智能儀表工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)設(shè)計(jì)淺析

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摘要：針對(duì)工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)x表設(shè)備管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、智能化、易維護(hù)的需求，本文結(jié)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與WirelessHART技術(shù)，提出了基于先進(jìn)云平臺(tái)架構(gòu)的智能儀表工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。該平臺(tái)是一個(gè)管理、維護(hù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備資產(chǎn)的云平臺(tái)，提供儀表數(shù)字化監(jiān)控、預(yù)測(cè)性維護(hù)、故障報(bào)警等功能，實(shí)現(xiàn)HART、WirelessHART等儀表的智能管理，并支持靈活組態(tài)、大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能決策。該平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)工廠設(shè)備資產(chǎn)管理的解決方案，能夠使智能設(shè)備發(fā)揮最大效益，減少儀表設(shè)備的損耗，降低企業(yè)生產(chǎn)與維護(hù)成本。

關(guān)鍵詞：智能儀表；設(shè)備管理；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)；WirelessHART

近年來，伴隨著“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”在我國的全面推進(jìn)，智能儀表設(shè)備在工業(yè)控制領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用，企業(yè)高層越來越重視和關(guān)注設(shè)備上云以及設(shè)備資產(chǎn)管理的價(jià)值，對(duì)儀表設(shè)備管理軟件的網(wǎng)絡(luò)化、智能化、易維護(hù)等要求越來越高。目前市面上傳統(tǒng)的儀表設(shè)備管理系統(tǒng)（如西門子PDM設(shè)備管理站、艾默生的AMS資產(chǎn)管理系統(tǒng)、和利時(shí)的HAMS設(shè)備管理系統(tǒng)）均采用傳統(tǒng)C/S架構(gòu)，且與操作系統(tǒng)緊密耦合，僅限于在工廠內(nèi)部局域網(wǎng)部署，只能滿足項(xiàng)目級(jí)、公司級(jí)的管理范疇，還存在系統(tǒng)更新升級(jí)頻繁的風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)維護(hù)成本高。本文提出的智能儀表工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)基于先進(jìn)的云平臺(tái)架構(gòu)，支持分布式部署，動(dòng)態(tài)擴(kuò)容，適用于公司級(jí)、集團(tuán)級(jí)網(wǎng)絡(luò)，能夠滿足多項(xiàng)目、跨地域、集團(tuán)級(jí)多級(jí)管理；采用B/S結(jié)構(gòu)，管理與操作人員可通過瀏覽器進(jìn)行系統(tǒng)訪問，隨時(shí)、隨地操作和管理設(shè)備。

1總體設(shè)計(jì)

智能儀表工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)提供了一個(gè)管理、維護(hù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的平臺(tái)，連接并管理WirelessHART無線儀表、HART總線儀表以及常規(guī)儀表等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，平臺(tái)可提供儀表狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與可視化展示、故障報(bào)警與預(yù)警、儀表管理與維護(hù)等功能。平臺(tái)采用B/S結(jié)構(gòu)，管理與操作人員可以方便的使用瀏覽器進(jìn)行系統(tǒng)訪問。智能儀表工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)由儀表管理云平臺(tái)、邊緣管理器、現(xiàn)場(chǎng)通信接入系統(tǒng)3部分組成。平臺(tái)的總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖1所示。（1）儀表管理云平臺(tái)儀表管理云平臺(tái)提供設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、設(shè)備管理、報(bào)警管理、設(shè)備維護(hù)、用戶管理、統(tǒng)計(jì)分析等功能。支持私有云、公有云部署方式，提供Web服務(wù)，無需安裝客戶端，可以在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的PC、手機(jī)、移動(dòng)終端使用瀏覽器進(jìn)行訪問；也可以通過防火墻連接到公網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)資產(chǎn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與維護(hù)。（2）邊緣管理器邊緣管理器通過現(xiàn)場(chǎng)總線接入系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)的智能儀表進(jìn)行通信，通過以太網(wǎng)上網(wǎng)方式，將智能儀表數(shù)據(jù)傳輸至儀表管理云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)與云平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，提供高效穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸和安全可靠的設(shè)備遠(yuǎn)程管理服務(wù)。（3）現(xiàn)場(chǎng)總線接入系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線接入系統(tǒng)為智能儀表工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)提供現(xiàn)場(chǎng)儀表管理、通信的通道，支持WirelessHART與HART兩種接入方式，包括WirelessHART網(wǎng)關(guān)、WirelessHART適配器、HART多路器等設(shè)備。

