基于物聯(lián)網(wǎng)的磨煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷與服務(wù)系統(tǒng)

何玉龍，張永亮，張冬梅

(北京電力設(shè)備總廠有限公司，北京 102401)

0 前言

隨著互聯(lián)網(wǎng)+模式的推廣和發(fā)展，越來(lái)越多的設(shè)備生產(chǎn)廠商希望通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)加快產(chǎn)品轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的智能化。設(shè)備廠商可以通過(guò)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控與診斷，及時(shí)解決設(shè)備運(yùn)行中遇到的各種問(wèn)題，指導(dǎo)用戶檢修更換設(shè)備，節(jié)約大量現(xiàn)場(chǎng)取數(shù)據(jù)和分析的時(shí)間，為客戶提供及時(shí)優(yōu)質(zhì)的維護(hù)服務(wù)，為設(shè)備的維修制度從定期維修和故障維修轉(zhuǎn)變到預(yù)知性維修為主的狀態(tài)維修提供了必要的技術(shù)手段[1-2]。

磨煤機(jī)遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)診斷與服務(wù)系統(tǒng)是在傳統(tǒng)離線磨煤機(jī)的基礎(chǔ)上，通過(guò)綜合應(yīng)用最新傳感器技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、通信與信息技術(shù)等現(xiàn)代化的智能控制手段，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的目的。在運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，能夠定位故障點(diǎn)和預(yù)測(cè)故障發(fā)生時(shí)間、監(jiān)視有害發(fā)展趨勢(shì)、分析故障產(chǎn)生根源等，從而有效減少維護(hù)停機(jī)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

1 開(kāi)發(fā)背景

“工業(yè)4.0”是德國(guó)政府提出的一個(gè)高科技戰(zhàn)略計(jì)劃。該項(xiàng)目由德國(guó)聯(lián)邦教育局及研究部和聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部聯(lián)合資助，投資預(yù)計(jì)達(dá)2億歐元。旨在提升制造業(yè)的智能化水平，建立具有適應(yīng)性、資源效率及人因工程學(xué)的智慧工廠，在商業(yè)流程及價(jià)值流程中整合客戶及商業(yè)伙伴。其技術(shù)基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)實(shí)體系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)[3]。

2014年12月，“中國(guó)制造2025”這一概念被首次提出。2015年5月8日，國(guó)務(wù)院正式印發(fā)《中國(guó)制造2025》。中國(guó)制造2025，是中國(guó)政府實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略第一個(gè)十年的行動(dòng)綱領(lǐng)。

《中國(guó)制造2025》提出，堅(jiān)持"創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本"的基本方針，堅(jiān)持“市場(chǎng)主導(dǎo)、政府引導(dǎo)，立足當(dāng)前、著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)，整體推進(jìn)、重點(diǎn)突破，自主發(fā)展、開(kāi)放合作”的基本原則，通過(guò)“三步走”實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)。

2015年3月，李克強(qiáng)總理在政府工作報(bào)告中首次提出“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃[4]。

2 開(kāi)發(fā)目的

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”模式的推廣和發(fā)展，越來(lái)越多的設(shè)備生產(chǎn)廠商希望通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)加快產(chǎn)品轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的智能化。設(shè)備“上網(wǎng)”，一方面有助于廠商及時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，快速有效地實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息的獲知，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，為客戶提供更全面、更周到、更準(zhǔn)確、更節(jié)能的設(shè)備運(yùn)行服務(wù)，保證設(shè)備安全可靠高效運(yùn)行；另一方面，廠商可以通過(guò)遠(yuǎn)程診斷與控制，及時(shí)解決設(shè)備運(yùn)行中遇到的各種問(wèn)題，通過(guò)可視化技術(shù)，指導(dǎo)用戶檢修更換設(shè)備，節(jié)約大量現(xiàn)場(chǎng)取數(shù)據(jù)和分析的時(shí)間，為客戶提供及時(shí)優(yōu)質(zhì)的維護(hù)服務(wù)，為設(shè)備的維修制度從定期維修和故障維修轉(zhuǎn)變到預(yù)知性維修為主的狀態(tài)維修提供了必要的技術(shù)手段。

