基于現場采集與云服務的流量積算管理系統研究

彭勰

摘 要： 將分布式云計算技術應用于工業生產過程的監測和控制，對于提高系統的實時性、兼容性、可擴展性以及降低設備的造價和維護成本起到重要的促進作用。提出的流量積算管理系統由現場采集控制設備和云服務中心組成，其中現場采集控制設備用于采集現場設備的流量、溫度、壓力等信號，并將數據發送到云服務中心，云服務中心負責流量的集中積算、實時數據和歷史數據的存儲、Web交互展示和控制。系統實現了流量數據的分布式采集、云端集中積算、數據統一存儲、Web交互展示和控制等功能，滿足生產現場對流量數據統一管理的需求，同時為擴展其他應用模式提供了成熟可用的架構模型和基礎。

關鍵詞： 流量積算； 分布式系統； 云服務； 嵌入式系統； Web

中圖分類號： TN919?34； TP273.5 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）01?0104?04

Abstract： The distributed cloud computing technology is applied to the monitoring and control of the industrial production process， which plays the significant auxo?action to improve the system real?time performance， compatibility and scalability， and reduce the device cost and maintenance expense. The flow integrating management system is composed of the field acquisition control device and cloud service center. The field acquisition control device is used to collect the flow， temperature and pressure signals of the field acquisition device， and send the data to the cloud service center. The cloud service center takes charge of the flow centralizing integrating， real?time data and historical data storage， Web interactive exhibition and control. The system realizes the functions of flow data distributed collection， centralizing integrating in the cloud terminal， data unified storage， Web interactive exhibition and control， satisfies the requirement of work site for flow data unified management， and provides the mature and available architecture model and foundation for the expansion of other application models.

Keywords： flow integrating； distributed system； cloud service； embedded system； Web

0 引 言

長期以來，流量的計量一直是計量工作中的重點和難點，直接影響著企業運行的穩定和企業成本的控制。隨著能源計量網絡的不斷完善和發展，對流量的計量提出了新要求。由于工業控制對參數的采集精度和控制的復雜程度要求越來越高，并且工業現場環境存在一定的不確定性、多變且比較惡劣，再加上現場操作工人的技術水平不夠高，這就對流量積算的性能提出了更高的要求。

為了避免供能單位和用戶之間可能存在的計量偏差，除了選擇合理的現場流量計外，同時也需要配備性能優異并符合目前智能化、網絡化要求的流量積算設備，這樣才能組成完善的流量計量系統。因此，將云計算和物聯網的概念和模型引入流量積算系統，設計一種基于分布式數據采集網絡的流量積算云服務系統，能夠極大地調高流量數據的傳輸效率，簡化流量檢測系統的復雜程度，提高系統的穩定性和可靠性，并且使對流量的監測和控制變得更加簡單和方便，提高整個測量系統的信息化水平。

1 分布式流量積算云服務系統的設計

1.1 系統架構

分布式流量積算云服務系統以生產過程流量測量特性及管理體系作為設計依據，以分布式系統結構為基礎，以云端統一積算和管理為支撐，并結合船舶企業實際計量網絡、檢測設備狀況、硬件環境等實際情況設計系統的總體架構。

分布式流量積算云服務系統的總體架構分為兩部分，包括分布式采集監控設備和云服務中心。

（1） 分布式采集監控設備：采用北京世紀聯信公司研制的分布式實時數據服務器（Distributed I/O Server）和嵌入式遠程終端服務器（Remote Terminal Server，RTS）作為數據采集監控設備，通過分布式網絡結構實現對硬件設備、計量儀表（流量計、溫度傳感器、壓力傳感器等）實時數據的采集、存儲、匯總、推送、統一流量積算功能，并通過Web方式對外提供數據監視、服務器配置功能。

（2） 云服務中心：云服務中心建立在互聯網云端的高性能服務器上，服務器可由用戶自己架設或者購買、租用第三方的通用云服務器，即采用IaaS或者PaaS云服務模式。云服務中心由流量補償與積算模塊、云數據中心和云顯控平臺組成。其中流量補償與積算模塊負責流量積算與補償的計算；云數據中心負責實時流量數據和歷史流量數據的存儲和歸檔；云顯控平臺負責向接入云中的各種終端設備用戶提供B/S（瀏覽器/服務器）架構的Web顯示界面，用于監控當前的運行狀況和實時、歷史數據[1]。

