Помощь студентам в учебе
Использование технологий промышленного интернета вещей (IIoT) в системах контроля и диагностики автоматизированного электропривода
|
АННОТАЦИЯ 3
ВВЕДЕНИЕ 7
1 ОПИСАНИЕ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ 10
1.1 Современная практика технического менеджмента 10
1.2 Место диагностики в рамках IIoT и Индустрии 4.0 11
1.3 Трудности современной диагностики как части Индустрии 4.0 13
1.4 Обзор существующих технических решений 15
2 ПРИНЦИП РАБОТЫ ПРОЕКТИРУЕМОЙ СИСТЕМЫ 19
2.1 Разработка функциональной схемы 19
2.2 Описание процесса работы 20
3 ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ И РАЗРАБОТКА АППАРАТНОЙ ЧАСТИ
ПРОЕКТИРУЕМОГО УСТРОЙСТВА 21
3.1 Технические требования 21
3.1.1 Выбор управляющего устройства 21
3.1.2 Исполнительное устройство 23
3.1.3 Источник питания устройства 24
3.2 Интерфейсы и протоколы связи 25
3.2.1 Выбор проводной сети 26
3.2.2 Выбор технологии беспроводной сети 28
3.2.3 Протокол передачи данных 31
3.3 Выбор платформы для анализа данных 33
3.4 Разработка и описание принципиальной схемы 35
3.5 Проектирование печатной платы 36
3.5.1 Расчёт толщины проводников для печатной платы 37
3.5.2 Результаты разработки печатной платы 38
3.6 Разработка корпуса 40
4 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ 44
4.1 Программа управляющего устройства 44
4.2 Программное обеспечение пользователя 48
4.2.1 Обзор среды разработки Node-RED 48
4.2.2 Формирование требований к программе диагностики 51
4.2.3 Результаты разработки 53
4.3 Обеспечение информационной безопасности 54
4.4 Программно-аппаратные характеристики разработанного
устройства 57
4.5 Интеграция со SCADA-системами 57
5 ДИАГНОСТИКА АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА 59
5.1 Виды неисправностей электропривода и критерии для их
диагностики 59
5.2 Существующие методы диагностики асинхронного двигателя 60
5.3 Применение метода диагностики по результатам измерения
параметров рабочего режима 62
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 68
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 70
ПРИЛОЖЕНИЕ А 73
ВВЕДЕНИЕ 7
1 ОПИСАНИЕ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ 10
1.1 Современная практика технического менеджмента 10
1.2 Место диагностики в рамках IIoT и Индустрии 4.0 11
1.3 Трудности современной диагностики как части Индустрии 4.0 13
1.4 Обзор существующих технических решений 15
2 ПРИНЦИП РАБОТЫ ПРОЕКТИРУЕМОЙ СИСТЕМЫ 19
2.1 Разработка функциональной схемы 19
2.2 Описание процесса работы 20
3 ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ И РАЗРАБОТКА АППАРАТНОЙ ЧАСТИ
ПРОЕКТИРУЕМОГО УСТРОЙСТВА 21
3.1 Технические требования 21
3.1.1 Выбор управляющего устройства 21
3.1.2 Исполнительное устройство 23
3.1.3 Источник питания устройства 24
3.2 Интерфейсы и протоколы связи 25
3.2.1 Выбор проводной сети 26
3.2.2 Выбор технологии беспроводной сети 28
3.2.3 Протокол передачи данных 31
3.3 Выбор платформы для анализа данных 33
3.4 Разработка и описание принципиальной схемы 35
3.5 Проектирование печатной платы 36
3.5.1 Расчёт толщины проводников для печатной платы 37
3.5.2 Результаты разработки печатной платы 38
3.6 Разработка корпуса 40
4 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ 44
4.1 Программа управляющего устройства 44
4.2 Программное обеспечение пользователя 48
4.2.1 Обзор среды разработки Node-RED 48
4.2.2 Формирование требований к программе диагностики 51
4.2.3 Результаты разработки 53
4.3 Обеспечение информационной безопасности 54
4.4 Программно-аппаратные характеристики разработанного
устройства 57
4.5 Интеграция со SCADA-системами 57
5 ДИАГНОСТИКА АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА 59
5.1 Виды неисправностей электропривода и критерии для их
диагностики 59
5.2 Существующие методы диагностики асинхронного двигателя 60
5.3 Применение метода диагностики по результатам измерения
параметров рабочего режима 62
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 68
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 70
ПРИЛОЖЕНИЕ А 73
На нынешний момент мир находится на начальном этапе четвёртой промышленной революции [1]. Четвертая промышленная революция - это логическое продолжение автоматизации и компьютеризации производств, а именно: оптимизация автоматических и машинных процессов. Ключевую роль в этом должна сыграть технология интернет вещей.
