石油鉆井機械預測性維修APP
一、企業簡介
寄云科技是專注用先進技術結合行業經驗，推動產業升級的工業互聯網平臺廠商。利用云計算、大數據和物聯網技術，致力于為企業提供全套IT+OT的解決方案，幫助傳統的企業實現數字化轉型，提高核心競爭力。
寄云科技開發了國內首個世界級的工業互聯網平臺，創造性的將工業設備、邊緣計算、物聯網、大數據以及云計算等先進技術緊密結合在一起，為工業企業提供從傳感器數據采集、實時數據存儲和轉換、設備遠程監控和告警，到工業大數據的深度處理和分析等多維度的服務，為客戶提供包括故障診斷、故障分析和預測、可靠性分析、產線優化乃至產能提升等全方位的解決方案。寄云NeuSeer工業互聯網平臺通過了《工業互聯網平臺可信服務評估評測》。
寄云科技已為多個世界500強客戶提供了專業的服務，涵蓋軌道交通、電力能源、航空航天以及健康醫療等各個行業，深得業界贊譽。
二、工業APP簡介
（一）、問題定位
石油生產的連續性生產要求對石油裝備的非計劃停機提出了非常高的要求，需要通過各種實時監控、定期的計劃性維修和不定期的視情維修，對設備進行有效的維護，避免由于設備的無計劃停機造成巨大的損失。由于鉆井平臺的復雜設備，如何做一個邊緣監測方案，把所有的數據都收集起來統一分析，而不是像原來那樣，需要很多專家到現場逐點查看，這成為設備供應急需解決的首要問題之一。
石油鉆井機械預測性維修APP以鉆井機械的關鍵設備為實時監測對象，實現設備各類參數的網絡化遠程在線監測、智能告警，基于設備實時數據實現預測性維修，提供故障知識庫幫助客戶提高故障診斷效率，實現運維經驗的沉淀。如何在工業大數據及工業物聯網技術發展的浪潮中，通過數字化的手段實現設備軟性價值的增長點，是本APP考慮的問題之一。
（二）、創新點
基于寄云NeuSeer平臺提供的從數據采集、數據處理和存儲、數據分析和建模以及應用開發的能力，寄云科技為石油機械機設計了預測性維修，智能告警的方案。本APP有如下特點：
1、移動端支持：寄云科技為客戶開發了支持Android和iOS的移動客戶端，實現基于手機和平板的設備狀態的實時監控以及專家的音視頻支持。
2、實時的設備監控：在移動客戶端上顯示所有設備的位置、關鍵運行狀態參數、關鍵參數的趨勢曲線、具備關鍵參數的報警和故障預警消息推送功能，并支持維保信息錄入、現場拍照回傳功能。
3、專家支持系統：為了方便專家通過遠程的方式實現對設備故障的定位和診斷，寄云科技還開發了基于手機App的音視頻協同及視頻涂鴉功能模塊，提供至少5方的互動通道，實現現場與后端專家的音視頻互動，幫助專家通過圖像、視頻的方式了解現場情況，指導現場人員快速實現故障診斷和恢復。
4、RFID及二維碼掃描系統：寄云科技為客戶提供防爆識別終端，支持RFID及二維碼掃描功能。
（三）、功能介紹
本APP主要功能如下：
1、預測性維修：基于設備采集的傳感器歷史數據，構建部件的性能預測模型，并對維修計劃的維修間隔、維修部件以及備品備件的管理策略進行調整。結合智能告警和故障管理各類設備運行告警和故障，本APP能及時分析出現故障設備所需要進行維護的優先級，并自動反饋到不同時間的維修計劃中。
2、智能告警：基于寄云NeuSeer智能運維框架，可以為用戶提供設定的固定閾值或者基于模型構建的殘差閾值，實現智能的告警，給出告警相關的信號特征，并記錄告警確認、處理和關閉的記錄。基于故障知識庫支撐，可以構建復雜的根源告警處理策略，從而自動化的完成根源告警確認，減少人工判斷用時，加快故障處理的速度。
3、狀態監測：基于寄云NeuSeer網關采集的實時數據，構建設備的元數據模型，并定義相應的關鍵指標，構建實時的監控和歷史數據的查詢功能。基于設備專用的健康模型可以迅速的分析設備的實時數據，及時將設備運行的指數分析、穩定性分析以及趨勢分析，以多種形式展現出來，使用戶可以徹底擺脫從大量指標數據自行分析設備運行狀態的局面。
4、故障輔助診斷：包括故障知識庫開發、自動推薦和匹配故障類型原因等功能，實現基于實時運行參數和運行狀態的各個監測設備故障報警模型，對采集回來的運行參數和運行狀態進行實時分析，發現異常情況及時生成報警信息，并通過郵件、短信等方式通知用戶。
5、鉆機設備健康報告：通過后臺的管理人員、專家對設備參數進行分析和診斷，實現對設備健康狀況的評估，將分析診斷的結果以及發現的故障信息通知鉆井現場，指導現場正確使用維護好設備。同時后臺的管理人員還可以通過該系統實現對鉆機檔案數據的錄入和存檔。主要包括設備概述、各單元設備檢查結果、維護保養建議、附件等內容。
