威海煙草物流設備實時監控系統的設計與實現

徐紹倫

山東威海煙草有限公司 山東 威海 264300

引言

機械設備作為生產加工型企業在生產過程中的物質基礎，其運行狀態的好壞對企業來說尤為重要。對機械設備運行狀態評價方法的研究是整個設備系統管理的主要內容，在對機械設備狀態評價的基礎上對設備狀態進行預測可以最大限度地降低設備故障率，避免因設備停工造成的損失。因此，對機械設備運行狀態進行評價對提高制造系統的穩定性和安全性具有重要意義。

2019年12月，中國煙草專賣局下發了《智慧物流建設指導意見》，山東省局（公司）物流處指示，各單位“要圍繞智慧物流建設，在智能調度、智能倉儲、智能分揀、智能配載、智能運輸（配送）、智慧物流園區、智能物流設備管理等方面加強研究攻關。”本文依據調研情況，充分借鑒惠州、畢節等先進地市的優秀經驗，總結歸納出智慧設備管理需要遵循的幾條基本原理，以此指導研究方案的制定。

1 理論概述

1.1 物聯網原理

2008年11月，IBM公司董事長彭明盛在外國關系理事會上提出所謂“智慧的地球”（Smarter Planet），目的是把新一代IT技術應用在各個領域中，把傳感器嵌入到電網和鐵路等市場領域，開拓了物聯網的使用范圍。

2009年8月，我國總理溫家寶視察江蘇省無錫市的太湖水質監測時提出了“感知中國”的概念，所以無錫市建立了第一個“感知中國”研究中心，中國在當年的政府工作報告中還寫到了將物聯網放入到國家的五大新興戰略產業之一，這樣就可以在國內外都得到極高的關注度。

物聯網即萬物相連的互聯網，即通過射頻識別（RFID）、智能傳感器等設備，將原有的單機運行的各類設備通過網絡進行有效的聯通整合，使得任何兩個物品之間、物品和互聯網之間通過相互連接，進行通信或者說進行信息的交互，以實現對物品智能化的識別、定位等一系列目的的網絡技術。可以說物聯網技術就是當今電子、通信、計算機、IT行業技術的大融合。

1.2 數字孿生原理

數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體設備的全生命周期過程。

在本課題中，利用3D建模技術將整體分揀線的運行情況映射到電腦端顯示出來，實現現場的分揀設備與電腦系統中3D模型的同步，即將分揀設備的運行情況在3D模型中實時展現，使設備管理人員可以通過電腦直觀地查看分揀線各個核心設備的運行狀態和預警信息。當某個部件發生故障時，在電腦端3D模型的對應位置上進行報警提醒，設備維修人員可以通過查看詳細信息獲取故障的具體情況，方便維修人員迅速處理。同時配置設備的調試功能，設備維修人員可通過電腦客戶端對整套分揀設備的任意節點進行模擬調試，方便驗證故障處理結果。

1.3 灰色預測模型原理

引入Petri網對煙草配送中心物流系統進行建模分析，并通過仿真驗證所建模型的可行性與可靠性。基于灰色模型來實現設備故障預測以及基于故障樹規則匹配與專家系統實現設備故障診斷的智能化。以預測為驅動，轉變物流設備事后維保模式為物流設備拉動式維保模式。在課題軟硬件實施完善后，從物流設備全生命周期管理的角度，優化物流設備管理流程，制定物流設備拉動式維保管理標準和SOP，進一步加強物流設備管理，提升物流設備使用效率、降低維保費用、延長物流設備役齡[1]。

2 關鍵技術

2.1 信息要素采集技術

2.1.1 基于設備PLC技術的信息要素采集。PLC（Programmable Logic Controller）是一種處于倉儲分揀設備內、具有微處理器的用于自動化控制的數字運算控制器，可以將控制指令隨時載入內存進行儲存與執行。通過開放現有倉儲設備操作系統與分揀設備操作系統數據端口，將PLC記錄的設備作業數據（如電機、電機轉軸、繼電器、氣缸的運行時間和動作次數等）直接抽取至分揀設備運行實時監控系統，實現對卷煙物流設備健康數據信息、易損件耗材運行狀態及使用頻次數據的獲取。

2.1.2 基于物理傳感器技術的信息要素采集。通過物聯網、電流采集終端等傳感器的信息采集終端實時監控設備運行，采集設備健康數據信息、設備運行環境信息數據、分揀線的電流電壓數據、易損件耗材運行狀態及使用頻次數據。

在分揀裝置的控制過程中，需要用到以下主要的硬件：傳感器，電磁閥，傳送帶與電機，可編程控制器等主要硬件。其中傳感器和電磁閥的選擇尤為重要，本次設計中需要在設備內外部核心位置加裝傳感器，對設備運行過程中的環境和用電能耗進行監控。一是環境檢測：通過在分揀工房安裝多個溫、濕度傳感器，對分揀工房的溫濕度進行全方位的感知，并且該數據作為基礎數據輔助其他檢測數據的分析。二是用電檢測：通過在配電柜中安裝電壓、電流傳感器，收集分揀線用電的電壓變化、電流變化的數據信息，分析是否存在電壓不穩、過載等現象，根據檢測結果對分揀工房用電線路、配電室進行檢測。

2.1.3 基于二維碼技術的信息要素采集。根據管理需求，在系統中對設備系統、單機設備及部件生成唯一對應二維碼，利用企業微信等移動平臺掃描二維碼實現物流設備的日常維保、故障檢修等痕跡化信息的錄入。

