物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能發(fā)電方面的應(yīng)用

發(fā)電行業(yè)必須采用新技術(shù)來轉(zhuǎn)變維護和診斷部門的運作方式。美國超過50％的發(fā)電能力已超過30年（美國能源協(xié)會（EIA）的數(shù)據(jù)EIA-860）。在許多情況下，這些發(fā)電廠依靠的設(shè)備已經(jīng)運行多年，接近原始設(shè)計壽命的極限（圖1）。這增加了設(shè)備出現(xiàn)故障的可能性，取決于設(shè)備的類型這些故障可以使供電更容易發(fā)生中斷和不穩(wěn)定。

一項電力公司的研究表明，維護和診斷專家花費近80％的時間來東奔西走，有時甚至需要長途跋涉來收集關(guān)于設(shè)備的“健康”信息，只有20％的人在真正分析這些數(shù)據(jù)以找到可能出現(xiàn)的故障點。該電力公司估計將近6萬個工作點每個月必須由人員來手動收集數(shù)據(jù)。

老化的基礎(chǔ)設(shè)施以及低效率地使用專家的時間，再加上行業(yè)專家人數(shù)由于勞動力老齡化而逐漸減少，所有的這些正在迅速形成關(guān)鍵的資源瓶頸。這個瓶頸可能最終導(dǎo)致關(guān)鍵機器的停機時間更長，甚至導(dǎo)致電網(wǎng)發(fā)生潛在的掉電或者停電故障的風險。

圖1、發(fā)電設(shè)備的容量與年齡

發(fā)電廠的智能化

杜克能源，電力研究所（EPRI：Electric Power Research Institute），發(fā)電生產(chǎn)商聯(lián)合會（Duke Energy）等都在努力實現(xiàn)在線自動化設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)來支持決策的解決方案。智能監(jiān)控和診斷項目（Smart M＆D：Smart Monitoring and Diagnostics Project）旨在對工廠設(shè)備進行連續(xù)和遠程監(jiān)控，以測量參數(shù)的變化，運行預(yù)測和高級模式識別程序，并實現(xiàn)更為明智的實時決策，優(yōu)化工廠設(shè)備并防止故障（圖2）。

圖2、智能發(fā)電廠的架構(gòu)

這個項目的核心是收集模擬感官信息，這帶來了一些獨特的挑戰(zhàn)。例如，振動信息是設(shè)備損壞的一個良好指標。然而，為了收集振動信息，可能需要按照每秒捕獲10,000到100,000個樣本的速度收集幾秒時間，以獲得良好的機器“測量”數(shù)據(jù)。想象一下，如圖2中的所示的發(fā)電設(shè)備實現(xiàn)架構(gòu)中，如果您有3萬個振動點，則每個在每小時內(nèi)需要收集5秒時間，每秒收集100,000個樣本數(shù)據(jù)，這樣每小時的數(shù)據(jù)量加起來將近60 GB的數(shù)據(jù)！這種信息收集（如果不能夠被管理以及架構(gòu)正確的話）可能會迅速導(dǎo)致出現(xiàn)“大數(shù)據(jù)（Big Data）”問題。

圖3、Smart M＆D的方法

另一個挑戰(zhàn)是模擬感官信息本身并不能告訴操作者機器是否是“好”的還是“壞”的。把多種傳感類型的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，使用數(shù)學算法來處理數(shù)據(jù)，并使用先進的模式識別技術(shù)可以提供真實的關(guān)于機器健康的圖像。

Smart M＆D項目的核心要素是NI的CompactRIO平臺（http://www.ni.com/compactrio/zhs/）。通過將現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和板載實時處理器連接到傳感器，原始模擬傳感監(jiān)測波形可以減少到指示節(jié)點本身系統(tǒng)的“健康”狀態(tài)。

圖4、NI的CompactRIO平臺的硬件系統(tǒng)

FPGA可以以非常高效，并行的方式對高速感官信息進行分析和處理，以實時決策。由于系統(tǒng)中的“智能”接近傳感器，因此可以在CompactRIO系統(tǒng)上直接實現(xiàn)智能算法，因此數(shù)據(jù)可以立即減少到已知事件。這樣可以防止處理問題的專家陷入到數(shù)據(jù)超載的困境，從而不能辨別出問題的所在。

CompactRIO平臺系統(tǒng)的分布式，開放式和可重構(gòu)性等特點也起著非常重要的作用。由于系統(tǒng)分布式，各種“健康”信息可以通過機器網(wǎng)絡(luò)直接由類似系統(tǒng)（類似的鍋爐，水泵，風扇，電機等）來進行收集，“智能性”可以立即應(yīng)用到源頭的數(shù)據(jù)上。隨著系統(tǒng)不斷分析數(shù)據(jù)，這意味著操作員輪換到現(xiàn)場的次數(shù)可以大大減少，同時顯著增加數(shù)據(jù)收集的頻率。數(shù)據(jù)不再需要每月，半年或者每年收集 - 而是每天都可以收集數(shù)次。這樣可以在更加頻繁，一致的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)和跟蹤問題。

