CN108696378A - 一种面向工业设备的安全远程维护系统 - Google Patents

Abstract

一种面向工业设备的安全远程维护系统，用于远程分析、诊断、维护用户现场的设备，包括：远程支援中心模块和用户现场模块。其中远程支援中心模块包括通信模块、主处理服务器以及终端计算机；用户现场模块包括通信模块、设备现场以及培训会议室等。当设备出现故障时，远程支援中心的技术人员远程控制便携终端采集和实时监控故障设备数据，完成分析和实时监控，找到解决方案后通过用户现场的技术人员采用维修设备对故障设备进行维修。当设备没有故障时，远程支援中心的坐席专家可以通过音视频设备远程培训用户现场的技术人员，方便在以后设备出现故障时可以及时辅助分析、采集数据，达到远程维护设备的目的。

Description

一种面向工业设备的安全远程维护系统

技术领域

本发明涉及远程支持领域，特别涉及一种面向工业设备的安全远程维护系统。

背景技术

随着我国大力发展制造装备产业，且制造装备向着大型化、复杂化等方向发展，因设备失效造成的停产损失和维护费用也日益上涨。远程维护可以显著降低设备的维护成本，提高企业的服务水平，因而越来越受到企业的重视。在国外，大设备的远程维护诊断技术的应用和研究，主要开始于发达国家，现在其研究及应用水平已相当高。在国内，机器设备的远程故障诊断技术目前处于初始阶段。一些研究机构和高等院校现已开始或准备开始从事工业领域的远程监控与诊断技术的研究与开发。国内几所著名高校在研究远程监控与诊断领域也取得了显著的成果。目前，国家“十五”863 计划提出根据国内外远程服务技术的现状和发展动向，基于企业内部的网络结构，搭建远程服务系统，实现故障的远程监测、预报和诊断，提高企业的经济效益及制造业的自动化的水平。目前，我国在许多设备制造企业进行了以信息技术为基础的改造，已经具备了实现设备远程监控的硬件体系基础。同时实时监测、远程监测、故障诊断等单元技术都有了一定成果和经验。

然而网络技术的应用目前只是限于企业内部网络的建设或与Internet 的连接，缺乏企业之间以及企业与研究部门之间的横向协作。

现有技术中，设备出现故障，还是以传统的技术支持方式为主，如图1所示。

现有技术中的维修流程如以下步骤所示：

步骤101，设备用户发现问题后上报问题，可以通过电话等其他方式。

步骤102，客服人员电话支持用户分析并尝试解决问题。

步骤103，客服人员与用户电话评估电话沟通效果。

步骤104，判断是否解决问题。如果已经解决问题，执行步骤108；否则执行步骤105。

步骤105，客服人员无法解决问题，通知工程技术人员去设备现场来判断、分析该问题。

步骤106，工程技术人员到达故障现场。

步骤107，技术人员现场解决了设备故障。

步骤108，完成本次故障报修。在步骤104中，客服人员经过电话沟通后，也可以直接走到该步骤。

从背景技术看，目前已经跟不上信息化时代的模式了。并且技术人员来回故障现场的成本以及用户工程师的成本都非常高。还有不可估量的潜在风险，比如设备停机带来的产线损失，设备故障可能带来的设备安全以及人身安全问题。

在现有技术中的远程控制技术存在的缺陷也限制了工业设备远程监控系统的发展，我国暂时还没有一套面向工业设备的安全远程维护系统来支持行业应用。因此对于远程监控这样一门综合性技术，我国尚未实现系统研究开发。

例如：不同网络结构的支持问题随着现代信息技术的飞速发展，机械设备也日益复杂，其复杂性带来的维修问题越来越突出，复杂机械设备的技术保障问题，已成为制约当前设备发展的主要因素之一。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了新的远程支持维护流程，提供了一种面向工业设备的安全远程维护系统。

