在石油天然氣領(lǐng)域，HART儀表已得到了廣泛的應(yīng)用，越來越多的用戶配置設(shè)備管理系統(tǒng)以獲取HART儀表額外豐富的信息并實(shí)施遠(yuǎn)程配置和維護(hù)，其本身也具備一定的自我診斷和感知能力。但是由于診斷的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性以及感知數(shù)據(jù)完整性等一系列問題，使得儀表自診斷和狀態(tài)感知達(dá)不到預(yù)期的效果。

在天然氣凈化廠，保障儀表的安全平穩(wěn)運(yùn)行是凈化裝置“安穩(wěn)長滿優(yōu)”運(yùn)行的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，隨著儀表維護(hù)人員的退休減員，凈化廠儀表設(shè)備自動(dòng)診斷的需求日益突出。傳統(tǒng)儀表維護(hù)的方式存在很多問題，如需要人工重復(fù)檢查導(dǎo)致巡檢效率低下;故障信息獲取難且分析效率低;維護(hù)記錄和校驗(yàn)歷史數(shù)據(jù)往往通過故障記錄本等方式記錄歸檔，未能形成電子知識(shí)庫不利于經(jīng)驗(yàn)分享等問題。

本文針對(duì)天然氣凈化領(lǐng)域中的HART儀表集中管理、故障智能診斷以及在線調(diào)校的需求，提出了基于分散控制系統(tǒng)(DCS)的HART儀表及控制回路故障智能診斷管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。

1、系統(tǒng)需求分析
1.1 業(yè)務(wù)需求分析
基于現(xiàn)狀分析，需要開發(fā)1套故障在線診斷管控系統(tǒng)，主要達(dá)到以下成效：
①減少人工巡檢頻次。通過更豐富的診斷信息實(shí)現(xiàn)智能儀表的“全面性”分析，通過在線監(jiān)測(cè)掌握儀表設(shè)備或回路狀態(tài)，減少人工巡檢頻次，最終取代人工巡檢，提高維護(hù)效率。
②減少對(duì)儀表維護(hù)人員的依賴。實(shí)現(xiàn)儀表控制回路故障在線定位，線上查看報(bào)警提示、輸出飽和狀態(tài)等設(shè)備實(shí)際狀態(tài)信息，提高儀表診斷準(zhǔn)確性。
③輔助工藝控制決策。掌握儀表數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在儀表設(shè)備出現(xiàn)故障信息報(bào)警時(shí)，更能果斷地做出應(yīng)急處置，保障工藝參數(shù)的平穩(wěn)控制。
④實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程回路測(cè)試。系統(tǒng)開車或者檢修時(shí)，維護(hù)人員需要對(duì)儀表設(shè)備進(jìn)行回路測(cè)試;通過該管控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)單人遠(yuǎn)程閉環(huán)反饋校驗(yàn)，解決了常規(guī)回路測(cè)試中需多人配合才能測(cè)試閉環(huán)回路的維護(hù)工作問題，節(jié)約測(cè)試時(shí)間50%，減少維護(hù)人員工作量，節(jié)省人力成本。
⑤實(shí)現(xiàn)在線調(diào)校。凈化廠包含眾多類型現(xiàn)場(chǎng)儀表，常規(guī)儀表設(shè)備調(diào)校需要使用手操器在現(xiàn)場(chǎng)逐一調(diào)校單個(gè)儀表。通過該系統(tǒng)可以同時(shí)遠(yuǎn)程調(diào)校多個(gè)智能儀表，優(yōu)化工作流程，節(jié)省調(diào)校時(shí)間50%，降低維護(hù)人員在風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)所的暴露時(shí)間。
⑥在線編輯、查看維護(hù)記錄。解決低效的紙質(zhì)文檔傳遞和記錄丟失問題，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)檢維修記錄和總結(jié)的線上歸檔，優(yōu)化了儀表維護(hù)工作流程和記錄，方便不同的維護(hù)人員隨時(shí)調(diào)閱，提高維護(hù)人員的專業(yè)技能水平。

