基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備停機(jī)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

李 博

（中國電子系統(tǒng)工程第四建設(shè)有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引 言

2021年是我國“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)的開局之年，經(jīng)歷過新冠肺炎疫情之后，大量工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)復(fù)工復(fù)產(chǎn)，中國經(jīng)濟(jì)步入正常軌道。隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，工業(yè)化進(jìn)程進(jìn)一步加速，對企業(yè)穩(wěn)生產(chǎn)、促生產(chǎn)的要求也在不斷提高。

工業(yè)設(shè)備是當(dāng)今社會生產(chǎn)力最重要的發(fā)展要素之一，也是人類深度利用與改造自然界的物質(zhì)基礎(chǔ)。在生產(chǎn)企業(yè)中，設(shè)備是最主要的生產(chǎn)工具和手段。作為新技術(shù)應(yīng)用的載體，生產(chǎn)設(shè)備先進(jìn)程度是企業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。設(shè)備的有效運(yùn)轉(zhuǎn)是企業(yè)穩(wěn)定生產(chǎn)的前提，亦是企業(yè)降低設(shè)備停機(jī)頻率、降低維護(hù)成本的有力保證。同時(shí)，設(shè)備還是企業(yè)提高生產(chǎn)和增強(qiáng)企業(yè)綜合競爭力的重要物資基礎(chǔ)。設(shè)備管理在企業(yè)經(jīng)營生產(chǎn)中的地位日益重要，因此對設(shè)備停機(jī)管理與分析的緊迫性和必要性不言而喻。

物聯(lián)網(wǎng)是基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等的信息承載體，它讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對象形成互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。它可以實(shí)現(xiàn)物與物、物與人以及所有物品和網(wǎng)絡(luò)的無縫鏈接，對網(wǎng)絡(luò)中的對象進(jìn)行辨別、管理、預(yù)警和分析?；谖锫?lián)網(wǎng)的設(shè)備停機(jī)分析系統(tǒng)可以動態(tài)監(jiān)測生產(chǎn)企業(yè)大型或小型設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，為企業(yè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)與排除設(shè)備故障，保障設(shè)備穩(wěn)定、高效運(yùn)轉(zhuǎn)，降低企業(yè)設(shè)備運(yùn)營成本與風(fēng)險(xiǎn)提供數(shù)字化支持。

綜上所述，為了對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行有效的提質(zhì)、增效、降風(fēng)險(xiǎn)，做好設(shè)備停機(jī)預(yù)警與停機(jī)原因分析工作，本文面向工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)備運(yùn)行特性與管理要求，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備停機(jī)分析系統(tǒng)，主要包括停機(jī)數(shù)據(jù)采集、停機(jī)計(jì)劃制定、停機(jī)事件處理、停機(jī)記錄檢索及匯總、停機(jī)原因分析與匯總、分工段統(tǒng)計(jì)結(jié)果及可靠性指標(biāo)與停機(jī)時(shí)間分布圖等，可以有效解決生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲與分析計(jì)算一體化等工作中存在的問題。此外，本文最后通過各類設(shè)備停機(jī)管理分析比較，總結(jié)了基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備停機(jī)分析系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是通過信息傳感設(shè)備將物體與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有機(jī)連接，并進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交換與通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物體智能化識別、跟蹤、管理與分析等功能的信息處理技術(shù)。工業(yè)停機(jī)分析系統(tǒng)的整體架構(gòu)源于“兩化融合”的強(qiáng)工業(yè)之基石—“管控一體化”思想，將現(xiàn)場分散的生產(chǎn)設(shè)備有機(jī)連接，提供集約管理、停機(jī)預(yù)警、離散控制的開放式管理體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的可視化動態(tài)管理。停機(jī)分析系統(tǒng)的整體系統(tǒng)架構(gòu)采取分層設(shè)計(jì)策略，從下至上依次為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、控制層與應(yīng)用層。通過此架構(gòu)體系，停機(jī)分析系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程的動態(tài)監(jiān)控與預(yù)警，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備智能化和數(shù)字化管理的目標(biāo)。

本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備停機(jī)分析系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備停機(jī)分析系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)感知層相當(dāng)于數(shù)據(jù)終端，其主要作用是對設(shè)備綜合運(yùn)行信息進(jìn)行采集。感知層運(yùn)用RS 485線串接模式與ZigBee模塊聯(lián)合對企業(yè)現(xiàn)場所有生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

網(wǎng)絡(luò)層提供的2個(gè)相鄰端點(diǎn)間的數(shù)據(jù)幀傳送功能，可進(jìn)一步管理網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通信，將數(shù)據(jù)從源端經(jīng)過若干個(gè)中間節(jié)點(diǎn)傳送到目的端，通過GPRS射頻收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)綉?yīng)用端，使數(shù)據(jù)通過公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入管理中心系統(tǒng)。

應(yīng)用層是對網(wǎng)絡(luò)層傳遞來的生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、計(jì)算與存儲，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的動態(tài)監(jiān)控與數(shù)據(jù)管理。它可以采集設(shè)備在過去任一時(shí)間內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，綜合分析現(xiàn)場設(shè)備在此期間是否正常、合理的工作，以及設(shè)備是計(jì)劃停機(jī)還是生產(chǎn)工人存在違規(guī)停機(jī)操作。

2 系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)備停機(jī)分析軟件設(shè)計(jì)

停機(jī)分析系統(tǒng)選用C SHARP語言開發(fā)，由SQL Server 2008 R2數(shù)據(jù)庫和Microsoft Visual Studio 2018開發(fā)平臺搭建而成，系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖如圖2所示。