目前我單位生產(chǎn)的輔機(jī)設(shè)備如磨煤機(jī)市場(chǎng)存量高達(dá)5 000余臺(tái)，分布運(yùn)行在全國(guó)乃至全球各地。這些設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，我們并不能及時(shí)掌握其壽命如何，我們也無(wú)法預(yù)測(cè)當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，只能通過(guò)電話、現(xiàn)場(chǎng)等方式了解具體情況，提出解決方案。這些設(shè)備部分采用的是PLC控制，通過(guò)硬接線或者通訊方式把設(shè)備的狀態(tài)反饋給DCS，同時(shí)接受DCS的指令，但PLC只能實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)程序的控制。

通過(guò)搭建磨煤機(jī)遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)診斷與服務(wù)系統(tǒng)，將可實(shí)時(shí)獲取設(shè)備更全面的狀態(tài)參數(shù)，并建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、設(shè)備故障的遠(yuǎn)程診斷和設(shè)備程序的遠(yuǎn)程升級(jí)，大大提升設(shè)備的智能化水平。在系統(tǒng)中，通過(guò)數(shù)據(jù)分析工具和數(shù)學(xué)運(yùn)行模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的最優(yōu)化節(jié)能運(yùn)行[5]。

3 遠(yuǎn)程診斷與服務(wù)系統(tǒng)介紹

3.1 故障預(yù)測(cè)與健康管理(PHM)概述

PHM是Prognostic and Health Management 的縮寫，即故障預(yù)測(cè)與健康管理。在電子系統(tǒng)中，PHM的主要意義在于，提前預(yù)知將要發(fā)生故障的時(shí)間和位置，預(yù)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的RUL(剩余使用壽命)，提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，減少系統(tǒng)的維修費(fèi)用和提高維修準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)的CBM(基于狀態(tài)的維修)。同時(shí)，PHM系統(tǒng)記錄分析電子系統(tǒng)的健康數(shù)據(jù)，像管理人體健康一樣，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行健康管理。

在現(xiàn)代化工業(yè)中，PHM同樣起著重要的作用。磨煤機(jī)遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)診斷與服務(wù)系統(tǒng)是在傳統(tǒng)設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過(guò)綜合應(yīng)用最新傳感器技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、通信與信息技術(shù)等現(xiàn)代化的智能控制手段，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，能夠定位故障點(diǎn)和預(yù)測(cè)故障發(fā)生時(shí)間、監(jiān)視有害發(fā)展趨勢(shì)、分析故障產(chǎn)生根源等，從而有效減少維護(hù)停機(jī)時(shí)間、提高生產(chǎn)效率。

3.2 磨煤機(jī)遠(yuǎn)程智能診斷的作用

現(xiàn)代化的火力發(fā)電廠和大型鋼鐵企業(yè)中往往有許多大型機(jī)械設(shè)備，這些設(shè)備價(jià)值十分昂貴，所起的作用十分重要，而且它們多在重載、高速、多塵及有害介質(zhì)等惡劣環(huán)境下承擔(dān)繁重的工作。加之生產(chǎn)的連續(xù)性，往往單臺(tái)機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)故障，就會(huì)使整個(gè)生產(chǎn)受到影響，甚至被迫停產(chǎn)檢修，不但影響生產(chǎn)計(jì)劃的完成，而且會(huì)給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵設(shè)備實(shí)施在線監(jiān)測(cè)分析，可將機(jī)組的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)傳遞給相關(guān)的設(shè)備管理人員，通過(guò)專業(yè)的診斷人員為設(shè)備預(yù)知維修、備件管理提供主要決策依據(jù)，保障設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行，意義重大。比如，對(duì)磨機(jī)軸承、減速機(jī)以及機(jī)組其他重要設(shè)備加裝智能傳感器，信號(hào)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置的網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)傳回公司，通過(guò)專家團(tuán)隊(duì)或?qū)I(yè)分析軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行定性分析以及頻譜分析，能夠提前監(jiān)測(cè)到設(shè)備問(wèn)題，進(jìn)行故障預(yù)判。能夠避免故障停機(jī)造成的機(jī)組損失[6]。

