鍋爐綜合智能服務管理平臺
深圳市智物聯網絡有限公司
網絡行業應用篇/設備監控與維護
1 概述
1.1 背景
隨著我國國民經濟的不斷發展，鍋爐制造業作為基礎工業的重要組成部分，在經濟發展中起著重要的作用。近年來，鍋爐制造業取得了長足的進步，行業標準日益規范，技術水平逐步提高，產品品種不斷增加，經濟規模顯著擴大，滿足了當前的市場需求。
我國是當今世界鍋爐生產和使用最多的國家，鍋爐被廣泛用于生活和工業生產中。鍋爐是一種能量轉換設備，向鍋爐輸入的能量有燃料中的化學能、電能，鍋爐輸出具有一定熱能的蒸汽、高溫水或有機熱載體。鍋爐產業在不斷發展的同時也面臨著眾多問題和挑戰，燃燒效率差異大、運營工作效率低、設備停產損失大、耗材配件消耗多、售后部門成本高，原廠維保率低等因素制約著行業的發展。
鍋爐產業越來越受到能源政策和節能、環保要求的制約。物聯網及大數據等新技術的融入為鍋爐的環保事業帶來了新的轉機，鍋爐產業與工業互聯網的融合發展是大勢所趨，本項目研發的鍋爐綜合智能服務管理平臺能夠提供能耗在線監測和管理，能夠自動判別鍋爐設備故障類型、得到設備故障風險預警時間，實現安全生產和節能減排。
1.2 實施目標
鍋爐綜合智能服務管理平臺應用對象包括鍋爐行業設備生產商、服務商等。通過此平臺，生產廠商可實現遠程監控所有已聯網設備的實時運行情況，同時通過大數據分析，也將在售后服務和設備升級等方面提供客觀的數據支持。系統集生產參數全程實時監控、生產實時返程控制、工藝流程監測、成本核算、市場分析以及科學探究等功能于一身的現代化工業智能化控制平臺。通過獲取設備實際生產、運行等管理方面的各項數據，基于云計算、大數據技術的海量工業數據的有效集成與分析，再由此建立起企業利潤與資源、能源消耗以及市場環境的關系，將獲取到的各種設備數據進行職能整合，建立起各個生產要素投入與產出以及利潤的關系。從而為生產者、管理者、決策者提供最優建議。以滿足鍋爐企業向“智慧工廠”轉型的迫切需求。
1.3 適用范圍
本方案適用于各類工業設備制造企業，例如鍋爐、空氣壓縮設備、發電及動力設備、PLC工控、環保裝備等；同時多應用于以項目運營、合同能源管理為主的設備運營企業。
1) 針對有核心控制器的工業設備，利于項目實施；
2) 沒有相關控制器，關鍵數據需通過工藝改造實現數據采集，進而搭建平臺。
1.4 在工業互聯網網絡體系架構中的位置
圖1 工業互聯網互聯示意圖
連接5工廠控制系統與工廠云平臺
1) 使用數據采集終端（設備），從工廠（或設備、裝置、產線等生產節點）控制系統中，按制定的規范，采集主要和關鍵數據或信息，包括：
? 運行狀態數據，比如轉速、壓力、溫度、電壓、電流、頻率等數據；
? 運行事件，比如設備停開機、艙門打開關閉等；
? 運行故障，比如溫度傳感器失靈等；
? 運行報警，比如軸承溫度高、機油壓力低等；
? 運行設定，比如PID等。
2) 把上述數據或信息，傳輸到工廠云平臺；
3) 云平臺結合工廠控制系統的物理連接與流程布局，對這些數據或信息進行存儲、整理。
4) 云平臺對這些數據進行分發。結合數據分析系統，通過計算、分析、統計、優化、數據挖掘，顯示對設備的過程監控、經濟指標分析、設備（產線、工廠）的優化運行指導，符合分配優化、設備故障診斷等應用功能，從而起到降低能耗、節約成本，同時讓設備運行無風險。
連接6工廠云平臺與用戶
