王國(guó)清 , 呂力行

浙江浙能電力股份有限公司蕭山發(fā)電廠，浙江 杭州 311251

0 引 言

《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016—2020 年）》中明確表示，2025 年前必須保障智能制造落實(shí)“兩步走”戰(zhàn)略，即到2025 年能夠構(gòu)建起全新的智能制造支撐體系，促使重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)能夠初步實(shí)現(xiàn)智能轉(zhuǎn)型[1]?！吨袊?guó)制造 2025》國(guó)家發(fā)展綱要中也強(qiáng)調(diào)必須推動(dòng)行業(yè)實(shí)現(xiàn)快速智能化的轉(zhuǎn)型升級(jí)與跨越式發(fā)展，形成支撐我國(guó)與世界接軌的全新體系[2]。在國(guó)家大力發(fā)展和社會(huì)廣泛關(guān)注的背景下，智能制造時(shí)代已然來(lái)臨，并成為了各個(gè)行業(yè)未來(lái)發(fā)展的主要方向。在智能制造深入推進(jìn)的影響下，各種設(shè)施設(shè)備表現(xiàn)出綜合性、智能性、交互性特征，且呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)可視化、設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、過(guò)程透明化等特點(diǎn)，在促進(jìn)先進(jìn)制造能力提升和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)上發(fā)揮了非常關(guān)鍵的作用[3]。同時(shí)，智能制造也對(duì)設(shè)施設(shè)備的日常連續(xù)性運(yùn)作提出了更高的要求，突發(fā)性的故障可能帶來(lái)的極大的安全風(fēng)險(xiǎn)，為此，設(shè)施設(shè)備的維護(hù)管理成為至關(guān)重要。二次系統(tǒng)是智能電廠與傳統(tǒng)電廠實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)最大的差異所在。借助二次系統(tǒng)電廠能夠促使電流互感器、電壓與一次系統(tǒng)形成連接，并通過(guò)保護(hù)裝置和自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)一次設(shè)備進(jìn)行控制與調(diào)度，保證整個(gè)電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、健康運(yùn)行。近年來(lái)，在智能電網(wǎng)持續(xù)改進(jìn)優(yōu)化的背景下，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)信息共享、數(shù)據(jù)數(shù)字化傳輸、采集和控制單元電網(wǎng)信息監(jiān)測(cè)獲取等功能[4]。在全新的時(shí)代背景下，電廠二次系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)管理也逐漸實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化和數(shù)字化運(yùn)作，在提升電廠安全性和設(shè)備可靠性發(fā)揮了重要作用[5]。但因電廠二次系統(tǒng)運(yùn)維管理缺乏統(tǒng)一、完整、系統(tǒng)的維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，造成運(yùn)維管理概念不明確，給日常運(yùn)維管理工作帶來(lái)了諸多問(wèn)題。為此，基于智能化時(shí)代的全新要求，結(jié)合電廠二次系統(tǒng)的特點(diǎn)，打造起全新的運(yùn)維管理模式，使其更加符合智能制造系統(tǒng)的特性，有必要提升智能裝備的使用價(jià)值。

1 電廠二次系統(tǒng)運(yùn)維管理問(wèn)題診斷與分析

1.1 電廠二次系統(tǒng)運(yùn)維管理問(wèn)題診斷

1)當(dāng)前維護(hù)系統(tǒng)的功能目標(biāo)定位不明確，開(kāi)展預(yù)測(cè)性維護(hù)的設(shè)備整體覆蓋率也相對(duì)較低，絕大部分設(shè)備很難實(shí)現(xiàn)狀態(tài)數(shù)據(jù)采集和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，仍然是人工記錄和離線(xiàn)采集的方式運(yùn)作，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的真實(shí)性、準(zhǔn)確性都無(wú)法確定，設(shè)備狀態(tài)故障診斷分析能力有較大的提升空間[6]。

