物聯(lián)網(wǎng)概論第十二章 物聯(lián)網(wǎng)在生產(chǎn)監(jiān)控中的應用

物聯(lián)網(wǎng)概論第12章物聯(lián)網(wǎng)在生產(chǎn)監(jiān)控中的應用目錄

生產(chǎn)監(jiān)控概述

生產(chǎn)監(jiān)測應用系統(tǒng)架構(gòu)

生產(chǎn)監(jiān)測應用案例2學習目標1〕了解物聯(lián)網(wǎng)在生產(chǎn)監(jiān)控中的應用2〕了解智能維護系統(tǒng)IMS的根本功能3〕了解物聯(lián)網(wǎng)在井下作業(yè)平安監(jiān)測中的應用12.1生產(chǎn)監(jiān)控生產(chǎn)平安生產(chǎn)平安是社會穩(wěn)定開展的根底，工業(yè)生產(chǎn)如出現(xiàn)波動、或者平安一旦失控，少那么出現(xiàn)廢次產(chǎn)品，重那么導致設備故障與失效，更壞的情況是造成平安事故，給國家、企業(yè)、個人和家庭造成不可挽回的損失。

此類事故在我國已屢見不鮮！12.1生產(chǎn)監(jiān)控生產(chǎn)監(jiān)控生產(chǎn)監(jiān)控是指對工業(yè)生產(chǎn)中的加工設備、重要裝置、生產(chǎn)環(huán)境、空間結(jié)構(gòu)、作業(yè)區(qū)域、相關(guān)人員等進行監(jiān)測與控制，目的是保證生產(chǎn)的平安與穩(wěn)定運行。一旦發(fā)現(xiàn)問題便及時報警或自動采取相應措施。12.1生產(chǎn)監(jiān)控生產(chǎn)單位多采用各種專項但彼此獨立的監(jiān)控系統(tǒng)，有的檢測數(shù)據(jù)還靠專業(yè)人員進行評估。目前狀況物聯(lián)網(wǎng)在該領(lǐng)域的應用，將實現(xiàn)對人、事、物的統(tǒng)一監(jiān)測，建立起工程、生產(chǎn)的平安應用價值鏈，自動分析與綜合評估。物聯(lián)網(wǎng)12.1生產(chǎn)監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)監(jiān)控應用物體對象跟蹤及程序優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)境感知生產(chǎn)設備維護12.1生產(chǎn)監(jiān)控生產(chǎn)對象跟蹤生產(chǎn)線上，當在加工設備、關(guān)鍵零部件和產(chǎn)品中嵌入傳感器后，系統(tǒng)就可跟蹤物件的機械運動，甚至監(jiān)測設備與儀器間的互動〔M2D〕。利用傳感器采集的數(shù)據(jù)，可對加工進程進行控制、紀錄與調(diào)整。在倉庫中，利用傳感器跟蹤安放在產(chǎn)品上的RFID標簽，可改進庫存管理，降低運營資金和物流本錢當重要產(chǎn)品中的一些關(guān)鍵零部件植入RFID或智能芯片，特別是其與網(wǎng)絡互聯(lián)后，企業(yè)或用戶方就能動態(tài)跟蹤其運行中的功能是否正常。產(chǎn)、存、銷12.1生產(chǎn)監(jiān)控生產(chǎn)環(huán)境感知12.1生產(chǎn)監(jiān)控生產(chǎn)設備維護制造企業(yè)設備故障的突然發(fā)生，不僅會增加企業(yè)的維護成本，而且會嚴重影響企業(yè)生產(chǎn)效率，使企業(yè)蒙受損失。進口設備維護往往更為復雜和困難，而許多企業(yè)目前采用的遠距離跨國維修的方式既費時又費用昂貴，在大大增加企業(yè)運作成本的同時，也嚴重影響了企業(yè)的生產(chǎn)效率.由于產(chǎn)品出現(xiàn)問題的不可預知性，企業(yè)無法預先制定服務和維護計劃。為了提高企業(yè)的服務效率和服務質(zhì)量，制造企業(yè)必須維持一支規(guī)模更為龐大的服務隊伍，其日常支出是非常巨大的。12.1生產(chǎn)監(jiān)控工業(yè)生產(chǎn)中，設備維護具有特殊的重要性12.1生產(chǎn)監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)的導入就可建成智能維護系統(tǒng)，能動態(tài)對設備和產(chǎn)品性能狀態(tài)進行監(jiān)測、預測和評估，并按需制定維護方案，防止它們因故障而失效。智能維護系統(tǒng)12.1生產(chǎn)監(jiān)控如飛機制造商在建造帶有網(wǎng)絡傳感器的機身，這些傳感器可感測噴氣發(fā)動機和機體等各重要部位的工作狀態(tài)，向電腦動態(tài)發(fā)送這些機件的磨損、位移和開裂數(shù)據(jù)，主動提示維護保養(yǎng)，減少非方案檢修時間。智能維護系統(tǒng)生產(chǎn)監(jiān)測應用系統(tǒng)架構(gòu)生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成監(jiān)測對象指標體系