云平臺與用戶的交互主要是權限問題，能夠給不同的用戶不同的權限，看到不同層次的數據，為此數據需要做如下處理：
1) 設備數據或信息通過云平臺的分類匯總；
2) 把數據進行層次分離；
3) 各層次數據可視化處理；
4) 把各層次數據的可視化結果展現給各層次的用戶。
連接7工廠云平臺與協作平臺
云平臺和協作平臺和互動，比如給系統進行數據分析和數據挖掘，比如做生命周期的管理，都需要云平臺和協作平臺互動。
1) 云平臺需要提供接口規范給協作平臺，方便協作平臺對數據進行調用；
2) 云平臺把層次化的數據進行分發，分發給不同需要的協同平臺；
3) 協作平臺之一是數據分析平臺，對上述各層次數據進行分析；
4) 分析結果反饋給工廠云平臺；
5) 工廠云平臺根據分析結果，對控制過程和協同過程進行優化；
6) 工廠云平臺把優化策略反饋給工廠控制系統；
7) 協作平臺通過自身的業務邏輯對工廠的管理進行優化，通過工單系統進行管理任務，通過推送系統及時通知。
連接8智能產品與工廠
根據需要，選擇與生產環節的相關的智能產品。
2 需求分析
由于鍋爐行業諸多設備不具備信息化條件，工業設備生產制造廠家，幾乎無一例外的遇到同一個問題：工業設備一旦出廠，設備廠家很難知道這些設備的任何情況，除非客戶打電話來，但這個時候往往已經是設備出現各種故障或問題了，廠家能做的，就是去亡羊補牢。
沒有信息化導致了一對矛盾：廠家需要掌握設備的信息，但實際上無從而知。比如，這些設備在哪里？每天運行多長時間？運行情況怎么樣？出現過那些故障？進行過那些維修？客戶使用這些設備的習慣是什么？同款設備在不同的地區、不同的季節、不同的工況條件下運行會有什么差異？設備實際運行情況跟設計的期望指標究竟有多少出入？為什么設計壽命三年的部件總會一年多就報廢？設備的設計上有什么地方是不合理的需要優化的？設備出現故障前的征兆是什么？有什么辦法可以在設備出現故障之前告知客戶嗎？設備在達到臨界條件的時候，能遠程控制停機嗎？設備控制器的本地控制策略能升級嗎？等等，這些都是行業的需求，也是行業的共同痛點。
3 解決方案
3.1 方案介紹
項目運用IIOT技術，包括數據采集適配器研制，大數據分析平臺以及一體化的管網監控平臺研發，旨在實現鍋爐設備的統一聯網功能、信息共享、智能化。將安裝的可編輯適配器終端在保持原有設備的前提下，通過數據采集裝置和控制器，去兼容適配鍋爐設備，并將搜集和梳理的數據整合處理后上報至物聯網云平臺，同時接收物聯網云平臺發送的控制指令，將控制指令信息發送至現場的鍋爐工業設備，可進行遠程后臺對數據的實時在線分析和監控管理。后臺端大數據處理量化，將以手機APP、液晶大屏顯示和電腦將信息展示在用戶面前，并且平臺能夠自動判別鍋爐設備故障類型、得到設備故障風險預警時間，實現智能化生產、定位、追蹤、監控、故障報警、設備故障預警和設備一體化管理。
平臺利用物聯網的技術和設備監控技術加強信息管理和服務，經應用層系統數據查看，可以清楚掌握設備運行狀態和生態環境，提高生產過程的可控性、減少人工的干預、減少人員不必要的浪費（很多工作可以通過智能化的遠程反向控制調節，不需要技術人員到現場處理）、即時準確地采集設備數據，進行數據的分析和管理，為企業鍋爐設備智慧生產建立起智能化基礎。
3.2 系統架構
3.2.1 系統架構
