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實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)在集裝箱起重機(jī)運(yùn)行維護(hù)中的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間：2022-05-28 09:44:00 點(diǎn)擊：    

起重電機(jī)專業(yè)生產(chǎn)廠家無錫宏達(dá)2022年5月28日訊 集裝箱起重機(jī)傳統(tǒng)的“定期保養(yǎng)，事后維修”運(yùn)維模式[1] 主要存在的問題有：1) 紙質(zhì)流程較多，卻很難充分利用歷史數(shù)據(jù)，不能及時(shí)判斷設(shè)備的運(yùn)行狀況；2) 缺乏專業(yè)工具，依靠人的感官進(jìn)行巡檢，巡檢工作量與檢測(cè)效果不成正比；3) 采用計(jì)劃停機(jī)維修和事后維修的模式，經(jīng)常存在過度檢修和欠維修的問題；4) 整機(jī)可靠性差、安全隱患多、停機(jī)待修時(shí)間長，嚴(yán)重影響了裝卸效率和整機(jī)工作潛力的發(fā)揮。因此，集裝箱起重機(jī)起重電機(jī)、滑輪、車輪等易損件預(yù)測(cè)性運(yùn)維解決方案具有廣泛潛在的市場需求。

     近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)的長足發(fā)展，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)歷經(jīng)更迭，已經(jīng)初步具備了解決上述問題的能力[2,3]，并朝著監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)集成化方向不斷取得新的突破。利用傳感器采集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)人工智能算法賦能的監(jiān)測(cè)平臺(tái)可對(duì)集裝箱起重機(jī)裝備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，結(jié)合現(xiàn)有的轉(zhuǎn)運(yùn)計(jì)劃配置為集裝箱起重機(jī)柔性檢修計(jì)劃的制定提供決策依據(jù)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)在軍工、電力、軌道交通、環(huán)保等領(lǐng)域相繼落地[4-7]，雖然仍面臨一定挑戰(zhàn)，但其在裝備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的推廣已成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。

著眼行業(yè)發(fā)展的迫切需求，對(duì)集裝箱起重機(jī)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的可行性進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，利用智聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域前沿發(fā)展成果，助力行業(yè)數(shù)字化、信息化、智能化的發(fā)展進(jìn)程。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，遠(yuǎn)程監(jiān)控點(diǎn)采集集裝箱起重機(jī)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)并與邊緣計(jì)算設(shè)備或監(jiān)控中心進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，代替人工巡檢監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行效能。設(shè)備歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)應(yīng)能留存，以便建立裝備運(yùn)行日志及狀態(tài)判別式模型的訓(xùn)練、部署及持續(xù)優(yōu)化。

傳感器的選擇和安裝應(yīng)充分考慮集裝箱起重機(jī)設(shè)備工作特點(diǎn)、部件協(xié)同傳動(dòng)原理及傳感器組件物理特性，才能穩(wěn)定、有效地監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，還要兼顧不同類型傳感器對(duì)設(shè)備服役工況耐受能力以及工作原理差異性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)負(fù)載均衡的影響。

對(duì)于監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)留存的特定時(shí)長的系統(tǒng)運(yùn)行日志數(shù)據(jù)及異常警告信息，普通用戶只能瀏覽實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或特定時(shí)長的歷史日志，具有規(guī)定等級(jí)權(quán)限的用戶才能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)維護(hù)管理。

除了實(shí)時(shí)收集設(shè)備狀態(tài)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，還要求實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)對(duì)設(shè)備運(yùn)行健康狀態(tài)進(jìn)行模式識(shí)別，為柔性檢修維護(hù)計(jì)劃的制定提供決策依據(jù)。