監(jiān)測工具

監(jiān)測處理

生產(chǎn)監(jiān)測應用系統(tǒng)架構(gòu)監(jiān)測對象指標體系判定任何被監(jiān)測對象是否處于正常與平安狀態(tài)，必需依照相關(guān)標準給出的定量與定性指標進行。生產(chǎn)監(jiān)測應用系統(tǒng)架構(gòu)如我國是多山國家，山體滑坡是較為常見的一種自然災害，一旦發(fā)生時會給山下的公用設施、村莊民居、公路橋梁、鐵路等造成毀壞，故需要在關(guān)鍵地區(qū)對之進行監(jiān)測。監(jiān)測對象指標體系生產(chǎn)監(jiān)測應用系統(tǒng)架構(gòu)監(jiān)測內(nèi)容、對象、監(jiān)測儀器名稱和類型等見表監(jiān)測內(nèi)容監(jiān)測對象監(jiān)測儀器名稱監(jiān)測儀器類型

山體滑坡安全監(jiān)測斜坡滑動地面傾斜計應變計型、氣泡式

山坡面滑動驅(qū)動力水位計應變計型、半導體型雨量計觸發(fā)型（+計數(shù)器）加速度計應變計型、半導體型、線性差動

泥石流監(jiān)測攔截索（+荷重計）應變計型、振弦式振動計獨立輸出地聲檢測器獨立輸出簡便型傾斜儀半導體型

沉降測量地表連續(xù)沉降計應變計型、線性差、電阻尺土地沉降計應變計型、線性差、電阻尺、磁環(huán)式地表大范圍滑動地滑計應變計型、譯碼器、電阻尺地表位移地表變位計（全站儀、GPS定位）獨立輸出生產(chǎn)監(jiān)測應用系統(tǒng)架構(gòu)監(jiān)測工具監(jiān)測工具主要由各類理化探測分析儀組成，各種檢測儀通常將檢出的非電量訊號變?yōu)殡娦盘?，再?jīng)放大器、信號轉(zhuǎn)換器處理后進入資料采集器，發(fā)到前端工作站后，經(jīng)信號傳輸設備發(fā)送到網(wǎng)絡。生產(chǎn)監(jiān)測應用系統(tǒng)架構(gòu)各種新型、低本錢、高精準度、能大量部署和廣泛分布的探測器才能提高平安性、降低風險和生產(chǎn)本錢并帶來效益，許多專用檢測器還能在人類難以到達或高度危險的惡劣環(huán)境中履行監(jiān)測任務。監(jiān)測工具生產(chǎn)監(jiān)測應用系統(tǒng)架構(gòu)監(jiān)測處理監(jiān)測處理是指將上述監(jiān)測對象的信號經(jīng)接收、數(shù)據(jù)效勞器處理后變?yōu)榭梢曅盘栐诒O(jiān)測平臺上顯示，同時進行人工或自動資料分析、報告制作、研判警示、損害評估等。生產(chǎn)監(jiān)測應用系統(tǒng)架構(gòu)傳統(tǒng)監(jiān)測方式的缺點如系統(tǒng)費用高、線路多且龐雜、人工需求大、無法大量安裝、可能遺漏災害發(fā)生實際位置、也會因多種原因而喪失信號，耗電量大，維護較難等，生產(chǎn)監(jiān)測應用系統(tǒng)架構(gòu)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有線傳感裝置連接生產(chǎn)監(jiān)測應用系統(tǒng)架構(gòu)從左至右共七個主要功能模塊生產(chǎn)監(jiān)測應用系統(tǒng)架構(gòu)近距感測器及分散連接無線監(jiān)測平臺重點場地、重點裝置、重點構(gòu)件、重點工位與重點受力面等均可能成為傳感監(jiān)測對象，為保證精準性，監(jiān)測對象或監(jiān)測點的選擇均分組或分群，并按一定的數(shù)量規(guī)模分散部署傳感器，組成一個近端無線傳感網(wǎng)絡。生產(chǎn)監(jiān)測應用系統(tǒng)架構(gòu)表**近距離無線網(wǎng)絡模塊選擇

