邊緣計算在電機監(jiān)控系統(tǒng)中的實現(xiàn)

文/徐寒

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷向工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)擴展。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是以工業(yè)系統(tǒng)為中心的基于互聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)、信息、網(wǎng)絡(luò)、人機結(jié)合的融合技術(shù)，而工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是其向邊緣裝置的深入發(fā)展。

當(dāng)前廣泛使用的云計算模型是一種集中式的數(shù)據(jù)處理，要求所有的設(shè)備數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆品?wù)器，通過計算中心對數(shù)據(jù)的分析，管理者不僅可以方便地獲取設(shè)備實時運行狀態(tài)，也可獲得預(yù)測性的設(shè)備評估及維護(hù)建議。然而，面對大量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及數(shù)據(jù)，云計算模型逐漸顯露出了其在實時性、網(wǎng)絡(luò)制約、資源開銷和隱私保護(hù)上的不足。

邊緣計算是一種新型的計算模型，其在靠近設(shè)備數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣，為設(shè)備提供智能服務(wù)。相較于云計算模型，其可以實現(xiàn)對工業(yè)邊緣設(shè)備大數(shù)據(jù)的實時處理，減少了因數(shù)據(jù)傳輸給云計算中心帶來的網(wǎng)絡(luò)帶寬問題和實時需求，且邊緣計算能夠考慮到邊緣數(shù)據(jù)的安全隱私問題及數(shù)據(jù)上傳時邊緣設(shè)備電能損耗問題。

基于已運行的電機監(jiān)控系統(tǒng)，本文采用智能網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)邊緣計算，使得數(shù)據(jù)在設(shè)備側(cè)就能得到有效及時處理，在滿足用戶需求的前提下，有效減少上傳數(shù)據(jù)量，降低云計算中心的負(fù)荷。

1 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

如圖1所示，基于物聯(lián)網(wǎng)的低壓電機監(jiān)控系統(tǒng)主要由云計算中心、邊緣網(wǎng)關(guān)和電機控制器構(gòu)成。

為保證工業(yè)生產(chǎn)過程中電機的正常工作，電機控制器通過對電機電流、電壓、功率和溫度的監(jiān)測來進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)電機工作異常時，根據(jù)嚴(yán)重程度告警。如遇故障時，電機控制器將直接控制繼電器以中斷電機供電，強制停機。

電機控制器支持Modbus TCP 現(xiàn)場總線協(xié)議，通過邊緣網(wǎng)關(guān)接入工業(yè)以太網(wǎng)和云計算中心。邊緣網(wǎng)關(guān)是基于邊緣計算的智能網(wǎng)關(guān)，對電機產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和分析，并將分析結(jié)果推送到云計算中心。遠(yuǎn)程用戶可通過移動通信設(shè)備連接云計算中心，查詢工廠生產(chǎn)過程中的電機工作概況。

在工廠專用局域網(wǎng)中，本地用戶可通過基于Web Server 的人機交互終端，查詢電機詳細(xì)的運行狀態(tài)，也可以控制電機的啟動或停止。并且，電機控制器中的電機保護(hù)功能參數(shù)設(shè)置、固件在線升級等，也可通過人機交互終端完成。

1.1 電機控制器設(shè)計

1.1.1 硬件設(shè)計

如圖2所示，電機控制器硬件由電機監(jiān)測模塊、中央控制器、電機控制模塊、通信模塊和I/O 模塊組成。

電機監(jiān)測模塊通過電流互感器、溫度傳感器等采集電機的電流、電壓、頻率及溫度，由AD 轉(zhuǎn)換芯片將采集的模擬信號，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并輸出給中央控制器。

中央控制器采用ARM7TDMI 主控芯片（32 位RISC 處理器），具有13 個DMA 通道，16 個可編程GPIO。根據(jù)電機監(jiān)測模塊輸入的相電流、相/線電壓、有功/無功/視在功率、頻率，中央控制器計算電機相關(guān)的功率因數(shù)、已用電度、電機運行時間、電機起停次數(shù)等。這些測量及計算值表征了電機當(dāng)前的運行狀態(tài)，并作為電機保護(hù)功能的輸入進(jìn)行評估。

