基于云平臺的遠程診斷與在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)研究

岑 曦

（百色職業(yè)學(xué)院 廣西 百色 533000）

1 引言

現(xiàn)如今越來越多的行業(yè)走向了智能化，而大數(shù)據(jù)時代的來臨使得智能化的產(chǎn)業(yè)在生產(chǎn)經(jīng)營中產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)測、處理等也受到了重點關(guān)注。以往的設(shè)備管理工作多由內(nèi)部人員執(zhí)行，可能會導(dǎo)致重復(fù)性建設(shè)等問題，而且很多企業(yè)數(shù)據(jù)都具有一定的不連續(xù)性特征，信息孤島或信息資源浪費等問題較為嚴重。對此，如何充分利用數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)設(shè)備的智能化運行、維修、管理則成為了企業(yè)智能化建設(shè)中需要解決的大問題。互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)與現(xiàn)代制造領(lǐng)域的充分融合，使得基于云平臺的遠程診斷、監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)成為了可能，而且設(shè)備的全生命周期管理、上下游企業(yè)一體化協(xié)作等也獲得了更有利的條件。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

2.1 整體架構(gòu)

鉆機遠程狀態(tài)監(jiān)測與監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)為企業(yè)統(tǒng)一制定的云存儲平臺架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備廠家和企業(yè)、作業(yè)現(xiàn)場3方面的互聯(lián)，實現(xiàn)多方資源的全方位整合。系統(tǒng)架構(gòu)圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

2.1.1 鉆機現(xiàn)場采集子系統(tǒng)

鉆機的構(gòu)成有鉆井泵、絞車等構(gòu)成，其中若鉆機的自動化水平較高，那么還會配備一些管柱自動化處理設(shè)備。這些結(jié)構(gòu)的操作與狀態(tài)信息數(shù)據(jù)多來自于電控PLC系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對現(xiàn)場設(shè)備運作信息進行統(tǒng)一化采集，之后進行信息的預(yù)處理歸檔[1]。

2.1.2 數(shù)據(jù)傳輸與存儲子系統(tǒng)

該系統(tǒng)利用移動互聯(lián)網(wǎng)及衛(wèi)星進行信息的自動化傳輸，但需要現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)條件較為穩(wěn)定，比如4G、5G網(wǎng)絡(luò)等，確保數(shù)據(jù)上傳速度。

2.1.3 云數(shù)據(jù)中心

云數(shù)據(jù)中心是該系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)成，負責(zé)數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理等。云數(shù)據(jù)中心借助云服務(wù)器高效的數(shù)據(jù)處理能力和存儲、共享等優(yōu)勢，相較于以往的獨立服務(wù)器更加穩(wěn)定和高效。

2.1.4 客戶端用戶

客戶端用戶主要包含企業(yè)用戶監(jiān)測客戶端和鉆機遠程監(jiān)測服務(wù)中心等，這些都是數(shù)據(jù)分析結(jié)果的使用者，也能夠根據(jù)系統(tǒng)分析情況對設(shè)備管理提出有關(guān)意見。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成部分分析

2.2.1 裝備物聯(lián)遠傳和協(xié)調(diào)器

物聯(lián)遠傳和協(xié)調(diào)器具有故障診斷和動態(tài)化監(jiān)測等功能，能夠直接與變頻器、伺服控制器等進行連接，從而在許多環(huán)境下都能保持穩(wěn)定的通信要求。該遠程診斷器還支持4G/5G網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi、GPRS等通信模塊，而數(shù)據(jù)傳輸則選擇TCP/IP協(xié)議，通過透傳、XML協(xié)議等方法將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器中，其功能性如下：（1）信息自感知功能。裝備物聯(lián)遠傳及協(xié)調(diào)器后，可以實現(xiàn)不間斷的在線監(jiān)測服務(wù)，能夠同時連接多個傳感器，利用設(shè)備中預(yù)設(shè)的傳感器采集裝備將設(shè)備的受力信息、油液信息、振動信息進行收集和傳輸，對設(shè)備實現(xiàn)自動化的感知和監(jiān)控。（2）故障的診斷與處理功能。基于云平臺的大數(shù)據(jù)加工服務(wù)系統(tǒng)來挖掘信息，實現(xiàn)設(shè)備故障的診斷與處理。如結(jié)合安全值范圍知識，若收集到的信息接近預(yù)設(shè)值范圍，那么物聯(lián)遠傳和協(xié)調(diào)器則可以根據(jù)預(yù)先擬定的解決方案調(diào)整系統(tǒng)的運行狀態(tài)。若收集到的信息超出安全值，那么會立刻發(fā)送警報信息，幫助技術(shù)人員進行及時處理解決。（3）多模塊選裝。該設(shè)備在多個行業(yè)中都能夠應(yīng)用，功能板作為底板，選裝多種通信模塊，支持多種鏈路的通信，同時繼承了TCP/IP協(xié)議棧，設(shè)有嵌入式操作系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種串口通信的用戶設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸。此外，還支持參數(shù)配置和保存功能，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性[2]。

