基於物聯網技術的機械設備運行狀態監測系統

趙康
天津椿本輸送機械有限公司天津市 300400
摘要：以準確識別機械設備運行狀態，提升機械設備生產效率為目的，設計基於物聯網技術的機械設備運行狀態監測系統。系統整體採用物聯網三層結構設計，劃分為感知層、網絡層、應用層。感知層採用傳感器節點定位算法獲取傳感器節點坐標，通過合適的數據採集技術獲取準確的機械設備運行狀態數據，所採集的數據經由傳感器網絡集成至機械設備運行狀態數據採集裝置內。集成數據經由網絡層傳輸至應用層內，應用層考慮數據的時間序列特性，通過聚類算法與數據流滑動時間窗口相結合的方法識別機械設備異常運行狀態，並將最終的數據分析與處理結果呈現在機械設備運行狀態監測系統主介面內，完成機械設備運行狀態監測。
關鍵詞：物聯網技術；機械設備；運行狀態；監測
引言
機械設備運行過程中若出現故障將造成機械設備異常運行狀態，嚴重影響生產安全。因此在機械設備不解體、不停機的狀態下，監測機械設備運行狀態尤為重要。物聯網技術在各個領域中被普遍應用。機械設備運行狀態需實時監測，針對當前普遍使用的檢測系統存在的問題，將物聯網技術應用於機械設備運行狀態監測過程中，設計基於物聯網技術的機械設備運行狀態監測系統，可提升機械生產運行的智能化水平，確保機械設備運行的安全性與穩定性，提升機械設備運行的工作效率。
1物聯網技術概述
物聯網主要是指把無處不在的設施以及末端設備，涵蓋具有內在智能的傳感器、數控系統、工業系統、移動終端、視頻監控系統、家庭智能設施等，與外在使能的智能化物件（比如粘貼有RFID的資產、攜有無線終端的車輛與個人等）經各類有線的或無線的短距離或者長距離的通訊網絡實現應用大集成、互聯互通或者以雲計算為基礎建立SaaS運營模式等，利用網際網路或者內網以及專網等環境，配合採用信息安全保障機制，實時、個性化、安全可控的提供定位追溯、在線監測、指揮調度、報警聯動、遠程控制、預案管理、在線升級、遠程維保、安全防範、領導桌面、決策支持、統計報表等服務及管理功能，從而對萬物實現環保、安全、節能、高效的一體化管、控、營。具體地說，物聯網技術是在人和物、物和物之間實現信息傳遞及控制。物聯網在實際應用中，涉及的關鍵技術有傳感器技術、嵌入式系統技術、RFID技術等。其中，傳感器技術在計算機應用中屬於關鍵技術，在計算機處理期間，大多都涉及到數位訊號，所以需要在傳感器的利用下將模擬信號轉為數位訊號，在此基礎上，才能實現計算機處理；RFID技術歸納在傳感器技術中，此技術是一種集合了嵌入式技術、無線射頻技術的綜合性技術，在物品物流管理、自動識別等領域擁有廣闊應用前景；嵌入式系統技術屬於集合了電子應用技術、集成電路技術、傳感器技術、計算機軟硬體等的複雜性技術，目前基於嵌入式系統的智能終端產品已經遍布人們生產生活的各個角落，有效推進著工業生產和時代變更。在物聯網中，傳感器就如同人的皮膚、鼻子、眼睛等感官，網絡如同用來傳遞信息的神經系統，嵌入式系統就如同人的大腦，用以對所接收信息實現分類處理。
2基於物聯網技術的機械設備運行狀態監測系統
2.1系統整體結構設計
基於物聯網技術的機械設備運行狀態監測系統以物聯網三層結構（感知層、網絡層、應用層）模型為基礎。系統中負責數據採集工作的是感知層，所採集的數據主要來源於機械設備運行狀態監測的採用傳感器，其中包括溫度傳感器、壓力傳感器、位置傳感器以及流量傳感器等。機械設備上的各傳感器均有自己的監測點，僅需通過合適的數據採集技術即可在監測區域中利用傳感器獲取機械設備運狀態的監測數據，所採集的數據經由傳感器網絡集成至機械設備運行狀態數據採集裝置內。網絡層的主要功能為將機械設備運行狀態數據採集裝置內的數據傳輸至應用層內。數據傳輸的方式主要有兩種，分別是有限網絡和無線WIFI網絡。