基于物联网和工业云的工业过程监控系统及关键技术

基于物联网和工业云的工业过程监控系统及关键技术徐泉2016.11.06目录CONTENTS研究背景01研究现状02工业应用05结论06系统概述03关键技术04PARTONE研究背景4生产安全一直是工业生产过程中极为重要的环节，良好的监控系统可以有效地进行生产监督，避免生产过程中的安全问题。目前流程工业生产已基本实现自动化，传统的监控系统都是针对于不同的工厂需求进行定制开发，成本较高。随着物联网、云计算、大数据等新的信息技术的出现，为工业过程监控提供了新的途径和技术可行性，使得智能监控成为可能。1.研究背景之研究目的和意义5目前对工业过程的监控与管理主要由两个系统能够完成，一个是生产制造执行系统(MES)，另外一个是底层过程控制系统。生产制造执行系统主要实现工业过程管理，包括：档案管理，运行监控与管理，维护检修管理等功能，侧重基础信息的管理，对工业过程的运行监控主要实现的是对设备运行状态、机械参数的监视和对设备运行状况数据的统计分析和处理。底层过程控制系统过程控制系统中主要实现对工业过程运行监控，大多数使用组态软件实现工业过程运行状态的监控，侧重于对设备机械故障的在线监测和关键参数变化趋势，发出警报，对状况监测的实时数据进行综合分析处理（部分可以实现运行工况的诊断）。1.研究背景之目前工业过程监控61.研究背景之研究思路思路1342利用物联网技术，感知和检测工业过程的实时数据物联网技术利用云计算技术，存储和处理采集得到的运行数据，并利用微服务技术实现工业过程监控系统的服务化参数融合技术利用移动互联技术，实现数据和视频的移动监控以及移动巡检移动互联技术云计算技术利用视频数据与过程参数融合技术，为智能图像监控提供基础云计算、物联网、移动互联、大数据等ICT技术的发展，为工业过程监控提供了新的思路。71.研究背景之目标PARTTWO研究现状92.研究现状之工业界现状01GE构建了全球第一个工业大数据分析的工业云PaaS（平台即服务）软件平台Predix，该平台服务可以将各种工业资产设备和供应商相互连接并接入云端，同时提供资产性能管理（APM）和运营优化服务。02Siemens正在利用SAPHANA云平台技术构建工业云平台MindSphere，其目的在于分析工业领域的大数据集，提供工业数据记录、传输、存储、管理和分析（预测性维护、资产分析等）等服务03其他物联网的工业云接入平台，例如ProfiCloud工业云平台（用户可以通过其来访问PROFINET现场总线系统）、Arrayent工业云平台（其为智能设备提供PaaS服务）、三一重工ECC客户服务平台、徐工与阿里携手搭建的“徐工工业云”、华为物联网云平台，等等。102.研究现状之GE-Predix112.研究现状之Siemens-MindSphere122.研究现状之学术界现状生产执行层n工业生产的复杂性和差异性，导致目前MES很难形成统一的解决方案和平台，其更多的是对具体制造过程或者某一个行业的解决方案，以致基于工业云的MES面临同样问题，目前的研究主要还是面向特定领域的基于工业云的MES系统。过程控制层n相比制造执行系统的复杂，工业过程的监控系统，是目前应用云计算相对多的领域，利用云计算的优势，各种基于云计算的能源、产品质量、设备、工业过程等监控系统应运而生。n目前这类监控系统主要利用工业云实现工业数据的采集、存储和可视化功能，缺乏对数据进行有效分析和挖掘。n很多数据分析和机器学习算法仅限于科学研究，很难应用于工业现场。132.研究现状之趋势IMC-AESOPProject-theFuturePerfectPlantPARTTHREE系统概述153.系统概述之系统设计方案设计方案私有化部署公有云接入公有云接入163.系统概述之系统设计方案构建“有线+无线”的数据采集平台在工业云上进行部署实现系统的服务化参数融合、报警推送、在线诊断、其他……开发相应的监控移动客户端设计方案n基于物联网和工业云的工业过程监控系统的设计方案如下：173.系统概述之系统体系架构工业过程层n工业过程层是该系统的物理最底层，通过在生产设备上标定相应的指标参数采集节点和视频图像采集节点，实现制造过程多元数据的可靠获取183.系统概述之系统体系架构物联网感知层n物联网感知层将制造企业生产过程的参数采集节点通过部署传感器构建“有线+无线”的数据采集平台，同时在视频图像采集节点部署相应的摄像头，将工业过程监控与视频监控相结合，构成闭环的工业过程监控物联网193.系统概述之系统体系架构数据传输层n数据传输层通过建立高效、高可靠的数据传输系统，将传感器采集到的现场数据实时传输到工业云计算中心的实时数据收集集群，并存入云端数据库中，同时将数据经过现场工作站处理后存放到现场数据库，在网络中断时将本地数据库缓存的历史数据传输到工业云的非实时数据收集集群，从而避免网络中断带来的数据不完整的问题203.系统概述之系统体系架构云平台层n云平台层主要是在云计算设施（计算/存储/网络）的基础之上，建立数据收集集群和数据处理集群，进行数据分析处理后发布对应的基于微服务架构的应用服务213.