Wi-FiBluetooth（藍牙）UWSZigBee（紫蜂）傳輸標準802．11b802．15．1802．15．3a802．15．4使用頻率2．4/5GHz2.4GHz3.1~10.6GHz（US）868MHz/915MHz/2.4GHz主要運用Web，郵件，視頻取代電纜線多媒體流監(jiān)視與控制消耗電源高中低極低可連接網(wǎng)絡規(guī)模327點對點255/6500帶寬（kbps）11000+720至480Mbps20-250傳輸距離（m）1~1001~10+1~10+1~100+產(chǎn)品優(yōu)勢速率，柔性成本，方便速率可靠性，能耗，成本近距離無線網(wǎng)絡模塊選擇生產(chǎn)監(jiān)測應用系統(tǒng)架構(gòu)采用ZigBee〔紫蜂〕模塊將分散各點的傳感器在近距空間內(nèi)按網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)組成一個前端無線傳感網(wǎng)的示意生產(chǎn)監(jiān)測應用系統(tǒng)架構(gòu)前端處理系統(tǒng)是對前端感測網(wǎng)中的信號進行接受、處理和發(fā)送的子系統(tǒng)，它可通過GPRS或3G網(wǎng)進行遠程通信，還可聚集各種有線傳感網(wǎng)檢出的信號，將其一并發(fā)送到后臺數(shù)據(jù)采集設備中。生產(chǎn)監(jiān)測應用系統(tǒng)架構(gòu)后臺工作站及數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)與前端對應的后臺信號接收系統(tǒng)，在接收發(fā)來的各種感測信號后，可及時制作報告并與各監(jiān)測點以M2M自動通信聯(lián)系。生產(chǎn)監(jiān)測應用系統(tǒng)架構(gòu)主數(shù)據(jù)效勞器在大范圍傳感器分布和高密度采集與通信情況下，監(jiān)控總數(shù)據(jù)將急速增長，故需要后臺效勞器的支持。生產(chǎn)監(jiān)測應用系統(tǒng)架構(gòu)應用系統(tǒng)平臺監(jiān)控的主要環(huán)節(jié)是發(fā)現(xiàn)異常的位置，鎖定目標域，分析異常的規(guī)模和性質(zhì)，結(jié)合其他分布監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，采用模型比對與專家分析軟件進行研判，預測其開展趨勢、實時報警，為防止問題惡化提出解決方案，其它輔助效勞等，集成這些功能的系統(tǒng)就是應用平臺。生產(chǎn)監(jiān)測應用系統(tǒng)架構(gòu)專家知識及模型庫對異常的分析和決策研判，需要多種模型的支持，模型依據(jù)專家的知識和經(jīng)驗來建立和積累。將這些模型集成到平臺中，系統(tǒng)根據(jù)采集的各種異常信號的特征與各種故障與失效模型進行比對和趨勢分析，就能正確報警并提出有效建議等。生產(chǎn)監(jiān)測應用系統(tǒng)架構(gòu)顯示與分析界面生產(chǎn)與平安監(jiān)測仍需直觀數(shù)據(jù)顯示與身臨其境的觀察支持，故將異常數(shù)據(jù)和標準值的對照以可視化形式顯示在屏幕上，就可明確直觀地進行警示。如：根本判斷可用簡單的紅、黃、綠色提示或報警；出現(xiàn)異常時對相關(guān)傳感點位數(shù)據(jù)進行鎖定跟蹤，再結(jié)合現(xiàn)場視頻進行研判等，這樣的監(jiān)控界面就能在關(guān)鍵發(fā)揮重要作用。12.3生產(chǎn)監(jiān)測應用案例

