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摘要：針對工業(yè)控制領域對儀表設備管理系統(tǒng)網(wǎng)絡化、智能化、易維護的需求，本文結合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與WirelessHART技術，提出了基于先進云平臺架構的智能儀表工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)管理平臺的設計與實現(xiàn)方法。該平臺是一個管理、維護現(xiàn)場設備資產(chǎn)的云平臺，提供儀表數(shù)字化監(jiān)控、預測性維護、故障報警等功能，實現(xiàn)HART、WirelessHART等儀表的智能管理，并支持靈活組態(tài)、大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅動的智能決策。該平臺是實現(xiàn)工廠設備資產(chǎn)管理的解決方案，能夠使智能設備發(fā)揮最大效益，減少儀表設備的損耗，降低企業(yè)生產(chǎn)與維護成本。

關鍵詞：智能儀表；設備管理；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺；WirelessHART

近年來，伴隨著“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”在我國的全面推進，智能儀表設備在工業(yè)控制領域大規(guī)模應用，企業(yè)高層越來越重視和關注設備上云以及設備資產(chǎn)管理的價值，對儀表設備管理軟件的網(wǎng)絡化、智能化、易維護等要求越來越高。目前市面上傳統(tǒng)的儀表設備管理系統(tǒng)（如西門子PDM設備管理站、艾默生的AMS資產(chǎn)管理系統(tǒng)、和利時的HAMS設備管理系統(tǒng)）均采用傳統(tǒng)C/S架構，且與操作系統(tǒng)緊密耦合，僅限于在工廠內部局域網(wǎng)部署，只能滿足項目級、公司級的管理范疇，還存在系統(tǒng)更新升級頻繁的風險，系統(tǒng)維護成本高。本文提出的智能儀表工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)管理平臺基于先進的云平臺架構，支持分布式部署，動態(tài)擴容，適用于公司級、集團級網(wǎng)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(tǒng)訪問，隨時、隨地操作和管理設備。

1總體設計

智能儀表工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)管理平臺提供了一個管理、維護現(xiàn)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(guī)儀表等現(xiàn)場設備，平臺可提供儀表狀態(tài)實時監(jiān)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(tǒng)訪問。智能儀表工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)管理平臺由儀表管理云平臺、邊緣管理器、現(xiàn)場通信接入系統(tǒng)3部分組成。平臺的總體網(wǎng)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(tài)監(jiān)測、設備管理、報警管理、設備維護、用戶管理、統(tǒng)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(wǎng)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(wǎng)中，實現(xiàn)現(xiàn)場資產(chǎn)的遠程監(jiān)控與維護。（2）邊緣管理器邊緣管理器通過現(xiàn)場總線接入系統(tǒng)與現(xiàn)場的智能儀表進行通信，通過以太網(wǎng)上網(wǎng)方式，將智能儀表數(shù)據(jù)傳輸至儀表管理云平臺，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡與云平臺網(wǎng)絡的互聯(lián)互通，提供高效穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸和安全可靠的設備遠程管理服務。（3）現(xiàn)場總線接入系統(tǒng)現(xiàn)場總線接入系統(tǒng)為智能儀表工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)管理平臺提供現(xiàn)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(wǎng)關、WirelessHART適配器、HART多路器等設備。

2系統(tǒng)構成

智能儀表工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡HART多路器網(wǎng)絡通過有線HART總線接入現(xiàn)場儀表，現(xiàn)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(tǒng)，一路連接HART多路器。HART多路器將現(xiàn)場HART信號轉換為RS485信號，與邊緣管理器連接。（2）WirelessHART網(wǎng)絡WirelessHART網(wǎng)絡通過無線的方式接入現(xiàn)場儀表，使用WirelessHART網(wǎng)關與適配器，方便快速的將現(xiàn)場儀表接入到WirelessHART網(wǎng)絡中，并通過以太網(wǎng)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(wǎng)連接，使用REST-API、MQTT等協(xié)議進行通信，內置Web管理軟件，支持網(wǎng)絡配置、數(shù)據(jù)配置、協(xié)議配置、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、軟件更新等功能。

2.2平臺層

（1）平臺網(wǎng)關前端發(fā)送的請求，先通過平臺網(wǎng)關進行轉發(fā)，校驗，核實身份后才能與后端接口服務進行交互，網(wǎng)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(wǎng)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(jié)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(jiān)控服務監(jiān)控服務主要監(jiān)控各個服務的運行狀態(tài)，包括各個服務的CPU，內存占用，線程使用情況，系統(tǒng)運行日志等信息的實時監(jiān)控。（5）Web服務Web服務中提供系統(tǒng)大部分功能的接口，設備狀態(tài)監(jiān)測、設備管理、報警管理、設備維護、用戶管理、統(tǒng)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(fā)給設備的消息和向設備請求消息的內容發(fā)送EMQX，反之，通信服務器把消息發(fā)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(shù)據(jù)庫Mysql數(shù)據(jù)庫，相關的業(yè)務數(shù)據(jù)全部存儲在關系型數(shù)據(jù)庫中。（8）歷史數(shù)據(jù)庫InfluxD時序數(shù)據(jù)庫，存儲平臺產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)。（9）Redis數(shù)據(jù)庫內存型數(shù)據(jù)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(yè)務數(shù)據(jù)也存儲在Redis中，定期進行更新。（10）NFS文件系統(tǒng)軟件平臺所有的圖片文件，附件文件都統(tǒng)一存儲在文件系統(tǒng)，由文件系統(tǒng)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(tǒng)。（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(yè)務流程

智能儀表工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)管理平臺的業(yè)務流程圖如圖3所示。

3系統(tǒng)驗證

為驗證智能儀表工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)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(tǒng)，將多種智能儀表通過HART有線網(wǎng)絡和WirelessHART無線網(wǎng)絡接入至平臺，實現(xiàn)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(xiàn)場儀表通信，可以通過瀏覽器訪問智能儀表工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)管理平臺，實現(xiàn)分權限的智能儀表設備的管理。經(jīng)理論分析和系統(tǒng)驗證，智能儀表工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)管理平臺具備以下特點及優(yōu)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(wǎng)絡的管理，實現(xiàn)多個現(xiàn)場的管控。（2）全面支持HART、WirelessHART總線技術，支持儀表云端組態(tài)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(wǎng)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(shù)量）、儀表設備數(shù)量資源動態(tài)伸縮。

4結束語

本文描述的智能儀表工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)管理平臺是一個管理、維護現(xiàn)場設備資產(chǎn)的云平臺，可幫助用戶連續(xù)監(jiān)測智能設備的健康狀況，及時發(fā)現(xiàn)設備問題，避免重大損失；支持儀表云端組態(tài)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(yè)領域得到應用，幫助企業(yè)降低運維成本，減少停產(chǎn)時間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)增值，滿足工控企業(yè)設備管理的需求。

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