國內大部分制造型企業(yè)設備維護成本居高不下，設備壽命期普遍達不到設備出廠標準規(guī)定的壽命：偶發(fā)故障頻繁，故障恢復困難、恢復周期長，對企業(yè)生產效率和整體效益造成嚴重影響：有的設備必須預防性維修，有的設備重點部位的隱性故障發(fā)展成顯性故障時，會造成設備使用成本大幅度增加。物聯網技術的運用能夠針對加工制造業(yè)應用環(huán)境。提供預警功能.防止出現重大故障和危害。
設備綜合監(jiān)控與預警系統.綜合運用物聯網技術、現場總線技術、無線技術、GPS、M2M技術和軟件技術，針對工業(yè)機器、機車、輪船等設備的重點部位運轉情況進行全面監(jiān)控，并依據專家系統的智能分析判斷，提早發(fā)現設備重點部位的初期故障.提供關鍵設備故障預警功能。通過物聯網絡，系統能夠向設備維護技師發(fā)出警報信息，從而達到降低設備重大故障發(fā)生率、延長設備壽命、消弭運行風險、有效減少甚至杜絕設備事故、保證生產安全、提高企業(yè)生產效益的目的，為企業(yè)設備管理提供準確的數據依據。
1、系統設計
1.1系統設計目標
系統運用物聯網先進技術.進行系統配置，運用無線傳感技術、現場總線網絡技術以及人工智能等技術.將全廠設備通過“神經網絡”和“信息網絡”與“專家系統”集成起來.實時采集設備運行情況。在設備發(fā)生故障的早期.根據實時采集的信號利用知識庫進行智能判斷和分析.找出“問題部位”，并提供預警或直接向“問題設備”發(fā)送指令.達到盡可能早地規(guī)避大的風險，最大程度上降低損失，減少“多米諾骨牌式”連帶影響的目的。
國內制造加工型企業(yè)規(guī)模大小不，設備品種和類型以及生產流程和工藝復雜多樣，設備綜合監(jiān)控與預警系統的設計和研發(fā)需要滿足不同企業(yè)的實際情況。從感知層自下而上到應用層.在架構和技術上都必須考慮通用化和可配置化的要求。通過適當的配置和小范圍調整，使其能適應不同企業(yè)在生產、管理、需求等方面的不同特點。要以關鍵設備為切入點.以設備互聯互通、遠程專家診斷為技術目標，從而實現通用行業(yè)的物聯網絡的整合和普。
該系統現已完成了完整模型的構建，并進行了連續(xù)4個月的連續(xù)動態(tài)模擬測試。計劃在2014年前在條件成熟的制造型企業(yè)進行推廣，覆蓋生產系統全部關鍵設備，提高設備有效作業(yè)率.降低設備重大維修費用和故障率。
1.2應用系統結構
系統功能結構如圖1所示。
圖1 系統結構
1.2.1知識庫系統
對設備運行狀態(tài)建模，利用大量的歷史數據建立知識庫，主要包括設備運行在各種狀態(tài)下(最優(yōu)、正常、臨近故障、故障狀態(tài)等)的信號特征以及趨勢曲線等各種形式的信息數據。這些數據作為人工智能分析判斷的依據，并接受人工智能系統的不斷糾正或校準。
1.2.2人工智能系統
利用各種成熟的人工智能算法.例如隨機搜索算法、“爬山”算法、“退火”算法、“遺傳”算法等，對感知層采集的實時數據與知識庫進行分析比對，或者繪制曲線、直方圖、雷達圖等之后，再與知識庫數據進行比對分析，得出分析結果，并根據經驗或者配置信息決定是否觸發(fā)警示和通知以及向設備電氣系統發(fā)出指令等。
1.2.3通信接口適配系統
該系統通過數據總線(Data Bus)機制和接口適配(Interface Adaptor)機制，利用通信適配器、數據轉換/存取模塊、定時器、XML配置文件4個核心部件，完成與各種設備電控系統、工業(yè)PC、應用軟件系統的通信及數據轉換。4個部件的結構如圖2所示。
圖2 通信系統結構
定時器：控制針對PC通信的存取速率，針對PC通信的定時清零等；DB適配器：設計與工業(yè)PC中本地數據庫的通信連接于其他應用軟件系統的數據接口配置功能；FS適配器：針對其他應用系統或者工業(yè)PC的文件系統的存��；數據轉換/存取模塊：上層服務器與底層通信的中間層，負責數據轉換、OPC實時通信數據更新以及關系型數據庫更新。
1.2.4應用功能擴展系統
系統提供一整套完善的應用功能擴展機制。針對大量實時數據和歷史數據.系統提供各種形式的輸出配置功能.通過配置，用戶即可擁有新的數據輸出功能，包括各種報表、統計分析圖形圖表等。
1.3系統實施標準設計
1.3.1感知層
