基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的空氣壓縮機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)分析

摘要：文章以滇中引水工程為例，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)滲透、融合于空氣壓縮機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控框架中的方法，為相關(guān)從業(yè)者提供參考。

關(guān)鍵詞：空氣壓縮機(jī)；技術(shù)應(yīng)用；遠(yuǎn)程監(jiān)控；物聯(lián)網(wǎng)

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.05.023

中圖分類號：TP277；TN92" " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）05-00-03

Abstract： Taking the Dianzhong Water Diversion Project as an example， this article proposes a method of integrating IoT technology into the remote monitoring framework of air compressors based on IoT technology， providing reference for relevant practitioners.

Key words： air compressor; technology application; remote monitoring; Internet of Things

1" 物聯(lián)網(wǎng)基本功能結(jié)構(gòu)

實際施工中，想要借助物聯(lián)網(wǎng)完成空壓機(jī)的改造，提升空壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的性能，首先需多層面了解物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上靈活應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的功能結(jié)構(gòu)。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)功能的實現(xiàn)要綜合考慮多種因素。其一是傳感層，這是物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系中的基礎(chǔ)層面，由數(shù)據(jù)采集終端發(fā)揮主要作用，進(jìn)行數(shù)據(jù)搜集工作。其二是網(wǎng)絡(luò)層，在其框架結(jié)構(gòu)中由數(shù)據(jù)傳輸端來實現(xiàn)主要功能。研究表明，網(wǎng)絡(luò)層較為重要，屬于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用效果強(qiáng)化的重要平臺。實操中，利用4G/5G網(wǎng)絡(luò)和先進(jìn)的專用網(wǎng)線，可實現(xiàn)信息大范圍傳遞，為數(shù)據(jù)分析處理提供便利。其三是應(yīng)用層，該層級不可或缺，其主要任務(wù)是圍繞理想目標(biāo)進(jìn)行信息匯總，在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整合期間精準(zhǔn)分析，找出可幫助人們決策的支撐性數(shù)據(jù)。綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)基本功能結(jié)構(gòu)架設(shè)目標(biāo)是設(shè)法為人類服務(wù)。

2" 滇中引水工程概況

滇中引水工程是重要項目屬于172項節(jié)水供水水利項目中最典型的工程（國務(wù)院確定的）。從性質(zhì)上看，滇中引水建設(shè)項目是云南省可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)得以達(dá)成的基礎(chǔ)工程，可在計劃時間內(nèi)緩解滇中地區(qū)的水資源短缺困境，社會和生態(tài)效益顯著。研究發(fā)現(xiàn)，滇中引水工程規(guī)模大，受水區(qū)眾多，共囊括麗江、大理、楚雄區(qū)等域下的縣市，總面積3.69萬km2。據(jù)不完全統(tǒng)計，工程多年平均引水量（重要指標(biāo)）已經(jīng)突破34.03億m3，屬重大民生工程。一期項目引水渠全長407.47 km，在改造期間涉及隧洞51座361.5 km，施工中空壓機(jī)設(shè)備發(fā)揮積極作用，使用率高達(dá)95%。

3" 系統(tǒng)方案設(shè)計與實現(xiàn)

研究發(fā)現(xiàn)，在空壓機(jī)生產(chǎn)使用中，有兩方面需要注意。一是空壓機(jī)操作不當(dāng)會影響空氣壓縮效率，出現(xiàn)停機(jī)故障，從而造成經(jīng)濟(jì)損失；二是在空壓機(jī)運(yùn)行期間，需要的電量較大，因而及時調(diào)整設(shè)備的狀態(tài)，降低其能耗是行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的焦點(diǎn)。對此，空壓機(jī)匹配的傳統(tǒng)監(jiān)控方式亟待變革，需持續(xù)完善監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支撐整個監(jiān)控流程，對設(shè)備數(shù)據(jù)及時分析，借此消除故障影響。實際運(yùn)行結(jié)果表明：應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后，該監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行良好，可達(dá)到空壓機(jī)使用預(yù)期效果，能精準(zhǔn)響應(yīng)施工單位需求，并第一時間給予指導(dǎo)，避免發(fā)生誤操作。

