能源铝板带设备数字化安全管理系统研究与设计

时间：2024-05-04

宁海波

（上海大屯能源股份有限公司铝板带厂江苏省徐州市 221611）

铝板带是以铝为主要原料，并融入其他合金元素制造出来的铝板或者铝带，广泛应用于航空、航天、汽车、交通、能源、建筑、医疗、家电等众多行业。其中，能源铝板带是面向能源行业，如石油天然气、风电、煤炭及炼化生产的专用铝板带。能源铝带板的制造工艺复杂、成本较高，需要使用大量不同类型的机械设备，如燃气熔炉、冷轧机、保温炉、铸造机、循环风机等。这些机械设备的结构复杂、体积庞大，且长期处于高温高压的工作环境中，潜在危险多、故障识别难度高、维修保养困难，给机械设备的安全管理带来极大挑战。由于缺少数字化安全管理手段，能源铝板带企业目前仍主要由人工进行设备安全监测、数据处理与分析，存在可靠性差、效率低、安全隐患多等问题。对于一些潜在安全隐患，若未能及时发现和正确处理，极易造成严重后果，对作业人员的生命健康带来极大危害。例如，当通风设备未正常工作时，作业人员难以及时检出，会造成局部废气超标，一旦具备燃烧条件就会发生燃烧爆炸。此外，若未及时对冷轧机、铸造机、物流运输等设备进行维修维护，可能发生撞伤人员、轧伤作业人员等危险。

智能制造是未来制造业发展的趋势，其目标是通过将物联网、信息物理系统、大数据、人工智能等技术与制造业深度融合，实现产品全制造流程和全生命周期管理的智能化、协同化、透明化、绿色化。当前，推动能源铝板带等信息化程度不足的传统制造业企业向智能制造转型发展，是“中国制造2025”的重要战略任务。因此，将智能制造的关键技术与能源铝板带生产进行结合，从而提高机械设备的安全管理水平，这对于确保机械设备安全稳定运行，减少安全隐患，延长设备使用寿命，提高企业经济效益具有重要意义。

目前，国内众多学者对机械设备的安全管理进行了研究，构建了各类数字化安全管理系统，有效提高了我国制造业生产管理水平。李萌等提出了面向LNG 运输加注船的作业安全管理系统，综合应用数据、视频等感知手段进行信息融合，为作业人员提供安全辅助决策，极大提高了安全管理效率和水平。孙存虎研究了基于物联网的机械设备安全管理系统，重点了讨论了大数据库、编码、传感器等技术在安全管理系统中的应用方法。朱孟周等提出基于数据挖掘的电网作业安全管理系统设计方法，通过对数据挖掘和大数据信息进行融合，实现对电网作业过程的安全评估与预测。许剑波提出了基于多元统计和多元敏感数学模型的煤矿用机电设备安全管理系统，通过数学统计理论对安全事故发生率进行预测评估。

然而，目前还没有能源铝板带设备安全管理系统的相关研究。如前所述，能源铝板带生产制造工艺复杂，需要使用大量不同类型的设备，出现安全风险的环节众多。因此，本文开展能源铝板带设备数字化安全管理系统研究与设计，提出该系统的功能需求、实施方案和功能设计，将有助于提高能源铝板带企业的安全管理水平。

1 安全管理系统需求分析与实施方案

1.1 安全管理系统的需求分析

随着社会经济水平与科学技术的不断发展，以及人口、资源、环境等约束的不断强化，制造业需要更高效、更自主、更精准的生产，传统制造模式已不能满足日益复杂的竞争环境。当前，制造业正面临着智能化的机遇和挑战，对制造业高效、安全、稳定生产的要求不断提高，企业对机械设备的安全管理也越来越重视，这对机械设备的智能化、安全管理的系统化、数字化提出了更高的要求。但是，大部分企业以往在生产车间建设过程中，对信息化、数字化、安全管理等方面考虑不足，这给后续的设备数字化安全管理系统建设带来诸多困难。因此，对于已有车间的设备安全管理系统改造，或对新车间的安全管理系统规划，必须充分考虑实际建设条件，从顶层进行规划，开展详细的需求分析与功能设计，实现安全投入成本和经济效益的最佳配置。

