電機全生命周期管控系統的設計與實現

臧理萌，韓克宏

（1.鞍鋼集團自動化有限公司，遼寧 鞍山114009；2.鞍鋼股份有限公司冷軋廠，遼寧 鞍山114021）

20世紀80年代，國內從國外引進了大型機組并開展了設備全生命周期管控系統的技術研究，到了80年代中后期，國內開始研究設備監測系統，但由于價格昂貴，因此系統市場化程度不高［1］。與國內相比，國外相關的技術經驗較豐富，美國、日本、加拿大等國家的專家學者早已開展了設備狀態監測預警及故障分析研究，例如德國西門子公司的數字工廠，美國GE公司的炫工廠［2］。國內目前能夠提供相關平臺的有霍尼韋爾和上海寶信等公司。現階段國內有關智能監測系統的應用仍處于起步階段，大部分生產廠商仍停留在一些常規檢測或傳統的定時預防性維護檢修及事故后的維修工作上，急需使用智能手段提前發現劣化趨勢。工業數據采集是智能制造和工業互聯網的基礎，是信息化和工業化融合的先決條件，在采集數據后發展設備全生命周期技術也已成為必然趨勢。

電機在發生故障時通常有異常征兆，不同種類故障的征兆也存在差異，電機全生命周期管控系統可以對數據進行實時集成和整理，使設備狀態可視化，將電機真實狀況與實時數據相關聯，判斷電機是否處于健康狀態，做到故障預警、預測維修，完成對生產現場設備的實時優化控制。電機全生命周期管控系統通過對積累的工業大數據的深入處理，實現智能化決策，提高設備類資源利用效率，提升產線設備運行水平，減低能耗與成本。

1 系統總體架構設計

針對企業組織結構特點和電機全生命周期管控系統的體系結構，采用多級系統層次的組織方式，系統管理員可以根據使用者身份的不同為其開放相應的功能，實現一個系統面向所有業務人員、分析人員，完成企業中的信息流共享。

電機全生命周期管控系統網絡見圖1，劃分為三個部分，第一部分為現場傳感器數據采集部分，第二部分為工程師站，第三部分為業務應用平臺。

圖1 電機全生命周期管控系統網絡Fig.1 Network of Full Life Cycle Control System on Motor

電機全生命周期管控系統架構如圖2所示，采用了三層架構：

（1）數據訪問層：數據訪問層可以實現對數據庫的操作，或通過數據接口和通訊協議與其他外部系統或設備進行數據交換和共享。

（2）業務邏輯層：業務邏輯層不僅具備可靠的操作系統兼容性，同時還具備人性化的操作界面［3］，能夠提供系統的核心功能，負責數據的傳遞和處理。

（3）業務表現層：業務應用平臺采用B/S方式，工程師站采用C/S方式。業務應用平臺面向生產方相關人員，可使用瀏覽器直接訪問；工程師站面對現場分析人員；電機在線APP面對有移動辦公需求的人員。

圖2 電機全生命周期管控系統架構Fig.2 Framework of Full Life Cycle Control System on Motor

2 系統參數監測

常見電機對故障敏感性的指標包括電流、振動和溫度，系統根據這三項參數來進行電機故障的預測和診斷。對于不同的故障，電流值、振動狀態及各種頻譜圖均會發生異常。電機在運轉的同時，內部進行著能量轉換，電機的各種損耗最后都將變成熱能，電機出現故障前后，溫度會脫離其典型特性和允許限值。

系統能夠記錄電機原始參數狀態形成軌跡，運行中隨著電機匝間絕緣老化，繞組阻抗會變得特別低，有燒損到臨界狀態的風險，造成匝間短路。這種故障趨勢將以電流、振動幅值增大，溫度升高的形式表現出來。系統將對異常情況進行預警，并給出這種趨勢對應的故障原因。

有時電機不同的故障起因，卻表現出相同的故障征兆。例如，直流電機火花加大這一征兆，可能是由于過載、換向器變形等原因，出現換向惡化故障的狀況。在這種情況下，系統將結合電機的歷史信息從可能的故障原因中進行篩選。

電機的故障原因和故障征兆具有多元性特點，容易造成故障診斷的難度大幅增加［4］。例如，籠型異步電動機因籠條斷裂或開焊時，會出現振動增加，啟動時間延長，定子電流擺動，轉速、轉矩波動，溫度升高等多種故障征兆，且彼此之間存在關聯性［5］。在這種情況下，系統結合所有征兆，利用機器自學習技術，匹配數據模型，判斷故障原因。

電機的故障原因存儲于故障庫中，系統提出故障原因的同時也會從專家知識庫獲取對應的分析維護建議，從而可以提前進行相應處理，避免設備意外停機或損壞。

3 系統功能

傳統的監測方式和管理手段效率低、局限性大，還耗時耗力，逐漸無法滿足如今大批量的設備使用狀況。電機全生命周期管控系統則提供了高效易操作的監測管理平臺，打破了業務壁壘，對圍繞電機的相關功能進行了整體優化。使得監測及診斷類功能和管理類業務功能不再相互獨立。將電機從投入使用到報廢下線這一過程進行數字化，完整記錄電機的生命周期。

3.1 PC端功能

電機生命流程的記錄是判斷電機當前狀態的重要依據，作為全生命周期系統，在電機投入使用前，通過以使用單位部門、設備名稱、設備編號、分類數據、特性數據、位置數據、監測參數等信息作為管理與追蹤的基礎條件，確保設備的唯一性和可溯源性。