電機控制模塊通過控制繼電器的閉合或斷開，來控制低壓斷路器的合閘或分閘，以接通或分?jǐn)嚯姍C的供電。必要時，根據(jù)中央控制器保護(hù)功能評估，在電機將要故障時，彈開繼電器觸點，斷開電機供電以強制電機停止。

通信模塊支持Modbus TCP 現(xiàn)場總線協(xié)議，作為從設(shè)備可接入標(biāo)準(zhǔn)的Modbus TCP 現(xiàn)場總線并與主設(shè)備建立通信。

I/O 模塊支持DC24V 及AC220V 的電平輸入及輸出信號，用于現(xiàn)場生產(chǎn)過程與中央控制器的交互，以使電機控制器配合現(xiàn)場生產(chǎn)的過程控制。

圖1：基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的電機監(jiān)控系統(tǒng)

圖2：電機監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1.2 軟件設(shè)計

對于電機控制器而言，當(dāng)電機運行異常時，應(yīng)及時給出告警。在電機故障時，為避免事故發(fā)生，從安全角度出發(fā)，電機控制器應(yīng)立即控制繼電器斷開，以脫扣斷路器，及時切斷電機供電（強制停機），待故障排除后再閉合繼電器供電。

為保證工業(yè)現(xiàn)場保護(hù)裝置的選擇性，要求負(fù)載側(cè)的電機控制器從檢測運行故障，經(jīng)電機保護(hù)功能評估，到控制繼電器斷開電機供電，系統(tǒng)損耗時間必須在300ms 以內(nèi)。電機控制器軟件流程如圖3所示。

綜合考慮主控芯片的運算能力和保護(hù)功能評估的任務(wù)量，電機控制器軟件系統(tǒng)以20ms 為一時間片不斷循環(huán)監(jiān)控，系統(tǒng)各部分耗時如下：

（1）電機監(jiān)測模塊更新測量值，由于各種傳感器采樣速率不同，最長需時180ms；

（2）系統(tǒng)取得更新的測量值，需時20ms；

（3）保護(hù)功能（過載保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、缺相保護(hù)、相不平衡保護(hù)、空載保護(hù)、低電壓保護(hù)等）評估，需時20ms；

圖3：電機監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程

圖4：邊緣網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)流圖

（4）電機控制模塊動作，最長需時60ms。

系統(tǒng)確保在300ms 內(nèi)對電機故障及時停機，避免可能存在的過載電流對電機及連接處產(chǎn)生的熱效應(yīng)及機械力損害。

1.2 邊緣計算

為實現(xiàn)邊緣計算，在接近設(shè)備數(shù)據(jù)源側(cè)引入了邊緣網(wǎng)關(guān)，將邊緣電機設(shè)備接入云計算中心。

如圖4所示，邊緣網(wǎng)關(guān)是基于邊緣計算的智能網(wǎng)關(guān)。它是一臺工業(yè)計算機，使用SSD硬盤存儲歷史數(shù)據(jù)，并且內(nèi)置UPS 以防止電源異常時的數(shù)據(jù)丟失。其主要任務(wù)是存儲電機數(shù)據(jù)、實現(xiàn)設(shè)備的實時控制及評估設(shè)備的健康狀態(tài)。

電機數(shù)據(jù)：包括電流、電壓、溫度等測量值，電機運行時間、起停次數(shù)等運維數(shù)據(jù)，以及電機狀態(tài)等實時數(shù)據(jù)。邊緣網(wǎng)關(guān)每秒讀取一次數(shù)據(jù)，并存儲。每臺電機控制器約有200 字節(jié)數(shù)據(jù)，鑒于硬盤的存儲空間和數(shù)據(jù)的存儲速度，邊緣網(wǎng)關(guān)最多可連接1000 臺設(shè)備，數(shù)據(jù)存儲有效期2年。