如圖1 所示，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體框架分為邊緣、平臺(tái)和應(yīng)用三層。邊緣層采集港口設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)經(jīng)邊緣計(jì)算設(shè)備處理后傳回控制中心；作為監(jiān)控系統(tǒng)的神經(jīng)中樞。平臺(tái)層結(jié)合具體的數(shù)據(jù)處理要求，對(duì)應(yīng)用場景進(jìn)行數(shù)字化建模，基于不同數(shù)據(jù)層級(jí)之間的邏輯關(guān)聯(lián)性借助機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等智能技術(shù)探索內(nèi)在函數(shù)映射關(guān)系，從而對(duì)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行一體化分析[8]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)資源深度整合和信息挖掘，為實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)高效準(zhǔn)確的分析與管控奠定基礎(chǔ)；借助提前建立的關(guān)于檢修維護(hù)的知識(shí)圖譜，應(yīng)用層可結(jié)合具體的現(xiàn)有作業(yè)、管理?xiàng)l件通過設(shè)備的保養(yǎng)管理給出合理的指導(dǎo)建議。

文中所述實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)通過安裝在起重電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸附近的震動(dòng)、溫度等預(yù)選傳感器采集集裝箱起重機(jī)設(shè)備的車輪和滑輪運(yùn)行數(shù)據(jù)后，上傳至安裝在控制室內(nèi)的邊緣計(jì)算設(shè)備以進(jìn)行預(yù)處理、分析、存儲(chǔ)，并將這些數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式上傳至企業(yè)監(jiān)測(cè)云平臺(tái)。利用人工智能技術(shù)賦能平臺(tái)對(duì)起重設(shè)備及車輪滑輪的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)或提前發(fā)現(xiàn)運(yùn)行異常，并提前安排檢修或更換計(jì)劃，可有效減少車輪和滑輪事故帶來的計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間，提高設(shè)備利用率，降低運(yùn)行維護(hù)成本。

對(duì)于常態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，數(shù)據(jù)的采集和傳輸是關(guān)鍵的基建問題。本文涉及的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)主要通過轉(zhuǎn)動(dòng)軸的振動(dòng)信息判斷起重電機(jī)及車、滑輪等部件運(yùn)行過程中的健康狀況，傳感器主要安裝起重電機(jī)、從動(dòng)軸附近位置。

遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸模塊一般包括子網(wǎng)和骨干網(wǎng)兩個(gè)部分[9]，單位監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)匯聚組成子網(wǎng)，傳感器將信號(hào)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)子站后按照既定協(xié)議然后傳回監(jiān)控中心的信號(hào)線路稱為骨干網(wǎng)。對(duì)于子網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸而言，有線無線傳輸方案均有相對(duì)優(yōu)勢(shì)。對(duì)于骨干網(wǎng)而言，有線傳輸方案不僅線路架設(shè)成本高，通信線纜及信號(hào)傳輸設(shè)備還容易受到自然災(zāi)害破壞；而無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸只需要架設(shè)天線，不僅提高了系統(tǒng)安全系數(shù)，還提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，降低了系統(tǒng)維護(hù)難度。隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，利用GPRS、4G網(wǎng)絡(luò)所提供的公共平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕鉀Q方案也越來也越顯現(xiàn)出競爭力[10,11]。本文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器采集運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)按照約定格式通過支持Modbus 協(xié)議的RS-485 總線接口傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)子站，再通過支持4G 無線通信終端傳回?cái)?shù)據(jù)處理中心的云計(jì)算平臺(tái)。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)能極大縮短故障檢測(cè)與維修時(shí)間，增加設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)長，從而提高設(shè)備運(yùn)行效率。故障檢測(cè)在機(jī)床、電機(jī)、大型電站等機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域已經(jīng)有了較為廣泛的應(yīng)用[12-14]，從傳感器硬件到故障檢測(cè)分析算法都積累了經(jīng)驗(yàn)。集裝箱起重機(jī)電機(jī)及車滑輪等制、傳動(dòng)部件故障的萌生和擴(kuò)展，會(huì)實(shí)時(shí)體現(xiàn)在時(shí)域信號(hào)的幅值和概率分布及頻譜圖的能量譜峰分布等參數(shù)信息中，保障了系統(tǒng)預(yù)測(cè)性診斷維護(hù)的可行性。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中預(yù)選溫度、震動(dòng)傳感器將采集到的設(shè)備運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)在邊緣計(jì)算設(shè)備濾波、解調(diào)后，經(jīng)FFT處理或計(jì)算峭度后傳輸?shù)奖O(jiān)控中心進(jìn)行存儲(chǔ)、分析，監(jiān)控中心從原始或預(yù)處理后振動(dòng)信號(hào)時(shí)域和頻域提取能夠表征設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的特征集用于判斷設(shè)備運(yùn)行狀況的模式識(shí)別算法的訓(xùn)練，提供規(guī)定權(quán)限內(nèi)的運(yùn)行日志數(shù)據(jù)查詢、異常報(bào)警及故障診斷等功能并反饋檢修指導(dǎo)意見到應(yīng)用層。

