基于物聯(lián)網(wǎng)的電阻器監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

陳成勇

［璽連自動化科技（上海）有限公司，上海 201306］

0 引言

工業(yè)變頻器做為驅(qū)動電機作為大功率，大電流設(shè)備。在停車過程中，巨大的慣量。由于變頻器電氣制動，現(xiàn)場可變因素較多，功率電阻器狀態(tài)檢測不到位，缺乏對功率電阻器的有效管理，往往由于電阻器的損壞，帶來變頻器的損壞，或者由于變頻器的剎車單元模塊的損壞，帶來電阻器的損壞。發(fā)現(xiàn)事后維修帶來的重大損失之后，在變頻器的運行過程中對功率電阻器磨損周期有了數(shù)據(jù)上的統(tǒng)計和收集，使每個電阻器都在合理的使用，在電阻器損壞之前進行更換，這樣就避免了事故的發(fā)生。從而為預防維修提供可能。同時也為同類設(shè)備提供數(shù)據(jù)仿真。

1 機電設(shè)備遠程運維系統(tǒng)需求分析

能耗制動依然作為主流制動方式之一，新型的能量反饋制動，方案尚不太成熟，且成本極高，不做論述。本文主要論述能耗制動的電阻精確選取參數(shù)。并通過物聯(lián)網(wǎng)手段感知與傳輸，進行設(shè)備的匹配。機械能轉(zhuǎn)化為電能，電能使變頻器直流母線電壓升高，然后電壓值由電阻電流泄壓產(chǎn)生熱量，進行理論和實際的對比[1]。

制動電阻器的阻值理論計算R 制動電阻器的阻值：

式中：K——所需的制動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)1.2～2.0；P——所選變頻器的功率；Udc2——所選變頻器制動回路的斬波電壓值。

制動電阻器的功率選取：Pr 制動電阻器的功率：

式中：P0——電機的功率；ΔK——制動電阻器短時工作允許過負荷倍數(shù)，具體數(shù)據(jù)根據(jù)工況查圖取值；P1——系統(tǒng)所需的平均；h——傳動效率，傳動的機械系統(tǒng)在制動時，提供與效率相應的制動阻尼；0.2——電動機的內(nèi)阻消耗了20%的制動能量。

公式中估算系數(shù)存在不確定性。目前的解決方法是主要有兩種。

（1）傳統(tǒng)的選擇功率電阻器的主要依據(jù)各個變頻器廠家提供的產(chǎn)品樣冊，慣量＞ED10%剎車具體參數(shù)。

（2）功率電阻器廠家粗略分為3 段小負荷ED10%中負荷ED20%，大負荷ED40%，對于生產(chǎn)設(shè)備具體的生產(chǎn)環(huán)境，生產(chǎn)的使用頻度，使用的習慣。具體的設(shè)備沒有梳理出具體的細化選型方案。

以上的方案只是粗略的解決，不能精細化分析。究竟多大功率與多大阻值合適，對于變頻器調(diào)速工況運行，技術(shù)人員不能時時監(jiān)看，出現(xiàn)問題又沒有大量的數(shù)據(jù)支撐，掩蓋了系統(tǒng)的設(shè)計缺陷，因此這就是項目需求。

2 機電設(shè)備遠程運維系統(tǒng)設(shè)計

機器設(shè)備管理成本的變化，使用人工費用越來越高，停機損失越來越大，這是需要解決的實際問題。本系統(tǒng)的設(shè)計是根據(jù)大數(shù)據(jù)匹配，做出分析和決策。通過可視化預診斷判斷，最終設(shè)計出點檢數(shù)字化、運行可靠化的運維系統(tǒng)。

2.1 機電設(shè)備遠程運維系統(tǒng)總體架構(gòu)

遠程運維要實現(xiàn)裝備物聯(lián)化、監(jiān)控在線化、診斷智能化、維護服務協(xié)同化。要將設(shè)備的改造與運用，將傳感設(shè)備結(jié)合邊緣計算功能，為數(shù)據(jù)搜集、分析提供保障。遠程設(shè)備監(jiān)控主要3 個層次：①感知層，通過在設(shè)備的智能芯片、傳感器等實現(xiàn)感知。②傳輸層，傳感器、網(wǎng)絡設(shè)備將數(shù)據(jù)通過傳輸層，實現(xiàn)設(shè)備的互聯(lián)互通協(xié)同傳輸。③應用層，用于系統(tǒng)分析開發(fā)及應用。系統(tǒng)總體架構(gòu)（圖1）由服務器、無線控制器、無線網(wǎng)絡組成[2]。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.2 硬件平臺搭建

基礎(chǔ)平臺支持層采集、業(yè)務邏輯層傳輸、系統(tǒng)管理表現(xiàn)層可視化，構(gòu)管理系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)管理系統(tǒng)的運行與應用結(jié)果分析等最終實現(xiàn)實現(xiàn)電阻器在線監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和以及電阻點檢的綜合管理。

