余智勇

（神木職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，陜西 神木 719300）

2015年，我國(guó)政府制定了“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃，“中國(guó)制造2025”是中國(guó)制造業(yè)在第四次工業(yè)革命下的一個(gè)重大舉措?；诠I(yè)基礎(chǔ)技術(shù)中的核心技術(shù)突破，“中國(guó)制造2025”主要涵蓋物聯(lián)網(wǎng)與人工智能以及大數(shù)據(jù)分析等方面[1]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過(guò)機(jī)器自我學(xué)習(xí)、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)裝置所提供的信息，讓人們能夠更好地了解系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)。當(dāng)前中小型煤化工企業(yè)對(duì)于設(shè)備的維護(hù)還處于修復(fù)性維護(hù)和預(yù)防性維護(hù)階段，對(duì)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的預(yù)測(cè)性維護(hù)暫時(shí)還未提出相關(guān)技術(shù)應(yīng)用。本文所提出的預(yù)測(cè)性維護(hù)是基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一種典型應(yīng)用，對(duì)于降低煤化工企業(yè)損耗成本以及提升生產(chǎn)效率有著明顯優(yōu)勢(shì)。本文基于煤化工企業(yè)為案例點(diǎn)，提出如何將預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)應(yīng)用在企業(yè)中并闡述具體實(shí)施路徑及策略方法。預(yù)測(cè)性維護(hù)運(yùn)作流程圖如圖1所示。

圖1 預(yù)測(cè)性維護(hù)運(yùn)作流程圖

1 預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的理論研究與設(shè)計(jì)

預(yù)測(cè)性維護(hù)分析系統(tǒng)以其對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理為主要特征。對(duì)設(shè)備進(jìn)行虛擬程序劃分為多個(gè)邏輯區(qū)域，建模并將其劃分成不同的邏輯單元，每個(gè)區(qū)域都有自己的特點(diǎn)。在實(shí)際使用預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)時(shí)，結(jié)合該系統(tǒng)所提供的相應(yīng)數(shù)據(jù)與資料，設(shè)備維護(hù)人員可以據(jù)此對(duì)生產(chǎn)設(shè)備作出評(píng)定，分析其性能降低或者失效原因，從而找出設(shè)備故障的具體原因。該系統(tǒng)具有多個(gè)傳感器，能夠?qū)崟r(shí)向外部傳輸數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行分析，判斷是否存在問(wèn)題，降低損失。

在國(guó)內(nèi)，預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)已有相關(guān)理論支撐與研究基礎(chǔ)。設(shè)備監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸與分析方面，提出基于PROFINET技術(shù)對(duì)設(shè)備故障診斷，并以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)再經(jīng)PROFINET歷史數(shù)據(jù)比對(duì)與分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)[2]，該技術(shù)主要應(yīng)用于汽車(chē)生產(chǎn)公司等；基于EHM系統(tǒng)解決了企業(yè)設(shè)備系統(tǒng)軟件不夠深度、架構(gòu)分散等缺陷，融合IT、DT、工業(yè)AI等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障診斷與在線監(jiān)測(cè)等智能化功能[3]，滿足預(yù)測(cè)性維護(hù)對(duì)企業(yè)的應(yīng)用；就物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)城市燃?xì)馓岢鲈O(shè)備監(jiān)控SCADA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[4]，基于云計(jì)算技術(shù)對(duì)無(wú)人零售終端設(shè)備提出遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[5]，兩者在實(shí)現(xiàn)智能化系統(tǒng)的同時(shí)，對(duì)預(yù)測(cè)性維護(hù)進(jìn)一步提出數(shù)據(jù)分析與設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的具體應(yīng)用。

在國(guó)外，主要集中在預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)的核心算法方面，以ANN為基礎(chǔ)，建立了風(fēng)電場(chǎng)模擬的數(shù)學(xué)模型。該模型對(duì)風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵零部件進(jìn)行故障分析，采用失效零件替代正常工況，對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況、故障工況進(jìn)行分析，并利用ANN方法對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)；通過(guò)使用工藝傳感器的數(shù)據(jù)，對(duì)工業(yè)企業(yè)的陽(yáng)極生產(chǎn)裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)故障診斷；為了解決齒輪的壽命預(yù)測(cè)問(wèn)題，采用加權(quán)放大的方法，將注意力機(jī)制引入到長(zhǎng)、短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，使其在一定程度上增大了輸入權(quán)重和回歸權(quán)重[6－7]。通過(guò)實(shí)例分析，證明了此方法的準(zhǔn)確性。