故障智能診斷管理系統(tǒng)的業(yè)務(wù)框架如圖1所示。



圖1 故障智能診斷管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)框架示意

1.2 可行性分析
1.2.1 經(jīng)濟(jì)可行性
前端數(shù)據(jù)接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，后端系統(tǒng)采用B/S的架構(gòu)，整個(gè)Web程序部署在辦公網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)環(huán)境的1臺(tái)服務(wù)器上，用戶僅需1臺(tái)能接入辦公網(wǎng)且安裝了瀏覽器的電腦，即可登錄系統(tǒng)進(jìn)行操作。所需硬件成本較低，且該系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能完善，后期運(yùn)行維護(hù)的成本也比較低，因此，開發(fā)該系統(tǒng)具有較高的經(jīng)濟(jì)可行性。

所謂一級(jí)核算是醫(yī)院財(cái)務(wù)對(duì)制劑部門成本費(fèi)用的核算，醫(yī)院把制劑部門作為利潤中心，對(duì)制劑部門消耗的直接材料費(fèi)用、直接人工費(fèi)用及制造費(fèi)用進(jìn)行歸集，對(duì)制劑部門的收入、支出及結(jié)余狀況進(jìn)行核算。在一級(jí)核算基礎(chǔ)上，醫(yī)院在制劑部門設(shè)成本專管員二級(jí)核算，主要對(duì)每類品種的制劑部門可控變動(dòng)成本進(jìn)行核算。對(duì)于無法直接歸集的生產(chǎn)制劑所占用的廠房、生產(chǎn)設(shè)備等固定資產(chǎn)折舊、水電費(fèi)、管理費(fèi)用或其他間接費(fèi)用，則由財(cái)務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一歸集，再根據(jù)選定的方法進(jìn)行分?jǐn)?，?jì)入各相關(guān)制劑品種成本。這樣，既實(shí)現(xiàn)對(duì)制劑成本中占比最大比例的原材料成本進(jìn)行有效的針對(duì)性監(jiān)控，也具有可操作性。

1.2.2 技術(shù)可行性
從數(shù)據(jù)接入方面，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了凈化廠物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合，接入了InfluxDB時(shí)序數(shù)據(jù)庫，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行信息采集、分析評(píng)價(jià)，形成自動(dòng)解析、定位故障模型。從硬件運(yùn)行層面上，該系統(tǒng)可以部署在任何主流硬件平臺(tái)上，普通性能的服務(wù)器完全能夠流暢地運(yùn)行該系統(tǒng)并提供Web服務(wù)，由于該系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，用戶無需安裝任何客戶端，只需打開瀏覽器輸入U(xiǎn)RL即可訪問。因此，開發(fā)該系統(tǒng)從技術(shù)上是可行的。

1.2.3 安全可行性
從系統(tǒng)安全方面，該系統(tǒng)采用Apache Shiro安全框架，可完成認(rèn)證、授權(quán)、加密、會(huì)話管理與Web集成等功能，具備身份認(rèn)證、角色授權(quán)等優(yōu)點(diǎn)。且該系統(tǒng)部署在凈化廠辦公區(qū)內(nèi)網(wǎng)，與互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物理隔離，避免受到黑客和病毒的攻擊。從功能模塊方面，以儀表在線遠(yuǎn)程調(diào)校為例，部署在辦公網(wǎng)的Web服務(wù)器發(fā)出HART Command 43指令，通過HART通信服務(wù)器傳輸給OPC服務(wù)器工作站，下發(fā)到指定的HART儀表執(zhí)行“校零”操作，涉及到的TCP網(wǎng)絡(luò)通信和串行通信均處于生產(chǎn)網(wǎng)環(huán)境，設(shè)有嚴(yán)密的防火墻措施，確保系統(tǒng)的安全可行性。

