IIoT（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）是近年來(lái)制造業(yè)最熱門的技術(shù)之一，但是究竟如何將IIoT在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)落地實(shí)踐并發(fā)揮預(yù)期價(jià)值，是IIoT走向廣泛應(yīng)用前必須先要解決的問(wèn)題。

其實(shí)，在一些領(lǐng)先的制造企業(yè)，IIoT已經(jīng)得到應(yīng)用并開始收到顯著的投資回報(bào)。美國(guó)杜克能源就是其中極具代表性的一家。

今天，我們就來(lái)看看這家美國(guó)最大的發(fā)電公司，如何利用IIoT和大數(shù)據(jù)分析為30個(gè)工廠提供全廠機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)性維護(hù)。希望能給大家IIoT的實(shí)踐應(yīng)用帶來(lái)啟示。

以往的手動(dòng)監(jiān)測(cè)機(jī)器狀況面臨巨大挑戰(zhàn)

杜克能源公司成立于1900年，是美國(guó)最大的發(fā)電公司，在美國(guó)擁有80多家工廠，員工超過(guò)29,000人。該公用事業(yè)公司總部位于北卡羅來(lái)納州夏洛特，擁有52,700兆瓦的發(fā)電能力，向美國(guó)東南部和中西部地區(qū)六個(gè)州約740萬(wàn)用戶供電。杜克能源還為150萬(wàn)天然氣客戶提供服務(wù)，并在加拿大和拉丁美洲運(yùn)營(yíng)多種發(fā)電設(shè)備，包括一系列可再生能源設(shè)備。

圖1杜克能源設(shè)施

杜克能源公司以及發(fā)電行業(yè)的其他公司在手動(dòng)監(jiān)測(cè)機(jī)器狀況時(shí)都面臨著挑戰(zhàn)。狀態(tài)監(jiān)測(cè)可通過(guò)避免設(shè)備故障導(dǎo)致的停機(jī)來(lái)控制成本以及提高設(shè)備服務(wù)能力。手動(dòng)采集數(shù)據(jù)非常耗費(fèi)人力;在基于路線的數(shù)據(jù)采集方法中，杜克能源公司的預(yù)測(cè)性維護(hù)專家需要親自走到每個(gè)站點(diǎn)手動(dòng)采集數(shù)百個(gè)數(shù)據(jù)樣本，然后返回計(jì)算機(jī)查看和分析采集到的數(shù)據(jù)。杜克能源公司的分析師每個(gè)月需要進(jìn)行近6萬(wàn)次數(shù)據(jù)采集時(shí)，通常會(huì)花費(fèi)80％的時(shí)間來(lái)采集數(shù)據(jù)，而只有20％的時(shí)間可用于分析數(shù)據(jù)，導(dǎo)致診斷不一致，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估受限，而且需要耗費(fèi)大量時(shí)間和體力在走路上！

2010年，杜克能源公司開始在整個(gè)公司實(shí)施集中化項(xiàng)目，使用新技術(shù)來(lái)滿足日益增加的可靠性要求并提高員工的工作效率。杜克能源公司希望擁有能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并通知專家的技術(shù)，以取代傳統(tǒng)基于路線的數(shù)據(jù)采集做法，使他們能夠?qū)r(shí)間花在更有價(jià)值的任務(wù)上，并且無(wú)論身處何處都能完成工作。這個(gè)需要耗時(shí)數(shù)年的項(xiàng)目需要安裝額外的傳感器，采用全新的架構(gòu)設(shè)計(jì)以及購(gòu)買新基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)補(bǔ)充舊基礎(chǔ)設(shè)施。

圖2NICompactRIO系統(tǒng)通過(guò)連接全廠資產(chǎn)設(shè)備來(lái)為杜克能源提供機(jī)器監(jiān)測(cè)解決方案

解決方案——IIoT和大數(shù)據(jù)分析應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)

杜克能源公司開始考慮利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）和大數(shù)據(jù)分析的元素來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，杜克能源與NI以及美國(guó)電力研究院（EPRI）、OSIsoft和InStep（現(xiàn)為施耐德電氣的一部分）共同合作開發(fā)定制的監(jiān)測(cè)和診斷基礎(chǔ)設(shè)施，該設(shè)施稱為SmartMonitoringandDiagnostics，簡(jiǎn)稱“SmartM&D”。

