化工廠設(shè)備維修管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

＊謝頌升 鄭浩

（兗礦煤化工程有限公司 山東 273500）

引言

隨著化工行業(yè)的快速發(fā)展，化工企業(yè)設(shè)備數(shù)量和種類日益增多，設(shè)備的維修管理工作量大幅增加[1]。但是多數(shù)化工企業(yè)的設(shè)備維修管理仍處于傳統(tǒng)的以人工管理和紙質(zhì)文檔為主的狀態(tài)，維修管理效率較低。為提高設(shè)備的可利用率和使用壽命，降低維修成本，建立自動(dòng)化的設(shè)備維修管理系統(tǒng)勢在必行。本文首先分析當(dāng)前化工企業(yè)設(shè)備維修管理存在的主要問題，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一套面向中小型化工企業(yè)的設(shè)備維修管理系統(tǒng)，并給出該系統(tǒng)的具體開發(fā)與實(shí)踐情況。該系統(tǒng)應(yīng)用可以提升化工企業(yè)的設(shè)備維修管理水平，為其他中小型化工企業(yè)的建立提供參考。

1.化工廠設(shè)備維修管理現(xiàn)狀

我國的化工行業(yè)發(fā)展迅猛，隨著生產(chǎn)規(guī)模和工藝復(fù)雜程度的提高，設(shè)備數(shù)量和種類急劇增加[2]。到2020年底，我國共有成品油董事會(huì)會(huì)員企業(yè)150家，生產(chǎn)裝置總數(shù)4639個(gè)，并持續(xù)增長。以丙烯設(shè)備為例，單套丙烯裝置設(shè)備數(shù)量可達(dá)4000多個(gè)，其中包括70萬馬力的大型壓縮機(jī)、成套的熱交換器和200m高的蒸餾塔等，除此之外還有熱電聯(lián)產(chǎn)等配套設(shè)備。這些建設(shè)投資數(shù)以十億計(jì)的化工裝置和機(jī)械設(shè)備，對其的維護(hù)保養(yǎng)尤為重要。然而大多數(shù)中小型化工企業(yè)的設(shè)備維修管理仍處于傳統(tǒng)的人工定期檢查和紙質(zhì)文件記錄的狀態(tài)，采用定期保養(yǎng)和事后維修的被動(dòng)維護(hù)方式。這種維修模式下，企業(yè)往往難以及時(shí)了解設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)，也不能根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)制定適用的維修策略，導(dǎo)致保養(yǎng)次數(shù)過少或過多的問題。同時(shí)基于人工巡檢難以保證全面性和時(shí)效性，不能有針對性地進(jìn)行預(yù)防性維修，造成設(shè)備提前報(bào)廢或意外故障造成的損失[3]。這不僅降低了設(shè)備的可利用率與使用壽命，也增加了企業(yè)的人工成本與維修費(fèi)用，不能很好地針對性地提供維修服務(wù)。

2.化工廠設(shè)備維修管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到中小型化工企業(yè)的實(shí)際情況，本系統(tǒng)采用B/S模式和C/S模式混合的架構(gòu)設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)既可以利用瀏覽器訪問，也可以在本地環(huán)境使用，提高系統(tǒng)的易用性。系統(tǒng)物理架構(gòu)分為數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和表示層三個(gè)層次。數(shù)據(jù)層主要包括關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和各類數(shù)據(jù)采集設(shè)備。數(shù)據(jù)庫選用MySQL作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工具。數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括各類智能傳感器、PLC控制器、DCS系統(tǒng)，用以提取化工裝置的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。應(yīng)用層是系統(tǒng)的核心，由應(yīng)用服務(wù)器和各類功能模塊組成[4-5]。應(yīng)用服務(wù)器采用Tomcat，承載設(shè)備監(jiān)控、狀態(tài)評估、維修管理等功能模塊。設(shè)備監(jiān)控模塊對接數(shù)據(jù)采集層，獲取包括壓力、溫度、流量在內(nèi)的多種實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)并可視化展示，實(shí)現(xiàn)對關(guān)鍵設(shè)備的24h不間斷監(jiān)測。狀態(tài)評估模塊結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，基于歷史數(shù)據(jù)建立設(shè)備健康預(yù)測模型，實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備健康狀態(tài)。維修管理模塊涵蓋保養(yǎng)計(jì)劃制定、任務(wù)下發(fā)、備件管理等子功能。表示層由瀏覽器和移動(dòng)APP組成，基于RESTful接口與應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，為用戶提供人機(jī)交互界面。運(yùn)維人員和管理人員可以隨時(shí)查看設(shè)備運(yùn)行情況，并制定維修計(jì)劃，維修人員可以通過移動(dòng)APP接收并確認(rèn)維修任務(wù)。