3.3 系統(tǒng)組成及主要功能

3.3.1系統(tǒng)總體構(gòu)架

智能監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)通過(guò)信息傳輸層和感知層進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，獲取和下發(fā)信息至設(shè)備。基礎(chǔ)架構(gòu)提供網(wǎng)站的一般功能，它和智能監(jiān)控系統(tǒng)共同組合提供網(wǎng)站門戶。智能監(jiān)控系統(tǒng)提供了接口管理功能，能夠與其他系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)互通，具體總體構(gòu)架組成見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)總體構(gòu)架組成

其中，大數(shù)據(jù)中心可以實(shí)現(xiàn)智能健康監(jiān)測(cè)、智能故障診斷、智能決策支持、智能運(yùn)維指導(dǎo)、智能設(shè)備管理、智能備件管理。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由三級(jí)組成，采用分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)良好的擴(kuò)展性。

第一級(jí)為數(shù)據(jù)采集層。智能傳感器和數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)單元可以實(shí)時(shí)采集設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的信號(hào)，監(jiān)測(cè)單元通過(guò)有線以太網(wǎng)經(jīng)過(guò)光交機(jī)最終接入網(wǎng)絡(luò)，最終將數(shù)據(jù)傳輸至現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)服務(wù)器。

第二級(jí)為客戶現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)?？蛻衄F(xiàn)場(chǎng)內(nèi)可以配套一臺(tái)服務(wù)器，用于存放從在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)回的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，管理人員可通過(guò)電腦終端訪問(wèn)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，了解監(jiān)控機(jī)組的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

第三級(jí)為遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)，遠(yuǎn)程診斷專家可對(duì)所有納入監(jiān)控的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析與故障診斷，并將處理后的信息通過(guò)手機(jī)APP推送給客戶，客戶可實(shí)時(shí)了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及對(duì)應(yīng)的設(shè)備運(yùn)行維護(hù)建議。

3.3.2 系統(tǒng)硬件構(gòu)架

監(jiān)控系統(tǒng)硬件由現(xiàn)場(chǎng)傳感器、無(wú)線/有線接收設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)PLC設(shè)備、路由器/網(wǎng)關(guān)設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、防火墻、交換機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器、終端PC或無(wú)線終端機(jī)等設(shè)備構(gòu)成。

現(xiàn)場(chǎng)傳感器負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)接收設(shè)備或PLC設(shè)備傳輸至現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)關(guān)。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)初步分析打包后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)傳輸至公司服務(wù)器。在公司大數(shù)據(jù)中心可以進(jìn)行各類數(shù)據(jù)的匯總與分析診斷，重要數(shù)據(jù)發(fā)送至管理人員的終端機(jī)上。

3.3.3 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備

現(xiàn)場(chǎng)需配置通用型網(wǎng)關(guān)設(shè)備，內(nèi)置互聯(lián)網(wǎng)模塊，通過(guò)無(wú)線或有線信號(hào)接入互聯(lián)網(wǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備會(huì)有通訊端口，可以通過(guò)接入通用型網(wǎng)關(guān)的方式實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)回傳物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。通用網(wǎng)關(guān)是一個(gè)透?jìng)髟O(shè)備，兼具網(wǎng)口、RS485、RS232等物理接口，可與PLC或智能傳感器無(wú)障礙連接。

3.3.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心設(shè)備

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心配置物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器、防火墻及UPS等設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器是提供網(wǎng)站門戶、采集數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的設(shè)備。使用硬件防火墻是為了保護(hù)服務(wù)器的安全，防止物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器被惡意破壞，保護(hù)設(shè)備及數(shù)據(jù)的安全。UPS不間斷電源是為了突發(fā)事件預(yù)留數(shù)據(jù)保存和系統(tǒng)安全設(shè)置等的時(shí)間。

3.3.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

采用兩種方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是一種非常快速的數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)于控制指令、實(shí)時(shí)狀態(tài)等進(jìn)行快速的存儲(chǔ)與管理。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)是容量非常大的數(shù)據(jù)庫(kù)，用于保存長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)，單表千萬(wàn)條級(jí)別的超大型存儲(chǔ)能力。

