基于物联网的磨煤机远程监测诊断与服务系统

何玉龙，张永亮，张冬梅

(北京电力设备总厂有限公司，北京 102401)

0 前言

随着互联网+模式的推广和发展，越来越多的设备生产厂商希望通过互联网技术加快产品转型升级，实现产品的智能化。设备厂商可以通过远程智能监控与诊断，及时解决设备运行中遇到的各种问题，指导用户检修更换设备，节约大量现场取数据和分析的时间，为客户提供及时优质的维护服务，为设备的维修制度从定期维修和故障维修转变到预知性维修为主的状态维修提供了必要的技术手段[1-2]。

磨煤机远程智能监测诊断与服务系统是在传统离线磨煤机的基础上，通过综合应用最新传感器技术、现场总线技术、通信与信息技术等现代化的智能控制手段，实现实时监测设备运行状态的目的。在运行过程中，通过数据分析，能够定位故障点和预测故障发生时间、监视有害发展趋势、分析故障产生根源等，从而有效减少维护停机时间，提高生产效率。

1 开发背景

“工业4.0”是德国政府提出的一个高科技战略计划。该项目由德国联邦教育局及研究部和联邦经济技术部联合资助，投资预计达2亿欧元。旨在提升制造业的智能化水平，建立具有适应性、资源效率及人因工程学的智慧工厂，在商业流程及价值流程中整合客户及商业伙伴。其技术基础是网络实体系统及物联网[3]。

2014年12月，“中国制造2025”这一概念被首次提出。2015年5月8日，国务院正式印发《中国制造2025》。中国制造2025，是中国政府实施制造强国战略第一个十年的行动纲领。

《中国制造2025》提出，坚持"创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本"的基本方针，坚持“市场主导、政府引导，立足当前、着眼长远，整体推进、重点突破，自主发展、开放合作”的基本原则，通过“三步走”实现制造强国的战略目标。

2015年3月，李克强总理在政府工作报告中首次提出“互联网+”行动计划[4]。

2 开发目的

随着“互联网+”模式的推广和发展，越来越多的设备生产厂商希望通过互联网技术加快产品转型升级，实现产品的智能化。设备“上网”，一方面有助于厂商及时掌握设备运行状态，快速有效地实现预警信息的获知，通过大数据分析，为客户提供更全面、更周到、更准确、更节能的设备运行服务，保证设备安全可靠高效运行；另一方面，厂商可以通过远程诊断与控制，及时解决设备运行中遇到的各种问题，通过可视化技术，指导用户检修更换设备，节约大量现场取数据和分析的时间，为客户提供及时优质的维护服务，为设备的维修制度从定期维修和故障维修转变到预知性维修为主的状态维修提供了必要的技术手段。

目前我单位生产的辅机设备如磨煤机市场存量高达5 000余台，分布运行在全国乃至全球各地。这些设备的运行状态，我们并不能及时掌握其寿命如何，我们也无法预测当出现故障时，只能通过电话、现场等方式了解具体情况，提出解决方案。这些设备部分采用的是PLC控制，通过硬接线或者通讯方式把设备的状态反馈给DCS，同时接受DCS的指令，但PLC只能实现对现场程序的控制。

通过搭建磨煤机远程智能监测诊断与服务系统，将可实时获取设备更全面的状态参数，并建立产品数据中心，实现设备运行状态的远程监测、设备故障的远程诊断和设备程序的远程升级，大大提升设备的智能化水平。在系统中，通过数据分析工具和数学运行模型，实现设备的最优化节能运行[5]。

3 远程诊断与服务系统介绍

3.1 故障预测与健康管理(PHM)概述

PHM是Prognostic and Health Management 的缩写，即故障预测与健康管理。在电子系统中，PHM的主要意义在于，提前预知将要发生故障的时间和位置，预测整个系统的RUL(剩余使用寿命)，提高系统的运行可靠性，减少系统的维修费用和提高维修准确性，实现电子系统的CBM(基于状态的维修)。同时，PHM系统记录分析电子系统的健康数据，像管理人体健康一样，对整个系统进行健康管理。

在现代化工业中，PHM同样起着重要的作用。磨煤机远程智能监测诊断与服务系统是在传统设备的基础上，通过综合应用最新传感器技术、现场总线技术、通信与信息技术等现代化的智能控制手段，实时监测设备运行状态。通过数据分析，能够定位故障点和预测故障发生时间、监视有害发展趋势、分析故障产生根源等，从而有效减少维护停机时间、提高生产效率。

3.2 磨煤机远程智能诊断的作用

现代化的火力发电厂和大型钢铁企业中往往有许多大型机械设备，这些设备价值十分昂贵，所起的作用十分重要，而且它们多在重载、高速、多尘及有害介质等恶劣环境下承担繁重的工作。加之生产的连续性，往往单台机械设备出现故障，就会使整个生产受到影响，甚至被迫停产检修，不但影响生产计划的完成，而且会给企业造成巨大的经济损失。通过对关键设备实施在线监测分析，可将机组的实时运行状态传递给相关的设备管理人员，通过专业的诊断人员为设备预知维修、备件管理提供主要决策依据，保障设备安全、稳定运行，意义重大。比如，对磨机轴承、减速机以及机组其他重要设备加装智能传感器，信号通过现场设置的网关远传回公司，通过专家团队或专业分析软件对信号进行定性分析以及频谱分析，能够提前监测到设备问题，进行故障预判。能够避免故障停机造成的机组损失[6]。