鍋爐綜合智能服務管理平臺主要劃分為四層結構，分別是接入層、網絡層、數據平臺和應用層。系統整體架構如圖所示：
圖2 平臺系統架構圖
系統連接示意圖如下：
圖3 系統連接示意圖
3.2.2 網絡傳輸及控制技術
針對鍋爐設備使用場景及地域，本項目提供不同版本的適配器，支持2G、4G、及wifi傳輸，保障客戶數據的實時獲取。
同時本項目基于MQTT的QOS 0/1/2，設立了QOS 3機制，充分保障鍋爐運行的安全。我們按照報文的緊急程度，分別采用不同的上報機制。在鍋爐應用中，由于本身是高危設備，除普通報文外，QOS 2使用較多，而我們在QOS 2的基礎上，對報文加以時間限定，在單位時間內的報文指令有效，由于其他原因造成報文上報不成功，系統將采取相應的措施處理，充分保證了系統在使用中不同種類報文的精準傳達。
3.2.3 通訊協議及互聯互通
國內鍋爐廠家及運營商使用的PLC種類包括：西門子S7/smart/1200、霍尼韋爾、施耐德等品牌；數據采集的相關通訊協議包括像Modbus、IIC、PPi、OPC UA、Profinet、Profibus、西門子S7協議等，本平臺都已完成采集并投入正式運營。
互聯互通：
1) 平臺通過適配器接入多類不同鍋爐PLC數據；
2) 對鍋爐項目的各類輔機進行數據采集（智能電表、流量計、智能水表、變頻風機、變頻水泵、皮帶秤等）；
3) 針對本身已有DCS系統的鍋爐設備及項目，例如：和利時，浙大中控，愛默生、ABB，通過RS485接口、modbus協議完成對接。
3.3 網絡拓撲設計
本項目采用云平臺+本地部署的方式提供工業物聯網方案，將商業數據和設備原始數據分離存儲，既實現了系統對大數據的高效處理，又從根本上保護了用戶的數據安全。同時根據項目具體情況，支持本地化部署。平臺組網架構示意圖如下：
圖4 平臺組網架構示意圖
3.4 功能設計
3.4.1 設備監控子系統
通過PC、APP、大屏實時監控鍋爐運行狀態，實現故障報警、視頻監控的及時上傳。
? 安全類數據：爐膛溫度、爐膛負壓、風量、SCR進-出口溫度、壓差等。
? 經濟性數據：包括鍋爐效率、鍋爐標準煤耗、標準煤耗率、自用電率等。
? 環保類數據：尾氣污染物（SOx、NOx等）指標數據。
圖5 設備監控子系統界面
3.4.2 設備管理子系統
按照項目為單位，以鍋爐設備為中心，分類統計各類備件數據：
? 配件(水泵、燃燒機、冷凝器等)信息
? 備品備件庫存數據
? 生產廠商信息等
圖6 設備管理子系統界面
3.4.3 生命周期管理子系統
將以下信息建立，對鍋爐的歷史運維、故障處理等知識性文檔管理、歸檔。
? 鍋爐檔案
? 鍋爐名稱、位置、型號、規格、圖檔
? 關鍵部件( 水泵、燃燒機、冷凝器等 )使用時間、更換記錄
? 設備生命周期管理，引導客戶更換原廠配件
圖7 生命周期管理子系統界面
3.4.4 專家管理子系統
對鍋爐運行期間常見問題及處理措施，建立鍋爐專家管理知識庫，提升售后服務質量。
? 專家管理：知識庫 + 在線服務
? 遠程實時監控，掌握設備運行狀態
? 維保數據準確記錄
圖8 專家管理子系統頁面
3.4.5 配置管理子系統
系統功能：用戶管理、權限設置、工作流配置、二次開發管理等。
對數據靈活展現，通常復雜、個性的需求都能直接通過配置而非開發方式實現。
圖9 配置管理子系統界面
3.4.6 售后工單子系統
