基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)泵運維管理平臺設(shè)計

楊露霞,錢依祎,王玉軍

(重慶川儀軟件有限公司，重慶 401121)

0 引言

石油化工、電力、水力等行業(yè)使用了大量的機(jī)泵，由于分布范圍廣、工作環(huán)境惡劣、持續(xù)運轉(zhuǎn)周期長、監(jiān)測手段落后等原因，其發(fā)生故障的概率高且不可預(yù)測；一旦發(fā)生故障，輕則引起相關(guān)設(shè)備停運，重則導(dǎo)致重大安全事故的發(fā)生，危及人身安全。重慶某機(jī)泵制造企業(yè)為提升公司機(jī)泵產(chǎn)品全壽命周期的質(zhì)量管控、減少設(shè)備運維和管理過程中人的主觀判斷對故障診斷的影響，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)泵運維管理平臺的設(shè)計理念。通過該運維管理平臺，為客戶提供“問題早發(fā)現(xiàn)、故障早干預(yù)、事故早預(yù)防、事故定位精確、智能運維管理”等售后服務(wù)，以加快企業(yè)售后服務(wù)的響應(yīng)速度，提升產(chǎn)品附加值，最終幫助企業(yè)降低機(jī)泵售后服務(wù)成本和使用成本，實現(xiàn)制造業(yè)向服務(wù)型市場延伸[1]。

1 機(jī)泵制造企業(yè)運維管理現(xiàn)狀分析

重慶某機(jī)泵制造企業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品為計量泵、高壓往復(fù)泵、礦漿膈膜泵、美國石油學(xué)會(American Petroleum Institute，API)標(biāo)準(zhǔn)離心泵、除鱗泵，以及以泵為核心的機(jī)電一體化系統(tǒng)，可輸送各種介質(zhì)，廣泛應(yīng)用于礦山、有色金屬、黑色金屬、煤化工、石油石化、電力、市政、核工業(yè)及國防等領(lǐng)域。該企業(yè)因產(chǎn)品種類多樣以及企業(yè)客戶群地理分布廣、行業(yè)跨度大等原因，在機(jī)泵運維管理方面存在諸多不足。

①機(jī)泵運維管理方式落后。

企業(yè)出廠機(jī)泵大多零散地分布在全國各地，大部分客戶采用傳統(tǒng)紙質(zhì)文檔記錄機(jī)泵運維管理情況，機(jī)泵制造企業(yè)無法管理運維數(shù)據(jù)和信息。從管理方式來看，在應(yīng)急指揮調(diào)度、應(yīng)急維修、維修記錄查閱、巡檢/點檢結(jié)果反饋等諸多方面存在缺乏統(tǒng)籌安排、耗時耗工、反饋滯后、客戶生產(chǎn)效益下滑等問題。隨著出廠機(jī)泵的增多，企業(yè)和客戶之間的運維鴻溝不斷加深。

②機(jī)泵運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和再利用不足。

在機(jī)泵運維過程中，隨著時間的推移、出現(xiàn)故障機(jī)泵的行業(yè)/客戶增多，會產(chǎn)生大量的運維數(shù)據(jù)。由于客戶機(jī)泵群的分散，使得針對某個行業(yè)、某個領(lǐng)域、某個類型的機(jī)泵運維數(shù)據(jù)不能得到綜合利用，導(dǎo)致制造企業(yè)無法對機(jī)泵運行數(shù)據(jù)進(jìn)行宏觀的統(tǒng)計分析，難以實現(xiàn)對機(jī)泵運維的預(yù)測、預(yù)防。

③出廠機(jī)泵維修流程落后及聯(lián)動性不足。

出廠機(jī)泵的運維流程大多為：出現(xiàn)故障→報告本單位設(shè)備部→本單位設(shè)備部上報機(jī)泵制造企業(yè)→機(jī)泵制造業(yè)派指定維修人員到現(xiàn)場維修。若運維過程中需要備品、備件，則需等到其完成采購后，才能繼續(xù)完成整個運維流程。

④單客戶端的運維缺乏考慮環(huán)境對監(jiān)測結(jié)果的影響。

機(jī)泵制造企業(yè)不能對影響機(jī)泵總體狀態(tài)的各種因素進(jìn)行分類考慮；對機(jī)泵運行趨勢不能進(jìn)行預(yù)測，從而不利于機(jī)泵管理人員掌握機(jī)泵的狀態(tài)。

