李運(yùn)杰，張建川，周德泰，王彥瑜,*，李麗莉，尹 佳，宿建軍，田瑞霞，倪發(fā)福

(1.中國(guó)科學(xué)院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所的重離子加速器(HIRFL)是我國(guó)重要的大科學(xué)裝置，它承擔(dān)著大量的國(guó)家重大科研任務(wù)，保障HIRFL的安全運(yùn)行具有極其重要的意義，但傳統(tǒng)的設(shè)備單一控制和人員巡視相結(jié)合的維護(hù)模式已不能滿足未來(lái)HIRFL的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將任何物體與網(wǎng)絡(luò)相連接，物體通過(guò)信息傳播媒介進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能[1]。物聯(lián)網(wǎng)的信息互聯(lián)互通共享的特點(diǎn)使其近年來(lái)得到快速發(fā)展。

本文擬將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于加速器狀態(tài)診斷系統(tǒng)，并從以下幾方面進(jìn)行研究：1) 融合控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)集中控制與數(shù)據(jù)共享功能；2) 針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的老舊控制模塊與傳感器開(kāi)發(fā)一批智能控制器，添加一些服務(wù)器、工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)互通；3) 對(duì)于加速器的大數(shù)據(jù)處理，利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與分析，實(shí)現(xiàn)故障信息、報(bào)警類型和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的歸納處理；4) 進(jìn)行數(shù)據(jù)分類算法研究，建立分類模型對(duì)未知類別進(jìn)行分類處理，最終完成分類目的。

1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 基本結(jié)構(gòu)

按照物聯(lián)網(wǎng)的劃分概念結(jié)合HIRFL實(shí)際情況，將要規(guī)劃的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示，各部分的主要功能[2]如下。

1) 核心設(shè)備：在本狀態(tài)診斷系統(tǒng)中主要是指核心服務(wù)器與核心控制器，這些在架構(gòu)中起著大腦的作用。

2) 控制設(shè)備：主要是指終端計(jì)算機(jī)、手機(jī)、嵌入式設(shè)備，各類控制器等，在架構(gòu)中相當(dāng)于人的四肢，負(fù)責(zé)接受指令，采集與傳輸數(shù)據(jù)。

3) 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：包括交換機(jī)、路由器、有線網(wǎng)與無(wú)線網(wǎng)等，這是設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，相?dāng)于人的血管。

4) 傳感設(shè)備：包括溫濕度感應(yīng)器、壓力感應(yīng)器、漏水感應(yīng)器、有害氣體感應(yīng)器等信號(hào)采集設(shè)備，用于采集各類設(shè)備信息，并通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)反饋給控制端，這是架構(gòu)中的眼睛和耳朵。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of IoT control system

5) 軟設(shè)備：主要是指控制軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)等。這些是系統(tǒng)的靈魂，將以上4類設(shè)備整合起來(lái)實(shí)現(xiàn)具體的功能。

1.2 設(shè)計(jì)理念

由于HIRFL系統(tǒng)承擔(dān)著大量的科研任務(wù)，為不影響其正常運(yùn)行，以及遵循循序漸進(jìn)的科學(xué)研究原則，先在本課題組所負(fù)責(zé)的控制系統(tǒng)中進(jìn)行局部實(shí)驗(yàn)與改造，搭建一個(gè)示范系統(tǒng)，以驗(yàn)證物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在重離子加速器現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)獲取和設(shè)備故障診斷中的可行性。整體思路是運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)的理念，將漏水、真空、水壓、溫度、有害氣體的檢測(cè)和電源故障診斷等部分的控制網(wǎng)絡(luò)和探測(cè)設(shè)備整合在一起，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控和綜合診斷[3]。各類探測(cè)器將探測(cè)到的信息先傳回各自控制的主機(jī)，然后由交換機(jī)傳回中央處理集群，這是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)診斷系統(tǒng)的核心。中控室運(yùn)行的自主設(shè)計(jì)的控制平臺(tái)以及短信報(bào)警平臺(tái)和視頻監(jiān)控平臺(tái)，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的機(jī)器、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行實(shí)時(shí)管理和控制。該物聯(lián)網(wǎng)診斷系統(tǒng)的整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示于圖2。

圖2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.2 Network architecture

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件控制模塊研發(fā)

目前在現(xiàn)場(chǎng)所使用的控制模塊和傳感器有些比較老舊，有些通訊端口不統(tǒng)一，不能被并入到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，因此研發(fā)了一批控制模塊，用于底層傳感器的數(shù)據(jù)采集，如圖3所示。