2)配套的網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備資源嚴(yán)重不足，針對(duì)所獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)信息無(wú)法實(shí)現(xiàn)分析和數(shù)據(jù)管理，并未形成成熟的設(shè)備壽命預(yù)判和健康狀態(tài)評(píng)估監(jiān)控管理模式，與此同時(shí)，還缺乏設(shè)備運(yùn)維優(yōu)化機(jī)制?，F(xiàn)階段，電廠二次系統(tǒng)系統(tǒng)與設(shè)施設(shè)備都處于分散的狀態(tài)下，缺乏落實(shí)預(yù)測(cè)性維護(hù)管理的相關(guān)條件，系統(tǒng)功能相對(duì)較為落后，以數(shù)據(jù)庫(kù)和表單為主，無(wú)法承載設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的功能接口，自然很難實(shí)現(xiàn)全程的預(yù)測(cè)性維護(hù)管理。

3)現(xiàn)行二次系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)與智能制造標(biāo)準(zhǔn)有著較大差距，并未構(gòu)架起系統(tǒng)預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)體系，功能上也只是單純具備了基本的維護(hù)執(zhí)行和預(yù)測(cè)分析能力，但絕大部分都是根據(jù)離散數(shù)據(jù)和歷史故障數(shù)據(jù)來(lái)完成線(xiàn)下分析處理，缺乏系專(zhuān)業(yè)的評(píng)估、故障分析和健康預(yù)測(cè)等核心功能[7]。

4)現(xiàn)階段實(shí)施的管理流程中，并不具備狀態(tài)故障識(shí)別和預(yù)判等核心功能，維護(hù)組織也并未構(gòu)建起基于壽命預(yù)測(cè)和健康管理的評(píng)估體系，造成預(yù)測(cè)性診斷結(jié)果很難應(yīng)用于設(shè)備的運(yùn)維決策。與此同時(shí)，設(shè)備的健康管理信息無(wú)法與電廠內(nèi)部管理系統(tǒng)建立起聯(lián)系，導(dǎo)致電廠二次系統(tǒng)運(yùn)維管理流程處于孤立狀態(tài)。

1.2 電廠二次系統(tǒng)運(yùn)維管理問(wèn)題分析

根據(jù)上述運(yùn)行管理情況，結(jié)合魚(yú)骨圖分析法對(duì)電廠二次系統(tǒng)運(yùn)維管理問(wèn)題原因進(jìn)行分析。魚(yú)骨圖分析結(jié)果如圖1 所示。

圖1 電廠二次系統(tǒng)運(yùn)維管理問(wèn)題分析魚(yú)骨圖

1.2.1 管理輸入輸出要求和接口關(guān)系不明確

1)電廠二次系統(tǒng)推行的設(shè)備運(yùn)維管理表現(xiàn)出定位不明確的特點(diǎn)，并未與智能制造標(biāo)準(zhǔn)建立起聯(lián)系，仍然沿用的是傳統(tǒng)制造體系的輸入輸出運(yùn)維管理模式。針對(duì)設(shè)備智能預(yù)測(cè)性維護(hù)的要求也缺乏明確性，造成新投入的智能裝備針對(duì)預(yù)測(cè)性維護(hù)的智能化規(guī)格很難做到全面，導(dǎo)致現(xiàn)有的預(yù)測(cè)性維護(hù)管理和標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

2)現(xiàn)階段，設(shè)備維護(hù)組織未充分發(fā)揮FMEA分析的功能，缺乏對(duì)故障失效和功能結(jié)構(gòu)的全面掌控，更多的是憑借著經(jīng)驗(yàn)來(lái)開(kāi)展維護(hù)管理工作，影響電廠二次系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和安全性。

3)尚未構(gòu)架起針對(duì)企業(yè)管理體系架構(gòu)的頂層設(shè)計(jì)支撐，電廠在面對(duì)智能制造系統(tǒng)數(shù)字化運(yùn)維信息化、體系化的趨勢(shì)下，并未及時(shí)根據(jù)智能制造的特性調(diào)整設(shè)備維護(hù)管理系統(tǒng)的管理表中，也并未明確設(shè)備維護(hù)系統(tǒng)與相關(guān)結(jié)構(gòu)之間的接口關(guān)系，同時(shí)針對(duì)關(guān)鍵零部件的預(yù)測(cè)性維護(hù)的覆蓋和維護(hù)系統(tǒng)建設(shè)投入方面也并未形成科學(xué)的規(guī)劃管理。

