智能儀表工業互聯網管理平臺設計淺析

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摘要：針對工業控制領域對儀表設備管理系統網絡化、智能化、易維護的需求，本文結合工業互聯網與WirelessHART技術，提出了基于先進云平臺架構的智能儀表工業互聯網管理平臺的設計與實現方法。該平臺是一個管理、維護現場設備資產的云平臺，提供儀表數字化監控、預測性維護、故障報警等功能，實現HART、WirelessHART等儀表的智能管理，并支持靈活組態、大數據分析，實現數據驅動的智能決策。該平臺是實現工廠設備資產管理的解決方案，能夠使智能設備發揮最大效益，減少儀表設備的損耗，降低企業生產與維護成本。

關鍵詞：智能儀表；設備管理；工業互聯網平臺；WirelessHART

近年來，伴隨著“中國制造2025”、“互聯網+”在我國的全面推進，智能儀表設備在工業控制領域大規模應用，企業高層越來越重視和關注設備上云以及設備資產管理的價值，對儀表設備管理軟件的網絡化、智能化、易維護等要求越來越高。目前市面上傳統的儀表設備管理系統（如西門子PDM設備管理站、艾默生的AMS資產管理系統、和利時的HAMS設備管理系統）均采用傳統C/S架構，且與操作系統緊密耦合，僅限于在工廠內部局域網部署，只能滿足項目級、公司級的管理范疇，還存在系統更新升級頻繁的風險，系統維護成本高。本文提出的智能儀表工業互聯網管理平臺基于先進的云平臺架構，支持分布式部署，動態擴容，適用于公司級、集團級網絡，能夠滿足多項目、跨地域、集團級多級管理；采用B/S結構，管理與操作人員可通過瀏覽器進行系統訪問，隨時、隨地操作和管理設備。

1總體設計

智能儀表工業互聯網管理平臺提供了一個管理、維護現場設備的平臺，連接并管理WirelessHART無線儀表、HART總線儀表以及常規儀表等現場設備，平臺可提供儀表狀態實時監測與可視化展示、故障報警與預警、儀表管理與維護等功能。平臺采用B/S結構，管理與操作人員可以方便的使用瀏覽器進行系統訪問。智能儀表工業互聯網管理平臺由儀表管理云平臺、邊緣管理器、現場通信接入系統3部分組成。平臺的總體網絡架構圖如圖1所示。（1）儀表管理云平臺儀表管理云平臺提供設備狀態監測、設備管理、報警管理、設備維護、用戶管理、統計分析等功能。支持私有云、公有云部署方式，提供Web服務，無需安裝客戶端，可以在內部網絡中的PC、手機、移動終端使用瀏覽器進行訪問；也可以通過防火墻連接到公網中，實現現場資產的遠程監控與維護。（2）邊緣管理器邊緣管理器通過現場總線接入系統與現場的智能儀表進行通信，通過以太網上網方式，將智能儀表數據傳輸至儀表管理云平臺，實現工業現場網絡與云平臺網絡的互聯互通，提供高效穩定的數據傳輸和安全可靠的設備遠程管理服務。（3）現場總線接入系統現場總線接入系統為智能儀表工業互聯網管理平臺提供現場儀表管理、通信的通道，支持WirelessHART與HART兩種接入方式，包括WirelessHART網關、WirelessHART適配器、HART多路器等設備。

2系統構成

智能儀表工業互聯網管理平臺基于先進的云平臺架構，由邊緣層、平臺層和應用層構成，軟件層次的詳細結構如圖2所示。

2.1邊緣層

（1）HART多路器網絡HART多路器網絡通過有線HART總線接入現場儀表，現場儀表通過HART安全柵分出兩路HART信號，一路連接DCS、PLC控制系統，一路連接HART多路器。HART多路器將現場HART信號轉換為RS485信號，與邊緣管理器連接。（2）WirelessHART網絡WirelessHART網絡通過無線的方式接入現場儀表，使用WirelessHART網關與適配器，方便快速的將現場儀表接入到WirelessHART網絡中，并通過以太網與邊緣管理器相連。（3）邊緣管理器邊緣管理器通信接口負責與儀表管理云平臺的通信，采用以太網連接，使用REST-API、MQTT等協議進行通信，內置Web管理軟件，支持網絡配置、數據配置、協議配置、實時數據、歷史數據、軟件更新等功能。

