巷道式堆垛機健康狀態綜合評估研究

皇甫宜龍，盛亞飛，王成林，劉 斌

（1.北京物資學院，北京 101149；2.北京順鑫農業股份有限公司牛欄山酒廠，北京 101301）

0 引言

隨著智慧物流的發展，物流機械設備綜合構建倉儲一體化，存取自動化，物流和信息流一體的高度柔性化物流系統。其中，巷道式堆垛機以其在電氣控制方式、整體調速性能、定位準確度、起升精度、耐磨性等方面的突出特點得到廣泛應用，特別是用于在高層貨架的巷道內來回穿梭運行，作為智慧物流的核心機械設備，長時間、高強度和超高速的使用造成巷道式堆垛機存在隨機且復雜的故障隱患，降低整個設備的可靠性，直接影響物流系統的正常運作。在現實工況下，設備仍采用定期維護方式，一旦發生故障，將會對整個物流系統產生嚴重影響，特別是突發性停機，易帶來重大經濟損失。因此，本文建立基于巷道式堆垛機健康狀態管理和智能維護方案，基于多特征參數健康狀態綜合評估模型，進行設備實時監測，結合歷史維修數據和專家系統，進行全方面健康狀態反饋，實現設備綜合智能管理維護。

1 巷道式堆垛機健康管理與智能維護綜合方案

圖1 雙立柱巷道式堆垛機結構

雙立柱巷道式堆垛機健康檢測實驗為雙立柱巷道式堆垛機。該種雙立柱巷道堆垛機的主要組成結構主要有上橫梁、下橫梁、左右立柱、主控柜、載貨臺、貨叉機構、貨叉伸縮電機、行走機構、提升機構、提升鏈條、天軌導向輪、載貨臺導向輪、地軌導向輪、主動輪、從動輪（圖1）。根據雙立柱巷道式堆垛機核心零部件工作狀態進行監控，結合現有狀態檢測技術，建立了振動、電機、電壓、電流、傳感器和轉速等多種狀態實時檢測以及智能維護體系。

設備健康狀態是反映設備當前工作狀態，通過量化設備工況下運行采集數據形成設備健康指數，采用設備磨合后正常性能狀態健康指數做參考，真實反映設備目前性能的偏差程度。要實現設備健康狀態綜合評估，需要針對被評估設備的數據采樣，以及歷史數據分析處理。設備健康狀態評估需要在待評估設備關鍵監控部位裝載傳感器記錄實時工作數據，并結合歷史維修數據形成綜合評估數據，根據設備構成進行層次劃分提取特征參數，建立健康狀態模型計算特征參數閾值和標準值，得到健康指數判斷設備健康狀態。巷道式堆垛機健康狀態綜合評估框架如圖2 所示。

圖2 基于特征參數設備健康狀態綜合評估框架

設備健康管理與智能維護綜合方案，采用分布式調用架構，采用5G 網絡通信技術，綜合設備狀態監測傳感器、健康狀態綜合評估技術、設備狀態管理和工作人員統一管理交互平臺，設計健康狀態綜合評估系統、智能維護系統和信息交互系統，其中，按照功能分為設備運行狀態監測部分、數據交互平臺部分、設備維護保養部分三部分。在運行狀態監測部分集合監測儀器和傳感器基于工業以太網和5G 無線網絡實現運行狀態數據收集和數據庫上傳工作；在數據交互平臺部分，通過信息交互進行健康狀態綜合評估，結合智能維護系統，實現系統內自動生成檢測報告并進行維修任務發布；設備維護保養部分通過系統預警或定期檢查狀態檢測報告，實施設備維護措施，執行人員將設備實際維護以文字和圖片形式上傳數據庫，建立完整智能維修閉環控制。綜合方案數據庫中會統一保存每次診斷數據和反饋信息，形成系統知識庫，更新健康狀態綜合評估中特征參數，優化診斷結果提高智能維護準確率。

圖3 設備健康管理與智能維護綜合方案

2 巷道式堆垛機綜合健康狀態綜合評價模型

設備在使用壽命內經過磨合階段、正常使用階段和急劇磨損階段，在不同階段各項指標因時間變化而變化，結合設備設計參數、狀態監測數據和故障維修數據，進行健康狀態綜合評估。因為巷道式堆垛機不是一個單一結構機械設備，設備是一個完整系統，需要綜合系統內子系統健康狀態進行評價，最終得出設備整體性能健康數值代入計算模型得到0 到1 之間數值。該健康數值越高代表設備健康狀態越好，1 是最佳狀態，0 是完全損壞狀態。

通過收集設備運行過程中狀態信息，實時監測振動、電壓、電流、噪音和轉速等信息，可以構建多個特征狀態參數評價模型，量化設備綜合健康狀態數值。僅考慮監測信息的反饋是無法進行全面評價，建立設備監測狀態故障性、設備可靠性、零件經濟性和零件可維修性的綜合框架才能反映設備真實狀態。建立評價指標體系：