2系統(tǒng)構(gòu)成

智能儀表工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)基于先進(jìn)的云平臺(tái)架構(gòu)，由邊緣層、平臺(tái)層和應(yīng)用層構(gòu)成，軟件層次的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1邊緣層

（1）HART多路器網(wǎng)絡(luò)HART多路器網(wǎng)絡(luò)通過有線HART總線接入現(xiàn)場(chǎng)儀表，現(xiàn)場(chǎng)儀表通過HART安全柵分出兩路HART信號(hào)，一路連接DCS、PLC控制系統(tǒng)，一路連接HART多路器。HART多路器將現(xiàn)場(chǎng)HART信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS485信號(hào)，與邊緣管理器連接。（2）WirelessHART網(wǎng)絡(luò)WirelessHART網(wǎng)絡(luò)通過無線的方式接入現(xiàn)場(chǎng)儀表，使用WirelessHART網(wǎng)關(guān)與適配器，方便快速的將現(xiàn)場(chǎng)儀表接入到WirelessHART網(wǎng)絡(luò)中，并通過以太網(wǎng)與邊緣管理器相連。（3）邊緣管理器邊緣管理器通信接口負(fù)責(zé)與儀表管理云平臺(tái)的通信，采用以太網(wǎng)連接，使用REST-API、MQTT等協(xié)議進(jìn)行通信，內(nèi)置Web管理軟件，支持網(wǎng)絡(luò)配置、數(shù)據(jù)配置、協(xié)議配置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、軟件更新等功能。

2.2平臺(tái)層

（1）平臺(tái)網(wǎng)關(guān)前端發(fā)送的請(qǐng)求，先通過平臺(tái)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，校驗(yàn)，核實(shí)身份后才能與后端接口服務(wù)進(jìn)行交互，網(wǎng)關(guān)中還集中了用戶登錄、驗(yàn)證、鑒權(quán)等功能。（2）注冊(cè)中心展示各個(gè)微服務(wù)的運(yùn)行情況，并展示各個(gè)服務(wù)的健康情況，服務(wù)上下線記錄等，各個(gè)服務(wù)之間的調(diào)用，包括網(wǎng)關(guān)與后端服務(wù)的交互，后端服務(wù)之間的交互，負(fù)載均衡都依賴注冊(cè)服務(wù)中緩存的IP地址與節(jié)點(diǎn)信息的對(duì)應(yīng)關(guān)系，注冊(cè)中心本身支持高可用設(shè)計(jì)。（3）消息服務(wù)消息服務(wù)主要用來向前臺(tái)用戶端推送實(shí)時(shí)的報(bào)警消息，并提供功能間的消息調(diào)用。（4）監(jiān)控服務(wù)監(jiān)控服務(wù)主要監(jiān)控各個(gè)服務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)，包括各個(gè)服務(wù)的CPU，內(nèi)存占用，線程使用情況，系統(tǒng)運(yùn)行日志等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控。（5）Web服務(wù)Web服務(wù)中提供系統(tǒng)大部分功能的接口，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、設(shè)備管理、報(bào)警管理、設(shè)備維護(hù)、用戶管理、統(tǒng)計(jì)分析等。（6）消息中間件應(yīng)用服務(wù)器與通信服務(wù)器，儀表設(shè)備的通信通過消息中間件EMQX進(jìn)行交互，應(yīng)用服務(wù)器將下發(fā)給設(shè)備的消息和向設(shè)備請(qǐng)求消息的內(nèi)容發(fā)送EMQX，反之，通信服務(wù)器把消息發(fā)送到EMQX，由訂閱端訂閱屬于自己的消息。前臺(tái)用戶通過消息中間件訂閱屬于自己的報(bào)警消息。（7）關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Mysql數(shù)據(jù)庫，相關(guān)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中。（8）歷史數(shù)據(jù)庫InfluxD時(shí)序數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)平臺(tái)產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)。（9）Redis數(shù)據(jù)庫內(nèi)存型數(shù)據(jù)庫，平臺(tái)的登錄信息都存儲(chǔ)在Redis當(dāng)中存儲(chǔ)，還有一部分常用業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)也存儲(chǔ)在Redis中，定期進(jìn)行更新。（10）NFS文件系統(tǒng)軟件平臺(tái)所有的圖片文件，附件文件都統(tǒng)一存儲(chǔ)在文件系統(tǒng)，由文件系統(tǒng)提供一個(gè)出口，提供文件的訪問。