圖5：邊緣網(wǎng)關(guān)本地用戶終端

圖6：云計算中心遠(yuǎn)程用戶終端

實時控制：邊緣網(wǎng)關(guān)提供基于Web 的接口，以支持工業(yè)以太網(wǎng)。人機交互終端可接入工廠專用局域網(wǎng)中，本地用戶不僅可查看工廠生產(chǎn)過程中詳細(xì)的電機工作情況，而且可根據(jù)需要實時控制電機的起停。

評估健康狀態(tài)：由邊緣網(wǎng)關(guān)維護(hù)的運算中心，根據(jù)電機數(shù)據(jù)的權(quán)重及歷史趨勢，評估電機設(shè)備的健康狀態(tài)。以100 分為健康，80 分到20 分按告警嚴(yán)重程度遞減，20 分以下為故障。例如，電機運行時間，其權(quán)重在健康狀態(tài)評估中占5%，隨著電機運行時間的逐步增加直至報廢，其所占評估分?jǐn)?shù)由5 分逐步減少直至0 分。邊緣網(wǎng)關(guān)只將改變的健康狀態(tài)推送至云計算中心，減少了數(shù)據(jù)傳輸耗費的帶寬，緩解了云計算中心的壓力。

此外，云計算中心采用微軟的Azure，其IoT Hub 與邊緣網(wǎng)關(guān)通過MQTT 協(xié)議連接。邊緣網(wǎng)關(guān)儲存實際的電機數(shù)據(jù)，只將每一個電機的健康狀態(tài)（少于10 個字節(jié)的評估值）推送給云計算中心，既滿足了工廠運維人員可通過任何移動通信設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)并訪問工廠設(shè)備概況的需求，同時也保護(hù)了數(shù)據(jù)的安全和隱私。

2 實驗驗證

在完成系統(tǒng)設(shè)計后，對本系統(tǒng)進(jìn)行測試。在實驗室環(huán)境下搭建100 臺電機控制器，通過Modbus TCP 連接到邊緣網(wǎng)關(guān)，電機控制器采用模擬測試模式。工作在此模式下，電機控制器不需要連接實際電機，就可模擬電機運行數(shù)據(jù)。

部署云計算中心，微軟Azure 的IoT Hub與邊緣網(wǎng)關(guān)通過MQTT 協(xié)議連接。

邊緣網(wǎng)關(guān)每秒同步電機控制器數(shù)據(jù)，耗費帶寬大約為20Kbps，運算中心對其數(shù)據(jù)存儲并進(jìn)行評估，只將變化的健康狀態(tài)推送至云計算中心，耗費帶寬最大僅為1Kbps，大幅減少了上傳數(shù)據(jù)對云計算中心的壓力。

工廠內(nèi)本地用戶可通過人機交互終端查看電機數(shù)據(jù)，也可控制電機起動或停止。左側(cè)欄顯示電機運行狀態(tài)，中間顯示電機相關(guān)測量數(shù)據(jù)，右側(cè)欄顯示電機運維信息。如圖5所示。

遠(yuǎn)程用戶可通過手機連接云計算中心，查看工廠電機的健康狀態(tài)。如圖6所示。

3 結(jié)語

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)發(fā)展的趨勢，在面對大量邊緣設(shè)備集成時，邊緣計算提供了一種有效的方式，以平衡邊緣數(shù)據(jù)處理與云計算中心服務(wù)。

本文采用智能網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)邊緣計算，既存儲分析工業(yè)現(xiàn)場低壓設(shè)備數(shù)據(jù)，提供實時控制，同時只將少量分析結(jié)果推送至云計算中心。實驗結(jié)果表明，本文系統(tǒng)大幅減少了邊緣設(shè)備的上傳數(shù)據(jù)，降低了云計算中心的負(fù)荷，滿足了本地和遠(yuǎn)程用戶的需求。