先简单介绍下该发明技术方案中的远程支持维护流程。

该系统通过自动化收集设备故障数据，进行远程诊断并修复；在远程修复失败的情况下才进行现场故障诊断并修复，可以大大节约自身以及用户的成本。

上述该技术方案中的流程图如图2所示。

根据图2简述该技术方案的流程图。

步骤201，用户上报设备故障。

步骤202，技术人员启动远程维护机制，在线收集数据，并远程上报给服务器。

步骤203，远程诊断并尝试修复该技术问题。

步骤204，通过与设备用户确认，判断是否解决了该问题。如果已经解决，执行步骤206；否则执行步骤205。

步骤205，在上一步骤中无法远程解决故障，技术人员到达现场诊断并修复。

步骤206，完成本次支持。

从上述新的工作流程来看，该技术方案节省大量成本，主要是工程师来回故障现场的成本、厂家工程师成本，包括时间成本和金钱；减少了现场停产损失；确实提高了提高售后服务水平。

在新的远程支持维护流程的框架下，该发明提出了一种面向工业设备的安全远程维护系统，具体由以下技术方案构成。

一种面向工业设备的安全远程维护系统，包括远程支援中心模块和用户现场模块。其中，远程支援中心模块包括通信模块、局域网管理模块、主处理服务器模块和终端计算机。用户现场模块同样也包括通信模块，还包括设备现场和培训会议室。其中设备现场包括通信模块、维修设备和便携终端。

该发明中技术方案的系统结构图如图3所示。

该发明中系统框架包括远程支援中心模块1和用户现场模块2。

下面分开描述这2个主要的处理模块。

远程支援中心模块1是该系统中主要的处理模块。包括通信模块3、局域网管理模块4、主处理服务器5和终端计算机6。该模块负责实时监测用户现场模块2上报的设备状态以及请求事件。通信模块3负责与外界通信。

远程支援中心模块1中的局域网管理模块4负责对局域网的管理，包括技术安全风险等。技术安全风险主要包括网络安全风险、系统安全风险、应用安全风险等，如用户标识截取、伪装、重放攻击；数据截取；非法使用；病毒；拒绝服务；恶意移动代码；数据库数据文件丢失、系统损坏、系统源文件泄露、系统管理员口令暴漏等问题，这些都会造成信息系统发生重大安全事故。在该项目实施时，将采用一系列的技术措施来保证系统的安全：比如冗余技术、网络隔离技术、访问控制技术、身份鉴别技术、加密技术、监控审计技术以及安全评估技术等。

为了详细描述本发明中的局域网管理模块4的结构组成，这里先介绍远程支援中心模块1中局域网的网络拓扑结构，如图4所示。

在局域网管理模块4的网络拓扑结构图中，主要由核心路由器401、主交换机402、副交换机403、集线器404以及若干服务器组成，当然这里也包括通信模块3负责与外界的数据通信。

核心路由器401负责整个局域网的路由算法，该发明中采用距离向量算法作为核心路由器401的主路由算法，当然也包括静态路由算法。其中距离向量算法为现有技术中成熟的路由算法，该行业的一般技术人员都应该了解，故不再赘述。

数据通过核心路由器401后到达主交换机402。在该发明中采用层3交换机，为了系统的拥塞控制和容错容灾处理，采用2台层3交换机进行冗余部署。其中主交换机402负责系统均衡处理。当该交换机的负载较大时，控制数据通过副交换机403处理，达到负载均衡的目的。交换机作为局域网的骨干设备，设置2台交换机还可以避免网络设备的单点故障。

数据通过交换机后，通过集线器404接入到坐席405中。为了坐席405能够及时响应系统请求，把坐席405直接接入在集线器404上，且集线器404位于交换机与通信模块3之间。

