自動(dòng)化儀表的遠(yuǎn)程智慧運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計(jì)

祁艷艷，田 波，徐光建，劉先振

(重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司，重慶 401121)

0 引言

隨著“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略計(jì)劃的逐步推進(jìn)，我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)水平日新月異，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。而傳統(tǒng)的工業(yè)由于人力成本高、生產(chǎn)效率低、安全隱患多、環(huán)境影響大等因素的影響，各行各業(yè)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化的要求越來(lái)越標(biāo)準(zhǔn)化。

隨著自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，有關(guān)自動(dòng)化的儀器設(shè)備被大量應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)制造上。其中，自動(dòng)化儀表在電力、化工、石油等多個(gè)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，企業(yè)生產(chǎn)中由于設(shè)備使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、設(shè)備老舊、操作使用方式不當(dāng)?shù)龋箖x表經(jīng)常遇到設(shè)備故障。儀表故障率越高，企業(yè)的生產(chǎn)加工進(jìn)度越慢、安全隱患越大。因此，能否在第一時(shí)間解決儀表故障，有效保障作業(yè)進(jìn)度及生產(chǎn)效益，已成為企業(yè)極為重視的問(wèn)題[1-3]。

1 自動(dòng)化儀表的運(yùn)維管理現(xiàn)狀分析

隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的提升，自動(dòng)化儀表的用量不斷增長(zhǎng)，儀表故障量也不斷增多。但是自動(dòng)化儀表的運(yùn)維仍停留在比較原始的階段，技術(shù)手段單一，每項(xiàng)運(yùn)維工作都需抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。以重慶川儀為例，傳統(tǒng)的運(yùn)維模式一般是：儀表出現(xiàn)故障后，現(xiàn)場(chǎng)的工作人員致電給該企業(yè)售后客服人員；客服人員將了解到的現(xiàn)場(chǎng)情況反映給運(yùn)維管理人員；運(yùn)維管理人員再派運(yùn)維工程師去現(xiàn)場(chǎng)解決問(wèn)題。整個(gè)運(yùn)維過(guò)程周期長(zhǎng)、成本高。儀表種類(lèi)數(shù)量多、分布廣、維護(hù)人員少等問(wèn)題給儀表運(yùn)維管理帶來(lái)了諸多困難。與傳統(tǒng)的運(yùn)維模式相比，基于云平臺(tái)的智慧運(yùn)維系統(tǒng)可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控儀表的運(yùn)行情況，并及時(shí)預(yù)警，以減少故障發(fā)生率；同時(shí)，當(dāng)儀表出現(xiàn)故障以后，技術(shù)人員可以遠(yuǎn)程診斷解決大部分問(wèn)題，小部分故障無(wú)法解決才派運(yùn)維工程師去現(xiàn)場(chǎng)解決，顯著減少了去現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維的次數(shù)和成本[4]，更加先進(jìn)、安全、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用。智慧運(yùn)維和傳統(tǒng)運(yùn)維模式對(duì)比如圖1所示。

圖1 智慧運(yùn)維和傳統(tǒng)運(yùn)維模式對(duì)比示意圖

2 智慧運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)化儀表的全生命周期包含儀表產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售、物流運(yùn)輸、維修和報(bào)廢等環(huán)節(jié)。遠(yuǎn)程智慧運(yùn)維系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以儀表全生命周期為核心，實(shí)現(xiàn)從儀表生產(chǎn)到現(xiàn)場(chǎng)使用的全過(guò)程監(jiān)控及故障預(yù)警服務(wù)。根據(jù)儀表的具體運(yùn)維情況設(shè)計(jì)的智慧運(yùn)維系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、云服務(wù)器應(yīng)用平臺(tái)、終端監(jiān)控設(shè)備模塊。智慧運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 智慧運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1 數(shù)據(jù)采集層

曼徹斯特通信采集卡將現(xiàn)場(chǎng)儀表運(yùn)行時(shí)的電流、電壓、壓力、溫度、流量等參數(shù)信息實(shí)時(shí)地傳送給通信控制器。通信控制器通過(guò)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)信息傳送到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器，設(shè)計(jì)方將根據(jù)數(shù)據(jù)分析進(jìn)行運(yùn)維管理服務(wù)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸層

網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)場(chǎng)PC-HMI監(jiān)控機(jī)的以太網(wǎng)通信傳輸；③云服務(wù)應(yīng)用層，現(xiàn)場(chǎng)PC-HMI監(jiān)控機(jī)與云服務(wù)器間的無(wú)線網(wǎng)傳輸，云服務(wù)與終端監(jiān)控設(shè)備間的無(wú)線網(wǎng)傳輸。

2.3 云服務(wù)器應(yīng)用平臺(tái)

云服務(wù)器平臺(tái)指川儀物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、設(shè)備監(jiān)測(cè)、故障預(yù)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等功能。該平臺(tái)可接入企業(yè)資源管理系統(tǒng)、運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)、售后運(yùn)維系統(tǒng)等。

2.4 終端監(jiān)控設(shè)備

終端監(jiān)控設(shè)備包括通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)局域網(wǎng)/廣域網(wǎng)連接的WEB展示、移動(dòng)端展示、大屏展示等。

3 智慧運(yùn)維系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)

該遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)的功能架構(gòu)如圖3所示。功能架構(gòu)包含采集層、數(shù)據(jù)層、邏輯層和應(yīng)用層。