EPRI已經(jīng)推出了I4GEN（DevelopingInsightsthroughtheIntegrationofInformationforIntelligentGeneration，通過(guò)集成智能發(fā)電信息提高洞察力）框架，以支持發(fā)電公司轉(zhuǎn)向使用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)和解決方案。該研究所與合作伙伴分享專業(yè)知識(shí)，并支持多個(gè)發(fā)電組織之間的協(xié)作，而不是讓他們像一盤散沙，各做各的。

技術(shù)投資和運(yùn)營(yíng)

此項(xiàng)目的必要投資包括安裝額外在線傳感器、基礎(chǔ)設(shè)施、架構(gòu)和診斷應(yīng)用程序。

2012年，杜克能源開始開發(fā)新的架構(gòu)來(lái)支持這個(gè)項(xiàng)目。DukeEnergy采用了NICompactRIO平臺(tái)，該平臺(tái)結(jié)合了嵌入式實(shí)時(shí)處理器、高性能現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）以及可熱插拔I/O模塊，可將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到聯(lián)網(wǎng)的上位機(jī)電腦中。傳感器數(shù)據(jù)被傳送NICompactRIO監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行信號(hào)采集和處理，結(jié)果通過(guò)有線或無(wú)線方式傳輸?shù)焦S服務(wù)器。利用大量的模擬數(shù)據(jù)，NICompactRIO可以進(jìn)行報(bào)警，并為杜克的數(shù)據(jù)專家提供全面的波形分析。此外，杜克能源公司還使用用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)NIInsightCM來(lái)可視化和分析數(shù)據(jù)。通過(guò)將FPGA和板載實(shí)時(shí)處理器連接到傳感器，可大幅減少原始模擬波形，僅保留指示節(jié)點(diǎn)處系統(tǒng)“健康”狀況所需的數(shù)據(jù)。這樣可以避免數(shù)據(jù)超載的情況，方便領(lǐng)域?qū)＜铱焖侔l(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

NIInsightCM軟件是一款讓數(shù)據(jù)更加方便易用的重要工具，并且非技術(shù)人員也可輕松使用。杜克正處于從傳統(tǒng)技術(shù)向新技術(shù)的過(guò)渡中，以期為最終用戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

更多傳感器正在添加到驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、泵、變速箱和風(fēng)扇等監(jiān)測(cè)功能受限的設(shè)備上。對(duì)于已經(jīng)配備傳感器的機(jī)器，杜克能源專注于擴(kuò)展其感測(cè)能力。例如，蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)已經(jīng)具有較高的感測(cè)能力，因?yàn)檫@些昂貴的機(jī)器需要通過(guò)警報(bào)來(lái)避免代價(jià)高昂的故障。杜克能源公司在這種設(shè)備中增加了更多的傳感器來(lái)捕獲數(shù)據(jù)，以支持更先進(jìn)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，從而提高了未來(lái)故障的可預(yù)測(cè)性。

杜克在其設(shè)施中確定了10,000多項(xiàng)資產(chǎn)，并計(jì)劃為這些設(shè)備資產(chǎn)添加超過(guò)30,000個(gè)傳感器，包括加速度計(jì)、溫度傳感器、油液分析傳感器、熱像儀和接近式探針。這些傳感器增加了振動(dòng)、軸承溫度和油壓監(jiān)測(cè)等功能，還可監(jiān)測(cè)變壓器、溶解氣體和發(fā)電機(jī)等其他資產(chǎn)的電磁特征。

據(jù)估計(jì)，該項(xiàng)75％的成本不在于軟件或傳感器，而在于將傳感器連接到數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)的布線上。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)遍布該公司的各種設(shè)施，可連接多達(dá)30或40個(gè)硬連接的傳感器。電纜必須從傳感器連接到本地?cái)?shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)；然后信號(hào)從NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備無(wú)線傳輸?shù)蕉趴四茉吹姆?wù)器。

為了采集振動(dòng)信息，可能需要每秒捕捉10,000到100,000個(gè)樣本，持續(xù)幾秒鐘，才能對(duì)機(jī)器狀況進(jìn)行充分的測(cè)量。此外，杜克能源公司使用現(xiàn)場(chǎng)工廠服務(wù)器的組合來(lái)管理這些龐大的數(shù)據(jù)。每個(gè)工廠都有自己的OSIsoftPI服務(wù)器，該服務(wù)器可采集、存儲(chǔ)和組織各種來(lái)源的數(shù)據(jù)。

