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

其實，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。美國杜克能源就是其中極具代表性的一家。

今天，我們就來看看這家美國最大的發(fā)電公司，如何利用IIoT和大數(shù)據(jù)分析為30個工廠提供全廠機器狀態(tài)監(jiān)測及預(yù)測性維護。希望能給大家IIoT的實踐應(yīng)用帶來啟示。

以往的手動監(jiān)測機器狀況面臨巨大挑戰(zhàn)

杜克能源公司成立于1900年，是美國最大的發(fā)電公司，在美國擁有80多家工廠，員工超過29,000人。該公用事業(yè)公司總部位于北卡羅來納州夏洛特，擁有52,700兆瓦的發(fā)電能力，向美國東南部和中西部地區(qū)六個州約740萬用戶供電。杜克能源還為150萬天然氣客戶提供服務(wù)，并在加拿大和拉丁美洲運營多種發(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)的其他公司在手動監(jiān)測機器狀況時都面臨著挑戰(zhàn)。狀態(tài)監(jiān)測可通過避免設(shè)備故障導(dǎo)致的停機來控制成本以及提高設(shè)備服務(wù)能力。手動采集數(shù)據(jù)非常耗費人力;在基于路線的數(shù)據(jù)采集方法中，杜克能源公司的預(yù)測性維護專家需要親自走到每個站點手動采集數(shù)百個數(shù)據(jù)樣本，然后返回計算機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月需要進行近6萬次數(shù)據(jù)采集時，通常會花費80％的時間來采集數(shù)據(jù)，而只有20％的時間可用于分析數(shù)據(jù)，導(dǎo)致診斷不一致，風(fēng)險評估受限，而且需要耗費大量時間和體力在走路上！

2010年，杜克能源公司開始在整個公司實施集中化項目，使用新技術(shù)來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間花在更有價值的任務(wù)上，并且無論身處何處都能完成工作。這個需要耗時數(shù)年的項目需要安裝額外的傳感器，采用全新的架構(gòu)設(shè)計以及購買新基礎(chǔ)設(shè)施來補充舊基礎(chǔ)設(shè)施。

圖2NICompactRIO系統(tǒng)通過連接全廠資產(chǎn)設(shè)備來為杜克能源提供機器監(jiān)測解決方案

解決方案——IIoT和大數(shù)據(jù)分析應(yīng)對挑戰(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)分析的元素來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

對于這個項目，杜克能源與NI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)測和診斷基礎(chǔ)設(shè)施，該設(shè)施稱為SmartMonitoringandDiagnostics，簡稱“SmartM&D”。

EPRI已經(jīng)推出了I4GEN（DevelopingInsightsthroughtheIntegrationofInformationforIntelligentGeneration，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，并支持多個發(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)投資和運營

此項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)來支持這個項目。DukeEnergy采用了NICompactRIO平臺，該平臺結(jié)合了嵌入式實時處理器、高性能現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）以及可熱插拔I/O模塊，可將實時采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到聯(lián)網(wǎng)的上位機電腦中。傳感器數(shù)據(jù)被傳送NICompactRIO監(jiān)控系統(tǒng)中進行信號采集和處理，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)，NICompactRIO可以進行報警，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NIInsightCM來可視化和分析數(shù)據(jù)。通過將FPGA和板載實時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。

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)動器、電機、泵、變速箱和風(fēng)扇等監(jiān)測功能受限的設(shè)備上。對于已經(jīng)配備傳感器的機器，杜克能源專注于擴展其感測能力。例如，蒸汽渦輪發(fā)電機已經(jīng)具有較高的感測能力，因為這些昂貴的機器需要通過警報來避免代價高昂的故障。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)，以支持更先進的振動監(jiān)測，從而提高了未來故障的可預(yù)測性。

杜克在其設(shè)施中確定了10,000多項資產(chǎn)，并計劃為這些設(shè)備資產(chǎn)添加超過30,000個傳感器，包括加速度計、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、軸承溫度和油壓監(jiān)測等功能，還可監(jiān)測變壓器、溶解氣體和發(fā)電機等其他資產(chǎn)的電磁特征。

據(jù)估計，該項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)采集計算機的布線上。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30或40個硬連接的傳感器。電纜必須從傳感器連接到本地數(shù)據(jù)采集計算機；然后信號從NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備無線傳輸?shù)蕉趴四茉吹姆?wù)器。

