第十二章 物联网在生产监控中的应用.ppt

1、物联网概论,2010年8月,第12章 物联网在生产监控中的应用,目 录,生产监控概述,生产监测应用系统架构,生产监测应用案例,学习目标,1）了解物联网在生产监控中的应用 2）了解智能维护系统IMS的基本功能 3）了解物联网在井下作业安全监测中的应用,12.1生产监控,生产安全,生产安全是社会稳定发展的基础，工业生产如出现波动、或者安全一旦失控，少则出现废次产品，重则导致设备故障与失效，更坏的情况是造成安全事故，给国家、企业、个人和家庭造成不可挽回的损失。,此类事故在我国已屡见不鲜！,12.1生产监控,生产监控,生产监控是指对工业生产中的加工设备、重要装置、生产环境、空间结构、作业区域、相关人员

2、等进行监测与控制，目的是保证生产的安全与稳定运行。一旦发现问题便及时报警或自动采取相应措施。,12.1生产监控,生产单位多采用各种专项但彼此独立的监控系统，有的检测数据还靠专业人员进行评估。,目前状况,物联网在该领域的应用，将实现对人、事、物的统一监测，建立起工程、生产的安全应用价值链，自动分析与综合评估。,物联网,12.1生产监控,物联网生产监控应用,物体对象跟踪及程序优化,生产环境感知,生产设备维护,12.1生产监控,生产对象跟踪,生产线上，当在加工设备、关键零部件和产品中嵌入传感器后，系统就可跟踪物件的机械运动，甚至监测设备与仪器间的互动（M2D）。利用传感器采集的数据，可对加工进程进行

3、控制、纪录与调整 。,在仓库中，利用传感器跟踪安放在产品上的RFID标签，可改进库存管理，降低运营资金和物流成本,当重要产品中的一些关键零部件植入RFID或智能芯片，特别是其与网络互联后，企业或用户方就能动态跟踪其运行中的功能是否正常。,产、存、销,12.1生产监控,生产环境感知,在如井下煤矿、化工厂、天然气站、危险品仓库、电焊作业场所等地，实时感知并监测环境中的有毒、有害、可燃与易爆气体等的空气含量，相关温度、湿度、气压等指标，地下巷道支撑物及建筑结构的受力变形与位移等情况，对于安全生产、确保工人、矿山与设备安全等，是至关重要的。利用物联网可将各种传感器组成无所不在的监控网络，特别是在条件允

4、许情况下，将各类传感器与先进监测技术结合，一旦任何指标超常，就能立刻感测到并自动报警，同时采取相应措施。,12.1生产监控,生产设备维护,12.1生产监控,工业生产中，设备维护具有特殊的重要性,据调查，设备的60的维护费用是由突然的故障停机引起的，即使在技术极为发达的美国，每年也要支付2000亿美金来对设备进行维护，而设备停机所带来的间接生产损失则更为巨大 .,12.1生产监控,物联网的导入就可建成智能维护系统，能动态对设备和产品性能状态进行监测、预测和评估，并按需制定维护计划，防止它们因故障而失效。,智能维护系统,12.1生产监控,如飞机制造商在建造带有网络传感器的机身，这些传感器可感测喷气

5、发动机和机体等各重要部位的工作状态，向电脑动态发送这些机件的磨损、位移和开裂数据，主动提示维护保养，减少非计划检修时间。,智能维护系统,生产监测应用系统架构,生产监测系统构成,生产监测应用系统架构,监测对象指标体系,判定任何被监测对象是否处于正常与安全状态，必需依照相关标准给出的定量与定性指标进行。,生产监测应用系统架构,如我国是多山国家，山体滑坡是较为常见的一种自然灾害，一旦发生时会给山下的公用设施、村庄民居、公路桥梁、铁路等造成毁坏，故需要在关键地区对之进行监测。,监测对象指标体系,生产监测应用系统架构,监测内容、对象、监测仪器名称和类型等见表,生产监测应用系统架构,监测工具,监测工具主要