1.2.2 流程制度和技術(shù)規(guī)范有待完善

1)結(jié)合智能化二次系統(tǒng)運(yùn)維管理新要求，并未形成針對(duì)設(shè)備健康度預(yù)測(cè)的明確標(biāo)準(zhǔn)體系?，F(xiàn)階段電廠二次系統(tǒng)的運(yùn)維管理主要是基于預(yù)防性維護(hù)的層面上來(lái)實(shí)現(xiàn)延伸，但實(shí)際運(yùn)行中更多的是以線(xiàn)下記錄與歷史故障數(shù)據(jù)來(lái)做出預(yù)判，絕大部分都是靜態(tài)或者離散狀態(tài)的線(xiàn)下預(yù)測(cè)分析，人為完成診斷信息的分析，預(yù)測(cè)可信度非常低，很難客觀體現(xiàn)出狀態(tài)的健康情況。

2)并未針對(duì)相關(guān)模型和標(biāo)準(zhǔn)來(lái)構(gòu)建起專(zhuān)門(mén)的業(yè)務(wù)運(yùn)作流程，而是基于管理故障經(jīng)驗(yàn)來(lái)形成二次系統(tǒng)運(yùn)維管理模式，缺乏對(duì)二次系統(tǒng)運(yùn)維管理的核心操作流程，更加談不上技術(shù)操作和規(guī)范，實(shí)際落地的執(zhí)行效果與常規(guī)運(yùn)維管理措施的效果無(wú)明顯差異，但卻導(dǎo)致整個(gè)運(yùn)作流程很難達(dá)到一致。

3)并無(wú)針對(duì)設(shè)備故障和健康管理的相關(guān)措施和手段，未開(kāi)展故障診斷并實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康的預(yù)測(cè)判定、壽命的預(yù)測(cè)等。在智能制造系統(tǒng)引入的背景下，若缺乏對(duì)設(shè)備健康狀態(tài)和故障信息的預(yù)判，不利于二次系統(tǒng)的日常運(yùn)行和維護(hù)管理。

1.2.3 軟硬件資源配置不充分

1)絕大部分電廠二次系統(tǒng)設(shè)備都未配置運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采集條件，但若全面改造必然面臨著較大的成本投入。這些新增加的成本投入很難直接兌現(xiàn)投資收益，運(yùn)營(yíng)單位必然會(huì)對(duì)成本壓力進(jìn)行綜合考量，導(dǎo)致日常運(yùn)維很難獲得充足的資金支持，故設(shè)備的監(jiān)控仍然以人工記錄和監(jiān)測(cè)為主。

2)缺乏必要性的二次系統(tǒng)運(yùn)維管理的軟硬件實(shí)施條件。現(xiàn)階段電廠二次系統(tǒng)設(shè)備的信息化系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都處于分散狀態(tài)，配套的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信還處于規(guī)劃完善中，進(jìn)度無(wú)法與數(shù)字化核心系統(tǒng)的要求相匹配。

3)未形成對(duì)智能制造系統(tǒng)信息化資源的支持體系。針對(duì)電廠二次系統(tǒng)的健康管理和壽命預(yù)測(cè)監(jiān)控是運(yùn)維管理的重要任務(wù)，要保障該項(xiàng)措施有效執(zhí)行，必然需要獲得充分的算法支持和數(shù)據(jù)管理?，F(xiàn)階段的系統(tǒng)功能仍然停留在數(shù)據(jù)庫(kù)和表單的階段，很難滿(mǎn)足預(yù)測(cè)性維護(hù)管理的實(shí)際要求和智能化制造的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估要求。

2 智能時(shí)代下電廠二次系統(tǒng)運(yùn)維管理模式優(yōu)化策略

2.1 電廠二次系統(tǒng)運(yùn)維管理模式優(yōu)化

基于智能化時(shí)代的全新要求下以及電廠二次系統(tǒng)運(yùn)維管理的典型問(wèn)題，綜合電廠發(fā)展規(guī)劃與實(shí)際情況，對(duì)原有運(yùn)維管理模式進(jìn)行全面優(yōu)化。全新運(yùn)維管理模式是基于預(yù)測(cè)性維護(hù)管理理念下打造起的全新管理體系，管理過(guò)程的烏龜圖優(yōu)化，見(jiàn)圖2。