案例一煤礦平安生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)需求背景12.3生產(chǎn)監(jiān)測應用案例煤礦平安監(jiān)控系統(tǒng)的功能12.3生產(chǎn)監(jiān)測應用案例煤礦平安管控系統(tǒng)示意圖12.3生產(chǎn)監(jiān)測應用案例圖中由水泵自動控制系統(tǒng)、電力監(jiān)測系統(tǒng)、井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、人員監(jiān)控系統(tǒng)等獨立功能系統(tǒng)及各類機械集成后，形成典型的煤礦平安質(zhì)量預警與控制系統(tǒng)，并且對井下復雜巷道內(nèi)的各項參數(shù)進行動態(tài)監(jiān)測。12.3生產(chǎn)監(jiān)測應用案例但要讓礦井監(jiān)控室的人員及時通過檢出的各項指標了解總體平安生產(chǎn)情況，特別是讓遠離一線的上級領(lǐng)導對此能時時了如指掌，就頗有難度，關(guān)鍵問題是各種信號監(jiān)測與傳輸問題。關(guān)鍵問題12.3生產(chǎn)監(jiān)測應用案例由于煤礦是野外作業(yè)，點多、分散、距離長，施工現(xiàn)場與公司之間的信息交流長期以來沒有好的解決方案，很多地方甚至連線都沒有，更談不上光纖接入等方式。12.3生產(chǎn)監(jiān)測應用案例物聯(lián)網(wǎng)解決方案井下礦道平安監(jiān)測及人員位置管控解決方案架構(gòu)12.3生產(chǎn)監(jiān)測應用案例圖中表示，在地下巷道中各監(jiān)測點位上布置了各類探測傳感裝置，通過近距無線通信模塊如紫蜂〔ZigBee〕組成監(jiān)測網(wǎng)絡，解決了井下幾百里沒有通信信號的問題；遠程那么通過移動通信的GPRS或CDMA網(wǎng)絡，實現(xiàn)基于TCP/IP協(xié)議的監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程無線傳輸，直接與、計算機系統(tǒng)等相聯(lián)，形成泛在監(jiān)測/計算網(wǎng)絡，覆蓋井下各點。當監(jiān)控裝置檢測到瓦斯?jié)舛?、風速超過限定值或主扇開、?；蜻\行負荷變化較大時，GPRS數(shù)據(jù)通信模塊將井上信息傳遞到監(jiān)控站，同時，通過短信〔SMS〕方式將報警信息發(fā)送到相關(guān)人員的上。各級領(lǐng)導就能及時掌握瓦斯超限情況，及時指揮協(xié)調(diào)平安生產(chǎn)工作。12.3生產(chǎn)監(jiān)測應用案例12.3生產(chǎn)監(jiān)測應用案例智能維護系統(tǒng)概述12.3生產(chǎn)監(jiān)測應用案例故障監(jiān)測與診斷傳統(tǒng)維修方法被動的維修模式FAF（FailandFix）周期性檢修方式數(shù)據(jù)處理及故障診斷智能算法及故障分析智能維護方法主動的維護模式PAP（Predictandprevent）應需式監(jiān)測維護方式信息分析及性能衰退預測智能預測及維護優(yōu)化及時修復（just-in-time）近零故障性能（near-zero-downtime）及自我維護圖***智能維護方法與傳統(tǒng)維修方法的對比目前狀態(tài)監(jiān)測故障早期診斷預測性維修12.3生產(chǎn)監(jiān)測應用案例12.3生產(chǎn)監(jiān)測應用案例系統(tǒng)根本架構(gòu)系統(tǒng)可通過Web驅(qū)動平臺對設備和產(chǎn)品進行不間斷的監(jiān)測診斷和性能退化評估，并作出維護決策。同時，系統(tǒng)還能通過Web驅(qū)動的智能代理與電子商務工具〔如客戶關(guān)系管理CRM，供給鏈管理SCM，企業(yè)資源管理ERP等〕進行整合。另外，系統(tǒng)所得的信息知識還可用于產(chǎn)品的再設計和優(yōu)化設計，使未來的設備和產(chǎn)品到達自我維護的境界。12.3生產(chǎn)監(jiān)測應用案例智能維護系統(tǒng)IMS框架12.3生產(chǎn)監(jiān)測應用案例智能維護的應用根底研究領(lǐng)域（1）設備性能衰退過程的預測評估算法、方法研究。

