基于物聯(lián)網(wǎng)的通用泵監(jiān)測(cè)保護(hù)平臺(tái)的研究和開發(fā)

宋正江?楊欣燁

摘要： 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求變化，國(guó)內(nèi)外泵行業(yè)產(chǎn)品向著專業(yè)化、精細(xì)化的發(fā)展，特別是機(jī)、電、儀一體化的發(fā)展趨勢(shì)非常迅猛，物聯(lián)網(wǎng)改造也已是大勢(shì)所趨，因此省內(nèi)泵業(yè)公司特別是中小企業(yè)提升設(shè)備自動(dòng)化、可靠性需求十分強(qiáng)烈。目前省內(nèi)泵業(yè)生產(chǎn)的水泵大部分是小型泵，為家用、農(nóng)用、建筑行業(yè)水泵，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)水平與大型泵、高速泵，在機(jī)、電、儀一體化方面還有差距，基本上屬于勞動(dòng)密集型的產(chǎn)品，產(chǎn)品附加值低、同質(zhì)化嚴(yán)重，升級(jí)需求強(qiáng)烈。本文主要對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)的通用泵監(jiān)測(cè)保護(hù)平臺(tái)的研究和開發(fā)進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);通用泵;監(jiān)測(cè)保護(hù)平臺(tái)

（一）背景

泵是一種面廣量大的通用機(jī)械，與國(guó)民生產(chǎn)生活息息相關(guān)，泵業(yè)從業(yè)者經(jīng)常說(shuō)的一句話“有人類活動(dòng)的地方就有水泵”，雖有夸張但也道出了工業(yè)泵使用的廣度。目前國(guó)際泵行業(yè)總銷售額大概246億美元，其中頭部地位基本都被美國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家所壟斷，其中美國(guó)ITT流體技術(shù)公司、古爾茲泵公司、日本的荏原公司、德國(guó)的凱士比公司、瑞士的蘇爾壽公司、丹麥的格蘭富公司是最著名的公司。國(guó)內(nèi)浙江、江蘇、遼寧、山東是泵行業(yè)主要參與者，華東地區(qū)產(chǎn)值全國(guó)第一。其中浙江省產(chǎn)量產(chǎn)值目前已是全國(guó)首位，省內(nèi)溫嶺、永嘉是主要的泵業(yè)生產(chǎn)基地，形成了典型塊狀經(jīng)濟(jì)，配套生產(chǎn)鏈完整，發(fā)展迅速。

目前省內(nèi)泵業(yè)公司基本分為三個(gè)層次，第一層以新界、利歐、大元等標(biāo)志性上市的泵業(yè)骨干公司，第二層次為中、小型企業(yè)，這些企業(yè)都是近年來(lái)從家庭作坊脫穎而出的，有合格的生產(chǎn)許可證，真正通過(guò)ISO9000質(zhì)量體系認(rèn)證，加大技術(shù)監(jiān)督力度和技改投入，各項(xiàng)基礎(chǔ)工作及生產(chǎn)、測(cè)度水平不斷提高產(chǎn)值和產(chǎn)量逐年提高。第三層次為家庭作坊，沒(méi)有技術(shù)投入、沒(méi)有測(cè)試，只有裝配，這類企業(yè)將逐步被淘汰。

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求變化，國(guó)內(nèi)外泵行業(yè)產(chǎn)品向著專業(yè)化、精細(xì)化的發(fā)展，特別是機(jī)、電、儀一體化的發(fā)展趨勢(shì)非常迅猛，物聯(lián)網(wǎng)改造也已是大勢(shì)所趨，因此省內(nèi)泵業(yè)公司特別是中小企業(yè)提升設(shè)備自動(dòng)化、可靠性需求十分強(qiáng)烈。目前省內(nèi)泵業(yè)生產(chǎn)的水泵大部分是小型泵，為家用、農(nóng)用、建筑行業(yè)水泵，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)水平與大型泵、高速泵，在機(jī)、電、儀一體化方面還有差距，基本上屬于勞動(dòng)密集型的產(chǎn)品，產(chǎn)品附加值低、同質(zhì)化嚴(yán)重，升級(jí)需求強(qiáng)烈。

（二）研究現(xiàn)狀：

泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀：

英國(guó)的 S. Perovic 等人[1]通過(guò)電流頻譜來(lái)分析診斷故障，并完成單機(jī)獨(dú)立應(yīng)用。美國(guó)的 Bechtel公司專門為火電站的一些設(shè)備開發(fā)的設(shè)備診斷專家系統(tǒng)[2]。加拿大維保公司為水輪發(fā)電機(jī)研制的在線監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng);德國(guó)西門子公司為汽輪機(jī)及輔助設(shè)備研制的 Siemens/KMU 狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng);

