工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在攪拌反應(yīng)器領(lǐng)域的應(yīng)用

王松松，劉培喬，陶長(zhǎng)元，王運(yùn)東，陳恩之，苗迎彬，趙風(fēng)軒，劉作華

（1 重慶大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，重慶 401331；2 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；3 清華大學(xué)化學(xué)工程系，北京 100084；4 重慶華峰化工有限公司，重慶 408018）

傳統(tǒng)的化工、冶金等過程工業(yè)是制造業(yè)的基礎(chǔ)，其經(jīng)濟(jì)效益在一定程度上影響著社會(huì)發(fā)展的速度。作為國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一，化工產(chǎn)業(yè)亟待產(chǎn)業(yè)技術(shù)的更新?lián)Q代。攪拌反應(yīng)器流體混合是基本的化工操作單元，其未來趨勢(shì)是發(fā)展高效節(jié)能的高端化、智能化攪拌反應(yīng)器[1-4]。然而，由于流體混合性能與攪拌反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)密切相關(guān)，以及流場(chǎng)演化行為的復(fù)雜關(guān)聯(lián)性和高度依賴性，傳統(tǒng)攪拌反應(yīng)器往往存在能耗高、效率低、調(diào)控難等問題。因此，開展基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的高效、節(jié)能與智能攪拌反應(yīng)器理論創(chuàng)新、技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用，將有助于推動(dòng)節(jié)能減排、智能制造工作，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)向能源資源節(jié)約型、環(huán)境友好型和智能生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變。

由于攪拌反應(yīng)器中的流體不斷地與外界進(jìn)行物質(zhì)和能量的交換，并保持相對(duì)穩(wěn)定的流場(chǎng)[5-7]，造成近95%的輸入能量用來保持流體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，流體內(nèi)部傳遞的輸入能量?jī)H占5%左右[8-16]。攪拌反應(yīng)器中的流體混沌混合是一種典型的非線性過程且遠(yuǎn)離平衡態(tài)，必然包含大量的非線性動(dòng)力學(xué)機(jī)制，包括多尺度流場(chǎng)的形成、運(yùn)移和演化以及具有時(shí)空混沌、跨尺度關(guān)聯(lián)耦合特征的渦旋聚并與破裂等過程，導(dǎo)致反應(yīng)系統(tǒng)的傳遞混合規(guī)律與反應(yīng)過程的協(xié)同性不足。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者們從攪拌系統(tǒng)的優(yōu)化和設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了研究，提出了如同軸混合器[17-19]、行星混合器[20-21]、雙軸混合器[22-23]等更先進(jìn)的混合系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)流體的高效混合。Pakzad 等[24-26]系統(tǒng)研究了同心雙軸攪拌槽內(nèi)非牛頓流體的混合性能，并與傳統(tǒng)的攪拌器進(jìn)行了對(duì)比，研究表明在實(shí)現(xiàn)非牛頓流體的混合過程中，同心雙軸混合器更為有益。Liu等[27]進(jìn)行了高黏度流體攪拌實(shí)驗(yàn)，探究了由外錨式槳和不同內(nèi)槳組成的同軸混合器的功耗，發(fā)現(xiàn)內(nèi)葉輪對(duì)外葉輪的功耗有明顯的影響，同向旋轉(zhuǎn)模式的功耗優(yōu)于反向旋轉(zhuǎn)模式。Tanguy等[28]研究得出雙偏心槳比單中心槳更容易破壞分離區(qū)，縮短混合時(shí)間。劉作華等[29-32]基于魚鰭仿生原理，創(chuàng)造性地提出了剛?cè)峤M合槳，系統(tǒng)性地研究剛?cè)峤M合攪拌槳與剛性槳調(diào)控流場(chǎng)結(jié)構(gòu)差異、混合澄清槽內(nèi)流體宏觀不穩(wěn)定性、柔性槳與自浮顆粒協(xié)同作用行為規(guī)律、偏心空氣射流強(qiáng)化攪拌槽內(nèi)氣液兩相混沌混合行為等，研究結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的剛性槳，剛?cè)嵝徒M合槳其特殊的槳葉結(jié)構(gòu)容易誘發(fā)流體的混沌行為，從而能夠?qū)崿F(xiàn)流體的高效混合。

