基于數字孿生的電解整流所運維系統

蔣小銘,張 斌

(沈陽鋁鎂設計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

整流所內整流設備的穩定運行關系到整個電解鋁廠的安全。為實現對整流設備狀態的感知與管控,整流所設備的運維巡檢一直是電解鋁廠的重點工作內容之一。目前,整流所的運維工作基本以人工參與為主,部分鋁廠采用了人工巡檢、視頻監控、綜合檢修等方式對整流所的設備進行人工或半人工方式管理。隨著整流所的容量和設備數量不斷增加,特別是對設備的安全運行和能源管理精細度的不斷提高,設備運維工作量大量增加。另外企業為了控制人力成本受減員增效的壓力越來越大,現場巡檢人員或遠程監管人員相對不足對鋁廠生產造成了巨大的困擾。傳統巡檢工作的自動化、信息化、智能化水平較低,目前整流所除綜合自動化系統外,各類在線監測系統由于接口規約等原因,未形成有機整體,且既有在線監測系統數量有限,整流所設備不能有效全面監控,從而導致不能對整流所及時進行維護,易出現漏檢、錯檢等現象,導致作業質量、設備壽命、人身安全等方面具有極大的隱患。

1 數字孿生技術簡介

數字孿生(Digital Twin,DT)是一個融合多學科、物理量和維度的模擬過程,兼容智能傳感器、大數據、人工智能等前沿技術。DT 技術依托數字載體,通過在虛擬空間中構建物理實體映射,實時掌握物理實體的運行情況。針對狀態評估算法中動態指標應用不足的問題,數字孿生的快速感知能力和數據全景顯示功能可以有效捕捉設備運行中的各類自檢和報警信息。為了緩解保護系統實時運行信息應用滯后的問題,數字孿生技術可以將獲得的運行信息數字化為特征量,并建立數字模型,實時掌握和預測設備狀態[1]。在對設備進行狀態分析和維修決策后,數字孿生實時雙向數據流可以傳輸設備狀態評定或維修結果,幫助數字模型進行改進。數字孿生的數據資源中心通過結果反饋進行自我完善,在運行過程中可以不斷更新故障推理知識庫,完善推理規則?！皵底株幱啊笨梢宰詣荧@取物理對象的信息,模擬實體的實時狀態,這是一個單向的過程。數字孿生可以實現實體與數字模型在虛擬空間中的雙向數據交互,虛擬模型可以將命令和信息回傳給實體,實現相互控制。在工業 4.0 的背景下開發了由數字孿生層、應用層、網絡層、數字層、通信層和物理層組成的數字孿生參考架構,并將其應用于工業。

數字孿生是工業互聯網落地的核心和關鍵,目前主要有兩類實用場景:一類是產品數字化設計,主要體現在產品生命周期管理解決方案上;二是產品使用過程的數字化,主要的服務模式是基于狀態的維護。整流所設備的設計、研發、測試及運維相對獨立。各個環節的相關問題無法從設備全生命周期的角度進行綜合管理。運維人員需要面對數據監控、網絡監控、設備監控、業務系統監控、故障診斷和修復以及其他業務場景。信息類型多,關聯關系復雜,運維信息抽象低效,“人-機-物”無法雙向合作互動,故障診斷和故障排除困難。整流所智能交互設備技術成熟度和系統集成度不高,信息平臺虛實映射交互能力不足,難以支撐整流所生產運行、安全監督管理等業務創新和智能交互。數字孿生利用物理模型、傳感器更新、運行信息歷史等,在虛擬空間完成整流所實體測繪設備,具有“全生命周期、實時、雙向”的特點,可廣泛應用于設備監測、設備檢驗、現場安全監測、虛擬業務場景,如電解鋁廠利用數字化技術升級傳統業務,提高全要素生產效率。通過建設數字化智能監控運維數字孿生應用服務組件,提高整流所全景監控顯示、故障診斷預測、安全事件預警、“人機-物料”協同交互水平[2]。

2 整流所數字孿生運維系統設計原理

基于數字孿生的整流所智能運維系統,包括通過5G無線網絡連接的整流所模組和集控站模組,集控站模組包括運維工作站、服務器和交換機;根據圖1的技術路線搭建整流所設備數字孿生體各類數據傳感監測設備。整流所模組包括信息建模模塊、主設備監控模塊、輔助設備監控模塊、立體安全管控模塊和三維虛擬巡視模塊;交換機用于將整流所模組和集控站模組的信號直接轉換交換,信息建模模塊用于生成整流所的三維模型,將三維模型反饋到服務器并在運維工作站的操作電腦上完成整流所三維孿生可視化建模,主設備監控模塊和輔助設備監控模塊用于實時的監控整流所的運行情況,將監控到的信息反饋給服務器并對應顯示在整流所三維孿生可視化模型上;立體安全管控模塊用于三維孿生可視化模型中顯示設備的帶電狀、模擬預演、邊界劃分和作業預警,為工作人員提供精準的檢修步驟指導和檢修路線指導。

