劉吉洲

（廣西華昇新材料有限公司，廣西防城港 538000）

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，制造業(yè)正逐漸邁入智能化和數(shù)字化時(shí)代。鋁加工行業(yè)在生產(chǎn)過程中面臨著設(shè)備故障、能耗管理及提升生產(chǎn)效率等多重挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的維護(hù)方式通常是基于固定的維護(hù)計(jì)劃，難以適應(yīng)設(shè)備狀態(tài)的動(dòng)態(tài)調(diào)整與變化，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，維護(hù)成本過高。而基于邊緣計(jì)算的預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)，則為解決這些問題提供了全新的思路和技術(shù)支持。近些年，邊緣計(jì)算已陸續(xù)在不同工業(yè)領(lǐng)域?qū)嵤┞涞?，如基于鋁加工企業(yè)原有的數(shù)據(jù)平臺(tái)，形成計(jì)算能力更強(qiáng)的邊緣云，開發(fā)多樣化的邊緣應(yīng)用，將其作為云計(jì)算的補(bǔ)充。通過實(shí)時(shí)采集、處理和分析設(shè)備數(shù)據(jù)，結(jié)合先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測設(shè)備的健康狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問題，并為維護(hù)人員提供精準(zhǔn)的維護(hù)建議，從而最大程度減少生產(chǎn)中斷，降低維護(hù)成本，提高生產(chǎn)效率。

1 邊緣計(jì)算賦能預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)

預(yù)測性維護(hù)是工業(yè)大數(shù)據(jù)和人工智能結(jié)合落地的重要應(yīng)用模式，是推動(dòng)傳統(tǒng)制造業(yè)向智能化發(fā)展的重要轉(zhuǎn)變。預(yù)測性維護(hù)在邊緣端的主要需求有功耗控制、終端管理、云邊協(xié)同、工業(yè)安全防護(hù)等。

邊緣計(jì)算在此架構(gòu)中賦能了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理，允許系統(tǒng)更及時(shí)地監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)、預(yù)測潛在故障，并生成維護(hù)建議。這種架構(gòu)通常還包括云端組件，用于存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

邊緣計(jì)算賦能預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)，由邊緣網(wǎng)關(guān)承擔(dān)更多工作，在云端，設(shè)備信息管理功能的主要任務(wù)是對(duì)接入的設(shè)備進(jìn)行有效管理。終端狀態(tài)的維護(hù)僅限于提供視覺呈現(xiàn)功能。故障診斷結(jié)合專家系統(tǒng)的復(fù)合診斷，顯著提升了診斷效率。安全加密是邊緣網(wǎng)關(guān)承擔(dān)的重要功能，并負(fù)責(zé)保證從邊緣網(wǎng)關(guān)到云端的數(shù)據(jù)安全，典型系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 典型邊緣計(jì)算賦能預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 邊緣網(wǎng)關(guān)堆棧

邊緣網(wǎng)關(guān)堆棧是指構(gòu)建邊緣網(wǎng)關(guān)所需的軟件和硬件組件的堆疊。其連接了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和云端系統(tǒng)，使得預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測和響應(yīng)。堆棧設(shè)計(jì)向下能夠兼容各物聯(lián)網(wǎng)終端，支持ARM 與x86系統(tǒng)，并配備了多種通信接口，確保與各種設(shè)備的兼容性。

2.2 邊云協(xié)同及邊邊協(xié)同

基于邊緣計(jì)算的預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)的重要特征在于充分利用邊緣設(shè)備的計(jì)算能力，將一部分工作從云端轉(zhuǎn)移到邊緣，同時(shí)確保邊緣與云端間的有效合作，以避免不必要的數(shù)據(jù)傳輸路徑，從而顯著提高了生產(chǎn)效率。其中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通是最大難點(diǎn)之一，通常，數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通依賴于通信設(shè)施的建設(shè)、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)識(shí)體系及OPCUA 等關(guān)鍵支撐技術(shù)。

2.3 邊緣安全

邊緣計(jì)算環(huán)境包括物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、邊緣網(wǎng)關(guān)和其他分布在網(wǎng)絡(luò)邊緣的計(jì)算資源。由于邊緣計(jì)算涉及物理設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)，因此其面臨一些特定的安全挑戰(zhàn)和考慮因素。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展，邊緣安全迎來了全新的解決思路。區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N分布式賬本數(shù)據(jù)庫，其去中心化的特性使得數(shù)據(jù)安全性大幅提升，因?yàn)閿?shù)據(jù)存儲(chǔ)在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上，沒有單一攻擊入口。將這些設(shè)備改造成區(qū)塊鏈的記賬節(jié)點(diǎn)，通過智能化改造和增加閃存等方式，將它們納入?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)。這將導(dǎo)致系統(tǒng)規(guī)模的急劇擴(kuò)大，但也為數(shù)據(jù)的多方交互提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，從而顯著增強(qiáng)了邊緣安全性。

