國內(nèi)大部分制造型企業(yè)設(shè)備維護成本居高不下，設(shè)備壽命期普遍達不到設(shè)備出廠標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的壽命：偶發(fā)故障頻繁，故障恢復(fù)困難、恢復(fù)周期長，對企業(yè)生產(chǎn)效率和整體效益造成嚴重影響：有的設(shè)備必須預(yù)防性維修，有的設(shè)備重點部位的隱性故障發(fā)展成顯性故障時，會造成設(shè)備使用成本大幅度增加。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運用能夠針對加工制造業(yè)應(yīng)用環(huán)境。提供預(yù)警功能.防止出現(xiàn)重大故障和危害。

　　設(shè)備綜合監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng).綜合運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、無線技術(shù)、GPS、M2M技術(shù)和軟件技術(shù)，針對工業(yè)機器、機車、輪船等設(shè)備的重點部位運轉(zhuǎn)情況進行全面監(jiān)控，并依據(jù)專家系統(tǒng)的智能分析判斷，提早發(fā)現(xiàn)設(shè)備重點部位的初期故障.提供關(guān)鍵設(shè)備故障預(yù)警功能。通過物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)能夠向設(shè)備維護技師發(fā)出警報信息，從而達到降低設(shè)備重大故障發(fā)生率、延長設(shè)備壽命、消弭運行風(fēng)險、有效減少甚至杜絕設(shè)備事故、保證生產(chǎn)安全、提高企業(yè)生產(chǎn)效益的目的，為企業(yè)設(shè)備管理提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)。

　　1、系統(tǒng)設(shè)計

　　1.1系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

　　系統(tǒng)運用物聯(lián)網(wǎng)先進技術(shù).進行系統(tǒng)配置，運用無線傳感技術(shù)、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及人工智能等技術(shù).將全廠設(shè)備通過“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”和“信息網(wǎng)絡(luò)”與“專家系統(tǒng)”集成起來.實時采集設(shè)備運行情況。在設(shè)備發(fā)生故障的早期.根據(jù)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(yù)警或直接向“問題設(shè)備”發(fā)送指令.達到盡可能早地規(guī)避大的風(fēng)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(nèi)制造加工型企業(yè)規(guī)模大小不，設(shè)備品種和類型以及生產(chǎn)流程和工藝復(fù)雜多樣，設(shè)備綜合監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)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(yīng)用層.在架構(gòu)和技術(shù)上都必須考慮通用化和可配置化的要求。通過適當(dāng)?shù)呐渲煤托》秶�調(diào)整，使其能適應(yīng)不同企業(yè)在生產(chǎn)、管理、需求等方面的不同特點。要以關(guān)鍵設(shè)備為切入點.以設(shè)備互聯(lián)互通、遠程專家診斷為技術(shù)目標(biāo)，從而實現(xiàn)通用行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的整合和普。

　　該系統(tǒng)現(xiàn)已完成了完整模型的構(gòu)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(chǎn)系統(tǒng)全部關(guān)鍵設(shè)備，提高設(shè)備有效作業(yè)率.降低設(shè)備重大維修費用和故障率。

　　1.2應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　1.2.1知識庫系統(tǒng)

　　對設(shè)備運行狀態(tài)建模，利用大量的歷史數(shù)據(jù)建立知識庫，主要包括設(shè)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(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)作為人工智能分析判斷的依據(jù)，并接受人工智能系統(tǒng)的不斷糾正或校準(zhǔn)。

　　1.2.2人工智能系統(tǒng)

　　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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行比對分析，得出分析結(jié)果，并根據(jù)經(jīng)驗或者配置信息決定是否觸發(fā)警示和通知以及向設(shè)備電氣系統(tǒng)發(fā)出指令等。

　　1.2.3通信接口適配系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)總線(Data Bus)機制和接口適配(Interface  Adaptor)機制，利用通信適配器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shè)備電控系統(tǒng)、工業(yè)PC、應(yīng)用軟件系統(tǒng)的通信及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。4個部件的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　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(shè)計與工業(yè)PC中本地數(shù)據(jù)庫的通信連接于其他應(yīng)用軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口配置功能；FS適配器：針對其他應(yīng)用系統(tǒng)或者工業(yè)PC的文件系統(tǒng)的存取；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換/存取模塊：上層服務(wù)器與底層通信的中間層，負責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、OPC實時通信數(shù)據(jù)更新以及關(guān)系型數(shù)據(jù)庫更新。

　　1.2.4應(yīng)用功能擴展系統(tǒng)

　　系統(tǒng)提供一整套完善的應(yīng)用功能擴展機制。針對大量實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù).系統(tǒng)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(shù)據(jù)輸出功能，包括各種報表、統(tǒng)計分析圖形圖表等。

　　1.3系統(tǒng)實施標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計

　　1.3.1感知層

　　目前，國內(nèi)相關(guān)行業(yè)已經(jīng)開始進行一些物聯(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)輸出格式千差萬別，沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn).不利于全國范圍內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)的資源共享以及產(chǎn)業(yè)化推廣。在設(shè)計之初，就應(yīng)充分考慮系統(tǒng)與各種PLC、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等各個層面的接口通用性。為此，擬提出一個感知層設(shè)備數(shù)據(jù)輸出的格式標(biāo)準(zhǔn).在標(biāo)準(zhǔn)得到驗證之后，通過交流會等形式積極推廣，為其他物聯(lián)網(wǎng)同行以及應(yīng)用系統(tǒng)提供商統(tǒng)一“語言”.促進物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

