基于物聯網的流量儀表智能標定系統設計

胡曉若,樊知軒,彭世富,王 剛,王歆玥,魏 彪

(1.重慶川儀自動化股份有限公司,重慶 400707;2.重慶大學光電工程學院,重慶 400044)

0 引言

流量儀表的專業生產制造企業在產品出廠前需要模擬現場實際進行標定,從而確定一些關鍵參數、檢驗產品能否達到合格的出廠技術指標。長期以來,流量儀表生產標定均采用手工或半自動的方式。標定過程手工操作會產生產品信息重復錄入的問題,導致每條管線單次標定耗時2 h以上,效率低下。由于人的操作失誤、校正系數不合理等原因,會導致產品性能不合格的事件時有發生,從而影響產品質量和企業聲譽。

目前,對流量儀表生產過程全自動標定的相關資料較少,導致裝置的開發難度較大。 針對這種情況,本文對標定過程進行了深入研究,利用物聯網技術所具有的網絡靈活、速率高、實時性強、穩定高效等特點,賦能流量儀表生產的標定過程。本文設計了1種基于物聯網的流量儀表智能標定系統。該系統可縮短標定時間、增加產能,以實現全過程的自動化無人操作[1]。

1 系統總體結構設計

標定現場有十余條管線。每條管線標定的流量儀表口徑量程不同。同規格被校表、標準表在同一管線。每根管線上安裝有多個待檢流量儀表。流量儀表標定過程為模擬儀表現場使用場景,對多個待檢流量儀表進行標定。根據這種特殊的工藝特點,本文設計了數字化感知網絡、邊緣計算、網絡傳輸和數據網關、智能化系統(標定過程自動化)、數據共享、數據可視化[2]等部分,滿足了標定過程各環節需要,實現了流水線式的流量儀表標定,由此大幅節省了標定時間。數字化感知網絡包括4～20 mA、RS-232、RS-485、 可尋址遠程傳感器數據公路(highway addressabe remote transducer,HART)?；谖锫摼W的流量儀表智能標定系統原理如圖1所示。

圖1 基于物聯網的流量儀表智能標定系統原理圖

2 系統網絡設計

根據流量儀表標定過程的特殊性,系統進行了網絡化設計,在不同的數據層設計了不同的網絡,以實現各種設備的互聯互通。

①被校表和標準表的儀表數據設計了可切換的RS-232、RS-485、HART所組成的網絡,以滿足通信需求。每一標定管線通過邊緣計算單元與外界交換數據。

②被校表和標準表的儀表標準過程信號(4～20 mA)數據對內采用遠程輸入/輸出(input/output,I/O)站采集數據,通過美國通用電氣公司的Genius工業總線網絡連接可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC),以減少現場布線、保證整個標定過程的安全可靠。對外通過PLC系統處理器模塊IC695CPU310上的以太網接口與標定室中的云服務器進行實時通信,以傳送各種數據[3-4]。

③管線、PLC控制系統、云計算服務器、公司管理網絡和其他設備通過以太網和基于傳輸控制協議(transmission control protocol,TCP)/網際協議(internet protocol,IP)的通信標準實現物聯網場景的組網,以滿足標定設備聯網化的數據需求。實時檢測的各類相關數據發送到本地云,通過云智能計算實現標定過程的自動化。

④通過控制網絡與管理信息網絡融合,實現了數據的采集、計算、儲存、處理、共享,以及可視化的全部自動處理功能。標定過程根據管理網絡的合同訂單信息確定被校表身份,選擇相應標定算法,以避免產品信息被多次錄入的問題。

⑤對于移動終端用戶(即標定室之外的用戶),采用互聯網連接?；诮巧珯嘞薰芾?用戶登錄后瀏覽相關數據,以保證標定數據的安全。

系統通過網絡智能地連接標定人員、流量儀表產品和業務,實現管理和標定數據融合共享、標定過程數字化集成以及標定過程自動化。本文標定系統包含了作為智能標定基礎的十多條標定線的標準表、被校表、標定環境設備、PLC控制系統和標定計算機、邊緣計算器、數據庫、公司管理系統、校驗相關管理人員等。不同的網絡相互融合,構成人、機、物信息互聯互通的物聯網。相關權限人員通過各種移動設備獲得經過處理的標定相關信息,以實現標定生產過程自動化、智能化、全生命周期過程管理,從而更快速地響應市場需求[5]。