2.1.4 人工信息錄入的信息要素采集。在系統中設置物流設備知識共享平臺，維保人員通過PC端或企業微信移動端錄入設備運維經驗形成設備運維知識共享平臺，輔助維保人員提升自主維保能力。同時，可彌補信息要素采集漏項，并可用于物流設備基礎檔案數據、設備維保知識等資料的維護[2]。

2.2 設備故障診斷預測技術

選取設備總工作時長、自上次維保后設備工作時長、設備電壓、電流以及設備的轉速五個指標對設備運行狀態進行定量計算，同時在此基礎上考慮環境及設備關鍵部件溫濕度進行定性分析。

在確定各個評價指標的權重系數之后，使用設備電壓、設備電流以及設備的轉速三個變量指標來建立基于灰色理論的故障預測模型，對指標產生的設備運行狀態大數據進行重復預測，不斷更新灰色預測模型，利用指標權重系數和預測值，采用可拓聚類分析模型對設備的運行狀態進行預測，得到設備故障預測等級共分為良好、一般、風險三種運行狀態。

通過對設備故障預測等級的界定可進一步提升設備管理專業化、精細化水平：如建立對設備的拉動式維保管理模式，合理設置備品備件品規數量，建立智能化的“應急—分析總結—預防維護”的設備良性使用規范[3]。

3 改進策略

3.1 繼續拓展系統功能

在自動分揀系統中通常需要控制系統來控制元器件，分類裝置來對快遞包裹進行分類，輸送裝置對快遞進行傳輸，以及在分揀口將它們分開整理。控制系統具體需要識別系統發出的分揀信號，接受并進行處理，在接收到分揀信號后，根據收到的信號使用分類裝置將包裹根據不同地區不同包裝進行分類，然后根據這些包裹自身攜帶的物流信息在經過掃描判斷后就會被分去分揀道口中。

目前分揀設備運行實時監控系統已基本能滿足日常設備管理工作的需要，但是針對試點工作中研發的“分揀設備3D展示系統”，還可以繼續研究進行設備單機的數字模型展示，進而集成單機設備的3D拆分展示資料、視頻動畫維修手冊、微部件數據分析等功能，進一步降低設備維修人員技術門檻，促進設備知識學習交流，實現設備管理智慧化。

3.2 優化故障預測結果

鑒于目前設備運行數據采集量不足以支撐灰色預測模型的精確診斷，考慮在省內其他地市進行系統推廣應用后，對比獲取同質化的數據進行分析。研究在灰色預測模型中加入同型號設備在相似環境下的運行數據，提高分析結果的準確性[4]。

3.3 深度挖掘數據應用

在卷煙物流設備信息管理系統的研究與應用過程中，通過物聯網采集的設備信息要素數據形成了設備運行的大數據資料，下一步將繼續深化對該類數據的應用，加強對數據的監控、分析，以數據驅動提升卷煙物流設備管理。在卷煙物流設備信息管理系統中將車輛數據進行聯網上傳，及時更新，這將在極大程度上解決公路上空車率的問題。同時，在其他運輸方式中，反向物流也應是被重視的方面之一，數據聯網更新不僅有利于企業內部物流基礎設備充分應用，若在市場范圍內進行數據聯網，將對行業內部的技術優化、路徑優化有著更深的意義與影響[5]。

3.4 適應5G數據處理環境

5G網絡的發展無疑將再次帶動國民經濟的發展，也必將在物流行業帶動一次新的革命——數據化物流的發展，5G網絡具有高速的信息流轉速度、極低的數據延遲與極大的數據容量，這不斷提醒著即將進入5G時代的物流行業，必須充分利用大數據系統的海量數據集并不斷提高對數據的極速處理與匹配的能力，同時更大程度地發揮大數據系統的及時性、安全性與高效性，才能保證我國在物流運輸行業的領先地位。

而5G正在預備期間，若物流運輸行業的數據處理待5G正式普及后才開始適應其環境與要求，將會造成短時間行業內的數據處理緩慢、數據更新延遲的情形，因此，提前開始適應5G數據處理環境是當前物流運輸行業所應開始著手的工作之一。5G背景意味著更大規模的數據亟待處理，而當前國內物流運輸行業對TB級數據的處理已經做到駕輕就熟的水平，大部分物流運輸企業有能力處理PB級別的數據，但EB級的數據仍然只有極少部分的企業掌握其處理技術。而5G背景下的數據要求至少是EB級處理能力，這對于運輸行業內傳統的數據倉庫已經不能滿足數據處理要求了，因而應該更加深入對數據分析流程的探討與數據分析平臺的建設[6]。

4 結束語

機械設備是制造加工型企業的核心生產資料，其運行狀態的安全性與穩定性對整個企業的生產來說至關重要。本文在分析機械設備特點的基礎上，結合以往對設備狀態評價方法的研究，選擇可拓學理論中的相關知識對機械設備進行運行狀態評價。基于可拓理論的機械設備狀態評價是企業做到預防性維修以及降低設備故障率的重要手段。相比較以往的設備狀態評價方法，本文所提出的評價模型從機械設備自身的特點出發，結合機械設備的主客觀影響因素，更能接近機械設備真實的運行狀態。此外，結合此評價模型的機械設備運行狀態管理系統可有效實現對整個設備系統的監測與控制。