針對以上機(jī)泵制造業(yè)面臨的運維缺陷和管理不善的問題，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的機(jī)泵運維管理平臺，從宏觀入手，以機(jī)泵全生命周期為核心，從出廠、返修到報廢，多維度、多視角地進(jìn)行實時監(jiān)測、預(yù)測、預(yù)防。

2 運維管理平臺架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)泵運維管理平臺，采用“分建共享、集中服務(wù)”的理念，設(shè)計了出廠檢測、在線監(jiān)測、故障診斷、機(jī)泵維修、就近派單等幾大功能板塊；全面覆蓋出廠前和出廠后兩種應(yīng)用場景，以及設(shè)備正常和設(shè)備異常兩種狀態(tài)顯示，保證機(jī)泵設(shè)備在制造廠和現(xiàn)場客戶的監(jiān)管下能較長周期地穩(wěn)定運行。

2.1 運行架構(gòu)

根據(jù)機(jī)泵運營、運維的具體情況，對基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)泵運維管理平臺的運行架構(gòu)設(shè)計如下。①數(shù)據(jù)采集層：出廠機(jī)泵現(xiàn)場底層的模擬量信號采集裝置、應(yīng)力波監(jiān)測診斷裝置、振動系統(tǒng)監(jiān)測診斷裝置。②網(wǎng)絡(luò)傳輸層。③基于物聯(lián)網(wǎng)的云服務(wù)器平臺，以及相關(guān)的輔助系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集、分析應(yīng)用層。④各種終端監(jiān)控設(shè)備。

機(jī)泵運維管理平臺運行架構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺運行架構(gòu)圖Fig.1 Operational architecture of the platform

2.1.1 數(shù)據(jù)采集層

模擬量信號采集裝置將現(xiàn)場的壓力、轉(zhuǎn)速、溫度等傳統(tǒng)模擬量信號，通過就地PLC控制器匯集到無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。應(yīng)力波監(jiān)測裝置將應(yīng)力波傳感器監(jiān)測到的機(jī)泵運行應(yīng)力能量值通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆品?wù)器；振動系統(tǒng)檢測診斷裝置通過無線網(wǎng)絡(luò)，將實時監(jiān)測的X、Y、Z以及加速度等機(jī)械振動值傳輸?shù)皆品?wù)器[2-3]。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸層

網(wǎng)絡(luò)傳輸層包括控制層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層3層網(wǎng)絡(luò)?？刂茖泳W(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)連接現(xiàn)場傳感設(shè)備、就地控制器以及就地人機(jī)界面(human machine interface,HMI)操作站；數(shù)據(jù)層網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)通過廣域網(wǎng)/以太網(wǎng)，或者4G/3G/2G無線網(wǎng)絡(luò)，將控制層網(wǎng)絡(luò)匯集的數(shù)據(jù)連接到云服務(wù)器平臺；應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)連接平臺周邊的終端設(shè)備，如計算機(jī)、手機(jī)、LED大屏等，以及第三方系統(tǒng)。

2.1.3 云服務(wù)器平臺

云服務(wù)器平臺是指川儀物聯(lián)網(wǎng)平臺，可實現(xiàn)設(shè)備連接、數(shù)據(jù)存儲、設(shè)備監(jiān)測、故障分析、運維管理等功能。該平臺可以接入的輔助系統(tǒng)有企業(yè)資源管理系統(tǒng)、營銷管理系統(tǒng)。

2.1.4 終端監(jiān)控設(shè)備

終端監(jiān)控設(shè)備包括通過局域網(wǎng)/廣域網(wǎng)連接的計算機(jī)、智能手機(jī)應(yīng)用(application,APP)、監(jiān)控中心LED大屏等展示/顯示設(shè)備。

2.2 功能架構(gòu)

機(jī)泵運維管理平臺功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 平臺功能架構(gòu)圖Fig.2 Functional architecture of the platform

基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)泵運維管理平臺包括監(jiān)測系統(tǒng)和管理系統(tǒng)兩個模塊，為機(jī)泵生產(chǎn)管理人員、質(zhì)量檢驗人員、出廠機(jī)泵運維管理人員提供設(shè)備全生命周期的所有基礎(chǔ)信息、運行監(jiān)測值、運維具體詳情，并具有故障精確定位、維修計劃快速生成、專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和圖表報告按需生成等服務(wù)功能。從功能架構(gòu)上來看，機(jī)泵運維管理平臺可以分為物理層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層4個部分。