1.2 分布式實時數據服務器

分布式實時數據服務器將網關、RTU、生產數據庫、OPC通信接口、數據接口、防火墻、控制算法、計算模型等軟硬件集成在一起，部署在車間等工業現場，直接和間接地采集現場儀表的實時數據。分布式實時數據服務器結構如圖1所示。

分布式實時數據服務器提供了符合生產現場標準規范的各種接口，用于采集現場儀表的實時數據、監視現場設備的運行狀態以及向現場設備和執行機構發送控制命令。其接口包括A/D模擬量采集、D/A模擬控制信號輸出、I/O開關量監測與控制和RS 485，RS 422等串行總線接口[2]。

服務器內部建立了工業實時數據庫，用于存放實時和歷史數據。數據采集單元將采集的現場數據實時存入工業實時數據庫中，使數據庫中的數據一直保持更新。服務器向上通過以太網連接至云端，并將數據庫中的實時數據推送至云端[3]。同時內建的WebServer能夠使用戶通過瀏覽器直接訪問分布式實時數據服務器，查看實時數據和服務器的配置信息。

1.3 系統通信方式

1.3.1 分布式數據采集系統通信方式

分布式實時數據服務器對外提供24路RS 485通信接口，能夠完全滿足生產現場的局部需求。嵌入式遠程終端服務器可以作為一個設備接入RS 485總線，接線方式如圖2所示。在此種連接情況下，需要保證串口波特率匹配，并且設備ID號不沖突[4]。

通過A/D模擬信號采集接口可以采集現場的4～20 mA以及1～5 V的標準信號，并通過配置工程量將轉換后的數字信號處理為對應的工程參數。

通過D/A輸出控制信號可以對現場執行機構進行控制，如控制電磁閥的開度用以調節流量的大小，通過工程量的配置同樣可以按照實際工程參數輸出對執行機構進行控制。

通過I/O接口可以讀取現場設備的開關量狀態，同時也可以輸出開關量來控制現場設備的開關。

1.3.2 云服務中心通信方式

分布式數據采集設備之間以工業以太網相互連接，形成覆蓋全廠的工業環網，并通過Internet連接至云服務中心。為保證數據的實時性、安全性和可靠性，云服務中心通過TCP/IP協議與現場設備進行實時通信。

2 流量積算云服務的設計

2.1 流量補償與積算模塊

流量補償與積算模塊是一個對各種液體、蒸汽、天然氣、一般氣體進行自動補償流量積算的軟件，與SCADA系統或其他信息系統交換數據。流量補償與積算模塊可以替代傳統硬件流量積算儀，實現更為精確的流量補償算法，獲得更為豐富的過程數據，解決了傳統硬件流量積算儀安裝分散不宜維護，參數設定繁瑣不宜操作，積算功能簡單且數據不宜共享等問題，從而提高積算精度，降低維護成本和維護強度，提升生產過程的自動化和信息化水平[8]。

2.2 云顯控平臺

云顯控平臺的功能如圖3所示，一方面云顯控平臺通過訪問實時數據庫和歸檔數據庫，從云數據中心中讀取實時和歷史數據，將數據顯示在用戶頁面上；另一方面云顯控平臺將用戶在頁面上下達的控制命令通過Socket（套接字）連接傳遞給對應的現場設備（如分布式實時數據服務器），從而實現用戶在云端對工業現場的精確控制。

3 系統的實現

3.1 數據采集

采集現場儀表的測量數據是分布式實時數據服務器的主要功能，而數據采集輪詢線程則是實現周期性數據采集的核心，包括采集周期控制線程與數據采集線程兩部分。周期性控制線程的功能是按照用戶設定的周期循環觸發數據采集線程，由Timer類和同步事件DeviceUnit.AutoResetEvent組成。DATimer類的具體描述見表1。

3.2 與云端通信接口

分布式實時數據服務器通過云端接口服務程序與客戶端（即云服務中心）進行通信。云端接口服務程序實現分布式實時數據服務器對外統一的數據發布和交互，并包含接口管理功能，其工作流程如圖4所示。由圖4可知，云端接口服務程序具有連接確認、實時數據發布、接收控制指令、其他記錄等四項功能，其具體實現流程如下：

