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流程工业数字化转型实践

宣布日期：

2023-02-27

流程工业在我国国民经济中占有相当重要的职位，但这些工业企业的生产规模、生长水平狼籍不齐是目前面临的一个现实问题。有些企业自动化基础比较薄弱；有些企业虽然有比较完善的自控系统，但都是针对具体的工艺段，控制室疏散在各个工艺现场，情况相比照较卑劣，噪声粉尘等危害操作人员健康；有些企业已经完成局部的小集控，但并没有彻底解决自动化孤岛，以及信息共享交互、信息集成、信息剖析等问题。因此，如何做好流程工业企业的数字化转型，数字化转型的基础目标是什么，依旧在摸索和探讨之中。

1 流程工业数字化转型目标

在流程工业的典范代表如钢铁工业中，不少企业在智慧制造、智慧效劳中全力探索数字化型实践，并取得了开端效果。在智慧钢厂的打造中，遍布现场的操作室一律集中到中心，操作岗位一律机械人，设备监测运维一律远程，效劳环节一律上线。四个“一律”很好地诠释了流程工业数字化转型的基础目标，明确了流程工业数字化转型的基础目标就是管控一体化及设备远程运维。管控一体化可以面向业务实现工业全流程的集中远控，大幅度提高工序间协同性、生产稳定性，有效提高操作人员的生产效率，实现生产治理模式的立异，从而提高企业的智能化水平。通过远程集中操作监控和远程运维可以实现减员增效，使操作人员远离危险源，实质化解决宁静问题；同时集中剖析设备运行参数，对设备的运行状态做到事前预警、事先预防、提前处理，从而确保设备的宁静稳定运行。

2 数据中台

管控一体化平台是以“云+边”为构架的智慧制造基础设施，是对信息化架构的优化演变，突破了“信息孤岛”�；诠芸匾惶寤教ㄍ瓿傻氖菡�，可进一步打造面向效劳的全流程业务数据中台，从而打造应用互联的数字生态，发动流程工业的智能化、数字化转型，打造面向未来的数字工厂。

数据中台是指通过数据技术对海量数据进行收罗、盘算、存储和加工，同时统一标准和口径。数据统一后会形成标准数据，再进行存储，形成大数据资产层，进而为客户提供高效效劳。支持海量数据的存储、盘算和产品化包装历程，为前台基于数据的定制化立异及为业务中台基于数据反响的连续演进提供强大支撑。

与数据货仓等古板数据工具相比，数据中台是一种新的理念，以“技术+业务”为双驱动，是企业开展新型运营的中枢系统，是一套可连续“让企业的数据用起来”的机制，一种战略选择和组织形式，是依据企业特有的业务模式和组织架构，通过有形的产品和实施要领论支撑，构建一套连续不绝把数据酿成资产并效劳于业务的机制。?

数据是每一个企业最名贵的无形资产，数据中台对企业的刚需价值在于能把企业拥有的“生产资料”转变为一种“数据生产力”。当企业的数据中台搭建起来之后，能够把所有内部数据有机整合、串联起来，形成企业高管、员工、同伴配合加入和使用的完全数字化 “事情台”。数据中台示意图如图 1 所示。

流程工业数字化转型实践

图 1 数据中台示意图

管控一体化平台为数据中台提供重要数据源，为自动化层向数据中心过渡的重要平台；数据中台为企业未来业务的应用提供精准、全面、快捷的数据效劳，为数据中心向业务应用的重要平台。两者为企业数字化转型的重要组成部分，缺一不可。

3 数字化转型的要害技术

为了实现数字化转型的基础目标，即管控一体化和设备远程运维，需要从数据收罗、传输、数据存储、数据剖析、远程监视、集中远控等方面对现场进行革新升级。应用的要害技术及设备如下：

（1）边沿盘算网关

边沿盘算网关首先要解决高频数据的收罗，部分工艺数据的剖析需要抵达毫秒级的收罗频率。毫秒的高频收罗和存储将爆发海量数据，边沿盘算网关需要在现场端对数据进行预处理，包括对数据的质量、数据的准确性进行开端判断，过滤出有效数据，完成数据清洗。因此，边沿盘算网关一般接纳多核 CPU，并自带大容量存储，从而能在外地（边沿端）完身漫衍式盘算存储。同时，边沿盘算网关还需具备协议转换和 IP 重新计划的功效。目前海内外主流的 PLC 和 DCS 厂家有西门子、罗克韦尔、施耐德、万科思、浙江中控等，这些厂家产品都有各自的通信协议。接入管控一体化平台时，均需转换成统一标准的 modbus 协议，同时实现不�；尤�。