給出了起重電機(jī)振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)到的一組故障數(shù)據(jù)，每組上部圖為驅(qū)動(dòng)側(cè)(MIH) 監(jiān)測(cè)波形，下部圖為從動(dòng)側(cè)波形(MOH)。電機(jī)從動(dòng)端測(cè)點(diǎn)振動(dòng)趨勢(shì)波動(dòng)較大，但整體振動(dòng)幅值較小，時(shí)域波形有沖擊峰，振動(dòng)幅值正常，包絡(luò)譜中可見7.2 Hz 頻率，此頻率接近軸承保持架損壞特征頻率；電機(jī)驅(qū)動(dòng)端(MIH) 振動(dòng)幅值正常，趨勢(shì)有間隙躍升，時(shí)域波形較平穩(wěn)，包絡(luò)譜中發(fā)現(xiàn)33.6 Hz頻率峰，接近轉(zhuǎn)子的2 倍頻率，判斷軸承保持架有磨損。

通知設(shè)備檢修人員安排在最近的設(shè)備保養(yǎng)周期的檢修結(jié)果也驗(yàn)證了分析的準(zhǔn)確性，在保證不影響生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)度的條件下，保證了設(shè)備利用率最大化。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)基于無線通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)哪K已有相對(duì)成熟的解決方案，隨著基于微內(nèi)核全場景分布式操作系統(tǒng)的面世推廣、基于高性能AI 推理芯片云服務(wù)器的上線及剪枝、量化、蒸餾學(xué)習(xí)等模型壓縮技術(shù)的長足發(fā)展，為系統(tǒng)利用更多維度數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的智能化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

除了進(jìn)一步提高故障診斷模型的準(zhǔn)確率以減少人工參與工作量，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)還要能利用更多維度傳感數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)集裝箱起重機(jī)設(shè)備運(yùn)行及現(xiàn)場工況更立體的監(jiān)控，借助預(yù)先建立的設(shè)備檢修維護(hù)的知識(shí)圖譜，并結(jié)合具體的知識(shí)庫以及既定生產(chǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)計(jì)劃對(duì)不同癥狀的故障給出具體的預(yù)測(cè)性的檢修維護(hù)建議，為實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)智能化托管奠定基礎(chǔ)。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于集裝箱起重機(jī)設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)，具有可降低維護(hù)成本、減少計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間等優(yōu)勢(shì)，在集裝箱起重機(jī)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)領(lǐng)域具有廣泛的市場前景。從長期發(fā)展趨勢(shì)來看，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將與機(jī)組設(shè)備控制系統(tǒng)有望進(jìn)一步融合，豐富系統(tǒng)在更多維度上的信息反饋能力，為實(shí)現(xiàn)集裝箱起重機(jī)真正意義上的智能化托管奠定基礎(chǔ)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)將與設(shè)備中控系統(tǒng)進(jìn)一步融合，助力港口機(jī)械行業(yè)的信息化、智能化發(fā)展進(jìn)程。