(2)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

考慮到設(shè)備、備件、維修作業(yè)等多種數(shù)據(jù)類型的存儲(chǔ)需求，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL。數(shù)據(jù)庫主要包括6個(gè)二級表，即維修任務(wù)表、設(shè)備表、備件表、保養(yǎng)計(jì)劃表、點(diǎn)檢標(biāo)準(zhǔn)表和綜合事件表。其中核心表為設(shè)備表，其設(shè)備編碼字段與其他表建立外鍵關(guān)聯(lián)。設(shè)備表存儲(chǔ)所有設(shè)備的基本信息和出廠參數(shù)，如設(shè)備名稱、型號、制造商、出廠編號、安裝日期等；出廠參數(shù)字段存儲(chǔ)設(shè)備的額定參數(shù)，如公稱功率、轉(zhuǎn)速、壓力等。點(diǎn)檢標(biāo)準(zhǔn)表詳細(xì)規(guī)定不同類型設(shè)備的點(diǎn)檢項(xiàng)目、周期及標(biāo)準(zhǔn)，如螺桿壓縮機(jī)的機(jī)械清洗頻率為兩個(gè)月一次。維修任務(wù)表動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)所有未完成和已完成的維修保養(yǎng)工作，字段包括任務(wù)創(chuàng)建時(shí)間、派工時(shí)間、任務(wù)接收確認(rèn)時(shí)間、實(shí)際完成時(shí)間等，可評估維修響應(yīng)效率。備件表存儲(chǔ)所有可能涉及的備件信息，如型號、庫存余額等。綜合事件表接收數(shù)據(jù)采集層傳來的各類事件，如設(shè)備報(bào)警、超溫等，作為評估設(shè)備健康狀態(tài)的依據(jù)。保養(yǎng)計(jì)劃表存放通過狀態(tài)評估模塊生成的各類保養(yǎng)建議計(jì)劃，保證設(shè)備的持續(xù)正常運(yùn)行。

(3)主要模塊設(shè)計(jì)

①設(shè)備監(jiān)控模塊

該模塊針對壓縮機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行指標(biāo)進(jìn)行全面采集，其中包括壓力（支持0.1/0.2級精確度，誤差范圍±0.1% FSO）、溫度（采用帶有64位ROM的智能型溫傳感器，精確度達(dá)0.1℃）、流量（通過渦街流量計(jì)實(shí)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)1∶150）、軸承振動(dòng)（利用ICP加速度傳感器，頻率響應(yīng)范圍介于0.4Hz至20kHz）。信號采集卡選用的是東軟公司生產(chǎn)的DR-8型號，具備24位的ADC分辨率和最高102.4kHz的采樣頻率。

此外，該模塊支持HART、FF以太網(wǎng)和無線HART通訊協(xié)議，能夠與支持FDT/DTM技術(shù)的智能儀表無縫集成，共同構(gòu)建靈活高效的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，Web客戶端提供了直觀的在線監(jiān)控功能和豐富的可視化展示，大幅提升了監(jiān)控效率和數(shù)據(jù)可讀性。

②狀態(tài)評估模塊

該模塊融合了多項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)模型，包括符合GB標(biāo)準(zhǔn)的壓縮機(jī)健康評估模型、基于長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）的數(shù)字雙生預(yù)測模型、結(jié)合卡爾曼濾波（KF）與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）的兩階濾波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以及超高頻（UHF）部分放電檢測模型。