2、系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)基于Ruoyi軟件進(jìn)行開發(fā)，Ruoyi是一款基于SpringBoot+Vue的前后端分離極速后臺(tái)開發(fā)框架，涉及到的技術(shù)選型有：系統(tǒng)環(huán)境是Java EE+Maven，主框架是Spring Boot+Spring Security，前端視圖層則采用了Vue+Axios+Element UI，借用FineBI和SupOS技術(shù)進(jìn)行了大屏展示的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

數(shù)據(jù)庫采用MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，通過定時(shí)腳本接入現(xiàn)場(chǎng)InfluxDB時(shí)序數(shù)據(jù)庫定時(shí)采集數(shù)據(jù)。持久層運(yùn)用了Mybatis+Hibernate+Alibaba Druid，保障了數(shù)據(jù)的持久可靠存儲(chǔ)。服務(wù)層為上層提供了定時(shí)任務(wù)、數(shù)據(jù)權(quán)限等服務(wù)，應(yīng)用層則是滿足了用戶實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障定位及診斷、在線調(diào)校等需求。

故障智能診斷管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。



圖2 故障智能診斷管理系統(tǒng)架構(gòu)示意

3、系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
3.1 環(huán)境安裝配置
表1 開發(fā)環(huán)境搭建

3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)使用MySQL作為底層數(shù)據(jù)庫，作為最流行的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(RDBMS)，MySQL運(yùn)行速度快，可靠性高，系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)，開源且免費(fèi)。

該系統(tǒng)采用實(shí)體-聯(lián)系圖(E-R圖)的方法描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。E-R圖是通過一種直觀圖形的方法來描述現(xiàn)實(shí)世界中各種復(fù)雜的自然關(guān)系和社會(huì)關(guān)系。E-R圖中包含的元素分別是屬性、實(shí)體和聯(lián)系，實(shí)體指現(xiàn)實(shí)世界中存在的實(shí)際物體，屬性是指實(shí)體所固有的性質(zhì)，E-R圖可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為更具體的UML圖。系統(tǒng)涉及到的與業(yè)務(wù)相關(guān)的存在實(shí)體主要有：儀表基本信息、HART儀表靜態(tài)數(shù)據(jù)、回路點(diǎn)位、HART采集器基本信息、相關(guān)性分析、特性擴(kuò)展、儀表及回路診斷結(jié)果信息、HART動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、報(bào)警事件、組織機(jī)構(gòu)等，除此之外還包含字典表、配置表等系統(tǒng)功能表。

3.3 前端設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
該系統(tǒng)的前端借助Vue.js這一漸進(jìn)式JavaScript框架來構(gòu)建用戶界面，使用element-ui生成前端ui組件，最后依靠npm包管理軟件統(tǒng)一管理前端項(xiàng)目中需要用到的包、插件、工具、命令等，便于開發(fā)和維護(hù)。該前端模塊主要包括：系統(tǒng)登錄、綜合總覽(首頁)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警展示、故障診斷、在線調(diào)校七大模塊，除此之外還有設(shè)備管理、維護(hù)記錄、系統(tǒng)設(shè)置等功能模塊。

