頻率、溫度信號(hào)、故障信號(hào)、趨勢(shì)信號(hào)等)，按時(shí)序排列并傳輸給大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)；通過算法分析和數(shù)據(jù)比對(duì)，形成設(shè)備運(yùn)行曲線和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)告，對(duì)潛在故障實(shí)施預(yù)警和定位；結(jié)合智能專家診斷系統(tǒng)，將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和檢測(cè)報(bào)告推送給集控系統(tǒng)和移動(dòng)終端，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)預(yù)警和報(bào)警服務(wù)。設(shè)備管理人員可以通過系統(tǒng)賬戶，調(diào)用查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障屬性及與故障發(fā)生相關(guān)的信息歷史數(shù)據(jù)[4-6]。選煤廠設(shè)備智能健康管理系統(tǒng)畫面如圖1所示，設(shè)備預(yù)警系統(tǒng)畫面如圖2所示。

圖1 設(shè)備智能健康管理系統(tǒng)畫面

圖2 設(shè)備預(yù)警系統(tǒng)畫面

3.2 設(shè)備運(yùn)維的科學(xué)分析與智能預(yù)判

目前，選煤行業(yè)的智能化幾乎還處在概念層面，或只是幫助客戶搭建了設(shè)備感知層，數(shù)據(jù)采集平臺(tái)也可能搭建完成，但無(wú)法根據(jù)數(shù)據(jù)為客戶提供深層建議和有效解決方案。智能化系統(tǒng)通過對(duì)數(shù)據(jù)分析，形成設(shè)備狀態(tài)評(píng)估報(bào)告，包括設(shè)備健康狀態(tài)等級(jí)、運(yùn)行狀態(tài)、狀態(tài)描述、殘余壽命預(yù)測(cè)、維修建議等服務(wù)，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)故障實(shí)時(shí)報(bào)警、設(shè)備故障實(shí)時(shí)查看和歷史查詢，通過故障信息、圖片信息和預(yù)警信息，追溯故障發(fā)生時(shí)相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)信息和導(dǎo)致報(bào)警故障值，結(jié)合設(shè)備運(yùn)行曲線圖，幫助維修人員進(jìn)行設(shè)備健康診斷和分析，以提升整個(gè)生產(chǎn)體系科學(xué)優(yōu)化的水平[7]。

3.3 數(shù)據(jù)安全與多屏展示

在云服務(wù)建立的基礎(chǔ)上，在保證客戶信息安全的前提下，對(duì)運(yùn)行狀態(tài)、狀態(tài)描述、維修建議、故障信息、圖片信息及預(yù)警信息等內(nèi)容實(shí)現(xiàn)多種展示層的輸出，幫助設(shè)備管理人員實(shí)時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行有效管理。

3.4 第三方專業(yè)實(shí)時(shí)在線服務(wù)

這種服務(wù)不應(yīng)是某個(gè)企業(yè)的數(shù)據(jù)建立，也不是幾家企業(yè)就可以實(shí)現(xiàn)的。它應(yīng)該由一個(gè)專業(yè)的第三方企業(yè)為這些廠家提供平臺(tái)型設(shè)備數(shù)據(jù)采集與分析，再綜合多家企業(yè)的數(shù)據(jù)，將最優(yōu)的設(shè)備維護(hù)方案反饋給參與平臺(tái)服務(wù)的生產(chǎn)企業(yè)。

平臺(tái)型服務(wù)企業(yè)是專業(yè)的系統(tǒng)方案解決商，提供包括智能化系統(tǒng)升級(jí)方案、企業(yè)設(shè)備智能化檢測(cè)系統(tǒng)建立、整體設(shè)備維保方案等服務(wù)，同時(shí)生產(chǎn)企業(yè)參與數(shù)據(jù)的共建與共享。通過開放與協(xié)作發(fā)展，共同推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的進(jìn)步，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)自身發(fā)展。同時(shí)，服務(wù)企業(yè)需要提高企業(yè)信息的安全性和保密性。通過設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)行業(yè)大數(shù)據(jù)的高效利用，進(jìn)而推動(dòng)行業(yè)智能化升級(jí)[8-9]。

