基于遠程數(shù)據(jù)采集技術(shù)的工業(yè)儀表系統(tǒng)*

張 偉 陳月紅 楊振龍

(丹東東方測控技術(shù)股份有限公司)

隨著工業(yè)4.0的發(fā)展，傳統(tǒng)工廠的生產(chǎn)自動化水平不斷提高，需要使用更加智能的工業(yè)儀器儀表來面對日益增加的生產(chǎn)任務(wù)、更高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的產(chǎn)品和無人值守的工業(yè)現(xiàn)場。傳統(tǒng)工業(yè)儀表難以解決這些問題，便催生了基于遠程數(shù)據(jù)采集技術(shù)的智能工業(yè)儀表。

遠程數(shù)據(jù)采集技術(shù)應(yīng)用范圍很廣，在工業(yè)儀表行業(yè)中，將濕度、溫度、水分、灰分、壓力等遠程信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量之后，通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)焦I(yè)儀表管理控制數(shù)據(jù)中心，經(jīng)服務(wù)器系統(tǒng)進行大數(shù)據(jù)存儲，通過智能算法對各項數(shù)據(jù)進行計算和整合、集中展示輸出，為管理者及時準(zhǔn)確掌控生產(chǎn)現(xiàn)場的實際情況和管理決策提供可靠的依據(jù)，并且解決了惡劣環(huán)境下工業(yè)現(xiàn)場無人值守的問題，實現(xiàn)了儀表設(shè)備遠程故障檢測，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，推動了智能工業(yè)的發(fā)展。

1 遠程數(shù)據(jù)采集技術(shù)發(fā)展

儀器儀表是科技發(fā)展的重要工具，在工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展中占據(jù)著非常重要的地位。由于生產(chǎn)工藝、地理位置等因素影響，工作儀表的安裝位置不集中，工作環(huán)境比較惡劣。目前很多工廠逐步采取“低消耗、低排放、高效率”的經(jīng)濟發(fā)展方式，以加快新一代信息技術(shù)與工業(yè)深度融合為主線，在資源利用方式上由粗放型向集約節(jié)約型轉(zhuǎn)變。

隨著信息技術(shù)的進步，工業(yè)儀表己由傳統(tǒng)的控制電路發(fā)展為由微型計算機、接口電路、外部通用設(shè)備和工業(yè)生產(chǎn)對象等組成的量測系統(tǒng)。傳統(tǒng)儀表的核心計算平臺是微型計算機，工業(yè)環(huán)境一般條件惡劣，而微型計算機的防塵、防震等功能較差，不易維護、擴展性差、運維成本高等諸多問題逐漸暴露出來。

隨著嵌入式技術(shù)飛速的發(fā)展，工業(yè)儀表的工作模式也由之前的傳統(tǒng)電路、微機模式發(fā)展為嵌入式系統(tǒng)模式，集成化程度越來越高。大多數(shù)儀表的獨立性也越來越強，功能相對簡單的儀表集成管理難度不大，但功能復(fù)雜的儀表存在較多的管理問題，高精度、高速度和集成化的要求也導(dǎo)致其開發(fā)工作越來越復(fù)雜。

現(xiàn)階段工業(yè)儀表出現(xiàn)的諸多不足主要集中在4個方面：一是儀表的可互操作性程度不高，實際應(yīng)用中無法實現(xiàn)無縫銜接；二是自動化系統(tǒng)信息的安全性能不佳；三是系統(tǒng)的可靠性不高，故障診斷效率較低；四是程序與軟件的可靠性差[1]。

隨著工業(yè)需求和技術(shù)發(fā)展，越來越多的工廠迫切需要能實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集的儀表系統(tǒng)，將工業(yè)儀表數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)焦芾砜刂茢?shù)據(jù)中心，隨時隨地實現(xiàn)遠程運維調(diào)試，對數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)分析管理，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場無人值守。

