基于远程数据采集技术的工业仪表系统*

2018-02-16陈月红杨振龙

现代矿业 2018年6期

张伟陈月红杨振龙

(丹东东方测控技术股份有限公司)

随着工业4.0的发展，传统工厂的生产自动化水平不断提高，需要使用更加智能的工业仪器仪表来面对日益增加的生产任务、更高质量标准要求的产品和无人值守的工业现场。传统工业仪表难以解决这些问题，便催生了基于远程数据采集技术的智能工业仪表。

远程数据采集技术应用范围很广，在工业仪表行业中，将湿度、温度、水分、灰分、压力等远程信号转换为数字量之后，通过网络将数据远程传输到工业仪表管理控制数据中心，经服务器系统进行大数据存储，通过智能算法对各项数据进行计算和整合、集中展示输出，为管理者及时准确掌控生产现场的实际情况和管理决策提供可靠的依据，并且解决了恶劣环境下工业现场无人值守的问题，实现了仪表设备远程故障检测，提高了生产效率，降低了生产成本，推动了智能工业的发展。

1 远程数据采集技术发展

仪器仪表是科技发展的重要工具，在工业生产发展中占据着非常重要的地位。由于生产工艺、地理位置等因素影响，工作仪表的安装位置不集中，工作环境比较恶劣。目前很多工厂逐步采取“低消耗、低排放、高效率”的经济发展方式，以加快新一代信息技术与工业深度融合为主线，在资源利用方式上由粗放型向集约节约型转变。

随着信息技术的进步，工业仪表己由传统的控制电路发展为由微型计算机、接口电路、外部通用设备和工业生产对象等组成的量测系统。传统仪表的核心计算平台是微型计算机，工业环境一般条件恶劣，而微型计算机的防尘、防震等功能较差，不易维护、扩展性差、运维成本高等诸多问题逐渐暴露出来。

随着嵌入式技术飞速的发展，工业仪表的工作模式也由之前的传统电路、微机模式发展为嵌入式系统模式，集成化程度越来越高。大多数仪表的独立性也越来越强，功能相对简单的仪表集成管理难度不大，但功能复杂的仪表存在较多的管理问题，高精度、高速度和集成化的要求也导致其开发工作越来越复杂。

现阶段工业仪表出现的诸多不足主要集中在4个方面：一是仪表的可互操作性程度不高，实际应用中无法实现无缝衔接；二是自动化系统信息的安全性能不佳；三是系统的可靠性不高，故障诊断效率较低；四是程序与软件的可靠性差[1]。

随着工业需求和技术发展，越来越多的工厂迫切需要能实现远程数据采集的仪表系统，将工业仪表数据远程传输到管理控制数据中心，随时随地实现远程运维调试，对数据进行标准分析管理，实现工业现场无人值守。

安装范围较广的远程数据采集仪表的管理非常困难，大量实时数据难以被系统监控中心集中管控。因此通过网络通信技术对工厂内仪表的各类传感器进行数据采集与整合，通过网络远程传输到数据中心，由数据中心进行存储和计算，并根据各仪表特性进行开发管理，达到监视管理的目的。

远程数据采集技术的核心是控制中心软件。工业软件作为智能制造的重要基础和核心支撑，对推动我国制造业转型升级、实现制造强国战略具有重要意义[2]。工业仪表的维护与诊断技术也在不断发展，全面有效的维护与维修是确保仪表数据精准的保证[3]。在生产过程中，仪表集成度越来越高，仪表自动化在生产过程中的地位也不断凸显。通常情况下，将数据远程传到监控室，通过数据分析便可确定故障类型与所在，从而进行解决。

