鍋爐綜合智能服務管理平臺
鍋爐綜合智能服務管理平臺
深圳市智物聯(lián)網(wǎng)絡有限公司
網(wǎng)絡行業(yè)應用篇/設備監(jiān)控與維護
1 概述
1.1 背景
隨著我國國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，鍋爐制造業(yè)作為基礎工業(yè)的重要組成部分，在經(jīng)濟發(fā)展中起著重要的作用。近年來，鍋爐制造業(yè)取得了長足的進步，行業(yè)標準日益規(guī)范，技術水平逐步提高，產(chǎn)品品種不斷增加，經(jīng)濟規(guī)模顯著擴大，滿足了當前的市場需求。
我國是當今世界鍋爐生產(chǎn)和使用最多的國家，鍋爐被廣泛用于生活和工業(yè)生產(chǎn)中。鍋爐是一種能量轉(zhuǎn)換設備，向鍋爐輸入的能量有燃料中的化學能、電能，鍋爐輸出具有一定熱能的蒸汽、高溫水或有機熱載體。鍋爐產(chǎn)業(yè)在不斷發(fā)展的同時也面臨著眾多問題和挑戰(zhàn)，燃燒效率差異大、運營工作效率低、設備停產(chǎn)損失大、耗材配件消耗多、售后部門成本高，原廠維保率低等因素制約著行業(yè)的發(fā)展。
鍋爐產(chǎn)業(yè)越來越受到能源政策和節(jié)能、環(huán)保要求的制約。物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)等新技術的融入為鍋爐的環(huán)保事業(yè)帶來了新的轉(zhuǎn)機，鍋爐產(chǎn)業(yè)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合發(fā)展是大勢所趨，本項目研發(fā)的鍋爐綜合智能服務管理平臺能夠提供能耗在線監(jiān)測和管理，能夠自動判別鍋爐設備故障類型、得到設備故障風險預警時間，實現(xiàn)安全生產(chǎn)和節(jié)能減排。
1.2 實施目標
鍋爐綜合智能服務管理平臺應用對象包括鍋爐行業(yè)設備生產(chǎn)商、服務商等。通過此平臺，生產(chǎn)廠商可實現(xiàn)遠程監(jiān)控所有已聯(lián)網(wǎng)設備的實時運行情況，同時通過大數(shù)據(jù)分析，也將在售后服務和設備升級等方面提供客觀的數(shù)據(jù)支持。系統(tǒng)集生產(chǎn)參數(shù)全程實時監(jiān)控、生產(chǎn)實時返程控制、工藝流程監(jiān)測、成本核算、市場分析以及科學探究等功能于一身的現(xiàn)代化工業(yè)智能化控制平臺。通過獲取設備實際生產(chǎn)、運行等管理方面的各項數(shù)據(jù)，基于云計算、大數(shù)據(jù)技術的海量工業(yè)數(shù)據(jù)的有效集成與分析，再由此建立起企業(yè)利潤與資源、能源消耗以及市場環(huán)境的關系，將獲取到的各種設備數(shù)據(jù)進行職能整合，建立起各個生產(chǎn)要素投入與產(chǎn)出以及利潤的關系。從而為生產(chǎn)者、管理者、決策者提供最優(yōu)建議。以滿足鍋爐企業(yè)向“智慧工廠”轉(zhuǎn)型的迫切需求。
1.3 適用范圍
本方案適用于各類工業(yè)設備制造企業(yè)，例如鍋爐、空氣壓縮設備、發(fā)電及動力設備、PLC工控、環(huán)保裝備等；同時多應用于以項目運營、合同能源管理為主的設備運營企業(yè)。
1) 針對有核心控制器的工業(yè)設備，利于項目實施；
2) 沒有相關控制器，關鍵數(shù)據(jù)需通過工藝改造實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，進而搭建平臺。
1.4 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡體系架構(gòu)中的位置
圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)示意圖