為了采集振動信息，可能需要每秒捕捉10,000到100,000個樣本，持續(xù)幾秒鐘，才能對機器狀況進行充分的測量。此外，杜克能源公司使用現(xiàn)場工廠服務(wù)器的組合來管理這些龐大的數(shù)據(jù)。每個工廠都有自己的OSIsoftPI服務(wù)器，該服務(wù)器可采集、存儲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模式識別和預(yù)測軟件（用于機械解決方案）和GPStrategy的EtaPRO熱狀態(tài)監(jiān)測軟件可幫助識別與預(yù)期行為的偏差。在監(jiān)測診斷中心內(nèi)，這些軟件工具由一個由五名技術(shù)人員組成的團隊使用。

技術(shù)人員通過一個報警儀表板來了解設(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一步調(diào)查。如果對異常進行標(biāo)記，就會發(fā)送一個標(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器。

這些信息會發(fā)送到EPRI的資產(chǎn)健康管理系統(tǒng)，并與基于真實設(shè)備數(shù)據(jù)長時間編制而成的特征數(shù)據(jù)庫（來自多個公司）中的所有已知故障進行比較來識別問題。然后EPRI通知杜克能源的專家進入NIInsightCMDataExplore（r一款旨在幫助工程師快速定位、檢查、分析和報告測量數(shù)據(jù)的聯(lián)網(wǎng)軟件）進行全面分析。目前，杜克能源公司將其所有數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)部服務(wù)器上，因為IT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個工廠通過SmartM＆D架構(gòu)部署和管理近2000個CompactRIO系統(tǒng)。在這些工廠內(nèi)，杜克能源公司借助自動化數(shù)據(jù)采集功能，讓分析師可以將80％的時間用于分析，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需要采取糾正措施。這些警報為專家提供了依據(jù)，使其可以在成本最低的時候?qū)υO(shè)備進行計劃和修理，例如，當(dāng)設(shè)備計劃進行維護而停機或需求較少時。

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

公司以前只能每年從數(shù)據(jù)點采集四個數(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;因此該公司通過管理協(xié)議來決定什么時候丟棄哪些類型的數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)更智能的數(shù)據(jù)存儲。

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130%的資金預(yù)算。該項目實施的第三年，杜克能源公司開始看到回報顯著增加。

該公司正在計算由于避免手動采集數(shù)據(jù)而節(jié)省的勞動力成本。由于系統(tǒng)會持續(xù)分析數(shù)據(jù)，因此可大大減少操作員輪次，同時顯著提高數(shù)據(jù)采集頻率。數(shù)據(jù)不再是每個月采集一次;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。

這一轉(zhuǎn)變提高了可靠性并降低了運營成本，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。

項目實施遇到的挑戰(zhàn)

推出該解決方案必須克服許多挑戰(zhàn)。早在項目之初，杜克能源就意識到他們無法獨自輕松完成該項目。通過一開始就與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挑戰(zhàn)是讓員工（其中許多人的整個職業(yè)生涯都在從事基于路線的手動數(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谑盏交跀?shù)據(jù)的警告后，使用手持設(shè)備手動檢查設(shè)備。因此，該公司已投入到數(shù)據(jù)可視化的持續(xù)優(yōu)化過程中。

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杜克面臨的另一個主要挑戰(zhàn)是運行大量高級模式識別（APR）模型（超過10,000個）會導(dǎo)致接收到警報量非常大。為了應(yīng)對這種情況，杜克能源公司正在制定一個警報管理以及優(yōu)先排序策略，因為該公司沒有足夠的分析師來處理所有模型。其中一種警報管理方法是基于資產(chǎn)的重要性（例如汽輪機和風(fēng)扇）進行優(yōu)先級排序。

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對于采用該解決方案的四個地區(qū)，杜克能源在每個地區(qū)都指派了負責(zé)人，他們與維護專家一起進行測量，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團隊之間的合作就顯得非常重要。這存在一個挑戰(zhàn)，即OT和IT部門有自己的優(yōu)先事項（和預(yù)算），這些事項有時候會存在競爭，所以保持平衡至關(guān)重要；此外，項目高級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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由于該項目已在多個工廠推出，該團隊必須與每個站點合作，針對其特定需求開發(fā)獨特的解決方案。這要求工廠管理人員根據(jù)他們的主要痛點和擔(dān)憂來進行取舍。另一個挑戰(zhàn)是，在過去幾年中，工廠管理人員發(fā)生了變動，需要對新員工進行持續(xù)培訓(xùn)。

下一步的擴展方向

今年，杜克能源將完成額外傳感器的部署;因為該公司最近擴大了希望監(jiān)測的范圍，納入了變壓器等附加設(shè)備。杜克能源公司認識到，使用更多的無線傳感器可以節(jié)省更多資金，因為這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)測性維護解決方案進一步擴展，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В@一點將變得尤為重要。

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