在石油天然氣領域，HART儀表已得到了廣泛的應用，越來越多的用戶配置設備管理系統以獲取HART儀表額外豐富的信息并實施遠程配置和維護，其本身也具備一定的自我診斷和感知能力。但是由于診斷的實時性、準確性以及感知數據完整性等一系列問題，使得儀表自診斷和狀態感知達不到預期的效果。

在天然氣凈化廠，保障儀表的安全平穩運行是凈化裝置“安穩長滿優”運行的重點環節，隨著儀表維護人員的退休減員，凈化廠儀表設備自動診斷的需求日益突出。傳統儀表維護的方式存在很多問題，如需要人工重復檢查導致巡檢效率低下;故障信息獲取難且分析效率低;維護記錄和校驗歷史數據往往通過故障記錄本等方式記錄歸檔，未能形成電子知識庫不利于經驗分享等問題。

本文針對天然氣凈化領域中的HART儀表集中管理、故障智能診斷以及在線調校的需求，提出了基于分散控制系統(DCS)的HART儀表及控制回路故障智能診斷管理系統的設計與實現方法。

1、系統需求分析
1.1 業務需求分析
基于現狀分析，需要開發1套故障在線診斷管控系統，主要達到以下成效：
①減少人工巡檢頻次。通過更豐富的診斷信息實現智能儀表的“全面性”分析，通過在線監測掌握儀表設備或回路狀態，減少人工巡檢頻次，最終取代人工巡檢，提高維護效率。
②減少對儀表維護人員的依賴。實現儀表控制回路故障在線定位，線上查看報警提示、輸出飽和狀態等設備實際狀態信息，提高儀表診斷準確性。
③輔助工藝控制決策。掌握儀表數據的準確性，在儀表設備出現故障信息報警時，更能果斷地做出應急處置，保障工藝參數的平穩控制。
④實現遠程回路測試。系統開車或者檢修時，維護人員需要對儀表設備進行回路測試;通過該管控系統可以實現單人遠程閉環反饋校驗，解決了常規回路測試中需多人配合才能測試閉環回路的維護工作問題，節約測試時間50%，減少維護人員工作量，節省人力成本。
⑤實現在線調校。凈化廠包含眾多類型現場儀表，常規儀表設備調校需要使用手操器在現場逐一調校單個儀表。通過該系統可以同時遠程調校多個智能儀表，優化工作流程，節省調校時間50%，降低維護人員在風險場所的暴露時間。
⑥在線編輯、查看維護記錄。解決低效的紙質文檔傳遞和記錄丟失問題，同時，實現檢維修記錄和總結的線上歸檔，優化了儀表維護工作流程和記錄，方便不同的維護人員隨時調閱，提高維護人員的專業技能水平。

故障智能診斷管理系統的業務框架如圖1所示。



圖1 故障智能診斷管理系統業務框架示意

1.2 可行性分析
1.2.1 經濟可行性
前端數據接入物聯網平臺，后端系統采用B/S的架構，整個Web程序部署在辦公網內網環境的1臺服務器上，用戶僅需1臺能接入辦公網且安裝了瀏覽器的電腦，即可登錄系統進行操作。所需硬件成本較低，且該系統設計功能完善，后期運行維護的成本也比較低，因此，開發該系統具有較高的經濟可行性。

所謂一級核算是醫院財務對制劑部門成本費用的核算，醫院把制劑部門作為利潤中心，對制劑部門消耗的直接材料費用、直接人工費用及制造費用進行歸集，對制劑部門的收入、支出及結余狀況進行核算。在一級核算基礎上，醫院在制劑部門設成本專管員二級核算，主要對每類品種的制劑部門可控變動成本進行核算。對于無法直接歸集的生產制劑所占用的廠房、生產設備等固定資產折舊、水電費、管理費用或其他間接費用，則由財務進行統一歸集，再根據選定的方法進行分攤，計入各相關制劑品種成本。這樣，既實現對制劑成本中占比最大比例的原材料成本進行有效的針對性監控，也具有可操作性。

1.2.2 技術可行性
從數據接入方面，該系統實現了凈化廠物聯網系統的數據整合，接入了InfluxDB時序數據庫，可對現場儀表進行信息采集、分析評價，形成自動解析、定位故障模型。從硬件運行層面上，該系統可以部署在任何主流硬件平臺上，普通性能的服務器完全能夠流暢地運行該系統并提供Web服務，由于該系統采用B/S架構，用戶無需安裝任何客戶端，只需打開瀏覽器輸入URL即可訪問。因此，開發該系統從技術上是可行的。

1.2.3 安全可行性
從系統安全方面，該系統采用Apache Shiro安全框架，可完成認證、授權、加密、會話管理與Web集成等功能，具備身份認證、角色授權等優點。且該系統部署在凈化廠辦公區內網，與互聯網實現物理隔離，避免受到黑客和病毒的攻擊。從功能模塊方面，以儀表在線遠程調校為例，部署在辦公網的Web服務器發出HART Command 43指令，通過HART通信服務器傳輸給OPC服務器工作站，下發到指定的HART儀表執行“校零”操作，涉及到的TCP網絡通信和串行通信均處于生產網環境，設有嚴密的防火墻措施，確保系統的安全可行性。