2.2 電廠二次系統(tǒng)運(yùn)維管理模式建設(shè)

2.2.1 建立運(yùn)維管理組織架構(gòu)

要對(duì)電廠二次系統(tǒng)運(yùn)維管理進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)管理，就必須建立對(duì)應(yīng)的運(yùn)維管理組織系統(tǒng)，生產(chǎn)系統(tǒng)的組織設(shè)計(jì)是運(yùn)維生產(chǎn)準(zhǔn)備過(guò)程的重要內(nèi)容，組織設(shè)計(jì)的任務(wù)就是根據(jù)運(yùn)維管理主要職責(zé)和生產(chǎn)特點(diǎn)建立的、符合實(shí)際需要的運(yùn)維管理生產(chǎn)系統(tǒng)[8]。

1)重構(gòu)電廠二次系統(tǒng)運(yùn)維管理系統(tǒng)架構(gòu)

參考智能制造和預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)模型，結(jié)合二次系統(tǒng)日常運(yùn)營(yíng)的特點(diǎn)，重構(gòu)運(yùn)維管理系統(tǒng)架構(gòu)流程如圖3 所示。

圖3 二次系統(tǒng)運(yùn)維管理架構(gòu)流程重構(gòu)圖

2)電廠二次系統(tǒng)運(yùn)維管理優(yōu)化流程

以此為基礎(chǔ)，對(duì)電廠二次系統(tǒng)運(yùn)維管理流程進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的運(yùn)維管理關(guān)鍵的流程活動(dòng)說(shuō)明見(jiàn)表1。

表1 電廠二次系統(tǒng)運(yùn)維管理流程活動(dòng)說(shuō)明

2.2.2 構(gòu)建信息化管理系統(tǒng)

智能化時(shí)代背景下電廠二次系統(tǒng)運(yùn)維管理需要具備的軟硬件系統(tǒng)資源，主要包括底層的設(shè)備狀態(tài)采集監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)與接口、故障診斷與預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)資源、數(shù)字化關(guān)于智能維護(hù)管理的信息化平臺(tái)等。系統(tǒng)資源的層次結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 電廠二次系統(tǒng)運(yùn)維管理系統(tǒng)資源層次圖

智能化時(shí)代背景下海量傳感器和智能平臺(tái)的信息交互，以及人機(jī)界面的高效交互，對(duì)二次系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施的實(shí)時(shí)通信、對(duì)網(wǎng)絡(luò)有多樣化的需求以及極為苛刻的性能要求，智能電廠的升級(jí)同步伴隨著對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的全面升級(jí)拓展?？刂凭W(wǎng)絡(luò)具有設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳遞與溝通的互操作性，具備明顯的通信實(shí)時(shí)性、安全性、可靠性特點(diǎn)，能提供相對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)通信。 目前控制網(wǎng)絡(luò)已從傳統(tǒng)的分布式控制（DCS）發(fā)展到較為先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、以太網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)（IOT）控制。面向全新的二次系統(tǒng)運(yùn)維管理可以充分應(yīng)用控制網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)性、安全性和可靠性，將采集到的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠實(shí)時(shí)地傳到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)二次系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)，用于后續(xù)分析使用[9]。