圖3 控制測(cè)量模塊Fig.3 Control and measurement module

2.2 模塊介紹

漏水檢測(cè)模塊由1個(gè)數(shù)據(jù)傳輸模塊級(jí)聯(lián)若干個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊，每個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊連接8個(gè)漏水探測(cè)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集模塊在提供漏水狀態(tài)信息的同時(shí)也會(huì)提供位置信息、故障狀態(tài)信息等，并且會(huì)進(jìn)行一定的預(yù)處理，如發(fā)現(xiàn)漏水點(diǎn)或出現(xiàn)故障時(shí)給出報(bào)警信息，數(shù)據(jù)傳輸模塊經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳至中央服務(wù)器的控制軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[4]。漏水檢測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)如圖4所示。

真空系統(tǒng)主要包括真空計(jì)、快閥、氣閥等，同樣采用自主研發(fā)的真空設(shè)備控制模塊，將規(guī)管數(shù)據(jù)以及信息通過(guò)交換機(jī)傳至中央服務(wù)器；水壓、水位監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)將水壓、水位、流量等測(cè)量集成到一個(gè)控制采集模塊中；溫/濕度測(cè)量系統(tǒng)的每個(gè)溫/濕度采集模塊連接8個(gè)溫度傳感器和1個(gè)濕度傳感器[5]。以上狀態(tài)采集系統(tǒng)將從底層相關(guān)傳感器傳回的數(shù)據(jù)發(fā)回中央服務(wù)器進(jìn)行集中處理，再將分析結(jié)果顯示在控制界面上。這3個(gè)狀態(tài)采集系統(tǒng)的架構(gòu)示于圖5。

有害氣體及過(guò)溫檢測(cè)系統(tǒng)可有效檢測(cè)CO等有害氣體，當(dāng)其濃度達(dá)到一定值時(shí)，會(huì)將報(bào)警信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂平缑嫔?，?shí)現(xiàn)聲光報(bào)警[6]。還可對(duì)電力線纜的過(guò)溫現(xiàn)象進(jìn)行保護(hù)報(bào)警，當(dāng)電力線纜的溫度≥85 ℃時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)控制器會(huì)聲光報(bào)警，同時(shí)將報(bào)警信息實(shí)時(shí)發(fā)送出去，在中央控制室的界面上亦提供聲光報(bào)警，如圖6所示。

圖4 漏水檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.4 Architecture of water leakage detection system

圖5 真空(a)、溫濕度(b)、水壓/水位/流量(c)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)Fig.5 Architecture of vacuum (a), temperature and humidity (b), water pressure/water level/flow (c) monitoring system

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)架構(gòu)

本故障診斷系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)B/S架構(gòu)建立中央控制系統(tǒng)，采用組態(tài)軟件與asp.net技術(shù)編寫(xiě)整體控制界面，將各分散的故障診斷網(wǎng)絡(luò)整合在一起。在對(duì)整體控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用圖像化的控制界面，按照現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)的環(huán)境和一定的比例，盡量還原現(xiàn)場(chǎng)。這樣當(dāng)有故障報(bào)警時(shí)，中控室的值班人員可一目了然地發(fā)現(xiàn)故障的確切地點(diǎn)[7]。整體狀態(tài)診斷系統(tǒng)的軟件架構(gòu)示于圖7。

圖6 過(guò)溫及有害氣體檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.6 Architecture of over temperature and harmful gas detection system

圖7 狀態(tài)診斷系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig.7 Software architecture of status diagnostic system

3.2 數(shù)據(jù)處理與分析

建立1個(gè)基于關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)(KPI)思想的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)多元分析法的分析與處理庫(kù)，這是對(duì)故障數(shù)據(jù)分析與故障處理的核心[8]。建立智能模型進(jìn)行分析推導(dǎo)，才能發(fā)現(xiàn)故障，進(jìn)而預(yù)測(cè)故障。同時(shí)建立風(fēng)險(xiǎn)庫(kù)，風(fēng)險(xiǎn)庫(kù)的建立可使計(jì)算機(jī)有可比對(duì)的對(duì)象，為智能化預(yù)測(cè)提供事實(shí)依據(jù)。KPI故障處理模型示于圖8。

具體的算法采用多元分析方法，利用故障記錄本身是一個(gè)前后關(guān)聯(lián)的邏輯序列，首先對(duì)經(jīng)過(guò)檢測(cè)引擎預(yù)處理的數(shù)據(jù)提取特征和構(gòu)造詞向量，然后搭建網(wǎng)絡(luò)模型、配置模型參數(shù)和進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，達(dá)到要求后保存網(wǎng)絡(luò)參數(shù)并輸出訓(xùn)練后的模型，當(dāng)有新的待診斷樣本數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，將數(shù)據(jù)輸入訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)故障診斷模型中，輸出診斷后的結(jié)果[9]。重離子加速器集中處理智能分析流程示于圖9。