目前，國內相關行業(yè)已經開始進行一些物聯網研究與實踐，在感知層利用了各種類型和品種的傳感器或者模擬信號采集裝置，其數據輸出格式千差萬別，沒有一個統一的標準.不利于全國范圍內物聯網的資源共享以及產業(yè)化推廣。在設計之初，就應充分考慮系統與各種PLC、現場總線網絡、數據庫系統、軟件系統等各個層面的接口通用性。為此，擬提出一個感知層設備數據輸出的格式標準.在標準得到驗證之后，通過交流會等形式積極推廣，為其他物聯網同行以及應用系統提供商統一“語言”.促進物聯網產業(yè)的健康發(fā)展。
1.3.2網絡層
在網絡層面，已經有非常成熟的體系和應用，包括現場總線網絡、無線網絡、以太網絡、Internet網絡等，每種網絡都具備各自成熟的標準體系。但物聯網在網絡層的應用是多種網絡集成的典型案例，關于多類型網絡集成方面，業(yè)內并沒有完善統一的標準。因此，應在進行充分的考察與調研的基礎上，結合物聯網技術要求，研究歸納了一套適用于大多數制造型企業(yè)基于生產設備的物聯網網絡應用標準，并利用系統實踐對標準不斷驗證與改進、推廣。
1.3.3應用層
在應用層，主要是專家系統、人工智能等基于IT的軟件系統，國際上已經有專業(yè)的研究機構如MESA等進行了多年的研究，并總結了一套適用范圍很廣的標準體系。
但物聯網是一個相對新的系統理論，雖然已經有相關機構或者企業(yè)在進行實踐和標準研究，但都尚在初級階段。基于這種現狀，該系統在物聯網的應用層嘗試了標準方面的研究與實踐，并總結制造型企業(yè)的物聯網應用軟件標準模塊及標準功能。
2、系統架構方案
2.1系統總體架構
系統總體上采用三層架構設計：感知層、網絡層、應用層。感知層主要由各種壓力傳感器、溫度傳感器、位移傳感器、振動傳感器組成，也稱為“神經網絡”。網絡層分為3個部分：實現傳感器分組互聯的ASI現場總線網絡，以設備為單位將部署于該設備上的各種傳感器進行集成；工廠以太網絡，利用無線路由、WiFi等技術將各ASI組連接起來：廠際網，將“神經網絡”與“大腦中樞”連接起來，并提供對各種終端(手機、移動手持設備、計算機等)的訪問支持。
系統總體架構如圖3所示。
圖3 系統總體結構
2.2感知層方案
在每套設備的各個關鍵部位，根據設備硬件特征制定監(jiān)控方案，安裝部署一組傳感器，實時采集該部位的溫度、壓力負載、相對位移量、振動頻率和幅度等各種動態(tài)參數。傳感器帶有ASI現場總線接口，在設備層組成ASI網絡�，F場的傳感網基站集成了ASI集線器和無線發(fā)射功能，基站模塊通過無線接口將數字信號傳輸到無線路由設備，進入網絡層。感知層結構原理如圖4所示。
圖4 感知層結構
2.3網絡層方案
網絡層包括現場總線網絡、區(qū)域無線網絡和企業(yè)網絡，利用現場總線網絡將傳感器、信號轉換處理模塊、生產設備的電氣控制系統和ASI總線設備連接起來，既擔負設備信號采集與處理的功能、也擔負底層信號向應用層傳遞的功能，以及應用層人工智能分析結果的指令向設備電氣控制系統傳遞的功能。其結構原理如圖5所示。
圖5 網絡層結構
2.4應用層方案
集成開發(fā)工具：Eclipse 4.20uno)；開發(fā)語言：JAVA(jdk-7u21-windows-i586)；關系數據庫系統：Oracle llg；實時數據庫系統：iHistorian；熱備份系統：Rose HA：數據庫設計工具：PLSql或者Toad for Oracle；系統建模工具：Rational Rose；測試工具：JUnit：團隊開發(fā)版本工具：SVN；統計分析組件：JFreeChart；WEB服務器：Resin pro 4.0.22；前端RIA框架：ExlJs4.x。
3、應用效益
系統中應用到大量的傳感器技術、現場總線技術、網絡技術、IT技術、接口技術，這些技術的集成，為其它信息化行業(yè)提供了可借鑒參考的完整范例。
該系統在設備出現故障的初期捕獲故障征兆，在早期通過警示、短信、郵件等方式通知設備維護人員，及時更換相關部件，降低設備停機等直接風險以及連帶效應引起的間接風險和大的事故，大幅度降低設備維護成本，延長設備壽命，降低故障頻率，保證生產安全。
本系統的研究成果集實施經驗，為其它智能領域提供大量的借鑒經驗和技術資源。
4、結語
物聯網在國內的發(fā)展方興未艾，正處在發(fā)展歷史的初級階段。這個階段的奠基，將會對后來的物聯網產業(yè)發(fā)展產生深遠的影響，也是中國目前作為世界第二大經濟體，在全球風行的物聯網發(fā)展浪潮中能否占領領先地位的重要保障。本系統將為推進物聯網的市場運用貢獻-份力量。
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本文標題：物聯網技術在智能裝備中的應用
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