智能運維平臺數據采集器

國機傳感科技有限公司 張 娜

沈陽儀表科學研究院有限公司 何曉菁

國機傳感科技有限公司 韓 策 王松亭 常 偉 張 凱 袁 峰 金東義

本文介紹了一種智能運維平臺數據動態采集器。能夠靈活的實現現場HATR儀表、變送器、閥門等的數字量、模擬量、開關量的數據采集，并具有組態配置功能，實現讀取任意部分實時數據、狀態數據和儀表設置參數信息。在設計過程中，綜合考慮現場復雜的工況，有針對性的對數據傳輸效率、抗干擾性、安全性等方面進行數據處理、軟件濾波等設計，保障現場對數據可靠性的要求。數據傳輸方面標配TCP/IP網口、USB接口及485接口，方便現場靈活選擇。

工業自動控制的迅速發展使智能診斷及智能運維技術在石化、電力、化工等流程工業中起到至關重要的作用。在安全可靠性方面，流程工業由于生產的連續性和大型化，保證生產的高效、安全、穩定運行，實現穩產、高產，才能獲取最大的經濟效益，因此安全可靠生產是流程工業的首要任務，智能診斷及智能運維技術對于流程工業是十分關鍵的，必須實現全生產過程的動態監控。

石化儲運涉及到種類繁多的檢測控制儀表，如溫度、壓力變送器、流量計、液位計等，這些儀表的狀態直接關系到現場安全及生產效率。為了監控現場狀態，在信息處理方面，要求實時在線采集大量的生產數據、工藝數據、狀態數據等，再對數據進行分類算法、關聯算法、預測算法、聚類算法等分析處理，實現儀表的智能診斷及智能運維。數據采集設計作為運維的基礎起著承上啟下關鍵的作用。

1 功能簡介

智能運維平臺數據采集器以標準協議方式，向HART、模擬量協議轉換器，發送各種命令包，把從協議轉換器傳送過來的數據包，進行解析，再封裝成標準的MODBUS-TCP 數據，以MODBUS TCP/IP協議方式，通過數據采集器的以太網網口進行數據傳輸，供網絡中的數據服務器進行訪問和管理。智能運維平臺數據采集傳輸模式如圖1所示。

圖1 智能運維平臺數據采集傳輸模式

數據采集器具有實時采集現場多種輸出形式儀表測試數據及分析、打包整合的功能；同時具有以太網、USB、485等多種通訊接口，數據傳輸安全可靠，與現場設備配套靈活，兼容多種輸入輸出設備。

2 設計方案

智能運維平臺數據采集器由中央處理單元、時鐘模塊、復位模塊、模擬量輸入接口、脈沖量輸入接口、開關量輸入接口、hart協議轉換模塊輸入接口、RS485輸入接口、以太網輸出接口、USB輸出接口、RS485輸出接口等部分組成。

功能模塊示意圖見圖2所示。

圖2 功能模塊示意圖

智能運維平臺數據采集器軟件主程序流程圖如圖3所示。

圖3 數據采集器主程序流程圖

（1）模擬量采集模塊

模擬量采集模塊在智能診斷智能運維中起到至關重要的作用，可以發現現場儀表的細微變化，例如抖動、閃頻等，對信號采集要求快速、準確，根據這些信息對儀表目前狀態做出判斷，也是整個系統的關鍵部件。

（2）以太網接口模塊

以太網接口電路采用W5500以太網專用芯片進行設計。W5500是一款完全集成的、性價比高、引腳數少、帶有通用處理器接口的單芯片快速以太網控制器。一個10/100M PHY和4K雙字的SRAM。

W5500為適應各種處理器提供了8位、16位數據接口訪問內部存儲器。W5500協議層接口完全支持使用10Mbps下3類、4類、5類非屏蔽雙絞線和100Mbps下5類非屏蔽雙絞線，這是完全遵照IEEE 802.3u標準。它的自動協商功能將自動完成W5500配置以使其發揮出最佳性能，它還支持IEEE 802.3x全雙工流量控制。W5500典型應用如圖4所示。

圖4 W5500典型應用

以太網模塊是智能運維平臺數據采集器的核心，起著承上起下的作用，對上通過以太網和網絡服務器進行數據交換，對下依托模擬量、開關量傳輸和RS485網絡和現場儀器儀表數據交換。服務器對于用于運維的數據的處理計算反應不用非常快，是一個數據長期積累、分析判斷的過程。智能運維平臺數據采集器設計選用了Modbus TCP指令格式進行通訊來實現平臺主機與數據采集器的數據交換。

（3）485傳輸模塊

485傳輸模塊，它對現場儀器儀表的反應必須快速，由于現場變送器種類多、數量龐大，產生的實時數據的量也是非常巨大，而儀表運維平臺對數據采集及數據傳輸的實時性的要求很高，必須保證控制的實時性。同時，軟件設計上還根據現場儀表變化情況，通過工業網遠程更新數據采集配置文件和通用命令組態配置，讀取任意部分實時數據、狀態數據和儀表設置參數信息，以實現數據采集的快速響應。

（4）Hart輸入接口

現場儀表有許多都是遵守標準Hart協議，如溫度、壓力、液位、流量等變送器，對于這些Hart儀表的信號采集，我們的設計方案是增加一個Hart-485控制模塊，每臺Hart-485控制模塊輪詢采集15臺變送器的數據，并將數據存儲在數據存儲器中，智能運維平臺數據采集器通過RS485通訊，一次將15臺變送器的hart數據采集至智能運維平臺數據采集器中，并存儲在智能運維平臺數據采集器的數據緩沖區內。數據采用16進制浮點數據格式傳輸，每一個浮點數為4個字節。

（5）USB通訊接口

USB接口采用STM32F103MCU自帶USB從控制器進行設計，STM32F103MCU自帶的USB從控制器符合USB規范的通信連接。

（6）開關量輸入通道模塊設計

智能運維平臺數據采集器設計的開關量輸入通道采用日本東芝公司的TLP290光電耦合器進行設計，進行了有效的隔離，防止電路燒毀。

3 應用測試

網絡調試助手模擬智能運維平臺網絡服務器，設置成TCP Client模式，智能運維平臺數據采集器設置成TCP Server模式，TCP Client先發出連接請求，TCP Server響應后就可以自由收發數據了。智能運維平臺網絡服務器根據協議傳送命令請求，智能運維平臺數據采集器根據命令回復相應數據。傳輸速率115200波特率。簡單采用網絡調試助手監測數據的誤碼率。I/0模塊程序設置為收到什么數據就會立即返回相同的數據。

智能運維平臺數據采集器向智能運維平臺網絡服務器連續發送數據，通過網絡調試助手接收到的數據反映出沒有丟失一字節的數據，說明智能運維平臺數據采集器通訊的性能穩定可靠。滿足現場儀器儀表實時采集的應用要求。