3 運維管理平臺監(jiān)測功能模塊設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)泵運維管理平臺主要的監(jiān)測功能模塊由出廠監(jiān)測、PLC監(jiān)測、振動監(jiān)測、應(yīng)力波監(jiān)測、地理信息系統(tǒng)監(jiān)測5部分組成，實現(xiàn)了對整個機(jī)泵設(shè)備全方位、多維度的全生命周期健康度監(jiān)測及預(yù)測，極大程度地提高了機(jī)泵運行的可靠性，延長了機(jī)泵的生命周期。

3.1 出廠監(jiān)測

出廠監(jiān)測是機(jī)泵對成品是否合格的最終檢驗。完善的出廠檢驗可以確保企業(yè)自身的信譽、用戶的利益以及使用者、運維人員的安全。該模塊的主要功能有出廠機(jī)泵的監(jiān)測、出廠報告的生成和追溯、機(jī)泵出廠標(biāo)準(zhǔn)的查詢。

3.2 PLC監(jiān)測

PLC監(jiān)測采用傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備監(jiān)測方式，是將各地現(xiàn)場機(jī)泵運行的壓力、轉(zhuǎn)速、溫度等傳統(tǒng)模擬量監(jiān)測信號采集、集中顯示到運維管理平臺[4]，通過壓力、轉(zhuǎn)速、溫度等運行狀態(tài)對機(jī)泵健康度進(jìn)行初步評估。

3.3 振動監(jiān)測

振動監(jiān)測實時監(jiān)測運行機(jī)泵的振動幅度、頻率、方向等信息，以此判定機(jī)泵的運行是否發(fā)生故障。其目的是讓運維工程師了解機(jī)泵運行狀態(tài)、提前發(fā)現(xiàn)故障、及時維修。針對歷史數(shù)據(jù)，可以通過人工智能技術(shù)實現(xiàn)機(jī)泵振動狀態(tài)的智能診斷。

3.4 應(yīng)力波監(jiān)測

應(yīng)力波監(jiān)測[5]是采用應(yīng)力技術(shù)對運行機(jī)泵產(chǎn)生的高頻信號進(jìn)行監(jiān)測。該監(jiān)測技術(shù)可以通過應(yīng)力能量值提前預(yù)知機(jī)泵的健康度，并在發(fā)生故障后通過對應(yīng)力能量數(shù)據(jù)的頻譜分析來精確定位故障信息。與振動監(jiān)測技術(shù)相比，應(yīng)力波監(jiān)測彌補了運行機(jī)泵不能對高頻信號進(jìn)行采集和診斷的不足，分析方法更便捷、新穎。

3.5 地理信息系統(tǒng)監(jiān)測

利用地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)技術(shù)[6-7]，機(jī)泵制造企業(yè)可以縱觀全局、快速瀏覽任何地理位置機(jī)泵的實時健康狀態(tài)、運行狀態(tài)，為該企業(yè)后期的運維路線規(guī)劃起到輔助作用。

4 運維管理平臺管理功能模塊設(shè)計

運維管理平臺不同的管理功能模塊分別側(cè)重于機(jī)泵企業(yè)的管理人員和運維人員；根據(jù)不同人員所持有的賬號，分配不同的管理模塊。整個管理模塊包含出廠管理、機(jī)泵管理、巡檢管理、應(yīng)急管理和系統(tǒng)管理。

4.1 出廠管理

出廠管理模塊包含機(jī)泵出廠監(jiān)測、出廠時間、出廠負(fù)責(zé)人、權(quán)屬單位等相關(guān)子模塊。該設(shè)計以機(jī)泵為核心，從出廠前期、中期、后期對機(jī)泵的基本信息進(jìn)行管理；機(jī)泵企業(yè)管理人員通過對出廠數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，為企業(yè)的制造能效、客戶更新率提供一定的數(shù)據(jù)支撐。