目前，學(xué)者們基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)已對(duì)車輛機(jī)械制造[33]、電網(wǎng)智能調(diào)控[34]、天然氣管網(wǎng)[35]等領(lǐng)域進(jìn)行了相應(yīng)研究，結(jié)果表明了該技術(shù)的先進(jìn)性且能夠有效地解決相應(yīng)行業(yè)在監(jiān)測(cè)調(diào)控和生產(chǎn)調(diào)度等方面的痛點(diǎn)。然而，隨著化工行業(yè)向高端化、綠色化、智能化方向轉(zhuǎn)型[36-38]，當(dāng)前攪拌裝備在化工行業(yè)中（如錳礦浸出、磷礦浸出、濕電子化學(xué)品制備等）的應(yīng)用過程中主要面臨以下問題：①攪拌反應(yīng)器的混沌混合特性參數(shù)無法在線獲?。虎跀嚢璺磻?yīng)器人機(jī)交互程度差、交互方式單一且效率低、報(bào)警信號(hào)監(jiān)視效率不足；③數(shù)字化程度不足，大量在線、離線數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)保存，難以用于后續(xù)的分析和反向調(diào)控。因而，獲取混合體系的混沌特性參數(shù)，并建立在線混沌智能調(diào)控的操作模式與反饋機(jī)制是研發(fā)大型化、高端化、智能化攪拌反應(yīng)器亟需解決的科學(xué)問題。因此，綜合提升化工過程設(shè)備的智能診斷、控制和匹配能力，更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)設(shè)備未來狀態(tài)的變化，通過與大數(shù)據(jù)-互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的方法，采集、分析和處理攪拌反應(yīng)器的運(yùn)行模式匹配和隨時(shí)間變化的健康模式軌跡，具有重要的學(xué)術(shù)意義和潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，對(duì)于指導(dǎo)攪拌設(shè)備的大型化、高端化和智能化發(fā)展具有借鑒意義。

1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

1.1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的概念

工 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) （industrial internet of things technology, IIoT）是集智能化、高度連接化的工業(yè)組件網(wǎng)絡(luò)，通過對(duì)設(shè)備或工藝流程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、高效管理，從而實(shí)現(xiàn)高效率和降低運(yùn)營(yíng)成本[39]。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)分支，既需要確保整個(gè)工業(yè)流程的連續(xù)性，同時(shí)還要確保操作過程的穩(wěn)定性。因此，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)需要更準(zhǔn)確、安全、可靠的通信和控制[40]。

1.2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的特征

IIoT主要通過不同類型的傳感器（如壓力、溫度、速度、扭矩傳感器等），結(jié)合智能監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理及分析等工具和技術(shù)，從而在化工、機(jī)械制造、能源和航空等工業(yè)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的決策。IIoT 主要具備四大典型特征：一是智能感知能力，能通過聲、光、電、磁等不同類型的傳感器，直接采集獲取全工藝流程各個(gè)階段的大量信息；二是互聯(lián)互通能力，能夠基于不同協(xié)議的專用網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)，使工業(yè)設(shè)備或產(chǎn)品工藝流程中所涉及的不同階段信息實(shí)時(shí)傳遞且共享；三是智能處理能力，利用云計(jì)算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)的智能算法，能夠?qū)λ@取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和后處理，從而形成大數(shù)據(jù)庫(kù)，挖掘數(shù)據(jù)背后的意義和價(jià)值；四是自我迭代能力，通過將采集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行云計(jì)算和云存儲(chǔ)后，能夠形成關(guān)于某個(gè)行業(yè)背景下較完善的知識(shí)庫(kù)、資源庫(kù)，且經(jīng)過后期的迭代和自我優(yōu)化，有助于提升企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)層的決策和控制能力，實(shí)現(xiàn)工業(yè)和具體行業(yè)的效率優(yōu)化。

1.3 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究現(xiàn)狀

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)整體一般分為四層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、云服務(wù)層和應(yīng)用層。當(dāng)然，也有學(xué)者將其分解為三層，分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，在該種分類方法中將云服務(wù)層認(rèn)定為網(wǎng)絡(luò)層之一[41]。感知層，顧名思義其主要作用和功能是利用不同類型的傳感器采集所監(jiān)測(cè)設(shè)備的關(guān)鍵數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)層的功能主要是通過不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，將感知層所采集的數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器；云服務(wù)層則是云服務(wù)器的應(yīng)用層，在云服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存同時(shí)，兼顧計(jì)算和分析功能；應(yīng)用層的功能則是直接通過電腦端軟件或移動(dòng)端APP 形式，對(duì)采集、分析處理的信息進(jìn)行顯示，且方便人員操作[42]。IIoT的技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 IIoT 技術(shù)架構(gòu)[43]