3.4 系統(tǒng)的特點(diǎn)

3.4.1 是維修思想體系的變革

從過(guò)去基于狀態(tài)的檢修轉(zhuǎn)變?yōu)榛谛枰臋z修維護(hù)，這樣可以極少中斷運(yùn)行任務(wù)，不影響進(jìn)度安排。

3.4.2 測(cè)試設(shè)備的減少

僅需在關(guān)鍵位置進(jìn)行必要在線監(jiān)測(cè)，無(wú)需過(guò)多的中間測(cè)試保障設(shè)備，初級(jí)普通的測(cè)試設(shè)備可以取消。

3.4.3 對(duì)維護(hù)人員的益處

可以更深入地了解設(shè)備的健康狀況，檢查工作花費(fèi)時(shí)間大幅減少，安排維修的能力大幅增強(qiáng)，故障定位水平提高，減少人為判斷失誤情況。

3.5 具體故障類型及測(cè)點(diǎn)布置

減速機(jī)作為磨煤機(jī)的關(guān)鍵部件，它的平穩(wěn)運(yùn)行關(guān)系著磨煤機(jī)及機(jī)組的安全運(yùn)行。對(duì)減速機(jī)加裝必要的智能傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)減速機(jī)運(yùn)行異常狀態(tài)，對(duì)故障進(jìn)行預(yù)警。減速機(jī)的故障比較容易出現(xiàn)在軸承、齒輪、高/低速軸及基礎(chǔ)上，故障類型的診斷和故障位置的判斷如表2所示[7]。

表2 減速機(jī)故障類型分類

對(duì)磨煤機(jī)關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，能夠定位故障點(diǎn)和預(yù)測(cè)故障發(fā)生時(shí)間、監(jiān)視有害發(fā)展趨勢(shì)、分析故障產(chǎn)生根源等，從而有效減少維護(hù)停機(jī)時(shí)間、提高生產(chǎn)效率。磨煤機(jī)主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)如表3所示。

表3 磨煤機(jī)主要監(jiān)控測(cè)點(diǎn)布置

3.6 可實(shí)現(xiàn)的服務(wù)內(nèi)容

通過(guò)搭建磨煤機(jī)遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)診斷與服務(wù)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)以下遠(yuǎn)程服務(wù)。

(1)為客戶提供全生命周期管理的服務(wù) 通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)連接電力、化工等領(lǐng)域使用企業(yè)的磨煤機(jī)設(shè)備，從大量的數(shù)據(jù)中通過(guò)云計(jì)算進(jìn)行遠(yuǎn)程篩選分析，從而對(duì)客戶的設(shè)備進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)。通過(guò)軟件分析及專家診斷，得到設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)，并可根據(jù)具體情況對(duì)客戶發(fā)送體檢報(bào)告，提醒客戶相關(guān)情況，并提前對(duì)有問(wèn)題的設(shè)備進(jìn)行再制造。

(2)設(shè)備狀態(tài)異常，APP/微信推送異常/故障信息。

(3)定期(每月)提供設(shè)備健康狀態(tài)報(bào)告。

(4)利用“云”提供備件管理及備品采購(gòu)服務(wù)。

(5)利用“云”和健康狀態(tài)信息提供再制造服務(wù)。

4 結(jié) 論

本文以磨煤機(jī)為例，對(duì)磨煤機(jī)遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)診斷與服務(wù)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)背景及主要目的進(jìn)行說(shuō)明，對(duì)系統(tǒng)組成進(jìn)行了詳細(xì)分析研究，并對(duì)磨煤機(jī)可能出現(xiàn)的具體故障類型及測(cè)點(diǎn)布置進(jìn)行了分析。分析了“云、大、物、移”等現(xiàn)代信息技術(shù)在制造業(yè)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，為電力設(shè)備制造企業(yè)打造工業(yè)領(lǐng)域的智能工業(yè)服務(wù)平臺(tái)與設(shè)備全壽命周期的智能服務(wù)體系提供了一個(gè)范例。