互联网浪潮下流程工业数字化转型的实践
吴海平，金巍铭，吴顺鍬
（万科思自动化（上海）有限公司，上海 200135）
1 流程工业面临的挑战
随着互联网经济的快速发展，世界经济的全球化趋势越来越明显，即使在工业领域，瞬息万变的市场让企业间的竞争越来越激烈。与此同时，国家战略性提出中国制造2025，产业互联网开启新工业革命，为了适应多变市场的需求，流程工业企业都在积极地投身到数字化转型的浪潮中。
流程工业在我国国民经济中占有相当重要的地位，但目前面临的一个现实的问题就是这些工业企业的生产规模、发展水平参差不齐，有些企业自动化基础还比较薄弱，有些虽然有比较完善的自控系统，但都是针对具体的工艺段，控制室分散在各个工艺现场，环境相对比较恶劣，噪声粉尘等危害操作员健康，有些可能已经完成局部的小集控，但并没有彻底解决自动化孤岛，解决信息共享交互、信息集成、信息分析等问题。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，大家都还在摸索和探讨之中。
2 流程工业数字化转型的目标
在流程工业的典型代表如钢铁工业中，不少企业在智慧制造、智慧服务中全力探索数字化转型实践，并取得了初步的成效。在智慧钢厂的打造中，“四个一律”在业内已成为钢铁行业数字化转型升级的目标：即遍布现场的操作室一律集中到中心，重体力和危险场所作业一律机器人，设备监测运维一律远程，服务环节一律上线。“四个一律”很好地诠释了流程工业数字化转型的基础目标，尤其是就地操作室一律集中、设备监测运维一律远程，这两个“一律”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，可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，实现生产管理模式的创新，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，使得操作人员远离危险源，本质化解决安全问题，同时可以通过对设备运行参数的集中分析，对设备的运行状态做到事前预警，事先预防，提前处置，从而确保设备的安全稳定运行。
3 数据中台
管控一体化是以“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，打破了“信息孤岛”。基于管控一体化平台完成的数据整合，可进一步打造面向服务的全流程业务的数据中台，从而打造应用互联的数字生态，带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，对海量数据进行采集、计算、存储、加工，同时统一标准和口径。数据中台把数据统一之后，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服务，支持海量数据的存储、计算、产品化包装过程，为前台基于数据的定制化创新及为业务中台基于数据反馈的持续演进提供强大支撑。
与数据仓库等传统数据工具相比，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，是一套可持续“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方法论支撑，构建一套持续不断把数据变成资产并服务于业务的机制。数据是每一个企业最宝贵无形资产，数据中台对企业的刚需价值在于，能把企业中所拥有的“生产资料”转变为一种“数据生产力”。当企业在数据中台搭建起来之后，绝不只是多了一个SaaS工具或业务帮手，而是能够把所有内部数据有机整合起来、串联起来，形成企业高管、员工、伙伴共同参与和使用的完全数字化的“工作台”。图1为数据中台。
图1 数据中台
管控一体化平台为数据中台提供重要的数据源，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，快捷的数据服务，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。
4 数字化转型的关键技术
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，需要从数据采集、传输、数据存储、数据分析、远程监视、集中远控等方面对现场进行改造升级。涉及的难点问题如下：
（1）现场存在不同工艺段的自控系统PLC和DCS的厂家和品牌各不相同，进行数据采集需要将各个厂家的通信协议进行转换，成为统一的标准协议，便于后续统一维护。
（2）为了满足后期的数据分析，部分工艺数据需要高频采集，并完成数据预处理及数据清洗后，再实现远传。
