威海烟草物流设备实时监控系统的设计与实现

徐绍伦

山东威海烟草有限公司 山东 威海 264300

引言

机械设备作为生产加工型企业在生产过程中的物质基础，其运行状态的好坏对企业来说尤为重要。对机械设备运行状态评价方法的研究是整个设备系统管理的主要内容，在对机械设备状态评价的基础上对设备状态进行预测可以最大限度地降低设备故障率，避免因设备停工造成的损失。因此，对机械设备运行状态进行评价对提高制造系统的稳定性和安全性具有重要意义。

2019年12月，中国烟草专卖局下发了《智慧物流建设指导意见》，山东省局（公司）物流处指示，各单位“要围绕智慧物流建设，在智能调度、智能仓储、智能分拣、智能配载、智能运输（配送）、智慧物流园区、智能物流设备管理等方面加强研究攻关。”本文依据调研情况，充分借鉴惠州、毕节等先进地市的优秀经验，总结归纳出智慧设备管理需要遵循的几条基本原理，以此指导研究方案的制定。

1 理论概述

1.1 物联网原理

2008年11月，IBM公司董事长彭明盛在外国关系理事会上提出所谓“智慧的地球”（Smarter Planet），目的是把新一代IT技术应用在各个领域中，把传感器嵌入到电网和铁路等市场领域，开拓了物联网的使用范围。

2009年8月，我国总理温家宝视察江苏省无锡市的太湖水质监测时提出了“感知中国”的概念，所以无锡市建立了第一个“感知中国”研究中心，中国在当年的政府工作报告中还写到了将物联网放入到国家的五大新兴战略产业之一，这样就可以在国内外都得到极高的关注度。

物联网即万物相连的互联网，即通过射频识别（RFID）、智能传感器等设备，将原有的单机运行的各类设备通过网络进行有效的联通整合，使得任何两个物品之间、物品和互联网之间通过相互连接，进行通信或者说进行信息的交互，以实现对物品智能化的识别、定位等一系列目的的网络技术。可以说物联网技术就是当今电子、通信、计算机、IT行业技术的大融合。

1.2 数字孪生原理

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体设备的全生命周期过程。

在本课题中，利用3D建模技术将整体分拣线的运行情况映射到电脑端显示出来，实现现场的分拣设备与电脑系统中3D模型的同步，即将分拣设备的运行情况在3D模型中实时展现，使设备管理人员可以通过电脑直观地查看分拣线各个核心设备的运行状态和预警信息。当某个部件发生故障时，在电脑端3D模型的对应位置上进行报警提醒，设备维修人员可以通过查看详细信息获取故障的具体情况，方便维修人员迅速处理。同时配置设备的调试功能，设备维修人员可通过电脑客户端对整套分拣设备的任意节点进行模拟调试，方便验证故障处理结果。

1.3 灰色预测模型原理

引入Petri网对烟草配送中心物流系统进行建模分析，并通过仿真验证所建模型的可行性与可靠性。基于灰色模型来实现设备故障预测以及基于故障树规则匹配与专家系统实现设备故障诊断的智能化。以预测为驱动，转变物流设备事后维保模式为物流设备拉动式维保模式。在课题软硬件实施完善后，从物流设备全生命周期管理的角度，优化物流设备管理流程，制定物流设备拉动式维保管理标准和SOP，进一步加强物流设备管理，提升物流设备使用效率、降低维保费用、延长物流设备役龄[1]。

2 关键技术

2.1 信息要素采集技术

2.1.1 基于设备PLC技术的信息要素采集。PLC（Programmable Logic Controller）是一种处于仓储分拣设备内、具有微处理器的用于自动化控制的数字运算控制器，可以将控制指令随时载入内存进行储存与执行。通过开放现有仓储设备操作系统与分拣设备操作系统数据端口，将PLC记录的设备作业数据（如电机、电机转轴、继电器、气缸的运行时间和动作次数等）直接抽取至分拣设备运行实时监控系统，实现对卷烟物流设备健康数据信息、易损件耗材运行状态及使用频次数据的获取。

2.1.2 基于物理传感器技术的信息要素采集。通过物联网、电流采集终端等传感器的信息采集终端实时监控设备运行，采集设备健康数据信息、设备运行环境信息数据、分拣线的电流电压数据、易损件耗材运行状态及使用频次数据。

在分拣装置的控制过程中，需要用到以下主要的硬件：传感器，电磁阀，传送带与电机，可编程控制器等主要硬件。其中传感器和电磁阀的选择尤为重要，本次设计中需要在设备内外部核心位置加装传感器，对设备运行过程中的环境和用电能耗进行监控。一是环境检测：通过在分拣工房安装多个温、湿度传感器，对分拣工房的温湿度进行全方位的感知，并且该数据作为基础数据辅助其他检测数据的分析。二是用电检测：通过在配电柜中安装电压、电流传感器，收集分拣线用电的电压变化、电流变化的数据信息，分析是否存在电压不稳、过载等现象，根据检测结果对分拣工房用电线路、配电室进行检测。

2.1.3 基于二维码技术的信息要素采集。根据管理需求，在系统中对设备系统、单机设备及部件生成唯一对应二维码，利用企业微信等移动平台扫描二维码实现物流设备的日常维保、故障检修等痕迹化信息的录入。

