李 丹,肖炳甲,2,季振山,王 勇,劉少清

1(中國科學院 合肥物質(zhì)科學研究院,合肥 230031)

2(中國科學技術(shù)大學,合肥 230031)

據(jù)美國權(quán)威咨詢機構(gòu)Forrester稱,到2020年,全球物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務與人和人之間的通信業(yè)務比例將達到30：1.物聯(lián)網(wǎng)讓人類生活發(fā)生了巨大的變化[1].在工業(yè)4.0的浪潮中,企業(yè)和公司正朝著智能化的方向發(fā)展,這不僅是公司內(nèi)部生產(chǎn)管理系統(tǒng)的智能化,也是產(chǎn)品的智能化[2].電機是工業(yè)領(lǐng)域應用最廣泛的動力設(shè)備,存在著一些潛在的重大事故,會造成人員和財產(chǎn)損失嚴重,因此,確定電機故障的根源是不可忽視的問題[3].電機的正常運行對企業(yè)的安全生產(chǎn)起著重要作用,本文通過對電機運行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集,對電動機故障進行預判和報警,并對采集到的數(shù)據(jù)進行合理的顯示,為相關(guān)人員提供了查看和分析數(shù)據(jù)的平臺.采集設(shè)備用于在工業(yè)運行中24小時不間斷地采集電機參數(shù),采集設(shè)備包括以下傳感器：加速度傳感器、速度傳感器、RTD溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器和電渦流位移傳感器.采集的數(shù)據(jù)以固定的時間間隔存儲在云數(shù)據(jù)庫中.相關(guān)人員和專家可登錄電機狀態(tài)監(jiān)測與顯示系統(tǒng)的網(wǎng)頁和移動終端應用程序,實時查看電機狀態(tài),獲取電機的故障報警,也可查詢電機歷史狀態(tài)信息.

圖1 系統(tǒng)框架圖

1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)框架如圖1所示.系統(tǒng)主要由5層組成：對象層、傳感器層、設(shè)備層和決策層、云平臺層和終端層.對象層包括需要在系統(tǒng)中監(jiān)控的電機組件.傳感器層是所有傳感器的集合.根據(jù)用戶的需要,系統(tǒng)主要包括以下傳感器：加速度傳感器、速度傳感器、RTD溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器和電渦流位移傳感器.采集設(shè)備主要采用NI PXI采集機.云平臺使用阿里云服務,包括存儲用戶數(shù)據(jù)、電機信息數(shù)據(jù)、故障原始數(shù)據(jù)、二級數(shù)據(jù)以及發(fā)布網(wǎng)頁和應用程序.終端層包括基于網(wǎng)頁的顯示終端和基于應用程序的顯示終端.主要功能包括遠程監(jiān)控診斷、數(shù)據(jù)分析、用戶認證等.基于Web的系統(tǒng)顯示電機的詳細信息,基于應用程序的系統(tǒng)直觀地顯示報警信息.

2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要功能劃分如圖2所示.它由3個主要模塊組成：用戶管理、電機管理和電機狀態(tài)監(jiān)測.用戶管理模塊包括用戶注冊、用戶登錄和用戶編輯.電機管理模塊包括硬件信息管理、屬性信息管理和狀態(tài)顯示.狀態(tài)監(jiān)測模塊包括實時數(shù)據(jù)顯示、故障層預警、運行監(jiān)測、故障報告、決策分析和數(shù)據(jù)頻譜.

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示.基于Web的電機狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)由3層組成：數(shù)據(jù)層提供相應的數(shù)據(jù)服務,基礎(chǔ)平臺層是實現(xiàn)系統(tǒng)的工具,功能層是系統(tǒng)向用戶提供的功能描述.數(shù)據(jù)是系統(tǒng)中決定系統(tǒng)可用性的重要部分.數(shù)據(jù)可分為兩部分：采集數(shù)據(jù)(實時采集數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù))和屬性數(shù)據(jù)(用戶數(shù)據(jù)、電機屬性數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)).在基礎(chǔ)平臺層,利用一些軟件平臺來實現(xiàn)這些功能.MySQL數(shù)據(jù)庫用于存儲那些容易檢索的數(shù)據(jù).EasyUI[4]是基于jQuery和angular的用戶界面組件集合.它可以為構(gòu)建現(xiàn)代和交互式的JavaScript應用程序提供基本的功能.PHP是一種流行的通用腳本語言,特別適合于Web開發(fā).HighCharts[5]是一個用純JavaScript編寫的圖表庫,它可以輕松的向網(wǎng)站或Web應用程序添加交互式圖表,并且對于個人學習、個人網(wǎng)站和非商業(yè)用途是免費的.HighCharts支持的圖表類型包括直線、圖形、面積圖、條形圖、餅圖、散點圖、米圖、氣泡圖、瀑布圖等,其中許多可以集成到同一圖表中,形成混合圖.

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 服務系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示.該系統(tǒng)是基于Linux/Apache/MySQL/PHP(LAMP)標準應用框架設(shè)計的.