2 預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)在煤化工企業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前煤化工企業(yè)設(shè)備的維護(hù)方法主要有兩種，即故障修復(fù)和計(jì)劃修復(fù)，故障修復(fù)指在發(fā)生故障或設(shè)備損壞后進(jìn)行修復(fù)。在實(shí)際使用過(guò)程中，只有出現(xiàn)意外的中斷，相應(yīng)工作人員或者維護(hù)人員才會(huì)對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，也就是不定期維護(hù)。而計(jì)劃?rùn)z修，是按照時(shí)間來(lái)安排的，對(duì)煤化工企業(yè)中的設(shè)備定期進(jìn)行檢查與修復(fù)，分析有無(wú)故障，若出現(xiàn)設(shè)備故障就需要更換，以免發(fā)生更大的問(wèn)題，影響到整個(gè)煤化工的生產(chǎn)效率。目前，在煤化工企業(yè)中，這種維護(hù)方法被普遍采用，且對(duì)生產(chǎn)效率的影響相對(duì)較小。

在智能化的今天，大多數(shù)的煤化工企業(yè)都在向智能化方向發(fā)展，但大多對(duì)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和分析不全面不及時(shí)，所以不能對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和維護(hù)。設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)分析系統(tǒng)通過(guò)其本身的監(jiān)控軟件，對(duì)整個(gè)煤化工企業(yè)的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)與分析，其最大的優(yōu)勢(shì)就是可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障，分析原因，從而減少設(shè)備的維修和維護(hù)費(fèi)用，提升設(shè)備的利用率和生產(chǎn)能力。但是，目前來(lái)看，部分煤化工企業(yè)在實(shí)現(xiàn)設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)時(shí)，多受限于資金、技術(shù)與管理方面，使得現(xiàn)有的預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)難以普及更多的煤化工企業(yè)?；谠摲矫妫謩e就化工設(shè)備硬件、系統(tǒng)以及平臺(tái)等方面提出有效解決方案，提高預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)的普遍性。

3 預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)中設(shè)備監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析的設(shè)計(jì)應(yīng)用

本文主要是針對(duì)整個(gè)嵌入式主板進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。采用外部設(shè)備的擴(kuò)充，對(duì)煤化工企業(yè)設(shè)備的工作狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納與分析，將其傳送至數(shù)據(jù)服務(wù)器并實(shí)時(shí)顯示在終端上。工作人員就可以利用遠(yuǎn)程設(shè)備對(duì)煤化工企業(yè)設(shè)備的生產(chǎn)、操作進(jìn)度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而提高企業(yè)生產(chǎn)效率。應(yīng)用于煤化工企業(yè)的預(yù)測(cè)性維護(hù)設(shè)備監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)主要涵蓋硬件和軟件兩部分，以壓縮機(jī)監(jiān)測(cè)為例，預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析圖如圖2所示。

圖2 預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析圖

3．1 硬件方面

預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)中設(shè)備監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析的硬件主要包括主控芯片、傳感器、數(shù)據(jù)采集與服務(wù)器等。根據(jù)煤化工企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的成本以及具體需求考慮，主控芯片可選用ARM核心處理器，它是該系統(tǒng)的核心控制部分，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)歸類(lèi)、數(shù)據(jù)分析以及邏輯處理等重要環(huán)節(jié)，它的優(yōu)點(diǎn)在于體積小、功率消耗低、性能好、價(jià)格低。傳感器方面，仍以壓縮機(jī)為例，在其鍵相、殼體、十字頭以及氣缸等部位，分別布置鍵相傳感器、速度傳感器以及加速度傳感器，對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、連桿、壓差、液擊等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)收集和服務(wù)器的硬件部分，其原理在于采用專(zhuān)用的信號(hào)處理系統(tǒng)，利用A／D轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)字信號(hào)的實(shí)時(shí)采集。數(shù)據(jù)服務(wù)器為嵌入式網(wǎng)絡(luò)軟件的開(kāi)發(fā)提供了硬件支撐，實(shí)現(xiàn)了對(duì)模塊化用戶端軟件的要求。

3．2 軟件與操作方面

3．2．1 數(shù)據(jù)采集與分析

本系統(tǒng)內(nèi)置于數(shù)據(jù)采集裝置，通過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)板，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)傳感器的信號(hào)處理。A／D板讀取和寫(xiě)入存儲(chǔ)器，完成各個(gè)信號(hào)的特征提取，對(duì)設(shè)備的各個(gè)分系統(tǒng)進(jìn)行分析，并對(duì)其進(jìn)行無(wú)損壓縮，然后傳輸至現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器。

3．2．2 客戶端軟件

本系統(tǒng)采用嵌入式軟件的形式，嵌入到具體數(shù)據(jù)應(yīng)用中，根據(jù)用戶需求選擇功能應(yīng)用。一方面，能夠滿足個(gè)性化的功能要求；另一方面，在新功能模塊的開(kāi)發(fā)和加入過(guò)程中，原有的功能模塊不會(huì)受到影響。軟件的主要功能是：數(shù)據(jù)處理與通訊、專(zhuān)業(yè)圖形分析、報(bào)警監(jiān)測(cè)、診斷日志和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等。

