發(fā)電行業(yè)必須采用新技術(shù)來(lái)轉(zhuǎn)變維護(hù)和診斷部門的運(yùn)作方式。美國(guó)超過(guò)50％的發(fā)電能力已超過(guò)30年（美國(guó)能源協(xié)會(huì)（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(yùn)行多年，接近原始設(shè)計(jì)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(xiàng)電力公司的研究表明，維護(hù)和診斷專家花費(fèi)近80％的時(shí)間來(lái)東奔西走，有時(shí)甚至需要長(zhǎng)途跋涉來(lái)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(diǎn)。該電力公司估計(jì)將近6萬(wàn)個(gè)工作點(diǎn)每個(gè)月必須由人員來(lái)手動(dòng)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(shí)間，再加上行業(yè)專家人數(shù)由于勞動(dòng)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(gè)瓶頸可能最終導(dǎo)致關(guān)鍵機(jī)器的停機(jī)時(shí)間更長(zhǎng)，甚至導(dǎo)致電網(wǎng)發(fā)生潛在的掉電或者停電故障的風(fēng)險(xiǎn)。

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(huì)（Duke Energy）等都在努力實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)化設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)支持決策的解決方案。智能監(jiān)控和診斷項(xiàng)目（Smart M＆D：Smart Monitoring and Diagnostics Project）旨在對(duì)工廠設(shè)備進(jìn)行連續(xù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控，以測(cè)量參數(shù)的變化，運(yùn)行預(yù)測(cè)和高級(jí)模式識(shí)別程序，并實(shí)現(xiàn)更為明智的實(shí)時(shí)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(gè)項(xiàng)目的核心是收集模擬感官信息，這帶來(lái)了一些獨(dú)特的挑戰(zhàn)。例如，振動(dòng)信息是設(shè)備損壞的一個(gè)良好指標(biāo)。然而，為了收集振動(dòng)信息，可能需要按照每秒捕獲10,000到100,000個(gè)樣本的速度收集幾秒時(shí)間，以獲得良好的機(jī)器“測(cè)量”數(shù)據(jù)。想象一下，如圖2中的所示的發(fā)電設(shè)備實(shí)現(xiàn)架構(gòu)中，如果您有3萬(wàn)個(gè)振動(dòng)點(diǎn)，則每個(gè)在每小時(shí)內(nèi)需要收集5秒時(shí)間，每秒收集100,000個(gè)樣本數(shù)據(jù)，這樣每小時(shí)的數(shù)據(jù)量加起來(lái)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(huì)迅速導(dǎo)致出現(xiàn)“大數(shù)據(jù)（Big Data）”問(wèn)題。

圖3、Smart M＆D的方法

另一個(gè)挑戰(zhàn)是模擬感官信息本身并不能告訴操作者機(jī)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(lái)，使用數(shù)學(xué)算法來(lái)處理數(shù)據(jù)，并使用先進(jìn)的模式識(shí)別技術(shù)可以提供真實(shí)的關(guān)于機(jī)器健康的圖像。

Smart M＆D項(xiàng)目的核心要素是NI的CompactRIO平臺(tái)（http://www.ni.com/compactrio/zhs/）。通過(guò)將現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）和板載實(shí)時(shí)處理器連接到傳感器，原始模擬傳感監(jiān)測(cè)波形可以減少到指示節(jié)點(diǎn)本身系統(tǒng)的“健康”狀態(tài)。

圖4、NI的CompactRIO平臺(tái)的硬件系統(tǒng)

FPGA可以以非常高效，并行的方式對(duì)高速感官信息進(jìn)行分析和處理，以實(shí)時(shí)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(shí)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(wèn)題的專家陷入到數(shù)據(jù)超載的困境，從而不能辨別出問(wèn)題的所在。

CompactRIO平臺(tái)系統(tǒng)的分布式，開(kāi)放式和可重構(gòu)性等特點(diǎn)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(guò)機(jī)器網(wǎng)絡(luò)直接由類似系統(tǒng)（類似的鍋爐，水泵，風(fēng)扇，電機(jī)等）來(lái)進(jìn)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(chǎng)的次數(shù)可以大大減少，同時(shí)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(wèn)題。

此外，可以使用高級(jí)診斷和預(yù)后算法（如EPRI資產(chǎn)故障簽名數(shù)據(jù)庫(kù)（ EPRI Asset Fault Signature Database以及EPRI剩余有用生命數(shù)據(jù)庫(kù)（EPRI Remaining Useful Life Database中所包含的算法）來(lái)預(yù)測(cè)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(kù)（ EPRI Asset Fault Signature Database）通過(guò)一系列典型的屬性或者癥狀（如溫度，振動(dòng)，潤(rùn)滑分析和其他診斷結(jié)果）來(lái)表征設(shè)備故障機(jī)制。使用Smart M＆D系統(tǒng)生成的這種類型的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以對(duì)EPRI資產(chǎn)故障簽名數(shù)據(jù)庫(kù)中包含的診斷模型進(jìn)行比較。當(dāng)一組數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)子集與已知的故障機(jī)制和/或位置的已知屬性或癥狀一致時(shí)，這些診斷工具就可以識(shí)別出何時(shí)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(biāo)準(zhǔn)的變化，新的算法被開(kāi)發(fā)，或者附加的感測(cè)技術(shù)變得普遍起來(lái)，客戶可以更新他們的智能節(jié)點(diǎn)，而不需要物理地進(jìn)入工廠來(lái)更新它們，或者為了解決一個(gè)新的問(wèn)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(xiàng)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(lái)自多種不同傳感器的數(shù)據(jù)，可以連接各種機(jī)械部件和類型。 DAQ分布在整個(gè)設(shè)施，區(qū)域或者全球各個(gè)地理位置上。 DAQ系統(tǒng)執(zhí)行對(duì)未來(lái)趨勢(shì)，警報(bào)和分析的主要感官指標(biāo)的在線處理和提取。它們是可在沒(méi)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(fù)責(zé)向系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商，主題專家，管理層等提供可操作的數(shù)據(jù)。通過(guò)各種開(kāi)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(kāi)放的SmartM＆D平臺(tái)提供擴(kuò)展先進(jìn)傳感器的機(jī)會(huì)

學(xué)習(xí)到的經(jīng)驗(yàn)

從智能監(jiān)控和診斷項(xiàng)目（Smart M＆D：Smart Monitoring and Diagnostics Project）中的關(guān)鍵學(xué)習(xí)要點(diǎn)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(kāi)始收集新的故障簽名。該系統(tǒng)對(duì)診斷機(jī)器故障，即包括溫度，振動(dòng)，壓力等測(cè)量，包括諸如熱成像，超聲波，氣味和EMI干擾的高級(jí)測(cè)量的經(jīng)典方法進(jìn)行擴(kuò)展。

圖8、實(shí)現(xiàn)SmartM＆D平臺(tái)所需要的關(guān)鍵技術(shù)

提供開(kāi)放式平臺(tái)，鼓勵(lì)其他系統(tǒng)廠商采用Smart M＆D連接標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)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(kù)，企業(yè)分析軟件或其它更多是天真的。因此，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)可以包含許多系統(tǒng)的系統(tǒng)。專有格式不再隱藏?cái)?shù)據(jù);相反，它可供用戶運(yùn)行個(gè)性化算法，將獨(dú)特的傳感器連接在一個(gè)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(gè)開(kāi)放，集成和靈活的框架，從而提高工廠的運(yùn)營(yíng)效率，減少停機(jī)時(shí)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(gè)工廠內(nèi)部由Smart M＆D架構(gòu)部署和管理了近1500臺(tái)CompactRIO系統(tǒng)。