連接5工廠控制系統(tǒng)與工廠云平臺
1) 使用數(shù)據(jù)采集終端（設備），從工廠（或設備、裝置、產(chǎn)線等生產(chǎn)節(jié)點）控制系統(tǒng)中，按制定的規(guī)范，采集主要和關鍵數(shù)據(jù)或信息，包括：
? 運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，比如轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、電壓、電流、頻率等數(shù)據(jù)；
? 運行事件，比如設備停開機、艙門打開關閉等；
? 運行故障，比如溫度傳感器失靈等；
? 運行報警，比如軸承溫度高、機油壓力低等；
? 運行設定，比如PID等。
2) 把上述數(shù)據(jù)或信息，傳輸?shù)焦S云平臺；
3) 云平臺結(jié)合工廠控制系統(tǒng)的物理連接與流程布局，對這些數(shù)據(jù)或信息進行存儲、整理。
4) 云平臺對這些數(shù)據(jù)進行分發(fā)。結(jié)合數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，通過計算、分析、統(tǒng)計、優(yōu)化、數(shù)據(jù)挖掘，顯示對設備的過程監(jiān)控、經(jīng)濟指標分析、設備（產(chǎn)線、工廠）的優(yōu)化運行指導，符合分配優(yōu)化、設備故障診斷等應用功能，從而起到降低能耗、節(jié)約成本，同時讓設備運行無風險。
連接6工廠云平臺與用戶
云平臺與用戶的交互主要是權限問題，能夠給不同的用戶不同的權限，看到不同層次的數(shù)據(jù)，為此數(shù)據(jù)需要做如下處理：
1) 設備數(shù)據(jù)或信息通過云平臺的分類匯總；
2) 把數(shù)據(jù)進行層次分離；
3) 各層次數(shù)據(jù)可視化處理；
4) 把各層次數(shù)據(jù)的可視化結(jié)果展現(xiàn)給各層次的用戶。
連接7工廠云平臺與協(xié)作平臺
云平臺和協(xié)作平臺和互動，比如給系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘，比如做生命周期的管理，都需要云平臺和協(xié)作平臺互動。
1) 云平臺需要提供接口規(guī)范給協(xié)作平臺，方便協(xié)作平臺對數(shù)據(jù)進行調(diào)用；
2) 云平臺把層次化的數(shù)據(jù)進行分發(fā)，分發(fā)給不同需要的協(xié)同平臺；
3) 協(xié)作平臺之一是數(shù)據(jù)分析平臺，對上述各層次數(shù)據(jù)進行分析；
4) 分析結(jié)果反饋給工廠云平臺；
5) 工廠云平臺根據(jù)分析結(jié)果，對控制過程和協(xié)同過程進行優(yōu)化；
6) 工廠云平臺把優(yōu)化策略反饋給工廠控制系統(tǒng)；
7) 協(xié)作平臺通過自身的業(yè)務邏輯對工廠的管理進行優(yōu)化，通過工單系統(tǒng)進行管理任務，通過推送系統(tǒng)及時通知。
連接8智能產(chǎn)品與工廠
根據(jù)需要，選擇與生產(chǎn)環(huán)節(jié)的相關的智能產(chǎn)品。
2 需求分析
由于鍋爐行業(yè)諸多設備不具備信息化條件，工業(yè)設備生產(chǎn)制造廠家，幾乎無一例外的遇到同一個問題：工業(yè)設備一旦出廠，設備廠家很難知道這些設備的任何情況，除非客戶打電話來，但這個時候往往已經(jīng)是設備出現(xiàn)各種故障或問題了，廠家能做的，就是去亡羊補牢。