針對故障報警自動生成工單，工單處理流程：技術工程師 → 技術經理 → 技術總工。
所有工單均保存在相應設備的生命周期管理數據庫，便于后期統一查詢。
系統功能：創建工單、待處理工單、歷史工單、工單查詢等。
圖10 售后工單子系統界面
3.4.7 呼叫中心子系統
與鍋爐物聯網系統進行數據聯動，客戶來電時即可彈屏該客戶對應設備信息。
系統功能：呼入控制、IVR語音導航、座席管理、錄音質檢、統計報表分機管理、售后服務工單等。
圖11 呼叫中心子系統界面
3.4.8 客戶管理子系統
通過以鍋爐設備為中心的數據規劃，管理相應設備對應的客戶統計數據。
客戶項目信息：存檔合同、回款情況、驗收時間等。
客戶設備信息：鍋爐數量、位置、聯系人信息等。
圖12 客戶管理子系統界面
3.4.9 INDASS工業大數據分析服務系統
圖13 INDASS工業大數據分析服務系統界面
3.5 安全及可靠性
運用了以下措施進行安全防御：
1) 防火墻：生產網與管理網之間，公司內網與外圍之間；
2) 操作系統：Linux操作系統；抗網絡攻擊；企業級安全殺毒軟件、安全漏洞及時升級。
3) 軟件系統：采用身份識別、用戶權限、安全認證、數據加密傳輸和訪問控制；采用安全加密芯片；訪問規范采用標準安全模塊，通過數字證書進行安全認證；采用對稱加密、非對稱加密技術；安全軟件開發工具包（SDK）；支持HTTPS、TLS等，提供安全的數據傳輸通道；微服務化；實時監控、告警管理。
3.6 核心技術優勢
核心優勢：
圖14 核心優勢
4 成功案例
1) 廣東匯嶸綠色能源股份有限公司
廣東匯嶸綠色能源股份有限公司是一家以資源綜合利用和清潔能源管理技術為核心的高科技企業，是國家發改委促成并認定的合同能源管理（EPC)運營公司。公司專注于資源綜合利用、節能環保及互聯網遠程能源管理技術的研發與應用，主營開展資源化清潔能源供應和管理業務，同時提供能源評估與審計、能源環保工程、項目金融投資等綜合服務。
面臨問題：
? 鍋爐產品同質化嚴重，市場競爭力單一
? 銷售覆蓋區域廣，售后人力成本高
? 歷史維護數據分散，設備改良缺乏數據支撐
客戶價值：
? 大幅減少駐廠人員，降低人力成本
? 部分故障可遠程調試，降低售后成本
? 客戶黏性增強，原廠維保率提高60%
? 所有投放操作均通過GPRS上傳至平臺，有效管理公司資產
2) 浙江先創能源科技股份有限公司
浙江先創是一家以“先天下、創世紀”為企業精神的環保能源裝備綜合服務商，為行業客戶提供能源設備的研發、涉及、制造、安裝調試、升級改造、工程總承包及后續增值維護等一站式服務。先創新能源的水煤漿有機熱載體鍋爐已經在國內市場享有非常好的口碑，市場地位遙遙領先。包攬了國內近四十家大型化纖企業的聚合工藝生產供應，并且建設了目前國內容量最大的3臺2400×104cal/h的水煤漿有機熱載體鍋爐。
面臨問題：
? 各地項目的設備無法進行遠程監管，沒有約束力
? 售后人員工作效率低下，對公司服務口碑有負面影響
? 客戶故障管理不及時，既耽誤了客戶時間，也提升了售后成本
客戶價值：
? 客戶、設備一體化管理，設備的故障率降低40%
? GPS與基站定位雙重保障，設備地理位置實時查看
? 基于歷史數據的大數據分析，為精準營銷與產品升級做數據支撐
? 實現“管、控、營”一體化，變被動售后為主動服務
? 專家對數據的分析，提升鍋爐運行的效率，節省60%人力