圖1 整流所數字孿生體設備

信息建模模塊以基于現實物理環境精確仿真建立的三維模型為基礎,在運維工作站的操作電腦上完成整流所三維孿生可視化建模,且完成的三維孿生可視化建模支撐無插件瀏覽器快速加載三維場景,實現三維全景瀏覽和沉浸式漫游,具備設備模型監測定位及臺賬信息點擊查看功能,融合呈現設備臺賬信息及告警異常信息。

立體安全管控包括立體空間防誤拓撲與校核、操作票三維模擬預演、檢修作業邊界劃分和作業安全風險預警,立體空間防誤拓撲與校核為根據設備連接關系拓撲分析出電器設備帶電狀態,作為空間安全邊界校核的依據,并在可視化三維模型中動態著色顯示;操作票三維模擬預演基于倒閘操作票操作序列[3],自動匹配設備的三維模型及動作動畫,通過自動或單步預演操作票操作序列,在操作前基于實景對作業全過程進行危險分析和應對措施的提前準備;檢修作業邊界劃分依據當前檢修設備的狀態、連接關系和操作順序,智能形成三維展示界面,通過帶電著色功能進行區分隔離邊界、檢修區域、安全區域和帶電設備區域;作業安全風險預警對三維空間中各個設備對應區域進行空間關系計算,得到隔離邊界、檢修區域、帶電范圍等空間安全邊界,對作業人員行為和軌跡進行實時監測和預警,支持對越界進入帶電區域和危險區域、超出作業時間在作業區域逗留、進入非工作區域等危險行為進行預警提示。

主設備監控模塊經正向隔離裝置采集整流所原有主設備監控系統的運行數據,包括不限于一次設備信息及狀態、二次設備信息及狀態和各類報警及故障信息,并傳輸到整流所三維孿生可視化模型上,完成數字模型和三維模型的物理映射,以三維立體呈現方式實現主設備電器參量的實時監測和設備臺賬管理。

輔助設備監控模塊包括設備在線監測、安全防范監測、動環監控、消防監測和視頻監控,設備在線監測以實時數據、分析數據、歷史數據和趨勢分析展示形式,實現變壓器類、整流器類、開關類、兼容設備及避雷器設備運行狀態的在線監測功能;安全防范監測包括實時監測電子圍欄、紅外對射、紅外雙鑒及門禁設備的布防/撤防狀態信息、運行工況信息、防區告警信息和故障告警信息,并實現防入侵設備報警確認和布防/撤防操作;動環監測對整流所環境參數、運行狀態、通信狀態和故障告警信息實時監測,并根據設定的閾值和告警實現對設備冷卻系統、空調、風機就地閉環自動控制,并支持遠方遙控;消防監測將整流所的消防主機采用modbus協議接入規約轉化裝置,用DL/T860送至輔助設備監控模塊,實現對整流所火災自動報警系統動作及狀態信息的監控,并實現與視頻監測的視頻進行聯動;視頻監控用于實現整流所設備、環境和運維作業的多維度視頻監測,通過視頻智能分析識別技術,實現智能化應用,包括不限于整流所區域安全檢測和人員管理;且視頻監測與安全、消防、環境及主設備聯動,及時跟蹤現場狀態變化,推送畫面并拍照和錄像,為后續分析提供依據。

三維虛擬巡視模塊基于規劃路徑實施全站自動巡視和手動自由巡視,數據采集手段包括不限于圖像識別、紅外遙感、高頻檢測、RFID射頻、各類無線傳感器等技術,立體呈現巡視結果并同步推送異常數據狀態,巡視點位與視頻資源自動匹配,點擊可推送關聯畫面,具備巡視點位的巡視資源覆蓋分析,直觀呈現已覆蓋點位和未覆蓋點位,并對未覆蓋點位提供新增視頻布點策略。

系統還包括告警管理模塊,支持告警信息分級、獨立視窗監視和告警與恢復;支持拓撲圖方式監視系統狀態、報警點位平面圖定位和設備故障平面圖定位;支持自動彈出告警窗、彈出聯動信息和告警提醒,告警提醒方式可以采用語音警示、圖元變色警示和閃爍警示等多種形式。

還包括數據統計分析模塊,數據統計分析模塊包括異常越界分析與告警、告警信息統計、作業違規信息統計和設備運行統計,異常越界分析與告警主要是通過設備的狀態監測裝置進行監視,如系統電壓、電流、頻率、變壓器氣體繼電器、壓力釋放繼電器、設備的溫度、濕度、振動、局放、冷卻水水溫、水壓和水質等測量值告警閾值,對于越過一級閾值的給予提示報警,越過二級閾值則推送嚴重告警,使運維人員及時發現設備運行異常情況;告警信息統計具體是按照電壓等級和設備類別對整流所數據分別統計告警總數量,并按告警類型進行分類統計;作業違規信息統計具體是對作業過程中的各類人員違規行為分類統計;設備運行統計具體是對整流所設備運行情況分類統計,按設備在線率、故障率和故障時間統計。