（3）数据传输的时候，部分采集点或智能设备不方便布线的时候，需要考虑无线远传。
（4）数据采集最终汇总到统一的管控一体化平台，该平台需要支持大点数的数据实时刷新和长时间的数据存储，为后续的数据中台的构建提供数据源。
解决以上问题涉及的关键技术及设备如下：
（1）边缘计算网关
（2）5G技术
（3）实时数据库技术
（4）断点续传技术
（5）负载均衡及多重冗余技术
5 精益管控一体化系统的应用
为了帮助企业真正实现数字化转型，带着上述的思考我们在不少流程工业企业中做出了实践，并成功实施了多个钢铁、石油行业的案例。下面以某钢铁企业能源精益管控一体化项目为例进行介绍。
5.1 项目的背景及目标
钢铁企业作为高耗能企业，如何在国家碳达峰和碳中和大目标下完成自身企业节能降耗减排的目标，一直以来是这些企业积极探索的方向。构建一套能源精益管控一体化平台，能很好地通过数字化的手段帮助用户来实现管理节能、减员增效和设备远程监控运维。
5.2 整体解决方案
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、管控中心服务器集群、管控中心工作站、网络系统、边缘计算采集网关等组成。
系统构架图如下图所示：
图2 系统构架图
5.2.1 管控中心
管控中心的实时数据库服务器是系统的核心，采用了Linux操作系统，部署了自带分布式实时数据库的SCADA软件，实现负载均衡和1:4重冗余功能，即任何一台或多台服务器出现故障时，其负责的工作任务可以根据配置好的策略自动切换到其他正常的服务器上运行，从而保证系统高可靠性。
分布式实时数据库软件通过边缘计算网关实现对现场各个PLC控制站的数据采集、数据处理、报警处理、趋势记录、控制指令下发、操作记录、历史数据归档等功能。
5.2.2 网络系统
网络系统由现场接入层网络、汇聚层网络、核心层网络、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，以保障管控系统的可靠性。
尤其是汇聚层网络，采用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，管控中心的核心交换机通过光纤分别与环网中相邻的两个汇聚站相连。
针对部分有线网络铺设不便的站点或现场智能设备，通过5G边缘网关采集后，直接构建5G通信网络，通过VPND技术，接入核心交换机。
5.2.3 边缘计算网关
现场数据采集端采用边缘计算网关实现能源精益管控软件平台与现场PLC系统的不停机接入，通过边缘计算网关实现能源管控站点的数据采集、协议转换、远程控制、无线远传与网络隔离功能，实现关键能耗设备的运行参数的采集和分析。
（1）高频数据采集
选用的边缘计算网关采用了多核1.2GHz 的CPU，能完美地胜任高频海量数据采集的需求，数据采集频率能达到毫秒级别。边缘计算网关自带1G的内存和8G的flash，如此大容量存储配置，使得网关可在边缘端完成分布式计算存储，同时支持通信中断后的断点续传，即通信中断的时候数据可以带时间标签存储在本地的边缘计算网关中，当通信恢复回数据带时标回补到管控中心实时数据库中，保证了数据的完整性。
（2）网络隔离
钢厂的能源动力部下属的站点在网络上都是相互独立的，各个站所的本地监控计算机和PLC的IP地址都是随机的，能源管控系统要把所有站点汇聚到一个软件平台上，若不通过网关的方式进行隔离，务必要对所有的站点进行IP地址统一规划，将涉及停产对本地PLC进行组态的问题，同时管控系统网络和所有现场本地计算机网络相连，大大增加了系统感染病毒的风险。
能源管控系统通过边缘计算网关进行数据采集后，IP可重新规划，此问题将不复存在。边缘计算网关有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地址。网关的第1个网口用于连能源管控系统，IP地址进行统一规划，第3个网口用于连现场的PLC系统网络，根据现场的IP地址段进行设置，使得能源管控系统网络与现场PLC系统网络之间实现隔离，避免了两个网络之间的交叉影响。同时，不需要对现场PLC系统和计算机修改IP地址，所有站点可以实现不停产接入。第2个网口可以用来做冗余或用于现场调试和维护。
（3）数据采集与协议转换
通过边缘计算网关与现场的PLC采用原有的协议通信，在网关内部再统一转换成modbus TPC/IP协议，并重新编制与管控系统的通讯地址，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
边缘计算网关作为一体化设备，集成了5G通信模块，可方便地接入到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得到了保证。