通信模块3上分别接入了负载均衡服务器406用于处理整个局域网的负载均衡、应用服务器407和数据库服务器408。值得一提的是，应用服务器407在该系统中非常重要，负责了所有的上层应用，所以设置了4台应用服务器407，并且由负载均衡服务器406负责分配任务给4台应用服务器407。该发明中的所有数据均保存在数据库服务器408中；同样为了容错容灾处理，设置了2台数据库服务器8进行底层数据库处理。负载均衡服务器406同样负责2台数据库服务器的任务调度。

坐席405作为终端，控制上述系统正常运行。

回到远程支援中心模块1，主处理服务器5负责整个远程支援中心数据计算和控制，是整个网络的中心。主处理服务器5不是一台服务器，而是包括若干服务器，包括负载均衡服务器406、应用服务器407和数据库服务器408。这些服务器直接挂载在通信模块3上。采用速率为10GB的10G网卡连接。网卡作为该服务器与外界通信的唯一手段，为了提供系统稳定性，每个服务器设置2块同样配置的网卡。一块为主控制网卡，另外一块为辅助网卡。当主控制网卡不工作时，由辅助网卡接管通信任务。

与主处理服务器5连接的是终端计算机6。在该系统中，由坐席人员使用若干台终端计算机6。终端计算机采用市面上的主流计算机硬件，包括8G内存、215G固态硬盘。终端计算机6上固定安装音视频设备7，包括音频、视频输入、输出设备。坐席人员直接通过音视频设备7来远程诊断故障。

远程支援中心模块1与用户现场模块2通过互联网连接，并且通信数据均经过加密。

远程支援中心模块1与用户现场模块2分别通过通信模块3接入互联网。

为了详细描述系统的后续组成结构和流程，先介绍该系统中的通信模块的结构图。

具体来说，通信模块3是由通信软件控制的通信芯片。通信模块3的系统结构图如图5所示。由有线通信模块301和无线通信模块302组成。在有线通信模块301中，主要有网线标准接口芯片RJ45网口303和有线传输控制芯片304。在有线传输控制芯片304中，主要是芯片的设备驱动程序来控制RJ45网口303完成有线网络的数据通信。

对应的，无线通信模块305负责无线通信。在该系统中，考虑到系统建设和维护成本，采用Wi-Fi无线通信协议。由于新的Wi-Fi设备普遍支持5GHz通信频段，该频段具有传输速度快、干扰少等特点。同时为了兼顾之前的Wi-Fi产品，该无线通信模块305也支持2.4GHz的Wi-Fi通信设备。所以天线阵列包括2.4G天线阵列305和5G天线阵列306。Wi-Fi双频传输控制芯片307负责驱动上述2种天线阵列中的天线进行数据收发传输通信。该Wi-Fi双频传输控制芯片307可以根据当前空口环境的干扰和噪声水平智能选择切换数据通信在2.4GHz天线阵列305上还是在5GHz天线阵列306上。在通信模块3中主处理部分是路由芯片308。该芯片实时监测并且动态选择有线通信模块301或者无线通信模块302进行通信，并且负责整个系统的路由算法。

通信模块3在整个系统中不仅起到数据通信的作用，还要确保数据的机密性和完整性。并且能及时容错及智能切换数据通信链路。

通信模块3由有线通信模块301、无线通信模块302、路由芯片308以及硬件加密芯片309组成。

有线通讯模块301负责通过有线网络与外界通信。包括RJ45网口303和有线传输控制芯片304。其中RJ45网口303是通用的RJ45网口，通过10G网络与其他网口连接。可以采用市面上成熟的网口，只需要支持10G速率即可。有线传输控制芯片304在通信模块3中起到控制网口以及控制数据传输的作用。需要该芯片稳定、散热好。

无线通信模块302采用Wi-Fi芯片。Wi-Fi芯片的传输距离较近，保密性较好，且传输速率非常高。为了兼顾主流的Wi-Fi设备，该系统中的无线通信模块302包括2.4G天线阵列305和5G天线阵列306，同样，该无线通信模块302还有一颗Wi-Fi双频传输控制芯片307来负责双频切换或者同时与多个Wi-Fi终端通信。

