NI為杜克能源30個(gè)工廠(chǎng)提供機器狀態(tài)監測及預測性維護

　　發(fā)電行業(yè)公司在手動(dòng)監測機器狀況時(shí)面臨著(zhù)挑戰。狀態(tài)監測可通過(guò)避免設備故障導致的停機來(lái)控制成本以及提高設備服務(wù)能力。手動(dòng)采集數據非常耗費人力; 在基于路線(xiàn)的數據采集方法中，公司的預測性維護專(zhuān)家需要親自走到每個(gè)站點(diǎn)手動(dòng)采集數百個(gè)數據樣本，然后返回計算機查看和分析采集到的數據。杜克能源公司的分析師每個(gè)月需要進(jìn)行近6萬(wàn)次數據采集時(shí)，通常會(huì )花費80%的時(shí)間來(lái)采集數據，而只有20%的時(shí)間可用于分析數據，導致診斷不一致，風(fēng)險評估受限，而且需要耗費大量時(shí)間和體力在走路上!

　　發(fā)電行業(yè)公司都希望擁有能夠及時(shí)發(fā)現問(wèn)題并通知專(zhuān)家的技術(shù)，以取代傳統基于路線(xiàn)的數據采集做法，使他們能夠將時(shí)間花在更有價(jià)值的任務(wù)上，并且無(wú)論身處何處都能完成工作。這個(gè)需要耗時(shí)數年的項目需要安裝額外的傳感器，采用全新的架構設計以及購買(mǎi)新基礎設施來(lái)補充舊基礎設施。

　　圖1 杜克能源設施

　　杜克能源公司開(kāi)始考慮利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)和大數據分析的元素來(lái)應對這些挑戰。

　　解決方案——IIoT和大數據分析應對挑戰

　　對于這個(gè)項目，NI與杜克能源以及美國電力研究院(EPRI) 、OSIsoft和InStep(現為施耐德電氣的一部分) 共同合作開(kāi)發(fā)定制的監測和診斷基礎設施，該設施稱(chēng)為Smart Monitoring and Diagnostics，簡(jiǎn)稱(chēng)“Smart M&D” 。

　　EPRI已經(jīng)推出了I4GEN(Developing Insights through the Integration of Information for Intelligent Generation，通過(guò)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(zhuān)業(yè)知識，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(pán)散沙，各做各的。

　　技術(shù)投資和運營(yíng)

　　此項目的必要投資包括安裝額外在線(xiàn)傳感器、基礎設施、架構和診斷應用程序。

　　2012年，杜克能源開(kāi)始開(kāi)發(fā)新的架構來(lái)支持這個(gè)項目。 Duke Energy采用了NI CompactRIO平臺， 該平臺結合了嵌入式實(shí)時(shí)處理器、高性能現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)以及可熱插拔I/O模塊，可將實(shí)時(shí)采集的數據發(fā)送到聯(lián)網(wǎng)的上位機電腦中。傳感器數據被傳送NI CompactRIO監控系統中進(jìn)行信號采集和處理，結果通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)方式傳輸到工廠(chǎng)服務(wù)器。利用大量的模擬數據，NI CompactRIO可以進(jìn)行報警，并為杜克的數據專(zhuān)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)監測NI InsightCM來(lái)可視化和分析數據。 通過(guò)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，僅保留指示節點(diǎn)處系統“健康”狀況所需的數據。 這樣可以避免數據超載的情況，方便領(lǐng)域專(zhuān)家快速發(fā)現問(wèn)題。

　　圖2 NI CompactRIO系統通過(guò)連接全廠(chǎng)資產(chǎn)設備來(lái)為杜克能源提 供機器監測解決方案

　　NI InsightCM軟件是一款讓數據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。杜克正處于從傳統技術(shù)向新技術(shù)的過(guò)渡中，以期為最終用戶(hù)提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

　　更多傳感器正在添加到驅動(dòng)器、電機、泵、變速箱和風(fēng)扇等監測功能受限的設備上。對于已經(jīng)配備傳感器的機器，杜克能源專(zhuān)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(guò)警報來(lái)避免代價(jià)高昂的故障。 杜克能源公司在這種設備中增加了更多的傳感器來(lái)捕獲數據，以支持更先進(jìn)的振動(dòng)監測，從而提高了未來(lái)故障的可預測性。