3 整流所數字孿生運維系統應用實例

本文以國內某電解鋁廠整流所數字孿生運維系統為例,說明該系統實際應用,如圖2所示,數字孿生整流所智能運維系統,包括通過5G無線網絡連接的整流所模組和集控站模組,集控站模組包括運維工作站、服務器和交換機;整流所模組包括信息建模模塊、主設備監控模塊、輔助設備監控模塊、立體安全管控模塊和三維虛擬巡視模塊;交換機用于將整流所模組和集控站模組的信號直接轉換交換,信息建模模塊以數字孿生建立的三維模型為基礎,在運維工作站的操作電腦上完成整流所三維數字孿生可視化建模,且完成的三維數字孿生可視化建模支撐無插件瀏覽器快速加載三維場景,實現三維全景瀏覽和沉浸式漫游,具備設備模型監測定位及臺賬信息點擊查看功能,融合呈現設備臺賬信息及告警異常信息;立體安全管控包括立體空間防誤拓撲與校核、操作票三維模擬預演、檢修作業邊界劃分和作業安全風險預警異常信息;立體安全管控包括立體空間防誤拓撲與校核、操作票三維模擬預演、檢修作業邊界劃分和作業安全風險預警。

圖2 基于數字孿生整流所設備運維系統模型

數字孿生整流所智能運維系統的具體運作如下:信息建模模塊以數字孿生建立的三維模型為基礎,在運維工作站的操作電腦上完成整流所三維數字孿生可視化建模,主設備監控模塊主設備監控模塊經正向隔離裝置采集整流所原有主設備監控系統的運行數據,包括不限于一次設備狀態、二次設備狀態及狀態和各類報警及故障信息,并傳輸點映到整流所三維孿生可視化模型上,輔助設備監控模塊進行設備在線監測、安全防范監測、動環監控、消防監測和視頻監控,設備在線監測(包括避雷器在線監測,整流變壓器及動力變壓器油色譜在線監測、繞組光纖在線測溫、鐵芯/夾件接地電流監測、局部放電監測,整流器及其冷卻系統的在線橋臂溫度、均流數據、冷卻水壓力、溫度、流量、水質,以及供電系統電壓、電流、頻率等數字表在線監測等);安全防范監測包括實時監測電子圍欄、紅外對射、紅外雙鑒及門禁設備的布防/撤防狀態信息、運行工況信息、防區告警信息和故障告警信息,并實現防入侵設備報警確認和布防/撤防操作;動環監測對整流所環境參數、運行狀態、通信狀態和故障告警信息實時監測,并根據設定的閾值和告警實現對設備冷卻系統、空調、水泵就地閉環自動控制,并支持遠方遙控;消防監測將整流所的消防主機采用modbus協議接入規約轉化裝置,通過5G無線網絡送至輔助設備監控模塊,實現對整流所火災自動報警系統動作及狀態信息的監控,視頻監控用于實現整流所設備、環境和運維作業的多維度視頻監測,通過視頻智能分析識別技術,實現智能化應用,包括不限于變電站區域安全檢測和人員管理;且視頻監測與安全、消防、環境及主設備聯動,及時跟蹤現場狀態變化,推送畫面并拍照和錄像,為后續分析提供依據;三維虛擬巡視模塊基于規劃路徑實施全站自動巡視和手動自由巡視,立體呈現巡視結果,巡視點位與視頻資源自動匹配,點擊可推送關聯畫面,具備巡視點位的巡視資源覆蓋分析,直管呈現已覆蓋點位和未覆蓋點位,并對未覆蓋點位提供新增視頻布點策略。

4 結 語

針對整流所設備運維,本文創新結合數字孿生技術,利用智能終端接收管理系統、數字孿生平臺、現場巡檢決策系統一體化巡檢整流所設備,以優化管理流程為導向,以數字孿生平臺為載體,結合設備狀態和趨勢進行預判和分析,并給予解決方案,調取廠家資料,與專家、AI協同診斷,協助運維人員對整流所設備進行全生命周期的運維管理,可以做到全過程閉環管理控制,提高作業效率及設備使用年限[4-5]。使用數字孿生體系整流所運維系統,將整流所的設備信息、巡檢信息、環境信息等全部以鏡像化展現在終端上,輔助巡檢管理員分析診斷設備問題及有效決策,以數字仿真替代方式解決了巡檢人員在現場作業的安全問題,以整流所全天候、全自主巡檢方式為巡檢工作提供安全高效的作業方式、經濟的運維成本、智能化管理模式,有效降低電解鋁廠整流所的運營成本,確保電解鋁廠供電整流的安全、可靠生產運行。