基于轨道衡物联网大数据在线监测诊断技术的研究与应用

韩强 殷鹏

(酒泉钢铁(集团)有限责任公司检验检测中心 甘肃嘉峪关 735100)

大型钢铁企业物资计量的主要设备为轨道衡、汽车衡、平台秤等。随着酒钢（集团）公司产能的不断提升，利用轨道衡进行钢铁冶炼的原燃料、产品、铁水计量呈迅猛增长趋势。公司与内外部顾客依靠轨道衡进行结算，因此贸易结算成为了推动轨道衡计量技术不断发展的主要力量。轨道衡计量吨位较大，产品结算数额巨大，轨道衡计量过程中若误差有微小变化或设备隐患处理不及时，都会给企业和客户带来巨大损失。为此，轨道衡运维模式的进步与变革就成为目前最需要探索的主题。针对酒钢当前在用的13 台轨道衡运行状态管理中存在的问题，结合计量业务管理要求及技术发展方向，以借助物联网、状态在线监测、大数据分析诊断思路，提出轨道衡全寿命周期全天候的管理方案[1]，即基于轨道衡物联网大数据在线监测诊断。对轨道衡各部位运行状态进行数据整合、信息集成和信息共享，建立设备运行物联网监测和大数据集成共享评价模型，对实现轨道衡精细化管理和智能化维修具有重要意义。

1 轨道衡运维现状描述

酒钢（集团）公司轨道衡无人值守计量项目投运前，轨道衡现场配有操作人员进行计量、维护。各计量站全部实现无人值守计量模式后，计量员在集中计量大厅远程进行计量检斤工作，维护人员也随之改变了维护方式，采用更为先进的设备点巡检系统，以提高设备维护管理水平。即便如此，由于轨道衡现场无人值守，若设备出现故障，远程维护人员无法及时发现，只能靠传统的巡检来发现设备可能存在影响计量的问题。

2 轨道衡传统运维模式中存在的问题

轨道衡使用、维护中一直存在着维护难度大、处理时效性弱、巡检工作繁重、潜在问题不易被发现、机械部件故障影响行车安全等问题，根据近年轨道衡运维经验，困扰其使用、维护和管理的问题主要表现在以下3个方面。

2.1 人力资源的问题

轨道衡运维主力军平均年龄偏大，现场设备更新换代速度加快，新人运维经验需要时间积累，导致设备出现故障时，年龄大的职工对先进设备不甚了解，仅凭经验作业，新人因经验不足无法快速、准确地进行诊断并处理问题。

2.2 繁重的巡检任务

为优化人员配置，提高劳动生产率，造成人手不足；传统运维模式下人员分配，已无法满足轨道衡点多面广的地理位置需求。单点或多点故障，人员应接不暇，无法第一时间到达与处理，往往是亡羊补牢，事后补救，影响设备运行。

2.3 轨道衡的行车安全

轨道衡机械部分的隐患造成机车掉道，轻则损坏机车，重则物料（如铁水）外溢造成严重的人员及设备事故。

3 轨道衡物联网需求建模

轨道衡作为冶金企业大宗原料、产品结算的主要溯源设备。其硬件设备是保障计量准确、运行稳定的基础，是过衡安全的可靠保障。要对轨道衡进行全面有效的管理，需要多维度对硬件设备合理分类，并进行精细化管理[2]。具体分类情况如下。

3.1 轨道衡物联网设备分类

（1）轨道衡本体设备，包含线路轨、称量轨、过渡器、称重传感器、基础墩座、基坑、秤体限位器等。（2）轨道衡辅助设备，包含轨距轨缝过渡器监控摄像机、车厢监控摄像机、硬盘录像机等。称重仪表、称重传感器实时采集系统工作电压、电流、通信数据；测距传感器、角度传感器和液位传感器实时采集线路轨与承重轨轨距、承重轨高差、基坑液位等指标，形成系统诊断数据；控制器通过摄像头等外部辅助设施实时采集现场数据，形成外部环境数据。数据传输到在线监测服务平台或企业内部服务器，用户通过大数据平台进行数据调用。

3.2 轨道衡物联网设备数据特点

3.2.1 体量大

据统计，轨道衡信息化点巡检系统技术指标近20余项，随着这些指标数据的不断积累，数据量、工作量可想而知。若一天过衡200节，每台秤则有图像、视频约20 G数据增长量，可见在线监测数据具有大数据的大体量特征。

