李 丹,肖炳甲,2,季振山,王 勇,劉少清

1(中國科學(xué)院 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院,合肥 230031)

2(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),合肥 230031)

據(jù)美國權(quán)威咨詢機(jī)構(gòu)Forrester稱,到2020年,全球物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)與人和人之間的通信業(yè)務(wù)比例將達(dá)到30：1.物聯(lián)網(wǎng)讓人類生活發(fā)生了巨大的變化[1].在工業(yè)4.0的浪潮中,企業(yè)和公司正朝著智能化的方向發(fā)展,這不僅是公司內(nèi)部生產(chǎn)管理系統(tǒng)的智能化,也是產(chǎn)品的智能化[2].電機(jī)是工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的動(dòng)力設(shè)備,存在著一些潛在的重大事故,會(huì)造成人員和財(cái)產(chǎn)損失嚴(yán)重,因此,確定電機(jī)故障的根源是不可忽視的問題[3].電機(jī)的正常運(yùn)行對(duì)企業(yè)的安全生產(chǎn)起著重要作用,本文通過對(duì)電機(jī)運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集,對(duì)電動(dòng)機(jī)故障進(jìn)行預(yù)判和報(bào)警,并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的顯示,為相關(guān)人員提供了查看和分析數(shù)據(jù)的平臺(tái).采集設(shè)備用于在工業(yè)運(yùn)行中24小時(shí)不間斷地采集電機(jī)參數(shù),采集設(shè)備包括以下傳感器：加速度傳感器、速度傳感器、RTD溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器和電渦流位移傳感器.采集的數(shù)據(jù)以固定的時(shí)間間隔存儲(chǔ)在云數(shù)據(jù)庫中.相關(guān)人員和專家可登錄電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與顯示系統(tǒng)的網(wǎng)頁和移動(dòng)終端應(yīng)用程序,實(shí)時(shí)查看電機(jī)狀態(tài),獲取電機(jī)的故障報(bào)警,也可查詢電機(jī)歷史狀態(tài)信息.

圖1 系統(tǒng)框架圖

1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)框架如圖1所示.系統(tǒng)主要由5層組成：對(duì)象層、傳感器層、設(shè)備層和決策層、云平臺(tái)層和終端層.對(duì)象層包括需要在系統(tǒng)中監(jiān)控的電機(jī)組件.傳感器層是所有傳感器的集合.根據(jù)用戶的需要,系統(tǒng)主要包括以下傳感器：加速度傳感器、速度傳感器、RTD溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器和電渦流位移傳感器.采集設(shè)備主要采用NI PXI采集機(jī).云平臺(tái)使用阿里云服務(wù),包括存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)、電機(jī)信息數(shù)據(jù)、故障原始數(shù)據(jù)、二級(jí)數(shù)據(jù)以及發(fā)布網(wǎng)頁和應(yīng)用程序.終端層包括基于網(wǎng)頁的顯示終端和基于應(yīng)用程序的顯示終端.主要功能包括遠(yuǎn)程監(jiān)控診斷、數(shù)據(jù)分析、用戶認(rèn)證等.基于Web的系統(tǒng)顯示電機(jī)的詳細(xì)信息,基于應(yīng)用程序的系統(tǒng)直觀地顯示報(bào)警信息.

2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要功能劃分如圖2所示.它由3個(gè)主要模塊組成：用戶管理、電機(jī)管理和電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè).用戶管理模塊包括用戶注冊(cè)、用戶登錄和用戶編輯.電機(jī)管理模塊包括硬件信息管理、屬性信息管理和狀態(tài)顯示.狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、故障層預(yù)警、運(yùn)行監(jiān)測(cè)、故障報(bào)告、決策分析和數(shù)據(jù)頻譜.

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示.基于Web的電機(jī)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由3層組成：數(shù)據(jù)層提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)服務(wù),基礎(chǔ)平臺(tái)層是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的工具,功能層是系統(tǒng)向用戶提供的功能描述.數(shù)據(jù)是系統(tǒng)中決定系統(tǒng)可用性的重要部分.數(shù)據(jù)可分為兩部分：采集數(shù)據(jù)(實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù))和屬性數(shù)據(jù)(用戶數(shù)據(jù)、電機(jī)屬性數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)).在基礎(chǔ)平臺(tái)層,利用一些軟件平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)這些功能.MySQL數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)那些容易檢索的數(shù)據(jù).EasyUI[4]是基于jQuery和angular的用戶界面組件集合.它可以為構(gòu)建現(xiàn)代和交互式的JavaScript應(yīng)用程序提供基本的功能.PHP是一種流行的通用腳本語言,特別適合于Web開發(fā).HighCharts[5]是一個(gè)用純JavaScript編寫的圖表庫,它可以輕松的向網(wǎng)站或Web應(yīng)用程序添加交互式圖表,并且對(duì)于個(gè)人學(xué)習(xí)、個(gè)人網(wǎng)站和非商業(yè)用途是免費(fèi)的.HighCharts支持的圖表類型包括直線、圖形、面積圖、條形圖、餅圖、散點(diǎn)圖、米圖、氣泡圖、瀑布圖等,其中許多可以集成到同一圖表中,形成混合圖.

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示.該系統(tǒng)是基于Linux/Apache/MySQL/PHP(LAMP)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用框架設(shè)計(jì)的.