（5）边缘计算
边缘计算网关针对高频采集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，通过边缘计算功能如快速傅里叶变换、故障特征数据提取等，在本地完成数据预处理，仅将计算结果上传到服务器中进行数据存储和浏览。可通过图谱分析轴承特征频率等信息，提前预知轴承的损伤程度，并做出预警，让维护人员及时调整养护计划，从而避免故障的产生。
5.3 主要功能和特点
5.3.1 跨平台的系统构架
能源管控系统软件平台采用Linux+Windows系统架构，实时数据库服务器采用Linux操作系统，相比Windows操作系统，Linux操作系统不会感染病毒，执行效率更高，稳定性更好，确保了系统核心部件的安全性、高效性和可靠性。客户端采用Windows操作系统，人机交互更友好，便于操作人员使用。
5.3.2 负载均衡多重冗余
能源管控系统配置了4台实时数据库服务器，能源动力部下属的近100个站所根据专业和点数分摊到4台服务器上，使得每台服务器所承担的工作负荷相当，实现服务器的负载均衡功能。
图3 负载均衡原理图
5.3.3 四分屏技术
能源管控系统1个席位要监控现场4～6个站点，之前传统的方案是采用1个席位配置6台计算机和6块显示屏，配置了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。
而该项目中对这个问题做了优化，采用1个高分辨率（3940*2160）大尺寸显示器，在大显示器上切分成4个分辨率为1920*1080的显示区域，相当于4块显示屏。
图4 四分屏显示效果图
4分屏技术优点：
（1）1个席位只用1台计算机即可实现对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，方便操作人员操作。
（3）不需要额外的硬件支持来4分屏功能。
（4）支持4分屏界面放大到全屏显示，方便操作人员操作和重要数据监控。
5.3.4 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，报警发生时，能源管控软件平台对应的席位会播报对应的录制好的报警声音，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，报警发生时，能源管控软件平台对应的席位会播报对应的录制好的报警声音。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。
能源管控系统每个席位要同时监控好几个站所，当有报警触发时，操作人员要马上打开对应的监控界面是有难度的。能源管控平台软件可以对每个报警配置关联的工艺界面，当报警触发时，通过双击或右键报警条，在弹出的菜单里选择“示意图”，可以快速打开报警信息所在的工艺监控界面。
5.3.5 智慧远程运维
能源管控系统根据专业划分，开发了对应专业所有站点边缘计算网关的监控界面。
通过边缘技术网关采集到重点能耗设备及关键计量设备的运行参数，网关在进行初步的数据清洗后，实时上传到管控平台，运维人员可以方便地在管控中心对设备运行情况进行实时在线监控，同时，配合故障诊断分析系统和相关知识库，可以事前预知潜在的故障，做到事前处置，并提供优化的养护计划。相比于之前的设备定期检测或在线监测离线分析检测方式，现有的方式可以极大地减少运维人员，同时提供了更科学准确的运维方案，减少事故的发生。
5.4 实践成果
在该钢厂的能源精益管控一体化项目建设中，改造了120多套控制系统，实现了遍布现场的120多个能源操作室一律集中到中心来集控，远控设备3.1万余台，实现扁平化管控，实现人员优化700多人，每年人员效益7360万元，节能效益15860万元，并获得了工信部和国资委组织的国企数字场景创新专业赛生产运营类的一等奖。
6 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方案是企业数字化转型和落地的重要实现方式，它能很好地帮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，云计算，人工智能等一系统新技术的发展，数据也将被越来越多的企业视为核心资产，是企业数字化过程中积累的财富。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。本文抛砖引玉地介绍了流程工业管控一体化建设的一些关键技术和心得，相信管控一体化所构建的数据基础将成为企业数字化转型强有力支撑的重要角色。
注：该文章引用自《鞍钢技术》杂志发表的文章。