6、由各类理化探测分析仪组成，各种检测仪通常将检出的非电量讯号变为电信号，再经放大器、信号转换器处理后进入资料采集器，发到前端工作站后，经信号传输设备发送到网络。,生产监测应用系统架构,各种新型、低成本、高精准度、能大量部署和广泛分布的探测器才能提高安全性、降低风险和生产成本并带来效益，许多专用检测器还能在人类难以到达或高度危险的恶劣环境中履行监测任务。,监测工具,生产监测应用系统架构,监测处理,监测处理是指将上述监测对象的信号经接收、数据服务器处理后变为可视信号在监测平台上显示，同时进行人工或自动资料分析、报告制作、研判警示、损害评估等。,生产监测应用系统架构,传统监测方式的缺点,如系统费用高、

7、线路多且庞杂、人工需求大、无法大量安装、可能遗漏灾害发生实际位置、也会因多种原因而丧失信号，耗电量大，维护较难等，,生产监测应用系统架构,传统结构的有线传感装置连接,生产监测应用系统架构,采用物联网技术的监测系统架构,从左至右共七个主要功能模块,生产监测应用系统架构,近距感测器及分散连接无线监测平台,重点场地、重点装置、重点构件、重点工位与重点受力面等均可能成为传感监测对象，为保证精准性，监测对象或监测点的选择均分组或分群，并按一定的数量规模分散部署传感器，组成一个近端无线传感网络。,生产监测应用系统架构,表* 近距离无线网络模块选择,近距离无线网络模块选择,生产监测应用系统架构,采用ZigB

8、ee（紫蜂）模块将分散各点的传感器在近距空间内按网状网结构组成一个前端无线传感网的示意,生产监测应用系统架构,前端处理系统,是对前端感测网中的信号进行接受、处理和发送的子系统，它可通过GPRS或3G网进行远程通信，还可汇集各种有线传感网检出的信号，将其一并发送到后台数据采集设备中。,生产监测应用系统架构,后台工作站及数据接收系统,与前端对应的后台信号接收系统，在接收发来的各种感测信号后，可及时制作报告并与各监测点以M2M自动通信联系。,生产监测应用系统架构,主数据服务器,在大范围传感器分布和高密度采集与通信情况下，监控总数据将急速增长，故需要后台服务器的支持 。,生产监测应用系统架构,应用系统

9、平台,监控的主要环节是发现异常的位置，锁定目标域，分析异常的规模和性质，结合其他分布监测点的数据，采用模型比对与专家分析软件进行研判，预测其发展趋势、实时报警，为防止问题恶化提出解决方案，其它辅助服务等，集成这些功能的系统就是应用平台。,生产监测应用系统架构,专家知识及模型库,对异常的分析和决策研判，需要多种模型的支持，模型依据专家的知识和经验来建立和积累。将这些模型集成到平台中，系统根据采集的各种异常信号的特征与各种故障与失效模型进行比对和趋势分析，就能正确报警并提出有效建议等。,生产监测应用系统架构,显示与分析界面,生产与安全监测仍需直观数据显示与身临其境的观察支持，故将异常数据和标准值的

10、对照以可视化形式显示在屏幕上，就可明确直观地进行警示。,如：基本判断可用简单的红、黄、绿色提示或报警；出现异常时对相关传感点位数据进行锁定跟踪，再结合现场视频进行研判等，这样的监控界面就能在关键发挥重要作用。,12.3生产监测应用案例,案例一 煤矿安全生产监控系统,在我国煤炭行业，瓦斯事故、地下水渗漏、塌方等是煤矿生产的主要灾害，多数煤矿企业都已经或正在建设安全生产监测监控系统的建设，但由于技术、规模和系统的局限，无法使安全生产监督管理部门等能及时动态地掌握地下各巷道内的情况，企业领导、安全责任人及作业工作许多情况下无法第一时间获得如瓦斯浓度、井下水量、井下环境等详细数据。,需求背景,12.3