2.2.2 大數(shù)據(jù)加工服務(wù)系統(tǒng)

大數(shù)據(jù)加工服務(wù)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集層、展示層、智能分析層等構(gòu)成，利用先進的大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備制造企業(yè)以及設(shè)備使用企業(yè)信息的有效整合，為后續(xù)設(shè)備的遠程診斷及在線監(jiān)測提供信息支持。數(shù)據(jù)采集層是其中的物理連接層，利用多項數(shù)據(jù)的采集和處理來保證數(shù)據(jù)的使用價值。智能分析層則是構(gòu)建數(shù)據(jù)流的閉環(huán)，利用數(shù)據(jù)池及智能數(shù)據(jù)管道和有關(guān)的反饋信息來建立分析模型，形成根據(jù)企業(yè)和設(shè)備等多個維度的標簽體系，為設(shè)備的診斷與檢測帶來可靠的數(shù)據(jù)來源支持。應(yīng)用系統(tǒng)層根據(jù)數(shù)據(jù)采集及分析結(jié)果，建立多領(lǐng)域的服務(wù)體系，利用智能設(shè)備生命周期的不同環(huán)節(jié)關(guān)聯(lián)性，將產(chǎn)品生命周期作為主要線路，為產(chǎn)品研發(fā)部門和生產(chǎn)部門等提供支持，實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的信息融合。展示層能夠?qū)崿F(xiàn)多瀏覽器數(shù)據(jù)的可視化，建立完善的數(shù)據(jù)管理中心，進行數(shù)據(jù)信息的審計、監(jiān)控、管理等。

為匹配更多企業(yè)的經(jīng)營環(huán)境和使用要求，云平臺需要按照一定的規(guī)律將復(fù)雜的生產(chǎn)過程根據(jù)多個級層進行分化，存儲于數(shù)據(jù)池中。設(shè)計3輪數(shù)據(jù)加工服務(wù)體系，將上下游企業(yè)的設(shè)備信息進行篩選、整合、結(jié)構(gòu)化處理。第1輪ETL利用采集器實現(xiàn)信息來源的種類劃分、零件的多維度信息整合；第2輪ETL則實現(xiàn)過程流及控制流層次的抽取，整合種類級與設(shè)備級的信息；第3輪ETL根據(jù)收集到的信息實現(xiàn)領(lǐng)域分類，根據(jù)資源流、組織流等完成信息整合，建立結(jié)構(gòu)化的信息抽取。

2.2.3 Web UI系統(tǒng)

人機交互控制界面負責(zé)智能化的設(shè)備在線監(jiān)測和遠程診斷器、監(jiān)控平臺間的信息交互，實現(xiàn)設(shè)備運行過程的動態(tài)化監(jiān)控檢測，將檢測到的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測平臺，之后平臺通過數(shù)據(jù)處理和分析，將信息再次傳輸?shù)街悄芑诰€監(jiān)測與遠程診斷器之中，確保設(shè)備系統(tǒng)的安全運行。人機交互控制界面主要包含用戶區(qū)、監(jiān)測區(qū)、定位區(qū)、功能區(qū)等。

3 系統(tǒng)的具體應(yīng)用

基于云平臺的遠程診斷與在線監(jiān)測系統(tǒng)以數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析作為基本功能條件，通過多種形式的分析界面，為客戶端用戶提供設(shè)備的動態(tài)化監(jiān)測信息。

