仪器仪表智能运维平台的设计

何方　孙志平　蒋伯华　张娜　单鹤南

关键词：仪器仪表；运维；平台

中图分类号：TP702；TP274+.2 文献标识码：A

0引言

仪器仪表是工业生产过程中必不可少的设备，其可靠运行对保障现场设备的正常工作至关重要。随着科学技术的迅猛发展，工业现场对仪器仪表运行维护的要求也越来越高。工业自动化技术的迅速发展使智能诊断技术与智能运维技术广泛应用在石油化工与电力等流程工业中，并起到十分重要的作用。传统的仪器仪表维护方法主要包括事后检修、计划检修和状态检修等。其中，事后维修又称故障维修，是当仪器仪表出现故障或其他零件失效后所进行的一种非计划性维修，这种方法仅适用于对生产影响较小的非重点部位，或是不适用于其他检修方法的仪器仪表；计划检修又称定期检修，是根据生产经验或维修计划，事先制定好检修类别、检修周期以及检修内容和方式的一种维护方法，其一般适用于不能随时停机检修的流程工业以及自动化生产线；状态检修是以仪器仪表状态为基础、以仪器仪表状态的检测情况及发展趋势为依据的一种维护方法，其经过分析处理采集检测到的数据，判断仪器仪表的健康情况及未来的发展趋势，能够在仪器仪表发生故障或性能降至极限状态前有计划、有准备地安排维护。

对比以上几种针对仪器仪表的维护方法，状态检修能够对其进行适时的、有针对性的维修，从而有效解决“维修过剩”与“维修不足”的问题。目前，状态检修的方法已得到德国、美国等发达国家的重视，并建立了符合自己产品特点的状态管理系统。其他国外厂家也根据自动化仪器仪表的未来发展趋势相继推出包含故障表征、特征识别以及预测性维护技术的实时在线运维平台系统。仪器仪表状态检修与故障诊断的智能运维技术长期被国外厂家垄断，虽然国内也有部分厂家对其进行了相关研究，但还尚未成熟。

因此，研究仪器仪表故障诊断技术与系统智能远程运维技术，开发出具有自主知识产权，具备智能监测、数据存储、故障诊断、安全评估、运维保障与多协议转换器功能的仪器仪表智能运维平台，具有十分重要的意义。

1系统组成

智能运维平台主要由数据采集平台、网络传输平台、数据存储服务平台、故障隐患挖掘服务平台等部分组成，各部分密切联系。仪器仪表智能运维平台组成如图1所示。

2平台软件设计

数据是智能运维平台的基础与准确预测的前提，数据采集技术领域已经成为目前亟须深入研究的技术领域，其主要包括数据的采集、存储、分析和监控等功能。

数据采集平台及网络传输平台包括现场仪器仪表数据采集及网络传输两个部分。其中，现场仪器仪表数据采集主要包含可寻址远程传感器高速通道的开放通信（Highway Addressable Remote Transducer，HART）协议仪器仪表状态数据动态采集、非标仪器仪表状态数据动态采集与数据采集器等部分；网络传输则包含网络服务器程序与数据库等部分。

软件的总体架构由数据层、前端服务、机器学习、信息采集、基础服务、通信层、展现层等部分组成。各部分组成如下：①数据层包括基础信息、系统配置、仪器仪表数据、仪器仪表健康。②前端服务包括管理界面服务、可视化界面服务、数据推送。③机器学习包括数据清理、数据集成、特征识别、故障表征、预测性维护、健康值评估。④信息采集包括HART协议的数据采集、自动控制（OLE for Process Control，OPC）技术的数据采集。⑤基础服务包括消息总线、线程管理、任务调度、事务管理、数据库操作、日志记录。⑥通信层包括超文本传输协议（Hypertext Transfer Protocol，HTTP）、在单个传输控制协议连接上进行全双工通信的协议（WebSocket）、传输控制协议／网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）、OPC。⑦展现层包括系统管理界面和可视化界面。软件总体架构如图2所示。

管理界面架构由基础模块、功能服务、功能菜单等部分组成。各部分组成如下：①基础模块包括路由配置、跨域配置、后台通信、命令解析。②功能服务包括菜单框架、数据获取、数据同步、字体管理、静态图标、对象建立、对象销毁、按键响应、动态刷新、窗口自适应。③功能菜单包括登录界面、用户、权限、仪器仪表查询、系统参数、报警、日志。管理界面架构如图3所示。

用户管理功能主要包括注册用户、查询用户、修改口令、删除用户和权限设置等功能，以实现对系统使用者的有序管理，从而保证系统使用的可靠性与安全性；仪表管理功能包括查询仪器仪表和修改仪器仪表的功能，为使用者提供站库仪器仪表的台账信息展示与修改功能；日志管理功能包括查询登录日志和查询操作日志的功能，使对系统的操作与对仪器儀表的设置有迹可循，便于排查问题；报警管理功能包括报警信息展示和删除功能，使管理员能够及时得知站库仪器仪表的不稳定运行状态；系统设置功能包括仪器仪表限值等功能，以实现对系统部分细节的修改。

后台架构由基础组件、基础模块、管理模块、数据处理、前端通信组成。各部分组成如下：①基础组件包括数据库、事务管理、线程池、跨域配置。②基础模块包括缓存、日志、消息、配置中心、文件。③管理模块包括报警、用户、权限、仪器仪表查询、访问控制、对象管理。④数据处理包括命令解析、格式转换、数据清洗、模型计算。⑤前端通信包括WebSocket通信、HTTP通信与数据打包。外部通信由OPC数据传输程序和HART数据传输程序组成。后台架构与外部通信如图4所示。

后台系统使用JavaSpring框架编写，这是一个轻量级的开源容器框架。管理模块沟通管理界面与数据库，并与管理界面的功能一一对应，能够对其请求进行处理并返回执行结果。数据处理模块可以对站库仪器仪表数据进行定制化处理，使来自数据采集器的数据能够以特定格式进入数据库，并对HTTP数据传输接口进行定制化设计，以实现数据库与可视化界面、管理界面的互通。同时，提取仪器仪表数据的有效信息，供智能运维计算程序使用。外部通信模块中，OPC数据传输程序和HART数据传输程序能够分别接收来自集散控制（DCS）系统和数据采集器的仪器仪表数据，并将数据导入数据库中。

3结论

自进入21世纪以来，随着人工智能、大数据、云计算、5G技术的迅速发展与自动化仪器仪表技术水平的进步，工业现场对仪器仪表可靠性的要求越来越高。因此，研发出具有自主知识产权的仪器仪表智能运维平台，为工业现场设备的安全可靠运行提供保障，具有十分重要的意义。