自動化儀表的遠程智慧運維系統設計

祁艷艷，田 波，徐光建，劉先振

(重慶川儀自動化股份有限公司，重慶 401121)

0 引言

隨著“中國制造2025”戰略計劃的逐步推進，我國工業生產的技術水平日新月異，行業競爭日益激烈。而傳統的工業由于人力成本高、生產效率低、安全隱患多、環境影響大等因素的影響，各行各業對生產設備自動化的要求越來越標準化。

隨著自動化技術的飛速發展，有關自動化的儀器設備被大量應用在工業生產制造上。其中，自動化儀表在電力、化工、石油等多個工業生產領域得到了廣泛應用。然而，企業生產中由于設備使用時間過長、設備老舊、操作使用方式不當等，使儀表經常遇到設備故障。儀表故障率越高，企業的生產加工進度越慢、安全隱患越大。因此，能否在第一時間解決儀表故障，有效保障作業進度及生產效益，已成為企業極為重視的問題[1-3]。

1 自動化儀表的運維管理現狀分析

隨著工業自動化水平的提升，自動化儀表的用量不斷增長，儀表故障量也不斷增多。但是自動化儀表的運維仍停留在比較原始的階段，技術手段單一，每項運維工作都需抵達現場。以重慶川儀為例，傳統的運維模式一般是：儀表出現故障后，現場的工作人員致電給該企業售后客服人員；客服人員將了解到的現場情況反映給運維管理人員；運維管理人員再派運維工程師去現場解決問題。整個運維過程周期長、成本高。儀表種類數量多、分布廣、維護人員少等問題給儀表運維管理帶來了諸多困難。與傳統的運維模式相比，基于云平臺的智慧運維系統可遠程實時監控儀表的運行情況，并及時預警，以減少故障發生率；同時，當儀表出現故障以后，技術人員可以遠程診斷解決大部分問題，小部分故障無法解決才派運維工程師去現場解決，顯著減少了去現場運維的次數和成本[4]，更加先進、安全、經濟、實用。智慧運維和傳統運維模式對比如圖1所示。

圖1 智慧運維和傳統運維模式對比示意圖

2 智慧運維系統架構設計

自動化儀表的全生命周期包含儀表產品的設計、生產、銷售、物流運輸、維修和報廢等環節。遠程智慧運維系統的設計以儀表全生命周期為核心，實現從儀表生產到現場使用的全過程監控及故障預警服務。根據儀表的具體運維情況設計的智慧運維系統主要包括數據采集、網絡傳輸、云服務器應用平臺、終端監控設備模塊。智慧運維系統架構如圖2所示。

圖2 智慧運維系統架構圖

2.1 數據采集層

曼徹斯特通信采集卡將現場儀表運行時的電流、電壓、壓力、溫度、流量等參數信息實時地傳送給通信控制器。通信控制器通過以太網將數據信息傳送到現場監控設備。現場監控設備通過無線網絡將數據傳輸到云服務器，設計方將根據數據分析進行運維管理服務。

2.2 網絡傳輸層

網絡傳輸包括:①采集層,曼徹斯特通信采集卡與壓力表等的RS-232傳輸，曼徹斯特通信采集卡與通信控制器的曼徹斯特通信傳輸，DI/DO與通信控制器的RS-485傳輸；②通信控制層，通信控制器與現場PC-HMI監控機的以太網通信傳輸；③云服務應用層，現場PC-HMI監控機與云服務器間的無線網傳輸，云服務與終端監控設備間的無線網傳輸。

2.3 云服務器應用平臺

云服務器平臺指川儀物聯網平臺，可實現數據記錄、設備監測、故障預測、網絡監控等功能。該平臺可接入企業資源管理系統、運行監控系統、售后運維系統等。

2.4 終端監控設備

終端監控設備包括通過現場局域網/廣域網連接的WEB展示、移動端展示、大屏展示等。

3 智慧運維系統功能架構設計

該遠程運維系統的功能架構如圖3所示。功能架構包含采集層、數據層、邏輯層和應用層。

圖3 智慧運維系統功能架構圖

數據采集平臺接收來自現場儀表的數據、通信數據(網絡流量數據)、人為錄入數據；采集平臺每天生成大量的數據，涉及儀表的基本信息、運維信息、服務返回信息等。利用這些數據，現場管理人員可以客觀掌握整個現場儀表的運行情況；車間管理人員可以了解儀表設備運行保養狀態、質量穩定性等專業信息。若儀表出現故障，儀表設計方可以利用這些數據分析問題，找出解決辦法。

數據層負責對現場儀表的實時運行狀態、儀表維修、保養等信息進行分類整理歸檔，保證數據的完整性、統一性，為上層業務系統提供數據支撐。

邏輯層包括運維系統的故障預測模塊、運維記錄模塊、運維評估模塊、運維決策模塊等數據應用操作服務。

應用層主要包括網絡監控、儀表數據監控、業務監控、應用監控等監控模塊，系統設置、儀表管理、報表管理、售后管理等管理模塊，以及為云平臺管理系統的用戶提供使用操作界面。

4 主要功能模塊設計

遠程智慧運維系統主要功能模塊有通信控制器模塊、智慧巡檢模塊、故障預警[5]模塊和應用軟件模塊。

4.1 通信控制器模塊設計

通信控制器運行在Linux嵌入式系統環境下，通過多路RS-485通信與多路Manchester通信采集多種類型現場儀表的數據，并進行分類整理歸檔。Manchester通信主要用于與石油探測井中的儀表通信，誤碼率較低?，F場PC監控機通過以太網通信請求通信控制器存儲的儀表數據。

4.2 智慧巡檢模塊設計

智慧巡檢[6-7]模塊分為巡檢計劃和巡檢記錄兩個子模塊。巡檢計劃模塊根據儀表的常規巡查和季度巡查、去污和防腐[8]周期制定，到了巡檢階段會周期性地智能提醒巡檢人員進行巡檢。智能提醒包括發送短信、微信、郵箱提醒。巡檢記錄為巡檢人員在正常巡檢之后，錄入到現場PC監控機。通過無線網絡將記錄傳入云服務器中，支持其他業務運作。

4.3 故障預警模塊設計

根據被監控儀表對象的正常的歷史運行數據設定閾值，確定預警門檻，結合不同的時間范圍、環境因素和儀表實時監控的性能參數等數據，運維評估模塊對其進行整理分析對比。對儀表的性能進行預測和評估，運維決策模塊對儀表的維修計劃、維修時間表、維修方案等作出決策，或者選擇向現場工作人員或者設計方售后運維人員發出故障預警。若儀表出現故障，售后運維人員可以在系統上查詢當前儀表運行狀態信息，快速定位儀表故障狀態遠程運維或者聯系客戶進行故障排查維修。

4.4 應用層軟件設計

應用層功能分為監控功能和管理功能。監控功能是對現場儀表運行狀態信息實時的監控，以便發現故障及時預警。管理功能包括圍繞儀表的維修、巡檢、預防性維護、停機等過程展開的設備管理、報表管理和運維管理。

應用層軟件設計包括現場PC-HMI監控軟件、設計方運維管理軟件、手機APP軟件等。

5 結束語

本文針對傳統儀表的運維技術手段單一、運維時間周期長、成本高等問題，結合歷史運維經驗，設計了自動化儀表的遠程智慧運維系統。該系統的故障預警功能顯著增強了現場儀表的運行安全性，可視化監控和智能化的運維實現了現場儀表數據采集與遠程運維需求，解決了因儀表地理位置分布廣、監測運維困難等問題。該系統很大程度地縮短了運維時間周期、降低了成本，給公司帶來了新的利益增長點。