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★漢威廣園（廣州）智能裝備有限公司陳磊

1　方案目標和概述

鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎性、支柱性產(chǎn)業(yè)，是關乎工業(yè)穩(wěn)定增長、經(jīng)濟平穩(wěn)運行的重要領域。作為長流程工業(yè)，設備的穩(wěn)定性、安全性、持續(xù)性直接影響鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)產(chǎn)值，關鍵設備故障對生產(chǎn)的影響尤為巨大。在流程中的關鍵工序，棒線材生產(chǎn)線所轄高技術、高性能設備較多，具有生產(chǎn)節(jié)奏快、工序連續(xù)性強、生產(chǎn)設備投資高、設備結構及工況復雜等特點，設備一旦突發(fā)故障停機，會直接造成較大的生產(chǎn)效益損失，給企業(yè)的高效生產(chǎn)帶來嚴峻挑戰(zhàn)，設備管理痛點如圖1所示。

圖1 設備管理痛點

依托近三十年積累的設備管理認知，漢威廣園構建面向智慧鋼鐵，基于設備管理體系與AIOT（Artificial Intelligence of Things）相結合的預測性維護平臺－棒線材設備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)（設備智慧運維平臺），如圖2所示。該系統(tǒng)以設備為主體，通過對設備運行、點檢、檢維修、故障等業(yè)務進行全流程跟蹤與管控，為設備運行過程回溯、數(shù)據(jù)挖掘分析等提供支撐；通過精細化的設備維護管理，有效降低設備故障率，延長設備使用壽命；全面提高設備管理工作效率，合理管控設備運行和維修成本，切實有效地解決企業(yè)設備管理痛點。

圖2 棒線材設備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)（設備智慧運維平臺）

設備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)感知層通過在設備上安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)和配置檢測儀表，對設備的振動信號進行及時收集、處理，結合設備工作原理、結構特點、運行參數(shù)、歷史狀況，對可能發(fā)生的故障進行分析、預報，對已經(jīng)或正在發(fā)生的故障進行分析、診斷，以確定故障的性質、類別、程度、部位和趨勢，對設備的正常運行和合理檢修提供科學的技術支持。

面向智慧鋼鐵的棒線材設備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)以生產(chǎn)設備全生命周期為主線，運用云、大、物、智、5G、數(shù)字孿生等關鍵技術聚焦設備管理、生產(chǎn)運營等關鍵場景，構建全數(shù)字、全可視化、全智能的數(shù)字孿生體系，為鋼鐵工業(yè)用戶提供設備管維采一站式服務模式。

本系統(tǒng)利用工業(yè)元宇宙“云-邊-端”核心技術底座，通過AI實現(xiàn)現(xiàn)實場景與虛擬場景的實時交互與映射，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行及時展示，報警，預判設備與物料的殘余壽命，利用大數(shù)據(jù)、云計算提供對應行業(yè)的具體解決方案，“云、邊、端”的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構如圖3所示。本系統(tǒng)基于生產(chǎn)設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、匯聚、分析以及數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)，優(yōu)化提升設備管理能效，使用先進成熟的自主研發(fā)系統(tǒng)為客戶提供生產(chǎn)可視化移動管理服務。系統(tǒng)聚焦生產(chǎn)設備運行管理和工廠數(shù)字化轉型升級，以“產(chǎn)線級”和“設備級”數(shù)字孿生3D可視化的仿真方式呈現(xiàn)，對各類設備風險進行預警，提高生產(chǎn)設備綜合運行效率^[1]。棒線材設備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)（虛擬現(xiàn)實）如圖4所示。