3.1 鉆機狀態(tài)監(jiān)控

在遠程診斷與在線監(jiān)測系統(tǒng)中，設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測是最基礎(chǔ)性也是最重要的功能，主要包括設(shè)備的整體評價、單元多層級監(jiān)測等。平臺狀態(tài)監(jiān)測界面主要利用儀表盤、曲線圖等靈活的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的可視化呈現(xiàn)，將鉆機設(shè)備的整體使用評價參數(shù)以動態(tài)化的方式展現(xiàn)出來，比如游車高度、頂驅(qū)扭矩等參數(shù)，都能利用這一方式獲取。也可以通過這一界面直接切換到單設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測界面，了解設(shè)備的具體運行狀態(tài)，信息獲取也更加全面[3]。

3.2 預(yù)測性維護

在自控技術(shù)的支持下，運用在線監(jiān)測系統(tǒng)提供的動態(tài)化數(shù)據(jù)信息，按照預(yù)測設(shè)備的故障規(guī)律與頻次等情況實施針對性的維護措施，事中的控制往往比事后的維修補救更加重要，需要制訂合理可行的設(shè)備維護策略，相較于傳統(tǒng)維護方式在成本控制上效果提升20%～30%左右，并且也降低了生產(chǎn)設(shè)備的停滯時間。系統(tǒng)預(yù)測性維護在設(shè)備運行時間統(tǒng)計、參數(shù)對比等方面都能實現(xiàn)任務(wù)的自動處理，及時提醒人員進行維護。設(shè)備界面可以匯總曲線和雷達圖等設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測圖，也能根據(jù)現(xiàn)有信息來給出設(shè)備的狀態(tài)評價與維護意見。

3.3 故障的輔助診斷

雖然基于云平臺的遠程診斷與在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)υO(shè)備運行全過程進行動態(tài)化監(jiān)測，但設(shè)備故障問題仍然無法做到百分百控制，所以需要利用故障輔助診斷的方式，將設(shè)備故障信息進行匯總與處理，提供給維修人員，以便于維修工作快速且順利進行。按照平臺現(xiàn)有的故障庫來輔助診斷，包含故障列表與告警記錄列表等，其中包括所有的系統(tǒng)告警信息和設(shè)備故障信息，不僅能幫助維修人員了解設(shè)備以往的運行情況信息，同時也能支持手動創(chuàng)建或其他添加途徑，建立并不斷完善故障輔助診斷數(shù)據(jù)庫，將多種設(shè)備故障的體現(xiàn)和處理過程信息進行歸納整合并錄入到數(shù)據(jù)庫中，為以后類似的設(shè)備故障信息提供支持。而且數(shù)據(jù)庫調(diào)取信息的效率非常高，根據(jù)故障信息的自動匹配搜索，幫助維修人員進行故障的準確分析和處理。

3.4 統(tǒng)計分析

多元化統(tǒng)計分析的故障檢測手段能夠在完全不了解精確解析模型的條件下，通過過程變量的關(guān)系來實現(xiàn)故障的有效檢測。系統(tǒng)統(tǒng)計分析功能主要包含故障統(tǒng)計分析、告警分析等多個模塊，故障統(tǒng)計分析界面中，用戶可以制訂某一時間段、某個現(xiàn)場鉆機設(shè)備的查詢方法，信息查詢者需要利用餅圖的方式通過故障級別、故障表現(xiàn)、故障設(shè)備等作為關(guān)鍵詞進行信息檢索，這些信息也可以通過匯總的方式存在[4]。

3.5 多終端的數(shù)據(jù)展示窗口

在系統(tǒng)中，用戶能夠利用多種移動終端或硬件實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的展現(xiàn)，可以設(shè)計登錄權(quán)限或密碼來保障信息的安全性，其他用戶只能查詢鉆機的基本情況，一些重要的參數(shù)信息則可以得到很好的保護。

4 結(jié)語

以云平臺作為技術(shù)基礎(chǔ)的遠程診斷及在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠利用裝備物聯(lián)遠傳和調(diào)節(jié)器進行設(shè)備全過程控制，不管是信息收集還是遠程故障診斷等都能夠得到有效解決。大數(shù)據(jù)服務(wù)加工系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的全運行周期控制，為設(shè)備的穩(wěn)定運行提供關(guān)鍵支持。