3．2．3 數(shù)據(jù)傳輸與接口

預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可選用高通平臺(tái)，型號(hào)為MDM9215，并使用 QuectelEC204G無(wú)線通訊芯片。EC20能夠提供 LTE、GSM／GPRS等多種功能，而內(nèi)嵌板則是以u(píng)sb通訊為主。另外，由于工業(yè)攝影機(jī)拍攝的實(shí)景影像所占資料量大，若以串行方式傳送，會(huì)產(chǎn)生很大的時(shí)延導(dǎo)致無(wú)法接收影像，因此，工作人員在通信傳輸過(guò)程中可使用網(wǎng)口鏈接進(jìn)行資料傳送。

3．2．4 操作系統(tǒng)

選擇操作系統(tǒng)時(shí)，要根據(jù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和兼容性來(lái)確定不同的操作系統(tǒng)，在實(shí)際操作中，需要保障該系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性以及快速有效性。通過(guò)綜合比對(duì)，Linux系統(tǒng)是最好的開(kāi)發(fā)工具。因此，Linux被選中作為一個(gè)嵌入式系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

4 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在煤化工企業(yè)中預(yù)測(cè)性維護(hù)策略應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)作為近年來(lái)的熱門(mén)概念，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，它利用RFID等信息傳感裝置，將任意物體與因特網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)信息的傳遞和交流，實(shí)現(xiàn)智能化的設(shè)備識(shí)別、設(shè)備定位、設(shè)備監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)管理等。目前對(duì)物聯(lián)網(wǎng)體系的定義已有很多種，其中最常用的是感知層（設(shè)備感知）、網(wǎng)絡(luò)層（邊緣控制）和應(yīng)用層（云端控制）三層結(jié)構(gòu)[7]，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)管控系統(tǒng)框架如圖3所示。感知層（設(shè)備感知）是物聯(lián)網(wǎng)的核心，溫度與壓力傳感器、管網(wǎng)設(shè)備以及GPS定位等。感知層的功能是在一定范圍內(nèi)進(jìn)行目標(biāo)的識(shí)別與收集。網(wǎng)絡(luò)層（邊緣控制）包括因特網(wǎng)、有線與無(wú)線實(shí)時(shí)通訊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理與分析等，它類(lèi)似于人的大腦與神經(jīng)系統(tǒng)，將接收到的訊息傳遞、加工，實(shí)質(zhì)上是一種資訊與知識(shí)的集合。應(yīng)用層（云端控制）是將物聯(lián)網(wǎng)與個(gè)人、組織和其他系統(tǒng)的用戶聯(lián)系起來(lái)的接口，它必須與具體的工業(yè)需求結(jié)合起來(lái)，比如把它們和煤化工生產(chǎn)設(shè)備結(jié)合起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)煤化工生產(chǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制。本平臺(tái)采用的三層結(jié)構(gòu)以開(kāi)放式結(jié)構(gòu)為主，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能制造數(shù)據(jù)終端的訪問(wèn)，解決了異構(gòu)協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸和應(yīng)用級(jí)的實(shí)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)煤化工企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備及各個(gè)分設(shè)備的＂集散控制＂，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與管理，為預(yù)測(cè)性維護(hù)在煤化工企業(yè)中的應(yīng)用提供保障。

圖3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)管控系統(tǒng)框架

因此，隨著數(shù)字智能化在工業(yè)生產(chǎn)模式中的應(yīng)用，企業(yè)的運(yùn)作更加高效、經(jīng)濟(jì)。智能化生產(chǎn)給煤化工企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的高自由度限制帶來(lái)了生產(chǎn)管理的簡(jiǎn)化，對(duì)平臺(tái)以及相應(yīng)系統(tǒng)的操作要求提出了更高的要求。在現(xiàn)階段智能制造系統(tǒng)中，如果不按計(jì)劃進(jìn)行，就會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，產(chǎn)品交付能力降低。所以，針對(duì)煤化工企業(yè)的智能化生產(chǎn)，必然需要有一套與之相適應(yīng)的智能化維護(hù)體系。

5 結(jié)論

綜上所述，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的預(yù)測(cè)性維護(hù)中數(shù)據(jù)的采集技術(shù)和應(yīng)用方案，可以在煤化工各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)以及工業(yè)設(shè)備中進(jìn)行應(yīng)用。通過(guò)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的識(shí)別、跟蹤以及定位；對(duì)數(shù)據(jù)分析與處理；設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及數(shù)據(jù)傳輸、傳感器報(bào)警功能等方面綜合處理與運(yùn)營(yíng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控、設(shè)備故障報(bào)警的功能，達(dá)到煤化工企業(yè)預(yù)防性維護(hù)的目的。