GB模型是根據(jù)我國壓縮機(jī)行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮溫度、SD參數(shù)等多個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，來綜合評估設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命和健康狀況。數(shù)字雙生模型則通過MQTT協(xié)議高效采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并結(jié)合物理特性構(gòu)建的數(shù)字鏡像，運(yùn)用深度學(xué)習(xí)技術(shù)來預(yù)測故障模式和設(shè)備性能變化。KF-CNN模型專注于在線監(jiān)測氣缸內(nèi)部損耗情況，通過預(yù)測裂紋長度和剩余使用時(shí)間，為維護(hù)決策提供科學(xué)依據(jù)。UHF模型則專注于檢測電機(jī)定子和端鐵間的放電狀況，以此來評估絕緣系統(tǒng)的損耗程度，確保電機(jī)運(yùn)行的安全性和可靠性。這些模型的集成應(yīng)用，不僅提升了設(shè)備的智能化管理水平，也為壓縮機(jī)的故障預(yù)測和健康管理提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

③維修管理模塊

該模塊利用OPC UA提供的信息模型描述數(shù)據(jù)語義，與MES系統(tǒng)集成，構(gòu)建CIM層次模型描述備件特征參數(shù)。同時(shí)支持oneM2M標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)備件的RFID自動(dòng)識(shí)別和定位查詢。配件按七大類劃分：關(guān)鍵軸承（Rexnord ZA-2115型）、密封件（閥門芯卡環(huán)）、管道（1Cr18Ni9）、法蘭盤、過濾器、SM彈簧等。采用PLC（Programmable Logic Controller）控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的備件出入庫管理，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控備件庫存，評估設(shè)備健康狀態(tài)，平衡存量開支。

3.系統(tǒng)實(shí)踐與應(yīng)用

(1)系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用Java語言基于Spring Boot框架進(jìn)行開發(fā)，數(shù)據(jù)庫選用MySQL。系統(tǒng)物理架構(gòu)分為數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、表示層。數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)采集模塊選用Siemens的S7-1500 PLC和迅達(dá)公司的DH218E型智能溫度變送器采集壓縮機(jī)機(jī)組的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)。采用OPC UA工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，上傳周期1s，上傳數(shù)據(jù)包括壓力、溫度、液位等20余項(xiàng)參數(shù)。應(yīng)用層服務(wù)器為Dell R730型號，雙Xeon E5-2620 v3六核CPU，64GB內(nèi)存。操作系統(tǒng)為Windows Server 2016，集成JDK 1.8、Tomcat 8.5、Spring Boot 2.1等開發(fā)運(yùn)行環(huán)境。系統(tǒng)功能模塊使用Spring Boot框架開發(fā)，Mybatis Plus框架實(shí)現(xiàn)對象關(guān)系映射，連接MySQL 8.0數(shù)據(jù)庫，使用Druid連接池。表示層使用Vue.js框架，Element-UI組件實(shí)現(xiàn)界面快速構(gòu)建。系統(tǒng)主要功能模塊包括實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)警提示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、狀態(tài)評估管理、保養(yǎng)計(jì)劃制定等。實(shí)施敏捷開發(fā)，采用Jenkins、SVN、SonarQube等工具進(jìn)行持續(xù)集成。使用JMeter壓力測試工具進(jìn)行全面的功能測試和壓力測試。

關(guān)鍵設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控頁面集成實(shí)時(shí)狀態(tài)信息和歷史趨勢曲線顯示，能多屏對比顯示，支持異常預(yù)警和報(bào)警事件記錄查詢。狀態(tài)評估模塊基于TensorFlow框架建立LSTM模型，評估壓縮機(jī)健康狀態(tài)并預(yù)測使用壽命。保養(yǎng)計(jì)劃制定子模塊能自定義管理保養(yǎng)流程模板，動(dòng)態(tài)調(diào)整保養(yǎng)內(nèi)容。系統(tǒng)使用分布式緩存Redis實(shí)現(xiàn)多終端信息同步共享。

