基于云平臺(tái)的聯(lián)軸器遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)

文/黃顯貴 張德智 劉曉松（泰爾重工股份有限公司）

在傳統(tǒng)的制造型企業(yè)進(jìn)行智能化的轉(zhuǎn)型與改革過(guò)程中，智能化設(shè)備和更數(shù)字化的設(shè)備管理是必不可少的。目前在金屬工業(yè)領(lǐng)域，聯(lián)軸器設(shè)備是傳動(dòng)系統(tǒng)不可或缺的重要部件。但在聯(lián)軸器設(shè)備的管理中依然采用傳統(tǒng)的被動(dòng)維修，即日常的生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)設(shè)備不進(jìn)行維護(hù)，直到設(shè)備出現(xiàn)故障再停產(chǎn)維修，造成設(shè)備的使用壽命縮短、生產(chǎn)事故易發(fā)、產(chǎn)能下降及人力物力的浪費(fèi)。若按照傳統(tǒng)主動(dòng)點(diǎn)檢維修的方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，維護(hù)過(guò)程中操作人員很可能對(duì)并不需要維護(hù)的設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)或更換，或者由于人為因素發(fā)生檢測(cè)誤差，忽視一些即將發(fā)生故障的設(shè)備或者零部件。

為解決這種“欠維修”和“過(guò)度維修”帶來(lái)的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于云平臺(tái)的聯(lián)軸器遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)軸器設(shè)備按需維護(hù)和預(yù)測(cè)性維護(hù)。該系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及時(shí)地排查聯(lián)軸器運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的異常情況，使聯(lián)軸器及其相關(guān)設(shè)備保持在健康穩(wěn)定的狀態(tài)下運(yùn)行，有效預(yù)防生產(chǎn)事故的發(fā)生。此外，聯(lián)軸器智能遙測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄聯(lián)軸器運(yùn)行中的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括聯(lián)軸器在故障發(fā)生時(shí)的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，專(zhuān)業(yè)人員通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析可以查找故障發(fā)生的根源，以便在停機(jī)維修中對(duì)癥下藥，降低事故處理和設(shè)備停機(jī)時(shí)間；同時(shí)也為生產(chǎn)設(shè)備的日常維修和管理提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和依據(jù)，杜絕了傳統(tǒng)周期性維修時(shí)產(chǎn)生的“過(guò)度維修”和“欠維修”等問(wèn)題，可使用戶節(jié)約成本并提升效率。

一、系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)

1.系統(tǒng)功能

聯(lián)軸器運(yùn)行工況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。聯(lián)軸器工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)聯(lián)軸器運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集并上傳到云平臺(tái)中。在現(xiàn)場(chǎng)及云平臺(tái)軟件中設(shè)置運(yùn)行參數(shù)的閥值，當(dāng)聯(lián)軸器設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)超過(guò)設(shè)定的閥值時(shí)會(huì)觸發(fā)報(bào)警。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的結(jié)果采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圖、顏色和聲音的形式提醒用戶。

聯(lián)軸器運(yùn)行工況的狀態(tài)診斷。通過(guò)聯(lián)軸器運(yùn)行工況參數(shù)及歷史故障數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與積累，建立故障診斷模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)軸器運(yùn)行健康狀態(tài)的診斷及故障原因的快速分析。

2.系統(tǒng)架構(gòu)

聯(lián)軸器智能遙測(cè)系統(tǒng)由工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊、云平臺(tái)數(shù)據(jù)采集處理模塊組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊利用傳感器獲取扭矩、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、溫度等實(shí)時(shí)運(yùn)行工況信息，現(xiàn)場(chǎng)軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖譜顯示并將運(yùn)行工況信息傳輸?shù)皆破脚_(tái)中，云平臺(tái)數(shù)據(jù)采集模塊儲(chǔ)存并管理工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員及公司內(nèi)部人員、技術(shù)專(zhuān)家可通過(guò)登錄聯(lián)軸器智能遙測(cè)系統(tǒng)云服務(wù)器PC 端軟件及移動(dòng)端APP監(jiān)測(cè)聯(lián)軸器的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并可查尋聯(lián)軸器歷史運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 聯(lián)軸器云平臺(tái)智能遙測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊架構(gòu)圖

圖3 云平臺(tái)數(shù)據(jù)采集模塊框架圖

3.工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊架構(gòu)如圖2 所示。其包含以下幾個(gè)模塊：傳感器模塊、無(wú)線供電模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊、人機(jī)交互界面。