（2） 5G 技术

边沿盘算网关收罗到数据后，通常通过就近的有线网络接入，将数据远传到管控中心。但可能保存部分现场网络不便当布线的情况，这就需要考虑无线技术。大宗的工艺数据及设备诊断数据，再加上高频收罗的需求将在现场端形成局部的海量数据，古板 3G/4G 的传输不可满足要求。5G 技术的主要技术特点有带宽高、网速快，满足大数据量的快速传输；更低的时延，满足实时性的需求；更广的连接，满足多站点并发收罗的需求。因此，基于 5G 技术的边沿盘算网关将成为高效可靠的数采远传的一体化解决计划。

（3）实时数据库技术

随着企业的生长，各个相关工艺段均有集中实现管控一体化的需求，SCADA 系统的监控规模从之前的几千点，生长到现在的数万点甚至数十万点的规模，古板的监控软件已满足不了大数据量的收罗和盘问的需求，需自带实时数据库的监控软件来实现大数据量的收罗、存储和剖析。

（4）断点续传技术

关于偶发的不可制止的通信中断情况，为了包管系统数据的完整性，SCADA 系统需支持断点续传功效，即通信故障时，数据暂时缓保存现场的网关控制器中，当通信恢复后，可对缓存的带时标的历史数据进行召唤，并回补到 SCADA 系统的历史数据库中，从而包管系统数据的完整性。

（5）负载均衡及多重冗余技术

古板的现场控制系统为了包管可靠性，一般接纳的是双机热备的冗余技术。在流程行业完成管控一体化后，SCADA 系统中海量的数据将是企业数字化综合展示和剖析的基础和唯一来源，因此对数据可靠性的要求将更高。所有遍布现场的操作室一律集中到管控中心，对 SCADA 软件平台的宁静、稳定和可靠的要求，将抵达前所未有的高度，因此需考虑应用漫衍式的多重冗余技术，使数据可以漫衍地存储在多台效劳器上，效劳器甚至可以在异地漫衍。同时，几个效劳器可以配合分担负荷，抵达负载均衡的效果，并完成多重冗余。

4 管控一体化系统应用案例

以某钢铁企业能源精益管控一体化系统应用实践为例进行介绍。

4.1 实践计划

能源精益管控一体化系统主要由管控中心实时数据库软件平台、管控中心效劳器集群、管控中心事情站、网络系统、边沿盘算收罗网关等组成，系统构架如图 2 所示。

流程工业数字化转型实践

图 2 能源精益管控一体化系统构架图

4.1.1 管控中心

管控中心的实时数据库效劳器是系统的焦点，接纳 Linux 操作系统，安排了自带漫衍式实时数据库的 SCADA 软件，实现负载均衡和 1:4 重冗余功效，即任何一台或多台效劳器泛起故障时，其卖力的事情任务可以凭据配置好的战略自动切换到其他正常的效劳器上运行，从而包管系统高可靠性。

漫衍式实时数据库软件通过边沿盘算网关实现对现场各个 PLC 控制站的数据收罗、数据处理、报警处理、趋势纪录、控制指令下发、操作纪录和历史数据归档等功效。

操作员站由燃气操作站、给水操作站、空压操作站、调理长站、工程师站和图形事情站组成，安排在控制中心，作为管控系统的操控平台，实现对管控系统下属站点的远程监视和控制。

操作员站装置 Windows 10 中文专业版操作系统和 SCADA 客户端软件，完成操作画面、工艺流程及数据显示、实时曲线、参数设定、事件报警、潮流监视、设备状态显示等功效；还可进行数据盘问、报表盘问、报表打印等事情。

4.1.2 网络系统

网络系统由现场接入层网络、汇聚层网络、焦点层网络、桌面操作层网络组成。网络系统从接入层到桌面操作层都能实现冗余，以包管管控系统的可靠性。其中，汇聚层网络接纳工业千兆光纤双环网建设，每个汇聚站由一对冗余的千兆工业光纤交换机组成，与相邻的汇聚站之间通过 2 路光纤相连；管控中心的焦点交换机通过光纤划分与环网中相邻的两个汇聚站相连。