（2）按需式遠程監(jiān)測維護領(lǐng)域。

（3）決策的支持、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和信息的優(yōu)化同步技術(shù)領(lǐng)域。

12.3生產(chǎn)監(jiān)測應用案例12.3生產(chǎn)監(jiān)測應用案例12.3生產(chǎn)監(jiān)測應用案例案例三大地、工程與結(jié)構(gòu)平安監(jiān)測我國是個地質(zhì)災害頻發(fā)的國家，地震、山體滑坡、泥石流等都會危及水庫大壩、橋梁、公路、鐵道等的平安，故對關(guān)鍵區(qū)域、關(guān)鍵建筑的結(jié)構(gòu)平安監(jiān)測就顯尤其重要。需求背景傳統(tǒng)的大地與工程的平安監(jiān)測以采用人工測量或半自動化接線量測為主。其缺點是無法取得充份數(shù)據(jù)、無法取得關(guān)鍵時刻信息、消耗人力等12.3生產(chǎn)監(jiān)測應用案例12.3生產(chǎn)監(jiān)測應用案例根本結(jié)構(gòu)傳感器集群通過無線組網(wǎng)模塊形成前端感測網(wǎng)示意所示，由于大地與結(jié)構(gòu)工程通常面積/體積龐大〔如大壩、橋梁〕當綜合采用有線/無線方式將廣泛分布的眾多傳感器連接成網(wǎng)。并定義測量單位、明確界定平安狀態(tài)的邊界標準、界定異?；蚱茐臓顟B(tài)的邊界標準、預測破壞時間及狀態(tài)、提出平安的解決方案。并將這些約定經(jīng)具體量化、建立模型后存入系統(tǒng)中，供系統(tǒng)自動比對與采取相應報警措施等。12.3生產(chǎn)監(jiān)測應用案例老舊橋梁平安性監(jiān)測例如12.3生產(chǎn)監(jiān)測應用案例圖中上部為橋梁各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)處〔如橋墩〕安裝的應力傳感儀的布置位置；中部為定量表示從各偵測點傳出的異常信號，底部以紅黃綠三色代表三種狀態(tài)，可直觀地起到警示作用。12.3生產(chǎn)監(jiān)測應用案例感測節(jié)點以山體或大壩等坡地監(jiān)測為例，通過對原先彼此間距離相等、高度相等、均勻分布的各種傳感器之間的位置與物理量進行監(jiān)測，可發(fā)現(xiàn)哪些點位之間無變動、哪些之間在等速變動、哪些之間在加速變動，同樣可按預先設定模型報警。12.3生產(chǎn)監(jiān)測應用案例案例四：企業(yè)動力系統(tǒng)監(jiān)測與智能廠房維修系統(tǒng)動力系統(tǒng)監(jiān)測需求工業(yè)用發(fā)動機可以說是制造業(yè)的核心設備，一旦發(fā)生問題往往會造成生產(chǎn)線停工的重大損失。而對發(fā)動機運行動態(tài)監(jiān)測，實時提供維護人員動態(tài)數(shù)據(jù)參考、為發(fā)動機軸承更換提供依據(jù)、對其壽命進行的預測等，對提高制造業(yè)設備完善好具有重要意義。12.3生產(chǎn)監(jiān)測應用案例發(fā)動機監(jiān)測發(fā)動機監(jiān)測仍通過設計一批感測節(jié)點、安裝動態(tài)傳感模塊為中心。監(jiān)測發(fā)動機運行的系統(tǒng)由無線網(wǎng)絡感測模塊、三維加速儀、電流計三者結(jié)合而成，通過測量轉(zhuǎn)軸XYZ方向的加速度變化，了解發(fā)動機的振動情況，判斷其軸承耗損變形程度，再通過電流流量，預測發(fā)動機的異常趨勢。12.3生產(chǎn)監(jiān)測應用案例發(fā)動機及相關(guān)設備運行的自動感測輸出信號例如12.3生產(chǎn)監(jiān)測應用案例智能廠房系統(tǒng)12.