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊工作原理：安裝在聯(lián)軸器軸體上隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)的傳感器，其供電與信號(hào)傳輸采用無(wú)線的方式，與聯(lián)軸器設(shè)備非接觸測(cè)量的傳感器則采用有線方式。傳感器在監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集的運(yùn)行參數(shù)發(fā)送到信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行濾波降噪、數(shù)模轉(zhuǎn)換等，然后被數(shù)據(jù)采集與處理模塊采集并計(jì)算分析，判斷設(shè)備運(yùn)行是否異常，并通過(guò)顯示界面進(jìn)行人機(jī)交互。

傳感器模塊。根據(jù)聯(lián)軸器的運(yùn)行工況安裝扭矩、溫度、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)等傳感器，采集聯(lián)軸器實(shí)時(shí)運(yùn)行工況參數(shù)，傳輸方式為有線或無(wú)線。

無(wú)線供電模塊。隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)的傳感器和無(wú)線發(fā)送設(shè)備需采用無(wú)線供電設(shè)備供電，通過(guò)內(nèi)外線圈電磁感應(yīng)原理，根據(jù)設(shè)備的工作電壓和額定功率，設(shè)計(jì)無(wú)線供電模塊的輸出電壓和功率范圍。

信號(hào)調(diào)理模塊。為了適合數(shù)據(jù)采集設(shè)備的輸入范圍，由傳感器生成的電信號(hào)必須經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊的放大、濾波、降噪、線性化等處理后才能被數(shù)據(jù)采集處理模塊采集處理。

數(shù)據(jù)采集處理模塊。將輸入的模擬信號(hào)數(shù)字化，使計(jì)算機(jī)能夠解讀。根據(jù)傳感器的數(shù)量及信號(hào)的種類(lèi)選擇適合的通道數(shù)和采樣速率，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行均值、均方根、擬合或FFT 變換等分析處理。

人機(jī)交互界面。通過(guò)人機(jī)界面友好的交互方式，使聯(lián)軸器運(yùn)行狀態(tài)更加直觀，工作人員可實(shí)時(shí)了解設(shè)備運(yùn)行情況。

4.云平臺(tái)數(shù)據(jù)采集處理模塊

云平臺(tái)數(shù)據(jù)采集模塊框架如圖3 所示，其主要包含文件服務(wù)器、邏輯服務(wù)器（WEB 服務(wù)器）、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、人機(jī)交互界面。

云平臺(tái)數(shù)據(jù)采集處理模塊工作原理：現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳原始數(shù)據(jù)文件到文件服務(wù)器，邏輯服務(wù)器獲取文件服務(wù)器中的原始數(shù)據(jù)文件并解析處理，數(shù)據(jù)庫(kù)將經(jīng)過(guò)邏輯服務(wù)器處理后的文件進(jìn)行保存并反饋邏輯服務(wù)器的訪問(wèn)請(qǐng)求，用戶可用過(guò)WEB 客戶端或者APP 向邏輯服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，查詢聯(lián)軸器設(shè)備的工況信息，從而通過(guò)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地對(duì)聯(lián)軸器工況的監(jiān)測(cè)。

文件服務(wù)器。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊上位機(jī)將聯(lián)軸器運(yùn)行工況原始數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳至文件服務(wù)器保存，采集的數(shù)據(jù)按照一定的格式分層分指標(biāo)進(jìn)行存儲(chǔ)，便于快速查詢提取。同時(shí)對(duì)聯(lián)軸器故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，建立故障工況參數(shù)簡(jiǎn)表，便于數(shù)據(jù)的分析與計(jì)算。

邏輯服務(wù)器。邏輯服務(wù)器用于部署應(yīng)用程序及緩存服務(wù)，對(duì)從文件服務(wù)器下載的原始數(shù)據(jù)文件進(jìn)行解析、圖表處理及緩存，然后分發(fā)至WEB、APP。

圖4 無(wú)線供電模塊工作原理圖

數(shù)據(jù)服務(wù)器。用于存儲(chǔ)聯(lián)軸器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的歷史數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)為按聯(lián)軸器運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)類(lèi)型和日期分類(lèi)建表；建立故障模型庫(kù)，通過(guò)邏輯服務(wù)器處理的數(shù)據(jù)與模型庫(kù)中數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，快速診斷聯(lián)軸器設(shè)備的異常狀態(tài)。