2.1.4 人工信息录入的信息要素采集。在系统中设置物流设备知识共享平台，维保人员通过PC端或企业微信移动端录入设备运维经验形成设备运维知识共享平台，辅助维保人员提升自主维保能力。同时，可弥补信息要素采集漏项，并可用于物流设备基础档案数据、设备维保知识等资料的维护[2]。

2.2 设备故障诊断预测技术

选取设备总工作时长、自上次维保后设备工作时长、设备电压、电流以及设备的转速五个指标对设备运行状态进行定量计算，同时在此基础上考虑环境及设备关键部件温湿度进行定性分析。

在确定各个评价指标的权重系数之后，使用设备电压、设备电流以及设备的转速三个变量指标来建立基于灰色理论的故障预测模型，对指标产生的设备运行状态大数据进行重复预测，不断更新灰色预测模型，利用指标权重系数和预测值，采用可拓聚类分析模型对设备的运行状态进行预测，得到设备故障预测等级共分为良好、一般、风险三种运行状态。

通过对设备故障预测等级的界定可进一步提升设备管理专业化、精细化水平：如建立对设备的拉动式维保管理模式，合理设置备品备件品规数量，建立智能化的“应急—分析总结—预防维护”的设备良性使用规范[3]。

3 改进策略

3.1 继续拓展系统功能

在自动分拣系统中通常需要控制系统来控制元器件，分类装置来对快递包裹进行分类，输送装置对快递进行传输，以及在分拣口将它们分开整理。控制系统具体需要识别系统发出的分拣信号，接受并进行处理，在接收到分拣信号后，根据收到的信号使用分类装置将包裹根据不同地区不同包装进行分类，然后根据这些包裹自身携带的物流信息在经过扫描判断后就会被分去分拣道口中。

目前分拣设备运行实时监控系统已基本能满足日常设备管理工作的需要，但是针对试点工作中研发的“分拣设备3D展示系统”，还可以继续研究进行设备单机的数字模型展示，进而集成单机设备的3D拆分展示资料、视频动画维修手册、微部件数据分析等功能，进一步降低设备维修人员技术门槛，促进设备知识学习交流，实现设备管理智慧化。

3.2 优化故障预测结果

鉴于目前设备运行数据采集量不足以支撑灰色预测模型的精确诊断，考虑在省内其他地市进行系统推广应用后，对比获取同质化的数据进行分析。研究在灰色预测模型中加入同型号设备在相似环境下的运行数据，提高分析结果的准确性[4]。

3.3 深度挖掘数据应用

在卷烟物流设备信息管理系统的研究与应用过程中，通过物联网采集的设备信息要素数据形成了设备运行的大数据资料，下一步将继续深化对该类数据的应用，加强对数据的监控、分析，以数据驱动提升卷烟物流设备管理。在卷烟物流设备信息管理系统中将车辆数据进行联网上传，及时更新，这将在极大程度上解决公路上空车率的问题。同时，在其他运输方式中，反向物流也应是被重视的方面之一，数据联网更新不仅有利于企业内部物流基础设备充分应用，若在市场范围内进行数据联网，将对行业内部的技术优化、路径优化有着更深的意义与影响[5]。

3.4 适应5G数据处理环境

5G网络的发展无疑将再次带动国民经济的发展，也必将在物流行业带动一次新的革命——数据化物流的发展，5G网络具有高速的信息流转速度、极低的数据延迟与极大的数据容量，这不断提醒着即将进入5G时代的物流行业，必须充分利用大数据系统的海量数据集并不断提高对数据的极速处理与匹配的能力，同时更大程度地发挥大数据系统的及时性、安全性与高效性，才能保证我国在物流运输行业的领先地位。

而5G正在预备期间，若物流运输行业的数据处理待5G正式普及后才开始适应其环境与要求，将会造成短时间行业内的数据处理缓慢、数据更新延迟的情形，因此，提前开始适应5G数据处理环境是当前物流运输行业所应开始着手的工作之一。5G背景意味着更大规模的数据亟待处理，而当前国内物流运输行业对TB级数据的处理已经做到驾轻就熟的水平，大部分物流运输企业有能力处理PB级别的数据，但EB级的数据仍然只有极少部分的企业掌握其处理技术。而5G背景下的数据要求至少是EB级处理能力，这对于运输行业内传统的数据仓库已经不能满足数据处理要求了，因而应该更加深入对数据分析流程的探讨与数据分析平台的建设[6]。

4 结束语

机械设备是制造加工型企业的核心生产资料，其运行状态的安全性与稳定性对整个企业的生产来说至关重要。本文在分析机械设备特点的基础上，结合以往对设备状态评价方法的研究，选择可拓学理论中的相关知识对机械设备进行运行状态评价。基于可拓理论的机械设备状态评价是企业做到预防性维修以及降低设备故障率的重要手段。相比较以往的设备状态评价方法，本文所提出的评价模型从机械设备自身的特点出发，结合机械设备的主客观影响因素，更能接近机械设备真实的运行状态。此外，结合此评价模型的机械设备运行状态管理系统可有效实现对整个设备系统的监测与控制。