光纤双环网的特点如下：

（1）光纤双环网在网络上具有多重冗余功效，能确保网络的可靠性。

（2）光纤双环网仅 2 个主干节点与焦点交换机有连接，相比于星型网络，焦点交换机的光口数量无需太多，本钱更低，维护更简单。

针对部分有线网络铺设未便的站点或现场智能设备，通过 5G 边沿网关收罗后，直接构建 5G通信网络，通过 VPND 技术，接入焦点交换机。

4.1.3 边沿盘算网关

现场数据收罗端接纳边沿盘算网关，实现能源精益管控软件平台与现场 PLC 系统的不�；尤�，能源管控站点的数据收罗、协议转换、远程控制、无线远传与网络隔离功效，以及要害能耗设备, 运行参数的收罗和剖析。

（1）高频数据收罗

选用的边沿盘算网关接纳了多核 1.2 GHz的 CPU，能胜任高频海量数据收罗需求，数据收罗频率抵达毫秒级别。边沿盘算网关自带 1G 内存和 8 Gflash，大容量存储配置可使网关在边沿端完身漫衍式盘算存储，同时支持通信中断后的断点续传，即通信中断时数据可以带时间标签存储在外地的边沿盘算网关中，当通信恢复，数据可带时标回补到管控中心实时数据库中，包管数据的完整性。

（2）网络隔离

钢厂的能源动力部属属的站点在网络上都是相互独立的，各个站所的外地监控盘算机和 PLC的 IP 地点都是随机的，能源管控系统需把所有站点汇聚到一个软件平台上，通过网关的方法进行隔离。通过边沿盘算网关进行数据收罗后，IP 可重新计划。边沿盘算网关有 3 个以太网口，3 个以太网口之间相互隔离，每个网口可以单独配置 IP 地点。网关的第 1 个网口用于连接能源管控系统，对IP 地点进行统一计划。第 3 个网口用于连接现场的 PLC 系统网络，凭据现场的 IP 地点段进行设置，使得能源管控系统网络与现场 PLC 系统网络之间实现隔离，制止两个网络之间的交叉影响；同时，不需要对现场 PLC 系统和盘算机修改 IP 地点，所有站点可实现不绝产接入。第 2 个网口用来做冗余或用于现场调试和维护。

（3）数据收罗与协议转换

通过边沿盘算网关与现场的 PLC 接纳原有的协议通信，在网关内部再统一转换成 modbus TPC/IP 协议，并重新体例与管控系统的通讯地点，减少通讯数据包数量，提高与管控系统的通信效率。

（4）集成 5G 通信

边沿盘算网关作为一体化设备，集成了 5G 通信�？�，可便当地接入到 5G 网络中，实现可靠和高效的数据传输。5G 的高带宽和低时延的特性，使得管控中心的集中远控时效性和可靠性获得了包管。

（5）边沿盘算

边沿盘算网关针对高频收罗到的设备状态相关的振动、温度、转速、压力、流量、电流电压等参数，通过边沿盘算功效如快速傅里叶变换、故障特征数据提取等，在外地完成数据预处理，仅将盘算结果上传到效劳器中进行数据存储和浏览。同时，可通过图谱剖析轴承特征频率等信息，提前预知轴承的损伤水平，并做出预警，让维护人员实时调解养护计划，从而制止故障的爆发。

4.2 主要功效和特点

4.2.1 跨平台的系统构架

能源管控系统软件平台接纳 Linux+Windows系统架构，实时数据库效劳器接纳 Linux 操作系统，相比 Windows 操作系统，Linux 操作系统不会熏染病毒，执行效率更高，稳定性更好，确保了系统焦点部件的宁静性、高效性和可靠性�？突Ф私幽� Windows 操作系统，人机交互更友好，便于操作人员使用。

4.2.2 负载均衡多重冗余

能源管控系统配置 4 台实时数据库效劳器，能源动力部属属的近 100 个站所凭据专业和点数分摊到 4 台效劳器上，使得每台效劳器所担负的事情负荷相当，实现效劳器的负载均衡功效。负载均衡原理如图 3 所示。