4 酸刺溝選煤廠設(shè)備智能健康管理

4.1 系統(tǒng)組成

(1)硬件系統(tǒng)。根據(jù)酸刺溝選煤廠生產(chǎn)需要，對(duì)54臺(tái)關(guān)鍵設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，共布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)440個(gè)。設(shè)備智能健康管理系統(tǒng)主要設(shè)備包括無(wú)線傳感器、采集站和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，納入管理系統(tǒng)的設(shè)備涵蓋各個(gè)流程的重要設(shè)備，包括帶式輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)、破碎機(jī)、振動(dòng)篩四大類及其配套電機(jī)、減速機(jī)、激振器等。

設(shè)計(jì)中傳感器選用加速度傳感器，靈敏度為100 mV/g，且集有溫度傳感器，采用無(wú)線傳輸方式將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給采集站；采集站用于連接傳感器，最多可連接40個(gè)傳感器，傳感器到采集分站選用無(wú)線(ZIGBEE)傳輸方式，在無(wú)格擋情況下傳感器與采集站的信號(hào)傳輸距離最遠(yuǎn)為200 m；通過4G、以太網(wǎng)、光纖等三種信號(hào)傳輸方式，將采集站收集的數(shù)據(jù)傳輸給現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器；現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器通過分屏將有關(guān)數(shù)據(jù)投射到廠內(nèi)各個(gè)區(qū)域設(shè)備管理者的PC端。

無(wú)線傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如下：

參數(shù)

數(shù)值

溫度量程/℃

-40～125

測(cè)溫精度/℃

±1

振動(dòng)量程/g

±50

線性度/%

1

頻率響應(yīng)(2～20 kHz)/dB

±3

采樣頻率/kHz

1.28～51.20

(2)軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)用于分析設(shè)備的振動(dòng)數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)和出具分析報(bào)告等，其包括數(shù)據(jù)庫(kù)、云服務(wù)器、遠(yuǎn)程診斷中心、專業(yè)數(shù)據(jù)分析人員、移動(dòng)客戶端(APP)等。數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器數(shù)據(jù)，云服務(wù)器等用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和APP讀取數(shù)據(jù)；遠(yuǎn)程診斷中心是數(shù)據(jù)分析軟件，為專業(yè)數(shù)據(jù)分析人員提供數(shù)據(jù)分析平臺(tái)；專業(yè)數(shù)據(jù)分析人員定期出具設(shè)備診斷報(bào)告，并指導(dǎo)設(shè)備維修。

4.2 數(shù)據(jù)的采集與分析

將傳感器安裝在設(shè)備的軸承位置，實(shí)時(shí)采集設(shè)備旋轉(zhuǎn)部件(如軸承、齒輪、旋轉(zhuǎn)軸等)的振動(dòng)數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，并對(duì)設(shè)備振動(dòng)數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。遠(yuǎn)程診斷中心集有20多種數(shù)據(jù)分析方法，在確保采集數(shù)據(jù)有效、準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行充分、準(zhǔn)確的分析，確保及時(shí)、準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，并通過獨(dú)有算法對(duì)損壞部件殘余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而指導(dǎo)設(shè)備維修。

由專業(yè)分析人員通過頻譜分析、時(shí)域分析、包絡(luò)分析、長(zhǎng)波形分析等專業(yè)分析工具，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；在完成數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確把握設(shè)備的真實(shí)狀況，并提前預(yù)測(cè)故障發(fā)生時(shí)間和故障位置，進(jìn)而對(duì)設(shè)備進(jìn)行有效管理。

4.2.1 振動(dòng)篩激振器故障監(jiān)測(cè)

振動(dòng)篩激振器的無(wú)線傳感器安裝位置如圖3所示，其用于收集激振器軸承的運(yùn)行數(shù)據(jù)，以分析設(shè)備健康狀況。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)采集，形成設(shè)備狀態(tài)發(fā)展趨勢(shì)圖，如圖4所示。