這些服務(wù)器位于杜克的監(jiān)控和診斷中心，其中Instep的Prism模式識(shí)別和預(yù)測(cè)軟件（用于機(jī)械解決方案）和GPStrategy的EtaPRO熱狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件可幫助識(shí)別與預(yù)期行為的偏差。在監(jiān)測(cè)診斷中心內(nèi)，這些軟件工具由一個(gè)由五名技術(shù)人員組成的團(tuán)隊(duì)使用。

技術(shù)人員通過(guò)一個(gè)報(bào)警儀表板來(lái)了解設(shè)備是否發(fā)生某些意外行為。這樣，他們就可以調(diào)查并篩選問(wèn)題，以確定是否是真正的異常情況以及是否需要進(jìn)一步調(diào)查。如果對(duì)異常進(jìn)行標(biāo)記，就會(huì)發(fā)送一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)流程電子郵件來(lái)提醒相關(guān)的人員解決問(wèn)題;并以圖形化方式向他們提供信息，指出偏差并提供初步診斷建議，以便操作員可以檢查機(jī)器。

這些信息會(huì)發(fā)送到EPRI的資產(chǎn)健康管理系統(tǒng)，并與基于真實(shí)設(shè)備數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間編制而成的特征數(shù)據(jù)庫(kù)（來(lái)自多個(gè)公司）中的所有已知故障進(jìn)行比較來(lái)識(shí)別問(wèn)題。然后EPRI通知杜克能源的專家進(jìn)入NIInsightCMDataExplore（r一款旨在幫助工程師快速定位、檢查、分析和報(bào)告測(cè)量數(shù)據(jù)的聯(lián)網(wǎng)軟件）進(jìn)行全面分析。目前，杜克能源公司將其所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)部服務(wù)器上，因?yàn)镮T部門目前不開放使用云。迄今為止，杜克能源公司已能夠處理使用這種方法所采集的龐大數(shù)據(jù)量。

圖3基于網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件（圖片為NIInsightCM）

杜克能源取得的成效

截至2017年3月，已有近30個(gè)工廠通過(guò)SmartM＆D架構(gòu)部署和管理近2000個(gè)CompactRIO系統(tǒng)。在這些工廠內(nèi)，杜克能源公司借助自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集功能，讓分析師可以將80％的時(shí)間用于分析，而不是數(shù)據(jù)采集；因此，分析結(jié)果更加可靠。

一年內(nèi)，杜克能源公司的監(jiān)測(cè)和診斷中心平均每天使用Prism發(fā)布兩次通知；其中只有四分之一警報(bào)需要采取糾正措施。這些警報(bào)為專家提供了依據(jù)，使其可以在成本最低的時(shí)候?qū)υO(shè)備進(jìn)行計(jì)劃和修理，例如，當(dāng)設(shè)備計(jì)劃進(jìn)行維護(hù)而停機(jī)或需求較少時(shí)。

這些機(jī)器能夠繼續(xù)運(yùn)行數(shù)周，使專家可以選擇成本最低的時(shí)候安排維修。舉個(gè)例子，盡管軸承存在故障，杜克能源公司仍然能夠保持發(fā)電機(jī)運(yùn)行三周，直至安排安全且適時(shí)的維修。

公司以前只能每年從數(shù)據(jù)點(diǎn)采集四個(gè)數(shù)據(jù)，而現(xiàn)在每五秒就能采集一次數(shù)據(jù)。并非所有的附加數(shù)據(jù)都可以永久存儲(chǔ);因此該公司通過(guò)管理協(xié)議來(lái)決定什么時(shí)候丟棄哪些類型的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)更智能的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

四年來(lái)，杜克能源公司由于避免了故障帶來(lái)的高昂成本，節(jié)省了高達(dá)130%的資金預(yù)算。該項(xiàng)目實(shí)施的第三年，杜克能源公司開始看到回報(bào)顯著增加。

該公司正在計(jì)算由于避免手動(dòng)采集數(shù)據(jù)而節(jié)省的勞動(dòng)力成本。由于系統(tǒng)會(huì)持續(xù)分析數(shù)據(jù)，因此可大大減少操作員輪次，同時(shí)顯著提高數(shù)據(jù)采集頻率。數(shù)據(jù)不再是每個(gè)月采集一次;而是每天采集數(shù)次，每周采集數(shù)TB的數(shù)據(jù)，從而可以在更頻繁且一致地發(fā)現(xiàn)和跟蹤問(wèn)題。

