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預(yù)測性運維技術(shù)在港口設(shè)備管理中的應(yīng)用

2019-03-07

蔡道勇　楊相聲　張偉

（沃德（天津）智能技術(shù)有限公司，天津　300000）

　　摘　要：針對港口設(shè)備維護的滯后性、盲目性，運用傳感器技術(shù)，實時采集設(shè)備振動、溫度等運行數(shù)據(jù)，通過專業(yè)診斷分析方法，實時監(jiān)測設(shè)備運行狀況。通過專業(yè)性技術(shù)分析方法對采集數(shù)據(jù)進行比對和分析，判斷設(shè)備運行狀態(tài)和潛在故障，指導設(shè)備維護人員進行預(yù)測性維護，減少非計劃停機事故；降低零部件準備成本，縮短設(shè)備維修工期，有效地幫助企業(yè)降低成本，提升生產(chǎn)效益；避免點檢人員的日常高危作業(yè)，降低安全風險。利用Z新的移動端技術(shù)，可以通過手機等移動端，實時查看設(shè)備運行狀態(tài)，提前預(yù)知設(shè)備隱患，為設(shè)備管理提供科學、高效的決策依據(jù)。
　　關(guān)鍵詞：港口；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)分析；故障診斷；預(yù)測性運維；可視化
　　1　港口設(shè)備維護保養(yǎng)現(xiàn)狀

　　我國港口數(shù)量眾多，各個港口發(fā)展狀況不一致，發(fā)展較好的如青島港、洋山港四期、廈門遠海等自動化碼頭，已率先實現(xiàn)智能化。然而，目前我國依然有很多由傳統(tǒng)設(shè)備和人工操作的碼頭，對于此類碼頭而言，實現(xiàn)智能化的挑戰(zhàn)還有很多。

　　港口設(shè)備種類較多，主要包括：集裝箱碼頭的岸邊起重機、門式起重機等；干散貨碼頭的裝卸船機、斗輪式堆取料機、皮帶式輸送機等；油料碼頭的輸油泵等。這些設(shè)備均是港口正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，其維護、保養(yǎng)和管理是整個港口設(shè)備管理的重點工作，且面臨著諸多困難。

　　（1）設(shè)備分布分散。港口作業(yè)區(qū)域內(nèi)設(shè)備分布廣、數(shù)量大。例如，集裝箱碼頭岸邊橋式起重機的起升機構(gòu)，干散貨碼頭皮帶輸送機的電機和齒輪箱、門式起重機俯仰和變幅機構(gòu)、斗輪的回轉(zhuǎn)機構(gòu)等，在港區(qū)內(nèi)分布較為分散，且設(shè)備運行環(huán)境復(fù)雜，例如，翻車機等地面下方的設(shè)備，點巡檢人員不易進入，容易造成設(shè)備日常巡檢的漏檢。

　?。?）人工勞動強度大。為保證設(shè)備運行的可控性，部分港口安排設(shè)備維保人員每2h對設(shè)備巡檢1遍，造成工人勞動強度較高，且不能實時點檢至所有設(shè)備，存在漏檢和不能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患的情況。

　?。?）技術(shù)手段落后。常規(guī)的點巡檢手段，如測振筆、測溫槍等，無法準確發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障源，且不能形成連續(xù)的數(shù)據(jù)儲備，對設(shè)備維護、保養(yǎng)無法提供有效的數(shù)據(jù)支持。部分港口為保證設(shè)備的正常運行，無論軸承好壞，定期將所有傳動設(shè)備軸承進行更換，造成大量資金浪費。

　?。?）作業(yè)環(huán)境惡劣。海港區(qū)域的基本設(shè)備操作多為高空作業(yè)，遇到大風、寒冷等惡劣天氣會對設(shè)備維保人員的安全造成巨大威脅。

　　為解決港口傳動設(shè)備運用和管理中遇到的問題，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集設(shè)備數(shù)據(jù)，并且整合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將設(shè)備預(yù)測性運維技術(shù)方案應(yīng)用到港口設(shè)備管理中。針對港口等設(shè)備分布不集中、不易布置線路的工業(yè)現(xiàn)場，利用無線傳感器和數(shù)據(jù)采集器，將設(shè)備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，實時采集到數(shù)據(jù)處理平臺，采用專業(yè)的數(shù)據(jù)分析，將設(shè)備運行狀態(tài)信息和故障信息，通過可視化手段，指導維保人員對設(shè)備進行定點、定向的預(yù)測性維護和保養(yǎng)，從而降低維護成本，降低備品和備件儲備，降低現(xiàn)場維保人員的勞動強度，進而提升整個港口的智能化水平。

　　2　港口預(yù)測性運維的技術(shù)瓶頸和實施難點

　　隨著傳感器技術(shù)及無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展，預(yù)測性運維的概念已經(jīng)越來越多地被工業(yè)領(lǐng)域所接受。但在我國，受條件的限制，預(yù)測性運維技術(shù)普遍面臨技術(shù)瓶頸和實施難點。

