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2019.05.28

基于工业互联网平台的设备远程监测诊断测试床

朗坤智慧成立于1999年,总部位于江苏省南京市,是国内领先的工业领域信息化整体解决方案提供商。公司秉承“连接、共享、融合、生态”的经营理念,持续创新,开放合作,在“智慧工厂、智慧园区、智慧城市”领域构建起“管理咨询、解决方案与产品、IT运维服务、IT监理服务”的全流程全寿期服务体系。

一、关键词

远程诊断、边缘计算、数据网关、工业大数据、设备感知、专家诊断系统

二、发起公司和主要联系人联系方式

发起公司
朗坤智慧科技股份有限公司
主要联系人
严云峰,副总经理,负责本项目的总体策划和研发组织工作,13913940312。


三、合作公司

江苏省国信资产管理集团有限公司,火电关键设备监测;
山东能源临沂矿业集团责任有限公司,煤矿关键生产设备监测;
南京大学,提供故障诊断人工智能算法模型。


四、测试床项目目标和概述

本测试床项目针对当前工业设备管理、运维检修领域存在的问题,提出一种基于工业互联网的设备远程监测与故障诊断解决方案,广泛采集各种大型工业设备运行和状态监测数据,建立设备大数据平台,采用专业的信号分析技术,将远程技术专家人工诊断与智能诊断相结合,解决目前工业设备故障诊断面临的故障样本少、专业技术人员缺乏等矛盾,为工业企业提供远程监测、故障诊断等专业的运维服务。

五、测试床解决方案架构

(一)     测试床应用场景
建立车间、部门、工厂、集团、云平台五级应用,主要应用场景如下:
l  车间
数据检测、设备检查,接收平台设备诊断报告及运维检修改善建议。
l  部门
设备监视、预警信息处理,辅助分析设备状态,调度车间运行方式。
l  工厂
全厂综合监视,处理关键设备状态异常事件,执行集团设备管理及生产调度指令。
l  集团
全集团设备状态评估、统计对标分析、异常监控、检修运维策略优化。
l  云平台
专家远程诊断服务、设备故障预警审查、设备数据建模维护配置。

(二)      测试床重点技术
1.      数据采集技术
设备状态监测与故障诊断面向的对象复杂,数据源多种多样,有离散控制系统(DCS)、管理信息系统(MIS)、厂级监控系统(SIS)、数据采集与监控系统(SCADA)等,以及设备设计、试验、维修等相关数据的EAM系统等。测试床需要具备对不同设备的监测仪表、终端、控制系统等数据源的海量实时/非实时数据进行统一采集、处理、传输、存储和管理的能力。

2.      工业网关平台
设备互联是工业企业实现智慧化转型的第一步;朗坤从提升设备连接能力与设备智能化两方面入手,通过智能化的网关软件与完善的设备组网方案,打造一个智能工业物联网平台,帮助用户解决设备接入难、设备自主功能弱的难题。
朗坤从设备接入场景、设备接入网关、设备接入网络与安全、设备接入平台服务几个方面入手,设计了一套完整的工业设备物联网解决方案,目前解决方案已经开发落地,主要由设备端的网关软件、平台侧的设备接入管理系统以及完善网络接入硬件方案组成,朗坤工业物联网平台以其无处不在的智能化设备感知能力,能够为企业智慧化转型打下坚实的基础。


(工业物联网技术方案)


l  网关软件功能介绍
工业网关平台是朗坤工业物联网平台边缘侧解决方案的核心组件,朗坤基于19年的设备端数据采集处理经验,通过整合平台化思想、边缘计算概念以及互联网思维,打造了一个通用的工业设备智能连接平台。网关软件主要功能如下表。