圖2 設(shè)備停機(jī)分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

根據(jù)設(shè)備停機(jī)分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖可知，該系統(tǒng)由設(shè)備停機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件、設(shè)備停機(jī)管理分析軟件組成。設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)采集軟件功能如圖3所示。

圖3 設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)采集軟件功能

2.2 設(shè)備停機(jī)統(tǒng)計(jì)分析設(shè)計(jì)

設(shè)備停機(jī)分析系統(tǒng)為C/S構(gòu)架模式，用于設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)與停機(jī)報(bào)表統(tǒng)計(jì)和分析。管理人員或現(xiàn)場人員通過登錄設(shè)備停機(jī)分析系統(tǒng)，可以查看停機(jī)記錄檢索與匯總、停機(jī)月報(bào)與年報(bào)、停機(jī)表面原因匯總、分工段統(tǒng)計(jì)結(jié)果與可靠性指標(biāo)及年停機(jī)時(shí)間分布圖。使用人員可以根據(jù)管理需求，有選擇性的對設(shè)備停機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化報(bào)告分析。如發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常停機(jī)，值班人員可以第一時(shí)間將統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告導(dǎo)出或打印，然后上報(bào)至管理人員，對設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行分析、處理與預(yù)測。設(shè)備停機(jī)統(tǒng)計(jì)分析功能如圖4所示。

圖4 設(shè)備停機(jī)統(tǒng)計(jì)分析功能

3 現(xiàn)場應(yīng)用系統(tǒng)

目前，停機(jī)分析系統(tǒng)已經(jīng)在唐山等水泥廠正式應(yīng)用，極大解決了現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況人工統(tǒng)計(jì)難、數(shù)據(jù)漏報(bào)錯(cuò)報(bào)、分析不準(zhǔn)確不及時(shí)的問題。設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)故障停機(jī)時(shí)間與之前相比確有下降，設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)率有較大提升。圖5（a）～圖5（e）為現(xiàn)場停機(jī)分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集界面、設(shè)備停機(jī)統(tǒng)計(jì)管理分析及相關(guān)報(bào)表界面。

圖5 停機(jī)分析系統(tǒng)軟件部分功能界面

4 系統(tǒng)優(yōu)勢

當(dāng)前，生產(chǎn)設(shè)備停機(jī)管理分析的措施主要有以下方式：

（1） 傳統(tǒng)人工管理。現(xiàn)場設(shè)備安裝了感知傳感器，但由于設(shè)備采買時(shí)間等原因，現(xiàn)場設(shè)備不具備數(shù)據(jù)通信能力，故普遍采取人工巡檢模式進(jìn)行現(xiàn)場記錄，定期由人工統(tǒng)計(jì)分析。

（2） 重點(diǎn)區(qū)域管理。重點(diǎn)區(qū)域的設(shè)備安裝包括傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，例如，水泥磨安裝了成套的數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊，用于監(jiān)測水泥磨的工作轉(zhuǎn)速、功率等參數(shù)。

各類設(shè)備停機(jī)管理分析比較見表1所列。

表1 各類設(shè)備停機(jī)管理分析比較

根據(jù)各類設(shè)備管理模式分析比較可知，基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備停機(jī)分析系統(tǒng)優(yōu)勢明顯，詳情如下：

（1）顛覆了傳統(tǒng)的人工巡檢方式，實(shí)現(xiàn)設(shè)備停機(jī)管理分析自動化、數(shù)字化。提供了設(shè)備停機(jī)信息的采集、傳輸與管理功能。

（2）設(shè)備停機(jī)信息動態(tài)分析與預(yù)警，提高企業(yè)對運(yùn)行設(shè)備的管理質(zhì)量，提升設(shè)備的應(yīng)用效益，降低設(shè)備的管理風(fēng)險(xiǎn)。

（3）設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)與停機(jī)報(bào)表自動統(tǒng)計(jì)、統(tǒng)一分析，減少人為分析誤差。實(shí)現(xiàn)停機(jī)記錄檢索與匯總、停機(jī)表面原因匯總、設(shè)備可靠性指標(biāo)及年停機(jī)時(shí)間分布圖等可視化報(bào)告分析。

（4）在一定程度上減少了因設(shè)備異常導(dǎo)致停機(jī)而產(chǎn)生的維護(hù)與保養(yǎng)成本，提高企業(yè)效益。

（5）有效減少企業(yè)對設(shè)備停機(jī)決策的隨意性和盲目性，為客觀科學(xué)的制定設(shè)備停機(jī)計(jì)劃提供數(shù)據(jù)支持。

5 結(jié) 語

截至目前，設(shè)備停機(jī)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)建設(shè)與應(yīng)用工作均已完成。設(shè)備停機(jī)分析系統(tǒng)已成功應(yīng)用在唐山等水泥企業(yè)。該系統(tǒng)成功解決了企業(yè)傳統(tǒng)人工巡檢方式存在的設(shè)備統(tǒng)計(jì)不周，漏檢、錯(cuò)檢，甚至作弊等諸多問題，可以有效提高企業(yè)設(shè)備管理水平和利用效率。經(jīng)過半年多的正常運(yùn)行，系統(tǒng)獲得了管理人員與現(xiàn)場工作人員的青睞，改變了企業(yè)原有的設(shè)備管理模式。目前此設(shè)備停機(jī)分析系統(tǒng)正在有條不紊地向其他生產(chǎn)企業(yè)推廣。