圖3 智慧運(yùn)維系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集平臺(tái)接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)據(jù)、通信數(shù)據(jù)(網(wǎng)絡(luò)流量數(shù)據(jù))、人為錄入數(shù)據(jù)；采集平臺(tái)每天生成大量的數(shù)據(jù)，涉及儀表的基本信息、運(yùn)維信息、服務(wù)返回信息等。利用這些數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)管理人員可以客觀掌握整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)儀表的運(yùn)行情況；車(chē)間管理人員可以了解儀表設(shè)備運(yùn)行保養(yǎng)狀態(tài)、質(zhì)量穩(wěn)定性等專(zhuān)業(yè)信息。若儀表出現(xiàn)故障，儀表設(shè)計(jì)方可以利用這些數(shù)據(jù)分析問(wèn)題，找出解決辦法。

數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)、儀表維修、保養(yǎng)等信息進(jìn)行分類(lèi)整理歸檔，保證數(shù)據(jù)的完整性、統(tǒng)一性，為上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。

邏輯層包括運(yùn)維系統(tǒng)的故障預(yù)測(cè)模塊、運(yùn)維記錄模塊、運(yùn)維評(píng)估模塊、運(yùn)維決策模塊等數(shù)據(jù)應(yīng)用操作服務(wù)。

應(yīng)用層主要包括網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、儀表數(shù)據(jù)監(jiān)控、業(yè)務(wù)監(jiān)控、應(yīng)用監(jiān)控等監(jiān)控模塊，系統(tǒng)設(shè)置、儀表管理、報(bào)表管理、售后管理等管理模塊，以及為云平臺(tái)管理系統(tǒng)的用戶提供使用操作界面。

4 主要功能模塊設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程智慧運(yùn)維系統(tǒng)主要功能模塊有通信控制器模塊、智慧巡檢模塊、故障預(yù)警[5]模塊和應(yīng)用軟件模塊。

4.1 通信控制器模塊設(shè)計(jì)

通信控制器運(yùn)行在Linux嵌入式系統(tǒng)環(huán)境下，通過(guò)多路RS-485通信與多路Manchester通信采集多種類(lèi)型現(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分類(lèi)整理歸檔。Manchester通信主要用于與石油探測(cè)井中的儀表通信，誤碼率較低?，F(xiàn)場(chǎng)PC監(jiān)控機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)通信請(qǐng)求通信控制器存儲(chǔ)的儀表數(shù)據(jù)。

4.2 智慧巡檢模塊設(shè)計(jì)

智慧巡檢[6-7]模塊分為巡檢計(jì)劃和巡檢記錄兩個(gè)子模塊。巡檢計(jì)劃模塊根據(jù)儀表的常規(guī)巡查和季度巡查、去污和防腐[8]周期制定，到了巡檢階段會(huì)周期性地智能提醒巡檢人員進(jìn)行巡檢。智能提醒包括發(fā)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(xiàn)場(chǎng)PC監(jiān)控機(jī)。通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將記錄傳入云服務(wù)器中，支持其他業(yè)務(wù)運(yùn)作。

4.3 故障預(yù)警模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)被監(jiān)控儀表對(duì)象的正常的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)設(shè)定閾值，確定預(yù)警門(mén)檻，結(jié)合不同的時(shí)間范圍、環(huán)境因素和儀表實(shí)時(shí)監(jiān)控的性能參數(shù)等數(shù)據(jù)，運(yùn)維評(píng)估模塊對(duì)其進(jìn)行整理分析對(duì)比。對(duì)儀表的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估，運(yùn)維決策模塊對(duì)儀表的維修計(jì)劃、維修時(shí)間表、維修方案等作出決策，或者選擇向現(xiàn)場(chǎng)工作人員或者設(shè)計(jì)方售后運(yùn)維人員發(fā)出故障預(yù)警。若儀表出現(xiàn)故障，售后運(yùn)維人員可以在系統(tǒng)上查詢當(dāng)前儀表運(yùn)行狀態(tài)信息，快速定位儀表故障狀態(tài)遠(yuǎn)程運(yùn)維或者聯(lián)系客戶進(jìn)行故障排查維修。

4.4 應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用層功能分為監(jiān)控功能和管理功能。監(jiān)控功能是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表運(yùn)行狀態(tài)信息實(shí)時(shí)的監(jiān)控，以便發(fā)現(xiàn)故障及時(shí)預(yù)警。管理功能包括圍繞儀表的維修、巡檢、預(yù)防性維護(hù)、停機(jī)等過(guò)程展開(kāi)的設(shè)備管理、報(bào)表管理和運(yùn)維管理。

應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)包括現(xiàn)場(chǎng)PC-HMI監(jiān)控軟件、設(shè)計(jì)方運(yùn)維管理軟件、手機(jī)APP軟件等。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)儀表的運(yùn)維技術(shù)手段單一、運(yùn)維時(shí)間周期長(zhǎng)、成本高等問(wèn)題，結(jié)合歷史運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了自動(dòng)化儀表的遠(yuǎn)程智慧運(yùn)維系統(tǒng)。該系統(tǒng)的故障預(yù)警功能顯著增強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)儀表的運(yùn)行安全性，可視化監(jiān)控和智能化的運(yùn)維實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程運(yùn)維需求，解決了因儀表地理位置分布廣、監(jiān)測(cè)運(yùn)維困難等問(wèn)題。該系統(tǒng)很大程度地縮短了運(yùn)維時(shí)間周期、降低了成本，給公司帶來(lái)了新的利益增長(zhǎng)點(diǎn)。