系统概述之系统体系架构应用服务层n应用服务层主要将工业过程监控系统通过在工业云上进行部署实现监控系统的服务化，面向制造企业的不同用户，通过提供实时状态监测服务、运行统计分析服务、故障/异常工况报警服务、设备故障率分布分析服务、在线故障诊断服务、实时视频监控服务、基于图像与运行参数融合的智能诊断与监控服务，以及其他的应用服务等等，降低企业使用该系统的门槛与成本223.系统概述之系统软件架构l采用微服务软件架构设计模式l将各种资源以RESTWebAPI对外公开，每一个独立的微服务都是一个小型应用l适用于构建基于工业云的分布式应用系统233.系统概述之系统功能设计PARTFOUR关键技术254.关键技术之工业云技术01虚拟化与服务化技术02可靠性技术03实时性技术04安全技术05人机交互技术264.关键技术之物联网数据采集技术01通过工厂自动化网络将传感器与传感器、传感器与工作站进行组网02采用WirelessHART无线通信协议以及典型的OPC工业标准274.关键技术之数据传输技术01将现场实时数据传输到工业云计算中心实时数据收集集群02在网络中断时将工业现场本地数据库缓存的历史数据传输到工业云非实时数据收集集群，从而避免网络中断带来的数据不完整的问题03安装支持分布式系统数据同步服务284.关键技术之在线故障诊断技术故障诊断n对工业过程进行必要的诊断和预测，判断其是否正常运行或是否发生异常自动化现象，发生故障或者异常时可以快速定位产生故障/异常的原因和部位，以及通过预测可以提前对设备进行维护维修，而不是机械的按照维护计划进行。01目前系统提供PCA、KPCA、SVM等建模方法。02系统会利用收集到的各类运行数据和上述的建模方法依次进行建模和仿真评估，以选出每个设备最合适的模型用来对各个设备的运行状态进行在线诊断。03系统会通过持续采集运行数据，对诊断和预测精度进行在线评估，然后根据评估结果以确定是否需要更新故障诊断模型，以确保设备诊断的准确性。294.关键技术之在线故障诊断技术故障诊断01将过程与质量空间划分为共有子空间、质量特有子空间和过程特有子空间304.关键技术之视频数据与过程参数融合技术视频监控n视频监控采用了流媒体的关键技术，通过在系统服务端部署流媒体服务器加以实现在客户端实时进行视频监控的目的。参数融合n利用计算机视觉和视频监控分析的方法对摄像机拍录的图像序列进行自动分析，包括目标检测、目标分割提取、目标识别、目标跟踪以及对监视场景中目标行为的理解与描述，实时分析提取监控视频中关键并且有用的信息以自动判断监控区域中出现的异常情况，与工业过程实时参数信息进行对比分析，快速准确的定位到事故发生现场，为设备智能维护提供基础。314.关键技术之系统报警推送技术报警功能n除了传统工业过程监控系统的在线监测报警功能，这里主要是强调通过对运行状态建模，对运行状态进行异常诊断和预测报警。本系统主要通过移动网络即时将设备报警信息推送到相关管理和操作人员移动通信终端中，以便及时对报警消息进行处理。报警推送n为了实现报警消息即时可靠的送达，系统采用分布式消息队列中间件技术，所有报警和预警信息由监控系统发送到分布式消息中间件，然而根据报警消息的类别、等级等信息进行推送报警。324.关键技术之系统报警推送技术报警方式n系统支持广播、多播、订阅等报警方式，可以根据实际需要进行灵活配置。01例如：严重事故需要将报警信息推送到所有人员广播报警方式02例如：报警信息推送到班组成员多播报警方式03操作人员可以仅仅订阅自己关心的报警信息订阅报警方式PARTFIVE工业应用34n利用物联网数据采集技术、数据传输技术和微服务架构对工业过程监控系统进行设计和开发，形成基于物联网和工业云的工业过程监控监控系统。n部分系统部署于东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室的工业云计算中心上，并进行平台的运维和应用服务的实时监控等。5.工业应用之系统实现云平台355.工业应用之选矿厂设备监控系统实现选矿厂服务需求n根据选矿厂所能用到的服务需求，面向选矿企业的不同用户，发布了诸如设备台帐管理服务、实时状态监测服务、运行统计分析服务、故障/异常工况报警服务、设备故障率分布分析服务、在线故障诊断服务、实时视频监控服务、基于图像与运行参数融合的智能诊断与监控服务、设备巡检服务等应用服务，降低企业使用设备监控系统的门槛与成本。客户端系统结构设计n根据选矿设备运行监控系统的服务需求，设计出清晰的移动客户端系统结构，包括注册登录模块、设备查询模块、报警信息模块、设备监控模块、移动模块。对某选矿厂提供设备监控服务并开发相应的移动APP：365.工业应用之选矿厂设备监控系统实现对某选矿厂提供设备监控服务并开发相应的移动APP：375.工业应用之选矿厂生产与决策指标监控APP系统385.工业应用之电熔镁炉监控APP系统395.工业应用之风力发电机组监控APP系统PARTSIX结论6.结论41采用微服务架构，实现了工业过程监控系统功能的服务化，从而可以为不同工厂提供定制化的监控云服务通过物联网技术，实现了工业过程运行实时数据的感知和检测利用移动互联技术，实现了数据和视频的移动监控、移动巡检及系统报警信息及时可靠推送利用多传感器融合技术，实现了视频数据与设备过程参数融合监控针对目前传统工业过程监控存在的不足，利用物联网、云计算、大数据等新的信息技术，构建了基于物联网和工业云的工业过程监控系统。故障诊断THANKS