能源铝板带企业的设备安全管理系统应包含以下功能需求：

1.1.1 设备生产信息实时采集

能源铝板带生产作为传统制造业，企业在引进机械设备过程中，主要关注的是设备功能、精度及能耗等指标，对设备相关配套能力考虑不足，如是否提供对信息环境的支撑，是否具备数据采集与存储功能等，导致机械设备主要单机运行，难以将生产过程中生成的数据进行采集、存储及分析。

因此，需要对能源铝板带生产的相关机械设备进行数字化改造，布置不同类型的传感器对设备生产运行过程数据进行采集，为后续的安全评估与决策提供数据基础。

1.1.2 生产过程监控与评估

能源铝板带生产中机械设备运行过程信息的准确性和一致性，直接关系到生产作业的安全性以及最终产品的质量。

因此，为确保能源铝板带生产过程处于受控状态，必须对直接或间接影响产品质量和安全的相关数据进行实时监控。一旦设备出现异常状态，系统需及时识别到相关数据的变化，并进行报警信息提示和紧急处置。如图1所示，对于循环风机，通过对生产时主机频率和电流数据的采集来判断风机是否处于正常工作状态，若运行数据异常，作业人员必须立即进行检查和处理，以避免风机排气不畅而导致燃烧爆炸。

图1：循环风机主机数据采集

1.1.3 故障诊断

能源铝板带生产设备（如铝材退火炉组、热轧机电控系统等）是典型的机电液一体化产品。其结构与工作原理非常复杂，并且由于长时间在高温高压的环境下工作，性能衰退规律各异，表现出的故障也是多种多样，既有因设备硬件缺陷和性能恶化所引起的，也有因系统软件及外在环境所引起的，还有因操作不当所引起的故障。这些故障相互交织影响，给维修人员的正确诊断带来极大困难。

因此，系统应该具备故障诊断功能，能够根据采集到的设备数据及异常表现快速诊断故障发生的原因、预测可能出现的故障及变化趋势，并最终给出适合的处理方案。

1.1.4 维修操作指导

维修维护是确保能源铝板带生产设备安全稳定运行的重要工作，传统的纸质维修操作手册利用二维图纸和文字来描述维修工作，维修人员难以理解维修过程且纸质文档难以保存，严重影响维修维护工作的正常进行，不仅会延长设备停机时间，还增加了安全隐患。

因此，系统应该具备数字化的维修操作指导功能，维修人员通过三维可视化模型和动画，直观理解设备的工作原理和维修步骤，可极大提高维修维护工作的效率和准确性。

1.1.5 设备维护履历

能源铝板带生产中主要机械设备的使用寿命长达数十年，在使用过程中，机械设备会历经大小多达几十次的维修维护工作，涉及维修保养、更换和改造等过程，如冷轧机维修，电机与电线等零部件更换，热轧机乳液润滑系统优化改造。

因此，系统应具备设备维护履历功能，详细记录每一次的维修维护内容，相关信息将有助于未来的备件采购、维修时间预测和故障诊断等。如图2 所示，为保证进出炉膛或站在炉门下的维修人员的安全以及保障进出料动作的正常完成，炉门升降机上配备有2 个气动安全销，若安全销失效会导致设备停机并对维修人员带来生命危险。为保证气动安全销的正常工作，需定期进行检查和更换，而通过设备维护履历，维修人员可以快速查看下次维修时间和备件到货信息。

图2：炉门升降机示意图

1.1.6 系统功能扩展

为了满足日益激烈的市场竞争环境以及持续变化的客户需求，能源铝板带生产企业需及时对制造工艺进行调整，因而会将部分机械设备进行升级和更换，而安全管理系统应能支持上述变化。