Интернет Вещей (IoT, Internet of Things) - система объединенных компьютерных сетей и подключенных физических объектов (вещей) со встроенными датчиками и ПО для сбора и обмена данными, с возможностью удаленного контроля и управления в автоматизированном режиме.
В 2019 году рыночная выручка IoT достигла 212 миллиардов долларов [2]. В мире насчитывается около 26,7 миллиарда подключенных устройств IoT. К 2025 году это число достигнет 75,4 миллиарда. Из этого можно сделать вывод, что IoT это новый, большой и быстроразвивающийся рынок, который в данный момент ещё нуждается в новых идеях и технологиях.
В промышленной отрасли этот термин получил название Промышленный Интернет Вещей (Industrial Internet of Things, IIoT).
Индустриальный (иногда Промышленный) Интернет Вещей - это сеть взаимосвязанных между собой датчиков, приборов и других устройств, предназначенных для обмена данными, с возможностью удаленного контроля и управления в автоматизированном режиме без участия человека. Такая связь позволяет осуществлять сбор данных, обмен ими и их анализ, что потенциально способствует повышению производительности и эффективности, а также другим экономическим выгодам.
В современном мире важную роль в промышленности занимает автоматизированный электропривод. Кроме этого, электропривод - это ещё и множество систем, которые участвуют в различных аспектах жизни современного человека и города.
модернизации электропривода является его
интегрирование с технологией промышленного интернета вещей. Сопряжение двух данных областей позволит использовать электропривод более эффективно и безопасно [3]. В качестве примера можно рассмотреть ситуацию, при которой автоматическая система контроля и диагностики собирает и анализирует данные с электроприводов, чтобы вовремя узнавать о поломках. Вследствие этого можно сэкономить на ремонте, так как замена полностью сломанной детали стоит намного дороже, чем вовремя сделанный ремонт. Кроме этого, поломка или вывод из строя двигателя может привести к авариям и поставить под угрозу здоровье и жизнь людей. Анализ данных о состоянии двигателей позволяет вовремя реагировать и помогает предотвратить ситуации, создающие риск жизни для рабочих.
Также индустриальный интернет вещей кардинально изменяет всю экономическую модель взаимодействия «поставщик - потребитель». Это позволяет:
• автоматизировать процесс мониторинга и управления жизненным циклом оборудования;
• организовать эффективные самооптимизирующиеся цепочки от предприятий - поставщиков до компаний - конечных потребителей;
• перейти к моделям «экономики совместного использования» и многое другое.
В наиболее продвинутых случаях индустриальный интернет вещей позволяет не только повысить качество технической поддержки оборудования с использованием развитых средств телеметрии, но и обеспечить переход к новой бизнес-модели его эксплуатации, когда оборудование оплачивается заказчиком по факту использования его функций.
Внедрение сетевого взаимодействия между машинами, оборудованием, зданиями и информационными системами, возможность осуществлять мониторинг и анализ окружающей среды, процесса производства и собственного состояния в режиме реального времени, передача функции управления и принятия решений интеллектуальным системам приводят к смене «парадигмы» технологического развития, называемой также «четвертой промышленной революцией».
Зарубежные эксперты признают интернет вещей технологией, которая вносит необратимую трансформацию в организацию современных производственных и бизнес-процессов и порождает новые бизнес-модели.
Кроме этого, технология интернета вещей в приводной технике позволит внедрить электропривода в общую систему умного города, идеи которого сейчас также активно развиваются.