①系統(tǒng)登錄模塊。用戶輸入提前注冊(cè)好的用戶名和密碼即可登入系統(tǒng)。
②綜合總覽模塊。成功登錄后，展現(xiàn)在用戶面前的是當(dāng)前所有HART設(shè)備的數(shù)量及在線數(shù)，并通過餅圖、樹狀圖等方式直觀地展現(xiàn)設(shè)備類型、報(bào)警數(shù)量、異常數(shù)量、完整性等信息，方便管理人員掌握設(shè)備的實(shí)時(shí)全局動(dòng)態(tài)，做出正確的決策。
③實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模塊。該模塊通過表格的方式展現(xiàn)當(dāng)前在線儀表的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，包含名稱、通道號(hào)、數(shù)字主變量、模擬主變量、電流等關(guān)鍵信息?？赏ㄟ^選擇單位、時(shí)間過濾篩選。
④歷史數(shù)據(jù)模塊。該模塊可通過設(shè)備類型、單位、日期等條件篩選儀表歷史數(shù)據(jù)，柱狀圖顯示儀表正常工作時(shí)長、故障時(shí)長以及報(bào)警時(shí)長。
⑤報(bào)警展示模塊。該模塊展示當(dāng)前設(shè)備的報(bào)警頻次、時(shí)長及占比。
⑥故障診斷模塊。該模塊展示當(dāng)前設(shè)備的工作狀態(tài)值如通信狀態(tài)、工作狀態(tài)、電流電壓值等，在儀表對(duì)應(yīng)的回路模型定位故障，通過后端大數(shù)據(jù)模型智能診斷并分析出儀表故障的原因。
⑦在線調(diào)校模塊。該模塊對(duì)任意1塊現(xiàn)場(chǎng)儀表可在線遠(yuǎn)程調(diào)校零位。

3.4 后端設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
前端代碼是由瀏覽器渲染直接與用戶交互的部分，系統(tǒng)后端則是用于操作服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫的代碼。由于該系統(tǒng)采用了前后端完全分離的架構(gòu)，前端和后端可以獨(dú)立運(yùn)行，相互之間則通過開發(fā)人員提前約定好的接口(API)交互數(shù)據(jù)。后端的主框架是Spring Boot 2.2+Maven 3，采用了Mybatis和Alibaba Druid作為持久層將數(shù)據(jù)持久化，底層數(shù)據(jù)庫則選擇了MySQL+Redis。該系統(tǒng)采用了經(jīng)典的MVC框架，結(jié)構(gòu)如圖3所示。



圖3 MVC框架示意

圖3包括View層、Controller層、Service層和DAO(data access object)層。DAO層主要做數(shù)據(jù)持久層的工作，負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行聯(lián)絡(luò)的一些任務(wù)都封裝在此。Service層主要負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)模塊的應(yīng)用邏輯應(yīng)用設(shè)計(jì)，而Controller層負(fù)責(zé)具體的業(yè)務(wù)模塊流程的控制，View層則屬于前端的范疇，其他三層是后端重點(diǎn)構(gòu)建的模型層。

4、結(jié)束語
本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于DCS的HART儀表及控制回路故障智能診斷管理系統(tǒng)，主要的工作如下：
①對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了需求分析和概要設(shè)計(jì)，包括了對(duì)整體架構(gòu)和開發(fā)框架的設(shè)計(jì)與繪圖。
②遵循需求分析和概要設(shè)計(jì)的思路，進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括了MySQL數(shù)據(jù)庫的選型和數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、使用Vue.js和element-ui作為前端框架、采用Spring Boot作為后端架構(gòu)等。
③對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行模塊化測(cè)試和優(yōu)化。
④撰寫并完善開發(fā)文檔，沉淀一系列文檔包括并不限于整體架構(gòu)圖、開發(fā)框架流程圖、E-R圖、數(shù)據(jù)庫表等。

經(jīng)過探索研究，通過設(shè)計(jì)與開發(fā)該系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)獲取儀表設(shè)備豐富的數(shù)據(jù)信息，形成精確定位智能儀表及控制回路故障點(diǎn)的技術(shù)，提升現(xiàn)有儀表控制系統(tǒng)日常維護(hù)、檢維修質(zhì)量和輔助工藝決策控制，為管理、操作人員在線輔助指導(dǎo)，大幅提高儀表維護(hù)效率，進(jìn)而推動(dòng)傳統(tǒng)的儀表維護(hù)方式逐漸向更加科學(xué)全面、準(zhǔn)確評(píng)估儀表和閥門的健康狀況的高效維護(hù)方式轉(zhuǎn)變。

作者：沈俊豪、楊云杰、范志弘、肖逸軍