　　2.1　采集頻寬覆蓋不足

　　港口設(shè)備的類型較多，應(yīng)用場景多樣，設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的頻率范圍涵蓋從低頻到高頻的各個頻段，傳統(tǒng)的測振筆自身的數(shù)據(jù)采集頻寬無法覆蓋設(shè)備運行的健康頻寬和故障頻寬，造成實際應(yīng)用中故障數(shù)據(jù)特征不明顯或超出數(shù)據(jù)采集頻寬范圍，無法判斷故障。

　　2.2　傳輸方式對數(shù)據(jù)的影響

　　由于港口設(shè)備分布分散，傳統(tǒng)傳感器采用有線傳輸，會造成線路較長、繁雜，且鋪設(shè)困難大，因而無線傳輸方式是Z佳的選擇。無線傳感需要考慮如何保證數(shù)據(jù)采集精度、采用何種無線信號傳輸方式、如何保證數(shù)據(jù)高效傳輸；傳感器的供電方式需要考慮如何提高電池使用壽命；數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站和服務(wù)器采用何種通信方式，有線或者無線等，成為必須要解決的問題。

　　2.3　數(shù)據(jù)傳輸過量產(chǎn)生的壓力

　　設(shè)備故障信號往往隨時間的推移逐漸增強，時序數(shù)據(jù)的實時性和連續(xù)性對于數(shù)據(jù)分析至關(guān)重要。設(shè)備運行數(shù)據(jù)的實時采集效率受到數(shù)據(jù)量的限制，過量的數(shù)據(jù)傳輸和存儲會對服務(wù)器及傳輸帶寬造成過大壓力。如何有效篩分無用和有用數(shù)據(jù)，并對有用數(shù)據(jù)進行壓縮存儲，降低存儲空間壓力，成為技術(shù)難點。

　　2.4　缺乏運行標準數(shù)據(jù)庫和失效數(shù)據(jù)庫

　　在數(shù)據(jù)的采集和傳輸技術(shù)突破后，若缺乏標準運行數(shù)據(jù)庫和失效數(shù)據(jù)庫的支撐，則采集到的數(shù)據(jù)只能作為演示使用，或只能通過專業(yè)的技術(shù)人員才能解讀，無法給予設(shè)備普遍性的智能判斷，更無法實現(xiàn)故障類型預(yù)判和故障定位。

　　2.5　算法體系無法應(yīng)對復(fù)雜應(yīng)用場景

　　數(shù)據(jù)的比對分析需要大量、多類型的算法支持，以適應(yīng)設(shè)備的不同品牌、不同型號、不同應(yīng)用環(huán)境、不同使用方式等。為此，要做到精準分析和判斷，必須開發(fā)普遍適用的算法，并且為不同應(yīng)用場景設(shè)置不同的預(yù)警和報警閾值，從而實現(xiàn)分析的有效性。

　　2　設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的系統(tǒng)設(shè)計

　　設(shè)備狀態(tài)檢測系統(tǒng)架構(gòu)分為3個層次，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)見圖1。

圖1 設(shè)備狀態(tài)檢測系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)

　　2.1　數(shù)據(jù)采集層

　　采用具有專利技術(shù)的全無線傳感器、集成振動和溫度傳感器，可采集振動和溫度數(shù)據(jù)，如高頻和低頻振動、加速度、振幅、位移和關(guān)鍵部位溫度等。傳感器安裝在設(shè)備表面，將采集到的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到采集站，其中：傳感器和采集站采用ZigBee協(xié)議進行傳輸，通信頻段為2.4GHz；采集站采用4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到平臺服務(wù)器。

　　無線采集站集成全通道同步采集技術(shù)和全采樣技術(shù)。全通道同步采集技術(shù)是同一采集站下所有傳感器同步采集數(shù)據(jù)；全采樣技術(shù)是一種定時采集、系統(tǒng)24h不間斷進行振動數(shù)據(jù)采集，采集數(shù)據(jù)包括常規(guī)振動波形、長波形、時域指標（峭度、峰值、有效值）等，Z短可30s可采集1組有效值數(shù)據(jù)，5min采集1組常規(guī)振動數(shù)據(jù)。

　　2.2　數(shù)據(jù)處理層

　　通過自主研發(fā)的WSMS1000服務(wù)器監(jiān)測軟件，控制傳感器采集數(shù)據(jù)類型和存儲傳感器采集的設(shè)備數(shù)據(jù)，通過內(nèi)置的20多種算法對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，包括時域波形、頻譜分析，多時域、多頻譜、長時域波形分析，轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)、趨勢分析，多趨勢分析，采樣值趨勢、頻率趨勢分析，長波形趨勢分析，頻率趨勢、包絡(luò)解調(diào)、倒譜分析，階次分析，瀑布圖，交叉相位譜，波形再處理，壽命預(yù)測等。

　　2.3　數(shù)據(jù)分析層

　　通過專業(yè)數(shù)據(jù)分析人員和5000多臺（套）國內(nèi)外品牌減速機的失效數(shù)據(jù)庫，運用專業(yè)的數(shù)據(jù)分析方法，對設(shè)備數(shù)據(jù)進行分析，挖掘數(shù)據(jù)價值，指導設(shè)備維護的方向并進行個性化維保。此舉是該系統(tǒng)與傳統(tǒng)振動檢測系統(tǒng)的區(qū)別，將專業(yè)數(shù)據(jù)分析人員納入到系統(tǒng)中，保證系統(tǒng)價值Z大化。