В выпускной квалификационной работе ставится задача спроектировать и разработать устройство, а также создать программную среду, которая позволяет производить контроль и диагностику электропривода при помощи технологий промышленного интернета вещей. Благодаря разработанной системе, эксплуатация автоматизированного электропривода будет экономичнее и безопаснее.
В работе не ставится задача применить какой-либо конкретный метод диагностики электропривода, а создаётся среда для применения различных методов диагностики на разные виды электроприводов.
Интернет Вещей (IoT, Internet of Things) - система объединенных компьютерных сетей и подключенных физических объектов (вещей) со встроенными датчиками и ПО для сбора и обмена данными, с возможностью удаленного контроля и управления в автоматизированном режиме.
В 2019 году рыночная выручка IoT достигла 212 миллиардов долларов [2]. В мире насчитывается около 26,7 миллиарда подключенных устройств IoT. К 2025 году это число достигнет 75,4 миллиарда. Из этого можно сделать вывод, что IoT это новый, большой и быстроразвивающийся рынок, который в данный момент ещё нуждается в новых идеях и технологиях.
В промышленной отрасли этот термин получил название Промышленный Интернет Вещей (Industrial Internet of Things, IIoT).
Индустриальный (иногда Промышленный) Интернет Вещей - это сеть взаимосвязанных между собой датчиков, приборов и других устройств, предназначенных для обмена данными, с возможностью удаленного контроля и управления в автоматизированном режиме без участия человека. Такая связь позволяет осуществлять сбор данных, обмен ими и их анализ, что потенциально способствует повышению производительности и эффективности, а также другим экономическим выгодам.
В современном мире важную роль в промышленности занимает автоматизированный электропривод. Кроме этого, электропривод - это ещё и множество систем, которые участвуют в различных аспектах жизни современного человека и города.
модернизации электропривода является его
интегрирование с технологией промышленного интернета вещей. Сопряжение двух данных областей позволит использовать электропривод более эффективно и безопасно [3]. В качестве примера можно рассмотреть ситуацию, при которой автоматическая система контроля и диагностики собирает и анализирует данные с электроприводов, чтобы вовремя узнавать о поломках. Вследствие этого можно сэкономить на ремонте, так как замена полностью сломанной детали стоит намного дороже, чем вовремя сделанный ремонт. Кроме этого, поломка или вывод из строя двигателя может привести к авариям и поставить под угрозу здоровье и жизнь людей. Анализ данных о состоянии двигателей позволяет вовремя реагировать и помогает предотвратить ситуации, создающие риск жизни для рабочих.
Также индустриальный интернет вещей кардинально изменяет всю экономическую модель взаимодействия «поставщик - потребитель». Это позволяет:
• автоматизировать процесс мониторинга и управления жизненным циклом оборудования;
• организовать эффективные самооптимизирующиеся цепочки от предприятий - поставщиков до компаний - конечных потребителей;
• перейти к моделям «экономики совместного использования» и многое другое.
В наиболее продвинутых случаях индустриальный интернет вещей позволяет не только повысить качество технической поддержки оборудования с использованием развитых средств телеметрии, но и обеспечить переход к новой бизнес-модели его эксплуатации, когда оборудование оплачивается заказчиком по факту использования его функций.
Внедрение сетевого взаимодействия между машинами, оборудованием, зданиями и информационными системами, возможность осуществлять мониторинг и анализ окружающей среды, процесса производства и собственного состояния в режиме реального времени, передача функции управления и принятия решений интеллектуальным системам приводят к смене «парадигмы» технологического развития, называемой также «четвертой промышленной революцией».
Зарубежные эксперты признают интернет вещей технологией, которая вносит необратимую трансформацию в организацию современных производственных и бизнес-процессов и порождает новые бизнес-модели.
Кроме этого, технология интернета вещей в приводной технике позволит внедрить электропривода в общую систему умного города, идеи которого сейчас также активно развиваются.
В выпускной квалификационной работе ставится задача спроектировать и разработать устройство, а также создать программную среду, которая позволяет производить контроль и диагностику электропривода при помощи технологий промышленного интернета вещей. Благодаря разработанной системе, эксплуатация автоматизированного электропривода будет экономичнее и безопаснее.
