基于物联网+APP的设备状态监管系统

林春荣，杨晓英，张志文

（河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471003）

1 引言

随着制造业设备不断朝着大型化、复杂化和自动化方向发展，设备的状态监管和维修难度日益增大。传统的设备故障事后维修与计划维修已经不适应精益生产需求，采用新一代信息技术来辅助设备状态监管，进行设备状态实时监控、数据采集、故障预测和综合效能评估，有助于有效开展设备预防维修，保证设备正常运转，避免过度维修和维修不及时，以及给企业造成不必要的浪费现象[1-2]。因此，研究基于物联网的设备状态监管系统对生产企业具有重要意义。

近期关于物联网设备状态监管系统的研究成果较少，类似的研究具有代表性的如文献[3]研究了智能状态监测技术，开发了数控机床状态监测系统，提高了设备运行稳定性。文献[4]研究了设备管理系统的状态信息与实际状态信息不一致的问题，应用物联网技术仅实现了设备故障状态信息的实时采集和更新，但不具有设备故障信息随时随地实时上报和查询功能。文献[5]建立了基于无线传感器网络的电气设备在线监控系统，解决了故障诊断和维护困难等监控系统问题。文献[6]在研究设备状态维修管理不足的基础上，研发了融合状态监测诊断技术的设备管理系统。现有研究成果在设备状态监管系统方面的研究各有侧重，但在移动终端实时接入设备状态监管系统方面的研究较少，难于做到设备信息实时采集、上传和查询的功能。

针对制造业设备状态实时监管的问题，采用新一代信息技术，研究具有智能感知、智能识别与智能终端功能的设备状态监管系统，建立基于物联网+APP的设备状态监管模型和数据挖掘模型，利用数据库和计算机网络等技术研发基于物联网+APP的设备状态监管系统，实现设备状态实时监控、数据采集、挖掘等智能化管理，达到设备信息随时随地实时上传和查询的目的。

2 物联网+APP技术应用

2.1 智能感知技术应用

传感器作为智能感知技术的重要感知设备，是实现对外界环境、人、物等的数据感知[7-8]。在企业设备管理过程中，通过传感器和数控设备的 PLC（Programmable logic Controller，PLC）等智能模块采集设备状态数据，为设备预防维修、数据挖掘与APP管理提供数据基础，同时数据挖掘的结果可反馈出设备的劣化趋势以及为制定下阶段的设备维修、保养等计划提供参考。

图1 智能感知技术在设备状态监管系统中的应用原理Fig.1 Principle Diagram of Intelligent Perception Technology in Equipment Condition Monitoring System

信息采集作为设备状态监管系统的主要环节，是实现设备状态管理的第一步。智能感知技术在设备状态监管系统中的应用原理，如图1所示。图中现场设备层是应用传感器和PLC实现运行数据的实时采集；网络层是将采集的运行数据上传至服务器存储处理；应用层是采用智能终端和PC端完成设备信息的录入和监控等管理工作。

2.2 智能识别技术应用

二维码作为智能识别的重要技术，具有信息储量大、修正能力强、成本低和易读取的特征[9]，可实现所有“物”数字化过程[10]。目前，制造业在智能终端应用方面还未普及，采用二维码作为智能终端APP的设备管理标签，不仅能使员工随时掌握设备最新动态，更能减少人工录入，提高设备管理水平。

在设备入系统形成固定资产后，设备状态监管系统为该台设备生成唯一的二维码标签。在设备管理工作时，通过智能终端APP为现场员工向设备状态监管系统录入或读取相关数据提供接口。每台设备的二维码标签包含设备唯一id、设备编号、设备名称与设备型号等信息，其中唯一id用于设备的全程跟踪。

2.3 智能终端APP技术应用

由于生产现场是远离办公场所，如何实现设备故障和维修等信息的实时上传和查询，成为提高企业设备管理效率的关键。本项目采用智能终端技术，结合设备状态监管系统，实现智能终端APP对设备业务的智能化管理，达到设备信息随时随地上传和查询的目的。

应用智能终端APP程序并结合二维码技术实现设备信息的快速管理。移动终端管理过程经过系统登录、选择操作模块、选择业务操作、扫描二维码、业务处理和系统退出等环节，每个环节向设备管理信息系统发送操作请求，当请求获得响应后进入到下个环节操作，直至业务结束为止。

3 基于物联网+APP的设备状态监管模型

3.1 设备状态监管模型

结合企业设备状态监管现状，构建基于物联网+APP的设备状态监管模型，如图2所示。该模型包括技术层、设备状态监管系统平台以及应用管理，体现了整个数据的采集、流动及应用的过程。技术层包含传感器、二维码和智能终端等技术，主要是支撑数据采集、状态监管和智能终端APP应用。设备状态监管系统平台包含数据采集、维修管理、资料档案、统计报表等信息。数据采集是反映设备运行状态的原始数据；采集的数据经过分析处理，形成设备的运行状态信息，包含设备劣化趋势等；维修计划由设备状态触发，可生成更加科学的计划；资料档案主要是存储设备状态等信息；统计报表是数据挖掘分析，获得隐藏的设备信息。应用管理层是应用PC端和APP完成设备状态信息的录入和查询等工作。

图2 基于物联网+APP的设备状态监管模型Fig.2 Equipment Condition Monitoring Model Based on Internet+APP

3.2 数据挖掘模型

3.2.1 数据采集内容

数据采集是通过物联网技术实时感知设备的运行状态量，目的是获取监测设备的运行状态信息，为设备状态预警、数据挖掘提供基础。例如通过采集温度、压力等运行参数，并与相应的参数阈值比较，达到设备状态预警的作用；通过采集故障时间、设备实动时间、产品总量、合格品等信息，进行数据挖掘分析，预测设备未来状态信息，用来指导设备的维修、保养等工作。