2.2平臺層

（1）平臺網關前端發送的請求，先通過平臺網關進行轉發，校驗，核實身份后才能與后端接口服務進行交互，網關中還集中了用戶登錄、驗證、鑒權等功能。（2）注冊中心展示各個微服務的運行情況，并展示各個服務的健康情況，服務上下線記錄等，各個服務之間的調用，包括網關與后端服務的交互，后端服務之間的交互，負載均衡都依賴注冊服務中緩存的IP地址與節點信息的對應關系，注冊中心本身支持高可用設計。（3）消息服務消息服務主要用來向前臺用戶端推送實時的報警消息，并提供功能間的消息調用。（4）監控服務監控服務主要監控各個服務的運行狀態，包括各個服務的CPU，內存占用，線程使用情況，系統運行日志等信息的實時監控。（5）Web服務Web服務中提供系統大部分功能的接口，設備狀態監測、設備管理、報警管理、設備維護、用戶管理、統計分析等。（6）消息中間件應用服務器與通信服務器，儀表設備的通信通過消息中間件EMQX進行交互，應用服務器將下發給設備的消息和向設備請求消息的內容發送EMQX，反之，通信服務器把消息發送到EMQX，由訂閱端訂閱屬于自己的消息。前臺用戶通過消息中間件訂閱屬于自己的報警消息。（7）關系型數據庫Mysql數據庫，相關的業務數據全部存儲在關系型數據庫中。（8）歷史數據庫InfluxD時序數據庫，存儲平臺產生的歷史數據。（9）Redis數據庫內存型數據庫，平臺的登錄信息都存儲在Redis當中存儲，還有一部分常用業務數據也存儲在Redis中，定期進行更新。（10）NFS文件系統軟件平臺所有的圖片文件，附件文件都統一存儲在文件系統，由文件系統提供一個出口，提供文件的訪問。

2.3應用層

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

2.4業務流程

智能儀表工業互聯網管理平臺的業務流程圖如圖3所示。

3系統驗證

為驗證智能儀表工業互聯網管理平臺的可行性，搭建如圖4所示的智能儀表管理演示系統，將多種智能儀表通過HART有線網絡和WirelessHART無線網絡接入至平臺，實現了智能儀表的遠程管理和維護；將應用服務器部署在華為云上，通過通信服務器與現場儀表通信，可以通過瀏覽器訪問智能儀表工業互聯網管理平臺，實現分權限的智能儀表設備的管理。經理論分析和系統驗證，智能儀表工業互聯網管理平臺具備以下特點及優勢：（1）基于先進的云平臺架構，支持分布式部署，支持異地、異構網絡的管理，實現多個現場的管控。（2）全面支持HART、WirelessHART總線技術，支持儀表云端組態與報警，提高報警響應速度與巡檢效率。（3）免除客戶端的限制，減少軟件維護工作，支持手機、平板、觸摸屏、多終端的展示，可以隨時、隨地，只要有網絡，即可進行操作與管理。（4）易于擴展，可隨著客戶端（瀏覽器數量）、儀表設備數量資源動態伸縮。

4結束語

本文描述的智能儀表工業互聯網管理平臺是一個管理、維護現場設備資產的云平臺，可幫助用戶連續監測智能設備的健康狀況，及時發現設備問題，避免重大損失；支持儀表云端組態與報警，提高報警響應速度與巡檢效率；自動記錄所有與智能設備相關的事件和警報，從而避免了人力浪費以及人為失誤；同時還可以集成儀表與閥門以及其它工廠設備的信息，打破信息孤島。該平臺已在核工業領域得到應用，幫助企業降低運維成本，減少停產時間，實現數據增值，滿足工控企業設備管理的需求。

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