“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”最早是由美國(guó)提出，其概念是繼承了德國(guó)所提出的“工業(yè) 4.0”，歐盟隨后在2010年頒布了《歐洲數(shù)字計(jì)劃》，以期通過研究和建立互聯(lián)網(wǎng)智能基礎(chǔ)設(shè)施，來實(shí)現(xiàn)發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)[43]。之后，國(guó)外學(xué)者們結(jié)合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)針對(duì)不同的行業(yè)開展了相關(guān)研究，例如：Zhang 等[44]在電力設(shè)備方面提出了一個(gè)基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的開放生態(tài)系統(tǒng)，便于設(shè)備的維護(hù)和監(jiān)控；Chaqfeh 等[45]基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)技術(shù)，研發(fā)出一套車輛信息收集系統(tǒng)，為智慧城市和優(yōu)化車輛運(yùn)輸系統(tǒng)提供了新的選項(xiàng)；Almada-Lobo[46]和Mukherjee[47]等將物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建了智能化MES系統(tǒng)，促進(jìn)企業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)；Zhou等[48]系統(tǒng)研究了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在開采地下煤礦中應(yīng)用的可行性、潛力和挑戰(zhàn)等。

2015年，我國(guó)提出了《中國(guó)制造2025》，旨在提升傳統(tǒng)制造業(yè)的智能化、高端化發(fā)展的整體水平。2018年5月，我國(guó)工業(yè)和信息化部印發(fā)《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2018—2020）》，再次提到了計(jì)劃在2020 年底實(shí)現(xiàn)“初步完成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和產(chǎn)業(yè)體系”的建設(shè)期望和目標(biāo)[49-51]。隨著我國(guó)近些年對(duì)相關(guān)工業(yè)技術(shù)的不斷研究和創(chuàng)新，學(xué)者們基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)針對(duì)不同行業(yè)也開展了相關(guān)研究，例如：朱萬浩等[52]結(jié)合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)造紙廠廢水處理系統(tǒng)進(jìn)行了改造升級(jí)，能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控造紙廠的廢水排放；付重先等[53]研發(fā)了錦綸纖維的智能生產(chǎn)系統(tǒng)，能夠顯著降低企業(yè)用工成本，提高錦綸纖維的生產(chǎn)效率；吳福成[54]基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)了工程機(jī)械裝配車間的MES 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了上層業(yè)務(wù)和下層數(shù)據(jù)庫(kù)之間的信息交互，解決了上下游信息不暢的問題。

近年來，我國(guó)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向逐步由政府主導(dǎo)向市場(chǎng)應(yīng)用需求主導(dǎo)發(fā)展和過渡[55]。隨著現(xiàn)代工業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展，在實(shí)際的化工生產(chǎn)中，對(duì)于化工設(shè)備的異常檢測(cè)和預(yù)警及時(shí)做出反應(yīng)并通過智能終端提醒相關(guān)人員[56]，借助遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)來代替一線工作人員的部分工作，對(duì)于解放勞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化至關(guān)重要。攪拌反應(yīng)器作為化工行業(yè)中不可或缺的重要裝備之一，如何實(shí)現(xiàn)攪拌反應(yīng)器的智能化、高端化發(fā)展，對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、分類并反饋，成為當(dāng)前行業(yè)中亟需解決的重要課題之一。

2 攪拌反應(yīng)器智能化的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

2.1 攪拌反應(yīng)器內(nèi)部流體的狀態(tài)感知能力

狀態(tài)感知實(shí)際上就是采集攪拌反應(yīng)器的數(shù)據(jù)，如攪拌反應(yīng)器壁面的壓力脈動(dòng)、扭矩、物料溫度等參數(shù)，而實(shí)現(xiàn)攪拌反應(yīng)器的智能化關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)之一是將傳感器所采集的信號(hào)參數(shù)，經(jīng)大數(shù)據(jù)處理和分析，使其能夠真實(shí)反映反應(yīng)器內(nèi)部流體的流動(dòng)狀態(tài)和物料反應(yīng)情況。同時(shí)，可以結(jié)合CFD 仿真模擬結(jié)果、PIV流場(chǎng)觀測(cè)、圖像處理等手段，分析攪拌流場(chǎng)能量分布與流體混合能效的相關(guān)性，進(jìn)一步揭示流體的宏觀運(yùn)移演化行為，為建立基于互聯(lián)網(wǎng)的攪拌反應(yīng)器智能反饋的操作平臺(tái)奠定研究基礎(chǔ)。值得注意的是，傳感器的精度、靈敏度等將直接決定流場(chǎng)內(nèi)部信息的準(zhǔn)確性。因此，在智能攪拌反應(yīng)器的設(shè)計(jì)中傳感器自身的感知響應(yīng)能力需要重點(diǎn)考慮[57]。