此外，可以使用高級診斷和預(yù)后算法（如EPRI資產(chǎn)故障簽名數(shù)據(jù)庫（ EPRI Asset Fault Signature Database以及EPRI剩余有用生命數(shù)據(jù)庫（EPRI Remaining Useful Life Database中所包含的算法）來預(yù)測設(shè)備發(fā)生故障之前的設(shè)備故障。例如，EPRI資產(chǎn)故障簽名數(shù)據(jù)庫（ EPRI Asset Fault Signature Database）通過一系列典型的屬性或者癥狀（如溫度，振動，潤滑分析和其他診斷結(jié)果）來表征設(shè)備故障機制。使用Smart M＆D系統(tǒng)生成的這種類型的實時數(shù)據(jù)，可以對EPRI資產(chǎn)故障簽名數(shù)據(jù)庫中包含的診斷模型進行比較。當一組數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)子集與已知的故障機制和/或位置的已知屬性或癥狀一致時，這些診斷工具就可以識別出何時即將發(fā)生特定故障（圖5）。

最后，CompactRIO的可重構(gòu)性意味著即使隨著標準的變化，新的算法被開發(fā)，或者附加的感測技術(shù)變得普遍起來，客戶可以更新他們的智能節(jié)點，而不需要物理地進入工廠來更新它們，或者為了解決一個新的問題而不得不重新投入新的資金。

圖5、智能日志和分析架構(gòu)

Smart M＆D的資產(chǎn)整合架構(gòu)

圖6顯示了Smart M＆D項目的資產(chǎn)集成架構(gòu)概述。該系統(tǒng)可分為兩大部分：

圖6、Smart M&D的資產(chǎn)整合架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAQ：Data acquisitions systems ）

DAQ是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，并提供來自多種不同傳感器的數(shù)據(jù)，可以連接各種機械部件和類型。 DAQ分布在整個設(shè)施，區(qū)域或者全球各個地理位置上。 DAQ系統(tǒng)執(zhí)行對未來趨勢，警報和分析的主要感官指標的在線處理和提取。它們是可在沒有網(wǎng)絡(luò)的情況下執(zhí)行的智能設(shè)備。

傳感器融合與分析

該系統(tǒng)負責向系統(tǒng)運營商，主題專家，管理層等提供可操作的數(shù)據(jù)。通過各種開放的通信協(xié)議和文件格式，將各種傳感器的數(shù)據(jù)融合在一起，以提供資產(chǎn)健康的完整圖像。

圖7、開放的SmartM＆D平臺提供擴展先進傳感器的機會

學習到的經(jīng)驗

從智能監(jiān)控和診斷項目（Smart M＆D：Smart Monitoring and Diagnostics Project）中的關(guān)鍵學習要點是：

系統(tǒng)的可重構(gòu)性提供了接口，因此創(chuàng)建了新的算法，工業(yè)協(xié)議（61850，DNP3等和傳感器類型，基礎(chǔ)架構(gòu)不需要改變。只需將新信息下載到嵌入式系統(tǒng)，并開始收集新的故障簽名。該系統(tǒng)對診斷機器故障，即包括溫度，振動，壓力等測量，包括諸如熱成像，超聲波，氣味和EMI干擾的高級測量的經(jīng)典方法進行擴展。

圖8、實現(xiàn)SmartM＆D平臺所需要的關(guān)鍵技術(shù)

提供開放式平臺，鼓勵其他系統(tǒng)廠商采用Smart M＆D連接標準。對于給定設(shè)施相信只有一種類型的采集系統(tǒng)，后端數(shù)據(jù)庫，企業(yè)分析軟件或其它更多是天真的。因此，需要創(chuàng)建一個可以包含許多系統(tǒng)的系統(tǒng)。專有格式不再隱藏數(shù)據(jù);相反，它可供用戶運行個性化算法，將獨特的傳感器連接在一個包中，并提供廣泛的生態(tài)系統(tǒng)。

使用物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)將為服務(wù)提供商，供應(yīng)商和用戶提供一個開放，集成和靈活的框架，從而提高工廠的運營效率，減少停機時間，并增加電網(wǎng)上的能源可用性。

目前，杜克能源公司在30個工廠內(nèi)部由Smart M＆D架構(gòu)部署和管理了近1500臺CompactRIO系統(tǒng)。