儀器儀表智能運維平臺的設計

何方　孫志平　蔣伯華　張娜　單鶴南

關鍵詞：儀器儀表；運維；平臺

中圖分類號：TP702；TP274+.2 文獻標識碼：A

0引言

儀器儀表是工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的設備，其可靠運行對保障現(xiàn)場設備的正常工作至關重要。隨著科學技術的迅猛發(fā)展，工業(yè)現(xiàn)場對儀器儀表運行維護的要求也越來越高。工業(yè)自動化技術的迅速發(fā)展使智能診斷技術與智能運維技術廣泛應用在石油化工與電力等流程工業(yè)中，并起到十分重要的作用。傳統(tǒng)的儀器儀表維護方法主要包括事后檢修、計劃檢修和狀態(tài)檢修等。其中，事后維修又稱故障維修，是當儀器儀表出現(xiàn)故障或其他零件失效后所進行的一種非計劃性維修，這種方法僅適用于對生產(chǎn)影響較小的非重點部位，或是不適用于其他檢修方法的儀器儀表；計劃檢修又稱定期檢修，是根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗或維修計劃，事先制定好檢修類別、檢修周期以及檢修內(nèi)容和方式的一種維護方法，其一般適用于不能隨時停機檢修的流程工業(yè)以及自動化生產(chǎn)線；狀態(tài)檢修是以儀器儀表狀態(tài)為基礎、以儀器儀表狀態(tài)的檢測情況及發(fā)展趨勢為依據(jù)的一種維護方法，其經(jīng)過分析處理采集檢測到的數(shù)據(jù)，判斷儀器儀表的健康情況及未來的發(fā)展趨勢，能夠在儀器儀表發(fā)生故障或性能降至極限狀態(tài)前有計劃、有準備地安排維護。

對比以上幾種針對儀器儀表的維護方法，狀態(tài)檢修能夠?qū)ζ溥M行適時的、有針對性的維修，從而有效解決“維修過剩”與“維修不足”的問題。目前，狀態(tài)檢修的方法已得到德國、美國等發(fā)達國家的重視，并建立了符合自己產(chǎn)品特點的狀態(tài)管理系統(tǒng)。其他國外廠家也根據(jù)自動化儀器儀表的未來發(fā)展趨勢相繼推出包含故障表征、特征識別以及預測性維護技術的實時在線運維平臺系統(tǒng)。儀器儀表狀態(tài)檢修與故障診斷的智能運維技術長期被國外廠家壟斷，雖然國內(nèi)也有部分廠家對其進行了相關研究，但還尚未成熟。

因此，研究儀器儀表故障診斷技術與系統(tǒng)智能遠程運維技術，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)，具備智能監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲、故障診斷、安全評估、運維保障與多協(xié)議轉(zhuǎn)換器功能的儀器儀表智能運維平臺，具有十分重要的意義。

1系統(tǒng)組成

智能運維平臺主要由數(shù)據(jù)采集平臺、網(wǎng)絡傳輸平臺、數(shù)據(jù)存儲服務平臺、故障隱患挖掘服務平臺等部分組成，各部分密切聯(lián)系。儀器儀表智能運維平臺組成如圖1所示。

2平臺軟件設計

數(shù)據(jù)是智能運維平臺的基礎與準確預測的前提，數(shù)據(jù)采集技術領域已經(jīng)成為目前亟須深入研究的技術領域，其主要包括數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析和監(jiān)控等功能。

數(shù)據(jù)采集平臺及網(wǎng)絡傳輸平臺包括現(xiàn)場儀器儀表數(shù)據(jù)采集及網(wǎng)絡傳輸兩個部分。其中，現(xiàn)場儀器儀表數(shù)據(jù)采集主要包含可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信（Highway Addressable Remote Transducer，HART）協(xié)議儀器儀表狀態(tài)數(shù)據(jù)動態(tài)采集、非標儀器儀表狀態(tài)數(shù)據(jù)動態(tài)采集與數(shù)據(jù)采集器等部分；網(wǎng)絡傳輸則包含網(wǎng)絡服務器程序與數(shù)據(jù)庫等部分。

