基于云平台的工业自动化仪表综合服务APP设计

包伟华,李咪渊,赵荣泳,王 妍,张 浩,贾 萍

(1.上海自动化仪表有限公司,上海 200120；2.同济大学CIMS研究中心，上海 201804)

0 引言

工业自动化仪表是工业生产过程中不可或缺的现场设备。随着现代工业自动化和网络技术的迅速发展，自动化仪表的应用越来越广泛。工矿企业对自动化仪表的要求也越来越高[1-2]：一方面，要求产品可靠性高，产品的功能强大；另一方面，要求产品的售后实现快速服务响应。

由于自动化仪表的复杂性和多样性，用户往往对仪表不熟悉，无法快速排除生产故障[3]。在寻求仪表厂家帮助时，经常遇到信息交流不顺畅的情况，使厂家无法得到现场真实情况，从而导致维修时间较长，对生产影响较大。特别是在一些化工、电力、核工业设施等大型工程中，一旦故障长时间不能排除，将导致灾难性的后果。

工业设备智能化、复杂化的发展给企业带来更强大、更安全的体验，但其操作及维护也需要投入更多的人力资源，将浪费大量的人力物力。随着计算机和网络通信技术的不断进步，人们渐渐提出了新的自动化仪表运维方式——远程运维[4]，即远程控制产品的全生命周期中的各类问题。

本项目针对上述问题，设计了基于云平台的工业自动化仪表综合服务APP，实现实时用户、远程专家多屏同步，通过远程控制快速解决仪表使用过程中的突发问题；提升售后服务效率，监测产品全生命周期，降低产品运行维护成本、促进企业升级转型。

1 自动化仪表全生命周期管理技术需求分析

微电子技术和计算机技术的不断发展，引发了仪表结构的变革。自动化仪表是以微型计算机(单片机)为主体，将计算机技术和检测技术相结合的新一代智能化仪表[5]。自动化仪表兼顾传统的自动化功能和现代智能化功能，既能够保障现场设备自动运行和设备保护，又能够满足云时代设备智能化的需求；通过加载智能化模型，配合云端大数据协调，可以实现自适应参数调节、运行优化、报警推送、健康监测和预防性维护等功能[6]。

1.1 自动化仪表结构与原理

自动化仪表结构与原理如图1所示。

图1 自动化仪表结构与原理图

自动化仪表的硬件由主控模板、显示模板等组成。其中，主控模板是主要结构，包括主控板、电源板、继电器输出板以及电流电压输入等。显示模板可以显示出所得到的数据和信息。这些数据与信息能够为开展相关工作提供参考[7-8]。

自动化仪表的工作原理是适当地转换电压、电流，以更加适应自动化仪表的工作特点；通过A/D转换器，对电压、电流进行采样；对采样结果进行分析之后，及时采取相应的措施。而完成数据信号的传递、接收和处理以后，可以通过自动化仪表向控制端传递数据。此时的控制端将会根据数据、信息作出相应的反应，并对运行状态进行调整，使仪表实现远程控制[9]。

1.2 全生命周期管理技术需求

目前，企业对于自动化仪表全生命周期仍然缺少有效的管理技术[10]。现存的自动化仪表管理依然存在以下需求。

①自动化仪表现场报修和服务响应模式落后，仍依赖人工现场处理问题。

②客户沟通具有技术门槛，有限信息难以满足诊断需求。在自动化仪表售前技术咨询、售中安装技术指导和售后服务等各个环节中，多数采用的服务模式是人工电话联系。随着社交软件的普及，一定程度上增加了现场用户和后台技术支持人员的通信信息量，提升了对故障信息的了解程度。但是，这样的私人点对点社交模式，在沟通时对客户有技术门槛要求，而且售后人员仍然无法全面掌握现场仪表的运行数据。

③服务响应随机性大，不可控因素多。现场用户遇到问题时，一般采用电话报修。但是由于公司售后服务专家和技术人员的办公电话或者手机经常出现占线、掉线等问题，导致现场用户的服务报修得不到及时、有效的响应。

④仪表运行记录和故障记录难以及时发送给诊断专家。自动化仪表的运行记录和故障记录，对于故障诊断而言至关重要。但是由于传统的现场仪表安装位置难以直接观测，以及操作记录数据过多等问题，导致现场用户无法向远程专家提供全面的记录数据，也难以及时、有效地将数据发给专家[11]。

⑤难以发挥故障处理案例的潜在价值。对于自动化仪表这类典型工业产品，故障解决案例是企业宝贵的售后服务知识财富。只要借助一定的信息化手段，深入分析、挖掘各类操作记录和故障的演化规律，就能及时警示现有生产管理和生产线操作，提升职工的安全意识和售后服务技能，使之成为企业文化的重要沉淀[12]。然而，对于已归档的故障处理案例的梳理和挖掘工作，目前尚缺乏信息化手段的支持。

工业互联网的发展，为自动化仪表的全生命周期的管理和升级提供了新的方向和支持。基于云平台，本文设计了一个工业自动化仪表综合服务APP，为仪表生产厂家和应用厂家之间建立了一个充分沟通的渠道，使两者之间的信息交流更为全面和快捷，为自动化仪表全生命周期管理技术的需求提供了解决方案。

