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物联网技术在智能装备中的应用

2014/12/20    来源:万方数据    作者:谢勇      
关键字:物联网  监控与预警  感知层  网络层  应用层  
为了延长制造型企业大型设备使用寿命,降低维护成本,开发设备综合监控与预警系统。该系统综合运用物联网技术、现场总线技术、无线技术、人工智能技术等,构建覆盖全厂范围的物联网络,实时采集设备信号,对设备故障进行预警。

  国内大部分制造型企业设备维护成本居高不下,设备寿命期普遍达不到设备出厂标准规定的寿命:偶发故障频繁,故障恢复困难、恢复周期长,对企业生产效率和整体效益造成严重影响:有的设备必须预防性维修,有的设备重点部位的隐性故障发展成显性故障时,会造成设备使用成本大幅度增加。物联网技术的运用能够针对加工制造业应用环境。提供预警功能.防止出现重大故障和危害。

  设备综合监控与预警系统.综合运用物联网技术、现场总线技术、无线技术、GPS、M2M技术和软件技术,针对工业机器、机车、轮船等设备的重点部位运转情况进行全面监控,并依据专家系统的智能分析判断,提早发现设备重点部位的初期故障.提供关键设备故障预警功能。通过物联网络,系统能够向设备维护技师发出警报信息,从而达到降低设备重大故障发生率、延长设备寿命、消弭运行风险、有效减少甚至杜绝设备事故、保证生产安全、提高企业生产效益的目的,为企业设备管理提供准确的数据依据。

  1、系统设计

  1.1系统设计目标

  系统运用物联网先进技术.进行系统配置,运用无线传感技术、现场总线网络技术以及人工智能等技术.将全厂设备通过“神经网络”和“信息网络”与“专家系统”集成起来.实时采集设备运行情况。在设备发生故障的早期.根据实时采集的信号利用知识库进行智能判断和分析.找出“问题部位”,并提供预警或直接向“问题设备”发送指令.达到尽可能早地规避大的风险,最大程度上降低损失,减少“多米诺骨牌式”连带影响的目的。

  国内制造加工型企业规模大小不,设备品种和类型以及生产流程和工艺复杂多样,设备综合监控与预警系统的设计和研发需要满足不同企业的实际情况。从感知层自下而上到应用层.在架构和技术上都必须考虑通用化和可配置化的要求。通过适当的配置和小范围调整,使其能适应不同企业在生产、管理、需求等方面的不同特点。要以关键设备为切入点.以设备互联互通、远程专家诊断为技术目标,从而实现通用行业的物联网络的整合和普。

  该系统现已完成了完整模型的构建,并进行了连续4个月的连续动态模拟测试。计划在2014年前在条件成熟的制造型企业进行推广,覆盖生产系统全部关键设备,提高设备有效作业率.降低设备重大维修费用和故障率。

  1.2应用系统结构

  系统功能结构如图1所示。

物联网预警监控系统结构
图1 系统结构

  1.2.1知识库系统

  对设备运行状态建模,利用大量的历史数据建立知识库,主要包括设备运行在各种状态下(最优、正常、临近故障、故障状态等)的信号特征以及趋势曲线等各种形式的信息数据。这些数据作为人工智能分析判断的依据,并接受人工智能系统的不断纠正或校准。

  1.2.2人工智能系统

  利用各种成熟的人工智能算法.例如随机搜索算法、“爬山”算法、“退火”算法、“遗传”算法等,对感知层采集的实时数据与知识库进行分析比对,或者绘制曲线、直方图、雷达图等之后,再与知识库数据进行比对分析,得出分析结果,并根据经验或者配置信息决定是否触发警示和通知以及向设备电气系统发出指令等。

  1.2.3通信接口适配系统

  该系统通过数据总线(Data Bus)机制和接口适配(Interface  Adaptor)机制,利用通信适配器、数据转换/存取模块、定时器、XML配置文件4个核心部件,完成与各种设备电控系统、工业PC、应用软件系统的通信及数据转换。4个部件的结构如图2所示。

物联网通信系统结构
图2 通信系统结构

  定时器:控制针对PC通信的存取速率,针对PC通信的定时清零等;DB适配器:设计与工业PC中本地数据库的通信连接于其他应用软件系统的数据接口配置功能;FS适配器:针对其他应用系统或者工业PC的文件系统的存取;数据转换/存取模块:上层服务器与底层通信的中间层,负责数据转换、OPC实时通信数据更新以及关系型数据库更新。

  1.2.4应用功能扩展系统

  系统提供一整套完善的应用功能扩展机制。针对大量实时数据和历史数据.系统提供各种形式的输出配置功能.通过配置,用户即可拥有新的数据输出功能,包括各种报表、统计分析图形图表等。