沒有信息化導致了一對矛盾：廠家需要掌握設備的信息，但實際上無從而知。比如，這些設備在哪里？每天運行多長時間？運行情況怎么樣？出現(xiàn)過那些故障？進行過那些維修？客戶使用這些設備的習慣是什么？同款設備在不同的地區(qū)、不同的季節(jié)、不同的工況條件下運行會有什么差異？設備實際運行情況跟設計的期望指標究竟有多少出入？為什么設計壽命三年的部件總會一年多就報廢？設備的設計上有什么地方是不合理的需要優(yōu)化的？設備出現(xiàn)故障前的征兆是什么？有什么辦法可以在設備出現(xiàn)故障之前告知客戶嗎？設備在達到臨界條件的時候，能遠程控制停機嗎？設備控制器的本地控制策略能升級嗎？等等，這些都是行業(yè)的需求，也是行業(yè)的共同痛點。
3 解決方案
3.1 方案介紹
項目運用IIOT技術，包括數(shù)據(jù)采集適配器研制，大數(shù)據(jù)分析平臺以及一體化的管網(wǎng)監(jiān)控平臺研發(fā)，旨在實現(xiàn)鍋爐設備的統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)功能、信息共享、智能化。將安裝的可編輯適配器終端在保持原有設備的前提下，通過數(shù)據(jù)采集裝置和控制器，去兼容適配鍋爐設備，并將搜集和梳理的數(shù)據(jù)整合處理后上報至物聯(lián)網(wǎng)云平臺，同時接收物聯(lián)網(wǎng)云平臺發(fā)送的控制指令，將控制指令信息發(fā)送至現(xiàn)場的鍋爐工業(yè)設備，可進行遠程后臺對數(shù)據(jù)的實時在線分析和監(jiān)控管理。后臺端大數(shù)據(jù)處理量化，將以手機APP、液晶大屏顯示和電腦將信息展示在用戶面前，并且平臺能夠自動判別鍋爐設備故障類型、得到設備故障風險預警時間，實現(xiàn)智能化生產(chǎn)、定位、追蹤、監(jiān)控、故障報警、設備故障預警和設備一體化管理。
平臺利用物聯(lián)網(wǎng)的技術和設備監(jiān)控技術加強信息管理和服務，經(jīng)應用層系統(tǒng)數(shù)據(jù)查看，可以清楚掌握設備運行狀態(tài)和生態(tài)環(huán)境，提高生產(chǎn)過程的可控性、減少人工的干預、減少人員不必要的浪費（很多工作可以通過智能化的遠程反向控制調(diào)節(jié)，不需要技術人員到現(xiàn)場處理）、即時準確地采集設備數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)的分析和管理，為企業(yè)鍋爐設備智慧生產(chǎn)建立起智能化基礎。
3.2 系統(tǒng)架構(gòu)
3.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)
鍋爐綜合智能服務管理平臺主要劃分為四層結(jié)構(gòu)，分別是接入層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)平臺和應用層。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖所示：
圖2 平臺系統(tǒng)架構(gòu)圖
系統(tǒng)連接示意圖如下：
圖3 系統(tǒng)連接示意圖
3.2.2 網(wǎng)絡傳輸及控制技術
針對鍋爐設備使用場景及地域，本項目提供不同版本的適配器，支持2G、4G、及wifi傳輸，保障客戶數(shù)據(jù)的實時獲取。
同時本項目基于MQTT的QOS 0/1/2，設立了QOS 3機制，充分保障鍋爐運行的安全。我們按照報文的緊急程度，分別采用不同的上報機制。在鍋爐應用中，由于本身是高危設備，除普通報文外，QOS 2使用較多，而我們在QOS 2的基礎上，對報文加以時間限定，在單位時間內(nèi)的報文指令有效，由于其他原因造成報文上報不成功，系統(tǒng)將采取相應的措施處理，充分保證了系統(tǒng)在使用中不同種類報文的精準傳達。
3.2.3 通訊協(xié)議及互聯(lián)互通
國內(nèi)鍋爐廠家及運營商使用的PLC種類包括：西門子S7/smart/1200、霍尼韋爾、施耐德等品牌；數(shù)據(jù)采集的相關通訊協(xié)議包括像Modbus、IIC、PPi、OPC UA、Profinet、Profibus、西門子S7協(xié)議等，本平臺都已完成采集并投入正式運營。