3.2.2 多样性

轨道衡在线监测数据多样性主要体现在设备结构复杂，轨缝、轨距、基坑液位等需监测物理量繁多，数据种类不同，有设备动态监测信息、人工检修维护信息等。

3.2.3 价值性

轨道衡在线监测数据蕴含着大量的分析价值，维保单位可利用积累的海量数据，通过类比、关联、趋势分析，从数据中发现宝贵知识，为设备管理，预知维修，安全风险防控提供辅助决策依据。

4 轨道衡运行大数据平台需求建模

轨道衡在线监测大数据平台的研究，主要是运用大数据[3-4]、云计算等现代信息技术，搭建监测大数据平台，整合物联网系统采集的海量状态数据，实现设备运行全寿命周期的管理，并对设备进行综合分析与故障诊断，从而为用户提供管理和维护决策支持。平台总体需求包括以下4方面内容。

（1）利用物联网搭建轨道衡状态监测体系，通过对传感器分零点、秤体总零点、传感器垂直度、轨缝、轨距、基坑液位等数据的收集，做到对轨道衡运行状态的实时监控。（2）构建数据采集终端，负责将衡器状态的数字信号进行收集、计算并通过网络发送到数据服务平台，既可以通过互联网将衡器状态信息发送到在线监测数据服务平台，又可以利用Intranet将衡器状态信息发送到企业内部服务器。（3）构建数据服务平台，由服务器、路由器、防火墙、平台管理软件组成。数据服务平台通过互联网接收到所有安装并正常运行的衡器在线监测设备发回来的所有状态数据。对这些数据进行相关的ETL 操作。对有效数据进行提取、分析、诊断、预警。为衡器在线监测平台客户端做数据支撑。（4）开发用户客户端。客户端包括PC端的浏览器和微信小程序。客户端负责展示衡器的状态等相关信息。

5 轨道衡物联网大数据对接整体架构

将轨道衡运行大数据和物联网对接整体架构分为大数据来源层、数据采集与存储层、数据故障诊断分析层、使用层，共4层架构。

5.1 大数据来源层

称重仪表、称重传感器实时采集称重系统的工作电压、工作电流、通信状态等数据；测距传感器、角度传感器和液位传感器实时采集轨道衡线路轨与承重轨轨距、承重轨高差、基坑液位等技术指标，形成内部诊断数据；控制器通过红外光栅、非接触式读卡器摄像头等外部辅助设施实时采集称重现场数据，形成外部环境数据。

5.2 数据采集与存储层

由于现场采集的数据结构具有不同的特征，所以该层中的组件必须能够以各种格式、大小和各种通信媒介中读取。技术难点主要集中在实时采集图像、视频等非结构化数据格式的兼容性。

5.3 数据故障诊断分析层

该层主要运用各类分析引擎、模型计算、数据规律预测、模型验证等手段，从数据中发现宝贵知识，为轨道衡管理、预知维修、安全风险防控提供辅助决策依据。

5.4 用户使用层

该层主要是将数据故障诊断分析层获取的价值数据发送给用户或维护单位。或者用户通过PC 端在IE浏览器的地址栏中输入地址，即可访问在线监测平台，手机微信小程序搜索“衡器在线监测平台”即可登录查询，实现状态监测可视化功能。

6 轨道衡在线监测诊断系统的实施方法

（1）通过轨道衡测距传感器、角度传感器和液位传感器，将轨道衡的传感器垂直度、轨距、轨缝、角高、基坑积水等基本数据进行实时监测。（2）数据采集终端负责将衡器状态的数字信号进行收集、计算并通过网络发送到数据服务平台；数据采集终端既可以通过互联网将轨道衡状态信息发送到在线监测数据服务平台，也可以利用Intranet 将轨道衡状态信息发送到企业内部服务器。（3）数据服务平台由服务器、路由器、防火墙、平台管理软件组成。数据服务平台通过互联网接收到所有安装并正常运行的在线监测设备发回来的所有状态数据。对这些数据进行相关的ETL操作。对有效数据进行提取、分析、诊断、预警。为轨道衡在线监测平台客户端做数据支撑。（4）客户端包括PC 端的浏览器网页版和微信小程序两个部分。用户在浏览器的地址栏中输入访问地址，即可访问衡器在线监测平台；也可通过手机“微信”中的小程序功能，搜索“衡器在线监测平台”即可。