2.2.1 電阻點檢采集層

作為電阻檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)，電阻溫度采集層通過溫度傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測與采集。

2.2.2 網(wǎng)絡傳輸層

網(wǎng)絡傳輸層是連接監(jiān)測層與數(shù)據(jù)管理層的橋梁，采用安全、可靠的傳輸網(wǎng)絡將監(jiān)測層獲取的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)焦芾韺印?/p>

2.2.3 溫控管理層

溫控管理層是管理系統(tǒng)的核心，對由網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)進行存儲、處理，并點檢結(jié)果進行統(tǒng)計分析，為用戶提供系統(tǒng)分析和基礎(chǔ)管理等功能。

2.3 軟件體系設(shè)計

B/S 維護結(jié)構(gòu)簡單，可以在任何地方使用瀏覽器，而不需要客戶端軟件，上網(wǎng)就可以進行使用，客戶端零維護，系統(tǒng)的拓展容易。B/S 結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是顯而易見的，現(xiàn)階段軟件系統(tǒng)的改進和升級越發(fā)頻繁。采用spring boot 的eclipse 開發(fā)環(huán)境，采用B/S 的架構(gòu)模式進行服務器端的設(shè)備采集管理開發(fā)[3]。

數(shù)據(jù)源產(chǎn)生：在設(shè)備主要測量的參數(shù)，設(shè)備的溫度變化的趨勢，溫度的測量溫度是現(xiàn)場生產(chǎn)中至關(guān)重要的一項數(shù)據(jù)，溫度變化的趨勢涉及電阻的使用壽命。數(shù)據(jù)采集進入系統(tǒng)匹配模板，曲線，電阻有熱慣性，熱量平均值，打分值90～100 分優(yōu)秀，70～80 分良好，55～70 分及格，35～55 分不及格，35 分以下必須及時更換。進行提前預警、資源提前調(diào)度。溫度、運行狀態(tài)等，智能設(shè)置閾值，通過智能分析判斷。設(shè)計概要如圖2 所示。

圖2 核心功能模塊概要

聚類管理；來源管理；分配管理；過程透視管理；量化的分析決策支持等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析必須建立數(shù)據(jù)庫。常用的數(shù)據(jù)庫有MySQL、Oracle 和SQL Server。MySQL 數(shù)據(jù)庫體積小、開放源代碼、本系統(tǒng)是用MySQL 數(shù)據(jù)庫開發(fā)的。軟件架構(gòu)的電阻設(shè)備軟件功能模塊如圖3 所示。

圖3 電阻設(shè)備軟件功能模塊

本文首先對電阻曲線分析，分析電阻數(shù)據(jù)采集的特點，在需求分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了監(jiān)測管理系統(tǒng)架構(gòu)，完成系統(tǒng)總體設(shè)計。監(jiān)測中心服務器構(gòu)架進行了設(shè)計開發(fā)，設(shè)計模塊主要有實時監(jiān)控、監(jiān)測警示、統(tǒng)計分析、統(tǒng)計報表等。

3 項目難點與解決

3.1 典型設(shè)備初步數(shù)據(jù)建模

數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)的抽象形式，數(shù)據(jù)建模是在目標需求上將具體的對象實體抽象，然后加工與提取取出來形成的模型，常常采用實體關(guān)系圖E－R 圖來體現(xiàn)數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)系組織結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 電阻系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫E－R

3.2 不同負荷模塊化設(shè)計

3.2.1 電阻統(tǒng)計和計算模塊

其中電阻統(tǒng)計和計算模塊是重要運行核心模塊，電阻運行曲線環(huán)境降額曲線如圖5 所示。

圖5 降額曲線

溫度負荷表面溫升如圖5 所示，其他都是統(tǒng)計和儲存處理功能。

3.2.2 系統(tǒng)溫度數(shù)據(jù)運算算法

溫度采集這些數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)量極多，原始數(shù)據(jù)存不具有價值，看不出帶應有的規(guī)律性。需要對大量的數(shù)據(jù)進行運算挖掘整理。電阻溫度系統(tǒng)統(tǒng)計幾種運算算法，本文僅僅闡述兩個簡單算法。高級算法以及深度學習不在贅述。

（2）標準差是反映電阻溫度變化穩(wěn)定性程度或分散程度大小的數(shù)字指標。對于涉及多個電阻進行評價，平均數(shù)反應分散程度。

3.2.3 電阻運算模塊功能設(shè)計

綜合以上分析，以及系統(tǒng)難點以及核心計算方法闡述。最終形成電阻運算軟件功能模塊。如表1 所示。

表1 電阻運算模塊功能設(shè)計

通過歷史數(shù)據(jù)，后期迭代加入深度學習，使用系統(tǒng)算法學習電阻監(jiān)測的數(shù)據(jù)，總結(jié)規(guī)律，使設(shè)備安全可靠運行。