人機(jī)交互界面。用于展示通過(guò)WEB 端或APP 端訪問(wèn)服務(wù)器中聯(lián)軸器實(shí)時(shí)運(yùn)行工況及查詢歷史數(shù)據(jù)，采用可視化的方法使結(jié)果更加直觀、便于理解。

二、系統(tǒng)核心技術(shù)

1.無(wú)線供電模塊

采用磁場(chǎng)耦合的方式進(jìn)行電能的無(wú)線傳輸，直流電壓通過(guò)逆變器得到高頻交流電壓，高頻交流電壓經(jīng)過(guò)功率放大和諧振補(bǔ)償?shù)韧ㄟ^(guò)發(fā)射線圈產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，接收線圈與發(fā)射線圈通過(guò)磁場(chǎng)耦合的方式在接收線圈內(nèi)產(chǎn)生高頻交流電，經(jīng)過(guò)整流器整流穩(wěn)壓后，與負(fù)載連接。其基本工作原理如圖4 所示。

2.聯(lián)軸器運(yùn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)性維護(hù)工作原理

通過(guò)存儲(chǔ)并分析聯(lián)軸器設(shè)備運(yùn)行工況參數(shù)及故障特征參數(shù)建立聯(lián)軸器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的總體樣本，并依據(jù)此樣本建立聯(lián)軸器設(shè)備故障云模型，然后以故障云模型設(shè)置設(shè)備運(yùn)行閥值，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)聯(lián)軸器的運(yùn)行參數(shù)與設(shè)定閥值的比較，對(duì)設(shè)備進(jìn)行報(bào)警維護(hù)。其流程如圖5 所示。

三、實(shí)際應(yīng)用

基于云平臺(tái)的聯(lián)軸器遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)聯(lián)軸器運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)。

1.工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)軸器狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)性維護(hù)

通過(guò)選擇不同的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)聯(lián)軸器設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。頁(yè)面首頁(yè)采用圖譜和數(shù)字組合的方式直觀形象地展示聯(lián)軸器轉(zhuǎn)速、扭矩、振動(dòng)、溫度等運(yùn)行工況。聯(lián)軸器設(shè)備的預(yù)警信息在顯示界面的右半部分。通過(guò)賬號(hào)密碼登入軟件后，可對(duì)監(jiān)測(cè)終端增添或刪減并通過(guò)設(shè)置參數(shù)閥值，對(duì)聯(lián)軸器設(shè)備進(jìn)行異常告警和預(yù)測(cè)性維護(hù)。

圖5 聯(lián)軸器運(yùn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)性維護(hù)流程

2.聯(lián)軸器云平臺(tái)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)性維護(hù)

聯(lián)軸器運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)性維護(hù)可實(shí)現(xiàn)按監(jiān)測(cè)點(diǎn)、生產(chǎn)線、廠房、地區(qū)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)：通過(guò)運(yùn)維矩陣查詢不同聯(lián)軸器設(shè)備的運(yùn)行工況；通過(guò)報(bào)警列表，查看設(shè)備的報(bào)警信息及系統(tǒng)報(bào)警原因；可及時(shí)停機(jī)維護(hù)設(shè)備，對(duì)設(shè)備進(jìn)行按需維修。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)此系統(tǒng)的數(shù)據(jù)或提示信息實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備故障提前預(yù)判，盡早維護(hù)，縮短設(shè)備停機(jī)時(shí)間并節(jié)省成本，對(duì)聯(lián)軸器設(shè)備實(shí)施全生命周期管理；通過(guò)對(duì)聯(lián)軸器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)的收集，隨著時(shí)間的推移，可分析產(chǎn)品應(yīng)用情況及損耗，優(yōu)化現(xiàn)有聯(lián)軸器產(chǎn)品；幫助傳統(tǒng)金屬制造業(yè)加快智能化轉(zhuǎn)型與改革。

預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)通過(guò)不間斷地監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)際狀態(tài)，對(duì)測(cè)得參數(shù)進(jìn)行分析、判斷，作出是否發(fā)生故障以及故障類(lèi)型、故障程度的評(píng)價(jià)，預(yù)測(cè)設(shè)備狀態(tài)的發(fā)展趨勢(shì)，估算出最佳的維修時(shí)機(jī)，實(shí)現(xiàn)按需維修與預(yù)測(cè)性維護(hù)。顯然，預(yù)知性維修比較先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)。前期搭建預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)會(huì)有一定的投入，但后期有效地降低了故障損失和設(shè)備維修費(fèi)，反而節(jié)省了大量成本，且使企業(yè)的設(shè)備管理更加科學(xué)、高效。