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1 方案背景與目標(biāo)

    工廠的生產(chǎn)與制造離不開各類生產(chǎn)設(shè)備的運行，這些生產(chǎn)設(shè)備作為工廠的重要資產(chǎn)，其運行狀態(tài)將影響到實際產(chǎn)量、質(zhì)量和企業(yè)的收入。因此，對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行及時的維護(hù)，避免發(fā)生異常停機，是工廠實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一。

    當(dāng)前對于生產(chǎn)設(shè)備的維護(hù)方式包括三種，分別是被動型維護(hù)、預(yù)防性維護(hù)和預(yù)測性維護(hù)：

• 被動型維護(hù)：在生產(chǎn)設(shè)備發(fā)生故障時修復(fù)故障

• 預(yù)防性維護(hù)：通過預(yù)先定義的維保計劃來識別生產(chǎn)設(shè)備故障

• 預(yù)測性維護(hù)：通過時序數(shù)據(jù)和生產(chǎn)設(shè)備的歷史故障數(shù)據(jù)，預(yù)測未來的潛在運行狀態(tài)

    本方案采用預(yù)測性維護(hù)模式，通過對設(shè)備、部件的健康度評估信息，在發(fā)生影響生產(chǎn)、影響產(chǎn)品質(zhì)量的重大故障之前，在先期檢測到設(shè)備運行狀態(tài)異常，在故障前提供預(yù)警，有效降低維護(hù)成本和非計劃停機時間，從而提高企業(yè)資產(chǎn)壽命和生產(chǎn)效益。同時，結(jié)合西門子工業(yè)邊緣的平臺特性，充分利用其在規(guī)模化復(fù)制應(yīng)用的特長，具備擴展性。

2 方案詳細(xì)介紹

本方案由西門子工業(yè)邊緣平臺和設(shè)備、西門子工業(yè)人工智能軟件Device Monitor組成。

工業(yè)邊緣設(shè)備位于現(xiàn)場設(shè)備層，在與工控設(shè)備連接部署時，無需修改原有工控設(shè)備的軟硬件，不會對現(xiàn)場生產(chǎn)造成影響，實現(xiàn)了與原有控制系統(tǒng)的低耦合。邊緣設(shè)備上部署有工業(yè)邊緣運行系統(tǒng)（Industrial Edge Runtime），可以運行各類容器化的應(yīng)用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、展示、AI算法應(yīng)用等功能。

西門子工業(yè)人工智能軟件Device Monitor提供5個功能模塊：設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理和模型生成、設(shè)備實時健康度評估、用戶管理、用戶交互界面。

1)   設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)采集

    可以通過3種數(shù)據(jù)源讀取設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)：OPC UA、MQTT和FTP。

    通過上述數(shù)據(jù)源添加數(shù)據(jù)后，可以通過設(shè)備配置將數(shù)據(jù)與設(shè)備關(guān)聯(lián)。不同的設(shè)備有不同的預(yù)置數(shù)據(jù)點位需要。目前支持的設(shè)備包含：電機、軸承、齒輪箱、泵、泵站、氣源、滑塊導(dǎo)軌、沖壓機。

2)   數(shù)據(jù)預(yù)處理和模型生成
    數(shù)據(jù)預(yù)處理：原始數(shù)據(jù)通常會有噪聲、缺失值等異常情況，將通過統(tǒng)計學(xué)方法、機器學(xué)習(xí)模型等方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理去除噪聲，提升數(shù)據(jù)質(zhì)量。

    模型訓(xùn)練：之后，針對設(shè)備類型選擇匹配的算法模型（如：統(tǒng)計模型、機器學(xué)習(xí)算法、深度學(xué)習(xí)模型框架等）進(jìn)行適配和訓(xùn)練，通過歷史案例學(xué)習(xí)生成有效的設(shè)備健康度預(yù)測模型。

    模型評估：在存有典型工況驗證數(shù)據(jù)集上進(jìn)行交叉驗證，當(dāng)模型驗證結(jié)果通過預(yù)設(shè)的統(tǒng)計評估指標(biāo)時（如：敏感度指標(biāo)、特異性指標(biāo)），該設(shè)備健康度預(yù)測模型的準(zhǔn)確度得到有效評估，并被激活用于實時監(jiān)控。