電機上線后，系統記錄原始運行狀態，并實時以數據及圖形的形式來展示一臺電機的多種參數或將多臺電機的同種參數進行比對。運行過程中，系統將對電機狀態進行在線分析，當電機偏離常態，系統會發出參數閾值報警或電機壽命的預測性告警信息，用戶可據此直接在系統中編制或調整設備周期性檢修、預防性維護、日常點檢等計劃，防止設備失效導致生產非計劃性中斷。即便電機因需維修保養等原因離線，用戶也可以根據統一規范的電機檔案資料，對于電機維修過程部件更換做到有跡可循。電機再次上線后性能下降，健康曲線會發生變化，呈現衰減趨勢，系統會靈活地根據當前的電機狀況，調節預警值，并做出壽命判定。系統跟蹤此循環過程直至電機在技術上或經濟上喪失使用價值而退出使用。通過對電機使用的合理規劃，實現減少設備備件的數量和資金占用。

系統還為用戶提供了統一入口，可以通過權限劃分開放不同的應用功能，易于配置與人員管理。同時還可即時進行通訊，方便用戶溝通。通過計劃任務功能，自動生成各類工單和點檢任務，能夠設置觸發周期，減少用戶周期性維護時重復創建流程的過程。

3.2 移動端功能

配合電機在線監測APP，滿足用戶的移動辦公需求。便捷查詢電機狀態，自動接收新的告警消息記錄。針對設備的疑難問題，在線會診模塊通過語音視頻為用戶提供了一個實時交流的平臺，可邀請專家進行輔助診斷并提交建議。

系統完善的功能與詳實的記錄確保了判斷的準確性和可靠性，對用戶的職責崗位，電機的基礎信息、狀態數據及維護流程進行信息共享，管理人員能實時全方位掌握企業設備的分布使用及運行情況。

4 系統實施方式

4.1 數據的傳輸與存儲

系統服務器置于生產廠的監控室內，現場的采集器通過局域網或5G將采集的數據傳輸到服務器，對已有的設備運行參數通過接口上傳到服務器，業務應用平臺和工程師站可通過顯示屏操作，電機在線監測APP可通過手機移動端顯示。

服務器用于承載系統平臺及采集數據的存儲、分析與建模。由于監測電機狀態為毫秒級，這將產生大量狀態數據，所以系統數據的存儲、處理、分析及統計選擇使用Hadoop大數據平臺，搭建大型數據倉庫，可配合多種組件為設備參數的實時分析提供可靠的保證。

服務器存儲空間共分為四部分，第一部分為MySQL關系數據庫，用于存儲各類設備參數及管理信息；第二部分為非關系型數據庫MongoDB，其語言查詢能力強大且適用于實時數據處理，適合作為緩存層；第三部分為web服務器，向用戶提供系統信息瀏覽操作服務；第四部分為python分析程序，獨立部署在應用服務器上，負責對獲取的數據建立機理模型和數據模型。

4.2 數據分析與智能診斷

系統通過對存儲的大量電機狀態數據進行人工智能分析后，可為不同種類電機的不同種類故障（如定子繞組線圈匝間短路、定子繞組斷路故障以及定子鐵心松動等）建立具有針對性的設備故障機理模型。統計學模型是數據集訓練的結果，在不同工況下，設備進行模型訓練的數據算法有PCA主成分分析對數據的簡化分析，SVM支持向量機針對線性可分情況的分析，CART分類回歸學習條件概率分布，K聚類k-means特定數據的自然關聯的尋找，CNN卷積神經網絡的監督學習和非監督學習。

這種機器自學習技術需要依靠一段時間的數據積累來建立模型。在訓練模型的過程中，由專家或工程師將故障標識和異常標識信息加入知識庫和故障庫，錄入診斷結果，指明電機已發生的故障信息或可能導致故障的隱患信息，并提出相應建議，提升設備維修水平。由于數據模型已與故障種類、診斷數據等信息相關聯，在后續電機發生已識別出的故障前，系統可實現自動智能識別，降低重復故障標識工作量，并將當前狀態與模型進行比較，實現在電機部件損壞前的壽命分級預警。工程師站展示電機的當前狀態信息，并將分析后的壽命預警信息、故障告警信息及故障診斷信息推送給相關工作人員，實現系統的自動智能診斷。工作人員可及時消除告警并對電機狀態給出評級處理，判斷是否需要停機或采購備件，以保障設備安全穩定運行。

4.3 移動端實施方式

電機在線監測APP是基于安卓系統、Framework7和Cordova框架的手機端APP，根據PC端系統的功能作出了適當的簡化，并加入了新功能。告警消息由工程師站發出，通過push方式第一時間主動在客戶端顯示消息推送。對于已發生的故障，可自動關聯標出故障區域的電機3D模型，大小方向可調。在線會診通過Nginx、Node等服務器的安裝部署實現多人視頻通訊。

5 結語

為了使設備類資源得到充分利用，通過電機全生命周期管控系統建立起統一的設備狀態監測平臺。系統劃分為三個部分，并采用三層架構，能夠結合各種業務功能。實現了監測數據集中共享；根據電流、振動及溫度三項參數，基于大數據利用人工智能進行建模及時獲取預警信息；共享專家知識庫，系統自動快速針對異常提供解決方案；集成檢修、維修、點檢業務功能，配合智能診斷實現電機維護有的放矢；減少設備備件的數量和資金占用，使設備的維修水平有所提升。系統解決了電機管理單一，電機狀態掌握滯后的問題，用戶能夠實時掌握設備的使用情況和壽命趨勢，提升了企業競爭力。