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远程设备监控和管理

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发表于 2016-11-19 09:44:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
远程设备监控和管理



一.     简介
对于大型设备的运行状态监控,故障诊断,检修维护,备件管理等,日益得到设备厂商和最终用户的重视。相应的,远程设备监控和管理系统逐渐为越来越多的厂商所采用。现有的方案一般分两种:基于关系型数据库的典型信息系统,和基于SCADA软件的监控系统。随着装备水平和服务要求的不断提高,这些已有方案逐渐暴露其弊端。这表现在:(1)基于典型监控的方案,灵活性和扩展能力不足。(2)基于典型信息化的方案,容量,磁盘空间和实时性欠缺。(3)没有解决好基于Internet的实时数据采集。
北京艾克信控科技有限公司基于OPC UA这一最新的工业通信国际标准,实现远程数据采集。创造性地引入对象模型理念,包括基于对象模型的数据管理,以及基于对象模型的画面组态,实现数据处理和画面监控。并利用微软的富客户端浏览器应用技术,巧妙地把传统的管理和监控两种应用整合到一个平台。在此基础上实现了新一代的远程设备监控和管理系统。
二.      需求
·  采集远程设备的相关运行参数,做到实时诊断,以便在设备出现问题之前及时发现。当设备出现异常时,能及时发出报警,通知设备厂商和相关人员
·  由于不断增加新的监控设备,因此需要简化扩展功能。并且,最好能够动态修改,不影响现有系统的运行
·  分布区域广,需要尽量利用公用网络设施,减少投资。同时,又要求系统具有足够的安全性
·  设备数量众多,对系统性能要求高
三.     现存问题
1.       基于典型监控的方案,灵活性和扩展能力不足。
传统的SCADA方案,画面都是和测点关联,在新增加设备时,一般需要重新添加测点,重新组态画面,重新启动系统。
2.       基于典型信息化的方案,容量、磁盘空间和实时性的缺陷。
采用关系型数据库,如Oracle或SQL Server。这种方案充分利用各种成熟的IT技术,能够解决灵活扩展等的问题。但是使用关系型数据库处理实时数据,需要把每个刷新的数据写入数据库,而对于大系统来说,系统的瓶颈就在于磁盘读写速度。相比而言,实时数据库把实时数据更新放在内存中处理,只有历史数据(一般而言,相对较少)才存储到历史库中。所以,在处理实时数据的应用中,实时数据库容量远大于关系型数据库,经验数据约为5-10:1。同时,由于历史库采用了先进的压缩算法,占用的存储空间明显小于关系数据库,经验数据约为1:5-10。另外,采用关系型的客户端只能通过查询方式访问服务端,而没有专为实时数据设计的订阅/通知模式,这也不符合实时数据的变化特性,限制了整个系统效率。另外,这种方案难以实现基于SCADA方案的功能强大的设备报警/预警功能。
3.       没有解决好基于Internet的实时数据采集与传输。
现有的数据传输在实时性,效率或安全性方面存在着缺陷。比如,有些方案采用中心站轮询方式,这种方式效率低下,不适合网络状态相对不稳定的广域网;有些方案采用TCP协议,并使用特殊的端口,这种方式要求防火墙开放专门端口,容易造成系统漏洞。有些方式要求采用VPN,实际上相当于局域网应用,且费用昂贵。
四.      基于AicVision的方案概述
AicVision是面向物联网时代的数据采集、处理、存储和展示的平台(新一代SCADA),其数据传输基于OPC基金会最新的OPC UA标准,数据展示基于微软新一代富浏览器技术Silverlight(银光)。核心部件是其工业实时库和历史库。基于此平台搭建的远程设备监控和管理系统如下图所示:

整个系统包括监控数据中心,和各个现场采集站。系统基于Internet,为BS架构。
设备厂商的监控中心有固定域名或固定IP地址,可以从internet访问。中心包含以下软件系统:
·  WEB服务器 Web Server
·  实时数据库AicDatahub
·  历史数据库AicHistorian
·  应用服务器 Application Server
·  关系数据库SQLServer/Oracle
以上软件根据负荷状况,可以部署在单台或多台服务器主机上。
各个采集站安装在现场,从现场设备控制系统(如PLC)中采集数据,通过公网把数据发送到监控中心。采集站包含以下软件系统:
·  IO采集器 AicIOServer
设备厂商的运营维护部门在局域网通过浏览器访问此系统,并执行相应操作。最终用户和现场维护人员从广域网通过浏览器登录到系统,进行相关查询和操作。
五.       监控
本方案提供的主要监控功能如下:
1.       基于INTERNET的数据采集:
AicIOServer安装在现场的采集单元上或中心站的采集站。当安装在现场时,采集单元可以是工控机,平板电脑或智能采集终端(嵌入式平台)。AicIOServer从控制系统采集数据,通过各种网络接入方式联入INTERNET。传输协议采用OPC  UA,底层使用TCP或http/https,可以通过穿越防火墙,传给监控中心的实时数据服务器AicDatahub。数据传输可以采用主动上传方式,能有效减少通信负荷。上传频率可以动态改变,在设备异常时,加快采集频率。
当每个现场站采集数据较少,单独部署智能采集终端成本高时。AicIOServer可以集中安装在数据中心的采集站上。AicIOServer提供了灵活的接口,能够方便地和各种现场DTU连接。
2.       基于WEB的监控:
本系统采用真正的BS架构,数据服务与画面展示之间存在严格的分层,这为构建大型的分布式监控系统提供了强有力的支持。服务器可以分布部署,支持服务器级联。设备厂商的管理人员和客户都可以通过浏览器,根据自己权限访问监控系统,运行示例图:
基于地图的导航:

一组画面监控所有相同设备:



实时/历史趋势曲线:

实时/历史报表:

3.       面向对象建模:
设备监控的特点是大量重复,同类的设备需要监控的数据和画面完全相同。AicVision能够对设备对象进行建模,当增加设备时,只需要选择设备类型(对象模板),新建实例,然后稍做修改就完成了变量数据配置。最重要的是,对新建设备,可以做到不进行任何画面组态就能完成新增的监控任务。这大大减少了组态的工作量。
4.       动态扩展:
当增加新设备时,工程师站可以直接在正在运行的原系统上进行扩展,而不需要停止或重启系统。采集单元安装到现场后,可以直接按预先的设置联入到监控中心。
5.       强大的报警和事件:
基于OPC UA的报警和条件(Alarms and Conditions)模块,不仅可以实现常规的限值、偏差、变化率、开关报警,还能实现更为复杂的多变量条件表达式报警,这样报警就不仅仅局限于单个变量,结合服务器脚本功能,几乎能够实现任何复杂的报警功能。此外,针对某些行业或应用的安全生产需要,也提供了报警的强制确认功能,在报警未人工确认的情况下,报警记录将一直存在。除了报警,也支持对数据的各种操作产生审计(Audit)事件记录,从而确保人工操作的安全、规范。
基于以上功能强大的报警/事件,能够对有效地防患于未然,提供设备维护水平。

6.       服务器脚本:
数据服务器支持基于C#的脚本,可用于实现特殊的、定制化的需求,从而在不修改服务器端程序的情况下,对数据服务器的现有功能进行扩展和延伸。脚本可以基于时间条件触发(如定时器),也可以基于数据触发(如变量数据变化,表达式值变化等),还可以基于事件触发(如登录事件,报警事件等)。
7.       历史数据存储:
支持变量历史数据和事件历史记录的长期存储,并提供基于OPC UA标准的历史数据和事件访问接口。对于变量历史数据,支持变化死区压缩、趋势压缩等多种压缩存储方式,支持修改操作记录和插入注释(Annotation),支持原始数据查询及统计计算查询。
8.       画面回放:
任何画面,不需要进行配置,就可以随时切换到回放状态,并可以选择回放速度。
9.       数据续传:
IO采集站都有自己的数据缓存,当网络连接中断等异常发生时,可以在本地保存数据,当连接恢复后,可以继续把数据传递给对方(或从对方获取数据)。
10.   采集器远程部署
当采集单元部署在现场,如果需要修改其配置,可以远程部署到IOServer,而不需要到工程师到现场。
11.   采集器支持多平台:
IOServer可以部署在多种平台上,即可以部署在Windows平台,也可以支持Linux平台,甚至是Android平台。
                                                