功能类别

功能描述

采集功能

1、 按照配置定时执行数据采集任务
2、 接受控制指令,控制设备运行
3、 提供常用设备通讯协议库
4、 提供协议二次开发标准模板

计算功能

1、 完成一次采集数据的二次计算
2、支持计算脚本的编辑与测试工作

模型发布

1、 加载算法模型,通过分析设备原始数据给出决策指导
2、 模型库功能,支持自定义开发模型添加到模型库

本地缓存

提供数据共享平台,为边缘计算等功能提供数据接口

数据转发

1、 按照配置上传实时数据至云端
2、 网络异常数据缓存功能
3、 接收并下发云端控制指令

系统管理

系统配置、系统监控、日志管理、系统升级、远程控制

二次开发

1、 通讯协议二次开发
2、 设备模型二次开发

   
l  设备接入管理系统介绍
朗坤设备接入管理系统支持以租户为单位的设备统一管理,用户注册开通即可使用,能够实现对网关、设备的云端统一管理、监控。

模块名称

功能描述

设备接入

提供企业设备接入监控、配置、事件报警功能。

规则引擎

支持基于JSON、二进制格式的设备数据实时分发、存储。

接入SDK

提供Https、SDK(JAVA/C++等语言)等接口方便开发者基于平台做数据设备接入二次开发

数据存储

支持数据存储至时序数据库、关系数据库、NOSQL等

租户管理

租户的权限、授权信息,租户下用户账户信息

安全保护

从用户认证、通讯加密、权限控制等方面严格控制通讯过程,用户信息、数据的安全。

 
 
 
3.      时序数据库技术
TrendDB是朗坤自主研发的一套大型通用分布式时序数据库管理软件,包含完整的实时历史数据库系统,及应用开发所需要的套装软件:管理工具、开发工具、分析应用和对外接口。TrendDB提供全方位处理实时数据的功能,同时对开发应用提供了全面支撑。


 

在压缩效率、分布式、吞吐量、实时历史缓存等关键指标方面都处于领先地位,关键技术指标如下:

指标

备注

单服务数据库标签点容量

支持100万点

支持无限扩展

分布式支持

支持

支持分散部署,及无限标签点容量的平滑升级

吞吐量

100万事件/秒

具备时序数据库高事件并发处理能力,响应高并发访问需求

时间精度

1毫秒

数据标签测点时间存储精度达到毫秒级

最小数据刷新周期

100毫秒


平均压缩比

30:1

支持有损和无损压缩混合压缩,数据拟合还原精度无影响

数据采集率

100%

通过数据链接诊断和断点续传实现数据完整采集

用户并发访问数量

不限


备份与恢复

支持在线备份与恢复

支持在线增量备份

自定义在线计算功能

支持

高效的在线实时计算引擎

计算功能支持脚本

VBScript、C#语言

高级语言动态语义解析

专业计算库

支持

热力计算库、水蒸气库等专业计算库

云部署

支持

支持云端部署

 

 
4.      数字信号处理技术
采用数字滤波、计算阶比跟踪、包络解调及重采样等技术,用于工业设备振动监测信号降噪、变速变工况下振动信号分析、轴承部件故障微弱冲击信号提取等,实现设备故障特征提取,方便远程监测专家对设备故障进行分析诊断,或者通过机器学习算法实现设备故障智能诊断。
5.      人工智能机器学习技术
建立设备故障诊断模型,采用卷积神经网络等深度学习方法,对设备远程监测大数据平台收集的故障样本进行训练学习,不断提高模型诊断精度,实现设备故障的智能诊断。

(三)          技术创新性及先进性
1.      采用基于DSP+FPGA+ARM结构的嵌入式信号采集技术,增加了信号采集的实时性、可靠性和稳定性;
2.      采用边缘计算技术,系统具备一定的智能化预警能力;
3.      采用了计算阶比跟踪和数字包络分析等大量专业的信号分析技术;
4.      对振动数据的存储采取了时间稀释及工况标记相结合的优化技术,在常规存储硬件条件下同时满足了实时分析的高密度数据存储及异常数据的永久存储要求;
5.      采用多维专业检测综合状态评价技术,使诊断对象结果更加全面可靠;
6.      平台提供故障机理专家规则知识库诊断和大数据机器学习预测两种故障分析模式,可以根据设备模型和数据的完整度选择恰当的分析模型,提高了故障分析的适用性和准确性。

