基于數(shù)據(jù)分析技術的設備管理創(chuàng)新模式淺析

姚佳明 王榮文 夏耀光 葉勝利

（浙江中煙工業(yè)有限責任公司，浙江 杭州 310024）

一、簡介

二、設備管理創(chuàng)新模式的運行框架

設備管理創(chuàng)新模式運行框架如圖1所示。通過全面、精準的在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個工藝流程全方位的監(jiān)測，結合通信技術、計算機技術、數(shù)據(jù)庫技術實時將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た仉娔X，實現(xiàn)遠程監(jiān)控及全套系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲、管理；通過描述統(tǒng)計法、相關性分析、回歸分析法等數(shù)理統(tǒng)計方法挖掘監(jiān)測數(shù)據(jù)潛在價值，形成符合系統(tǒng)運行規(guī)律的科學結論，應用于生產(chǎn)實踐，最終從優(yōu)化設備運行策略、變革設備維保方式、驅動設備創(chuàng)新改進3個方面實現(xiàn)設備過程控制能力的提升。

三、全面、精準的監(jiān)測系統(tǒng)是設備管理創(chuàng)新模式的基礎

全面的監(jiān)測系統(tǒng)包括硬件監(jiān)測系統(tǒng)和軟件監(jiān)測系統(tǒng)。硬件監(jiān)測系統(tǒng)是整套監(jiān)測系統(tǒng)的基礎，全面是指監(jiān)測系統(tǒng)應該覆蓋生產(chǎn)工藝流程的各個環(huán)節(jié)各個節(jié)點，精準則是指監(jiān)測系統(tǒng)應該作業(yè)穩(wěn)定、可靠；軟件監(jiān)測系統(tǒng)則是硬件監(jiān)測系統(tǒng)的進一步發(fā)展，是一個高度集成的系統(tǒng)，實現(xiàn)對每一臺設備的遠程控制以及每一套監(jiān)測設備反饋數(shù)據(jù)的監(jiān)控，并且結合數(shù)據(jù)庫技術可以實現(xiàn)全系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲、管理。

某煙廠污水處理站的硬件監(jiān)測系統(tǒng)包括水質(zhì)指標監(jiān)測系統(tǒng)、狀態(tài)量監(jiān)測系統(tǒng)、氣體狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、設備運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)4類，如表1所示。

硬件和軟件監(jiān)測系統(tǒng)的結合實現(xiàn)了污水處理站全方位的監(jiān)控，體現(xiàn)在3個方面：實現(xiàn)由點到面的系統(tǒng)監(jiān)測、實現(xiàn)遠程監(jiān)控、實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理。

從污水處理站的入口集水池到經(jīng)過初級處理系統(tǒng)處理后連通市政污水排放管道的中間水池，再到經(jīng)過深度處理系統(tǒng)處理后連接廠區(qū)景觀綠化用水管道的清水池，系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)都配備完善的監(jiān)測設備，比如集水池有濁度等水質(zhì)指標檢測儀、超聲波液位監(jiān)測計、水池進口和每個水泵的出口及總管處有流量監(jiān)測系統(tǒng)；監(jiān)測設備在實地得到的每一個監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)竭h程監(jiān)控電腦，一旦現(xiàn)場某個節(jié)點出現(xiàn)異常情況，技術人員可以第一時間從遠程監(jiān)控系統(tǒng)得到信息；監(jiān)測技術結合通信技術、計算機技術、數(shù)據(jù)庫技術則可以實現(xiàn)全套系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲、管理，為后續(xù)進行數(shù)據(jù)分析提供源數(shù)據(jù)。

圖1 基于數(shù)據(jù)分析技術的設備管理創(chuàng)新模式運行框架圖

表1 污水站硬件監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)計表

四、挖掘數(shù)據(jù)潛在價值是設備管理創(chuàng)新模式的關鍵

數(shù)據(jù)是設備及系統(tǒng)運行狀態(tài)的抽象表現(xiàn)形式，可以深刻地反映出設備及系統(tǒng)運行的變化趨勢及好壞，因此通過描述統(tǒng)計法、相關性分析等數(shù)理統(tǒng)計方法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析并且挖掘數(shù)據(jù)潛在價值是實現(xiàn)由監(jiān)測數(shù)據(jù)轉變?yōu)樯a(chǎn)力的關鍵。

1.基于描述統(tǒng)計法的運行規(guī)律總結

描述統(tǒng)計法是通過數(shù)學方法對數(shù)據(jù)進行整理、分析，并對數(shù)據(jù)的分布狀態(tài)等信息進行描述的方法，采用描述統(tǒng)計法對記錄全套系統(tǒng)的歷史運行特性的完整數(shù)據(jù)進行分析可以得到系統(tǒng)運行的規(guī)律特性。