3.1" 系統(tǒng)的基本功能

（1）在設(shè)計中，以空壓機(jī)用戶為對象，將其作為獨(dú)立的監(jiān)控區(qū)域，設(shè)定好監(jiān)控范圍和權(quán)限。需要強(qiáng)調(diào)的是每個監(jiān)測點(diǎn)均需設(shè)置聯(lián)控柜，借此全面收集信息，掌握每臺空壓機(jī)內(nèi)部的傳感信息，在此基礎(chǔ)上采用現(xiàn)場總線技術(shù)，嘗試將有效信息傳送出去，并由數(shù)據(jù)傳輸終端處理，最終得出可靠數(shù)據(jù)[1]。

（2）通過增加優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸模塊功能，對傳送過來的信息進(jìn)行處理、過濾，完成基本操作后將有價值的信息發(fā)送出去。在這一階段，可通過電信網(wǎng)實現(xiàn)信息長距離傳輸，確保信息傳送的安全性。

（3）監(jiān)控中心接收數(shù)據(jù)，利用自身模塊功能進(jìn)行存儲、分析等。完成上述操作后，施工單位可在允許權(quán)限內(nèi)登錄空壓機(jī)網(wǎng)站查看信息。

3.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框架

結(jié)合以往經(jīng)驗可知，空壓機(jī)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用價值較高，是一套通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)完成多角度智能監(jiān)控多臺設(shè)備的高效控制系統(tǒng)。有空壓機(jī)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的輔助，可大幅加快作業(yè)速度，保障良好的作業(yè)效果。本項目改裝設(shè)備眾多，除了控制主板，還要應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)控制器，并在重要節(jié)點(diǎn)安裝溫度傳感器，借此監(jiān)測機(jī)頭溫度，確保設(shè)備狀態(tài)理想。必要時，應(yīng)用壓力傳感器，了解主供風(fēng)管道內(nèi)氣壓。基于物聯(lián)網(wǎng)控制思路，物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)體系分為三層，具體見圖1。

為確保空壓機(jī)運(yùn)行效率，減少故障隱患，需在空壓機(jī)上按照圖紙設(shè)計內(nèi)容安裝無線和有線網(wǎng)絡(luò)，科學(xué)構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)，借助合理化方式采集和轉(zhuǎn)換運(yùn)行數(shù)據(jù)（利用傳感器），同時通過視頻監(jiān)控，動態(tài)追蹤設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，使終端用戶數(shù)據(jù)完整匯總，集中到廠家總機(jī)[2]。然后由廠家實施信息化處理，開展遠(yuǎn)程監(jiān)控工作，為后續(xù)工作提供保障。在實操中，可根據(jù)構(gòu)建需求，將系統(tǒng)分為感知層和相關(guān)應(yīng)用層。需要強(qiáng)調(diào)的是，在感知層中要完成多種數(shù)據(jù)收集，然后交由控制層具體執(zhí)行指令，指令執(zhí)行情況會通過監(jiān)控系統(tǒng)反饋。信息采集完畢后，則要結(jié)合實際情況，將信息傳送到指定模塊進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上允許對其終端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，組建完整的監(jiān)控系統(tǒng)。第一層為控制對象層，分別對應(yīng)不同的空壓機(jī)；第二層為數(shù)據(jù)采集層，控制主板位于核心位置，起到主導(dǎo)和控制功能；第三層是設(shè)備監(jiān)控，第二層采集的數(shù)據(jù)，將在第三層進(jìn)行展示。

3.3 系統(tǒng)的模塊功能分析

3.3.1 信息傳輸模塊設(shè)計

想要實現(xiàn)空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控，需合理完善信息傳輸框架，整體系統(tǒng)中需借助GPRS組網(wǎng)，對現(xiàn)場信息進(jìn)行采集處理，同時將優(yōu)化好的數(shù)據(jù)定期發(fā)送給GPRS DTU模塊，在此前提下進(jìn)行數(shù)據(jù)打包。在打包階段，需連同采集終端ID號以及對應(yīng)的系統(tǒng)端口號共同打包，將打包好的數(shù)據(jù)通過GPRS發(fā)送到監(jiān)控中心。通常情況下，監(jiān)控中心有固定IP號，只要雙方對接順暢，便可實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)解讀，提升數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換效率。