(四)          测试床解决方案架构
本测试床通过在设备层采集大型工业设备运行时DCS、SIS、DEH、PLC及部分智能仪表数据,以及转动设备运行时振动状态数据,远程传输到设备状态监测大数据平台,经过专业的信号分析技术进行信号预处理和特征提取,形成设备故障特征数据库,通过数据挖掘、技术专家人工分析、神经网络机器学习方法,建立设备故障诊断模型,形成故障诊断知识库,为工业设备运行提供基于工业互联网的远程监测、故障诊断专业技术服务和远程运维服务。



工业互联网平台架构图


六、预期成果

搭建数据中心、专家诊断系统、远程在线服务平台,组成工业互联网,将设备制造商、专业诊断专家服务团队、工厂(设备拥有方及使用方)、软件平台数据服务团队融入到一个平台,实现数据共享、专业知识共享、专家资源共享,通过移动数据降低设备人员流动成本,利用大数据分析技术,预测设备状态劣化趋势,优化设备运行维修策略,节约运维检修费用,提高设备效能和利用率。具体包括以下三个层面的预期成果:

(一)          测试床的预期测试结果,针对测试项
1.      建设一个行业大数据中心
以国信集团、临矿集团为基点,搭建行业设备数据中心,实时采集电厂、矿井设备数据,为大数据远程故障诊断提供数据支撑,使设备故障预测更精准、可靠;
2.      建设一个矿业、能源行业设备故障预测与健康管理平台
基于大数据,建立设备故障样本数据库,采用专家诊断与人工智能诊断相结合,实现故障早期预测以及设备健康评估;
3.      开辟一套行业设备服务模式
集聚专家资源,集中诊断;集中维修队伍,人才资源合理利用。使用方、生产商、专家、政府合作,搭建重型设备的制造、运维、诊断、检修生态圈,提供平台化服务,并能进行产业推广,推动矿山、能源等行业设备集聚。

(二)          商业价值
基于工业互联网平台的设备远程监测诊断测试床为企业、高校、研究院所、制造商、工业服务商提供了一个共享的技术服务平台,充分利用现有的高校、研究院、制造商、使用方等单位的专家资源和工业互联网平台的大数据与AI技术,为企业生产和运维服务提供远程技术支持,这一技术服务模式和共享服务平台具有广阔的应用市场,商业价值巨大。

(三)          经济效益
基于工业互联网平台的设备远程监测诊断测试床可以实现对大型工业设备的远程监测和故障诊断,充分利用制造商、高校、研究院所的技术专家,为工业企业设备管理提供技术指导,大幅降低企业设备维修成本,解决当前企业设备运行维护中存在的维修不足导致的故障频发以及过维修导致维修成本居高不下等问题,提高了企业设备管理效率、降低设备故障率和停产时间,提高了设备可用率,为企业创造可观的的经济效益。

(四)          社会价值
基于工业互联网平台的设备远程监测诊断测试床的应用推广,有力的推动了设备运行维护体系的变革,改变现有的设备预防性维护向预测性维护和状态检修方向发展,大大减轻预防性定期检修带来的社会资源的浪费(过维修)和人力成本的增加,同时远程监测诊断的推广也提升了设备技术专家这一紧缺资源的价值和有效利用率,对社会进步和技术发展起到积极地推动作用。


七、测试床技术可行性

本测试床需要测试的技术包括物理平台和软件平台两部分,以软件平台为主。

(一)    物理平台
l  振动传感器
采集精度、信号类型、数据同步性等。
l  网关设备
支持设备通过以太网、串口物理通讯;
通过透传方式采集数据;
支持4G、WIFI两种网络通讯模块,云端解析;
支持离线运行,通过移动APP配置。
l  手持终端
测温、测振、存储容量、电池容量、防护等级(防尘、防水、防爆、跌落)、摄像、定位、通讯网络等。
l  移动设备
操作系统、屏幕、通讯网络、电池容量、防护等级等。