如果采用傳統(tǒng)的作業(yè)方式進行工作，需要對該局10kV尹地線進行停電，會影響到很大部分用戶的正常供電，并且此時節(jié)正值元謀蔬菜收購的最佳時節(jié)，如果大面積停電將會影響到蔬菜的收購和保鮮，直接影響到廣大農(nóng)民群眾的經(jīng)濟利益。此次帶電作業(yè)不僅沒有停電，并且很大程度的提高元謀供電局帶電作業(yè)的水平，保證了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的供電可靠率和電壓合格率。實現(xiàn)由“停電檢修”向“能帶電、不停電檢修”方式的轉變，實現(xiàn)了“不停電才是最好的服務”目標。對提升客戶滿意度做出了實實在在的努力。

通過采集每日集水池入口處的流量計監(jiān)測數(shù)據(jù)得到圖2所示的每日污水處理量的統(tǒng)計曲線圖，通過描述統(tǒng)計法總結得到如下運行規(guī)律：

圖2 污水每日處理量統(tǒng)計圖

①日均污水處理量約為T=1135t，最大污水處理量為Qmax=2064t，最小污水處理量為Qmin=233t；②由于停產(chǎn)，周末污水處理量維持在700t/d以下；③日均污水處理量處于1000～1200t范圍內(nèi)的最多，占比22%。

在總結歷史運行規(guī)律的基礎上，從當前運行數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的對比中，可以發(fā)現(xiàn)異常情況，找到問題根源的可能。

圖3 污水每日處理量統(tǒng)計圖

圖3所示的是中間水池水質(zhì)COD曲線圖，階段Ⅰ的檢測數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，保持在22～25mg/L的微小波動范圍，階段ⅡCOD數(shù)據(jù)呈現(xiàn)逐步上升的趨勢，階段Ⅲ檢測數(shù)據(jù)再次達到穩(wěn)定，波動更小，基本保持在42mg/L不變，此時的檢測數(shù)據(jù)已不能反映真實情況，在進水水質(zhì)基本不變、加藥量和加藥濃度基本穩(wěn)定、處理設備正常運行的前提下，引起這一問題的最大可能性是檢測探頭表面有雜質(zhì)粘附，影響了正常工作。

2.基于相關性分析的最佳方案確定

相關性分析是指對兩個或多個變量進行分析，從而衡量變量間的相關密切程度。

圖4所示的是多次試驗后得到的PAC投加量對COD影響的曲線圖。由圖4可知，PAC的投加量由0.5mg/L遞增到2.0mg/L的過程中，COD由48.2mg/L減小到22.0mg/L；當PAC的投加量大于2.2mg/L時，COD值又有一定程度的上升，但上升有限。從實驗結果看，PAC投加量控制在1.8～2.0mg/L對控制COD有較好的效果。

圖4 PAC投加量和COD相互關系曲線圖

3.基于時間序列分析的發(fā)展趨勢預測

時間序列分析是研究觀測到的時間序列數(shù)據(jù)所遵從的統(tǒng)計規(guī)律的數(shù)理統(tǒng)計方法。通過時間序列分析來預測發(fā)展趨勢，可以讓技術人員提前做出更加合理、科學的決定。

污水處理站PAC藥品的采購需要預測發(fā)展趨勢：實際應用中，PAC的加藥量和污水處理量存在一定的比例關系，因此最科學有效的做法是預測一段時間內(nèi)的污水處理量來確定藥品消耗量，進而確定最低儲藥量、最高儲藥量、采購量等。

在圖2所示的污水處理量統(tǒng)計圖中，進一步分析挖掘可以得到一些統(tǒng)計規(guī)律（表2）。

表2 污水處理量統(tǒng)計表

根據(jù)表2的統(tǒng)計結果，可以大致預測下一季度的污水最大處理量Qmax、最小處理量Qmin、平均處理量Qp，根據(jù)加藥量和污水量的比例關系確定最大消耗量Tmax、最小消耗量Tmin、平均消耗量Tp，進而確定最大采購量Gmax、最小采購量Gmin、平均采購量Gp。

上述通過描述統(tǒng)計法、相關性分析、時間序列分析等數(shù)理統(tǒng)計方法對數(shù)據(jù)分析都只是應用了最基本、比較簡單的數(shù)據(jù)處理工具，如果進行深層次的挖掘，需要用到曲線擬合、參數(shù)估計等工具，在此不再贅述。

五、提升設備過程控制能力是設備管理創(chuàng)新模式的目的

采用數(shù)據(jù)分析技術挖掘反映系統(tǒng)真實運行情況的監(jiān)測數(shù)據(jù)的潛在價值，形成符合系統(tǒng)運行規(guī)律的科學結論，并將科學結論應用于生產(chǎn)實踐以提升設備過程控制能力是設備管理創(chuàng)新模式的目的。提升設備過程控制能力主要體現(xiàn)在以下3個方面。