3 鋁型材加工設(shè)備常見故障診斷

擠壓機(jī)是用于生產(chǎn)各種形狀的鋁型材的設(shè)備。在擠壓過程中，可能會(huì)出現(xiàn)一些故障導(dǎo)致設(shè)備停頓、生產(chǎn)癱瘓。目前大多數(shù)鋁型材制造企業(yè)，針對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的故障，采取的都是以事后診斷維修為主的被動(dòng)式維修方式，但從長期實(shí)踐來看，該種診斷方式難以滿足設(shè)備智能保障和維修優(yōu)化的現(xiàn)實(shí)需求。

目前，應(yīng)用較多的智能故障診斷方法有基于信號(hào)的故障診斷和基于模型的故障診斷?；谛盘?hào)的故障診斷及運(yùn)維方式，需要額外在設(shè)備關(guān)鍵零部件上加裝大量傳感器，獲取如振動(dòng)等信號(hào)，這不僅增加了運(yùn)維的成本，也給生產(chǎn)現(xiàn)場管理帶來了挑戰(zhàn)；基于模型的故障診斷方法也存在一定弊端，這主要是因?yàn)閿D壓機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)間相互影響，很難精確構(gòu)建設(shè)備模型，實(shí)際應(yīng)用效果并不理想?；谶吘売?jì)算的預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)具有更好的響應(yīng)速度、更高的實(shí)時(shí)性、更低的成本以及更好的適應(yīng)性和安全性，適用于多種應(yīng)用場景。

4 基于邊緣計(jì)算的鋁型材加工設(shè)備預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

4.1 需求分析

4.1.1 系統(tǒng)目標(biāo)

為解決上述問題，文章提出一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的擠壓機(jī)設(shè)備預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)，針對(duì)擠壓機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行深入分析，確定擠壓機(jī)的主要故障類別和影響因素。根據(jù)擠壓機(jī)異常原因分析，提取對(duì)故障變化敏感的特征參數(shù)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行特征參數(shù)采集。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建故障數(shù)據(jù)集和智能故障預(yù)測模型，并以各類故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)進(jìn)行模型訓(xùn)練，進(jìn)一步完善模型。通過對(duì)擠壓機(jī)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，提前預(yù)警具體故障，最終實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的擠壓機(jī)智能故障運(yùn)維新模式。

4.1.2 功能需求

（1）數(shù)據(jù)獲取。數(shù)據(jù)采集是前提，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)源是重要基礎(chǔ)。當(dāng)成功采集到了擠壓機(jī)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，接下來的關(guān)鍵是確保將這些數(shù)據(jù)從傳感器準(zhǔn)確、及時(shí)地傳輸?shù)竭吘壴O(shè)備，以進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作。

（2）數(shù)據(jù)處理。對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化與變化，再將預(yù)處理后的圖像作為輸入，進(jìn)行故障預(yù)測及診斷等工作。

（3）數(shù)據(jù)上云。將數(shù)據(jù)上傳至云端是邊緣計(jì)算和云計(jì)算間相互協(xié)作的關(guān)鍵步驟，以實(shí)現(xiàn)它們的協(xié)同優(yōu)勢并發(fā)揮最大效益。

4.2 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于邊緣計(jì)算的鋁型材設(shè)備預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)劃分為4 層：數(shù)據(jù)感知層、基于OPCUA 的網(wǎng)絡(luò)通信層、數(shù)據(jù)處理層、系統(tǒng)應(yīng)用層，整體框架如圖2所示。

圖2 基于邊緣計(jì)算鋁型材加工擠壓設(shè)備預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)框架

4.2.1 數(shù)據(jù)感知層

數(shù)據(jù)感知層是整個(gè)邊緣計(jì)算系統(tǒng)框架的最底層，鋁型材加工設(shè)備常見的狀態(tài)特性指標(biāo)包括電流、電壓、功率、溫度、振動(dòng)等指標(biāo)。文章所涉及的基于邊緣計(jì)算鋁型材加工擠壓設(shè)備預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)通過傳感器采集設(shè)備在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的各類信號(hào)，一旦發(fā)生問題需維護(hù)時(shí)，信號(hào)特征會(huì)發(fā)生改變，差異明顯的特征曲線為技術(shù)人員提供了便利，并基于此進(jìn)行后續(xù)的故障預(yù)測及診斷等研究。