(二)    软件平台
l  数据采集
本地缓存、自动恢复、稳定性、实时性、完整性、准确性、远程配置等。
l  数据存储
存储测点容量、存储精度、存储数据容量等。
l  数据服务
响应速度、开放程度、接口方式、数据安全等。
l  专家诊断
自动诊断、人工诊断、远程诊断、分析工具、分析模型等。
l  在线监视
刷新频率、监测范围、数据融合效果、用户体验等。
l  状态评估与预警
实时性、准确性、可追溯性等。


八、和AII技术的关系

(一)    与AII总体架构的关系
本测试床遵循并应用了AII总体架构中的网络互联、标识解析、平台与支撑、工业互联网数据、安全及应用中的一部分标准。关键部分详见下表:

AII总体架构标准

AII总体架构子标准

本测试床应用说明

网络互联标准

工厂内网络标准

矿井侧工业环网、OPC、Modbus、RS485等

标识解析标准

编码与存储标准

设备编码、故障模式编码、数据标签编码

平台与支撑标准

边缘计算标准

开放平台、网关、云计算协同

工业互联网数据标准

工业互联网数据管理标准

存储结构、数据字典、元数据、数据质量

工业互联网数据标准

工业互联网数据建模标准

静态属性、运行状态、工况规则、诊断模型

工业互联网数据标准

工业互联网大数据服务

大数据存储、大数据分析服务、数据建模、数据开放

安全标准

网络安全标准

电力行业安全防护

应用标准

个性化定制

按专业、按设备分析主题,支持个性化定制

应用标准

网络化协同

制造商、设备使用方、专家诊断团队、检修公司的业务协同

 
(二)      AII安全
遵循煤矿、电力行业安全防护规定,按照“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”的基本原则,采用在Ⅰ区与Ⅲ区之间配置物理隔离装置的部署方式,确保电力实时闭环监控系统及调度数据网络的安全,以抵御黑客、病毒、恶意代码等通过各种形式对系统发起的恶意破坏和攻击。

(三)      风险模型
厂矿侧部署工业环网及数据本地缓存、断点续传和自适应数据采集策略,以应对厂矿侧与集团侧或云端之间的通讯网络环境比较脆弱的实际问题。

(四)      安全联系人
胡杰英,负责本测试床项目的数据隔离、数据传输、数据授权等信息管理安全。

(五)      与已存在AII测试床的关系
本测试床采用了时间稀释、工况标记等振动数据的弹性存储,振动、红外、超声、电流频谱、油液等综合检测评估模型,远程在线诊断服务模式等多种独创实用技术,在平台层面实现了数据接入、数据建模与数据订阅的工业互联网远程专家诊断功能,与现有已存在AII测试床都存在巨大的差异。


九、交付件

第一阶段:建立智能传感器、设备网关、数据网关的数据传输通道,实现本地缓存、边缘计算、数据采集上传云端、远程配置管理等功能,阶段交付件为智能网关平台。
第二阶段:建立远程在线监测与参数预警平台,实现设备生产过程数据、振动检测数据、红外成像数据、油液化验数据、超声检测数据、电流频谱检测数据等复杂类型数据的长期存储、实时刷新与历史检索、参数异常预警等高效数据服务,阶段交付件为远程在线监测平台与大数据存储平台。
第三阶段:建立专家诊断系统与设备远程诊断平台,实现设备状态在线评估、远程专家诊断等专家远程诊断服务功能,阶段交付物为设备故障建模工具及设备故障远程诊断服务平台。