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究現(xiàn)狀：

2009 年，美國(guó)“智慧地球”概念的提出旨在使人類的生活更加智能，更加便捷。德國(guó)“工業(yè) 4.0”這一戰(zhàn)略性研究項(xiàng)目的提出旨在建立智能化的制造業(yè)體系，以提升商品制造中的精度、速度和可靠度。同時(shí)，2013 年，我國(guó)國(guó)務(wù)院也頒布了有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)的文件，旨在推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)健康有序的發(fā)展。2017 年，國(guó)務(wù)院印發(fā)了《關(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)》。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域取得長(zhǎng)足進(jìn)步，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用規(guī)劃已經(jīng)形成。 2018年11月浙江省印發(fā)《浙江省人民政府關(guān)于加快發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)促進(jìn)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的實(shí)施意見》明確指出要建設(shè)培育形成1個(gè)國(guó)際級(jí)基礎(chǔ)性工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和多個(gè)行業(yè)級(jí)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，形成具有特色的“1+N”工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)體系，促進(jìn)更多的設(shè)備通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)改造連接上網(wǎng)。國(guó)內(nèi)頭部科技企業(yè)紛紛推出自己的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

2.1 構(gòu)建了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的通用泵自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與保護(hù)平臺(tái)方案。

作為一個(gè)定位于服務(wù)通用泵的監(jiān)控和保護(hù)平臺(tái)，首要任務(wù)是理解通用泵在實(shí)際運(yùn)行中的存在痛點(diǎn)，明確需求：

故障保護(hù)：研究表明通用泵 60%故障是電氣故障，其中電機(jī)故障超過(guò)總故障的40%。說(shuō)明電機(jī)是泵運(yùn)行過(guò)程中最薄弱的部分，電機(jī)故障超過(guò)九層，都是由于缺相、卡殼、過(guò)載，繼而發(fā)生漏電、短路等情況，最終導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間的電流過(guò)載，溫升過(guò)高，泵被燒壞。通用泵保護(hù)的主要是電流、電壓。項(xiàng)目組通過(guò)邊云協(xié)同構(gòu)建電流、電壓監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)泵的運(yùn)行保護(hù)功能，并實(shí)現(xiàn)線下警報(bào)器、線上APP、手機(jī)短信等推送方式報(bào)警。

自動(dòng)控制：自動(dòng)控制是通用水泵的另一個(gè)痛點(diǎn)。目前普通泵實(shí)際運(yùn)行中，無(wú)法做到無(wú)人值守。往往要依據(jù)液位水平，確定是否工作。當(dāng)液位下降到一定位置開始工作，當(dāng)儲(chǔ)水裝置到達(dá)容量上限后，需要自動(dòng)停止工作，例如農(nóng)業(yè)灌溉、建筑排水等使用場(chǎng)景等。項(xiàng)目組通過(guò)液位傳感器結(jié)合PLC實(shí)現(xiàn)本地自動(dòng)控制，通過(guò)線上app、網(wǎng)頁(yè)等形式配置定時(shí)控制策略，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

2.2 利用物聯(lián)網(wǎng)邊云協(xié)同技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)水泵本地缺相保護(hù)、電流過(guò)載等故障保護(hù)，實(shí)現(xiàn)多種方式預(yù)警。

缺項(xiàng)保護(hù)：缺相保護(hù)就是正常的三相電源其中某一相斷路.原有的三相設(shè)備會(huì)降低輸出功率使其不能正常工作.或造成事故.因此對(duì)于一些重要的設(shè)備需要加缺相保護(hù)裝置。線路電源缺相時(shí)，會(huì)產(chǎn)生負(fù)序電流分量，三相電流不均衡或過(guò)大，引起電動(dòng)機(jī)迅速燒毀。為了保障電動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行，使其在發(fā)生缺相運(yùn)行時(shí)能及時(shí)停止電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。

1.3利用多種接入技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水泵運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)上云服務(wù)，打通數(shù)據(jù)流，提供通用泵設(shè)備全生命周期管理。

根據(jù)設(shè)備工況，支持多種接入技術(shù)，提供高可用性云服務(wù)，依托阿里物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，提供高并發(fā)支持。設(shè)備接入的穩(wěn)定性和擴(kuò)展性，提供穩(wěn)定的運(yùn)行數(shù)據(jù)流是通用泵管理的關(guān)鍵，通過(guò)與企業(yè)生產(chǎn)、銷售需模塊對(duì)接，完成通用泵生命周期管理。

項(xiàng)目以當(dāng)前浙江省內(nèi)中小泵業(yè)企業(yè)產(chǎn)品為研發(fā)對(duì)象，通過(guò)文獻(xiàn)查閱、走訪調(diào)研、行業(yè)專家訪談等多種形式，明確通用泵使用痛點(diǎn)，尋求智慧賦能與通用性、性價(jià)比之間平衡點(diǎn)，明確改造提升目標(biāo);分析技術(shù)瓶頸、關(guān)鍵指標(biāo)，確立技術(shù)方案，完成平臺(tái)架構(gòu);再次，確定軟硬件通訊協(xié)議、接口，軟硬件團(tuán)隊(duì)獨(dú)立開發(fā)測(cè)試，最后整合測(cè)試，取得了良好的效果。

作者簡(jiǎn)介：宋正江，副教授，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)開發(fā)，算法研究，浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院;楊欣燁，浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)學(xué)生

本文受浙江省新苗人才項(xiàng)目《基于物聯(lián)網(wǎng)的通用泵監(jiān)測(cè)保護(hù)平臺(tái)的研究和開發(fā)》資助 項(xiàng)目編號(hào) ：2020R460001