智能运维平台数据采集器

国机传感科技有限公司 张 娜

沈阳仪表科学研究院有限公司 何晓菁

国机传感科技有限公司 韩 策 王松亭 常 伟 张 凯 袁 峰 金东义

本文介绍了一种智能运维平台数据动态采集器。能够灵活的实现现场HATR仪表、变送器、阀门等的数字量、模拟量、开关量的数据采集，并具有组态配置功能，实现读取任意部分实时数据、状态数据和仪表设置参数信息。在设计过程中，综合考虑现场复杂的工况，有针对性的对数据传输效率、抗干扰性、安全性等方面进行数据处理、软件滤波等设计，保障现场对数据可靠性的要求。数据传输方面标配TCP/IP网口、USB接口及485接口，方便现场灵活选择。

工业自动控制的迅速发展使智能诊断及智能运维技术在石化、电力、化工等流程工业中起到至关重要的作用。在安全可靠性方面，流程工业由于生产的连续性和大型化，保证生产的高效、安全、稳定运行，实现稳产、高产，才能获取最大的经济效益，因此安全可靠生产是流程工业的首要任务，智能诊断及智能运维技术对于流程工业是十分关键的，必须实现全生产过程的动态监控。

石化储运涉及到种类繁多的检测控制仪表，如温度、压力变送器、流量计、液位计等，这些仪表的状态直接关系到现场安全及生产效率。为了监控现场状态，在信息处理方面，要求实时在线采集大量的生产数据、工艺数据、状态数据等，再对数据进行分类算法、关联算法、预测算法、聚类算法等分析处理，实现仪表的智能诊断及智能运维。数据采集设计作为运维的基础起着承上启下关键的作用。

1 功能简介

智能运维平台数据采集器以标准协议方式，向HART、模拟量协议转换器，发送各种命令包，把从协议转换器传送过来的数据包，进行解析，再封装成标准的MODBUS-TCP 数据，以MODBUS TCP/IP协议方式，通过数据采集器的以太网网口进行数据传输，供网络中的数据服务器进行访问和管理。智能运维平台数据采集传输模式如图1所示。

图1 智能运维平台数据采集传输模式

数据采集器具有实时采集现场多种输出形式仪表测试数据及分析、打包整合的功能；同时具有以太网、USB、485等多种通讯接口，数据传输安全可靠，与现场设备配套灵活，兼容多种输入输出设备。

2 设计方案

智能运维平台数据采集器由中央处理单元、时钟模块、复位模块、模拟量输入接口、脉冲量输入接口、开关量输入接口、hart协议转换模块输入接口、RS485输入接口、以太网输出接口、USB输出接口、RS485输出接口等部分组成。

功能模块示意图见图2所示。

图2 功能模块示意图

智能运维平台数据采集器软件主程序流程图如图3所示。

图3 数据采集器主程序流程图

（1）模拟量采集模块

模拟量采集模块在智能诊断智能运维中起到至关重要的作用，可以发现现场仪表的细微变化，例如抖动、闪频等，对信号采集要求快速、准确，根据这些信息对仪表目前状态做出判断，也是整个系统的关键部件。

（2）以太网接口模块

以太网接口电路采用W5500以太网专用芯片进行设计。W5500是一款完全集成的、性价比高、引脚数少、带有通用处理器接口的单芯片快速以太网控制器。一个10/100M PHY和4K双字的SRAM。

W5500为适应各种处理器提供了8位、16位数据接口访问内部存储器。W5500协议层接口完全支持使用10Mbps下3类、4类、5类非屏蔽双绞线和100Mbps下5类非屏蔽双绞线，这是完全遵照IEEE 802.3u标准。它的自动协商功能将自动完成W5500配置以使其发挥出最佳性能，它还支持IEEE 802.3x全双工流量控制。W5500典型应用如图4所示。

图4 W5500典型应用

以太网模块是智能运维平台数据采集器的核心，起着承上起下的作用，对上通过以太网和网络服务器进行数据交换，对下依托模拟量、开关量传输和RS485网络和现场仪器仪表数据交换。服务器对于用于运维的数据的处理计算反应不用非常快，是一个数据长期积累、分析判断的过程。智能运维平台数据采集器设计选用了Modbus TCP指令格式进行通讯来实现平台主机与数据采集器的数据交换。

（3）485传输模块

485传输模块，它对现场仪器仪表的反应必须快速，由于现场变送器种类多、数量庞大，产生的实时数据的量也是非常巨大，而仪表运维平台对数据采集及数据传输的实时性的要求很高，必须保证控制的实时性。同时，软件设计上还根据现场仪表变化情况，通过工业网远程更新数据采集配置文件和通用命令组态配置，读取任意部分实时数据、状态数据和仪表设置参数信息，以实现数据采集的快速响应。

（4）Hart输入接口

现场仪表有许多都是遵守标准Hart协议，如温度、压力、液位、流量等变送器，对于这些Hart仪表的信号采集，我们的设计方案是增加一个Hart-485控制模块，每台Hart-485控制模块轮询采集15台变送器的数据，并将数据存储在数据存储器中，智能运维平台数据采集器通过RS485通讯，一次将15台变送器的hart数据采集至智能运维平台数据采集器中，并存储在智能运维平台数据采集器的数据缓冲区内。数据采用16进制浮点数据格式传输，每一个浮点数为4个字节。

（5）USB通讯接口

USB接口采用STM32F103MCU自带USB从控制器进行设计，STM32F103MCU自带的USB从控制器符合USB规范的通信连接。

（6）开关量输入通道模块设计

智能运维平台数据采集器设计的开关量输入通道采用日本东芝公司的TLP290光电耦合器进行设计，进行了有效的隔离，防止电路烧毁。

3 应用测试

网络调试助手模拟智能运维平台网络服务器，设置成TCP Client模式，智能运维平台数据采集器设置成TCP Server模式，TCP Client先发出连接请求，TCP Server响应后就可以自由收发数据了。智能运维平台网络服务器根据协议传送命令请求，智能运维平台数据采集器根据命令回复相应数据。传输速率115200波特率。简单采用网络调试助手监测数据的误码率。I/0模块程序设置为收到什么数据就会立即返回相同的数据。

智能运维平台数据采集器向智能运维平台网络服务器连续发送数据，通过网络调试助手接收到的数据反映出没有丢失一字节的数据，说明智能运维平台数据采集器通讯的性能稳定可靠。满足现场仪器仪表实时采集的应用要求。