　　1.3.2網(wǎng)絡(luò)層

　　在網(wǎng)絡(luò)層面，已經(jīng)有非常成熟的體系和應(yīng)用，包括現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)絡(luò)、Internet網(wǎng)絡(luò)等，每種網(wǎng)絡(luò)都具備各自成熟的標(biāo)準(zhǔn)體系。但物聯(lián)網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)層的應(yīng)用是多種網(wǎng)絡(luò)集成的典型案例，關(guān)于多類型網(wǎng)絡(luò)集成方面，業(yè)內(nèi)并沒有完善統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。因此，應(yīng)在進行充分的考察與調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)要求，研究歸納了一套適用于大多數(shù)制造型企業(yè)基于生產(chǎn)設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，并利用系統(tǒng)實踐對標(biāo)準(zhǔn)不斷驗證與改進、推廣。

　　1.3.3應(yīng)用層

　　在應(yīng)用層，主要是專家系統(tǒng)、人工智能等基于IT的軟件系統(tǒng)，國際上已經(jīng)有專業(yè)的研究機構(gòu)如MESA等進行了多年的研究，并總結(jié)了一套適用范圍很廣的標(biāo)準(zhǔn)體系。

　　但物聯(lián)網(wǎng)是一個相對新的系統(tǒng)理論，雖然已經(jīng)有相關(guān)機構(gòu)或者企業(yè)在進行實踐和標(biāo)準(zhǔn)研究，但都尚在初級階段。基于這種現(xiàn)狀，該系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層嘗試了標(biāo)準(zhǔn)方面的研究與實踐，并總結(jié)制造型企業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用軟件標(biāo)準(zhǔn)模塊及標(biāo)準(zhǔn)功能。

　　2、系統(tǒng)架構(gòu)方案

　　2.1系統(tǒng)總體架構(gòu)

　　系統(tǒng)總體上采用三層架構(gòu)設(shè)計：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)”。網(wǎng)絡(luò)層分為3個部分：實現(xiàn)傳感器分組互聯(lián)的ASI現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，以設(shè)備為單位將部署于該設(shè)備上的各種傳感器進行集成；工廠以太網(wǎng)絡(luò)，利用無線路由、WiFi等技術(shù)將各ASI組連接起來：廠際網(wǎng)，將“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”與“大腦中樞”連接起來，并提供對各種終端(手機、移動手持設(shè)備、計算機等)的訪問支持。

　　系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　2.2感知層方案

　　在每套設(shè)備的各個關(guān)鍵部位，根據(jù)設(shè)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(shù)。傳感器帶有ASI現(xiàn)場總線接口，在設(shè)備層組成ASI網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場的傳感網(wǎng)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(shù)字信號傳輸?shù)綗o線路由設(shè)備，進入網(wǎng)絡(luò)層。感知層結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。

圖4 感知層結(jié)構(gòu)

　　2.3網(wǎng)絡(luò)層方案

　　網(wǎng)絡(luò)層包括現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)、區(qū)域無線網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，利用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)將傳感器、信號轉(zhuǎn)換處理模塊、生產(chǎn)設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)和ASI總線設(shè)備連接起來，既擔(dān)負設(shè)備信號采集與處理的功能、也擔(dān)負底層信號向應(yīng)用層傳遞的功能，以及應(yīng)用層人工智能分析結(jié)果的指令向設(shè)備電氣控制系統(tǒng)傳遞的功能。其結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)

　　2.4應(yīng)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(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：Oracle llg；實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：iHistorian；熱備份系統(tǒng)：Rose HA：數(shù)據(jù)庫設(shè)計工具：PLSql或者Toad for Oracle；系統(tǒng)建模工具：Rational Rose；測試工具：JUnit：團隊開發(fā)版本工具：SVN；統(tǒng)計分析組件：JFreeChart；WEB服務(wù)器：Resin pro 4.0.22；前端RIA框架：ExlJs4.x。

　　3、應(yīng)用效益

　　系統(tǒng)中應(yīng)用到大量的傳感器技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、IT技術(shù)、接口技術(shù)，這些技術(shù)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(tǒng)在設(shè)備出現(xiàn)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(shè)備維護人員，及時更換相關(guān)部件，降低設(shè)備停機等直接風(fēng)險以及連帶效應(yīng)引起的間接風(fēng)險和大的事故，大幅度降低設(shè)備維護成本，延長設(shè)備壽命，降低故障頻率，保證生產(chǎn)安全。

　　本系統(tǒng)的研究成果集實施經(jīng)驗，為其它智能領(lǐng)域提供大量的借鑒經(jīng)驗和技術(shù)資源。

　　4、結(jié)語

　　物聯(lián)網(wǎng)在國內(nèi)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(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響，也是中國目前作為世界第二大經(jīng)濟體，在全球風(fēng)行的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展浪潮中能否占領(lǐng)領(lǐng)先地位的重要保障。本系統(tǒng)將為推進物聯(lián)網(wǎng)的市場運用貢獻-份力量。

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本文標(biāo)題：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能裝備中的應(yīng)用

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