通過(guò)多種傳感器、儀器儀表等實(shí)時(shí)采集得到的涵蓋設(shè)備操作情況、工況狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)等體現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)，這些具備時(shí)間序列差異的大量數(shù)據(jù)通?？煞Q(chēng)為大數(shù)據(jù)?；诠收项A(yù)測(cè)和健康管理理論模型（PHM），可以在充分拓展設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、預(yù)處理的基礎(chǔ)上，建立基于大數(shù)據(jù)的智能故障診斷與預(yù)測(cè)分析的算法系統(tǒng)，主要包括狀態(tài)預(yù)測(cè)智能預(yù)警模塊、故障診斷專(zhuān)家?guī)臁⒔】禒顟B(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估模塊、部件壽命預(yù)測(cè)算法模塊、故障停機(jī)管理模塊等，相應(yīng)的算法輸出可以滿(mǎn)足電廠二次系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)維管理的基本需求。這方面需要智能電廠在推進(jìn)智能化升級(jí)的同時(shí)部署相應(yīng)的數(shù)據(jù)計(jì)算技術(shù)和數(shù)據(jù)分析工具，基于采集到的海量設(shè)備大數(shù)據(jù)，定制化開(kāi)發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)算法模型，將實(shí)時(shí)采集的傳感器數(shù)據(jù)與設(shè)備全生命周期歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，輔助設(shè)備維護(hù)管理者更迅速、更全面地把握設(shè)備故障失效的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)設(shè)備全生命周期健康狀態(tài)的控制。

2.2.3 科學(xué)制定管理流程制度與技術(shù)規(guī)范

設(shè)備FMEA 是預(yù)測(cè)性維護(hù)的前置基礎(chǔ)，結(jié)合電廠二次系統(tǒng)設(shè)備特點(diǎn)，參考最新版FMEA 手冊(cè)，編制《設(shè)備FMEA 分析作業(yè)指導(dǎo)書(shū)》，對(duì)設(shè)備FMEA 分析過(guò)程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，從而指導(dǎo)設(shè)備狀態(tài)采集點(diǎn)必要性的確定。設(shè)備FMEA 分析結(jié)果的輸出以設(shè)備FMEA 流程說(shuō)明中的主要字段為主。

由于智能電廠二次系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的設(shè)備組成體，不同類(lèi)別設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集水平存在較大差異且通訊協(xié)議不統(tǒng)一，為了規(guī)范設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)采集的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)過(guò)程中不同設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)采集方式的標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化，控制采集方案的實(shí)施成本，制定《設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)采集技術(shù)規(guī)范》，規(guī)定設(shè)備狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)定義、SCADA 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)及系統(tǒng)的調(diào)試、運(yùn)行等[10]。同時(shí)基于設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的故障診斷預(yù)測(cè)并參考PHM 理論、浴盆曲線(xiàn)模型，結(jié)合電廠的具體情況和客觀能力條件限制，編制《設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估作業(yè)指導(dǎo)書(shū)》，搭建科學(xué)合理且適合電廠二次系統(tǒng)運(yùn)維管理實(shí)際的設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估模型如圖5 所示。按此模型制定對(duì)應(yīng)的設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行分析，參考評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。以各維度評(píng)價(jià)得分加權(quán)平均算出的百分制表示設(shè)備健康指數(shù)（健康度），最后輸出針對(duì)性的評(píng)估報(bào)告，為設(shè)備維護(hù)策略管理決策提供支持。

表2 健康狀態(tài)評(píng)價(jià)參考評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

圖5 健康狀態(tài)評(píng)估模型

運(yùn)行時(shí)間分析參考模型如圖6 所示，按照設(shè)備浴盆曲線(xiàn)周期中不同時(shí)間段故障失效水平的差異分為早期失效期、偶然失效期和損耗失效期。

圖6 二次系統(tǒng)故障失效浴盆曲線(xiàn)

3 結(jié)論

本文以電廠二次系統(tǒng)運(yùn)維管理為研究對(duì)象，綜合智能制造時(shí)代背景的全新要求，發(fā)現(xiàn)其在智能化水平、數(shù)字化水平和管理體系、規(guī)范上都存在諸多問(wèn)題。面對(duì)智能電網(wǎng)的全面發(fā)展，二次系統(tǒng)運(yùn)維管理應(yīng)當(dāng)形成多功能性、高精度和高效率的全新管理模式，通過(guò)現(xiàn)代化技術(shù)手段形成對(duì)二次系統(tǒng)設(shè)施設(shè)備的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，制定更為科學(xué)的健康狀態(tài)分析和計(jì)劃維護(hù)活動(dòng)，最大程度上提升二次系統(tǒng)的運(yùn)行安全性與穩(wěn)定，為電廠的健康運(yùn)作和高質(zhì)量發(fā)展奠定基礎(chǔ)。