3 系統軟件智能化設計

3.1 數字化感知設計

標定過程的每個環節都需要實時感知。系統數字化感知端是數據底層,分布在11條主管線。每條管線可標定5臺被校表。由于標定過程的特殊性,需要同時從2種途徑獲取數據。首先是流量儀表的4～20 mA或代表瞬時流量的脈沖信號(客戶現場使用),采用美國通用電氣公司的PLC采集流量儀表、體積管、壓力變送器、溫度變送器等輸出的模擬量信號。其次是通過RS-232、RS-485、HART通信獲取的標定儀表標定過程的其他數據,即標定現場每臺儀表都有2組電纜連接服務器端。標定過程需原位檢測與全流程泛在感知。

在標定感知端:一方面,為了兼顧不同產品和不同的通信協議,標定現場通信電纜接頭種類繁多,線多容易亂,不符合安全文明生產的要求,安全隱患大;另一方面,云計算服務器須遍歷各管線所有采集數據,消耗大量計算時間,導致標定模型計算時效性不強。為了解決這些問題,系統采用邊緣計算器整合現場各種通信線,以實現被校管線設備和標定過程數據采集的I/O實時通信;用網絡集成邊緣計算技術實現儀表不同通信協議轉換,并與標定產品之間的網絡構成感知系統;標定數據通過數據網關上傳到云端。云端計算能力下沉到靠近被校表的邊緣節點。由1根網線連接云端服務器,通過以太網交換相關數據,網速快且減少了現場布線,使現場整潔、規范。這有效解決了通信種類多導致標定現場線多且亂的問題,保證了安全性[6]。

3.2 標定專家系統設計

標定過程是流量儀表產品智能制造數字化生產車間的重要環節,需要對每個關鍵工序進行精準控制。D13標定操作人員、現場技術負責人、流量儀表技術負責人等在數十年的生產過程中積累了豐富的專業知識和經驗,對標定理論和實踐有深入理解。系統智能化集成了這些知識,設計開發了標定專家知識庫,即基于規則的、在流量儀表標定領域中具有專家水平解題能力的智能程序系統。標定數據體系結構如圖2所示。

圖2 標定數據體系結構示意圖

基于規則的流量儀表標定專家系統由5個部分組成,分別為標定專家知識庫、標定處理模塊、標定知識庫和推理機、解釋機制和數據可視化界面。標定專家系統能模擬人類標定專家的思維過程,運用知識進行推理并根據不同的流量儀表產品及時給出滿意的標定解決方案,從而自動解決標定過程的相關問題,使標定結果更好地滿足產品質量控制和管理的要求。

3.3 標定過程自動化設計

流量儀表自動標定過程有2項重要的內容直接影響質量。

①各標定點精確、穩定的環境生成和控制,屬于流程工業自動化的被控流程。

②標定數據的計算和處理,由云平臺內置的標定專家系統確定。

標定點精確環境生成和控制首先由標定處理模塊根據標定專家知識庫,針對不同的產品給出不同的標定方案;然后通過PLC控制系統實現,以自動建立相應穩定精確的標定環境點,完成整個標定過程。由于控制閥等標定設備的固有誤差,傳統標定方式很難滿足要求。

標定模糊控制原理如圖3所示。

圖3 標定模糊控制原理圖

標定數據的計算和處理由標定系統通過模糊控制過程性能關鍵變量,自動適配標定過程參數并計算是否滿足要求;通過標定專家知識庫的相關知識,自動修正標定系統設備的檢定誤差、提高標定儀表精度,使其能夠達到更高精度流量儀表標定過程設計要求值。在標定的各點,云平臺同時讀寫PLC控制系統和各儀表的相關數據,根據標定專家知識庫的知識檢定被校表。這就是自動檢測、處理標定數據,改寫被校表相關存儲器數據使其滿足技術要求的過程。此外,標定結束后,系統可以根據校核計算結果自動生成標定證書(例如“流量標定專用報表”“標定數據表”“校準原始記錄”“中(英)文版校準證書”等),同時在相應證書上由“校驗員”和“校準員”自動簽字,并自動保存“校準記錄”到數據庫、自動生成標定結果[7]。