針對位置固定且周邊具有區域網絡接口的機械設備，可選取標準乙太網傳輸機械設備運行狀態數據採集裝置內的數據；針對位置市場變化或周邊不存在區域網絡接口的機械設備，可選取無線WIFI網絡傳輸機械設備運行狀態數據採集裝置內的數據。在利用無線WIFI網絡傳輸數據的條件下，系統自動搜索並連接最近的安全WIFI網點完成數據傳輸。應用層基於網絡層傳輸的數據進行分析與處理，將最終的數據分析與處理結果呈現在機械設備運行狀態監測系統主介面內，完成機械設備運行狀態監測。機械設備狀態監測主要功能包括三方面：1）實時監測機械設備運行情況，預判機械設備運行過程中可能產生的故障；2）監測機械設備使用情況，對機械設備的經濟效益評估提供有效參數數據；3）監測機械設備安全狀況，降低機械設備使用的安全隱患。
2.2基於物聯網技術收集運行狀態數據
機械設備在運行監測過程中，利用物聯網可以對機械設備運行過程中，產生的各種數據進行收集，確保收集過程中的有效操作和安全。並利用物聯網技術選取ZigBee通信網絡中的網狀網絡以及樹形網絡。並按照現場要求在監測範圍內安裝了監測器節點並且設置了攝像頭。考慮到現場位置，在設置監測器節點的時候，為了提高監測器節點所收集的轉台數據的精度，對電路中的每一段分別設置了對應的監測器，其中，每兩個監測器節點的定位高度一般都在500m以內。在每段輸電的路徑上都間隔一定高度安裝了一個數據節點，用來收集在每段線路上每個監測器節點收集到的信息，利用無線網絡對監測範圍內的所有數據實現了智能監測。接著通過監測器模塊採集機械設備運行的溫度、電壓、電流數值，並對採集到的數據信息做出相應的處理。物聯網技術可以通過不同的運行狀態指令分別收集每個監測器監測到的運行狀態數據。通過利用監測器收集運行狀態數據，為接下來的監測模型搭建提供數據支持。
2.3異常檢測與狀態識別
利用聚類算法對傳感器節點數據進行異常檢測與狀態識別，考慮機械設備數據採集過程獲取的數據就有時間序列特徵，但聚類算法運算的基礎為無序數據集，不能體現數據集的時間屬性，因此在對傳感器節點數據進行異常檢測與狀態識別過程中將聚類算法與數據流滑動時間窗口相結合，完成異常狀態識別與發生時間。
2.4實現機械設備運行狀態監測
在完成監測模型建立之後，可以利用傳感器，對監測範圍內機械設備的運行狀態進行監測。監測的內容主要包括狀態的分類和排序等信息，還可以對機械設備的結構進行調整。在機械設備運行過程中傳感器會啟動自動監測功能，從而對機械設備的運行狀況進行自動監測。在機械設備接入控制監測機中後，可以利用電流監測原理，對機械設備的運行狀態進行監測，並接入集中運行感應器，對機械設備電流是否存在阻斷的情況進行監測。監測模塊應根據運行的時間和運行的狀態，在機械設備運行開始就進行監測，將監測到的內容通過傳感器傳遞。根據監測到的信息對是否存在故障、異常情況進行判斷，從而停止運行或者出現報警提示，如果正常運行則可以通過敷設面積，識別是否兩組線同時運行，在根據理論運行時間或者實際運行時間，確定是否存在重疊運行的情況。實現了機械設備的集中管理下的運行狀態的監測。可以自動生成機械設備的信息、運行進度和運行速度，還能自動生成每次運行的狀態，自動將所監測到的信息生成到對應的數據分析模塊中。
結語
機械設備運行狀態監測的主要目的是保障機械設備運行安全，提升機械設備生產效率。本文設計基於物聯網技術的機械設備運行狀態監測系統，利用傳感器節點採集機械設備不同監測區域的運行數據，通過聚類算法識別機械設備異常運行狀態。測試結果顯示本文系統實際應用性能顯著優於對比系統，具有較為廣闊的應用前景。
參考文獻
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