本案例分析介紹了杜克能源公司如何通過每日遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)來替代每月手動(dòng)數(shù)據(jù)采集。

引言

杜克能源公司成立于1900年，是美國最大的發(fā)電公司，在美國擁有80多家工廠，員工超過29,000人。該公用事業(yè)公司總部位于北卡羅來納州夏洛特，擁有52,700兆瓦的發(fā)電能力，向美國東南部和中西部地區(qū)六個(gè)州約740萬用戶供電。杜克能源還為150萬天然氣客戶提供服務(wù)，并在加拿大和拉丁美洲運(yùn)營多種發(fā)電設(shè)備，包括一系列可再生能源設(shè)備。

杜克能源公司以及發(fā)電行業(yè)的其他公司在手動(dòng)監(jiān)測(cè)機(jī)器狀況時(shí)都面臨著挑戰(zhàn)。狀態(tài)監(jiān)測(cè)可通過避免設(shè)備故障導(dǎo)致的停機(jī)來控制成本以及提高設(shè)備服務(wù)能力。手動(dòng)采集數(shù)據(jù)非常耗費(fèi)人力; 在基于路線的數(shù)據(jù)采集方法中，杜克能源公司的預(yù)測(cè)性維護(hù)專家需要親自走到每個(gè)站點(diǎn)手動(dòng)采集數(shù)百個(gè)數(shù)據(jù)樣本，然后返回計(jì)算機(jī)查看和分析采集到的數(shù)據(jù)。杜克能源公司的分析師每個(gè)月需要進(jìn)行近6萬次數(shù)據(jù)采集時(shí)，通常會(huì)花費(fèi)80％的時(shí)間來采集數(shù)據(jù)，而只有20％的時(shí)間可用于分析數(shù)據(jù)，導(dǎo)致診斷不一致，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估受限，而且需要耗費(fèi)大量時(shí)間和體力在走路上！

2010年，杜克能源公司開始在整個(gè)公司實(shí)施集中化項(xiàng)目，使用新技術(shù)來滿足日益增加的可靠性要求并提高員工的工作效率。杜克能源公司希望擁有能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并通知專家的技術(shù)，以取代傳統(tǒng)基于路線的數(shù)據(jù)采集做法，使他們能夠?qū)r(shí)間花在更有價(jià)值的任務(wù)上，并且無論身處何處都能完成工作。這個(gè)需要耗時(shí)數(shù)年的項(xiàng)目需要安裝額外的傳感器，采用全新的架構(gòu)設(shè)計(jì)以及購買新基礎(chǔ)設(shè)施來補(bǔ)充舊基礎(chǔ)設(shè)施。

圖1：NI CompactRIO系統(tǒng)通過連接全廠資產(chǎn)設(shè)備來為杜克能源提供機(jī)器監(jiān)測(cè)解決方案

解決方案

杜克能源公司開始考慮利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）和大數(shù)據(jù)分析的元素來應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，杜克能源與NI以及美國電力研究院（EPRI） 、OSIsoft和InStep（現(xiàn)為施耐德電氣的一部分）共同合作開發(fā)定制的監(jiān)測(cè)和診斷基礎(chǔ)設(shè)施，該設(shè)施稱為Smart Monitoring and Diagnostics，簡(jiǎn) 稱“Smart M&D” 。

EPRI已經(jīng)推出了I4GEN（Developing Insights through the Integration of Information for Intelligent Generation，通過集成智能發(fā)電信息提高洞察力）框架，以支持發(fā)電公司轉(zhuǎn)向使用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)和解決方案。該研究所與合作伙伴分享專業(yè)知識(shí)，并支持多個(gè)發(fā)電組織之間的協(xié)作，而不是讓他們像一盤散沙，各做各的。