3.3.2 遠(yuǎn)程控制模塊設(shè)計

（1）單機(jī)運(yùn)行子模塊設(shè)計。研究發(fā)現(xiàn)，聯(lián)控柜單機(jī)運(yùn)行時，系統(tǒng)性能優(yōu)越，機(jī)組空壓機(jī)運(yùn)行原則上不受阻力干擾。一旦允許遠(yuǎn)程控制，就可以進(jìn)行開機(jī)、關(guān)機(jī)等，或者直接進(jìn)入聯(lián)控狀態(tài)，提高空壓機(jī)運(yùn)行的質(zhì)量。若不允許遠(yuǎn)程控制，此時的功能局限非常大，只能查看設(shè)備狀態(tài)，并在空壓機(jī)異常時進(jìn)行故障報警。

（2）聯(lián)控運(yùn)行子模塊設(shè)計。系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計中有兩種聯(lián)控運(yùn)行狀態(tài)，分別是自動控制和進(jìn)行手動調(diào)節(jié)。實操中，若選擇自動聯(lián)控狀態(tài)，需結(jié)合空壓機(jī)的性能和實際運(yùn)行時間選型；若手動設(shè)置聯(lián)控狀態(tài)和調(diào)整優(yōu)先級，則要按照預(yù)設(shè)的先后順序，挑選最適宜的壓縮機(jī)[3]。結(jié)合以往經(jīng)驗可知，手動聯(lián)控運(yùn)行時，為達(dá)到理想性能狀態(tài)，需按步驟完成以下操作。優(yōu)先級排名第1的設(shè)備原理上需視作主機(jī)，在其啟動之后，再啟動其他設(shè)備。排名從1到3依次類推，待壓力超過聯(lián)控壓力設(shè)計值時，停止啟動。需要強(qiáng)調(diào)的是，如果壓力大于設(shè)計壓力，需先進(jìn)行壓力卸載，以確保達(dá)到啟動運(yùn)行的狀態(tài)。

3.3.3 數(shù)據(jù)管理模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)管理不可忽視。在系統(tǒng)運(yùn)行期間，該模塊的功能在于實時監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)進(jìn)行故障預(yù)警，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)隱患，對系統(tǒng)功能進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)參數(shù)利用率。數(shù)據(jù)管理和故障預(yù)警是同步進(jìn)行的。故障預(yù)警處理相對復(fù)雜，在實踐環(huán)節(jié)中包括分析故障類型以及找出故障征兆和制定故障處理措施等內(nèi)容。現(xiàn)階段，數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建要有實時調(diào)查的支撐，確保數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建精準(zhǔn)，為工作提供參考。借助數(shù)據(jù)庫。可實現(xiàn)故障快速定位，并合理處理相關(guān)問題。故障診斷階段最好要有數(shù)據(jù)支撐，要利用公共監(jiān)管平臺，設(shè)法維護(hù)終端資源并加強(qiáng)資源管理，在科學(xué)機(jī)制保障下，獲得對故障處理的絕佳機(jī)會，從而降低空壓機(jī)的故障率。

3.3.4 其他功能模塊設(shè)計

主要內(nèi)容有：①用戶管理模塊設(shè)計。主要分為廠商和客戶。在該模塊中可實現(xiàn)用戶創(chuàng)建等功能，同時可進(jìn)行查看和刪除。原則上只有符合系統(tǒng)權(quán)限的人，才能自由操控監(jiān)控界面。②狀態(tài)管理模塊設(shè)計。主要包括組態(tài)管理和相關(guān)的報表管理等，實踐中需通過動態(tài)圖、曲線綜合反饋設(shè)備使用情況，這樣便于管理，為后續(xù)工作提供便利。③參數(shù)設(shè)置模塊設(shè)計。分為廠商和客戶參數(shù)。在實操中主要對設(shè)備運(yùn)行參數(shù)以及聯(lián)控參數(shù)等設(shè)置。