2、系統概要設計
該系統基于Ruoyi軟件進行開發，Ruoyi是一款基于SpringBoot+Vue的前后端分離極速后臺開發框架，涉及到的技術選型有：系統環境是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技術進行了大屏展示的設計與實現。

數據庫采用MySQL關系型數據庫，通過定時腳本接入現場InfluxDB時序數據庫定時采集數據。持久層運用了Mybatis+Hibernate+Alibaba Druid，保障了數據的持久可靠存儲。服務層為上層提供了定時任務、數據權限等服務，應用層則是滿足了用戶實時監控、故障定位及診斷、在線調校等需求。

故障智能診斷管理系統架構如圖2所示。



圖2 故障智能診斷管理系統架構示意

3、系統詳細設計與實現
3.1 環境安裝配置
表1 開發環境搭建

3.2 數據庫設計
該系統使用MySQL作為底層數據庫，作為最流行的關系型數據庫管理系統(RDBMS)，MySQL運行速度快，可靠性高，系統穩定性強，開源且免費。

該系統采用實體-聯系圖(E-R圖)的方法描述數據結構。E-R圖是通過一種直觀圖形的方法來描述現實世界中各種復雜的自然關系和社會關系。E-R圖中包含的元素分別是屬性、實體和聯系，實體指現實世界中存在的實際物體，屬性是指實體所固有的性質，E-R圖可進一步轉化為更具體的UML圖。系統涉及到的與業務相關的存在實體主要有：儀表基本信息、HART儀表靜態數據、回路點位、HART采集器基本信息、相關性分析、特性擴展、儀表及回路診斷結果信息、HART動態數據、報警事件、組織機構等，除此之外還包含字典表、配置表等系統功能表。

3.3 前端設計及實現
該系統的前端借助Vue.js這一漸進式JavaScript框架來構建用戶界面，使用element-ui生成前端ui組件，最后依靠npm包管理軟件統一管理前端項目中需要用到的包、插件、工具、命令等，便于開發和維護。該前端模塊主要包括：系統登錄、綜合總覽(首頁)、實時數據、歷史數據、報警展示、故障診斷、在線調校七大模塊，除此之外還有設備管理、維護記錄、系統設置等功能模塊。

①系統登錄模塊。用戶輸入提前注冊好的用戶名和密碼即可登入系統。
②綜合總覽模塊。成功登錄后，展現在用戶面前的是當前所有HART設備的數量及在線數，并通過餅圖、樹狀圖等方式直觀地展現設備類型、報警數量、異常數量、完整性等信息，方便管理人員掌握設備的實時全局動態，做出正確的決策。
③實時數據模塊。該模塊通過表格的方式展現當前在線儀表的動態數據，包含名稱、通道號、數字主變量、模擬主變量、電流等關鍵信息。可通過選擇單位、時間過濾篩選。
④歷史數據模塊。該模塊可通過設備類型、單位、日期等條件篩選儀表歷史數據，柱狀圖顯示儀表正常工作時長、故障時長以及報警時長。
⑤報警展示模塊。該模塊展示當前設備的報警頻次、時長及占比。
⑥故障診斷模塊。該模塊展示當前設備的工作狀態值如通信狀態、工作狀態、電流電壓值等，在儀表對應的回路模型定位故障，通過后端大數據模型智能診斷并分析出儀表故障的原因。
⑦在線調校模塊。該模塊對任意1塊現場儀表可在線遠程調校零位。

3.4 后端設計及實現
前端代碼是由瀏覽器渲染直接與用戶交互的部分，系統后端則是用于操作服務器和數據庫的代碼。由于該系統采用了前后端完全分離的架構，前端和后端可以獨立運行，相互之間則通過開發人員提前約定好的接口(API)交互數據。后端的主框架是Spring Boot 2.2+Maven 3，采用了Mybatis和Alibaba Druid作為持久層將數據持久化，底層數據庫則選擇了MySQL+Redis。該系統采用了經典的MVC框架，結構如圖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層主要做數據持久層的工作，負責與數據庫進行聯絡的一些任務都封裝在此。Service層主要負責業務模塊的應用邏輯應用設計，而Controller層負責具體的業務模塊流程的控制，View層則屬于前端的范疇，其他三層是后端重點構建的模型層。

4、結束語
本文設計并實現了基于DCS的HART儀表及控制回路故障智能診斷管理系統，主要的工作如下：
①對該系統進行了需求分析和概要設計，包括了對整體架構和開發框架的設計與繪圖。
②遵循需求分析和概要設計的思路，進行了詳細設計，包括了MySQL數據庫的選型和數據表結構的設計、使用Vue.js和element-ui作為前端框架、采用Spring Boot作為后端架構等。
③對該系統進行模塊化測試和優化。
④撰寫并完善開發文檔，沉淀一系列文檔包括并不限于整體架構圖、開發框架流程圖、E-R圖、數據庫表等。

經過探索研究，通過設計與開發該系統，能夠實時獲取儀表設備豐富的數據信息，形成精確定位智能儀表及控制回路故障點的技術，提升現有儀表控制系統日常維護、檢維修質量和輔助工藝決策控制，為管理、操作人員在線輔助指導，大幅提高儀表維護效率，進而推動傳統的儀表維護方式逐漸向更加科學全面、準確評估儀表和閥門的健康狀況的高效維護方式轉變。

作者：沈俊豪、楊云杰、范志弘、肖逸軍