3.3 硬件設(shè)備選擇

3.3.1 溫度傳感器選擇

溫度傳感器性能指標幾點要求為：①射頻標準。②頻段為433MHz ISM 頻段。③溫度測量范圍。④供電方式。⑤無線傳輸距離。⑥防護等級。

目前傳感器測量溫度范圍-20～500℃。安裝及傳輸看客戶的工況選定。客戶變頻器電氣剎車電阻溫度運行在100～200℃為最佳狀態(tài)，電阻平均溫度高限位300℃，瞬間耐可沖擊500℃。因此溫度傳感器選定上線500℃。因客戶要求不同，目前方案以基恩士和昆侖海岸為主，溫度傳感器特殊需求可以定制[4]。

3.3.2 物聯(lián)網(wǎng)選擇

通訊方式是基于客戶的現(xiàn)場使用環(huán)境做出選擇。每個用戶廠家，現(xiàn)場情況個異，要找到適應客戶的數(shù)據(jù)采集硬件，要模式化分類，通選上分出類型客戶，ZigBee 模塊；NB-IoT 模塊；LORA；DTU＆RTU；4G 和5G 等從而快速搭建硬件設(shè)施，模式就可以復制，為快速打入客戶搶占制高點。最終確定使用無線傳輸方式為主，無須布線，擴容方便，管理方便。

數(shù)據(jù)的采集和傳輸是系統(tǒng)采集最重要的一部分，采集周期收集到數(shù)據(jù)，才能對系統(tǒng)進行有效的狀態(tài)分析，根據(jù)工況環(huán)境以及使用頻度的采取不同的數(shù)據(jù)采集方式，才能有效的一個判斷，從而對設(shè)備進行有效的管理。

在線檢測數(shù)據(jù)的采集主要通過溫度傳感系統(tǒng)，系統(tǒng)把所有收集的到的數(shù)據(jù)整合起來，形成曲線，實時記錄每時每刻的設(shè)備數(shù)據(jù)。

4 遠程運維系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

基于數(shù)據(jù)平均發(fā)熱量，實時計算是一種基于熱量的編程，它是一種將應用程序的行為描述為“節(jié)點”的一種方式。通過從流中的前一個節(jié)點接收消息來觸發(fā)節(jié)點，并處理該消息，然后可以將消息發(fā)送到流中的下一個節(jié)點。每個節(jié)點都有明確的用途，給它一些數(shù)據(jù)，它對該數(shù)據(jù)執(zhí)行某些計算，然后將其傳遞。網(wǎng)絡負責節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流。它是一種非常適合視覺表示的模型，提供了一個基于瀏覽器的流編輯器，可輕松使用面板中的各種節(jié)點將流連接在一起，形成一個可視化的模型（圖6）。

圖6 電阻運算模塊功能設(shè)計

測試軟件分析溫度，可以分析個個時間段溫度區(qū)的溫度數(shù)據(jù)變化，哪些區(qū)域合格與不合格，按照分值，常出現(xiàn)異常區(qū)域，必須提前更換，杜絕設(shè)備停機損失，實現(xiàn)主動預防維護。

數(shù)據(jù)采集管理實現(xiàn)了實時監(jiān)測，動態(tài)跟蹤和監(jiān)控整，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的精度，獲取和處理及時化。降低設(shè)備造價成本，改善設(shè)備工況，減少維修，提高企業(yè)效益。

功率電阻器監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了預警功能模塊、數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計功能模塊、數(shù)據(jù)分析與安全評定功能模塊等的應用。并且可以接入壓力或濕度傳感器類型的監(jiān)測。系統(tǒng)具有良好的適用性和可拓展性。

該設(shè)計滿足了現(xiàn)實需求，并充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢。但在運行過程中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)巡儲存方面有所欠缺，今后隨著用戶的增量迭代，可以增設(shè)云服務器，云存儲功能進一步改進和完善該系統(tǒng)。

5 結(jié)語

本文主要論述了系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)計與實現(xiàn)，完成了項目需求部署，對于電阻本身不具有邊緣計算的功能，實現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)。在設(shè)計過程中不僅解決了溫度問題，對后續(xù)同類設(shè)備的研發(fā)也提供了數(shù)據(jù)仿真的支撐，為后續(xù)設(shè)備開發(fā)提供借鑒。

綜上所述遠程運維服務減少了售后技術(shù)人員的現(xiàn)場維護所帶來的成本，提高了設(shè)備的安全性，是信息網(wǎng)絡技術(shù)結(jié)合制造技術(shù)的融合，使遠程運維監(jiān)控在智能制造服務環(huán)節(jié)得以實現(xiàn)。