7 轨道衡运行状态监测诊断系统的应用与效果评价

7.1 零点监测

传感器零点是反应传感器工作状态最直接指标，当传感器零点波动超出一定范围时，可能是此传感器工作状态欠佳，已经影响衡器计量精度了。系统通过监测传感器的分零点来保证衡器稳定运行。

7.2 轨缝监测

轨缝是指在断轨轨道衡中称重轨与引线轨之间的距离，轨缝过大或过小都会影响计量精度。为保证轨道衡正常运行，应使轨缝距离值保持在5～15 mm[5]。每个承载器选用4只测量精度为±0.5 mm的测距传感器对轨缝进行实时监测，当轨缝距离超出5～15 mm 时系统给予报警。处理完故障后，系统警示消失。

7.3 轨距监测

轨距是指在轨道衡两条称重轨之间的距离，轨距大小不仅影响轨道衡精度，更重要的是影响行车安全。因此，轨距监测是十分必要的。每个称重台面选用1只测量精度为±0.5 mm的测距传感器对轨距进行实时监测，在线监测诊断系统可以实时监控两条称重轨之间的轨距。当轨距超出-2～+5 mm 时系统给予报警。处理完故障后，系统警示消失。

7.4 角高监测

角高是指在轨道衡的秤体基础下沉变化量，秤体的角高不仅影响计量精度也影响行车安全。因此，秤体的角高监测是十分必要的。每个称重台面选用2只测量精度为±0.5 mm的测距传感器对轨距进行实时监测，在线监测系统可以实时监控衡器的角高大小。当角高超出设定范围时系统给予报警。处理完故障后，系统警示消失。

7.5 称重传感器垂直度监测

称重传感器是轨道衡称重的关键部件。传感器的倾斜角度不仅影响计量精度还影响行车安全[6]。因此，对传感器是否垂直的监测是十分必要的。选用与称重传感器数量相同的测量精度为±0.5°的角度传感器对称重传感器[7]垂直度进行实时监测，在线监测系统可以实时监控每一只传感器的倾斜角度。当传感器的倾斜角度超出设定范围时系统给予报警。处理完故障后，系统警示消失。

7.6 基坑积水位监测

秤体基坑积水会损坏传感器及轨道衡其他电器设备。在线监测系统通过监测基坑是否存在积水。当基坑积水到达一定高度时系统给予报警。处理完后，系统警示消失。

7.7 系统报警管理功能

该系统已对各监控节点的报警阈值范围做出设定，报警阈值的设定值应小于安全阈值，比如：轨缝的安全阈值是10 mm，则报警阈值设定为2 mm，当轨缝小于2 mm 时，系统以短信方式提示维护管理人员，但此时设备仍能正常使用。做到故障的事前预防，提高设备的在线运转率。

7.8 报警信息查询功能

系统针对每台轨道衡在一段时间内发生的报警情况进行统计。通过数据综合分析出轨道衡的运行状态，可以针对特定报警信息制订出相应的维修维护方案，保障衡器稳定运行。

7.9 微信小程序功能

登录微信小程序用户即可看到角色下的所有轨道衡。轨道衡列表中就是当前用户下所有正在运行的衡器和运行状态，出现异常的衡器显示在列表的顶端以醒目的红色显示状态异常，正常则以绿色显示。点击设备名称进入该轨道衡的详细监测界面，每一项监测数值后面都有一个状态图标显示，当该数值超出正常数据时则后边状态图标已红色显示[8]。正常以绿色显示。

7.10 为用户提供管理和维护决策支持

可以查看轨道衡在线监测平台自动给出的设备运行检修维护计划的详细内容。

8 结语

酒钢嘉北4#轨道衡大数据和物联网状态监测诊断技术的成功应用，转变了对现有设备的维护思路和方法，将轨道衡维护采用的事后维修和计划性维修向设备状态监测和预警诊断进行转变，以设备诊断、在线监测、预防性维修为手段，将物联网和大数据技术应用于轨道衡状态监测诊断中，使轨道衡点检由衡器状态监控设备自动完成，极大地降低了点检维护人员的劳动强度，设备点检工作实现了故障预警自动化，提高了设备安全性、稳定性，达到了“防患于未然”的维护方式。