基于邊緣計算的預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)在鋁加工行業(yè)的探索與實踐

劉吉洲

（廣西華昇新材料有限公司，廣西防城港 538000）

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，制造業(yè)正逐漸邁入智能化和數(shù)字化時代。鋁加工行業(yè)在生產(chǎn)過程中面臨著設(shè)備故障、能耗管理及提升生產(chǎn)效率等多重挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的維護(hù)方式通常是基于固定的維護(hù)計劃，難以適應(yīng)設(shè)備狀態(tài)的動態(tài)調(diào)整與變化，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，維護(hù)成本過高。而基于邊緣計算的預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)，則為解決這些問題提供了全新的思路和技術(shù)支持。近些年，邊緣計算已陸續(xù)在不同工業(yè)領(lǐng)域?qū)嵤┞涞?，如基于鋁加工企業(yè)原有的數(shù)據(jù)平臺，形成計算能力更強的邊緣云，開發(fā)多樣化的邊緣應(yīng)用，將其作為云計算的補充。通過實時采集、處理和分析設(shè)備數(shù)據(jù)，結(jié)合先進(jìn)的機器學(xué)習(xí)算法，預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測設(shè)備的健康狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)潛在問題，并為維護(hù)人員提供精準(zhǔn)的維護(hù)建議，從而最大程度減少生產(chǎn)中斷，降低維護(hù)成本，提高生產(chǎn)效率。

1 邊緣計算賦能預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)

預(yù)測性維護(hù)是工業(yè)大數(shù)據(jù)和人工智能結(jié)合落地的重要應(yīng)用模式，是推動傳統(tǒng)制造業(yè)向智能化發(fā)展的重要轉(zhuǎn)變。預(yù)測性維護(hù)在邊緣端的主要需求有功耗控制、終端管理、云邊協(xié)同、工業(yè)安全防護(hù)等。

邊緣計算在此架構(gòu)中賦能了實時數(shù)據(jù)采集和處理，允許系統(tǒng)更及時地監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)、預(yù)測潛在故障，并生成維護(hù)建議。這種架構(gòu)通常還包括云端組件，用于存儲歷史數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

邊緣計算賦能預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)，由邊緣網(wǎng)關(guān)承擔(dān)更多工作，在云端，設(shè)備信息管理功能的主要任務(wù)是對接入的設(shè)備進(jìn)行有效管理。終端狀態(tài)的維護(hù)僅限于提供視覺呈現(xiàn)功能。故障診斷結(jié)合專家系統(tǒng)的復(fù)合診斷，顯著提升了診斷效率。安全加密是邊緣網(wǎng)關(guān)承擔(dān)的重要功能，并負(fù)責(zé)保證從邊緣網(wǎng)關(guān)到云端的數(shù)據(jù)安全，典型系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 典型邊緣計算賦能預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 邊緣網(wǎng)關(guān)堆棧

邊緣網(wǎng)關(guān)堆棧是指構(gòu)建邊緣網(wǎng)關(guān)所需的軟件和硬件組件的堆疊。其連接了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和云端系統(tǒng)，使得預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測和響應(yīng)。堆棧設(shè)計向下能夠兼容各物聯(lián)網(wǎng)終端，支持ARM 與x86系統(tǒng)，并配備了多種通信接口，確保與各種設(shè)備的兼容性。

2.2 邊云協(xié)同及邊邊協(xié)同

基于邊緣計算的預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)的重要特征在于充分利用邊緣設(shè)備的計算能力，將一部分工作從云端轉(zhuǎn)移到邊緣，同時確保邊緣與云端間的有效合作，以避免不必要的數(shù)據(jù)傳輸路徑，從而顯著提高了生產(chǎn)效率。其中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通是最大難點之一，通常，數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通依賴于通信設(shè)施的建設(shè)、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)識體系及OPCUA 等關(guān)鍵支撐技術(shù)。

2.3 邊緣安全

邊緣計算環(huán)境包括物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、邊緣網(wǎng)關(guān)和其他分布在網(wǎng)絡(luò)邊緣的計算資源。由于邊緣計算涉及物理設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)，因此其面臨一些特定的安全挑戰(zhàn)和考慮因素。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展，邊緣安全迎來了全新的解決思路。區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N分布式賬本數(shù)據(jù)庫，其去中心化的特性使得數(shù)據(jù)安全性大幅提升，因為數(shù)據(jù)存儲在多個節(jié)點上，沒有單一攻擊入口。將這些設(shè)備改造成區(qū)塊鏈的記賬節(jié)點，通過智能化改造和增加閃存等方式，將它們納入?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)。這將導(dǎo)致系統(tǒng)規(guī)模的急劇擴大，但也為數(shù)據(jù)的多方交互提供了堅實的基礎(chǔ)，從而顯著增強了邊緣安全性。