因此，系统应具备扩展功能，能够对系统中的相关功能模块进行扩展，如支持新设备数据接口的增加、设备故障模型的输入，以满足新设备、新工艺下的安全管理需求。

1.1.7 基础应用功能

为了满足操作人员的日常使用，系统应具备相应的基础应用功能，如用户管理功能、数据库管理功能、网络管理功能、设备接口管理功能等。

1.2 安全管理系统的实施方案

针对目前能源铝板带设备安全管理中存在的问题，本文借助数字化手段开展安全管理系统研究与设计，在完成数字化安全管理系统建设后，将有效保障机械设备安全稳定运行，减少安全隐患，延长设备的使用寿命，并提高企业经济效益，其技术路线如图3 所示。

图3：技术路线图

首先，针对面临的安全管理问题，对能源铝板带生产现场进行调研，梳理能源铝板带制造工艺流程，明确主要机械设备的功能、主要参数、生产过程中的主要安全风险，以及安全管理相关的知识经验与历史数据。然后，结合实际生产条件制定数字化安全管理系统设计方案，主要包括三个方面的内容：设备数据采集与状态监控、故障诊断与维修操作指导、数据综合处理与风险预警；其中，后者是前两者的基础，即数据综合处理与风险预警模块能够将搜集到的设备实时运行数据与已有存储信息进行结合，并通过数据的综合分析对出现的故障及潜在风险进行诊断及预警。最后，开展数字化安全管理系统的集成与应用，并根据实际应用情况对已有设计方案进行调整优化。

2 安全管理系统功能设计

2.1 安全管理系统的主要功能

根据对能源铝板带设备安全管理系统的需求分析，对安全管理系统的三个主要功能设计如下：

2.1.1 设备数据采集与状态监控

分析能源铝板带机械设备的组成结构、功能特点、主要参数，以及对产品质量及生产安全的影响后，确定需要获取的主要生产运行数据。对于信息化程度较高的机械设备，本身已具备大量数据采集装置，直接将信息传入安全管理系统即可，如退火炉控制系统能实时采集炉中温度、工艺参数、设备运行状态等信息。而对于部分信息化程度较低的机械设备，需要安装相应传感器后才能获取设备的运行数据。

在此基础上，如图4 所示，构建车间级局域网络，将网络节点连接至设备的各个传感器，通过OPC 服务实现设备信息的实时采集与传输；构建设备监控模块，基于采集到的数据实时显示设备的运行数据、加工效率及健康状态等信息。

图4：生产现场数据采集与监控

2.1.2 故障诊断与维修指导

如图5 所示，基于故障诊断理论与已有的故障历史数据，建立能源铝板带机械设备及主要功能部件的故障类型库，故障诊断专家知识库和历史数据库。通过故障树构建与推理方法，快速诊断发生故障的零部件位置和原因并推送维修方案。在维修操作指导模块中，通过三维可视化方式向作业人员展示维修操作方案，包括设备的拆装顺序、使用工具和注意事项等。

图5：设备故障诊断与预测

2.1.3 数据综合处理与风险预警

如图6 所示，数据综合处理与风险预警模块是前两部分功能的后台，数字化安全管理系统中的所有数据信息都存储于该模块中。通过对采集到的数据进行综合分析，确定故障和风险并提出实时预警信息。

图6：数据综合处理与风险预警

2.2 主要功能的界面设计

基于上述研究，对安全管理系统的主要功能界面进行设计，本节对其中的部分界面进行介绍。如图7 所示，用户登录系统后，在界面左侧导航栏中可以选择进入安全管理系统的不同功能模块。当点击“设备运行状态”模块时，界面右侧将弹出相应界面，用户在设备列表中选择需要查看的设备，界面将自动切换显示该设备的运行状态信息。

图7：设备运行状态界面

当点击左侧导航栏中的“故障历史数据”模块时，界面右侧会弹出能源铝板带机械设备的所有故障历史数据。用户在在该界面中可以用时间、处理人等为关键字搜索以往故障信息及处理措施。同时，界面支持对历史数据进行修改和删除，并能增加新的故障信息。