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和監(jiān)測(cè)處理能力

在工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)應(yīng)于不同用途的攪拌反應(yīng)器所需要采集的參數(shù)數(shù)據(jù)也各不相同，其中包括壓力、溫度、速度、扭矩等多種參數(shù)，這些數(shù)據(jù)能夠反映不同的流場(chǎng)信息，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)類型不統(tǒng)一、缺乏完整性。因此，在設(shè)計(jì)攪拌反應(yīng)器智能化數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)系統(tǒng)時(shí)，需考慮上述問題，兼顧多元異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合性，避免后期在數(shù)據(jù)管理中會(huì)產(chǎn)生困難。因此，對(duì)歷史數(shù)據(jù)的可視化和設(shè)備數(shù)據(jù)模型演化這兩種關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)作簡(jiǎn)單闡述。

（1）歷史數(shù)據(jù)的可視化技術(shù) 攪拌反應(yīng)器的生產(chǎn)車間每天都會(huì)產(chǎn)生大量的生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)，經(jīng)過較長(zhǎng)周期后會(huì)形成大量的歷史數(shù)據(jù)。并且，在日常生產(chǎn)、管理過程中也會(huì)有查詢歷史數(shù)據(jù)的操作和需求，即歷史數(shù)據(jù)的可視化。因此，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)時(shí)，首先需要擁有大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間，且為保護(hù)數(shù)據(jù)的安全，還應(yīng)具備同步數(shù)據(jù)備份管理功能。

（2）設(shè)備數(shù)據(jù)模型演化技術(shù) 攪拌反應(yīng)器的智能化在實(shí)際應(yīng)用過程中要通過實(shí)時(shí)反饋的數(shù)據(jù)操控?cái)嚢柁D(zhuǎn)速、物料進(jìn)出量等，利用PHM 操作模塊結(jié)合機(jī)器控制、信號(hào)傳輸與信息反饋等技術(shù)，保證數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)不能產(chǎn)生過大的延遲，避免滯后操作，影響反應(yīng)器內(nèi)部物料的反應(yīng)、混合等情況。因此，在設(shè)計(jì)智能攪拌反應(yīng)器的數(shù)據(jù)系統(tǒng)時(shí)，提倡靈活運(yùn)用模型演化技術(shù)[58]。

3 基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的攪拌反應(yīng)器智能終端

3.1 總體方案設(shè)計(jì)

在實(shí)際的攪拌反應(yīng)體系內(nèi)，流場(chǎng)輸運(yùn)過程存在著物質(zhì)流、能量流、信息流和混沌流的相互傳遞和耦聯(lián)，可用最大Lyapunov 指數(shù)、混沌吸引子等混沌特性參數(shù)進(jìn)行描述。眾所周知，當(dāng)攪拌體系內(nèi)的Lyapunov 指數(shù)＞0，即表明系統(tǒng)處于混沌狀態(tài)，且其數(shù)值越大，混沌程度越大。因此，利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)攪拌器流體混合過程中的時(shí)變信號(hào)和故障信息源等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，經(jīng)過MATLAB 中的小波分析和傅里葉變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理并進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，同時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)速、pH、溫度等參數(shù)，挖掘攪拌反應(yīng)器中所蘊(yùn)含的混沌特性參數(shù)，在線監(jiān)控?cái)嚢璺磻?yīng)器的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)攪拌反應(yīng)器的高效節(jié)能。利用混沌混合特性參數(shù)、流體時(shí)變信號(hào)、攪拌器操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配模型的大數(shù)據(jù)分析方法相結(jié)合的技術(shù)路線，形成基于大數(shù)據(jù)的攪拌反應(yīng)器流體時(shí)變信號(hào)采集及分析技術(shù)系統(tǒng)，最終建立攪拌反應(yīng)器終端智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)攪拌反應(yīng)器高效混合的智能控制，如圖2所示。

