自动化仪表的远程智慧运维系统设计

祁艳艳，田 波，徐光建，刘先振

(重庆川仪自动化股份有限公司，重庆 401121)

0 引言

随着“中国制造2025”战略计划的逐步推进，我国工业生产的技术水平日新月异，行业竞争日益激烈。而传统的工业由于人力成本高、生产效率低、安全隐患多、环境影响大等因素的影响，各行各业对生产设备自动化的要求越来越标准化。

随着自动化技术的飞速发展，有关自动化的仪器设备被大量应用在工业生产制造上。其中，自动化仪表在电力、化工、石油等多个工业生产领域得到了广泛应用。然而，企业生产中由于设备使用时间过长、设备老旧、操作使用方式不当等，使仪表经常遇到设备故障。仪表故障率越高，企业的生产加工进度越慢、安全隐患越大。因此，能否在第一时间解决仪表故障，有效保障作业进度及生产效益，已成为企业极为重视的问题[1-3]。

1 自动化仪表的运维管理现状分析

随着工业自动化水平的提升，自动化仪表的用量不断增长，仪表故障量也不断增多。但是自动化仪表的运维仍停留在比较原始的阶段，技术手段单一，每项运维工作都需抵达现场。以重庆川仪为例，传统的运维模式一般是：仪表出现故障后，现场的工作人员致电给该企业售后客服人员；客服人员将了解到的现场情况反映给运维管理人员；运维管理人员再派运维工程师去现场解决问题。整个运维过程周期长、成本高。仪表种类数量多、分布广、维护人员少等问题给仪表运维管理带来了诸多困难。与传统的运维模式相比，基于云平台的智慧运维系统可远程实时监控仪表的运行情况，并及时预警，以减少故障发生率；同时，当仪表出现故障以后，技术人员可以远程诊断解决大部分问题，小部分故障无法解决才派运维工程师去现场解决，显著减少了去现场运维的次数和成本[4]，更加先进、安全、经济、实用。智慧运维和传统运维模式对比如图1所示。

图1 智慧运维和传统运维模式对比示意图

2 智慧运维系统架构设计

自动化仪表的全生命周期包含仪表产品的设计、生产、销售、物流运输、维修和报废等环节。远程智慧运维系统的设计以仪表全生命周期为核心，实现从仪表生产到现场使用的全过程监控及故障预警服务。根据仪表的具体运维情况设计的智慧运维系统主要包括数据采集、网络传输、云服务器应用平台、终端监控设备模块。智慧运维系统架构如图2所示。

图2 智慧运维系统架构图

2.1 数据采集层

曼彻斯特通信采集卡将现场仪表运行时的电流、电压、压力、温度、流量等参数信息实时地传送给通信控制器。通信控制器通过以太网将数据信息传送到现场监控设备。现场监控设备通过无线网络将数据传输到云服务器，设计方将根据数据分析进行运维管理服务。

2.2 网络传输层

网络传输包括:①采集层,曼彻斯特通信采集卡与压力表等的RS-232传输，曼彻斯特通信采集卡与通信控制器的曼彻斯特通信传输，DI/DO与通信控制器的RS-485传输；②通信控制层，通信控制器与现场PC-HMI监控机的以太网通信传输；③云服务应用层，现场PC-HMI监控机与云服务器间的无线网传输，云服务与终端监控设备间的无线网传输。

2.3 云服务器应用平台

云服务器平台指川仪物联网平台，可实现数据记录、设备监测、故障预测、网络监控等功能。该平台可接入企业资源管理系统、运行监控系统、售后运维系统等。

2.4 终端监控设备

终端监控设备包括通过现场局域网/广域网连接的WEB展示、移动端展示、大屏展示等。

3 智慧运维系统功能架构设计

该远程运维系统的功能架构如图3所示。功能架构包含采集层、数据层、逻辑层和应用层。

图3 智慧运维系统功能架构图

数据采集平台接收来自现场仪表的数据、通信数据(网络流量数据)、人为录入数据；采集平台每天生成大量的数据，涉及仪表的基本信息、运维信息、服务返回信息等。利用这些数据，现场管理人员可以客观掌握整个现场仪表的运行情况；车间管理人员可以了解仪表设备运行保养状态、质量稳定性等专业信息。若仪表出现故障，仪表设计方可以利用这些数据分析问题，找出解决办法。

数据层负责对现场仪表的实时运行状态、仪表维修、保养等信息进行分类整理归档，保证数据的完整性、统一性，为上层业务系统提供数据支撑。

逻辑层包括运维系统的故障预测模块、运维记录模块、运维评估模块、运维决策模块等数据应用操作服务。

应用层主要包括网络监控、仪表数据监控、业务监控、应用监控等监控模块，系统设置、仪表管理、报表管理、售后管理等管理模块，以及为云平台管理系统的用户提供使用操作界面。

4 主要功能模块设计

远程智慧运维系统主要功能模块有通信控制器模块、智慧巡检模块、故障预警[5]模块和应用软件模块。

4.1 通信控制器模块设计

通信控制器运行在Linux嵌入式系统环境下，通过多路RS-485通信与多路Manchester通信采集多种类型现场仪表的数据，并进行分类整理归档。Manchester通信主要用于与石油探测井中的仪表通信，误码率较低。现场PC监控机通过以太网通信请求通信控制器存储的仪表数据。

4.2 智慧巡检模块设计

智慧巡检[6-7]模块分为巡检计划和巡检记录两个子模块。巡检计划模块根据仪表的常规巡查和季度巡查、去污和防腐[8]周期制定，到了巡检阶段会周期性地智能提醒巡检人员进行巡检。智能提醒包括发送短信、微信、邮箱提醒。巡检记录为巡检人员在正常巡检之后，录入到现场PC监控机。通过无线网络将记录传入云服务器中，支持其他业务运作。

4.3 故障预警模块设计

根据被监控仪表对象的正常的历史运行数据设定阈值，确定预警门槛，结合不同的时间范围、环境因素和仪表实时监控的性能参数等数据，运维评估模块对其进行整理分析对比。对仪表的性能进行预测和评估，运维决策模块对仪表的维修计划、维修时间表、维修方案等作出决策，或者选择向现场工作人员或者设计方售后运维人员发出故障预警。若仪表出现故障，售后运维人员可以在系统上查询当前仪表运行状态信息，快速定位仪表故障状态远程运维或者联系客户进行故障排查维修。

4.4 应用层软件设计

应用层功能分为监控功能和管理功能。监控功能是对现场仪表运行状态信息实时的监控，以便发现故障及时预警。管理功能包括围绕仪表的维修、巡检、预防性维护、停机等过程展开的设备管理、报表管理和运维管理。

应用层软件设计包括现场PC-HMI监控软件、设计方运维管理软件、手机APP软件等。

5 结束语

本文针对传统仪表的运维技术手段单一、运维时间周期长、成本高等问题，结合历史运维经验，设计了自动化仪表的远程智慧运维系统。该系统的故障预警功能显著增强了现场仪表的运行安全性，可视化监控和智能化的运维实现了现场仪表数据采集与远程运维需求，解决了因仪表地理位置分布广、监测运维困难等问题。该系统很大程度地缩短了运维时间周期、降低了成本，给公司带来了新的利益增长点。