十、测试床使用者

电力集团、煤矿集团的设备诊断专家、设备管理专家、运行人员、检修人员都需要通过本系统监视设备运行状态,实现设备的运行优化与优化检修决策。
1.      设备诊断专家
熟悉设备结构、设备特性、故障模式,利用平台专家系统及分析工具,实现设备状态评估,为设备管理专家、运行人员、检修人员提供远程指导。
2.      设备管理专家
熟悉设备结构、设备特性,精通设备管理方法,利用检测数据及专家诊断数据,检查设备管理水平,制定设备运维、检修方案。
3.      运行人员
熟悉设备运行维护操作规程,接收平台预警通知信息、辅助诊断专家确认故障现象、接收设备管理专家和诊断专家的远程指导。
4.      检修人员
熟悉设备结构和检修操作规程,根据专家诊断系统及设备管理专家、故障诊断专家的状态评估结果、分析诊断结论及维修建议,接受远程维修策略指导。


十一、  知识产权说明

朗坤智慧科技股份有限公司对本测试床的建设、运营、使用拥有产权;
江苏省国信资产管理集团有限公司、山东能源临沂矿业集团责任有限公司对本测试床在各自集团内部的使用拥有产权。


十二、 部署,操作和访问使用

本测试床采用集中部署、多级应用的架构模式,需要将分散在全国各地矿站的7大业务系统的振动检测数据、生产实时过程数据及运维业务数据的采集传输并实现业务协同处理,贯穿矿侧工业环网、矿侧办公网络及集团办公网络,然后利用集团网络同步至工业互联网设备远程诊断云平台。本测试床存在地理分布广、网络通讯链路节点多、数据量大、数据结构复杂、时效性要求高等特点,为实现平台数据的可靠性、稳定性、准确性、实时性、全面性,拟采用以下网络拓扑结构:



十三、     资金

总投资:2500万元

资金来源:自筹

序号

支出科目

支出金额

研发费用支出(万元)

1

设备费

300

2

测试化验加工费

200

3

材料费

245

4

燃料动力费

20

5

会议费

10

6

差旅费

200

7

合作与交流费

75

8

出版\文献\信息传播\知识产权事务费

40

9

劳务费

100

10

人员费

1200

11

专家咨询费

40

运营管理费用

12

管理费

20

13

其他支出

50

14

合计

2500

 

十四、     时间轴

本测试床属于历时多年的研究项目,主要分为以下几个关键的时间点:
第一阶段为智能网关平台研发及试点实施阶段,计划历时6个月(2018.2~2018.7),完成临矿集团数据接入与存储工作;完成国信集团下属能源企业设备数据的接入与存储工作。

第二阶段为远程在线监测与参数预警平台研发与试点实施阶段,计划历时4个月(2018.8~2018.12),完成临矿集团的综合监视页面组态、设备数据关系建模、参数预警建模及专业诊断分析工具(振动分析、超声分析、电流频谱分析、红外摄像分析、油液质量分析)的研发。完成国信集团下属能源企业主要生产实时监视画面的建设,构建工厂工艺模型。

第三阶段为诊断模型深度应用阶段,计划历时8个月(2018.10~2019.5),建立煤矿重点设备类型的专家诊断模型。构建国信集团下属能源企业关键设备的设备画像,并实现关键设备的预测性维护。

第四阶段为建设行业生态服务圈,计划历时6个月(2019.6~2019.12),建立设备厂商、临矿集团、国信集团、专家诊断团队、专业检修公司的数据共享协同平台。基于临矿集团、国信集团的试点,共同向其它同类型企业输出平台的设备远程诊断能力。


十五、     附加信息

本测试床项目的关键功能模块,包括智能感知、信号处理、数据存储及专家系统知识库,都是基于平台化建模组态设计模式,具有很强的可移植性。采用的振动、红外、超声、油液、电流频谱、机器学习等关键专业检测诊断技术,可识别的故障机理具备一定的普适性,能够有效分析诊断旋转机械、电机、电气设备、真空类或高压类容器设备,除适合应用在火电、煤矿之外,也适宜于水电、风电、光伏发电、冶金、采矿等对设备可靠度要求高的重资产生产企业。

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