　　3　系統(tǒng)應(yīng)用

　　該系統(tǒng)目前已經(jīng)成功應(yīng)用于大連長興島某石化碼頭，用于港口設(shè)備的預(yù)測性維護。

　　2017年9月，在大連長興島某石化碼頭港口設(shè)備的門式起重機、斗輪堆取料機和皮帶運輸機上安裝數(shù)據(jù)采集傳感器，通過在港區(qū)內(nèi)建立的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，將設(shè)備運行數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理中心，通過數(shù)據(jù)中心專業(yè)人員的數(shù)據(jù)挖掘及設(shè)備管理人員的手機App，實時提供設(shè)備運行狀態(tài)和潛在故障信息，確定設(shè)備的隱患程度，并進行精確的故障定位。大連長興島某石化碼頭門機監(jiān)測設(shè)備表見表1。

　　目前該系統(tǒng)已平穩(wěn)運行10個多月，實現(xiàn)對門機設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，并以此為依據(jù)優(yōu)化備品和備件庫存，降低維保人員作業(yè)風險和勞動強度。

以升降機為例，介紹該系統(tǒng)在門機的應(yīng)用。傳感器安裝在升降機上，主升降機傳感器測點分布位置見表2。安裝的位置是在設(shè)備軸承附近，主升降機的傳感器安裝位置見圖2。

圖2 主升降機的傳感器安裝位置

　　通過對專業(yè)的數(shù)據(jù)分析人員采集的振動數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)進行分析，并給出基于振動監(jiān)測的設(shè)備維護建議，可以實現(xiàn)對電機和齒輪箱常規(guī)故障的有效監(jiān)測，如電氣故障（氣穴不均、轉(zhuǎn)子偏心等）、軸承故障（軸承損傷、軸承潤滑不良等）和齒輪箱故障（齒輪偏載、齒面磨損、斷齒、斷軸等），指導維保人員對設(shè)備進行預(yù)測性維護，降低運維成本。主升降機監(jiān)測數(shù)據(jù)和診斷報告截圖見圖3。

圖3 主升降機監(jiān)測數(shù)據(jù)和診斷報告截圖

　　4　設(shè)備狀態(tài)檢測系統(tǒng)為港口企業(yè)帶來的效益

　　系統(tǒng)為港口企業(yè)實現(xiàn)人與設(shè)備間的實時數(shù)據(jù)交互，將港區(qū)內(nèi)不同的設(shè)備通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、邊緣計算技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和運維狀況可視化技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備點到點、端到端、端到網(wǎng)的設(shè)備監(jiān)控平臺，實現(xiàn)傳動設(shè)備實時互聯(lián)、狀態(tài)可視、隱患可判，讓設(shè)備管理以數(shù)據(jù)為依據(jù)，預(yù)測維護方向，降低設(shè)備突發(fā)故障的風險，提高港口運行效率，降低運維成本。

　?。?）無損安裝，有機升級。在不改變原有設(shè)備外觀及結(jié)構(gòu)的情況下，在設(shè)備外部無損加裝傳感器，配合數(shù)據(jù)采集基站，將數(shù)據(jù)信號通過4G無線通信網(wǎng)絡(luò)直接上傳至數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)低成本架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

　?。?）降低人工點檢風險。處于高危環(huán)境及不易觸碰到的設(shè)備，運用該系統(tǒng)，即使不通過人工的實地點檢，運行數(shù)據(jù)也足夠清晰，使管理者直觀地實時查看設(shè)備運行的健康狀況。

　?。?）降低工人勞動強度。大幅降低人工高強度的點檢和維護作業(yè)。設(shè)備實時運轉(zhuǎn)而人的精力有限，預(yù)測性運維的核心就是將工作人員從高強度的作業(yè)中解放出來，投入到更有創(chuàng)造性的工作中。

　?。?）降低設(shè)備運行風險。生產(chǎn)需求的提升往往會帶來設(shè)備運行的載荷加大，時間延長。該系統(tǒng)實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)控，適時進行生產(chǎn)調(diào)整，有利于整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的優(yōu)化。

　?。?）避免非計劃停機。非計劃停機正是源于無法預(yù)知的設(shè)備故障?；谠撛O(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)，以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)判定設(shè)備的健康狀態(tài)，定位設(shè)備故障部位，提前制定維修計劃和準備設(shè)備零部件，進行預(yù)測性維護，避免設(shè)備出現(xiàn)重大故障。

　?。?）設(shè)備剩余壽命預(yù)測和自動報警。該系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)備運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)變化趨勢，以及與數(shù)據(jù)庫中的標準數(shù)據(jù)做比對，判定設(shè)備故障等級，預(yù)測設(shè)備的剩余壽命，為設(shè)備維護保養(yǎng)提供科學依據(jù)，Z大程度降低運維成本，發(fā)揮設(shè)備的Z大價值，提高經(jīng)濟效益。

來源：《港口科技》