圖3 設備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)平臺架構

圖4 棒線材設備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)（虛擬現(xiàn)實）

現(xiàn)階段，鋼鐵企業(yè)在設備連接維度，存在設備感知手段薄弱、高頻數(shù)據(jù)處理困難、多源多維數(shù)據(jù)難融合、信息孤島眾多等問題；在預警診斷和決策上，存在狀態(tài)識別效率低、診斷準確性差、劣化趨勢無法把握、維檢決策可靠性低、經(jīng)驗轉化知識困難等問題；在同類設備、同類產(chǎn)線設備運維對標中，存在設備術語不統(tǒng)一、故障描述不一、設備顆粒度不一、設備表征數(shù)據(jù)無序、數(shù)據(jù)處理差異大等問題；現(xiàn)有設備運維方式不支持智能運維大范圍推廣應用，也缺乏智能運維的人員隊伍。在推進智能運維的過程中會面臨數(shù)智化基礎條件不一、數(shù)據(jù)質量參次不齊、模型規(guī)則逐步構建、準確性有待驗證、專家經(jīng)驗難以傳承、現(xiàn)場需求多元化等諸多困難，如何做好產(chǎn)線設備智能運維是一項極具挑戰(zhàn)、非常復雜的系統(tǒng)性創(chuàng)新工程。

在棒線材生產(chǎn)線中的技術層面，由于在軋鋼過程中受到不同鋼種、不同工況的影響導致數(shù)據(jù)采集過程中的各種參數(shù)時刻變化，系統(tǒng)建設存在精準的數(shù)據(jù)采集難以實現(xiàn)，精確的在線實時分析診斷難以實現(xiàn)等難題。

因此，解決上述問題是一項極具挑戰(zhàn)性的復雜系統(tǒng)創(chuàng)新工程。本系統(tǒng)通過實時采集設備運行過程中的振動、溫度、油液雜質、電流、轉速等數(shù)據(jù)，建立多維度的數(shù)據(jù)分析與優(yōu)化功能，以數(shù)據(jù)和信息分析進行有效的判斷和決策，揭示缺陷（故障）的原因、程度、部位，準確預測出設備隱患，為設備的在線調理、停機檢修提供科學依據(jù)，實現(xiàn)提升生產(chǎn)設備使用效率，同時有效避免惡性事故發(fā)生的目的。

2　方案介紹

通過構建棒線材設備數(shù)字孿生智能運維系統(tǒng)，建立精準、實時、高效的數(shù)據(jù)互聯(lián)體系，以“數(shù)據(jù)驅動工業(yè)服務”的創(chuàng)新應用解決方案，實現(xiàn)設備全生命周期管理。運維系統(tǒng)通過利用在線監(jiān)測與分析儀器，采集振動、溫度、油液、電流等信號數(shù)據(jù)，對異常狀態(tài)及時做出報警，為進一步的故障分析、性能評估等提供信息和數(shù)據(jù)。系統(tǒng)基于設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、匯聚、分析，以“產(chǎn)線級”數(shù)字孿生3D可視化的方式呈現(xiàn)，便于判別設備異常，監(jiān)控和掌握設備狀況，社會資源通過系統(tǒng)向鋼鐵客戶彈性提供人和料等制造資源，實現(xiàn)高效配置，避免、減緩、減少重大事故的發(fā)生。最終形成資源豐富、多方參與、合作共贏、協(xié)同演進的重工業(yè)新生態(tài)。

棒線材設備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)是以“數(shù)據(jù)驅動工業(yè)服務”的一站式“互聯(lián)網(wǎng)+”設備綜合服務平臺系統(tǒng)，致力于設備全生命周期服務。系統(tǒng)采用“一端采集，四方共享；設備數(shù)據(jù)共享，商業(yè)數(shù)據(jù)隔離”的軟件架構，實現(xiàn)“數(shù)據(jù)采集端→設備使用企業(yè)→設備服務方→設備制造方→平臺運營商”的全數(shù)字化打通。

基于AIOT（Artificial Intelligence of Things）的鋼鐵行業(yè)棒線材設備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)（以下簡稱：“數(shù)字孿生運維系統(tǒng)”或“系統(tǒng)”），以“數(shù)據(jù)驅動產(chǎn)業(yè)服務”的創(chuàng)新應用解決方案，實現(xiàn)設備全生命周期管理。棒線材設備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)作為產(chǎn)業(yè)級互聯(lián)網(wǎng)平臺，兼具聚焦和普適雙重特性，面對行業(yè)需解決的設備難點、痛點問題以及不同需求，為鋼鐵冶金行業(yè)的用戶提供長材設備個性化定制服務模式，依托運維系統(tǒng)，為上下游用戶提供全產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新服務。“云、邊、端”的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構設計如圖4所示。