В работе не ставится задача применить какой-либо конкретный метод диагностики электропривода, а создаётся среда для применения различных методов диагностики на разные виды электроприводов.
В рамках выпускного квалификационного проекта спроектировано электронное устройство для снятия параметров автоматизированного электропривода и их передачи по беспроводным сетям с помощью технологий промышленного интернета вещей. Для разработки устройства была проведён выбор элементной базы, созданы функциональная и принципиальные схемы. Итогом разработки стало проектирование печатной платы и корпуса электронного устройства.
В свою очередь для микроконтроллера ESP8266, установленного в устройство, разработана программа на языке программирования Lua.
Для создания сервиса контроля и диагностики автоматизированного электропривода использовалась среда разработки проектов интернет вещей Node-RED. С помощью данного инструмента был создан сервис, который позволяет выполнять следующие функции: учёт базы данных электроприводов, установленных на предприятии, сбор и анализ полученных данных по протолку MQTT, оценка состояния агрегатов, определение имеющихся дефектов, формирование отчётов и вывод результатов диагностики.
Для обеспечения информационной безопасности была предусмотрена система защиты данных на базе криптографических протоколов TLS и SSL.
Кроме разработанного сервиса, устройство можно подключить к SCADA- системам, которые поддерживают протокол MQTT, такие как WinCC Open Architecture, MasterSCADA 4D и другие. С каждым годом количество систем, поддерживающих протокол MQTT растёт.
Устройство может быть применено как в промышленности, так и в учебных целях для изучения новых технологий в области промышленного интернета вещей.
Для проверки качества спроектированного устройства и разработанных программ была использована методика диагностики асинхронного короткозамкнутого электропривода по результатам измерения параметров рабочего режима. В программу был добавлен алгоритм данного метода.
Внедрение разработанного устройства и программного сервиса обеспечит беспрерывный автоматический контроль за состоянием электрооборудования.
В результате этого будет сокращено количество непредвиденных случаев вывода из строя электрооборудования, приводящие к нарушению непрерывности технологических процессов с последующим браком продукции, затратам на восстановление и ремонт электродвигателей, а также на восстановление нормальных технологических процессов производства. В свою очередь внедрение системы позволит снизить до минимума ущерб от этих последствий за счет раннего обнаружения зарождающихся дефектов и повышению безопасности на производстве.
В свою очередь для микроконтроллера ESP8266, установленного в устройство, разработана программа на языке программирования Lua.
Для создания сервиса контроля и диагностики автоматизированного электропривода использовалась среда разработки проектов интернет вещей Node-RED. С помощью данного инструмента был создан сервис, который позволяет выполнять следующие функции: учёт базы данных электроприводов, установленных на предприятии, сбор и анализ полученных данных по протолку MQTT, оценка состояния агрегатов, определение имеющихся дефектов, формирование отчётов и вывод результатов диагностики.
Для обеспечения информационной безопасности была предусмотрена система защиты данных на базе криптографических протоколов TLS и SSL.
Кроме разработанного сервиса, устройство можно подключить к SCADA- системам, которые поддерживают протокол MQTT, такие как WinCC Open Architecture, MasterSCADA 4D и другие. С каждым годом количество систем, поддерживающих протокол MQTT растёт.
Устройство может быть применено как в промышленности, так и в учебных целях для изучения новых технологий в области промышленного интернета вещей.
Для проверки качества спроектированного устройства и разработанных программ была использована методика диагностики асинхронного короткозамкнутого электропривода по результатам измерения параметров рабочего режима. В программу был добавлен алгоритм данного метода.
Внедрение разработанного устройства и программного сервиса обеспечит беспрерывный автоматический контроль за состоянием электрооборудования.
В результате этого будет сокращено количество непредвиденных случаев вывода из строя электрооборудования, приводящие к нарушению непрерывности технологических процессов с последующим браком продукции, затратам на восстановление и ремонт электродвигателей, а также на восстановление нормальных технологических процессов производства. В свою очередь внедрение системы позволит снизить до минимума ущерб от этих последствий за счет раннего обнаружения зарождающихся дефектов и повышению безопасности на производстве.