從圖4可以看出，激振器的健康狀態(tài)發(fā)生明顯變化。為此，采用頻譜分析對(duì)其進(jìn)一步研究，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：頻譜中有164 Hz的多階次諧頻產(chǎn)生，其與軸承的內(nèi)圈缺陷頻率相符，初步認(rèn)為軸承的內(nèi)圈已經(jīng)損壞，需要停機(jī)更換。在將激振器軸承拆解后，發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)圈滾道存在嚴(yán)重的剝落問題(圖6)。

圖3 振動(dòng)篩激振器的傳感器安裝位置圖

圖4 設(shè)備狀態(tài)發(fā)展趨勢(shì)圖

圖5 振動(dòng)加速度頻譜圖

圖6 軸承拆解圖

4.2.2 帶式輸送機(jī)故障監(jiān)測(cè)

帶式輸送機(jī)的無(wú)線傳感器安裝位置如圖7所示，其用于收集電機(jī)驅(qū)動(dòng)端、減速機(jī)輸入軸輸入端的運(yùn)行數(shù)據(jù)，以分析其健康狀況。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)采集，形成設(shè)備狀態(tài)發(fā)展趨勢(shì)圖，如圖8、圖9所示。

圖7 帶式輸送機(jī)的無(wú)線傳感器安裝位置圖

圖8 電機(jī)驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)趨勢(shì)圖

圖9 減速機(jī)輸入軸輸入端振動(dòng)趨勢(shì)圖

從圖8、圖9可以看出，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)趨勢(shì)相同，初步判斷是由一種故障造成的。為此，采用頻譜分析技術(shù)對(duì)兩者進(jìn)一步分析，結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 電機(jī)驅(qū)動(dòng)端頻譜圖

由圖10、圖11可知：頻譜中存在摩擦松動(dòng)跡象，結(jié)合趨勢(shì)變化分析，可以判斷電機(jī)與齒輪箱的連接部件存在磨損。

現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員將聯(lián)軸器拆解后發(fā)現(xiàn)，聯(lián)軸器中的尼龍棒出現(xiàn)磨損(圖12)，造成振動(dòng)上升，進(jìn)而影響設(shè)備健康。在更換聯(lián)軸器后，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)恢復(fù)正常。

圖11 減速機(jī)輸入軸輸入端頻譜圖

圖12 尼龍棒磨損現(xiàn)場(chǎng)

4.3 智能化升級(jí)的效用

該選煤廠的智能化升級(jí)，可以解決高危作業(yè)和非計(jì)劃停機(jī)問題，實(shí)現(xiàn)企業(yè)無(wú)風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)營(yíng)與管理。智能化升級(jí)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)查看，設(shè)備故障判斷具有數(shù)據(jù)支撐，具備科學(xué)性和客觀性，可為高層決策提供高效、科學(xué)的依據(jù)；人與設(shè)備可以無(wú)障礙交流，對(duì)設(shè)備的故障預(yù)警、潛在隱患等實(shí)現(xiàn)智能決策；在對(duì)大數(shù)據(jù)長(zhǎng)期積累的基礎(chǔ)上，可以反向優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)，提高作業(yè)效率，優(yōu)化產(chǎn)能配置；實(shí)現(xiàn)設(shè)備的預(yù)警、故障預(yù)判，能夠降低設(shè)備備件庫(kù)存，減少企業(yè)運(yùn)維成本，間接提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

通過設(shè)備智能健康管理系統(tǒng)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的遠(yuǎn)程集中管理與監(jiān)控，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集完整、準(zhǔn)確、高效，設(shè)備故障減少，管理效率得到提高，備件庫(kù)存得以優(yōu)化。通過一定數(shù)量數(shù)據(jù)的積累與挖掘，能夠進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備技術(shù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)真正意義的預(yù)防性檢修，使其處于最優(yōu)工作狀態(tài)。此外，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的建立，能夠降低巡查人員進(jìn)入高危工作地點(diǎn)的次數(shù)，有助于保證巡查人員安全，從而為安全生產(chǎn)、高效管理提供保障。