4" 技術(shù)應(yīng)用效果分析

通過技術(shù)改造發(fā)現(xiàn)，空壓機(jī)使用效果的改善離不開信息技術(shù)的應(yīng)用，將物聯(lián)網(wǎng)融合在空壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，可保障施工質(zhì)量，消除施工中的阻力，還可以及時對空壓機(jī)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。滇中引水工程是重要項目，一期項目引水渠全長407.47 km，在改造期間涉及隧洞51座361.5 km，任務(wù)量巨大。在隧道施工中空壓機(jī)設(shè)備發(fā)揮了積極作用，為此改造空壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)刻不容緩。經(jīng)過技術(shù)改造后，空壓機(jī)運(yùn)行效率明顯提升，改造效果相對理想。2021年8～10月份，項目組成員對滇中引水工程中的一處隧道——上果園隧洞進(jìn)行了壓縮機(jī)技術(shù)改造，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，降低了空壓機(jī)空載率，空載率由改造前的26%下降至8%。與此同時，單位能耗降低0.0324 kWh。經(jīng)對改造前后數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，單站在能源使用率方面，就可以節(jié)省金額約2.4萬元。改造前后設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)對比見表1。

從表1中可以看出，2021年9月8～23日為重要節(jié)點(diǎn)，在這段時間內(nèi)單位能耗較高，該數(shù)值為0.1778 Nm3/h=92392/519490。物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控設(shè)備安裝后，2021年10月13～26日，這段時間能源消耗有所下降，單位能耗為0.1454 kW·h/Nm3=60 720/417 656，和之前對比下降明顯。5臺空壓機(jī)通過改造13～15天可節(jié)省用電量31 672度，倘若該廠家以工業(yè)用電0.75元/度結(jié)算生產(chǎn)電費(fèi)，則可以省下約2.4萬元，技術(shù)改造效果顯著。

通過實際測算發(fā)現(xiàn)，在實際應(yīng)用中，空壓機(jī)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢較多，可總結(jié)為以下幾點(diǎn)。

第一，可合理節(jié)約用電量。在隧道施工中空壓機(jī)不可或缺，設(shè)備啟動或者加壓，需要一定電能消耗，造成電量陡增。基于此，需要應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，避免多臺設(shè)備啟動和設(shè)備運(yùn)行不協(xié)調(diào)的情況，從而規(guī)避電壓不穩(wěn)造成的電量浪費(fèi)現(xiàn)象。這不僅能夠保證作業(yè)質(zhì)量，而且能夠避免電能流失，提高社會資源利用率。

第二，實現(xiàn)設(shè)備自啟動或關(guān)閉，確保設(shè)備狀態(tài)理想。實操中，可結(jié)合現(xiàn)場作業(yè)氣壓需求，借助物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控設(shè)備，控制主板或手機(jī)終端，利用此項便利操作，快速開啟或關(guān)閉設(shè)備，控制多余的空壓機(jī)，確保滿足生產(chǎn)要求的同時，降低設(shè)備耗損率[4]。

第三，實施故障報警分析。從實際經(jīng)驗可知，物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控設(shè)備可靈活監(jiān)控空壓機(jī)運(yùn)行狀況（通過控制主板或手機(jī)），掌握其時間參數(shù)、保養(yǎng)周期等，在此基礎(chǔ)上制定維保方案，及時進(jìn)行故障報警分析，消除設(shè)備運(yùn)行隱患。

第四，智能恒壓功能顯著，可提升空壓機(jī)系統(tǒng)性能。

第五，適用性強(qiáng)。結(jié)合現(xiàn)實經(jīng)驗可知，物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控設(shè)備可在各類空壓機(jī)上使用，加裝數(shù)據(jù)傳感器后，便可完成對網(wǎng)絡(luò)平臺的深度優(yōu)化。

5" 結(jié)束語

綜上所述，隨著空壓機(jī)應(yīng)用需求提高，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中已經(jīng)成為潮流，通過終端運(yùn)行數(shù)據(jù)，可完成現(xiàn)場視頻信息采集，為后續(xù)工作提供保障。同時，利用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，由專用網(wǎng)傳送到監(jiān)控設(shè)備，確保數(shù)據(jù)處理過程能實時查看，通過這樣的方式，打造聯(lián)動監(jiān)控界面，確保壓縮機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

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