圖4 服務系統(tǒng)架構(gòu)圖

(1)提取電機所有采集的原始數(shù)據(jù),保存到MySQL關(guān)系數(shù)據(jù)庫中；

(2)用戶通過認證后可以使用Web瀏覽器訪問系統(tǒng)；

(3)Web服務器不僅實現(xiàn)了HTTP和相關(guān)的TCP連接處理,還實現(xiàn)了HTTP協(xié)議、Web資源管理,并負責提供Web服務器管理功能,本系統(tǒng)使用的Web服務器是Apache.

3.3 云平臺及配置

阿里云平臺用于儲存原始數(shù)據(jù),提供數(shù)據(jù)和應用服務.云平臺的配置如下：

(1)CentOS Linux release 7.3.1611 64 bit Linux Operating System

(2)2 CPU,4 GB RAM,40 GB Hard disk,2 Mbps Bandwidth

(3)Private network

(4)MySQL 5.1/PHP 5.3/Apache 2.2

3.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

在傳感層,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣率為10 kHz.為了簡化問題,我們只提取原始數(shù)據(jù)并每隔1 ms將其存儲到MySQL數(shù)據(jù)庫中.主要的E-R圖如圖5所示.MySQL表如表1所示.每個電機的元數(shù)據(jù)保存到machinedata表中,如表2所示.

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 運維矩陣

模型-視圖-控制器(MVC)模式被用于開發(fā)系統(tǒng).為了提供用戶友好的界面,采用了jquery easyui框架.它是基于jquery的用戶界面插件的集合.用戶可以使用easyui快速構(gòu)建前端網(wǎng)頁.圖6顯示了基于easyui的網(wǎng)頁截圖.本頁面展示了運行維護矩陣,提供了詳細的電機信息和硬件參數(shù),用戶可在本頁訪問故障信息鏈接.

4.2 實時狀態(tài)監(jiān)控

系統(tǒng)中被監(jiān)控的電機上分布有8個傳感器.這些傳感器構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡,用于收集傳感器數(shù)據(jù),供用戶分析和查詢.在實時狀態(tài)監(jiān)控頁面,列出實時傳感器數(shù)據(jù),如果出現(xiàn)異常,相應的燈閃爍紅色,否則燈閃爍綠色.應注意,加速度數(shù)據(jù)有4個故障級別.表3顯示了警報級別描述.圖7顯示了實時狀態(tài)監(jiān)控的詳細信息.

4.3 電機信息列表

為了提供給用戶管理所有系統(tǒng)中相關(guān)電機的解決方案,實現(xiàn)了電機信息列表.管理員可以訪問汽車、工廠和城市之間的關(guān)系信息.此外,管理員還可以根據(jù)實際需要添加、編輯或刪除列表.典型的電機信息列表如圖8所示.

圖5 E-R圖

表1 MySQL表

4.4 運行監(jiān)控

為了更好地了解傳感器數(shù)據(jù)的變化趨勢,為故障分析提供有效的參考,本系統(tǒng)提供了波形圖.當用戶在頁面中選擇顯示周期和變量時,快速繪制所選周期的變量波形.故障等級也根據(jù)不同的故障程度預設(shè)并用不同的顏色標記.圖9顯示了近一小時內(nèi)加速度x的變化趨勢.橫坐標是時間,縱坐標是加速度x.此外,它還提供了查看波形部分細節(jié)的功能.通過按住鼠標左鍵并選擇某個波形段,可以放大波形.如圖10所示,我們還將中間級范圍以外的故障點用紅燈標記,方便用戶快速獲得故障點.HighCharts被用于可視化傳感器數(shù)據(jù).HighCharts可以輕松地向網(wǎng)站或Web應用程序添加交互式圖表,并可以快速處理20萬個數(shù)據(jù).

表2 Machinedata表結(jié)構(gòu)

4.5 故障報告

由于元數(shù)據(jù)信息已經(jīng)被采集和存儲,因此可以自動給出數(shù)據(jù)統(tǒng)計和故障報告.圖11顯示了詳細的故障報告.

圖6 運維矩陣

表3 故障級別說明

圖7 實時狀態(tài)監(jiān)控

圖8 電機信息列表

圖9 最近1小時加速度X波形圖

圖10 加速度X局部細節(jié)

圖11 故障報告

4.6 決策分析

決策分析的功能是提供不同電機數(shù)據(jù)之間的比較.圖12顯示了4臺電機在同一時間段內(nèi)的振動對比,用戶可以方便地分析這些數(shù)據(jù).

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于Web的電機狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng),為用戶獲取電機的所有采集數(shù)據(jù)和故障信息提供了依據(jù).系統(tǒng)主要功能有：運行維護矩陣、實時狀態(tài)監(jiān)測、故障報告、電機信息列表、運行監(jiān)測和決策分析.為了提高訪問速度,未來的工作可以把一些鍵值數(shù)據(jù)緩存到數(shù)據(jù)庫中.另外,為方便用戶分析數(shù)據(jù),更多的數(shù)據(jù)可視化形式可以被加入系統(tǒng)中.

圖12 決策分析