發(fā)電行業(yè)公司在手動(dòng)監(jiān)測(cè)機(jī)器狀況時(shí)面臨著挑戰(zhàn)。狀態(tài)監(jiān)測(cè)可通過避免設(shè)備故障導(dǎo)致的停機(jī)來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，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6萬次數(shù)據(jù)采集時(shí)，通常會(huì)花費(fèi)80％的時(shí)間來采集數(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！
圖1 杜克能源設(shè)施
發(fā)電行業(yè)公司都希望擁有能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問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)以及購買新基礎(chǔ)設(shè)施來補(bǔ)充舊基礎(chǔ)設(shè)施。
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)分析的元素來應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。
解決方案——IIoT和大數(shù)據(jù)分析應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)
對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，NI與杜克能源以及美國電力研究院（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Smart Monitoring and Diagnostics，簡(jiǎn)稱“Smart M&D” 。
EPRI已經(jīng)推出了I4GEN（Developing Insights through the Integration of Information for Intelligent Generation，通過集成智能發(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)來支持這個(gè)項(xiàng)目。 Duke Energy采用了NI CompactRIO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NI CompactRIO監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行信號(hào)采集和處理，結(jié)果通過有線或無線方式傳輸?shù)焦S服務(wù)器。 利用大量的模擬數(shù)據(jù)，NI CompactRIO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)NI InsightCM來可視化和分析數(shù)據(jù)。 通過將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)問題。
圖2 NI CompactRIO系統(tǒng)通過連接全廠資產(chǎn)設(shè)備來為杜克能源提 供機(jī)器監(jiān)測(cè)解決方案
NI InsightCM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)器需要通過警報(bào)來避免代價(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)器的組合來管理這些龐大的數(shù)據(jù)。 每個(gè)工廠都有自己的OSIsoft PI服務(wù)器，該服務(wù)器可采 集、存儲(chǔ)和組織各種來源的數(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GP Strategy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)人員通過一個(gè)報(bào)警儀表板來了解設(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)流程電子郵件來提醒相關(guān)的人員解決問題; 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（來自多個(gè)公司）中的所有已知故障進(jìn)行比較來識(shí)別問題。 然后EPRI通知杜克能源的專家進(jìn)入 NI InsightCM Data Explore（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NI InsightCM）
取得的成效
截至2017年3月，已有近30個(gè)工廠通過Smart M＆D架構(gòu)部署和管理近2000個(gè)NI 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); 因此該公司通過管理協(xié)議來決定什么時(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，杜克能源公司由于避免了故障帶來的高昂成本，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)和跟蹤問題。
NI系統(tǒng)帶來的轉(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，并通過提高分析能力來優(yōu)化工作效率。
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能夠提前診斷問題的工具來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題是什么，而且還提供如何解決問題的建議。 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。