發(fā)電機(jī)組智能化云服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

熊 曙，王 華，羅 路

（中國(guó)葛洲壩集團(tuán)裝備工業(yè)有限公司，武漢 430000）

0 引言

發(fā)電機(jī)組智能化云服務(wù)平臺(tái)是建立在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)上的一種新型智能裝備在線(xiàn)管理應(yīng)用，它可以在手機(jī)或電腦等終端設(shè)備上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制、健康監(jiān)測(cè)、故障預(yù)防、運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄等功能，達(dá)到產(chǎn)品設(shè)備從出廠(chǎng)組裝、安裝調(diào)試、運(yùn)行監(jiān)控、服務(wù)運(yùn)維的全過(guò)程信息化的目的，實(shí)現(xiàn)裝備的全生命周期維護(hù)和管理。

可編程的數(shù)據(jù)采集終端實(shí)時(shí)采集裝備運(yùn)行數(shù)據(jù)，采集傳輸周期最快可達(dá)1秒/次。數(shù)據(jù)采集終端通過(guò)2G/4G/WIFI/LAN網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至云服務(wù)器，供用戶(hù)在WEB端、APP端和大屏上查看運(yùn)行數(shù)據(jù)及下發(fā)控制指令。同時(shí)，數(shù)據(jù)采集終端中可自定義故障報(bào)警限值，實(shí)現(xiàn)故障信息的識(shí)別和信息推送[1]。數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器后，通過(guò)系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算功能，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析計(jì)算，得出其健康指數(shù)、耗油量、發(fā)電量、能耗比等性能指標(biāo)。系統(tǒng)中的運(yùn)行維護(hù)模塊可根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)生成維護(hù)信息并發(fā)出提醒，可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的故障預(yù)測(cè)。為了滿(mǎn)足其他能源裝備接入及個(gè)性化需求，本系統(tǒng)在保障安全、穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，開(kāi)放了硬件接口和數(shù)據(jù)接口，使其具備多能源系統(tǒng)接入、用戶(hù)個(gè)性化定制和公司內(nèi)數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)。

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 平臺(tái)架構(gòu)及數(shù)據(jù)交互

云平臺(tái)的架構(gòu)是保證整個(gè)平臺(tái)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)，在可以根據(jù)需求進(jìn)行擴(kuò)展、搭建個(gè)性化應(yīng)用、提供彈性服務(wù)的同時(shí)，也可以避免因部分應(yīng)用出現(xiàn)異常導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。在用戶(hù)量不斷增大的情況下，云平臺(tái)能夠穩(wěn)定工作，支撐高并發(fā)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，并提供最新的平臺(tái)應(yīng)用[2]。

平臺(tái)采用微服務(wù)架構(gòu)，將單一應(yīng)用進(jìn)行拆分，使得一組細(xì)粒度的服務(wù)圍繞業(yè)務(wù)能力組織，并且能夠根據(jù)自動(dòng)部署機(jī)制獨(dú)立部署，相互之間通過(guò)輕量級(jí)通信機(jī)制協(xié)作，為用戶(hù)提供應(yīng)用服務(wù)。對(duì)于具體服務(wù)而言，可以根據(jù)需要采用合適的語(yǔ)言和工具進(jìn)行開(kāi)發(fā)，不必局限于特定語(yǔ)言和工具。單個(gè)服務(wù)的粒度變小，使得代碼更容易開(kāi)發(fā)和理解，服務(wù)可維護(hù)性和擴(kuò)展性也大大增加。由于服務(wù)的獨(dú)立性，更新單個(gè)微服務(wù)不會(huì)影響到其他微服務(wù)的運(yùn)行，也更容易進(jìn)行微服務(wù)的性能容量評(píng)價(jià)。配合服務(wù)間的調(diào)用協(xié)作流程也更容易定位系統(tǒng)出現(xiàn)瓶頸的位置，從而及時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容，提高系統(tǒng)性能。WEB服務(wù)器流程圖和平臺(tái)應(yīng)用架構(gòu)如圖1和圖2所示。