圖8 KPI故障處理模型Fig.8 Trouble shooting model of KPI

3.3 軟件界面

軟件開(kāi)發(fā)主要采用以下兩種方式：實(shí)驗(yàn)物理及工業(yè)控制系統(tǒng)(EPICS)是一套開(kāi)源的軟件架構(gòu)，可自主開(kāi)發(fā)，難點(diǎn)是設(shè)備未知的驅(qū)動(dòng)太多，要編寫(xiě)大量的驅(qū)動(dòng)程序，目前漏水檢測(cè)系統(tǒng)已采用EPICS進(jìn)行了初步編寫(xiě)嘗試[10]；本系統(tǒng)采用SCADA和ASP.net技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是圖形架構(gòu)較成熟，也有大量的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。目前在加速器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)中所設(shè)計(jì)運(yùn)行的部分界面如圖10所示。

結(jié)合目前所運(yùn)行的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出HIRFL狀態(tài)診斷系統(tǒng)的控制界面，如圖11所示。

在該控制界面中，將主要狀態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)顯示在主界面上，點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕也可進(jìn)入分界面。如目前系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到主環(huán)正在漏水，水壓的狀態(tài)也處于低位，則主控制程序?qū)λ占降臄?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)綜合分析后，可認(rèn)為不影響加速器正常運(yùn)行，給出漏水的警告，自動(dòng)發(fā)出報(bào)警短信，讓值班人員處理即可，系統(tǒng)可根據(jù)分析出的報(bào)警的嚴(yán)重程度，做出相應(yīng)的處理動(dòng)作。

圖9 數(shù)據(jù)分析流程Fig.9 Process of data analysis

圖10 狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分類界面Fig.10 HMI of status monitoring system of classification

圖11 HIRFL狀態(tài)診斷系統(tǒng)的主界面Fig.11 Main HMI of status diagnosis system about HIRFL

3.4 軟件測(cè)試

加速器監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)完成后，按照設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試。

1) 響應(yīng)時(shí)間

主要測(cè)試在中央控制室的控制界面上進(jìn)行相關(guān)的觸發(fā)操作，然后觀察數(shù)據(jù)的返回與變化情況。例如，對(duì)于漏水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)指標(biāo)要求1 s內(nèi)報(bào)警回讀值能正常顯示。實(shí)際測(cè)試結(jié)果顯示該軟件可在500 ms內(nèi)返回?cái)?shù)據(jù)并正常顯示。這對(duì)于真空系統(tǒng)的真空值顯示、閥門控制系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)都同樣能滿足其響應(yīng)時(shí)間的要求。

2) 并發(fā)數(shù)

采取在不同的計(jì)算機(jī)上同時(shí)打開(kāi)控制界面的做法，觀察界面是否運(yùn)行正常，有無(wú)鏈接錯(cuò)誤顯示。因?yàn)榧铀倨鳡顟B(tài)監(jiān)測(cè)必須有專業(yè)人員才能進(jìn)行操作調(diào)束，所以設(shè)計(jì)指標(biāo)中對(duì)并發(fā)數(shù)的要求不是很高，一般只運(yùn)行1個(gè)控制界面，但在實(shí)際測(cè)試中同時(shí)打開(kāi)10個(gè)控制界面仍能正常運(yùn)行，滿足其并發(fā)數(shù)的設(shè)計(jì)要求。

3) 斷網(wǎng)重連

在該控制軟件的設(shè)計(jì)中，具有網(wǎng)絡(luò)中斷后再自動(dòng)重新連接的功能。在實(shí)際測(cè)試中，通過(guò)人為拔掉網(wǎng)線觀察界面。發(fā)現(xiàn)界面開(kāi)始通訊中斷報(bào)警，重新插入網(wǎng)線后，軟件自動(dòng)恢復(fù)通訊，控制界面重新運(yùn)行正常。這種功能可避免因人為失誤造成通訊短暫中斷的情況，也為維護(hù)人員提供了通訊檢測(cè)的依據(jù)，保障其能及時(shí)判斷發(fā)生通訊故障的設(shè)備，并及時(shí)進(jìn)行處理。

4 總結(jié)

本文主要研究了重離子加速器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，詳細(xì)論述了目前加速器所面臨的主要問(wèn)題，并給出了對(duì)應(yīng)的解決方案。在此基礎(chǔ)上，提出了具體的設(shè)計(jì)架構(gòu)，展示了目前所研發(fā)的部分控制模塊。在軟件設(shè)計(jì)部分，給出了具體的數(shù)據(jù)分析設(shè)計(jì)與處理和控制界面的具體設(shè)計(jì)方法，并列出了目前所運(yùn)行的部分控制界面，最后設(shè)計(jì)了狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的主控界面。

希望未來(lái)HIRFL綜合故障診斷平臺(tái)進(jìn)一步升級(jí)為一鍵智能化調(diào)束，使加速器控制向智能化方向邁進(jìn)。