在无线通信模块302中，有线通信模块301和无线通信模块302均构建在路由芯片308之上。具体来说，有线通信模块301和无线通信模块302收到数据并解包后交给路由芯片308处理。对于反向数据，有线通信模块301和无线通信模块302收到来自于路由芯片308的数据后发送出去。

路由芯片307负责整个通信模块3中数据的路由，为了保证通信的及时性，需要选择最佳路径传输。

路由芯片308构建在硬件加密芯片309之上。鉴于公用互联网的安全性和保密性较低，双方设备在发送数据时需要采用高级别安全散列算法加密；接收端设备也需要采用高级别安全散列算法解密。为了保证数据的保密性，采用SHA256加密算法的设备。目前市面上基于SHA256算法硬件加密设备已经非常普遍，故在本发明中不需要指定品牌和型号。

该通信模块3同时设计了有线通信和无线通信，可以确保数据通信的实时性；且无线通信还同时支持2.4G和5G两个频段，能够兼容所有的Wi-Fi设备。切实提高了系统中数据通信的稳定性。

5G频段上的Wi-Fi芯片采用目前主流的802.11AC协议进行数据通信，并且配置8根天线，实现了8条流的输入输出。2.4G频段上的Wi-Fi芯片采用802.11N协议，配置了4根天线来实现4条流的输入输出。所以通信模块3中的共有2块Wi-Fi芯片分别负责2.4G和5G频段上的通信，总共12根天线。根据通常的设计经验来看，12根天线会形成相互干扰，造成无线信号的噪声水平较高，势必会导致无线通信质量下降。在该系统中，8根5G的天线和4根2.4G的天线需要设计成相互消除干扰的布置方式。如图6所示。

4根5G的天线分布在Wi-Fi芯片的上方；对应地，另外4根5G天线对称分布在Wi-Fi芯片的下方。2根2.4G天线布置在Wi-Fi芯片的左方；同理，另外2根2.4G的天线布置在Wi-Fi芯片的右方。根据多次实际测量，这样设置后，12根天线的相互干扰水平达到最小。图6中，实线箭头代表8根5G频段的天线；虚线箭头代表4根2.4G频段的天线。

该系统中所有的通信模块3都采用上述结构来设计。

在用户现场模块2中，通过通信模块3与远程支援中心模块1的通信模块3通过有线网络连接。用户现场模块2中主要包括设备现场9和培训会议室10。其中设备现场9主要布置在设备的现场，用于监控设备状态和远程诊断设备以及实时采集设备的数据。培训会议室10主要用于培训现场人员辅助诊断或者采集数据。

下面分开描述其组成。

设备现场9中也包括通信模块3，且通信模块3固定安装在设备现场9中可以防晒防雨的固定箱子中。设备现场9还包括维修设备12和便携终端13。其中维修设备12用于诊断、维修出现故障的设备；便携终端13主要用于采集设备数据并现场进行简单分析；如果还不能解决问题，就通过便携终端13连接上通信模块3后发送数据给远程支援中心模块1中的坐席人员来解决。其中设备现场9中的通信模块3通过有线网络与维修设备12进行连接；再通过无线网络与便携终端13进行连接。

在培训会议室10中也包括通信模块3，还包括计算机15、音视频设备16和投影仪17。其中音视频设备16通过通信模块3与计算机15连接；投影仪17也通过通信模块3与计算机15连接。音视频设备16和投影仪17用于培训现场工作的工程师进行数据采集和简单的故障维修。计算机15需要配置2块显示器，其中一块用于实时采集和监控设备上的数据，另外一块用于工程人员分析和其他工作。

