基于物聯網的磨煤機遠程監測診斷與服務系統

何玉龍，張永亮，張冬梅

(北京電力設備總廠有限公司，北京 102401)

0 前言

隨著互聯網+模式的推廣和發展，越來越多的設備生產廠商希望通過互聯網技術加快產品轉型升級，實現產品的智能化。設備廠商可以通過遠程智能監控與診斷，及時解決設備運行中遇到的各種問題，指導用戶檢修更換設備，節約大量現場取數據和分析的時間，為客戶提供及時優質的維護服務，為設備的維修制度從定期維修和故障維修轉變到預知性維修為主的狀態維修提供了必要的技術手段[1-2]。

磨煤機遠程智能監測診斷與服務系統是在傳統離線磨煤機的基礎上，通過綜合應用最新傳感器技術、現場總線技術、通信與信息技術等現代化的智能控制手段，實現實時監測設備運行狀態的目的。在運行過程中，通過數據分析，能夠定位故障點和預測故障發生時間、監視有害發展趨勢、分析故障產生根源等，從而有效減少維護停機時間，提高生產效率。

1 開發背景

“工業4.0”是德國政府提出的一個高科技戰略計劃。該項目由德國聯邦教育局及研究部和聯邦經濟技術部聯合資助，投資預計達2億歐元。旨在提升制造業的智能化水平，建立具有適應性、資源效率及人因工程學的智慧工廠，在商業流程及價值流程中整合客戶及商業伙伴。其技術基礎是網絡實體系統及物聯網[3]。

2014年12月，“中國制造2025”這一概念被首次提出。2015年5月8日，國務院正式印發《中國制造2025》。中國制造2025，是中國政府實施制造強國戰略第一個十年的行動綱領。

《中國制造2025》提出，堅持"創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、人才為本"的基本方針，堅持“市場主導、政府引導，立足當前、著眼長遠，整體推進、重點突破，自主發展、開放合作”的基本原則，通過“三步走”實現制造強國的戰略目標。

2015年3月，李克強總理在政府工作報告中首次提出“互聯網+”行動計劃[4]。

2 開發目的

隨著“互聯網+”模式的推廣和發展，越來越多的設備生產廠商希望通過互聯網技術加快產品轉型升級，實現產品的智能化。設備“上網”，一方面有助于廠商及時掌握設備運行狀態，快速有效地實現預警信息的獲知，通過大數據分析，為客戶提供更全面、更周到、更準確、更節能的設備運行服務，保證設備安全可靠高效運行；另一方面，廠商可以通過遠程診斷與控制，及時解決設備運行中遇到的各種問題，通過可視化技術，指導用戶檢修更換設備，節約大量現場取數據和分析的時間，為客戶提供及時優質的維護服務，為設備的維修制度從定期維修和故障維修轉變到預知性維修為主的狀態維修提供了必要的技術手段。

目前我單位生產的輔機設備如磨煤機市場存量高達5 000余臺，分布運行在全國乃至全球各地。這些設備的運行狀態，我們并不能及時掌握其壽命如何，我們也無法預測當出現故障時，只能通過電話、現場等方式了解具體情況，提出解決方案。這些設備部分采用的是PLC控制，通過硬接線或者通訊方式把設備的狀態反饋給DCS，同時接受DCS的指令，但PLC只能實現對現場程序的控制。

通過搭建磨煤機遠程智能監測診斷與服務系統，將可實時獲取設備更全面的狀態參數，并建立產品數據中心，實現設備運行狀態的遠程監測、設備故障的遠程診斷和設備程序的遠程升級，大大提升設備的智能化水平。在系統中，通過數據分析工具和數學運行模型，實現設備的最優化節能運行[5]。

3 遠程診斷與服務系統介紹

3.1 故障預測與健康管理(PHM)概述

PHM是Prognostic and Health Management 的縮寫，即故障預測與健康管理。在電子系統中，PHM的主要意義在于，提前預知將要發生故障的時間和位置，預測整個系統的RUL(剩余使用壽命)，提高系統的運行可靠性，減少系統的維修費用和提高維修準確性，實現電子系統的CBM(基于狀態的維修)。同時，PHM系統記錄分析電子系統的健康數據，像管理人體健康一樣，對整個系統進行健康管理。

在現代化工業中，PHM同樣起著重要的作用。磨煤機遠程智能監測診斷與服務系統是在傳統設備的基礎上，通過綜合應用最新傳感器技術、現場總線技術、通信與信息技術等現代化的智能控制手段，實時監測設備運行狀態。通過數據分析，能夠定位故障點和預測故障發生時間、監視有害發展趨勢、分析故障產生根源等，從而有效減少維護停機時間、提高生產效率。

3.2 磨煤機遠程智能診斷的作用

現代化的火力發電廠和大型鋼鐵企業中往往有許多大型機械設備，這些設備價值十分昂貴，所起的作用十分重要，而且它們多在重載、高速、多塵及有害介質等惡劣環境下承擔繁重的工作。加之生產的連續性，往往單臺機械設備出現故障，就會使整個生產受到影響，甚至被迫停產檢修，不但影響生產計劃的完成，而且會給企業造成巨大的經濟損失。通過對關鍵設備實施在線監測分析，可將機組的實時運行狀態傳遞給相關的設備管理人員，通過專業的診斷人員為設備預知維修、備件管理提供主要決策依據，保障設備安全、穩定運行，意義重大。比如，對磨機軸承、減速機以及機組其他重要設備加裝智能傳感器，信號通過現場設置的網關遠傳回公司，通過專家團隊或專業分析軟件對信號進行定性分析以及頻譜分析，能夠提前監測到設備問題，進行故障預判。能夠避免故障停機造成的機組損失[6]。