圖4 服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)圖

(1)提取電機(jī)所有采集的原始數(shù)據(jù),保存到MySQL關(guān)系數(shù)據(jù)庫中；

(2)用戶通過認(rèn)證后可以使用Web瀏覽器訪問系統(tǒng)；

(3)Web服務(wù)器不僅實(shí)現(xiàn)了HTTP和相關(guān)的TCP連接處理,還實(shí)現(xiàn)了HTTP協(xié)議、Web資源管理,并負(fù)責(zé)提供Web服務(wù)器管理功能,本系統(tǒng)使用的Web服務(wù)器是Apache.

3.3 云平臺(tái)及配置

阿里云平臺(tái)用于儲(chǔ)存原始數(shù)據(jù),提供數(shù)據(jù)和應(yīng)用服務(wù).云平臺(tái)的配置如下：

(1)CentOS Linux release 7.3.1611 64 bit Linux Operating System

(2)2 CPU,4 GB RAM,40 GB Hard disk,2 Mbps Bandwidth

(3)Private network

(4)MySQL 5.1/PHP 5.3/Apache 2.2

3.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

在傳感層,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣率為10 kHz.為了簡(jiǎn)化問題,我們只提取原始數(shù)據(jù)并每隔1 ms將其存儲(chǔ)到MySQL數(shù)據(jù)庫中.主要的E-R圖如圖5所示.MySQL表如表1所示.每個(gè)電機(jī)的元數(shù)據(jù)保存到machinedata表中,如表2所示.

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 運(yùn)維矩陣

模型-視圖-控制器(MVC)模式被用于開發(fā)系統(tǒng).為了提供用戶友好的界面,采用了jquery easyui框架.它是基于jquery的用戶界面插件的集合.用戶可以使用easyui快速構(gòu)建前端網(wǎng)頁.圖6顯示了基于easyui的網(wǎng)頁截圖.本頁面展示了運(yùn)行維護(hù)矩陣,提供了詳細(xì)的電機(jī)信息和硬件參數(shù),用戶可在本頁訪問故障信息鏈接.

4.2 實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控

系統(tǒng)中被監(jiān)控的電機(jī)上分布有8個(gè)傳感器.這些傳感器構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò),用于收集傳感器數(shù)據(jù),供用戶分析和查詢.在實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控頁面,列出實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù),如果出現(xiàn)異常,相應(yīng)的燈閃爍紅色,否則燈閃爍綠色.應(yīng)注意,加速度數(shù)據(jù)有4個(gè)故障級(jí)別.表3顯示了警報(bào)級(jí)別描述.圖7顯示了實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控的詳細(xì)信息.

4.3 電機(jī)信息列表

為了提供給用戶管理所有系統(tǒng)中相關(guān)電機(jī)的解決方案,實(shí)現(xiàn)了電機(jī)信息列表.管理員可以訪問汽車、工廠和城市之間的關(guān)系信息.此外,管理員還可以根據(jù)實(shí)際需要添加、編輯或刪除列表.典型的電機(jī)信息列表如圖8所示.

圖5 E-R圖

表1 MySQL表

4.4 運(yùn)行監(jiān)控

為了更好地了解傳感器數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì),為故障分析提供有效的參考,本系統(tǒng)提供了波形圖.當(dāng)用戶在頁面中選擇顯示周期和變量時(shí),快速繪制所選周期的變量波形.故障等級(jí)也根據(jù)不同的故障程度預(yù)設(shè)并用不同的顏色標(biāo)記.圖9顯示了近一小時(shí)內(nèi)加速度x的變化趨勢(shì).橫坐標(biāo)是時(shí)間,縱坐標(biāo)是加速度x.此外,它還提供了查看波形部分細(xì)節(jié)的功能.通過按住鼠標(biāo)左鍵并選擇某個(gè)波形段,可以放大波形.如圖10所示,我們還將中間級(jí)范圍以外的故障點(diǎn)用紅燈標(biāo)記,方便用戶快速獲得故障點(diǎn).HighCharts被用于可視化傳感器數(shù)據(jù).HighCharts可以輕松地向網(wǎng)站或Web應(yīng)用程序添加交互式圖表,并可以快速處理20萬個(gè)數(shù)據(jù).

表2 Machinedata表結(jié)構(gòu)

4.5 故障報(bào)告

由于元數(shù)據(jù)信息已經(jīng)被采集和存儲(chǔ),因此可以自動(dòng)給出數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和故障報(bào)告.圖11顯示了詳細(xì)的故障報(bào)告.

圖6 運(yùn)維矩陣

表3 故障級(jí)別說明

圖7 實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控

圖8 電機(jī)信息列表

圖9 最近1小時(shí)加速度X波形圖

圖10 加速度X局部細(xì)節(jié)

圖11 故障報(bào)告

4.6 決策分析

決策分析的功能是提供不同電機(jī)數(shù)據(jù)之間的比較.圖12顯示了4臺(tái)電機(jī)在同一時(shí)間段內(nèi)的振動(dòng)對(duì)比,用戶可以方便地分析這些數(shù)據(jù).

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于Web的電機(jī)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),為用戶獲取電機(jī)的所有采集數(shù)據(jù)和故障信息提供了依據(jù).系統(tǒng)主要功能有：運(yùn)行維護(hù)矩陣、實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)告、電機(jī)信息列表、運(yùn)行監(jiān)測(cè)和決策分析.為了提高訪問速度,未來的工作可以把一些鍵值數(shù)據(jù)緩存到數(shù)據(jù)庫中.另外,為方便用戶分析數(shù)據(jù),更多的數(shù)據(jù)可視化形式可以被加入系統(tǒng)中.

圖12 決策分析