互聯(lián)互通：
1) 平臺通過適配器接入多類不同鍋爐PLC數(shù)據(jù)；
2) 對鍋爐項目的各類輔機進行數(shù)據(jù)采集（智能電表、流量計、智能水表、變頻風機、變頻水泵、皮帶秤等）；
3) 針對本身已有DCS系統(tǒng)的鍋爐設備及項目，例如：和利時，浙大中控，愛默生、ABB，通過RS485接口、modbus協(xié)議完成對接。
3.3 網(wǎng)絡拓撲設計
本項目采用云平臺+本地部署的方式提供工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)方案，將商業(yè)數(shù)據(jù)和設備原始數(shù)據(jù)分離存儲，既實現(xiàn)了系統(tǒng)對大數(shù)據(jù)的高效處理，又從根本上保護了用戶的數(shù)據(jù)安全。同時根據(jù)項目具體情況，支持本地化部署。平臺組網(wǎng)架構(gòu)示意圖如下：
圖4 平臺組網(wǎng)架構(gòu)示意圖
3.4 功能設計
3.4.1 設備監(jiān)控子系統(tǒng)
通過PC、APP、大屏實時監(jiān)控鍋爐運行狀態(tài)，實現(xiàn)故障報警、視頻監(jiān)控的及時上傳。
? 安全類數(shù)據(jù)：爐膛溫度、爐膛負壓、風量、SCR進-出口溫度、壓差等。
? 經(jīng)濟性數(shù)據(jù)：包括鍋爐效率、鍋爐標準煤耗、標準煤耗率、自用電率等。
? 環(huán)保類數(shù)據(jù)：尾氣污染物（SOx、NOx等）指標數(shù)據(jù)。
圖5 設備監(jiān)控子系統(tǒng)界面
3.4.2 設備管理子系統(tǒng)
按照項目為單位，以鍋爐設備為中心，分類統(tǒng)計各類備件數(shù)據(jù)：
? 配件(水泵、燃燒機、冷凝器等)信息
? 備品備件庫存數(shù)據(jù)
? 生產(chǎn)廠商信息等
圖6 設備管理子系統(tǒng)界面
3.4.3 生命周期管理子系統(tǒng)
將以下信息建立，對鍋爐的歷史運維、故障處理等知識性文檔管理、歸檔。
? 鍋爐檔案
? 鍋爐名稱、位置、型號、規(guī)格、圖檔
? 關鍵部件( 水泵、燃燒機、冷凝器等 )使用時間、更換記錄
? 設備生命周期管理，引導客戶更換原廠配件
圖7 生命周期管理子系統(tǒng)界面
3.4.4 專家管理子系統(tǒng)
對鍋爐運行期間常見問題及處理措施，建立鍋爐專家管理知識庫，提升售后服務質(zhì)量。
? 專家管理：知識庫 + 在線服務
? 遠程實時監(jiān)控，掌握設備運行狀態(tài)
? 維保數(shù)據(jù)準確記錄
圖8 專家管理子系統(tǒng)頁面
3.4.5 配置管理子系統(tǒng)
系統(tǒng)功能：用戶管理、權限設置、工作流配置、二次開發(fā)管理等。
對數(shù)據(jù)靈活展現(xiàn)，通常復雜、個性的需求都能直接通過配置而非開發(fā)方式實現(xiàn)。
圖9 配置管理子系統(tǒng)界面
3.4.6 售后工單子系統(tǒng)
針對故障報警自動生成工單，工單處理流程：技術工程師 → 技術經(jīng)理 → 技術總工。
所有工單均保存在相應設備的生命周期管理數(shù)據(jù)庫，便于后期統(tǒng)一查詢。
系統(tǒng)功能：創(chuàng)建工單、待處理工單、歷史工單、工單查詢等。
圖10 售后工單子系統(tǒng)界面
3.4.7 呼叫中心子系統(tǒng)
與鍋爐物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)聯(lián)動，客戶來電時即可彈屏該客戶對應設備信息。
系統(tǒng)功能：呼入控制、IVR語音導航、座席管理、錄音質(zhì)檢、統(tǒng)計報表分機管理、售后服務工單等。
圖11 呼叫中心子系統(tǒng)界面
3.4.8 客戶管理子系統(tǒng)