圖2 智能多軸攪拌及群體智能控制系統(tǒng)示意圖

3.2 智能終端的功能應(yīng)用

對(duì)于化工企業(yè)來說，監(jiān)測(cè)各種生產(chǎn)及反應(yīng)裝備的設(shè)備狀態(tài)、告警狀態(tài)、反應(yīng)狀態(tài)等信息，對(duì)于企業(yè)生產(chǎn)的安全性和設(shè)備的運(yùn)行、維護(hù)至關(guān)重要。此外，企業(yè)對(duì)實(shí)時(shí)采集、處理、計(jì)算和存儲(chǔ)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的設(shè)備運(yùn)行需求也日益提高。因此，開發(fā)一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)具有攪拌設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及調(diào)控、歷史數(shù)據(jù)可視化等多功能綜合平臺(tái)是非常必要的。當(dāng)前的智能終端具備用戶管理和設(shè)備管理的基本功能，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、分析和處理，并能夠?qū)v史數(shù)據(jù)進(jìn)行保存以實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的可視化，便于用戶對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行過程中的問題所在，及時(shí)完善不足。

3.2.1 用戶管理

為了便于企業(yè)內(nèi)部的用戶管理，結(jié)合企業(yè)基本的組織架構(gòu)，本系統(tǒng)將用戶類別分為三類：超級(jí)管理員、管理員以及普通用戶。普通用戶是使用本終端進(jìn)行直接操控的用戶；管理員對(duì)普通用戶具有管理功能（新增、刪除、啟停功能）；超級(jí)管理員具有最高權(quán)限，能夠任命普通用戶與管理員，化工云平臺(tái)登錄界面如圖3所示。

圖3 用戶登錄界面

3.2.2 設(shè)備注冊(cè)

對(duì)于中小企業(yè)，只需要配置智能監(jiān)測(cè)終端，通過無線互聯(lián)網(wǎng)就可以對(duì)產(chǎn)線上每臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間和生產(chǎn)數(shù)量進(jìn)行記錄，并利用云端的中心服務(wù)器進(jìn)行計(jì)算，能夠?qū)崟r(shí)獲取產(chǎn)線中效率最低的設(shè)備，從而可以幫助決策層做出合理的產(chǎn)線調(diào)整決策，有利于提高產(chǎn)線的整體效率、改善企業(yè)的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)、降低運(yùn)營(yíng)成本。另外，企業(yè)用戶還可以根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，對(duì)設(shè)備所處場(chǎng)景和詳情進(jìn)行自定義。

3.2.3 設(shè)備實(shí)時(shí)采集與控制

在平臺(tái)運(yùn)行過程中，需要對(duì)攪拌設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)造成影響的常見數(shù)據(jù)，如攪拌轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、攪拌介質(zhì)黏度等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，同時(shí)必須對(duì)某些關(guān)鍵參數(shù)（扭矩脈動(dòng)信號(hào)、壁面壓力脈動(dòng)信號(hào)等）進(jìn)行高頻采集和數(shù)據(jù)處理。另外，平臺(tái)也需要能夠區(qū)分?jǐn)嚢柙O(shè)備實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)（正常、告警、故障、停止），從而提醒用戶，及時(shí)作出判斷。

綜合各方面的考慮，平臺(tái)在實(shí)時(shí)監(jiān)控方面分為四個(gè)部分。

（1）公共環(huán)境參數(shù) 攪拌設(shè)備所處環(huán)境的溫度、濕度等常見環(huán)境參數(shù)，實(shí)時(shí)展示在界面，便于用戶多方面綜合了解設(shè)備狀態(tài)。平臺(tái)環(huán)境監(jiān)控界面如圖4所示。

圖4 平臺(tái)環(huán)境監(jiān)控界面

（2）設(shè)備關(guān)鍵參數(shù) 提取攪拌設(shè)備的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)（如扭矩脈動(dòng)信號(hào)、壁面壓力脈動(dòng)信號(hào)等）及常見數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理、計(jì)算后獲得攪拌系統(tǒng)的混沌特性參數(shù)，能夠?qū)崟r(shí)展示在界面上，其他功能與常見監(jiān)控相類似。