4.2.2 基于OPCUA的網(wǎng)絡(luò)通信層

網(wǎng)絡(luò)層肩負(fù)著承上啟下的重要使命，向下聯(lián)通機(jī)械設(shè)備，向上連接數(shù)據(jù)處理層，數(shù)據(jù)在其層內(nèi)是雙向流通的，若指示燈亮、發(fā)生警報(bào)，警報(bào)器響起，緊急停機(jī)指令通過網(wǎng)絡(luò)通信層傳回工業(yè)現(xiàn)場。

硬件系統(tǒng)采用的是安徽容知日新嵌入式設(shè)備，作為完成云下沉的計(jì)算、存儲(chǔ)、分析等功能設(shè)備，采用RH2000智能網(wǎng)關(guān)來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接與協(xié)議轉(zhuǎn)換；軟件系統(tǒng)層面，OPCUA 協(xié)議代表了OPC 基金會(huì)對(duì)原有OPC協(xié)議的升級(jí)和優(yōu)化，其構(gòu)建了一個(gè)通信統(tǒng)一架構(gòu)，旨在很好地滿足基于邊緣計(jì)算的鋁型材加工擠壓設(shè)備預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)的實(shí)際需求。OPCUA 具體優(yōu)勢為：①統(tǒng)一性。通用接口集成了所有OPC 的特征和信息，如DA、HAD 等，接口更加統(tǒng)一，使用便捷。②兼容性。能夠同時(shí)兼容各類操作系統(tǒng)，具備一致簡單的接口和操作方式，這使得配置和使用變得更加簡便，優(yōu)化了用戶體驗(yàn)。③安全性。協(xié)議與應(yīng)用層全部都集成了更強(qiáng)大的安全措施。

本系統(tǒng)采用客戶端—服務(wù)器模式（C-S 模式），在這種模式下，客戶端具備從服務(wù)器讀取所需數(shù)據(jù)的能力，同時(shí)也能將數(shù)據(jù)寫入服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

4.2.3 數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理層位于邊緣端，集成了可用的計(jì)算和存儲(chǔ)資源，并承擔(dān)了運(yùn)行核心算法、進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理及執(zhí)行復(fù)雜數(shù)據(jù)分析操作的重要任務(wù)。將數(shù)據(jù)處理分析過程下遷到用戶邊緣端，直接在源頭對(duì)數(shù)據(jù)加工并及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行反饋，節(jié)省了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，降低了云中心壓力，減少邊緣計(jì)算資源的浪費(fèi)。

4.2.4 系統(tǒng)應(yīng)用層

系統(tǒng)應(yīng)用可將經(jīng)過邊緣計(jì)算處理的數(shù)據(jù)上傳至云端，以便進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)挖掘和備份等操作。其還具備在本地展示數(shù)據(jù)、觸發(fā)警報(bào)以及向技術(shù)人員發(fā)送提示信息等功能。文章針對(duì)基于邊緣計(jì)算的鋁型材加工設(shè)備擠壓機(jī)預(yù)測維護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行以下幾個(gè)方面的應(yīng)用。

（1）故障預(yù)警。根據(jù)擠壓機(jī)設(shè)備特征參數(shù)，如壓力、溫度、流量、擠壓速度、油箱油位等特征參數(shù)，通過傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分類，若發(fā)現(xiàn)異常，則提前發(fā)出異常警報(bào)，提醒技術(shù)人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行處理。

（2）故障診斷。設(shè)備每個(gè)部位發(fā)生損壞都會(huì)使得參數(shù)發(fā)生異常，可以根據(jù)采集到不同數(shù)據(jù)特征將故障位置進(jìn)行具體定位，在數(shù)據(jù)中心找到相對(duì)應(yīng)的故障數(shù)據(jù)；按照擠壓機(jī)的故障分類，從擠壓機(jī)故障歷史數(shù)據(jù)中搜集每種類別故障的數(shù)據(jù)。

（3）維修決策。維修決策層依據(jù)上述故障診斷的結(jié)果，為維修人員提供規(guī)范且切實(shí)可行的維修建議。

（4）其他方面。該系統(tǒng)具備將診斷結(jié)果和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云平臺(tái)的能力，以便進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、備份。

5 結(jié)束語

邊緣計(jì)算為鋁加工行業(yè)的預(yù)測性維護(hù)技術(shù)帶來了巨大的潛力，邊緣安全是實(shí)施邊緣計(jì)算預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。在采集、傳輸和處理數(shù)據(jù)的過程中，須采取適當(dāng)?shù)陌踩胧?，以確保數(shù)據(jù)的隱私和完整性。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，基于邊緣計(jì)算的預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)可為鋁加工行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力技術(shù)支持，企業(yè)應(yīng)積極運(yùn)用這項(xiàng)新技術(shù)，進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)的性能與效益，推動(dòng)鋁加工行業(yè)朝著更智能、更高效的方向前進(jìn)。