圖1 WEB服務(wù)器流程圖

圖2 平臺(tái)應(yīng)用架構(gòu)

數(shù)據(jù)解析過(guò)程使用的是HTTP協(xié)議和TCP連接，解析用戶(hù)命令并將數(shù)據(jù)發(fā)送到平臺(tái)，完成數(shù)據(jù)命令的適配。在網(wǎng)關(guān)傳輸指令協(xié)議中，使用JSON格式進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝和解析，通過(guò)網(wǎng)關(guān)解析器進(jìn)行解析，調(diào)用云服務(wù)中的人機(jī)服務(wù)和編譯服務(wù)，完成一整套數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸

開(kāi)發(fā)的云平臺(tái)系統(tǒng)中，需要選擇優(yōu)良的通信協(xié)議完成設(shè)備和云服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信，協(xié)議的選取有如下要求：1）協(xié)議要能夠完成設(shè)備和服務(wù)端的雙向通信；2）需要保證數(shù)據(jù)發(fā)送不占用過(guò)多的帶寬，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)設(shè)備所處環(huán)境復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)不通暢；3）穩(wěn)定，能夠維持長(zhǎng)連接，不會(huì)產(chǎn)生斷連、虛連接的情況。

平臺(tái)選擇MQTT作為數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。MQTT基于二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳輸，占用帶寬少，有自定義的標(biāo)簽庫(kù)，組裝數(shù)據(jù)可靠，具備重連機(jī)制，并且擁有可擴(kuò)展、用戶(hù)授權(quán)、服務(wù)端身份驗(yàn)證、異常檢測(cè)、心跳配置等功能。

1.3 數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)

平臺(tái)的目標(biāo)是可接入公司所有的高端裝備，而現(xiàn)場(chǎng)高端裝備情況復(fù)雜，一是系統(tǒng)種類(lèi)繁多，二是同類(lèi)系統(tǒng)的規(guī)格、型號(hào)和生產(chǎn)廠(chǎng)商也有較大區(qū)別，因此兼容多種通信協(xié)議且具備遠(yuǎn)程升級(jí)能力的數(shù)據(jù)采集終端是實(shí)現(xiàn)廣泛接入的核心要素。

目前，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)主要使用入網(wǎng)模塊和主控制芯片MCU，入網(wǎng)模塊是幫助設(shè)備連入網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定模塊，MCU模塊與入網(wǎng)模塊通信，并且支持外部通信的接入。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)管的硬件結(jié)構(gòu)如圖 3所示。

圖3 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)

從圖3可以看到，MCU和無(wú)線(xiàn)通信模塊的部分硬件功能重疊。因此，項(xiàng)目充分利用無(wú)線(xiàn)通信模塊的資源，將原本需要外部MCU完成的程序移植內(nèi)嵌到無(wú)線(xiàn)模塊內(nèi)部，大大簡(jiǎn)化了硬件的結(jié)構(gòu)，降低了硬件成本。利用RTOS的多線(xiàn)程、消息等技術(shù)，高效完成APP開(kāi)發(fā)；利用硬件的API接口，實(shí)現(xiàn)與設(shè)備的通信。數(shù)據(jù)采集終端結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集終端結(jié)構(gòu)

同時(shí)，考慮到新設(shè)備接入，對(duì)數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行適配時(shí)，需要將終端安裝到計(jì)算機(jī)的IDE開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行編程，PC端還需針對(duì)設(shè)備完成串口驅(qū)動(dòng)安裝、環(huán)境變量配置等操作。

在云服務(wù)器上進(jìn)行了在線(xiàn)升級(jí)系統(tǒng)的發(fā)開(kāi)，在云平臺(tái)中完成了交叉編譯GCC工具鏈的移植，在數(shù)據(jù)采集終端通過(guò) YModem協(xié)議實(shí)現(xiàn)了 OTA無(wú)線(xiàn)升級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器完成后端的編譯指令解析和硬件遠(yuǎn)程下載升級(jí)的功能。