圖4 “云、邊、端”的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構設計

3　方案創(chuàng)新點

本系統(tǒng)在行業(yè)內率先采用了SaaS微服務架構，針對鋼鐵行業(yè)存在的共性難點及痛點問題，研究開發(fā)了數(shù)字孿生過程仿真模型、故障信號降噪重構特征識別方法、具有故障點定位的線棒材設備故障診斷方法等多種技術應用，為鋼鐵行業(yè)用戶提供個性化定制服務模式。主要創(chuàng)新點及技術性能指標如下：

（1）首次創(chuàng)建基于AIOT的棒線材設備智能運維系統(tǒng)

通過AI算法等進行數(shù)據(jù)處理，構建基于模型的故障診斷系統(tǒng)，依靠包括仿真、實測、數(shù)據(jù)分析在內的手段對運行狀態(tài)進行感知、診斷和預測，完成設備的虛實映射，實現(xiàn)零件級的數(shù)字關聯(lián)。接入設備狀態(tài)信號數(shù)量≥4種（振動、溫度、含水量、轉速）。

（2）高速線材軋機的故障信號降噪重構特征識別方法

本項目研制一種軋機故障信號降噪重構特征識別方法。通過對采集的振動信號進行奇異值向量提取、分析、降噪，為實現(xiàn)裝備故障的準確診斷奠定了基礎。降低隨機噪聲≥90%。降噪后的信號，工頻干擾信號被消除，得到干凈的基頻及倍頻信號，有利于對設備運行狀態(tài)進行分析和診斷。

（3）基于設備的振動信號報警識別方法及計算設備

通過多類型振動數(shù)據(jù)分析，確定故障類型及實現(xiàn)零部件故障點定位，在參數(shù)完整的前提下，預警準確率≥86.5%，與傳統(tǒng)方法相比，基本擺脫監(jiān)測系統(tǒng)對專業(yè)診斷工程師的依賴。

通過對故障信號處理，實現(xiàn)重構故障特征；通過數(shù)據(jù)分析，達到識別故障來源，確定故障程度的目標。在振動數(shù)據(jù)價值利用方面，通過多種診斷方式進行狀態(tài)評估和故障分析、故障識別。故障分析方法工具有趨勢分析、時域波形、包絡解調、頻譜分析、波形再處理、瀑布圖、多時域/多頻域分析、倒譜分析，階次分析、軸心軌跡瀑布圖、測點趨勢圖分析等。在振動數(shù)據(jù)多指標提取層面，除常規(guī)振動有效值、峭度等指標，根據(jù)多年經(jīng)驗計算峭度密度、沖擊能量比、綜合指標等針對性振動指標，用于動設備早中期損傷的監(jiān)測^[2]。同時，也使用機器學習、深度學習的分析方法，通過尋找數(shù)據(jù)的規(guī)律來實現(xiàn)故障診斷。實行多樣化報警體系：包括常規(guī)的有效值超限報警，報警算法還包含趨勢報警、綜合報警指標等多類型振動數(shù)據(jù)報警算法，更完善的監(jiān)測設備運行異常。通過業(yè)務與平臺系統(tǒng)實時對接、業(yè)務模型實時回溯調整，形成了主動預測、結果研判，實現(xiàn)智能算法設備報錯，設備殘余壽命計算等。

通過一系列技術創(chuàng)新，建立以故障預測和健康管理為核心的設備智能運維系統(tǒng)。

4　代表性及推廣價值

基于AIOT的鋼鐵行業(yè)棒線材設備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)以生產(chǎn)設備全生命周期為主線，運用云、大、物、智、5G、數(shù)字孿生等關鍵技術聚焦設備管理、生產(chǎn)運營等關鍵場景，構建全數(shù)字、全可視化、全智能的數(shù)字孿生體系，為鋼鐵行業(yè)用戶提供設備管維采一站式服務模式。