（1） 連接確認：確認客戶端（云服務中心）是否是授權客戶，確認后建立連接。

（2） 實時數據發布：由客戶端提出實時數據請求列表，接口服務程序根據請求的參數與實時數據清單，對該客戶端周期性發布實時數據。

（3） 接收控制指令：接口服務程序接收客戶端發送的控制指令后，對遠程設備進行控制，并向該客戶端反饋控制結果。

（4） 其他：包括記錄接口配置和接口服務日志。

3.3 嵌入式遠程終端服務器

3.3.1 界面的實現

使用HTML+CSS的網頁制作方法，開發出一套制作符合嵌入式遠程終端服務器功能應用的Web頁面，主頁面如圖5所示。由主界面的導航欄功能菜單可知，通過Web交互，用戶能夠查看遠程終端服務器采集的實時數據以及控制端口的輸出狀態，能夠控制D/A以及I/O輸出端口的輸出，同時能夠對工程量和遠程終端服務器的通信端口的參數進行配置，并能夠查看這些參數的配置信息。

3.3.2 CGI通信接口

在嵌入式遠程終端服務器的B/S模式中，瀏覽器和Web服務器之間的通信通過CGI接口實現。

CGI接口的定義如下：

HTTPD_CGI_CALL（name， "TAG"， function）；

其中name是該接口的名稱；“TAG”是調用該接口的標識符；function是調用該接口后進入的接口函數。

3.3.3 實時數據采集

嵌入式遠程終端服務器能夠實時采集A/D采樣值和I/O輸入狀態。實時數據采集在系統的定時中斷中完成。為保證實時性，嵌入式遠程終端服務器的定時中斷周期設置為10 ms。

3.3.4 數據實時顯示和刷新

（1） 實時顯示

采集到的A/D和I/O輸入的實時數據以及D/A輸出和I/O輸出狀態將在實時顯示頁面中顯示，供用戶監測，遠程終端服務器采集到的實時數據通過在CGI接口函數中使用snprintf（）函數將數據以HTML代碼的形式添加到HTML頁面文件中，然后將HTML文件傳輸給客戶端，在用戶瀏覽器中顯示出來。

（2） 實時刷新

為保證刷新頻率的實時性以及良好的頁面顯示效果，嵌入式遠程終端服務器數據實時顯示頁面的刷新使用AJAX與CGI相結合的技術。數據實時顯示頁面通過在后臺運行的Javascript腳本中使用AJAX方式，周期性地異步訪問專門的數據頁面，并將該數據頁面的內容顯示在實時顯示頁面中，從而達到實時刷新的效果。

4 云服務中心

云顯控平臺的實質是一個云端Web服務器，用來向用戶顯示實時過程數據，并將用戶的控制命令發送給現場相應的分布式采集監控設備，從而驅動執行機構執行用戶命令。

云顯控平臺與用戶的交互通過多種多樣的Web顯示界面完成，包括數據表格、二維平面流程圖、3D動態虛擬現實技術等，通過先進的Web前端技術可以制作出逼真、漂亮的用戶界面和友好、自然的交互方式，并針對不同的用戶對象（如現場工人、現場工程師、中控室、企業管理者、能源供給商等）制作多種不同的界面，顯示各方面的實時信息，傳達不同方面的控制命令，使生產和管理更具針對性，提高生產和管理的效率和信息化水平。云顯控平臺示例頁面見圖6。

在流量監控頁面中，用戶可以看到生產現場閥門的開度信息，以及該閥門所在管道的溫度、壓力、瞬時流量和累積流量。同時，用戶還能夠通過滑動閥門右側的滾動條調節閥門的開度大小，從而達到調節流量的目的。

5 結 論

本文設計的分布式流量積算云服務系統由現場采集控制設備和云服務中心組成，通過XML格式的TCP通信實現流量數據和控制命令的傳遞。現場采集控制設備包括分布式實時數據服務器和嵌入式遠程終端服務器，用于采集現場設備的流量、溫度、壓力等信號，并將數據發送到云服務中心。

本文設計的分布式流量積算云服務系統采用當前IT領域最前沿的分布式云服務系統模型，將其運用到流量積算的工業應用中來，實現了流量數據的分布式采集、云端集中積算、數據統一存儲和展示。分布式實時數據服務器和嵌入式遠程終端服務器提供了豐富的現場總線接口，能夠實現對絕大多數現場儀器儀表的數據采集和控制。基于B/S架構的云顯控平臺能夠針對不同的用戶定制不同的顯示頁面，包括數據表、二維流程圖和3D實景效果等，展示效果豐富，用戶針對性強。

參考文獻

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