3.3 系統組成及主要功能

3.3.1系統總體構架

智能監測診斷系統通過信息傳輸層和感知層進行數據交互，獲取和下發信息至設備。基礎架構提供網站的一般功能，它和智能監控系統共同組合提供網站門戶。智能監控系統提供了接口管理功能，能夠與其他系統進行互聯互通，具體總體構架組成見表1。

表1 系統總體構架組成

其中，大數據中心可以實現智能健康監測、智能故障診斷、智能決策支持、智能運維指導、智能設備管理、智能備件管理。

狀態監測系統由三級組成，采用分布式架構設計，保證系統良好的擴展性。

第一級為數據采集層。智能傳感器和數據采集監測單元可以實時采集設備運行過程中的信號，監測單元通過有線以太網經過光交機最終接入網絡，最終將數據傳輸至現場狀態監測服務器。

第二級為客戶現場設備監控系統。客戶現場內可以配套一臺服務器，用于存放從在線監測系統發回的設備狀態數據，管理人員可通過電腦終端訪問在線監測系統，了解監控機組的實時運行狀態。

第三級為遠程診斷系統。通過該系統，遠程診斷專家可對所有納入監控的設備進行遠程數據分析與故障診斷，并將處理后的信息通過手機APP推送給客戶，客戶可實時了解設備的運行狀態以及對應的設備運行維護建議。

3.3.2 系統硬件構架

監控系統硬件由現場傳感器、無線/有線接收設備、現場PLC設備、路由器/網關設備、互聯網平臺、防火墻、交換機、物聯網服務器、終端PC或無線終端機等設備構成。

現場傳感器負責現場數據的采集，通過接收設備或PLC設備傳輸至現場網關。數據經過初步分析打包后通過互聯網平臺傳輸至公司服務器。在公司大數據中心可以進行各類數據的匯總與分析診斷，重要數據發送至管理人員的終端機上。

3.3.3 現場設備

現場需配置通用型網關設備，內置互聯網模塊，通過無線或有線信號接入互聯網。現場設備會有通訊端口，可以通過接入通用型網關的方式實現將數據回傳物聯網服務器。通用網關是一個透傳設備，兼具網口、RS485、RS232等物理接口，可與PLC或智能傳感器無障礙連接。

3.3.4 遠程監控中心設備

遠程監控中心配置物聯網服務器、防火墻及UPS等設備。物聯網服務器是提供網站門戶、采集數據、存儲數據的設備。使用硬件防火墻是為了保護服務器的安全，防止物聯網服務器被惡意破壞，保護設備及數據的安全。UPS不間斷電源是為了突發事件預留數據保存和系統安全設置等的時間。

3.3.5 數據存儲

采用兩種方式存儲數據：實時數據庫和關系型數據庫。實時數據庫是一種非常快速的數據庫，對于控制指令、實時狀態等進行快速的存儲與管理。關系型數據庫是容量非常大的數據庫，用于保存長期的數據，單表千萬條級別的超大型存儲能力。

3.4 系統的特點

3.4.1 是維修思想體系的變革

從過去基于狀態的檢修轉變為基于需要的檢修維護，這樣可以極少中斷運行任務，不影響進度安排。

3.4.2 測試設備的減少

僅需在關鍵位置進行必要在線監測，無需過多的中間測試保障設備，初級普通的測試設備可以取消。

3.4.3 對維護人員的益處

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

3.5 具體故障類型及測點布置

減速機作為磨煤機的關鍵部件，它的平穩運行關系著磨煤機及機組的安全運行。對減速機加裝必要的智能傳感器進行監測，可以及時發現減速機運行異常狀態，對故障進行預警。減速機的故障比較容易出現在軸承、齒輪、高/低速軸及基礎上，故障類型的診斷和故障位置的判斷如表2所示[7]。

表2 減速機故障類型分類

對磨煤機關鍵測點進行實時監測，通過數據分析，能夠定位故障點和預測故障發生時間、監視有害發展趨勢、分析故障產生根源等，從而有效減少維護停機時間、提高生產效率。磨煤機主要監測點如表3所示。

表3 磨煤機主要監控測點布置

3.6 可實現的服務內容

通過搭建磨煤機遠程智能監測診斷與服務系統，可以實現以下遠程服務。

(1)為客戶提供全生命周期管理的服務 通過物聯網連接電力、化工等領域使用企業的磨煤機設備，從大量的數據中通過云計算進行遠程篩選分析，從而對客戶的設備進行安全監測。通過軟件分析及專家診斷，得到設備實時狀態，并可根據具體情況對客戶發送體檢報告，提醒客戶相關情況，并提前對有問題的設備進行再制造。

(2)設備狀態異常，APP/微信推送異常/故障信息。

(3)定期(每月)提供設備健康狀態報告。

(4)利用“云”提供備件管理及備品采購服務。

(5)利用“云”和健康狀態信息提供再制造服務。

4 結 論

本文以磨煤機為例，對磨煤機遠程智能監測診斷與服務系統的開發背景及主要目的進行說明，對系統組成進行了詳細分析研究，并對磨煤機可能出現的具體故障類型及測點布置進行了分析。分析了“云、大、物、移”等現代信息技術在制造業的實現過程，為電力設備制造企業打造工業領域的智能工業服務平臺與設備全壽命周期的智能服務體系提供了一個范例。