1.優(yōu)化設備運行策略

建立在監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎之上提煉的科學結論提供給技術人員合理應用設備的科學依據(jù)，實現(xiàn)設備或者系統(tǒng)效率最大化、能源利用率最大化。

通過歷史數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)規(guī)律：夏季月份的中水消耗量較大，相應地自來水的補水量也較大，白天正常的污水處理速度已很難滿足消耗速度的需求。因此，科學的應對措施是：夜班在中水停用的情況下，將整套污水處理系統(tǒng)由末端至前端的水池的水泵啟動液位提高，比如將啟動液位由2m提高到3.5m，起到蓄存水量的作用；白天在中水使用的情況下，降低水泵的啟動液位，由3.5m降低到2m，及時補充末端中水消耗。合理設定水泵的啟停控制液位就是在準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎之上，通過數(shù)據(jù)分析得到的降低自來水補水量的科學運行策略。

2.變革設備維保方式

目前，普遍采用的是具有計劃性質(zhì)的周期性預防維修保養(yǎng)，其的缺陷是：每次的維修保養(yǎng)任務重、時間緊；為了充分保障設備的正常運行，往往零部件的運行時間遠遠低于其使用壽命。

現(xiàn)代監(jiān)測技術的發(fā)展及數(shù)據(jù)分析技術的深入應用為維修保養(yǎng)方式的變革提供了科技力量，技術人員可以通過監(jiān)測技術直接或者間接地跟蹤設備的運行狀況，通過數(shù)據(jù)分析技術分析數(shù)據(jù)的變化趨勢，預測可能的發(fā)展方向。比如可通過入口、出口處壓力差的變化趨勢來判斷盤式過濾器是否有堵塞現(xiàn)象，表3是解決盤式過濾器濾芯定期堵塞的3種維修方法的對比情況。從表3中可知，預測維修相比預防維修和事后維修在經(jīng)濟成本、時間成本上均具有一定的優(yōu)勢。

由此案例可以得出：對于盤式過濾器濾芯的清洗或者更換是一個基于精準的監(jiān)測技術基礎上準確的數(shù)據(jù)分析而做出的具有預測性質(zhì)的維修保養(yǎng)工作。這種維修保養(yǎng)工作避免了計劃性周期保養(yǎng)工作的弊端：由于進水水質(zhì)及前端水處理設備的不同情況會導致進入盤式過濾器的水質(zhì)不同，因此不同時間段盤式過濾器的正常運行時間及使用壽命本身就不同，具有計劃性的維護保養(yǎng)工作必定會造成過剩維修或事后維修。

3.驅動設備創(chuàng)新改進

在上文提到的COD上升的例子中，技術人員對比歷史運行規(guī)律，發(fā)現(xiàn)異常情況，并推測引起COD檢測數(shù)據(jù)上升的最大可能性是檢測探頭表面有雜質(zhì)粘附，經(jīng)過手動清洗探頭后，檢測數(shù)據(jù)恢復到22mg/L左右波動。通過前、后數(shù)據(jù)曲線圖的對比可以確定：COD檢測數(shù)據(jù)的上升是因為探頭表面粘附雜質(zhì)引起的這一推斷的正確性。

為了解決這一問題，技術人員采用自動壓縮空氣每隔兩天清洗一次檢測探頭，整個實驗過程中，中間水池COD檢測數(shù)據(jù)始終處于20～25mg/L的范圍，并沒有出現(xiàn)由于外界因素的影響導致檢測數(shù)據(jù)不斷上升的現(xiàn)象，表明壓縮空氣探頭清洗法是成功的。從這一案例中可以得到如下結論：由于監(jiān)測數(shù)據(jù)的異常變化引起了技術人員的注意，推測發(fā)生這一問題的可能性，在實驗數(shù)據(jù)的對比中確認了這個可能性，并找到了解決問題的措施，為創(chuàng)新改進提供了科學依據(jù)，在創(chuàng)新前后的數(shù)據(jù)對比中驗證了科技創(chuàng)新的成功。

六、結語

①全面、精準的監(jiān)測系統(tǒng)是設備管理創(chuàng)新模式的基礎；②挖掘數(shù)據(jù)潛在價值是設備管理創(chuàng)新模式的關鍵；③提升設備過程控制能力是設備管理創(chuàng)新模式的目的。應用數(shù)據(jù)分析技術挖掘基于完善、精準監(jiān)測系統(tǒng)基礎上的監(jiān)測數(shù)據(jù)，形成科學結論應用于生產(chǎn)實踐，實現(xiàn)優(yōu)化設備運行策略、變革設備維保方式、驅動設備創(chuàng)新改進的目的，結合水泵啟停控制液位的科學設定、盤式過濾器濾芯定期堵塞問題的解決、水質(zhì)檢測車探頭清洗裝置的研發(fā)等實例驗證了該管理模式的可行性、有效性、正確性。

表3 3種維修方式對比表

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