在培训会议室10中，音视频设备16直接与通信模块3连接，且可以独立于计算机15工作。

当用户现场模块2中的设备出现故障时，远程支援中心模块1中的坐席人员通过远程控制并请现场技术人员通过便携终端13采集和实时监控故障设备的数据，在远程支援中心模块1完成分析和实时监控，找到解决方案后通过用户现场的技术人员采用维修设备12对故障设备进行维修。当用户现场模块2中的设备没有出现故障时，远程支援中心模块1的坐席专家可以通过音视频设备7远程培训在培训会议室内10的用户现场的技术人员，方便在以后设备出现故障时可以及时辅助分析、采集数据，达到远程维护设备的目的。

利用本发明，由于可以远程诊断、采集故障设备数据，大大减少了需要厂家工程技术人员需要到用户现场的次数，充分利用计算机实时处理功能和局域网的高速数据传输能力以及高覆盖能力，且本发明中系统构建简单、成本低。

综上所述，本发明具有结构简单的特点，全自动化执行，并具有很强的通用性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

附图说明

图1是现有技术中的远程维护流程图;

图2是本发明实施方式中的远程支持维护流程图;

图3是本发明实施方式的系统结构图;

图4是本发明实施方式中的远程支援中心网络拓扑图;

图5是本发明实施方式中的通信模块结构图;

图6是本发明实施方式中的Wi-Fi芯片天线布局图。

Claims (9)

1.一种面向工业设备的安全远程维护系统，用于远程分析、诊断、维护设备，包括：远程支援中心模块（1）和用户现场模块（2）；

其中远程支援中心模块（1）包括通信模块（3）、局域网管理模块（4）、主处理服务器（5）以及终端计算机（6）；

其中，终端计算机（6）安装有音视频设备（7）；

用户现场模块（2）包括通信模块（3）、设备现场（9）和培训会议室（10）；其中设备现场（9）包括通信模块（3）和维修设备（12）以及便携终端（13）；

培训会议室（10）同样也包括通信模块（3）、计算机（15）、音视频设备（16）和投影仪（17）；

远程支援中心模块（1）负责采集、实时监控故障设备的数据，并通过主处理服务器（5）分析后给出解决方案；

用户现场模块（2）负责根据远程支援中心模块（1）的指令通过便携终端（13）实时监测故障设备的数据，并通过维修设备（12）对故障设备进行维修；

同时，用户现场模块（2）中的培训会议室（10）通过通信模块（3）与远程支援中心模块（1）连接后，接受来自远程支援中心模块（1）中的厂家技术人员的远程培训。

2.根据权利要求1所述的一种面向工业设备的安全远程维护系统，其特征在于：

通信模块（3）包括有线通信模块（301）和无线通信模块（302）。

3.根据权利要求2所述的一种面向工业设备的安全远程维护系统，其特征在于：

无线通信模块（302）采用Wi-Fi无线通信网络。

4.根据权利要求3所述的一种面向工业设备的安全远程维护系统，其特征在于：

无线通信模块（302）中包括2块Wi-Fi芯片，一颗用于2.4G通信；另外一颗用户5G频段的通信。

5.根据权利要求3所述的一种面向工业设备的安全远程维护系统，其特征在于：

工作在5G频段的Wi-Fi网络采用802.11AC协议；

工作在2.4G频段的Wi-Fi网络采用802.11N协议。

6.根据权利要求2所述的一种面向工业设备的安全远程维护系统，其特征在于：

有线通信模块（303）中的RJ45网卡采用10G速率的网卡。

7.根据权利要求1所述的一种面向工业设备的安全远程维护系统，其特征在于：

局域网管理模块（4）设置有2台交换机，且2台交换机均为工作在层2的交换机。

8.根据权利要求1所述的一种面向工业设备的安全远程维护系统，其特征在于：

局域网管理模块（4）中，负载均衡服务器（406）负责应用服务器（407）与数据库服务器（408）的任务调度；共设置有2台负载均衡服务器（406），并且其中一台是主服务器，另外一台为辅助服务器。

9.根据权利要求1所述的一种面向工业设备的安全远程维护系统，其特征在于：

在培训会议室（10）中，音视频设备（16）直接与通信模块（3）连接，且可以独立于计算机（15）工作。