技術(shù)投資和運(yùn)營

此項(xiàng)目的必要投資包括安裝額外在線傳感器、基礎(chǔ)設(shè)施、架構(gòu)和診斷應(yīng)用程序。

2012年，杜克能源開始開發(fā)新的架構(gòu)來支持這個(gè)項(xiàng)目。Duke Energy采用了NI CompactRIO平臺(tái)， 該平臺(tái)結(jié)合了嵌入式實(shí)時(shí)處理器、高性能現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）以及可熱插拔I/O模塊，可將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到聯(lián)網(wǎng)的上位機(jī)電腦中。傳感器數(shù)據(jù)被傳送到NI CompactRIO監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行信號(hào)采集和處理，結(jié)果通過有線或無線方式傳輸?shù)焦S服務(wù)器。利用大量的模擬數(shù)據(jù)，NI CompactRIO可以進(jìn)行報(bào)警，并為杜克的數(shù)據(jù)專家提供全面的波形分析。此外，杜克能源公司還使用用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的NI InsightCM?來可視化和分析數(shù)據(jù)。通過將FPGA和板載實(shí)時(shí)處理器連接到傳感器，可大幅減少原始模擬波形，僅保留指示 節(jié)點(diǎn)處系統(tǒng)“健康”狀況所需的數(shù)據(jù)。這樣可以避免數(shù)據(jù)超載的情況，方便領(lǐng)域?qū)＜铱焖侔l(fā)現(xiàn)問題。

NI InsightCM軟件是一款讓數(shù)據(jù)更加方便易用的重要工具，并且非技術(shù)人員也可輕松使用。杜克正處于從傳統(tǒng)技術(shù)向新技術(shù)的過渡中，以期為最終用戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

更多傳感器正在添加到驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、泵、變速箱和風(fēng)扇等監(jiān)測(cè)功能受限的設(shè)備上。對(duì)于已經(jīng)配備傳感器的機(jī)器，杜克能源專注于擴(kuò)展其感測(cè)能力。例如，蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)已經(jīng)具有較高的感測(cè)能力，因?yàn)檫@些昂貴的機(jī)器需要通過警報(bào)來避免代價(jià)高昂的故障。杜克能源公司在這種設(shè)備中增加了更多的傳感器來捕獲數(shù)據(jù)，以支持更先進(jìn)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，從而提高了未來故障的可預(yù)測(cè)性。

杜克在其設(shè)施中確定了10,000多項(xiàng)資產(chǎn)，并計(jì)劃為這些設(shè)備資產(chǎn)添加超過30,000個(gè)傳感器，包括加速度計(jì)、溫度傳感器、油液分析傳感器、熱像儀和接近式探針。這些傳感器增加了振動(dòng)、軸承溫度和油壓監(jiān)測(cè)等功能，還可監(jiān)測(cè)變壓器、溶解氣體和發(fā)電機(jī)等其他資產(chǎn)的電磁特征。

據(jù)估計(jì)，該項(xiàng)75％的成本不在于軟件或傳感器，而在于將傳感器連接到數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)的布線上。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)遍布該公司的各種設(shè)施，可連接多達(dá)30或40個(gè)硬連接的傳感器。電纜必須從傳感器連接到本地?cái)?shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)；然后信號(hào)從NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備無線傳輸?shù)蕉趴四茉吹姆?wù)器。

為了采集振動(dòng)信息，可能需要每秒捕捉10,000到 100,000個(gè)樣本，持續(xù)幾秒鐘，才能對(duì)機(jī)器狀況進(jìn)行充分的測(cè)量。此外，杜克能源公司使用現(xiàn)場(chǎng)工廠服務(wù)器的組合來管理這些龐大的數(shù)據(jù)。每個(gè)工廠都有自己的OSIsoft PI服務(wù)器，該服務(wù)器可采集、存儲(chǔ)和組織各種來源的數(shù)據(jù)。

這些服務(wù)器位于杜克的監(jiān)控和診斷中心，其中 Instep的Prism模式識(shí)別和預(yù)測(cè)軟件（用于機(jī)械解決方案）和GP Strategy的EtaPRO熱狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件可幫助識(shí)別與預(yù)期行為的偏差。在監(jiān)測(cè)診斷中心內(nèi)，這些軟件工具由一個(gè)由五名技術(shù)人員組成的團(tuán)隊(duì)使用。