（1）監測狀態故障性。指標包含設備各傳感器采集數據值、歷史維修數據值和使用時長。

（2）設備可靠性。指標包含設備內各組件對設備正常運行影響程度、各個組件之間關聯度，損壞后是否可替代和設計生命周期。

（3）零件經濟性。指標包含設備內各組件價值、折舊費用、失效損失費用和維修費用。

（4）零件可維修性。指標包含設備內各組件維修更換難易程度和同等功能可替代性。

首先建立單一組件特征參數計算模型，通過設備設計參數、性能測試和歷史數據綜合評估，綜合得到時間序列參數閾值范圍，建立基于時間序列函數f（t）與最大閾值xmax和最小xmin之間計算模型。

其中，H（t）為基于時間序列特征參數；f（t）為此刻設備監測反饋值為此刻設備設計時標準值。

根據設備組件之間零件進行編碼建立每個重要零件的權重評價值，根據上述指標體系進行進一步完善，區分零件健康狀態對設備健康狀態影響程度。采用均一化權重賦值模式可能會導致核心零件影響程度弱化，非核心零件影響程度強化，不能真實反饋設備健康狀態。本項目采用經典變權公式，結合上述構建指標體系進行權重設定。

其中，為設備第i 個零件第j 個特征參數值；m 為特征參數總數為特征參數標準權值為綜合結果權值；a 為綜合常數，取值范圍（0，0.5）。

基于時間序列建立設備綜合健康狀態綜合評估計算模型如下：

基于H（t）計算值結合歷史維修數據建立設備健康狀態分級體系，根據設備運行狀態反饋確定映射關系，如表1 所示綜合健康狀態分級體系。

表1 巷道式堆垛機綜合健康狀態分級體系

3 巷道式堆垛機健康狀態實驗分析

本項目采用北京順鑫農業股份有限公司牛欄山酒廠雙立柱巷道式堆垛機為例進行健康狀態綜合評估分析，首先搭建設備健康管理與智能維護綜合平臺，在設備上進行健康狀態監測采樣。本實驗搭建數據采樣臺，其中振動傳感器采用ICP 型三向加速度傳感器，在上導軌、立柱4.5 m 處和下導軌布置；速度傳感器在右側立柱1 m處布置；環境檢測采用臺達溫濕度噪聲傳感器，在立柱兩側2 m 處布置；電機系統數據采用臺達變頻器收集，振動數據采集儀采用東方所研制INV3018CT 高精度采集儀，中心控制采用臺達PLC 控制單元，集中在在電控柜內布置。雙立柱巷道式堆垛機工作狀態下，采樣平臺收集數據采樣頻率為100 Hz，采樣數據包含整機速度、各向加速度、峭度值、關鍵點電流電壓值、電機轉速、機柜溫度、整機溫濕度和噪音，數據打包通過無線網絡進行傳輸，結合相應人工服務數據構建數據庫進行分析處理。

通過采樣檢測平臺數據和設備設計數據進行分成計算，得到設備內各個組件特征參數及其詳細數值，如表2 所示。以完整特征參數和權重表為基準，進行設備健康狀態綜合評估。

巷道式堆垛機健康管理與智能維護系統如圖4 所示，是基于線上動態監測技術和設備智能維護管理開發基于“綜合健康評價模型”的網絡管理平臺，該系統基于JAVA 開發語言，數據服務器采用SQL Sever 2013 為數據庫，支持Win7 以上運行環境。該系統主要包含20 個巷道式堆垛機實時健康狀態動態監測、設備狀態、預警和報警、工作環境監測、統計報表、用戶管理和自檢測試模塊。該系統以健康狀態綜合評估為基礎，通過網絡進行設備數據采樣、數據傳輸、健康狀態評估、工程師、維修人員等統一平臺實施管理，能夠有效進行庫房部門、維修部門和管理部門之間信息溝通，實現快速效應智能維修。綜合健康狀態評估基于實時設備采樣數據、專家知識系統、評價模型、原始設計數據和歷史維修數據生成運行狀態診斷報告，判斷故障類型和原因，提出維修建議。通過維修部門現場勘察情況，工程師進行健康狀態反饋，優化綜合健康狀態評估模型，實現巷道式堆垛機完整閉環智能維護。

4 結論

通過采用5G 網絡通信技術，綜合設備狀態監測傳感器、健康狀態綜合評估技術、設備狀態管理和工作人員深度融合統一在線管理，促進動態監測技術和健康狀態診斷技術在巷道式堆垛機領域中的發展，搭建工業以太網和5G 傳感網絡提高設備到管理人員之間信息傳遞效率，避免了巷道式堆垛機定期查看傳統維修模式，為巷道式堆垛機建設基于狀態管理先進智能維護手段，豐富設備健康管理內容，為巷道式堆垛機維護提供可靠參考依據。

表2 巷道式堆垛機特征參數

圖4 巷道式堆垛機健康管理與智能維護系統

目前尚未解決問題：淤由于系統設計需要大量試驗數據采集，開發周期長，數據量大，涉及設備內零件多，整體系統需要大量工作人員相互配合才能完成；于該系統涉及多個特征參數計算和權值判斷，針對性強，很難進行普適性推廣應用，針對不同設備需要重新計算并進行針對性研究。在設備傳感監測技術不斷發展的同時設備健康管理水平也在不斷進步，基于設備狀態進行管理，能夠使設備產生更大使用效益和經濟效益。