                                                   部署在小米盒子                                                                                        部署在嵌入式工控机
12.   支持移动客户端:
本方案可以同时提供基于HTML5的移动客户端,可以在智能手机及PAD中使用。



六.            设备管理
本方案提供的设备管理包含了完善的设备管理功能。

1.       设备档案:
建立完善的设备档案,记录设备型号,编号,类型,销售日期,用户,维护记录等。通过设备档案,将设备的各类原始信息进行信息化管理,使设备档案查询工作方便快捷,设备的维修情况随时查阅。并为设备生命周期的管理提供基础数据。
Ø 建立详尽设备的设备基本档案,为设备的规范管理提供支持;
Ø 建立设备的养护信息档案,为设备的规范养护提供依据;
Ø 快捷的设备档案查询功能,可轻松查询出设备的各类静态、动态信息,包括设备基本档案、养护档案、运行状态、维修记录等;
厂商可以针对每种设备类型,预先设置设备维护流程。系统会根据每个用户各自的运行状况,自动提醒何时应该进行何种维护。客户或现场维修工程师在进行维护后,记录维护内容。
2.       设备保养:
可以针对每种设备类型,预先设置设备维护类型及周期。系统会根据每台设备各自的运行状况,自动提醒何时应该进行何种维护。设备管理部门制订维护保养计划,在经过各相关部门审核后,计划可下达到各个机台维修人员在进行维护后,记录维护内容。
Ø 自动分析设备的养护周期,自动提醒制定养护计划;
Ø 智能获取设备档案中的养护要求,自动生成润滑计划、检修计划;
Ø 全面的养护计划制定功能,可详尽记录设备养护所需的人力、材料、费用等信息;
Ø 规范的养护计划审批,实现设备养护的网络化管理;
Ø 审批通过的养护计划,自动生成养护工单,发送给设备维修人员处理;
Ø 设备养护工作跟踪,可及时准确了解设备养护工作的进展情况。
3.       设备检修:
设备维修流程规范化,信息化管理,使各类维修信息及时准确的传递到各个工作岗位,且每个环节均可以事后审查,提高了设备维修的效率,保障了设备运行的稳定性。
Ø 接收到故障报修单、养护申请单后,自动生成相应维修工单;
Ø 维修管理人员将维修工单中各类维修工作安排(维修人员、工时、材料及费用、操作规程等)进一步细化,完成任务分配工作;
Ø 被分配任务的维修人员系统自动进行新任务提醒;
Ø 维修人员通过维修记录功能,详细记录设备维修过程中的各类信息,以备日后查询;
Ø 设备修复或养护完成后,自动提醒相关人员进行修复验收工作;
Ø 所有的设备维修记录信息,将存储为维修知识库,为设备维修工作提供参考依据。
4.       备件管理:
本模块可以对配件进行新配件入库、修改配件信息、回收入库、添加到设备;可以对配件进行卸载、维修、替换、报废、入库、安装到原设备操作;可以查看配件详细信息、流动历史、配件使用者历史、维修历史、商家信息;可以查看使用者信息、所属设备信息。
系统提供备件更换提醒功能,当主要备件使用已接近最长使用寿命时,能够提醒更换作业。同时提供备件更换履历查询。
5.       消耗品管理:
最终用户可以管理使用的消耗品。包括消耗品入库,使用。
6.       备件/消耗品采购:
最终用户可以查看针对自己设备的备件/消耗品清单,并在线提交采购订单。此订单可以通过接口进入厂商的ERP销售系统。
7.       在线咨询:
客户的技术人员可以通过诊断答疑平台提出问题。厂商的技术专家可以就这些问题进行分析诊断,提出处理建议,直至问题解决。
8.       查询:
系统提供各种查询功能,包括设备维护历史,备件使用流转历史,备件/消耗品在用/库存/报废状况,订单执行状态。
运行示例如下:

七.       安全性
设备监控不同于普通的门户网站,对系统安全性要求更高。本系统从以下方面提供了完善的安全措施。
l 采集数据上传的安全:采集站通过OPC UA上传数据。OPC UA程序之间传递消息的底层通信技术提供了加密功能和签名技术,保证了消息的完整性,也防止了信息的泄漏。
l 可靠性:OPC UA标准含有高度可靠性和冗余性的设计,错误发现和自动纠正等新特征, 都使得符合OPC UA规范的软件产品可以很自如地处理通信错误和失败。
l 数据采集站的权限:每个数据采集站在上传数据前,必须通过身份验证。服务器为每个采集站分配相应的权限,使得它只能访问限定范围的数据。
l 数据服务与画面展示之间存在严格的分层,这为构建大型的分布式监控系统提供了强有力的支持
l 客户端应用运行于安全砂箱内,不存在ActiveX技术具有的安全隐患
l 厂商的维护人员和最终用户,通过分配的帐号登入系统。帐号按角色设定权限。权限分功能权限和数据权限。功能权限:根据能访问相应的菜单和画面。数据权限:不同权限客户在同一个界面看到的数据不同。
l 独立的客户权限:每个客户只能看到和自己相关的设备信息,而不能访问其它客户的设备。
八.       方案优势
1.       基于OPC UA(ISO/IEC 62541)标准
基于OPC UA标准完美实现了基于Internet的实时数据采集和传输,并且具有平台与语言无关、标准的安全模型、通信性能、访问统一性、可靠性和冗余性等优势。
2.       真正面向对象组态的监控系统
AicVision是世界范围内都少有的真正支持面向对象组态的监控系统,不同于传统组态软件中的结构变量、数据模型等“伪面向对象”的概念,AicVision提供了真正的面向对象建模功能,并且借助于OPC UA标准的地址空间模型,把对象的类型信息展示给客户端,从而实现基于对象类型而非对象实例的画面组态,这将大大简化工程组态的工作。
3.       处理海量实时数据
工业实时库在内存中处理实时数据,历史库压缩后存储,数据展示采用订阅/发布机制。这些特性充分保证本方案相比关系型数据库具有明显优势。
4.       功能强大的报警和事件
通过AicVision平台强大的报警和事件,能够实现各种故障预警功能,从而防患于未然。
5.       严格的安全和权限
采集器和实时库之间通过OPCUA传输数据,OPC UA作为国际通信标准,有着完善的安全体系。客户端采用功能权限和数据权限区分,不同的角色只能访问自己对应的功能,不同的客户只能访问自己对应的数据。
6.       完美的BS架构的监控
AicVision提供了完美的基于浏览器技术的解决方案,与传统的基于ActiveX控件技术的解决方案相比,此架构具有如下优势:
l 数据服务与画面展示之间存在严格的分层,这为构建大型的分布式监控系统提供了强有力的支持
l 服务器可以分布部署,支持服务器级联。
l 客户端应用运行于安全砂箱内,不存在ActiveX技术具有的安全隐患;
l  跨平台的,可运行于Windows及Mac平台;
l 跨浏览器的,支持所有主流的浏览器,包括Internet Explorer、Mozilla Firefox、Google Chrome等,而ActiveX技术只能用于InternetExplorer浏览器。
九.       成功案例
1.       天津锻压机厂远程设备监控
天津锻压机厂是国内锻压机的龙头企业,产品遍布全国各地,部分产品销往海外。公司希望借助此项目实现对大型锻压设备运行状态监控,当设备出现异常时及时发出报警,能够帮客户定期安排检修维护,并合理保有备品备件,同时,为客户提供各种统计数据,帮助客户进行科学决策。此系统能显著提高公司的服务水平,提升客户满意度,提高企业综合竞争力。
在本方案中,利用AicVision面向对象的数据处理和画面组态能力,可以在一个画面中监控所有相同类型的设备。基于Andrioid平台的AicIOServer可以部署到小米盒子中,从而实现低成品的数据采集平台。运行图:


带给客户的价值:
·  充分利用公用网络设施:AicIOServer通过公网,利用Tcp/Http协议向服务器传送数据,无需专网设施,降低运行成本,同时实现更加完善的安全机制
·  便于系统扩展:利用基于模型的画面组态,当新增设备时,只要根据模板创建设备对象,无需改动任何画面,就能实现对新设备的监控。整个过程能够在运行的系统上动态实现,而不需要停机部署
·  实时监控:能根据需要,快速采集现场数据,及时发现设备故障并发出报警
·  设备监控和设备管理的完美结合:把现场监控和设备,备件,维护等管理完美整合,为最终用户创造附加价值
2.       上海内燃机研究所监控
上海内燃机研究所隶属上汽集团。研究所的测试大楼共有30多套内燃机测试台架,进行内燃机测试。这些台架分布在10多个房间。每套测试台架已经有一套组态软件作为现场操作和终端监控。现需要在中控室,通过轮询、定点查询对各个台架的数据进行集中监控,并显示在两套大屏幕上。
各个实验台架几乎完全相同。本项目充分利用AicVision对象模型,建立一套对象模型,包括数据,报警。然后建立30多个对象。画面用相对绑定到模型。显示时,指定要显示的对象,整个画面数据就切换到此对象上。大屏幕用多窗口实现,每个窗口按位置拼接,并可以从主窗口,控制其余窗口显示内容。
本项目报警要求比较复杂,要根据多个变量内容生成报警,利用AicDataHub的条件报警,用 C#脚本实现各种复杂条件。AicDataHub提供报警区的概念,报警区和报警对象可以多对多,可以满足各种复杂的报警区要求。默认下,每个模型对象都 是对应一个报警区。同时,提供一个特殊的控件,可以显示各个报警区的实时报警个数。

3.       中船九院龙门吊远程监控
龙门吊是造船厂的核心设备,中船九院拟把中船集团在全国各大造船厂的龙门吊监控起来。此前曾委托某公司开发了一个系统,但经过试用,暴露出运行速度慢(画面切换需要十几秒,甚至几十秒),系统运行不稳定等问题。
作为试点项目,在本项目先实现对黄埔造船厂龙门吊的监控。现场采用SIEMENS S7-400控制器,AicIOServer部署在现场工控机,通过OPC和S7系统连接。工控机上安装Simatic Net组件,包含S7 OPCServer,通过TCP/IP和S7系统连接。AicIOServer作为OPC Client和S7 OPC Server连接。 AicIOServer把采集到的数据,利用OPC UA协议,通过Internet发送到位与上海的数据中心。
实时库AicDataHub完成实时数据处理,历史数据存储,报警功能。
在本方案中,充分利用AicVision面向对象的数据处理和画面组态能力,所有的画面都使用面向类型的画面组态,从而实现在一个画面中监控所有相同类型的设备。运行图:

项目特点:
·  充分利用公用网络设施:AicIOServer通过公网,利用Tcp/Http协议向服务器传送数据,无需专网设施,降低运行成本,同时实现更加完善的安全机制
· 画面回放,选择任意历史时段,播放速度,所有的画面都进入历史数据回放状态
· 便于系统扩展:利用基于模型的画面组态,当新增设备时,只要根据模板创建设备对象,无需改动任何画面,就能实现对新设备的监控。整个过程能够在运行的系统上动态实现,而不需要停机部署

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