2 实现方式与技术

远程数据采集系统包括工业仪表、网络、不间断电源、数据服务器、光电转换器、公共网络交换机、远程数据采集监控程序和数据库等。

2.1 工业仪表

工业现场实时数据由工业仪表采集，如果工业仪表功能要求较简单，只需将处理后的数据上传到数据中心即可。但实际生产中，很多工业仪表要实现的功能比较复杂，业务功能需求变化快，软件配置参数多，人机互动频繁，数据完全在仪表中自动处理较难。因此这类工业仪表需将内部各类传感器测量的实时数据分别上传到数据处理中心，由远程数据采集监控程序进行汇总后再计算处理。工业仪表遍及工厂各个位置，种类繁杂，仪表在制造时要求其稳定性、可靠性要高。仪表与数据中心的通讯接口是基于网络的，根据仪表具体特性，传输到数据中心的数据也不尽相同，传输协议需要根据需求进行定制。

2.2 网络

数据集中管理需要将工厂各个生产线上的仪表数据上传到数据中心，需要稳定的连通网络。如果全部重新布线，成本高、工程量大，通过对整个厂区的网络资源进行整合并统一规划，如能利用现有网络或部分网络最好；如果没有可以整合利用的网络，重新布网选择仪表时，应适当扩大网络容量，以满足未来可能增加的网络传输需求。网络部署分有线传输和无线传输两种方式，可根据仪表具体特点选择传输方式。有线传输稳定性高，不会丢失数据；无线传输便捷性好，组网过程更加简单。对于集成性很高的仪表可以采用无线远程传输方式；对于传输数据量较大、实时性要求高的仪表，需要采用有线传输方式；对于计算复杂的仪表，需要将仪表内部传感器上传到服务中心、由数据中心进行解算的情况，应选择有线传输方式。

2.3 不间断电源

工业仪表需要不间断稳定运行，但工厂供电稳定性欠佳，机房可靠供电成为工业仪表稳定运行的关键，这就用到了不间断电源。不间断电源也称UPS电源，具有稳压、滤波、不间断3大基本功能，在工业仪表系统中可为数据服务器、计算机网络设备等提供稳定、不间断的电力供应。将蓄电池与主机相连接，通过主机逆变器等模块电路可以将存储在电源内的直流电转换成市电供工业仪表系统使用。在市电供电正常时，UPS电源起到稳压器和滤波器的作用，消除或削弱市电的不利干扰；在市电供电中断情况下，UPS电源通过逆变器切换的方法继续为仪表、计算机等负载设备供电。两种供电模式互相切换时间一般为零，从而实现不间断供电。UPS作为电力通信系统的基础电源，使用寿命、可靠性直接关系到工业仪表的正常工作。目前UPS电源的日常维护工作并没有得到相应的重视，导致故障发生率较高，运行维护效果较差[4]，需要加强维护保养。

2.4 远程数据采集监控程序

远程数据采集监控程序是整个系统的核心，接收、管理来自分布工厂内仪表传感器的数据。对于集成性高的仪表，远程数据采集监控程序接收整合其测量结果即可；对于业务功能复杂的仪表，远程数据采集监控程序需要接收仪表各传感器的数据后，经计算得出测量结果。

实时高效的监控程序具有数据采集、录入、查询、统计等功能，可获取远程仪表设备的运行状态信息，有效管理不同型号和规格的仪表，实现远程监控和故障诊断，提高设备使用效率，保证设备安全、稳定运行，实现设备实时远程调试维护，节约人力物力，降低运营成本。在实时采集数据的同时，还能对数据进行统计分析，通过数据表格、曲线波形图等形式展现给管理者，使其能够及时决策，使系统管理达到既定目标。由于工业仪表设备种类繁杂、数量多，远程数据采集监控程序对系统的可靠性要求非常高，需实现系统的故障自诊断、自隔离、故障自修复等。

2.5 其他计算机及网络设备

计算机和网络设备硬件要搭配合理。服务器计算机要求拥有较高的配置，在接收处理多仪表数据时能够高速运转，并且要求具有足够大的硬盘空间，以供存储较长时间的数据，网络设备则起到仪表与服务器计算机之间的资源共享作用。为减少更新硬件设备带来的额外成本和对工作的影响，服务器和网络设备应具有较高的可扩展性，以及时调整配置便于操作和管理。