3 鋁型材加工設(shè)備常見故障診斷

擠壓機是用于生產(chǎn)各種形狀的鋁型材的設(shè)備。在擠壓過程中，可能會出現(xiàn)一些故障導(dǎo)致設(shè)備停頓、生產(chǎn)癱瘓。目前大多數(shù)鋁型材制造企業(yè)，針對關(guān)鍵設(shè)備的故障，采取的都是以事后診斷維修為主的被動式維修方式，但從長期實踐來看，該種診斷方式難以滿足設(shè)備智能保障和維修優(yōu)化的現(xiàn)實需求。

目前，應(yīng)用較多的智能故障診斷方法有基于信號的故障診斷和基于模型的故障診斷。基于信號的故障診斷及運維方式，需要額外在設(shè)備關(guān)鍵零部件上加裝大量傳感器，獲取如振動等信號，這不僅增加了運維的成本，也給生產(chǎn)現(xiàn)場管理帶來了挑戰(zhàn)；基于模型的故障診斷方法也存在一定弊端，這主要是因為擠壓機設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)間相互影響，很難精確構(gòu)建設(shè)備模型，實際應(yīng)用效果并不理想?；谶吘売嬎愕念A(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)具有更好的響應(yīng)速度、更高的實時性、更低的成本以及更好的適應(yīng)性和安全性，適用于多種應(yīng)用場景。

4 基于邊緣計算的鋁型材加工設(shè)備預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)總體設(shè)計

4.1 需求分析

4.1.1 系統(tǒng)目標(biāo)

為解決上述問題，文章提出一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的擠壓機設(shè)備預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)，針對擠壓機設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行深入分析，確定擠壓機的主要故障類別和影響因素。根據(jù)擠壓機異常原因分析，提取對故障變化敏感的特征參數(shù)，設(shè)計數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行特征參數(shù)采集。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建故障數(shù)據(jù)集和智能故障預(yù)測模型，并以各類故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)為驅(qū)動進(jìn)行模型訓(xùn)練，進(jìn)一步完善模型。通過對擠壓機設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)測，提前預(yù)警具體故障，最終實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的擠壓機智能故障運維新模式。

4.1.2 功能需求

（1）數(shù)據(jù)獲取。數(shù)據(jù)采集是前提，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)源是重要基礎(chǔ)。當(dāng)成功采集到了擠壓機設(shè)備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，接下來的關(guān)鍵是確保將這些數(shù)據(jù)從傳感器準(zhǔn)確、及時地傳輸?shù)竭吘壴O(shè)備，以進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作。

（2）數(shù)據(jù)處理。對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化與變化，再將預(yù)處理后的圖像作為輸入，進(jìn)行故障預(yù)測及診斷等工作。

（3）數(shù)據(jù)上云。將數(shù)據(jù)上傳至云端是邊緣計算和云計算間相互協(xié)作的關(guān)鍵步驟，以實現(xiàn)它們的協(xié)同優(yōu)勢并發(fā)揮最大效益。

4.2 總體架構(gòu)設(shè)計

基于邊緣計算的鋁型材設(shè)備預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)劃分為4 層：數(shù)據(jù)感知層、基于OPCUA 的網(wǎng)絡(luò)通信層、數(shù)據(jù)處理層、系統(tǒng)應(yīng)用層，整體框架如圖2所示。

圖2 基于邊緣計算鋁型材加工擠壓設(shè)備預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)框架

4.2.1 數(shù)據(jù)感知層

數(shù)據(jù)感知層是整個邊緣計算系統(tǒng)框架的最底層，鋁型材加工設(shè)備常見的狀態(tài)特性指標(biāo)包括電流、電壓、功率、溫度、振動等指標(biāo)。文章所涉及的基于邊緣計算鋁型材加工擠壓設(shè)備預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)通過傳感器采集設(shè)備在運行過程中產(chǎn)生的各類信號，一旦發(fā)生問題需維護(hù)時，信號特征會發(fā)生改變，差異明顯的特征曲線為技術(shù)人員提供了便利，并基于此進(jìn)行后續(xù)的故障預(yù)測及診斷等研究。