　　杜克在其設施中確定了10,000多項資產(chǎn)，并計劃為這些設備資產(chǎn)添加超過(guò)30,000個(gè)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(dòng)、軸承溫度和油壓監測等功能，還可監測變壓器、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據采集計算機的布線(xiàn)上。 數據采集系統遍布該公司的各種設施，可連接多 達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數據采集計算機;然后信號從NI數據采集設備無(wú)線(xiàn)傳輸到杜克能源的服務(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，持續幾秒鐘，才能對機器狀況進(jìn)行充分的測量。此外，杜克能源公司使用現場(chǎng)工廠(chǎng)服務(wù)器的組合來(lái)管理這些龐大的數據。 每個(gè)工廠(chǎng)都有自己的OSIsoft PI服務(wù)器，該服務(wù)器可采集、存儲和組織各種來(lái)源的數據。

　　這些服務(wù)器位于杜克的監控和診斷中心，其中 Instep的Prism模式識別和預測軟件(用于機械解決方案)和GP Strategy的EtaPRO熱狀態(tài)監測軟 件可幫助識別與預期行為的偏差。在監測診斷中心內，這些軟件工具由一個(gè)由五名技術(shù)人員組成的團隊使用。

　　技術(shù)人員通過(guò)一個(gè)報警儀表板來(lái)了解設備是否發(fā)生某些意外行為。這樣，他們就可以調查并篩選 問(wèn)題，以確定是否是真正的異常情況以及是否需要進(jìn)一步調查。 如果對異常進(jìn)行標記，就會(huì )發(fā)送一個(gè)標準流程電子郵件來(lái)提醒相關(guān)的人員解決問(wèn)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(huì )發(fā)送到EPRI的資產(chǎn)健康管理系統，并與基于真實(shí)設備數據長(cháng)時(shí)間編制而成的特征數據庫(來(lái)自多個(gè)公司)中的所有已知故障進(jìn)行比較來(lái)識別問(wèn)題。然后EPRI通知杜克能源的專(zhuān)家進(jìn)入 NI InsightCM Data Explore(r一款旨在幫助工程 師快速定位、檢查、分析和報告測量數據的聯(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據存儲在內部服 務(wù)器上，因為IT部門(mén)目前不開(kāi)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據量。

　　圖3 基于網(wǎng)絡(luò )的狀態(tài)監測軟件(圖片為NI InsightCM)

　　取得的成效

　　截至2017年3月，已有近30個(gè)工廠(chǎng)通過(guò)Smart M&D架構部署和管理近2000個(gè)NI CompactRIO系統。在這些工廠(chǎng)內，杜克能源公司借助自動(dòng)化數據采集功能，讓分析師可以將80%的時(shí)間用于分析，而不是數據采集; 因此，分析結果更加可靠。

　　一年內，杜克能源公司的監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(zhuān)家提供了依據，使其可以在成本最低的時(shí)候對設備進(jìn)行計劃和修理，例如，當設備計劃進(jìn)行維護而停機或需求較少時(shí)。

　　這些機器能夠繼續運行數周，使專(zhuān)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)電機運行三周，直至安排安全且適時(shí)的維修。

　　公司以前只能每年從數據點(diǎn)采集四個(gè)數據，而現在每五秒就能采集一次數據。并非所有的附加數據都可以永久存儲; 因此該公司通過(guò)管理協(xié)議來(lái)決定什么時(shí)候丟棄哪些類(lèi)型的數據，以實(shí)現更智能的數據存儲。

　　四年來(lái)，杜克能源公司由于避免了故障帶來(lái)的高昂成本，節省了高達130%的資金預算。 該項目實(shí)施的第三年，杜克能源公司開(kāi)始看到回報顯著(zhù)增加。

　　該公司正在計算由于避免手動(dòng)采集數據而節省的勞動(dòng)力成本。由于系統會(huì )持續分析數據，因此可大大減少操作員輪次，同時(shí)顯著(zhù)提高數據采集頻率。 數據不再是每個(gè)月采集一次; 而是每天采集數次，每周采集數TB的數據，從而可以在更頻繁且一致地發(fā)現和跟蹤問(wèn)題。

　　NI系統帶來(lái)的轉變提高了可靠性并降低了運營(yíng)成本，可幫助管理人員滿(mǎn)足更高可靠性的需求，并通過(guò)提高分析能力來(lái)優(yōu)化工作效率。

　　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測的范圍，納入了變壓器等附加設備。 杜克能源公司認識到，使用更多的無(wú)線(xiàn)傳感器可以節省更多資金，因為這些傳感器不需要昂貴的數據采集系統布線(xiàn)。之后，杜克能源公司希望通過(guò)能夠提前診斷問(wèn)題的工具來(lái)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測性維護解決方案進(jìn)一步擴展，不僅能夠告訴專(zhuān)家問(wèn)題是什么，而且還提供如何解決問(wèn)題的建議。鑒于該行業(yè)的領(lǐng)域專(zhuān)家不斷流失，這一點(diǎn)將變得尤為重要。