通過以鍋爐設備為中心的數(shù)據(jù)規(guī)劃，管理相應設備對應的客戶統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
客戶項目信息：存檔合同、回款情況、驗收時間等。
客戶設備信息：鍋爐數(shù)量、位置、聯(lián)系人信息等。
圖12 客戶管理子系統(tǒng)界面
3.4.9 INDASS工業(yè)大數(shù)據(jù)分析服務系統(tǒng)
圖13 INDASS工業(yè)大數(shù)據(jù)分析服務系統(tǒng)界面
3.5 安全及可靠性
運用了以下措施進行安全防御：
1) 防火墻：生產(chǎn)網(wǎng)與管理網(wǎng)之間，公司內(nèi)網(wǎng)與外圍之間；
2) 操作系統(tǒng)：Linux操作系統(tǒng)；抗網(wǎng)絡攻擊；企業(yè)級安全殺毒軟件、安全漏洞及時升級。
3) 軟件系統(tǒng)：采用身份識別、用戶權限、安全認證、數(shù)據(jù)加密傳輸和訪問控制；采用安全加密芯片；訪問規(guī)范采用標準安全模塊，通過數(shù)字證書進行安全認證；采用對稱加密、非對稱加密技術；安全軟件開發(fā)工具包（SDK）；支持HTTPS、TLS等，提供安全的數(shù)據(jù)傳輸通道；微服務化；實時監(jiān)控、告警管理。
3.6 核心技術優(yōu)勢
核心優(yōu)勢：
圖14 核心優(yōu)勢
4 成功案例
1) 廣東匯嶸綠色能源股份有限公司
廣東匯嶸綠色能源股份有限公司是一家以資源綜合利用和清潔能源管理技術為核心的高科技企業(yè)，是國家發(fā)改委促成并認定的合同能源管理（EPC)運營公司。公司專注于資源綜合利用、節(jié)能環(huán)保及互聯(lián)網(wǎng)遠程能源管理技術的研發(fā)與應用，主營開展資源化清潔能源供應和管理業(yè)務，同時提供能源評估與審計、能源環(huán)保工程、項目金融投資等綜合服務。
面臨問題：
? 鍋爐產(chǎn)品同質(zhì)化嚴重，市場競爭力單一
? 銷售覆蓋區(qū)域廣，售后人力成本高
? 歷史維護數(shù)據(jù)分散，設備改良缺乏數(shù)據(jù)支撐
客戶價值：
? 大幅減少駐廠人員，降低人力成本
? 部分故障可遠程調(diào)試，降低售后成本
? 客戶黏性增強，原廠維保率提高60%
? 所有投放操作均通過GPRS上傳至平臺，有效管理公司資產(chǎn)
2) 浙江先創(chuàng)能源科技股份有限公司
浙江先創(chuàng)是一家以“先天下、創(chuàng)世紀”為企業(yè)精神的環(huán)保能源裝備綜合服務商，為行業(yè)客戶提供能源設備的研發(fā)、涉及、制造、安裝調(diào)試、升級改造、工程總承包及后續(xù)增值維護等一站式服務。先創(chuàng)新能源的水煤漿有機熱載體鍋爐已經(jīng)在國內(nèi)市場享有非常好的口碑，市場地位遙遙領先。包攬了國內(nèi)近四十家大型化纖企業(yè)的聚合工藝生產(chǎn)供應，并且建設了目前國內(nèi)容量最大的3臺2400×104cal/h的水煤漿有機熱載體鍋爐。
面臨問題：
? 各地項目的設備無法進行遠程監(jiān)管，沒有約束力
? 售后人員工作效率低下，對公司服務口碑有負面影響
? 客戶故障管理不及時，既耽誤了客戶時間，也提升了售后成本
客戶價值：
? 客戶、設備一體化管理，設備的故障率降低40%
? GPS與基站定位雙重保障，設備地理位置實時查看
? 基于歷史數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析，為精準營銷與產(chǎn)品升級做數(shù)據(jù)支撐
? 實現(xiàn)“管、控、營”一體化，變被動售后為主動服務
? 專家對數(shù)據(jù)的分析，提升鍋爐運行的效率，節(jié)省60%人力
聲明
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