流程工业数字化转型实践

图 3 负载均衡原理图

能源管控系统的 4 台实时数据库效劳器之间还同时实现 1:4 的多重冗余，任何 1 台或几台效劳器故障，其所担负的任务会凭据提前配置好的优先级战略把故障效劳器的任务切换到优先级较高的效劳器上运行，从而包管整个系统的完整性和可靠性。

4.2.3 4 分屏技术

能源管控系统 1 个席位要监控现场 4～6 个站点，之前古板的计划是接纳 1 个席位配置 6 台盘算机和 6 块显示屏，配置 6 个鼠标和键盘，操作人员操作起来比较麻烦，操作时容易选错鼠标。针对上述问题，系统做了优化，接纳 1 个高区分率（3 940×2 160）大尺寸显示器，在大显示器上切分成 4 个区分率为 1920×1 080 的显示区域，相当于 4 块显示屏。实时数据库软件平台可通过配置支持 4 分屏功效。

4分屏技术具有如下优点：

（1） 1 个席位只用 1 台盘算机即可实现对 4个站所的界面监控，只占用 1 个客户端授权；

（2）一个席位只配置 1 个鼠标和键盘，便当操作人员操作；

（3）不需要特另外硬件支持来 4 分屏功效；

（4）支持 4 分屏界面放大到全屏显示，便当操作人员操作和重要数据监控。

4.2.4 三级报警及视频联动

能源管控系统软件对所有站点的数据按一、二、三级报警做了分类：一级报警为严重报警，报警爆发时，能源管控软件平台对应的席位会播报录制好的对应的报警声音，并把报警数据推送给视频监控系统，视频监控系统会弹出相应的摄像头进行报警设备的视频监控。二级报警为重要报警，报警爆发时，能源管控软件平台对应的席位会播报录制好的对应的报警声音。三级报警为一般报警，不播报报警声音，仅在报警界面进行显示。

能源管控系统的一、二、三级报警按优先级划分了 255 个优先级，每个优先级可以关联指定的报警声音文件，一、二级报警的报警声音可以细化到机组报警，便当操作人员快速定位报警和实时处理。能源管控系统每个席位要同时监控多个站所，当有报警触发时，操作人员马上翻开对应的监控界面有一定难度。能源管控平台软件对每个报警配置了关联的工艺界面，当报警触发时，可以通过双击或右键单击报警条，在弹出的菜单里选择 “示意图”，快速翻开报警信息所在的工艺监控界面。

4.2.5 智慧远程运维

能源管控系统凭据专业划分，开发了对应专业所有站点边沿盘算网关的监控界面。运维人员可以在管控中心实时了解漫衍在全厂的所有边沿盘算网关的事情状态，其监控界面包括如下功效：

（1）用 1 个界面监控本专业的所有网关事情状态及通讯状态；

（2）显示主辅两个网关的运行、故障及冗余状态；

（3）显示管控软件平台跟网关的通讯状态；

（4）显示管控软件平台跟网关通过哪条通讯链路进行通讯；

（5）显示网关跟 PLC 的通讯状态。

通过边沿技术网关收罗到重点能耗设备及关键计量设备的运行参数，网关在进行开端的数据清洗后，实时上传到管控平台，运维人员可以便当地在管控中心对设备运行情况进行实时在线监控，同时，配合故障诊断剖析系统和相关知识库，可以事前预知潜在的故障，做到事前处理，并提供优化的养护计划。相比于之前的设备按期检测或在线监测离线剖析检测方法，现有的方法可以极大地减少运维人员，同时提供了更科学准确的运维计划，减少事故的爆发。

5 结语

流程工业中的数字化转型是全球数字化进程的一个子部分，也被视为第四次工业革命。流程工业要实现数字化转型的最基本的前提就是实现数据收集和数据整合，而管控一体化的解决计划是企业数字化转型和落地的重要实现方法，它能很好地资助企业完成数据收集和数据整合，最终形成企业自身的数据湖，为数据中台的搭建提供数据源。随着大数据，云盘算，人工智能等一系统新技术的生长，数据也将被越来越多的企业视为焦点资产，是企业数字化历程中积累的财产。因此，在流程工业中如何做好全厂的管控一体化将是一个值得深思的问题。

来源：原文刊载于《鞍钢技术》2022 年第 6 期

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