智能仪表工业互联网管理平台设计浅析

摘要：针对工业控制领域对仪表设备管理系统网络化、智能化、易维护的需求，本文结合工业互联网与WirelessHART技术，提出了基于先进云平台架构的智能仪表工业互联网管理平台的设计与实现方法。该平台是一个管理、维护现场设备资产的云平台，提供仪表数字化监控、预测性维护、故障报警等功能，实现HART、WirelessHART等仪表的智能管理，并支持灵活组态、大数据分析，实现数据驱动的智能决策。该平台是实现工厂设备资产管理的解决方案，能够使智能设备发挥最大效益，减少仪表设备的损耗，降低企业生产与维护成本。

关键词：智能仪表；设备管理；工业互联网平台；WirelessHART

近年来，伴随着“中国制造2025”、“互联网+”在我国的全面推进，智能仪表设备在工业控制领域大规模应用，企业高层越来越重视和关注设备上云以及设备资产管理的价值，对仪表设备管理软件的网络化、智能化、易维护等要求越来越高。目前市面上传统的仪表设备管理系统（如西门子PDM设备管理站、艾默生的AMS资产管理系统、和利时的HAMS设备管理系统）均采用传统C/S架构，且与操作系统紧密耦合，仅限于在工厂内部局域网部署，只能满足项目级、公司级的管理范畴，还存在系统更新升级频繁的风险，系统维护成本高。本文提出的智能仪表工业互联网管理平台基于先进的云平台架构，支持分布式部署，动态扩容，适用于公司级、集团级网络，能够满足多项目、跨地域、集团级多级管理；采用B/S结构，管理与操作人员可通过浏览器进行系统访问，随时、随地操作和管理设备。

1总体设计

智能仪表工业互联网管理平台提供了一个管理、维护现场设备的平台，连接并管理WirelessHART无线仪表、HART总线仪表以及常规仪表等现场设备，平台可提供仪表状态实时监测与可视化展示、故障报警与预警、仪表管理与维护等功能。平台采用B/S结构，管理与操作人员可以方便的使用浏览器进行系统访问。智能仪表工业互联网管理平台由仪表管理云平台、边缘管理器、现场通信接入系统3部分组成。平台的总体网络架构图如图1所示。（1）仪表管理云平台仪表管理云平台提供设备状态监测、设备管理、报警管理、设备维护、用户管理、统计分析等功能。支持私有云、公有云部署方式，提供Web服务，无需安装客户端，可以在内部网络中的PC、手机、移动终端使用浏览器进行访问；也可以通过防火墙连接到公网中，实现现场资产的远程监控与维护。（2）边缘管理器边缘管理器通过现场总线接入系统与现场的智能仪表进行通信，通过以太网上网方式，将智能仪表数据传输至仪表管理云平台，实现工业现场网络与云平台网络的互联互通，提供高效稳定的数据传输和安全可靠的设备远程管理服务。（3）现场总线接入系统现场总线接入系统为智能仪表工业互联网管理平台提供现场仪表管理、通信的通道，支持WirelessHART与HART两种接入方式，包括WirelessHART网关、WirelessHART适配器、HART多路器等设备。

2系统构成

智能仪表工业互联网管理平台基于先进的云平台架构，由边缘层、平台层和应用层构成，软件层次的详细结构如图2所示。

2.1边缘层

（1）HART多路器网络HART多路器网络通过有线HART总线接入现场仪表，现场仪表通过HART安全栅分出两路HART信号，一路连接DCS、PLC控制系统，一路连接HART多路器。HART多路器将现场HART信号转换为RS485信号，与边缘管理器连接。（2）WirelessHART网络WirelessHART网络通过无线的方式接入现场仪表，使用WirelessHART网关与适配器，方便快速的将现场仪表接入到WirelessHART网络中，并通过以太网与边缘管理器相连。（3）边缘管理器边缘管理器通信接口负责与仪表管理云平台的通信，采用以太网连接，使用REST-API、MQTT等协议进行通信，内置Web管理软件，支持网络配置、数据配置、协议配置、实时数据、历史数据、软件更新等功能。