這一轉(zhuǎn)變提高了可靠性并降低了運(yùn)營(yíng)成本，可幫助管理人員滿足更高可靠性的需求，并通過(guò)提高分析能力來(lái)優(yōu)化工作效率。

項(xiàng)目實(shí)施遇到的挑戰(zhàn)

推出該解決方案必須克服許多挑戰(zhàn)。早在項(xiàng)目之初，杜克能源就意識(shí)到他們無(wú)法獨(dú)自輕松完成該項(xiàng)目。通過(guò)一開始就與NI和EPRI等技術(shù)提供商合作，杜克避免了許多挑戰(zhàn)。

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杜克能源公司面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是讓員工（其中許多人的整個(gè)職業(yè)生涯都在從事基于路線的手動(dòng)數(shù)據(jù)采集工作）接受并采用這些新方法，并信賴這些技術(shù)及信息。例如，專家們?nèi)匀粫?huì)在收到基于數(shù)據(jù)的警告后，使用手持設(shè)備手動(dòng)檢查設(shè)備。因此，該公司已投入到數(shù)據(jù)可視化的持續(xù)優(yōu)化過(guò)程中。

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杜克面臨的另一個(gè)主要挑戰(zhàn)是運(yùn)行大量高級(jí)模式識(shí)別（APR）模型（超過(guò)10,000個(gè)）會(huì)導(dǎo)致接收到警報(bào)量非常大。為了應(yīng)對(duì)這種情況，杜克能源公司正在制定一個(gè)警報(bào)管理以及優(yōu)先排序策略，因?yàn)樵摴緵]有足夠的分析師來(lái)處理所有模型。其中一種警報(bào)管理方法是基于資產(chǎn)的重要性（例如汽輪機(jī)和風(fēng)扇）進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序。

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對(duì)于采用該解決方案的四個(gè)地區(qū)，杜克能源在每個(gè)地區(qū)都指派了負(fù)責(zé)人，他們與維護(hù)專家一起進(jìn)行測(cè)量，幫助他們將新技術(shù)應(yīng)用到業(yè)務(wù)中。然而，沒有人是全能的；所以從一開始，OT和IT團(tuán)隊(duì)之間的合作就顯得非常重要。這存在一個(gè)挑戰(zhàn)，即OT和IT部門有自己的優(yōu)先事項(xiàng)（和預(yù)算），這些事項(xiàng)有時(shí)候會(huì)存在競(jìng)爭(zhēng)，所以保持平衡至關(guān)重要；此外，項(xiàng)目高級(jí)管理人員的支持非常重要，這樣可確保充足和持續(xù)的資金支援。

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由于該項(xiàng)目已在多個(gè)工廠推出，該團(tuán)隊(duì)必須與每個(gè)站點(diǎn)合作，針對(duì)其特定需求開發(fā)獨(dú)特的解決方案。這要求工廠管理人員根據(jù)他們的主要痛點(diǎn)和擔(dān)憂來(lái)進(jìn)行取舍。另一個(gè)挑戰(zhàn)是，在過(guò)去幾年中，工廠管理人員發(fā)生了變動(dòng)，需要對(duì)新員工進(jìn)行持續(xù)培訓(xùn)。

下一步的擴(kuò)展方向

今年，杜克能源將完成額外傳感器的部署;因?yàn)樵摴咀罱鼣U(kuò)大了希望監(jiān)測(cè)的范圍，納入了變壓器等附加設(shè)備。杜克能源公司認(rèn)識(shí)到，使用更多的無(wú)線傳感器可以節(jié)省更多資金，因?yàn)檫@些傳感器不需要昂貴的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)布線。之后，杜克能源公司希望通過(guò)能夠提前診斷問(wèn)題的工具來(lái)獲得更多有助于采取措施的信息。杜克希望將目前采用的預(yù)測(cè)性維護(hù)解決方案進(jìn)一步擴(kuò)展，不僅能夠告訴專家問(wèn)題是什么，而且還提供如何解決問(wèn)題的建議。鑒于該行業(yè)的領(lǐng)域?qū)＜也粩嗔魇?，這一點(diǎn)將變得尤為重要。

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