安裝范圍較廣的遠程數(shù)據(jù)采集儀表的管理非常困難，大量實時數(shù)據(jù)難以被系統(tǒng)監(jiān)控中心集中管控。因此通過網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)對工廠內(nèi)儀表的各類傳感器進行數(shù)據(jù)采集與整合，通過網(wǎng)絡(luò)遠程傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，由數(shù)據(jù)中心進行存儲和計算，并根據(jù)各儀表特性進行開發(fā)管理，達到監(jiān)視管理的目的。

遠程數(shù)據(jù)采集技術(shù)的核心是控制中心軟件。工業(yè)軟件作為智能制造的重要基礎(chǔ)和核心支撐，對推動我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、實現(xiàn)制造強國戰(zhàn)略具有重要意義[2]。工業(yè)儀表的維護與診斷技術(shù)也在不斷發(fā)展，全面有效的維護與維修是確保儀表數(shù)據(jù)精準(zhǔn)的保證[3]。在生產(chǎn)過程中，儀表集成度越來越高，儀表自動化在生產(chǎn)過程中的地位也不斷凸顯。通常情況下，將數(shù)據(jù)遠程傳到監(jiān)控室，通過數(shù)據(jù)分析便可確定故障類型與所在，從而進行解決。

2 實現(xiàn)方式與技術(shù)

遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括工業(yè)儀表、網(wǎng)絡(luò)、不間斷電源、數(shù)據(jù)服務(wù)器、光電轉(zhuǎn)換器、公共網(wǎng)絡(luò)交換機、遠程數(shù)據(jù)采集監(jiān)控程序和數(shù)據(jù)庫等。

2.1 工業(yè)儀表

工業(yè)現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)由工業(yè)儀表采集，如果工業(yè)儀表功能要求較簡單，只需將處理后的數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心即可。但實際生產(chǎn)中，很多工業(yè)儀表要實現(xiàn)的功能比較復(fù)雜，業(yè)務(wù)功能需求變化快，軟件配置參數(shù)多，人機互動頻繁，數(shù)據(jù)完全在儀表中自動處理較難。因此這類工業(yè)儀表需將內(nèi)部各類傳感器測量的實時數(shù)據(jù)分別上傳到數(shù)據(jù)處理中心，由遠程數(shù)據(jù)采集監(jiān)控程序進行匯總后再計算處理。工業(yè)儀表遍及工廠各個位置，種類繁雜，儀表在制造時要求其穩(wěn)定性、可靠性要高。儀表與數(shù)據(jù)中心的通訊接口是基于網(wǎng)絡(luò)的，根據(jù)儀表具體特性，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)也不盡相同，傳輸協(xié)議需要根據(jù)需求進行定制。

2.2 網(wǎng) 絡(luò)

數(shù)據(jù)集中管理需要將工廠各個生產(chǎn)線上的儀表數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心，需要穩(wěn)定的連通網(wǎng)絡(luò)。如果全部重新布線，成本高、工程量大，通過對整個廠區(qū)的網(wǎng)絡(luò)資源進行整合并統(tǒng)一規(guī)劃，如能利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)或部分網(wǎng)絡(luò)最好；如果沒有可以整合利用的網(wǎng)絡(luò)，重新布網(wǎng)選擇儀表時，應(yīng)適當(dāng)擴大網(wǎng)絡(luò)容量，以滿足未來可能增加的網(wǎng)絡(luò)傳輸需求。網(wǎng)絡(luò)部署分有線傳輸和無線傳輸兩種方式，可根據(jù)儀表具體特點選擇傳輸方式。有線傳輸穩(wěn)定性高，不會丟失數(shù)據(jù)；無線傳輸便捷性好，組網(wǎng)過程更加簡單。對于集成性很高的儀表可以采用無線遠程傳輸方式；對于傳輸數(shù)據(jù)量較大、實時性要求高的儀表，需要采用有線傳輸方式；對于計算復(fù)雜的儀表，需要將儀表內(nèi)部傳感器上傳到服務(wù)中心、由數(shù)據(jù)中心進行解算的情況，應(yīng)選擇有線傳輸方式。