技術(shù)人員通過一個(gè)報(bào)警儀表板來了解設(shè)備是否發(fā)生某些意外行為。這樣，他們就可以調(diào)查并篩選問題，以確定是否是真正的異常情況以及是否需要進(jìn)一步調(diào)查。如果對(duì)異常進(jìn)行標(biāo)記，就會(huì)發(fā)送一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)流程電子郵件來提醒相關(guān)的人員解決問題; 并以圖形化方式向他們提供信息，指出偏差并提供初步診斷建議，以便操作員可以檢查機(jī)器。

這些信息會(huì)發(fā)送到EPRI的資產(chǎn)健康管理系統(tǒng)，并與基于真實(shí)設(shè)備數(shù)據(jù)長時(shí)間編制而成的特征數(shù)據(jù)庫（來自多個(gè)公司）中的所有已知故障進(jìn)行比較來識(shí)別問題。然后EPRI通知杜克能源的專家進(jìn)入 NI InsightCM Data Explorer（一款旨在幫助工程師快速定位、檢查、分析和報(bào)告測(cè)量數(shù)據(jù)的聯(lián)網(wǎng)軟件）進(jìn)行全面分析。

目前，杜克能源公司將其所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)部服務(wù)器上，因?yàn)镮T部門目前不開放使用云。迄今為止，杜克能源公司已能夠處理使用這種方法所采集的龐大數(shù)據(jù)量。

杜克能源取得的成效

截至2017年3月，已有近30個(gè)工廠通過Smart M＆D架構(gòu)部署和管理近2000個(gè)CompactRIO系統(tǒng)。在這些工廠內(nèi)，杜克能源公司借助自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集功能，讓分析師可以將80％的時(shí)間用于分析，而不是數(shù)據(jù)采集；因此，分析結(jié)果更加可靠。

一年內(nèi)，杜克能源公司的監(jiān)測(cè)和診斷中心平均每天使用Prism發(fā)布兩次通知；其中只有四分之一 警報(bào)需要采取糾正措施。這些警報(bào)為專家提供了依據(jù)，使其可以在成本最低的時(shí)候?qū)υO(shè)備進(jìn)行計(jì)劃和修理，例如，當(dāng)設(shè)備計(jì)劃進(jìn)行維護(hù)而停機(jī)或需求較少時(shí)。

這些機(jī)器能夠繼續(xù)運(yùn)行數(shù)周，使專家可以選擇成本最低的時(shí)候安排維修。舉個(gè)例子，盡管軸承存在故障，杜克能源公司仍然能夠保持發(fā)電機(jī)運(yùn)行三周，直至安排安全且適時(shí)的維修。

公司以前只能每年從數(shù)據(jù)點(diǎn)采集四個(gè)數(shù)據(jù)，而現(xiàn)在每五秒就能采集一次數(shù)據(jù)。并非所有的附加數(shù) 據(jù)都可以永久存儲(chǔ); 因此該公司通過管理協(xié)議來 決定什么時(shí)候丟棄哪些類型的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)更智能的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

四年來，杜克能源公司由于避免了故障帶來的高昂成本，節(jié)省了高達(dá)130%的資金預(yù)算。該項(xiàng)目實(shí)施的第三年，杜克能源公司開始看到回報(bào)顯著增加。該公司正在計(jì)算由于避免手動(dòng)采集數(shù)據(jù)而節(jié)省的勞動(dòng)力成本。由于系統(tǒng)會(huì)持續(xù)分析數(shù)據(jù)，因此可 大大減少操作員輪次，同時(shí)顯著提高數(shù)據(jù)采集頻率。數(shù)據(jù)不再是每個(gè)月采集一次; 而是每天采集數(shù)次，每周采集數(shù)TB的數(shù)據(jù)，從而可以在更頻繁且一致地發(fā)現(xiàn)和跟蹤問題。

圖2：基于網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件

（圖片為NI InsightCM）

這一轉(zhuǎn)變提高了可靠性并降低了運(yùn)營成本，可幫助管理人員滿足更高可靠性的需求，并通過提高分析能力來優(yōu)化工作效率。

挑戰(zhàn)