4.2 機(jī)泵管理

機(jī)泵管理模塊主要管理出廠機(jī)泵的添加、運行時間、點檢計劃、運維時間、備品備件、所在權(quán)屬單位及負(fù)責(zé)人和統(tǒng)計分析；對機(jī)泵的名稱、型號、參數(shù)、安裝地理位置等信息，按照企業(yè)規(guī)約統(tǒng)一進(jìn)行編號，并與GIS系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。在GIS系統(tǒng)中，可清晰、直觀地看到各地機(jī)泵的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、實時運行狀態(tài)和實時監(jiān)測值。

4.3 巡檢管理

巡檢管理模塊分為巡檢計劃和巡檢記錄兩個子模塊。巡檢計劃是機(jī)泵制造業(yè)和客戶方進(jìn)行溝通后，針對客戶方的運行機(jī)泵制定的一系列計劃。該計劃與運維人員的巡檢區(qū)域、巡檢路線密切相關(guān)，可防止因路線設(shè)定不合理帶來繞路巡檢、重復(fù)巡檢、漏檢等低效行為。巡檢記錄則是根據(jù)巡檢計劃，記錄巡檢人員、巡檢日期、巡檢任務(wù)、巡檢結(jié)果、巡檢路線等內(nèi)容形成的報表；根據(jù)報表生成以巡檢為核心的關(guān)鍵績效指標(biāo)(key performance indicators,KPI)分析。

4.4 應(yīng)急管理

應(yīng)急管理模塊分為應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急派工、應(yīng)急反饋和應(yīng)急統(tǒng)計等子模塊。這幾個子模塊緊密聯(lián)動，形成一個完整的應(yīng)急流程。系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)急詳情為使用者調(diào)出對應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，應(yīng)急/運維人員根據(jù)應(yīng)急預(yù)案采取響應(yīng)行動；應(yīng)急派工則是將具體的應(yīng)急事件發(fā)送給指定的應(yīng)急/運維人員。應(yīng)急/運維人員處理完應(yīng)急事件，將應(yīng)急結(jié)果、事件現(xiàn)場、應(yīng)急流程以文字或圖片的方式上傳至平臺，作為一個完整的應(yīng)急反饋流程。應(yīng)急統(tǒng)計根據(jù)應(yīng)急記錄形成一個統(tǒng)計分析子版塊，為運維人員的績效考核提供了數(shù)字化基礎(chǔ)和依據(jù)；同時，將出現(xiàn)應(yīng)急事件的機(jī)泵作為下一次運維的核心目標(biāo)。

4.5 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理模塊設(shè)置賬號管理、派工管理、運維管理、報警總覽四個子模塊。賬號管理主要針對該企業(yè)管理人員、運維人員和用戶的登錄賬號，進(jìn)行統(tǒng)一、有效的管理。派工管理是對到現(xiàn)場運維、工作范圍變動大的人員以及工勤人員進(jìn)行排班。管理人員可以隨時隨地通過平臺制定、編輯具體的派工單。運維管理主要針對運維情況、運維人員作詳情記錄，根據(jù)記錄作相關(guān)角度的統(tǒng)計分析報表以及運維過程中設(shè)備備件的管理。報警總覽是現(xiàn)場運行的PLC系統(tǒng)、振動監(jiān)測系統(tǒng)、應(yīng)力波監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置的報警閾值，以及實時顯示的報警信息；其主要用于判斷設(shè)備運行健康與否。

5 結(jié)束語

本文立足于某水泵制造企業(yè)，分析其機(jī)泵運維管理的現(xiàn)狀。針對目前機(jī)泵運維管理方式落后、部門聯(lián)動性差、安全保障子系統(tǒng)缺乏和運維數(shù)據(jù)利用不充分等問題，結(jié)合歷史運維經(jīng)驗，設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的機(jī)泵運維管理平臺。給出了運維管理平臺的功能模塊架構(gòu)，搭建了運維管理平臺以及平臺子系統(tǒng)功能間的數(shù)據(jù)交互和聯(lián)動。在設(shè)計思路上，采用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息化的管理手段，將運維中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)動，從機(jī)泵的全生命周期角度對機(jī)泵的壽命進(jìn)行監(jiān)控。從用戶的使用角度，該設(shè)計避免了設(shè)備突發(fā)事故的情況，同時，減少了非計劃停工、縮短了故障停機(jī)時間、優(yōu)化了生產(chǎn)操作、降低了維修費用，從而提高了用戶的綜合經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)而提升了機(jī)泵生產(chǎn)商的綜合效益和行業(yè)知名度。

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