2 APP功能结构设计

基于云平台的工业自动化仪表综合服务APP是在Android移动端设计和开发的远程仪表管理APP。根据自动化仪表全生命周期管理技术需求，APP主要分为用户管理、执行机构管理、帮助三大部分。基于云平台的工业自动化仪表综合服务APP功能结构如图2所示。

图2 基于云平台的工业自动化仪表综合服务APP功能结构

其中，用户管理模块和帮助模块都是APP的辅助模块。APP的主要功能模块是执行机构管理模块。此部分包含5个功能模块，分别是现场控制模块、远程服务模块、参数设置模块、机构报警模块、运行记录模块。

①现场控制模块。该模块可以实时显示当前连接仪表的工作情况，并且可通过蓝牙技术对仪表的工作状态进行控制。

②远程服务模块。该模块通过在线申请专家帮助表单，可以得到专家的远程诊断。APP远程模块申请专家诊断界面如图3所示。

图3 APP远程模块申请专家诊断界面

客服通过申请订单信息，可以在界面中的诊断单列表中查看诊断单详情，并根据用户需求为其在线分配专家，同时以短信的形式通知用户。专家通过填写授权验证码，进入执行机构的远程诊断中。用户可以与专家在聊天页面进行面对面的视频交流，实现远程诊断问题，并在远程诊断结束后对此次专家诊断进行评分操作。

③参数设置模块。通过蓝牙连接，在APP上设置仪表的动态参数和静态参数，可以对仪表的操作参数进行更改。用户可以在APP的设置模块中对仪表的相关参数设置进行修改。在进行远程诊断的过程中，专家也可以在参数设置模块中对相关参数进行设置，从而诊断仪表运行是否处于正常状态。

④机构报警模块。该模块可以监测仪表的工作状态是否正常，如果仪表的工作状态出现故障，则进行报警提醒，并将此故障记录并保存下来。用户后期可以在记录模块中看到历史报警信息，方便用户对仪表进行定期的管理和维护。

⑤运行记录模块。该模块可以实时地记录仪表的工况信息，并储存在历史记录中，方便用户查看。

使用APP的用户，在Android操作系统的手机上下载APP后，登录基于云平台的工业自动化仪表综合服务APP。单击蓝牙按钮，开启手机蓝牙连接自动化仪表后，可以控制仪表状态、调节仪表参数，也可以实时观测仪表检测记录或在APP查询仪表的常见问题帮助。

若仪表的运行状态出现问题，则APP的报警模块会作出相应的提醒。用户可以根据问题的实际情况，选择相应的问题解决模式。若用户无法自行解决，可以寻求专家远程指导，直至问题解决。该APP提高了自动化仪表的管理效率，为企业的售后管理节省了资金和时间。

3 APP技术架构设计

现场用户通过边缘层的移动端智能设备获取仪表当前状态及诊断信息，并立即通过云平台的云端大数据系统发送给远程专家。远程专家可以实时监控管理接入仪表的状态与运行情况，据此调整控制指令并更改设备参数，再通过云系统下达到仪表，对仪表进行远程操作。这样就在现场用户和远程专家之间形成了高效的服务调动体系，节约了现场用户原本用于售后调试的宝贵时间和经济成本。整个过程中，所有数据流都可以通过数据模板可视化地展示。仪表支持多种网络接入协议，可满足不同系统供应商的特殊要求。

基于云平台的工业自动化仪表综合服务APP的总体框架如图4所示。

图4 基于云平台的工业自动化仪表综合服务APP的总体框架

综合服务APP基于蓝牙技术、云技术，可实现应用层、平台层、边缘层的智能互联。其六大功能为：产品售前技术咨询、售中安装技术指导、售后可视化监控、运行优化、报修服务、实时故障诊断。基于云平台的工业自动化仪表综合服务APP功能模块如表1所示。

表1 基于云平台的工业自动化仪表综合服务APP功能模块

4 系统研制技术要点

基于云平台的工业自动化仪表综合服务APP，是一款基于移动架构的新型工业APP。它不仅可以实现新型智能化仪表的全生命周期服务移动互联，还可以应用于其他智能化仪表产品的售前、售中和售后综合技术服务中。此APP主要的创新点如下所述。

①利用移动端与网络云平台互联，使用户和专家可以通过网络进行信息沟通，不仅提高了服务人员的响应效率，还为企业节省了产品运维过程中的交通费用。

②利用蓝牙功能，实现了自动化仪表的远距离控制，方便用户和专家对自动化仪表的参数进行调节。尤其是在自动化仪表所处的环境和位置使其难以直接接触时，远程控制大大提高了自动化仪表的可操控性。

③利用数据存储管理，提高了自动化仪表的管理效率。APP会自动记录仪表工作状态及报警情况，使用户能随时随地对自动化仪表状态进行管理。此外，可以通过数据分析对自动化仪表的运行状态进行监测，提高智能设备的安全管理性。

5 结论

以物联网和工业APP为代表的新一代信息技术在工业自动化仪表产品售前、售中和售后综合技术服务中的作用日益突出，“互联网+先进制造业”已成为我国经济社会发展的战略里程碑[13]。本文设计了一款基于移动架构的新型工业APP，采用移动互联方式，实现了自动化仪表选型指导、安装调试、运行优化等全生命周期管理，适合工控安全等典型工业应用场景，实现了新型智能化仪表的全生命周期服务移动互联。通过仪表通信硬件升级和协议扩展，该APP可广泛应用于自动化仪表行业，成为行业专用工具APP。