1.4 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

在云服務(wù)平臺(tái)中，數(shù)據(jù)庫(kù)作為人機(jī)和設(shè)備數(shù)據(jù)之間的中間件，需要符合可靠存儲(chǔ)和快速查詢(xún)的要求。系統(tǒng)使用Redis-MySQL二級(jí)緩存、Nginx負(fù)載均衡、服務(wù)器架構(gòu)分離等優(yōu)化處理[3]，確保了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和控制命令下發(fā)的時(shí)效性。系統(tǒng)增加了時(shí)間控制模塊，以校正數(shù)據(jù)采集終端的時(shí)間。

為了在最大化利用平臺(tái)硬件資源的同時(shí)提高數(shù)據(jù)讀寫(xiě)速度，平臺(tái)采用NoSQL中的Redis作為MySQL的數(shù)據(jù)緩存。在進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)時(shí)，首先查找Redis數(shù)據(jù)庫(kù)，若找到則返回查詢(xún)結(jié)果；如未查詢(xún)到結(jié)果，則在MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢(xún)，返回結(jié)果并更新Redis中的數(shù)據(jù)，從而大幅提高了查詢(xún)速度。寫(xiě)入時(shí)則直接寫(xiě)入MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)觸發(fā)器（trigger）及自定義函數(shù)（UDF）將變更的內(nèi)容更新到Redis數(shù)據(jù)庫(kù)中。數(shù)據(jù)讀寫(xiě)流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)讀寫(xiě)流程圖

1.5 故障診斷

結(jié)合設(shè)備故障分析和檢修經(jīng)驗(yàn)，平臺(tái)采用數(shù)據(jù)挖掘算法和相似度曲線(xiàn)預(yù)警方法，對(duì)能源系統(tǒng)的海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘、故障建模、狀態(tài)分析和潛在故障預(yù)警。

在云服務(wù)平臺(tái)采集到足夠多的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)后，通過(guò)分析系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的海量歷史數(shù)據(jù)，抽取出系統(tǒng)設(shè)備各相關(guān)參數(shù)之間的耦合關(guān)聯(lián)，進(jìn)而通過(guò)與系統(tǒng)設(shè)備的故障模型對(duì)比，識(shí)別系統(tǒng)設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)與正常運(yùn)行狀態(tài)之間的差異，得出系統(tǒng)健康狀態(tài)及維護(hù)建議[4]。故障診斷系統(tǒng)流程如圖6所示。

圖6 故障診斷系統(tǒng)流程

以設(shè)備的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在健康管理組件中定義系統(tǒng)故障模型中各項(xiàng)參數(shù)的屬性，自動(dòng)采集系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)并分析系統(tǒng)在各種工況下各參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性，創(chuàng)建能源系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)故障診斷模型。

能源系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，故障診斷系統(tǒng)從數(shù)據(jù)服務(wù)器實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)系統(tǒng)故障診斷模型對(duì)比計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與同工況下各歷史安全狀態(tài)的相似度，并通過(guò)一組相似度值生成相似度曲線(xiàn)，反映系統(tǒng)整體狀態(tài)的安全變化情況。系統(tǒng)根據(jù)相似度的偏離量實(shí)時(shí)輸出一個(gè)代表設(shè)備在線(xiàn)安全狀態(tài)的健康指數(shù)。實(shí)時(shí)健康分析界面如圖7所示。

圖7 實(shí)時(shí)健康分析界面

2 平臺(tái)試運(yùn)行

本平臺(tái)系統(tǒng)已在公司服務(wù)器上完成部署，并接入某住宅小區(qū)項(xiàng)目的帕金斯 4016柴油機(jī)組進(jìn)行試運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)該機(jī)組信息的實(shí)時(shí)在線(xiàn)顯示和遠(yuǎn)程控制。

2.1 在線(xiàn)監(jiān)控

用戶(hù)通過(guò)平臺(tái)可下發(fā)多種類(lèi)型的控制命令，包括啟停機(jī)、運(yùn)行模式切換、修改設(shè)定值等，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)配置，可就地控制各種功能。設(shè)備監(jiān)控界面如圖8所示，控制指令下發(fā)界面圖9所示。