11、生产监测应用案例,煤矿安全监控系统的功能是要能在地下数百米甚至到数十千米的瓦斯、毒气、渗水量等是否超标，是否有明火、自燃等安全隐患，巷道内应力分布及变化等。,煤矿安全监控系统的功能,12.3生产监测应用案例,煤矿安全管控系统示意图,12.3生产监测应用案例,图中由水泵自动控制系统、电力监测系统、井下环境监测系统、人员监控系统等独立功能系统及各类机械集成后，形成典型的煤矿安全质量预警与控制系统，并且对井下复杂巷道内的各项参数进行动态监测。,12.3生产监测应用案例,但要让矿井监控室的人员及时通过检出的各项指标了解总体安全生产情况，特别是让远离一线的上级领导对此能时时了如指掌，就颇有难度，关键问题

12、是各种信号监测与传输问题。,关键问题,12.3生产监测应用案例,由于煤矿是野外作业，点多、分散、距离长，施工现场与公司之间的信息交流长期以来没有好的解决方案，很多地方甚至连电话线都没有，更谈不上光纤接入等方式。,12.3生产监测应用案例,物联网解决方案,井下矿道安全监测及人员位置管控解决方案架构,12.3生产监测应用案例,图中表示，在地下巷道中各监测点位上布置了各类探测传感装置，通过近距无线通信模块如紫蜂（ZigBee）组成监测网络，解决了井下几百里没有通信信号的问题；远程则通过移动通信的GPRS或CDMA网络，实现基于TCP/IP协议的监测数据的远程无线传输，直接与手机、计算机系统等相联，形

13、成泛在监测/计算网络，覆盖井下各点。当监控装置检测到瓦斯浓度、风速超过限定值或主扇开、停或运行负荷变化较大时，GPRS数据通信模块将井上信息传递到监控站，同时，通过短信（SMS）方式将报警信息发送到相关人员的手机上。各级领导就能及时掌握瓦斯超限情况，及时指挥协调安全生产工作。,12.3生产监测应用案例,案例二 智能维护系统IMS 技术,智能维护系统（Intelligent Maintenance System, IMS）又称E-maintenance，是采用性能衰退分析和预测方法，结合物联网技术（具体为融合有线/无线网、非接触式传感技术、嵌入式智能电子技术等），使产品或设备达到近乎零故障（Ne

14、ar-Zero-Breakdown）性能的一种新型维护系统。,12.3生产监测应用案例,据统计，即使在美国，其工业运转能力也只是最大能力的一半。而保守估计，基于物联网的智能维护技术每年可提升2.5%到5%的运转能力增长，这意味着：在价值2亿元的设备上应用智能维护技术，每年就可多创造500万元的价值。,智能维护系统概述,12.3生产监测应用案例,故障监测与诊断,12.3生产监测应用案例,在传统诊断维修领域，技术开发与应用主要集中在信号及数据处理、智能算法（人工神经网络、遗传算法等）、及远程监控技术（以数据传送为主）研究上。这些技术基于被动维修模式FAF（Fail and Fix），即维修目的是要

15、及时修复。,智能维护技术是基于主动维护模式PAP（Predict and Prevent），重点在于信息分析、性能衰退过程预测、维护优化、应需式监测（以信息传送为主）的技术开发与应用，体现了预防性要求，以达到近乎于零故障及自我维护为目标。,12.3生产监测应用案例,系统基本架构,系统可通过Web驱动平台对设备和产品进行不间断的监测诊断和性能退化评估，并作出维护决策。同时，系统还能通过Web驱动的智能代理与电子商务工具（如客户关系管理CRM，供应链管理SCM，企业资源管理ERP等）进行整合。另外，系统所得的信息知识还可用于产品的再设计和优化设计，使未来的设备和产品达到自我维护的境界。,12.3生