(2)系統(tǒng)部署與測試

系統(tǒng)服務(wù)器部署在化工企業(yè)級的安全隔離網(wǎng)絡(luò)中，采用Cisco ASA防火墻，并連接VPN設(shè)備，保障網(wǎng)絡(luò)安全。核心交易系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器部署在IDC機(jī)房，同時(shí)設(shè)置災(zāi)備機(jī)房，服務(wù)器之間使用光纖通道連接，同步數(shù)據(jù)。通過負(fù)載均衡設(shè)備部署多個(gè)應(yīng)用服務(wù)器?？捎眉耗Ｊ讲渴鹣到y(tǒng)應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)任務(wù)自動(dòng)轉(zhuǎn)移和故障自動(dòng)切換，系統(tǒng)服務(wù)器冗余系數(shù)設(shè)定為N+1。網(wǎng)絡(luò)帶寬為200Mb/s，部署URL防護(hù)服務(wù)應(yīng)對DDoS攻擊。系統(tǒng)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集層的連接按冗余網(wǎng)絡(luò)方式部署，主系統(tǒng)與PLC通過光纖雙絞線和IE2百兆交換機(jī)連接，備用系統(tǒng)通過無線通訊模塊和自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)冗余備份。

系統(tǒng)測試包含單元測試、集成測試、功能測試、性能測試、安全測試等步驟。單元測試采用JUnit框架，完成系統(tǒng)主要模塊和服務(wù)接口的測試。集成測試覆蓋狀態(tài)評估和保養(yǎng)管理等核心功能。功能測試編寫典型業(yè)務(wù)場景用例，模擬系統(tǒng)實(shí)際使用環(huán)境下的端到端流程測試。性能測試采用JMeter對系統(tǒng)壓力場景進(jìn)行回歸測試，設(shè)置壓力測試代理服務(wù)器，最高并發(fā)請求達(dá)到5000，TPS 10000，最大響應(yīng)時(shí)間小于200ms。評估系統(tǒng)穩(wěn)定性指標(biāo)R（t）：

R（t）=用戶操作成功次數(shù)/總操作次數(shù)

網(wǎng)絡(luò)安全性測試進(jìn)行了端口掃描、SQL注入等檢測，確保系統(tǒng)沒有安全漏洞。

(3)應(yīng)用效果分析

系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用于某化工園區(qū)的丙烯生產(chǎn)線，運(yùn)行3個(gè)月以來，各項(xiàng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)指標(biāo)穩(wěn)定。為評估系統(tǒng)穩(wěn)定性，統(tǒng)計(jì)了用戶操作成功次數(shù)與總操作次數(shù)的比值R（t），詳見表1。監(jiān)測期內(nèi)，系統(tǒng)整體運(yùn)行平穩(wěn)，R（t）保持在97%以上，沒有出現(xiàn)宕機(jī)等重大故障。備健康狀態(tài)越好。系統(tǒng)應(yīng)用后，通過及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，主動(dòng)排查風(fēng)險(xiǎn)，企業(yè)級事故數(shù)量同比下降了8%。采取有針對性設(shè)備保養(yǎng)措施，提高了關(guān)鍵設(shè)備的健康系數(shù)，平均健康系數(shù)由87%上升到94%，詳見表2。

表1 系統(tǒng)穩(wěn)定性指標(biāo)R（t）統(tǒng)計(jì)表

表2 關(guān)鍵設(shè)備健康系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

此外，系統(tǒng)指數(shù)獲得準(zhǔn)確及時(shí)的質(zhì)量數(shù)據(jù)，大大節(jié)約了人力物力。應(yīng)用系統(tǒng)后人均設(shè)備產(chǎn)量提高了11%，產(chǎn)品合格率由92%上升到97%；系統(tǒng)幫助生產(chǎn)線制定精細(xì)化的設(shè)備保養(yǎng)方案，延長了設(shè)備無修停運(yùn)轉(zhuǎn)周期，保養(yǎng)成本降低13%。上述指標(biāo)驗(yàn)證了系統(tǒng)在降低事故風(fēng)險(xiǎn)、提升設(shè)備可用性、實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)等方面的顯著成效。

4.結(jié)語

本文針對目前化工企業(yè)在設(shè)備維修管理方面存在的問題，設(shè)計(jì)并實(shí)踐了一套面向中小型企業(yè)的設(shè)備維修管理系統(tǒng)，為類似的中小型化工企業(yè)建立自動(dòng)化的設(shè)備維修管理系統(tǒng)提供了有益的借鑒。后續(xù)將繼續(xù)豐富該系統(tǒng)的評估模型和維修策略，探索更多先進(jìn)技術(shù)如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生等應(yīng)用到企業(yè)設(shè)備全生命周期管理中，助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)和智能制造。