手機(jī)端采用扁平化設(shè)計(jì)，如圖10所示。用戶(hù)可快速了解機(jī)組的異常報(bào)警，接受任務(wù)通知，創(chuàng)建維保、檢修、巡檢等工作任務(wù)，如圖10所示。

2.2 信息查詢(xún)

卡片式管理和維護(hù)客戶(hù)、項(xiàng)目、設(shè)備的基礎(chǔ)信息、組件信息和額定參數(shù)，可避免因人員變動(dòng)、管理不善導(dǎo)致的資料丟失，客戶(hù)信息管理界面、項(xiàng)目信息管理界面和設(shè)備信息管理界面分別如圖11、圖12和圖13所示。

2.3 歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)和導(dǎo)出

平臺(tái)保存設(shè)備所有的歷史運(yùn)行記錄，并將其保存在云服務(wù)器中，用戶(hù)可隨時(shí)查看和導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)，并分析運(yùn)行數(shù)據(jù)趨勢(shì)。運(yùn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)和導(dǎo)出界面如圖14所示，運(yùn)行數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖如圖15所示。

圖8 設(shè)備監(jiān)控界面

圖9 控制指令下發(fā)界面

圖10 手機(jī)端應(yīng)用程序界面

圖11 客戶(hù)信息管理界面

圖12 項(xiàng)目信息管理界面

圖13 設(shè)備信息管理界面

圖14 運(yùn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)和導(dǎo)出界面

圖15 運(yùn)行數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖

2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

平臺(tái)可對(duì)所有接入的設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如年利用小時(shí)數(shù)、故障率、開(kāi)機(jī)率等。平臺(tái)支持工程常用的數(shù)值統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，用戶(hù)可自定義統(tǒng)計(jì)對(duì)象、統(tǒng)計(jì)方法和統(tǒng)計(jì)區(qū)間，系統(tǒng)自動(dòng)完成統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，并將結(jié)果輸出至監(jiān)控畫(huà)面和報(bào)警列表。

2.5 在線(xiàn)維保

運(yùn)維管理組件可編輯一系列基本規(guī)則。針對(duì)不同種類(lèi)的設(shè)備進(jìn)行組合，在達(dá)到預(yù)定的運(yùn)行周期后，對(duì)用戶(hù)推送維保任務(wù)。用戶(hù)在完成維保后，可上傳視頻、照片等完工證明材料以結(jié)束任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)了維保任務(wù)的閉環(huán)管理。

3 結(jié)論

1）基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立了一套發(fā)電機(jī)組云控制管理系統(tǒng)平臺(tái)；實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)高速、實(shí)時(shí)采集和處理，故障信息動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)，控制器數(shù)據(jù)云傳輸；完成了發(fā)電機(jī)組故障模型和故障預(yù)測(cè)算法的開(kāi)發(fā)。

2）在發(fā)電機(jī)組和制冷機(jī)組上完成了應(yīng)用驗(yàn)證，大大降低了機(jī)組運(yùn)行維護(hù)的人力、物力成本。

3）因公司服務(wù)器資源較為緊張，目前采用單臺(tái)云服務(wù)器部署本系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集和應(yīng)用軟件沒(méi)有獨(dú)立，應(yīng)用層如占用系統(tǒng)資源過(guò)多，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)出現(xiàn)異常。由于沒(méi)有獨(dú)立的備份服務(wù)器，存在數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)。平臺(tái)研發(fā)過(guò)程中，考慮到大量用戶(hù)和設(shè)備同時(shí)接入的情況，采取優(yōu)先滿(mǎn)足大多數(shù)用戶(hù)需求的策略，即為了防止服務(wù)器壓力過(guò)大，對(duì)部分功能進(jìn)行了限制。后續(xù)研發(fā)過(guò)程中，會(huì)對(duì)此問(wèn)題加以?xún)?yōu)化和完善。