  1.3系统实施标准设计

  1.3.1感知层

  目前,国内相关行业已经开始进行一些物联网研究与实践,在感知层利用了各种类型和品种的传感器或者模拟信号采集装置,其数据输出格式千差万别,没有一个统一的标准.不利于全国范围内物联网的资源共享以及产业化推广。在设计之初,就应充分考虑系统与各种PLC、现场总线网络、数据库系统、软件系统等各个层面的接口通用性。为此,拟提出一个感知层设备数据输出的格式标准.在标准得到验证之后,通过交流会等形式积极推广,为其他物联网同行以及应用系统提供商统一“语言”.促进物联网产业的健康发展。

  1.3.2网络层

  在网络层面,已经有非常成熟的体系和应用,包括现场总线网络、无线网络、以太网络、Internet网络等,每种网络都具备各自成熟的标准体系。但物联网在网络层的应用是多种网络集成的典型案例,关于多类型网络集成方面,业内并没有完善统一的标准。因此,应在进行充分的考察与调研的基础上,结合物联网技术要求,研究归纳了一套适用于大多数制造型企业基于生产设备的物联网网络应用标准,并利用系统实践对标准不断验证与改进、推广。

  1.3.3应用层

  在应用层,主要是专家系统、人工智能等基于IT的软件系统,国际上已经有专业的研究机构如MESA等进行了多年的研究,并总结了一套适用范围很广的标准体系。

  但物联网是一个相对新的系统理论,虽然已经有相关机构或者企业在进行实践和标准研究,但都尚在初级阶段。基于这种现状,该系统在物联网的应用层尝试了标准方面的研究与实践,并总结制造型企业的物联网应用软件标准模块及标准功能。

  2、系统架构方案

  2.1系统总体架构

  系统总体上采用三层架构设计:感知层、网络层、应用层。感知层主要由各种压力传感器、温度传感器、位移传感器、振动传感器组成,也称为“神经网络”。网络层分为3个部分:实现传感器分组互联的ASI现场总线网络,以设备为单位将部署于该设备上的各种传感器进行集成;工厂以太网络,利用无线路由、WiFi等技术将各ASI组连接起来:厂际网,将“神经网络”与“大脑中枢”连接起来,并提供对各种终端(手机、移动手持设备、计算机等)的访问支持。

  系统总体架构如图3所示。

物联网监控预警系统总体结构
图3 系统总体结构

  2.2感知层方案

  在每套设备的各个关键部位,根据设备硬件特征制定监控方案,安装部署一组传感器,实时采集该部位的温度、压力负载、相对位移量、振动频率和幅度等各种动态参数。传感器带有ASI现场总线接口,在设备层组成ASI网络。现场的传感网基站集成了ASI集线器和无线发射功能,基站模块通过无线接口将数字信号传输到无线路由设备,进入网络层。感知层结构原理如图4所示。

物联网感知层结构
图4 感知层结构

  2.3网络层方案

  网络层包括现场总线网络、区域无线网络和企业网络,利用现场总线网络将传感器、信号转换处理模块、生产设备的电气控制系统和ASI总线设备连接起来,既担负设备信号采集与处理的功能、也担负底层信号向应用层传递的功能,以及应用层人工智能分析结果的指令向设备电气控制系统传递的功能。其结构原理如图5所示。

物联网网络层结构
图5 网络层结构

  2.4应用层方案

  集成开发工具:Eclipse 4.20uno);开发语言:JAVA(jdk-7u21-windows-i586);关系数据库系统:Oracle llg;实时数据库系统:iHistorian;热备份系统:Rose HA:数据库设计工具:PLSql或者Toad for Oracle;系统建模工具:Rational Rose;测试工具:JUnit:团队开发版本工具:SVN;统计分析组件:JFreeChart;WEB服务器:Resin pro 4.0.22;前端RIA框架:ExlJs4.x。

  3、应用效益

  系统中应用到大量的传感器技术、现场总线技术、网络技术、IT技术、接口技术,这些技术的集成,为其它信息化行业提供了可借鉴参考的完整范例。

  该系统在设备出现故障的初期捕获故障征兆,在早期通过警示、短信、邮件等方式通知设备维护人员,及时更换相关部件,降低设备停机等直接风险以及连带效应引起的间接风险和大的事故,大幅度降低设备维护成本,延长设备寿命,降低故障频率,保证生产安全。

  本系统的研究成果集实施经验,为其它智能领域提供大量的借鉴经验和技术资源。

  4、结语

  物联网在国内的发展方兴未艾,正处在发展历史的初级阶段。这个阶段的奠基,将会对后来的物联网产业发展产生深远的影响,也是中国目前作为世界第二大经济体,在全球风行的物联网发展浪潮中能否占领领先地位的重要保障。本系统将为推进物联网的市场运用贡献-份力量。

责任编辑:涂君军
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