2.3應(yīng)用層

（1）前端用戶瀏覽器客戶端，通過用戶名，密碼登錄系統(tǒng)。（2）瀏覽器平臺(tái)訪問的前臺(tái)客戶端主要集中在瀏覽器上，前端功能通過接口與后臺(tái)進(jìn)行交互。

2.4業(yè)務(wù)流程

智能儀表工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)的業(yè)務(wù)流程圖如圖3所示。

3系統(tǒng)驗(yàn)證

為驗(yàn)證智能儀表工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)的可行性，搭建如圖4所示的智能儀表管理演示系統(tǒng)，將多種智能儀表通過HART有線網(wǎng)絡(luò)和WirelessHART無線網(wǎng)絡(luò)接入至平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了智能儀表的遠(yuǎn)程管理和維護(hù)；將應(yīng)用服務(wù)器部署在華為云上，通過通信服務(wù)器與現(xiàn)場(chǎng)儀表通信，可以通過瀏覽器訪問智能儀表工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)分權(quán)限的智能儀表設(shè)備的管理。經(jīng)理論分析和系統(tǒng)驗(yàn)證，智能儀表工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)具備以下特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)：（1）基于先進(jìn)的云平臺(tái)架構(gòu)，支持分布式部署，支持異地、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的管理，實(shí)現(xiàn)多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的管控。（2）全面支持HART、WirelessHART總線技術(shù)，支持儀表云端組態(tài)與報(bào)警，提高報(bào)警響應(yīng)速度與巡檢效率。（3）免除客戶端的限制，減少軟件維護(hù)工作，支持手機(jī)、平板、觸摸屏、多終端的展示，可以隨時(shí)、隨地，只要有網(wǎng)絡(luò)，即可進(jìn)行操作與管理。（4）易于擴(kuò)展，可隨著客戶端（瀏覽器數(shù)量）、儀表設(shè)備數(shù)量資源動(dòng)態(tài)伸縮。

4結(jié)束語

本文描述的智能儀表工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)是一個(gè)管理、維護(hù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備資產(chǎn)的云平臺(tái)，可幫助用戶連續(xù)監(jiān)測(cè)智能設(shè)備的健康狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備問題，避免重大損失；支持儀表云端組態(tài)與報(bào)警，提高報(bào)警響應(yīng)速度與巡檢效率；自動(dòng)記錄所有與智能設(shè)備相關(guān)的事件和警報(bào)，從而避免了人力浪費(fèi)以及人為失誤；同時(shí)還可以集成儀表與閥門以及其它工廠設(shè)備的信息，打破信息孤島。該平臺(tái)已在核工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，幫助企業(yè)降低運(yùn)維成本，減少停產(chǎn)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)增值，滿足工控企業(yè)設(shè)備管理的需求。

作者:李媛 馬秀麗 楊祖業(yè) 張剛 王晶 王雪冰 單位:沈陽中科博微科技股份有限公司