3)   設(shè)備實時健康度評估

    通過數(shù)據(jù)預(yù)處理和模型生成模塊所激活的模型將被用于目標(biāo)設(shè)備的運行狀態(tài)實時監(jiān)控。通過設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊所獲取的實時數(shù)據(jù)，模型將根據(jù)其傳輸頻率不間斷進(jìn)行：

·       目標(biāo)設(shè)備的健康度評估

·       通過用戶交互界面進(jìn)行直觀展示監(jiān)測過程

·       出現(xiàn)異常偏差時，根據(jù)偏離程度進(jìn)行不同等級報警

4)   用戶管理

    可添加、配置不同的用戶賬號訪問用戶交互界面。同時，可以設(shè)置不同的用戶權(quán)限，不同權(quán)限用戶可以查詢不同層級的數(shù)據(jù)。

5)   用戶交互界面

    提供總覽頁面、報警頁面、模型頁面、數(shù)據(jù)頁面、資產(chǎn)頁面、用戶頁面、設(shè)置頁面共8類用戶交互界面。所有用戶交互界面均通過WebUI的方式訪問，用戶使用電腦瀏覽器訪問服務(wù)地址，即可登錄并查看Device Monitor的使用界面。對數(shù)據(jù)源的配置、模型的創(chuàng)建與管理、設(shè)備實時狀態(tài)監(jiān)測和健康度評估均可通過用戶交互界面查看。

3 代表性及推廣價值

1)   數(shù)據(jù)類型的多樣性和標(biāo)準(zhǔn)化

不同于常見的被動式和預(yù)防性維護(hù)，本方案采用AI算法分析時序數(shù)據(jù)的方式，擴展了對生產(chǎn)設(shè)備可監(jiān)控數(shù)據(jù)的多樣性和廣度。通過不同的傳感器，聲波信號、熱信號、振動信號、壓力信號等不同狀態(tài)信號均可作為預(yù)測性維護(hù)的數(shù)據(jù)來源。通過西門子工業(yè)邊緣計算，不同類型的狀態(tài)信號可以便捷地配置化接入，并實現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換，為Device Monitor提供標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)來源。

2)   模塊化部署提升應(yīng)用擴展空間

西門子工業(yè)人工智能軟件Device Monitor采用容器化部署方式，運行在西門子工業(yè)邊緣設(shè)備中。西門子工業(yè)邊緣平臺的集中管理、分布式運行方式，可大幅降低軟件功能升級的工作量，通過遠(yuǎn)程訪問即可獲取設(shè)備及軟件的運行狀態(tài)信息、日志，并且實現(xiàn)軟件功能管理。在生產(chǎn)設(shè)備增加后，原有的功能可以快速復(fù)制并運行在新的產(chǎn)線、車間和廠房，減少調(diào)試時間。

3)   配置化使用降低應(yīng)用上手難度

本方案的使用均基于WebUI完成，在實際應(yīng)用中無需具備算法專業(yè)知識也可完成配置和調(diào)整。對生產(chǎn)設(shè)備了解的維保人員可結(jié)合過往的設(shè)備運行狀態(tài)和運維經(jīng)驗，輔助Device Monitor中所運行的AI模型更加精準(zhǔn)，對設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測效果更佳準(zhǔn)確。

4)   健康度評估輔助設(shè)備運維保養(yǎng)

本方案已輔助企業(yè)用戶在設(shè)備發(fā)生異常前提供相應(yīng)的警示信息。以某企業(yè)用戶的實際應(yīng)用為例，Device Monitor在設(shè)備發(fā)生故障前15天，已通過對相應(yīng)關(guān)鍵時序數(shù)據(jù)的分析提供預(yù)警。基于評估得到的健康度信息及其變化趨勢，設(shè)備運維人員可以更好地規(guī)劃檢查和維保措施，避免生產(chǎn)設(shè)備發(fā)生實際故障和停機。

本方案通過工業(yè)邊緣可以容器化運行各類應(yīng)用的優(yōu)勢，以圖像化配置的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲，并且集成工業(yè)人工智能軟件Device Monitor，使其后續(xù)的功能擴展、規(guī)模化應(yīng)用具備良好基礎(chǔ)。與此同時，為企業(yè)用戶提供基于時序數(shù)據(jù)的AI分析功能，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)實時檢測和健康度評估，可在早期檢測到設(shè)備運行狀態(tài)異常，在故障前提供預(yù)警，有效降低維護(hù)成本和非計劃停機時間，從而提高企業(yè)資產(chǎn)壽命和生產(chǎn)效益。