軟件的總體架構(gòu)由數(shù)據(jù)層、前端服務、機器學習、信息采集、基礎服務、通信層、展現(xiàn)層等部分組成。各部分組成如下：①數(shù)據(jù)層包括基礎信息、系統(tǒng)配置、儀器儀表數(shù)據(jù)、儀器儀表健康。②前端服務包括管理界面服務、可視化界面服務、數(shù)據(jù)推送。③機器學習包括數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)集成、特征識別、故障表征、預測性維護、健康值評估。④信息采集包括HART協(xié)議的數(shù)據(jù)采集、自動控制（OLE for Process Control，OPC）技術的數(shù)據(jù)采集。⑤基礎服務包括消息總線、線程管理、任務調(diào)度、事務管理、數(shù)據(jù)庫操作、日志記錄。⑥通信層包括超文本傳輸協(xié)議（Hypertext Transfer Protocol，HTTP）、在單個傳輸控制協(xié)議連接上進行全雙工通信的協(xié)議（WebSocket）、傳輸控制協(xié)議／網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）、OPC。⑦展現(xiàn)層包括系統(tǒng)管理界面和可視化界面。軟件總體架構(gòu)如圖2所示。

管理界面架構(gòu)由基礎模塊、功能服務、功能菜單等部分組成。各部分組成如下：①基礎模塊包括路由配置、跨域配置、后臺通信、命令解析。②功能服務包括菜單框架、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)同步、字體管理、靜態(tài)圖標、對象建立、對象銷毀、按鍵響應、動態(tài)刷新、窗口自適應。③功能菜單包括登錄界面、用戶、權(quán)限、儀器儀表查詢、系統(tǒng)參數(shù)、報警、日志。管理界面架構(gòu)如圖3所示。

用戶管理功能主要包括注冊用戶、查詢用戶、修改口令、刪除用戶和權(quán)限設置等功能，以實現(xiàn)對系統(tǒng)使用者的有序管理，從而保證系統(tǒng)使用的可靠性與安全性；儀表管理功能包括查詢儀器儀表和修改儀器儀表的功能，為使用者提供站庫儀器儀表的臺賬信息展示與修改功能；日志管理功能包括查詢登錄日志和查詢操作日志的功能，使對系統(tǒng)的操作與對儀器儀表的設置有跡可循，便于排查問題；報警管理功能包括報警信息展示和刪除功能，使管理員能夠及時得知站庫儀器儀表的不穩(wěn)定運行狀態(tài)；系統(tǒng)設置功能包括儀器儀表限值等功能，以實現(xiàn)對系統(tǒng)部分細節(jié)的修改。

后臺架構(gòu)由基礎組件、基礎模塊、管理模塊、數(shù)據(jù)處理、前端通信組成。各部分組成如下：①基礎組件包括數(shù)據(jù)庫、事務管理、線程池、跨域配置。②基礎模塊包括緩存、日志、消息、配置中心、文件。③管理模塊包括報警、用戶、權(quán)限、儀器儀表查詢、訪問控制、對象管理。④數(shù)據(jù)處理包括命令解析、格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)清洗、模型計算。⑤前端通信包括WebSocket通信、HTTP通信與數(shù)據(jù)打包。外部通信由OPC數(shù)據(jù)傳輸程序和HART數(shù)據(jù)傳輸程序組成。后臺架構(gòu)與外部通信如圖4所示。

后臺系統(tǒng)使用JavaSpring框架編寫，這是一個輕量級的開源容器框架。管理模塊溝通管理界面與數(shù)據(jù)庫，并與管理界面的功能一一對應，能夠?qū)ζ湔埱筮M行處理并返回執(zhí)行結(jié)果。數(shù)據(jù)處理模塊可以對站庫儀器儀表數(shù)據(jù)進行定制化處理，使來自數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)能夠以特定格式進入數(shù)據(jù)庫，并對HTTP數(shù)據(jù)傳輸接口進行定制化設計，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫與可視化界面、管理界面的互通。同時，提取儀器儀表數(shù)據(jù)的有效信息，供智能運維計算程序使用。外部通信模塊中，OPC數(shù)據(jù)傳輸程序和HART數(shù)據(jù)傳輸程序能夠分別接收來自集散控制（DCS）系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集器的儀器儀表數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)導入數(shù)據(jù)庫中。

3結(jié)論

自進入21世紀以來，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、5G技術的迅速發(fā)展與自動化儀器儀表技術水平的進步，工業(yè)現(xiàn)場對儀器儀表可靠性的要求越來越高。因此，研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的儀器儀表智能運維平臺，為工業(yè)現(xiàn)場設備的安全可靠運行提供保障，具有十分重要的意義。