4.2.2 基于OPCUA的網(wǎng)絡(luò)通信層

網(wǎng)絡(luò)層肩負(fù)著承上啟下的重要使命，向下聯(lián)通機械設(shè)備，向上連接數(shù)據(jù)處理層，數(shù)據(jù)在其層內(nèi)是雙向流通的，若指示燈亮、發(fā)生警報，警報器響起，緊急停機指令通過網(wǎng)絡(luò)通信層傳回工業(yè)現(xiàn)場。

硬件系統(tǒng)采用的是安徽容知日新嵌入式設(shè)備，作為完成云下沉的計算、存儲、分析等功能設(shè)備，采用RH2000智能網(wǎng)關(guān)來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接與協(xié)議轉(zhuǎn)換；軟件系統(tǒng)層面，OPCUA 協(xié)議代表了OPC 基金會對原有OPC協(xié)議的升級和優(yōu)化，其構(gòu)建了一個通信統(tǒng)一架構(gòu)，旨在很好地滿足基于邊緣計算的鋁型材加工擠壓設(shè)備預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)的實際需求。OPCUA 具體優(yōu)勢為：①統(tǒng)一性。通用接口集成了所有OPC 的特征和信息，如DA、HAD 等，接口更加統(tǒng)一，使用便捷。②兼容性。能夠同時兼容各類操作系統(tǒng)，具備一致簡單的接口和操作方式，這使得配置和使用變得更加簡便，優(yōu)化了用戶體驗。③安全性。協(xié)議與應(yīng)用層全部都集成了更強大的安全措施。

本系統(tǒng)采用客戶端—服務(wù)器模式（C-S 模式），在這種模式下，客戶端具備從服務(wù)器讀取所需數(shù)據(jù)的能力，同時也能將數(shù)據(jù)寫入服務(wù)器，實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

4.2.3 數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理層位于邊緣端，集成了可用的計算和存儲資源，并承擔(dān)了運行核心算法、進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理及執(zhí)行復(fù)雜數(shù)據(jù)分析操作的重要任務(wù)。將數(shù)據(jù)處理分析過程下遷到用戶邊緣端，直接在源頭對數(shù)據(jù)加工并及時對設(shè)備進(jìn)行反饋，節(jié)省了數(shù)據(jù)傳輸時間，降低了云中心壓力，減少邊緣計算資源的浪費。

4.2.4 系統(tǒng)應(yīng)用層

系統(tǒng)應(yīng)用可將經(jīng)過邊緣計算處理的數(shù)據(jù)上傳至云端，以便進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)挖掘和備份等操作。其還具備在本地展示數(shù)據(jù)、觸發(fā)警報以及向技術(shù)人員發(fā)送提示信息等功能。文章針對基于邊緣計算的鋁型材加工設(shè)備擠壓機預(yù)測維護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行以下幾個方面的應(yīng)用。

（1）故障預(yù)警。根據(jù)擠壓機設(shè)備特征參數(shù)，如壓力、溫度、流量、擠壓速度、油箱油位等特征參數(shù)，通過傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分類，若發(fā)現(xiàn)異常，則提前發(fā)出異常警報，提醒技術(shù)人員對設(shè)備進(jìn)行處理。

（2）故障診斷。設(shè)備每個部位發(fā)生損壞都會使得參數(shù)發(fā)生異常，可以根據(jù)采集到不同數(shù)據(jù)特征將故障位置進(jìn)行具體定位，在數(shù)據(jù)中心找到相對應(yīng)的故障數(shù)據(jù)；按照擠壓機的故障分類，從擠壓機故障歷史數(shù)據(jù)中搜集每種類別故障的數(shù)據(jù)。

（3）維修決策。維修決策層依據(jù)上述故障診斷的結(jié)果，為維修人員提供規(guī)范且切實可行的維修建議。

（4）其他方面。該系統(tǒng)具備將診斷結(jié)果和數(shù)據(jù)實時上傳至云平臺的能力，以便進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)存儲、備份。

5 結(jié)束語

邊緣計算為鋁加工行業(yè)的預(yù)測性維護(hù)技術(shù)帶來了巨大的潛力，邊緣安全是實施邊緣計算預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。在采集、傳輸和處理數(shù)據(jù)的過程中，須采取適當(dāng)?shù)陌踩胧源_保數(shù)據(jù)的隱私和完整性。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，基于邊緣計算的預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)可為鋁加工行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力技術(shù)支持，企業(yè)應(yīng)積極運用這項新技術(shù)，進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)的性能與效益，推動鋁加工行業(yè)朝著更智能、更高效的方向前進(jìn)。