16、产监测应用案例,智能维护系统IMS框架,12.3生产监测应用案例,智能维护的应用基础研究领域,12.3生产监测应用案例,美国普惠（Pratt & Whitney）飞机发动机公司在最近生产的发动机中加入了许多新型监测技术，集成了自我诊断系统，能产生详尽的信息配合地面分析系统使用，从而提前几个月就可预测发动机是否需要进行维护。这为各航班安排发动机的维护计划提供了方便，从而降低了检查和维护成本。而以往发生故障时，仅确定故障原因就要很长的时间，发动机的自我监测/诊断系统与地面分析系统相结合，就大大降低了意外事故的发生，如航班误点、航班取消和飞行中的发动机故障停机事故等。,在国外工业界智能维护技术的应用

17、,12.3生产监测应用案例,关键技术与装置,整个系统的核心技术，依然是利用各种高精度传感器和无线网络传输模块结合，对所监测的设备进行动态监测。,12.3生产监测应用案例,案例三 大地、工程与结构安全监测,我国是个地质灾害频发的国家，地震、山体滑坡、泥石流等都会危及水库大坝、桥梁、公路、铁道等的安全，故对关键区域、关键建筑的结构安全监测就显尤其重要。,需求背景,传统的大地与工程的安全监测以采用人工测量或半自动化接线量测为主。其缺点是无法取得充份数据、无法取得关键时刻信息、耗费人力等,12.3生产监测应用案例,采用物联网架构的新型探测仪器及无线传输技术，可改善传统大地、工程与结构建筑安全监测作业之

18、缺点。,12.3生产监测应用案例,基本结构,传感器集群通过无线组网模块形成前端感测网示意所示，由于大地与结构工程通常面积/体积庞大（如大坝、桥梁）当综合采用有线/无线方式将广泛分布的众多传感器连接成网。并定义测量单位、明确界定安全状态的边界规范、界定异常或破坏状态的边界规范、预测破坏时间及状态、提出安全的解决方案。并将这些约定经具体量化、建立模型后存入系统中，供系统自动比对与采取相应报警措施等。,12.3生产监测应用案例,老旧桥梁安全性监测示例,12.3生产监测应用案例,图中上部为桥梁各关键结构处（如桥墩）安装的应力传感仪的布置位置；中部为定量表示从各侦测点传出的异常信号，底部以红黄绿三色代表

19、三种状态，可直观地起到警示作用。,12.3生产监测应用案例,感测节点,以山体或大坝等坡地监测为例， 通过对原先彼此间距离相等、高度相等、均匀分布的各种传感器之间的位置与物理量进行监测，可发现哪些点位之间无变动、哪些之间在等速变动、哪些之间在加速变动，同样可按预先设定模型报警。,12.3生产监测应用案例,案例四：企业动力系统监测与智能厂房维修系统,动力系统监测需求,工业用发动机可以说是制造业的核心设备，一旦发生问题往往会造成生产线停工的重大损失。而对发动机运行动态监测，实时提供维护人员动态数据参考、为发动机轴承更换提供依据、对其寿命进行的预测等，对提高制造业设备完善好具有重要意义。,12.3生产

20、监测应用案例,发动机监测,发动机监测仍通过设计一批感测节点、安装动态传感模块为中心。,监测发动机运行的系统由无线网络感测模块、三维加速仪、电流计三者结合而成，通过测量转轴XYZ方向的加速度变化，了解发动机的振动情况，判断其轴承耗损变形程度，再通过电流流量，预测发动机的异常趋势。,12.3生产监测应用案例,发动机及相关设备运行的自动感测输出信号示例,12.3生产监测应用案例,智能厂房系统,系统运用物体网技术，实时自动监控发动机、压缩机、各种旋转设备的震动、不正常高温及异常电流之的情况，提供给使用厂家、维修保养单位及设备制造商，通过无线感测网和中央控制计算机的人工智能、类神经网络分析，来主动调节设备最佳运行效率并降低维修成本。,12.3生产监测应用案例,智能厂房设备监测系统架构示意,12.3生产监测应用案例,图中右下为一个无线传感网（WSN）覆盖并监测的各类设备，如发动机温度、发动机振动、室内温度、湿度、机械噪声、异常气体、