3.2.2 数据挖掘模型

对设备状态信息进行数据挖掘，并以图表的形式显示挖掘结果，例如挖掘设备故障率、利用率与设备综合效能等。设备故障率是在时间t内故障时间之和与设备工作运行时间之和的比值，如式（1）所示；设备利用率是在时间t内设备实动时间之和与制度时间之和的比值，如式（2）所示。设备综合效能（式5）是衡量企业生产效率的重要指标，由设备利用率、性能开动率（式3）和合格率（式4）等指标组成，通过对各指标分析，可以找到影响生产效率的瓶颈，从而指导改善工作。

式中：λ（t）—故障率；n—设备总台数；m—设备总故障或总实动次数；Ts（Te）—设备故障开始时间（结束时间）；Tr（Ta）—设备实动开始时间（结束时间）；Tstij（Tetij）—在t时间内第i（i=1，2，…，n）台设备的第j（j=1，2，…，m）次故障开始时间（结束时间）；Trtij（Tatij）—在t时间内第i台设备的第j次实动开始时间（结束时间）。

式中：Eu（t）—利用率；Tp—设备制度时间，单位为 min；Tpti—在 t时间内第i台设备的制度时间。

式中：Ep（t）—性能开动率；Eq（t）—产品合格率；OEE—设备综合效率；v—理论生产速率，单位为件/min；TQt（Tqt）—时间t内设备生产产品的总产量（合格数量）。

4 信息系统设计

根据系统需求分析，将系统分成14个模块，具体功能，如图3所示。由于系统功能模块多，只描述设备计划、设备故障和设备统计报表等模块，各模块信息可通过智能终端APP查询。

图3 设备状态监管系统功能模块Fig.3 Functional Module of Equipment Condition Monitoring System

（1）设备计划信息由设备运行状态触发，其维修内容包括设备修理、改造、定期检修和清洗换油等。设备修理涵盖计划的大修和项修；改造管理是在原设备基础上进行改造，使设备获得新功能；定期检修是在一定的周期内对设备例行检查；清洗换油是根据设备油品状况，做出换油或滤油的决策。（2）设备故障信息是记录设备的异常信息，并将异常信息存在故障数据库中，作为故障诊断的依据。故障信息包含故障原因和时间等，可通过智能终端实时上传故障信息，为数据挖掘和故障维修提供参考。（3）设备统计报表包含统计设备利用率、故障率和设备综合效能等。挖掘设备的利用率、故障率和设备综合效能，不但能预测下次故障的发生并做好预防工作，而且能掌握设备生产状况，合理安排下阶段的设备生产任务。

5 系统实现

本系统采用B/S架构，Eclipse为系统开发工具，Oracle10g为数据库技术。系统支持PC浏览器、手机/Pad浏览器、手机/Pad应用程序等多种终端的访问，可实现设备信息随时随地查询和上报功能。

5.1 系统PC端实现

系统PC端是以企业局域网为基础，在浏览器中输入指定的网址，在登录界面中输入正确的系统用户名和密码后即可登录系统，进入到主界面，进行相关的业务操作。对采集的数据进行挖掘分析，获得隐藏的设备信息，为改善设备管理工作提供参考。统计设备故障率与利用率，如图4所示。通过填写需统计的单位和时间，可查询出该单位在该段时间内的故障相关信息，进而生成故障率图与利用率图，通过分析故障率与利用率的发展趋势，并结合相关历史记录，可制定出更符合下阶段的修理、保养等计划，安排更合理的设备生产任务，使设备利用达到最大化。使用设备状态监管系统后，可以达到以下应用效果：（1）采用智能感知技术来监控设备，可以及时准确地对设备预防维修，减少不必要的故障停机；（2）挖掘分析设备综合效能，可快速了解生产设备瓶颈，更快的调整生产节奏；（3）根据系统提供的实时设备状态信息，为制定保养、维修等计划提供参考，从而确保设备完好率。

图4 设备统计报表Fig.4 Equipment Statistics Report

5.2 智能移动终端实现

设备状态监管系统实施智能终端实时接入功能，可实现设备管理的各类人员随时随地对设备状态信息实时查询和上报的效果。在智能终端上安装APP应用程序，点开APP输入正确的用户名和密码后，进入到主界面，如图5（a）所示。界面包含首页、系统设置与我的信息，在首页中选择需操作的模块可完成相关业务的查询和录入工作，或点击首页右上角的符号，选择二维码扫描，扫描的结果，如图5（b）所示。系统设置主要是对系统基本信息进行设置，如系统退出、数据备份等；我的信息包含职工号、姓名、所属单位等信息。

图5 智能移动终端界面Fig.5 Interface of Intelligent Mobile Terminal

6 结语

（1）应用物联网技术，为设备状态管理奠定了技术基础。即采用智能感知技术，实现了设备状态信息的实时采集、传输与存储；采用智能识别技术为设备生成二维码标签，为智能终端APP管理奠定了基础。采用智能终端APP技术实现设备状态的可移动式管理。（2）构建基于物联网+APP的设备状态监管模型，体现了整个设备状态管理数据的采集、流动及应用的过程。（3）相对于设备故障率与利用率，挖掘分析设备综合效能，更能够反应出设备的全部生产能力以及准确的找出影响生产效率的瓶颈，提高设备综合效能。（4）实现了设备状态监管系统与智能终端APP协同管理功能，改变了企业多年来传统的设备维修模式，实现了设备管理创新，达到了设备状态实时监管、信息实时上传和查询的目的。