3.3 系统组成及主要功能

3.3.1系统总体构架

智能监测诊断系统通过信息传输层和感知层进行数据交互，获取和下发信息至设备。基础架构提供网站的一般功能，它和智能监控系统共同组合提供网站门户。智能监控系统提供了接口管理功能，能够与其他系统进行互联互通，具体总体构架组成见表1。

表1 系统总体构架组成

其中，大数据中心可以实现智能健康监测、智能故障诊断、智能决策支持、智能运维指导、智能设备管理、智能备件管理。

状态监测系统由三级组成，采用分布式架构设计，保证系统良好的扩展性。

第一级为数据采集层。智能传感器和数据采集监测单元可以实时采集设备运行过程中的信号，监测单元通过有线以太网经过光交机最终接入网络，最终将数据传输至现场状态监测服务器。

第二级为客户现场设备监控系统。客户现场内可以配套一台服务器，用于存放从在线监测系统发回的设备状态数据，管理人员可通过电脑终端访问在线监测系统，了解监控机组的实时运行状态。

第三级为远程诊断系统。通过该系统，远程诊断专家可对所有纳入监控的设备进行远程数据分析与故障诊断，并将处理后的信息通过手机APP推送给客户，客户可实时了解设备的运行状态以及对应的设备运行维护建议。

3.3.2 系统硬件构架

监控系统硬件由现场传感器、无线/有线接收设备、现场PLC设备、路由器/网关设备、互联网平台、防火墙、交换机、物联网服务器、终端PC或无线终端机等设备构成。

现场传感器负责现场数据的采集，通过接收设备或PLC设备传输至现场网关。数据经过初步分析打包后通过互联网平台传输至公司服务器。在公司大数据中心可以进行各类数据的汇总与分析诊断，重要数据发送至管理人员的终端机上。

3.3.3 现场设备

现场需配置通用型网关设备，内置互联网模块，通过无线或有线信号接入互联网。现场设备会有通讯端口，可以通过接入通用型网关的方式实现将数据回传物联网服务器。通用网关是一个透传设备，兼具网口、RS485、RS232等物理接口，可与PLC或智能传感器无障碍连接。

3.3.4 远程监控中心设备

远程监控中心配置物联网服务器、防火墙及UPS等设备。物联网服务器是提供网站门户、采集数据、存储数据的设备。使用硬件防火墙是为了保护服务器的安全，防止物联网服务器被恶意破坏，保护设备及数据的安全。UPS不间断电源是为了突发事件预留数据保存和系统安全设置等的时间。

3.3.5 数据存储

采用两种方式存储数据：实时数据库和关系型数据库。实时数据库是一种非常快速的数据库，对于控制指令、实时状态等进行快速的存储与管理。关系型数据库是容量非常大的数据库，用于保存长期的数据，单表千万条级别的超大型存储能力。

3.4 系统的特点

3.4.1 是维修思想体系的变革

从过去基于状态的检修转变为基于需要的检修维护，这样可以极少中断运行任务，不影响进度安排。

3.4.2 测试设备的减少

仅需在关键位置进行必要在线监测，无需过多的中间测试保障设备，初级普通的测试设备可以取消。

3.4.3 对维护人员的益处

可以更深入地了解设备的健康状况，检查工作花费时间大幅减少，安排维修的能力大幅增强，故障定位水平提高，减少人为判断失误情况。

3.5 具体故障类型及测点布置

减速机作为磨煤机的关键部件，它的平稳运行关系着磨煤机及机组的安全运行。对减速机加装必要的智能传感器进行监测，可以及时发现减速机运行异常状态，对故障进行预警。减速机的故障比较容易出现在轴承、齿轮、高/低速轴及基础上，故障类型的诊断和故障位置的判断如表2所示[7]。

表2 减速机故障类型分类

对磨煤机关键测点进行实时监测，通过数据分析，能够定位故障点和预测故障发生时间、监视有害发展趋势、分析故障产生根源等，从而有效减少维护停机时间、提高生产效率。磨煤机主要监测点如表3所示。

表3 磨煤机主要监控测点布置

3.6 可实现的服务内容

通过搭建磨煤机远程智能监测诊断与服务系统，可以实现以下远程服务。

(1)为客户提供全生命周期管理的服务 通过物联网连接电力、化工等领域使用企业的磨煤机设备，从大量的数据中通过云计算进行远程筛选分析，从而对客户的设备进行安全监测。通过软件分析及专家诊断，得到设备实时状态，并可根据具体情况对客户发送体检报告，提醒客户相关情况，并提前对有问题的设备进行再制造。

(2)设备状态异常，APP/微信推送异常/故障信息。

(3)定期(每月)提供设备健康状态报告。

(4)利用“云”提供备件管理及备品采购服务。

(5)利用“云”和健康状态信息提供再制造服务。

4 结 论

本文以磨煤机为例，对磨煤机远程智能监测诊断与服务系统的开发背景及主要目的进行说明，对系统组成进行了详细分析研究，并对磨煤机可能出现的具体故障类型及测点布置进行了分析。分析了“云、大、物、移”等现代信息技术在制造业的实现过程，为电力设备制造企业打造工业领域的智能工业服务平台与设备全寿命周期的智能服务体系提供了一个范例。