流量儀表存儲單元B51、B52的參數自動計算和修正算法在云平臺實現。根據標定專家知識庫的相關知識,內置的控制算法監測被校表與邊緣計算模塊實時通信。在各標定點采集到的相關標定過程數據預存儲到邊緣計算模塊。算法模塊通過采集的原始標定過程數據,分析計算后修正流量儀表存儲單元B51、B52參數,使儀表達到出廠相關參數要求。修正后的參數作為最終結果保存到數據庫,以便查詢。

3.4 數據智能共享設計

任務單編號、型號、準確度等級、設備身份標識(identity document,ID)號等被校表身份信息,在流量儀表產品生命周期是唯一的。這些身份信息在產品銷售訂單生成時產生于公司管理系統。標定數據必須與相應唯一身份的被校表對應。標定數據庫服務器向管理系統獲取待生產訂單對應的任務單編號、表號等信息,并將信息發送至標定處理模塊;通過標定專家系統處置信息,進行相關標定流程處理。標定結果的相關信息需要在管理系統中查詢,以實現標定后生產產品的管控、監督和流程追溯。

為了避免重復錄入數據、消除信息孤島,系統通過集成已有軟硬件平臺,采用網絡數據庫和數據交換接口的方法,實現了數據智能共享,達到企業級管理系統與標定過程自動化數據融合。這一方面避免了生產產品信息重復錄入、提高了工作效率,另一方面實現了十余條管線數據的讀取和存儲共享,有利于降本增效。

為了實現共享,本文完成了網絡數據庫設計和數據交換接口設計。

①網絡數據庫設計。在數據庫設計時,本文采用了網絡數據庫實現數據和資源共享。十余條管線共享1套數據庫,存儲相關實時數據和可追溯的歷史數據。后臺數據庫加上前臺程序,完成數據存儲、查詢等操作。各操作運行客戶端通過以太網,借助于數據庫技術對標定過程的相關數據進行有效管理,并實現各終端與數據庫的實時動態數據交換。從管理系統讀取的相關數據也保存在網絡數據庫。

②數據交換接口設計。本文為數據共享交換設計開發了接口程序,在各標定終端設備間和管理系統之間提供應用集成框架,實現各終端設備間的信息交換共享,并提供數據處理和數據傳遞服務。由于產品生產任務單從錄入到標定需多個工作日后才能完成,實時性要求不高,故數據交換設定為每天開機自動同步[8]。

3.5 數據可視化設計

數據可視化設計是數據價值的體現。其目的是構成標定過程任意管線、人、機信息的互聯互通。相關標定人員能從數據可視化端知曉具體的標定過程情況。因此,本文在標定室設計了可視化數據駕駛艙,通過數據可視化技術幫助標定人員和相關管理者掌控流量儀表標定生產的實時狀況,并展示標定過程和結果的關鍵指標;通過鼠標操作即可獲得可視化的不同數據,滿足智能標定生產過程的各種要求。

功能模塊的具體組成為可視化范圍選擇子模塊、標定工況可視化子模塊、標定工況統計分析可視化子模塊、校準記錄可視化子模塊等。

互聯網用戶(標定室以外的外部網絡)的可視化設計采用瀏覽器/服務器(browser/server,B/S)結構讀取標定現場數據,基于角色權限管理授權瀏覽標定現場數據,通過IE瀏覽器登錄云端并進入系統進行操作。系統設有歷史操作記錄,可以保證現場數據的安全性。

4 結論

高品質流量儀表的制造離不開高精度的流量標定裝置。本文設計的流量儀表智能標定系統通過智能化、數字化、網絡化賦能生產過程[9],實現了信息化管理系統與工業化標定系統融合、避免了產品信息重復錄入、提升了流量儀表智能生產效率和標定智能化水平、縮短了制造周期、提高了制造精度。該標定系統實現了流量儀表標定過程全自動無人化生產[10],降低了員工勞動強度和人為出錯率,使標定周期由原來的120 min縮短到40 min。該標定系統是流量儀表制造企業產品信息傳遞、溯源與檢定測試工作的重要設備,可以同時標定十余條管線,進行產品誤差、重復性和準確度的計算。這是流量儀表產品數字化生產車間智能制造的重要環節[11]。

基于物聯網的流量儀表智能標定系統自2017年投入使用以來,性能穩定可靠,使用效果良好,達到了國內同行業的領先水平,是國內自主研發的流量儀表全自動標定生產裝置。該系統為流量儀表生產企業自動標定、生產智能化作出了貢獻,取得了良好的經濟效益和社會效益,為企業實現了降本增效[12]。