2.3 不間斷電源

工業(yè)儀表需要不間斷穩(wěn)定運行，但工廠供電穩(wěn)定性欠佳，機房可靠供電成為工業(yè)儀表穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，這就用到了不間斷電源。不間斷電源也稱UPS電源，具有穩(wěn)壓、濾波、不間斷3大基本功能，在工業(yè)儀表系統(tǒng)中可為數(shù)據(jù)服務(wù)器、計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等提供穩(wěn)定、不間斷的電力供應(yīng)。將蓄電池與主機相連接，通過主機逆變器等模塊電路可以將存儲在電源內(nèi)的直流電轉(zhuǎn)換成市電供工業(yè)儀表系統(tǒng)使用。在市電供電正常時，UPS電源起到穩(wěn)壓器和濾波器的作用，消除或削弱市電的不利干擾；在市電供電中斷情況下，UPS電源通過逆變器切換的方法繼續(xù)為儀表、計算機等負(fù)載設(shè)備供電。兩種供電模式互相切換時間一般為零，從而實現(xiàn)不間斷供電。UPS作為電力通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)電源，使用壽命、可靠性直接關(guān)系到工業(yè)儀表的正常工作。目前UPS電源的日常維護工作并沒有得到相應(yīng)的重視，導(dǎo)致故障發(fā)生率較高，運行維護效果較差[4]，需要加強維護保養(yǎng)。

2.4 遠程數(shù)據(jù)采集監(jiān)控程序

遠程數(shù)據(jù)采集監(jiān)控程序是整個系統(tǒng)的核心，接收、管理來自分布工廠內(nèi)儀表傳感器的數(shù)據(jù)。對于集成性高的儀表，遠程數(shù)據(jù)采集監(jiān)控程序接收整合其測量結(jié)果即可；對于業(yè)務(wù)功能復(fù)雜的儀表，遠程數(shù)據(jù)采集監(jiān)控程序需要接收儀表各傳感器的數(shù)據(jù)后，經(jīng)計算得出測量結(jié)果。

實時高效的監(jiān)控程序具有數(shù)據(jù)采集、錄入、查詢、統(tǒng)計等功能，可獲取遠程儀表設(shè)備的運行狀態(tài)信息，有效管理不同型號和規(guī)格的儀表，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和故障診斷，提高設(shè)備使用效率，保證設(shè)備安全、穩(wěn)定運行，實現(xiàn)設(shè)備實時遠程調(diào)試維護，節(jié)約人力物力，降低運營成本。在實時采集數(shù)據(jù)的同時，還能對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，通過數(shù)據(jù)表格、曲線波形圖等形式展現(xiàn)給管理者，使其能夠及時決策，使系統(tǒng)管理達到既定目標(biāo)。由于工業(yè)儀表設(shè)備種類繁雜、數(shù)量多，遠程數(shù)據(jù)采集監(jiān)控程序?qū)ο到y(tǒng)的可靠性要求非常高，需實現(xiàn)系統(tǒng)的故障自診斷、自隔離、故障自修復(fù)等。

2.5 其他計算機及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

計算機和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件要搭配合理。服務(wù)器計算機要求擁有較高的配置，在接收處理多儀表數(shù)據(jù)時能夠高速運轉(zhuǎn)，并且要求具有足夠大的硬盤空間，以供存儲較長時間的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備則起到儀表與服務(wù)器計算機之間的資源共享作用。為減少更新硬件設(shè)備帶來的額外成本和對工作的影響，服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)具有較高的可擴展性，以及時調(diào)整配置便于操作和管理。

3 結(jié) 論

工業(yè)儀表系統(tǒng)應(yīng)用要實現(xiàn)對遠距離工業(yè)現(xiàn)場各種參數(shù)的監(jiān)測，管理者需對多個儀表進行集中掌控，根據(jù)現(xiàn)場情況的實時變化進行相應(yīng)的分析和控制。在該過程中，基于遠程數(shù)據(jù)采集技術(shù)的工業(yè)儀表系統(tǒng)可解決遠程掌控、遠程診斷維護等多個難題，更有效、更智能地進行工業(yè)生產(chǎn)，從而提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，推進智能工業(yè)的發(fā)展。