棒線材設備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)利用工業(yè)元宇宙“云-邊-端”核心技術底座，通過AI實現(xiàn)現(xiàn)實場景與虛擬場景的實時交互與映射，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行及時展示，報警，預判設備與物料的殘余壽命，通過大數(shù)據(jù)云計算提供對應行業(yè)的具體解決方案。本系統(tǒng)基于生產(chǎn)設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、匯聚、分析以及數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)，優(yōu)化提升設備管理能效，使用先進成熟的自主研發(fā)系統(tǒng)為客戶提供生產(chǎn)可視化移動管理服務。系統(tǒng)聚焦生產(chǎn)設備運行管理和工廠數(shù)字化轉型升級，以“產(chǎn)線級”和“設備級”數(shù)字孿生3D可視化的仿真方式呈現(xiàn)，對各類設備風險進行預警，提高生產(chǎn)設備綜合運行效率。在數(shù)字孿生運維系統(tǒng)的“設備級”數(shù)字孿生中，內部結構健康狀況清晰可見，便于判別設備缺陷，監(jiān)控和掌握設備狀況，助力設備預測性維護策略實施，有效地減少非計劃停機、降低維修費用、減少庫存資金占用，提高生產(chǎn)線運行效率和輔助管理決策，助力企業(yè)數(shù)字化轉型。

本系統(tǒng)通過實時采集設備運行過程中的振動、溫度、油液雜質、電流、轉速等數(shù)據(jù)，建立多維度的數(shù)據(jù)分析與優(yōu)化功能，以數(shù)據(jù)和信息分析進行有效的判斷和決策，揭示缺陷（故障）的原因、程度、部位，準確預測出設備隱患，為設備的在線調理、停機檢修提供科學依據(jù)，實現(xiàn)提升生產(chǎn)設備使用效率，同時有效避免惡性事故發(fā)生的目的，科技成果總體上達到國際先進水平。

目前，棒線材設備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)已在湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司、寶鋼股份武漢鋼鐵有限公司、廣西盛隆冶金有限公司、日照鋼鐵控股集團有限公司等十余家單位推廣應用。實踐證明，棒線材設備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)可根據(jù)設備運行狀態(tài)變化和業(yè)務需求，通過數(shù)據(jù)分析達到識別故障來源，確定故障程度的目的，及早安排人和料消除設備缺陷，提高生產(chǎn)線運行效率和輔助管理決策，助力企業(yè)數(shù)字化轉型。

面向智慧鋼鐵的棒線材設備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)已逐步成為企業(yè)數(shù)字化轉型升級的重要引擎，不僅賦予了智能制造新的內涵，而且通過數(shù)字孿生生產(chǎn)線的標桿示范作用，為推進行業(yè)可持續(xù)發(fā)展和打造智慧鋼鐵注入了新動能，為智能工廠建設、工業(yè)產(chǎn)業(yè)結構調整、新舊動能轉換不斷開展前沿探索^[3]。

設備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)可通過標準化產(chǎn)品模式推廣，在石油石化、電力、水泥等行業(yè)實現(xiàn)落地應用。

參考文獻：

[1] 陳磊. 棒線材設備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)研究與實踐[J]. 自動化博覽, 2023, 40 (09) : 58 - 62.

[2] 陳磊, 劉偉, 袁君奇. 基于數(shù)字孿生軟件的設備預測性維護技術研究[J]. 新型工業(yè)化, 2023, 13 (09) : 70 - 78.

[3] 陳磊, 高江明, 劉星光, 等. 面向智慧鋼鐵的設備智能運維系統(tǒng)建設研究[J]. 新型工業(yè)化, 2023, 13 (12) : 96 - 107.

摘自《自動化博覽》2024年8月刊