（3）監(jiān)控 本平臺(tái)能夠提供每個(gè)站點(diǎn)下所有攪拌設(shè)備的具體設(shè)備運(yùn)行工況情況。

（4）設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控及控制 采用四種不同的顏色來區(qū)分設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)備正常運(yùn)行工況下，狀態(tài)點(diǎn)顯示為綠色；設(shè)備若處于告警工況下，狀態(tài)點(diǎn)顯示為粉色，且產(chǎn)生告警氣泡，提醒用戶有報(bào)警行為發(fā)生，以便第一時(shí)間趕到設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)處理；設(shè)備存在故障時(shí)，狀態(tài)點(diǎn)顯示為紅色，同時(shí)告知故障事件；若設(shè)備處于停用空閑狀態(tài)，狀態(tài)點(diǎn)將顯示為藍(lán)色?；谏鲜龅牟煌瑺顟B(tài)提示，用戶可以遠(yuǎn)程監(jiān)視和操控設(shè)備。

3.2.4 歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與可視化

基于設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和可視化，用戶可以通過設(shè)備歷史數(shù)據(jù)推測(cè)設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，以及攪拌設(shè)備內(nèi)部物料的混合情況和混沌程度。設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和維護(hù)保養(yǎng)間隔在很大程度上由報(bào)警數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)決定。因此，平臺(tái)在對(duì)攪拌設(shè)備運(yùn)行過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)處理上分為以下兩部分：第一部分，平臺(tái)為所有設(shè)備提供告警、運(yùn)行或停用、故障信息等列表，同時(shí)平臺(tái)具備依據(jù)攪拌設(shè)備內(nèi)部的運(yùn)行狀態(tài)和事件發(fā)生內(nèi)容、時(shí)間的模糊搜索功能，以便企業(yè)用戶能夠迅速定位到告警信息；第二部分，平臺(tái)為所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)提供了圖表可視化，用戶能夠基于每周、每月甚至全年對(duì)各臺(tái)設(shè)備的報(bào)警、故障情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析，從而針對(duì)性地調(diào)節(jié)各個(gè)攪拌設(shè)備的操作條件和工藝流程。

攪拌設(shè)備歷史數(shù)據(jù)查詢界面如圖5所示。

圖5 平臺(tái)歷史數(shù)據(jù)查詢界面

宏觀不穩(wěn)定性頻率的特征曲線如圖6所示。系統(tǒng)將控制化工場(chǎng)所的工控機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和分析，并將采樣數(shù)據(jù)和分析結(jié)果返回到頁(yè)面通過曲線顯示。

圖6 宏觀不穩(wěn)定性頻率的特征曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)興起的研究背景和現(xiàn)狀，簡(jiǎn)述了當(dāng)前攪拌裝備在應(yīng)用過程中所面臨的人機(jī)交互程度差、交互方式單一且效率低、報(bào)警信號(hào)監(jiān)視效率低、數(shù)字化程度不足等問題，并強(qiáng)調(diào)了攪拌反應(yīng)器智能化所面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題。而后，采用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研發(fā)了一套集數(shù)據(jù)在線采集、自動(dòng)分析計(jì)算、遠(yuǎn)程監(jiān)控的攪拌反應(yīng)器流體時(shí)變信號(hào)采集與分析終端，并可以采用無線方式進(jìn)行中試線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)（溫度、扭矩、環(huán)境檢測(cè)等），節(jié)省綜合布線、裝修成本，避免后期因線路損壞帶來的線路運(yùn)維成本。

由于攪拌反應(yīng)器內(nèi)部復(fù)雜的反應(yīng)過程和攪拌工況，智能終端的負(fù)反饋機(jī)制尚未完全解決。未來建議將化工設(shè)備與人工智能技術(shù)全面結(jié)合，提升攪拌設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)分析、調(diào)度決策、事故分析、智能反饋調(diào)控等方面的數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用水平，以期實(shí)現(xiàn)裝備輕量化、操作便捷化。未來有望將具有信息反饋和調(diào)控的智能化工攪拌反應(yīng)器應(yīng)用于精細(xì)化工、石油化工、煤化工等領(lǐng)域，強(qiáng)化反應(yīng)-傳質(zhì)過程，調(diào)控物質(zhì)的定向轉(zhuǎn)化，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)資源的綠色可持續(xù)發(fā)展；有望應(yīng)用于錳、釩、鈦、磷等化工領(lǐng)域，尤其是涉及錳、釩、鈦、磷礦浸出過程和除雜過程，通過提取浸出液的離子濃度、pH等數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和分析，進(jìn)而反饋調(diào)控電機(jī)的啟停和轉(zhuǎn)速大小，實(shí)現(xiàn)高效浸出和除雜，提升產(chǎn)品品質(zhì)，提高資源綜合利用率。