6、統計分析：
運行數據：生產作業分析、能耗分析、運行情況分析、運行效率分析。
異常事件：運行狀態異常分析、運行數據異常分析、維護狀態異常分析。
維護記錄：故障根源分析、故障次數分析、故障頻次分析、故障分布分析。
關鍵績效(KPI)：包括維護效率、維護費用、利用率、故障率、完好率、平均無故障時間、平均故障修復時間、壽命周期成本等。
7、歷史數據存儲和查詢：為采集的數據提供長期的、多維度的時序數據的存儲和擴展能力，方便應用系統通過開放的API接口，對數據進行受限的訪問。
8、故障管理：對于設備產生的告警，實現完整的告警經確認轉故障的記錄，給出專家對告警的描述信息，并提供記錄告警特征的功能。在實時的告警處理中，基于告警代碼和關鍵字，自動匹配故障特征。
9、故障知識庫開發：在故障處理完成后，經過對由告警確認為故障以及故障處理方案分析，可以將其重要的特征表象輸入到故障知識庫中，同時支撐開發新的告警策略，以便自動化完成根源告警分析、自動故障產生，進而實現部分自動故障恢復操作，最大化的提高排障效率。
10、振動分析：通過集成專業的振動信號分析系統，實現高頻信號的遠程維護，專家會診，從不同的維護觀測設備，振動信號分析軟件包含包括趨勢曲線監測、棒圖監測、時頻分析、頻譜分析、包絡分析、窗口傅里葉變換、小波分析、提純重構、時域平均等功能。
11、計劃性維修和維修管理：提供了對日常維修維護工作的全面支撐，可以快速的完成維修維護計劃的生成和設備維修維護記錄的保存。
（四）、功能和技術指標優勢
1、每秒上傳數據點數，描述單個MQTT服務同時支持上千臺設備每秒上傳上萬個數據點，并且可以擴展。
2、同時處理告警規則數，每秒可以處理上千條以上規則，規則包括模型預測和閾值設置規則。
3、模型預測，同時支持上千個以上的模型同時運行，每秒支持處理上千臺設備的預測告警。
三、技術方案說明
（一）、工業APP架構
石油鉆井機械預測性維修APP是寄云科技基于中油瑞飛物聯網平臺和寄云NeuSeer工業互聯網平臺上提供的從數據采集、數據處理和存儲、數據分析和建模以及應用開發的能力進行開發的。
圖1 石油鉆機預測性維修APP架構圖
通過寄云NeuSeer Edge工業網關，從鉆機集成控制系統、鉆井儀表、電氣傳動PLC控制站以及新增的各種狀態傳感器等控制系統和傳感器中，通過OPC UA、ModBus、CAN、Profibus/Profinet等通信接口，讀取鉆井工藝參數、設備運行參數、運維管理參數等信息，通過MQTT發送到物聯網平臺。
邊緣測一體機先對數據進行預處理，再進行緩存和歸檔，最后上傳至物聯網，上傳至物聯網應支持數據加密解密、壓縮解壓縮、斷點續傳等功能。現場可實現數據的傳輸、Wifi路由及遠程調試等多個子功能。
寄云科技提供的數據采集方案通過二層交換機結構，有效的提升了網絡的物理安全問題。
同時，針對各種現場處理日志、記錄，提供統一的數據格式和預處理標準，將采集的數據歸檔并回傳至物聯網平臺。
（二）、工業APP關鍵技術
本工業APP采用多項工業互聯網核心技術，包括物聯網技術、云計算技術、時序數據庫技術、大數據分析技術、機器學習、人工智能以及微服務交付技術為核心技術手段，通過“搭積木”的方式實現鉆機遠程監測和預測性維修應用。
四、應用情況描述
（一）、應用場景描述
本APP應用于油氣鉆井裝備行業，主要實現以下功能：鉆機在線監測、預測性維護與故障診斷服務、銷售在外配件庫的查詢及鉆機檔案查詢等功能。
圖12 產品應用配置圖
（二）、商業化情況
本APP主要應用于石油石化領域，已在寶雞石油機械有限責任公司應用，寶雞石油機械有限責任公司是中石油下屬全資子公司，經營范圍包括油氣勘探設備、油氣鉆采設備及工具、配件的研發、設計、制造、銷售與服務等。
本APP投入使用后對鉆機設備廠商在服務效率、服務質量等方面有顯著的提升，具體包括如下幾個方面：
1、降低設備故障率：通過實時監控和數據分析能夠及時發現設備異常情況，降低設備故障率。
2、降低維修成本：基于歷史數據構建部件的性能預測模型，極大的提高了維修維護的效果，降低了維修成本。
3、提高響應速度：通過遠程音視頻系統提高了響應速度和準確性。
4、創新服務模式：通過遠程運維系統把賣設備變成賣服務的持續盈利能力模式。
圖13 石油鉆機預測性維修APP效果展示圖
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