推出該解決方案必須克服許多挑戰(zhàn)。

早在項(xiàng)目之初，杜克能源就意識(shí)到他們無法獨(dú)自輕松完成該項(xiàng)目。通過一開始就與NI和EPRI等技術(shù)提供商合作，杜克避免了許多挑戰(zhàn)。

1. 杜克能源公司面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是讓員工（其中許多人的整個(gè)職業(yè)生涯都在從事基于路線 的手動(dòng)數(shù)據(jù)采集工作）接受并采用這些新方法，并信賴這些技術(shù)及信息。例如，專家們?nèi)匀粫?huì)在收到基于數(shù)據(jù)的警告后，使用手持設(shè)備手動(dòng)檢查設(shè)備。因此，該公司已投入到數(shù) 據(jù)可視化的持續(xù)優(yōu)化過程中。

“ 你需要讓解決方案變得易于理解和使用，使得用戶需要它并找到它。”杜克能源技術(shù)項(xiàng)目總經(jīng)理Michael Reid 表示。

2. 杜克面臨的另一個(gè)主要挑戰(zhàn)是運(yùn)行大量高級(jí)模式識(shí)別（APR）模型（超過10,000個(gè)）會(huì)導(dǎo)致接收到警報(bào)量非常大。為了應(yīng)對(duì)這種情況，杜克能源公司正在制定一個(gè)警報(bào)管理以及優(yōu)先排序策略，因?yàn)樵摴緵]有足夠的分析師來處理所有模型。其中一種警報(bào)管理方法是基于資產(chǎn)的重要性（例如汽輪機(jī)和風(fēng)扇）進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序。

3. 對(duì)于采用該解決方案的四個(gè)地區(qū)，杜克能源在每個(gè)地區(qū)都指派了負(fù)責(zé)人，他們與維護(hù)專家一起進(jìn)行測(cè)量，幫助他們將新技術(shù)應(yīng)用到業(yè)務(wù)中。然而，沒有人是全能的；所以從一 開始，OT和IT團(tuán)隊(duì)之間的合作就顯得非常重要。這存在一個(gè)挑戰(zhàn)，即OT和IT部門有自己的優(yōu)先事項(xiàng)（和預(yù)算），這些事項(xiàng)有時(shí)候會(huì)存在競(jìng)爭(zhēng)，所以保持平衡至關(guān)重要；此外，項(xiàng)目高級(jí)管理人員的支持非常重要，這樣可確保充足和持續(xù)的資金支援。

4. 由于該項(xiàng)目已在多個(gè)工廠推出，該團(tuán)隊(duì)必須與每個(gè)站點(diǎn)合作，針對(duì)其特定需求開發(fā)獨(dú)特的解決方案。這要求工廠管理人員根據(jù)他們的主要痛點(diǎn)和擔(dān)憂來進(jìn)行取舍。另一個(gè)挑戰(zhàn) 是，在過去幾年中，工廠管理人員發(fā)生了變動(dòng)，需要對(duì)新員工進(jìn)行持續(xù)培訓(xùn)。

下一步

今年，杜克能源將完成額外傳感器的部署; 因?yàn)樵摴咀罱鼣U(kuò)大了希望監(jiān)測(cè)的范圍，納入了變壓器等附加設(shè)備。杜克能源公司認(rèn)識(shí)到，使用更多的無線傳感器可以節(jié)省更多資金，因?yàn)檫@些傳感器不需要昂貴的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)布線。

圖3.杜克能源設(shè)施

之后，杜克能源公司希望通過能夠提前診斷問題的工具來獲得更多有助于采取措施的信息。杜克希望將目前采用的預(yù)測(cè)性維護(hù)解決方案進(jìn)一步擴(kuò)展，不僅能夠告訴專家問題是什么，而且還提供如何解決問題的建議。鑒于該行業(yè)的領(lǐng)域?qū)＜也粩嗔魇?，這一點(diǎn)將變得尤為重要。（作者：Alex West ）