2.2平台层

（1）平台网关前端发送的请求，先通过平台网关进行转发，校验，核实身份后才能与后端接口服务进行交互，网关中还集中了用户登录、验证、鉴权等功能。（2）注册中心展示各个微服务的运行情况，并展示各个服务的健康情况，服务上下线记录等，各个服务之间的调用，包括网关与后端服务的交互，后端服务之间的交互，负载均衡都依赖注册服务中缓存的IP地址与节点信息的对应关系，注册中心本身支持高可用设计。（3）消息服务消息服务主要用来向前台用户端推送实时的报警消息，并提供功能间的消息调用。（4）监控服务监控服务主要监控各个服务的运行状态，包括各个服务的CPU，内存占用，线程使用情况，系统运行日志等信息的实时监控。（5）Web服务Web服务中提供系统大部分功能的接口，设备状态监测、设备管理、报警管理、设备维护、用户管理、统计分析等。（6）消息中间件应用服务器与通信服务器，仪表设备的通信通过消息中间件EMQX进行交互，应用服务器将下发给设备的消息和向设备请求消息的内容发送EMQX，反之，通信服务器把消息发送到EMQX，由订阅端订阅属于自己的消息。前台用户通过消息中间件订阅属于自己的报警消息。（7）关系型数据库Mysql数据库，相关的业务数据全部存储在关系型数据库中。（8）历史数据库InfluxD时序数据库，存储平台产生的历史数据。（9）Redis数据库内存型数据库，平台的登录信息都存储在Redis当中存储，还有一部分常用业务数据也存储在Redis中，定期进行更新。（10）NFS文件系统软件平台所有的图片文件，附件文件都统一存储在文件系统，由文件系统提供一个出口，提供文件的访问。

2.3应用层

（1）前端用户浏览器客户端，通过用户名，密码登录系统。（2）浏览器平台访问的前台客户端主要集中在浏览器上，前端功能通过接口与后台进行交互。

2.4业务流程

智能仪表工业互联网管理平台的业务流程图如图3所示。

3系统验证

为验证智能仪表工业互联网管理平台的可行性，搭建如图4所示的智能仪表管理演示系统，将多种智能仪表通过HART有线网络和WirelessHART无线网络接入至平台，实现了智能仪表的远程管理和维护；将应用服务器部署在华为云上，通过通信服务器与现场仪表通信，可以通过浏览器访问智能仪表工业互联网管理平台，实现分权限的智能仪表设备的管理。经理论分析和系统验证，智能仪表工业互联网管理平台具备以下特点及优势：（1）基于先进的云平台架构，支持分布式部署，支持异地、异构网络的管理，实现多个现场的管控。（2）全面支持HART、WirelessHART总线技术，支持仪表云端组态与报警，提高报警响应速度与巡检效率。（3）免除客户端的限制，减少软件维护工作，支持手机、平板、触摸屏、多终端的展示，可以随时、随地，只要有网络，即可进行操作与管理。（4）易于扩展，可随着客户端（浏览器数量）、仪表设备数量资源动态伸缩。

4结束语

本文描述的智能仪表工业互联网管理平台是一个管理、维护现场设备资产的云平台，可帮助用户连续监测智能设备的健康状况，及时发现设备问题，避免重大损失；支持仪表云端组态与报警，提高报警响应速度与巡检效率；自动记录所有与智能设备相关的事件和警报，从而避免了人力浪费以及人为失误；同时还可以集成仪表与阀门以及其它工厂设备的信息，打破信息孤岛。该平台已在核工业领域得到应用，帮助企业降低运维成本，减少停产时间，实现数据增值，满足工控企业设备管理的需求。

作者:李媛 马秀丽 杨祖业 张刚 王晶 王雪冰 单位:沈阳中科博微科技股份有限公司