基于物联网技术的设备运维在高炉的实践

李昕洋，李玉光

（1.华北理工大学管理学院，河北唐山 063200；2.首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山 063200）

0 引言

近几年来网络通信技术、射频技术、传感技术等技术不断进步，促使物联网技术日趋成熟。随着“中国制造2025”概念的提出，物联网技术在工业智能制造领域的应用也迎来了快速发展[1]，成为最具探讨的设备管理手段之一。特别是2020 年新型冠状病毒肺炎疫情以来，连续型生产企业的生产秩序受到了严重的影响。疫情之下居家办公、轮换办公的工作模式逐渐兴起，越来越多的企业开始引入信息化技术，注重设备的远程监控、维护和管理等功能的开发与实践。尤其在大高炉的运维过程中，管理人员能够利用手机APP（Application，应用程序）、网页或远程登录客户端的方式，实现对工艺环节的过程监控和设备故障的在线诊断，这为故障的快速处理节省了较多时间，也为设备管理提供了新的思路与方法。

1 物联网技术及其发展历程

1.1 物联网技术的定义

物联网是以网络互联技术为基础的，实现信息采集、传递和处理等功能的技术总称。从结构上可分为：、感知层、网络层和应用层[2]。感知层是指对通过传感器技术、射频识别技术、定位技术等方法实现对物体状态的全方位感知。网络层负责将获得的物体状态进行传递，即作为传输通道将感知层和应用层进行数据联通。把数据的存储和分析处理从本地向云端转移，通过云端的发布使管理者在任何位置同步获得本地设备的各种状态。应用层主要履行分析数据、管理数据和加工数据的职能，并形成有效的策略反馈给管理者去决策。在云计算、云存储、大数据等技术的发展下，应用层的功能更加丰富和可靠，这也为智能制造领域提供了更具实用性的解决方案。

1.2 物联网技术的发展历程

回顾近几年物联网技术的发展历程，其理论和实践的创新离不开基础技术的提升，这使得物联网技术在工业领域更具使用价值。

（1）网络通信速度和质量的提升。近年来，随着4G、5G 网络技术相继投入使用，广域网的速度正逐步实现从MB 级向GB级的跨越式发展[3]。实现本地与互联网数据库的快速、稳定、高质量的通信，为云计算、云服务创造了最基础的条件。它改变了设备管理人员掌握信息的方式，使分散在工业现场的数据更加容易被获取，便于后续分析和挖掘数据，并形成指导策略。

（2）传感器技术的发展。传感器是感知层的主要设备，由多样化的采集和控制模块组成[4]。传感器作为采集设备状态的入口，是建立起设备状态测量系统的基础。近几年来传感器在采集精准度、数据传输方式、便携性等方面有了较大提升，其为建立测量系统分析提供了有力的数据支持，成为越来越可靠的过程控制和系统监测的手段。

（3）应用功能的不断丰富。通过物联网技术可以实现物与物、人与物之间的无障碍通信，且能够适应多种终端特点实现了在互联网基础上进行的拓展和延伸[5]。从现场基础自动化的数据采集到最终实现云端的数据存储和分析，基于云服务系统开发的分析工具使设备管理更加多元化，丰富的功能为设备状态分析提供了有力的保障。

2 物联网技术在设备运维中的实践

2.1 基于物联网技术的设备运维方案的发展

钢铁行业中设备巡检所使用的传感器设备，经历了从人工测量向在线式连续测量的转化。在网络不发达的年代，DCS 系统能够完成本地的数据处理，并通过调整执行设备的控制参数，实现生产的自动化运行以及设备状态的本地采集。在无线通信技术的结合下，新型的传感器能够将信号传输到网络中进行共享，帮助设备管理人员更加便捷地感知生产状况，全方位的了解设备运行状态，在设备状态监测、设备故障应对方面带来了极大的提升。

近几年来，钢铁行业在基础自动化和过程自动化等方面发展较快，生产线的自动化、智能化水平都有了较大的提升，生产效率和连续作业效率都有了大幅提高，也为钢铁行业与信息通信技术融合提供较好基础。目前物联网技术在钢铁行业主要还是以外围设备为主，常见的有安防系统、人力签到系统、物流管控系统等，在过程控制以及设备管理方面缺乏深入的实践和应用。

2.2 基于物联网技术的设备运维方案的实践案例

物联网技术是钢铁行业智能制造转型的最佳载体，它连通了传统自动化控制系统和云服务平台，不仅能在网络客户端上实现对生产、设备运行状态的实时监控，还能通过更为强大的云端设备为参数调整提供建议。但从实践历程来看，国内大多数企业尚处于初步阶段，没有形成完整的物联网体系，实践的具体实例也较为分散。以某钢铁厂为例，其尝试主要来自于以下3 个方面：

在实践中要提高重视程度，从教学基础设施入手，对教学中需要的教学设备进行不断的完善和补充，使得基础设备得到极大的更新，为学生学习活动的展开提供必要的物质基础。比如说引进新时期的信息技术，创新听力教学模式，在实践中为教师充分利用网络资源打下坚实基础，实现课堂教学多样化，提高学生的“听”能力。

2.2.1 基于本地数据库开发的高炉生产数据在线监控系统

由于高炉是连续型的生产模式，管理人员需要随时掌握生产和设备的运行情况，例如风量、煤量、氧量、料线等，根据生产、设备的变化及时做出应对。过去，管理人员需要电话联系操作员，通过电话沟通或者传递照片等方式，将实际的工况口述出来，这种方法不仅浪费时间，而且往往因沟通或描述差异等问题，影响信息传递的准确性和时效性，造成现场处理问题不及时，甚至是处理的决策产生偏差。

基于已经实现的本地高炉生产数据系统，经过Web 服务器建立与移动端的连接，将曲线实时显示到移动端。在移动端，注册用户需要提交注册审核，待通过用户管理页面审核后才能正常登录使用移动端APP。移动端使用的HTML5、CSS、JavaScript 混合编程，并采用JqueryMobile 前端框架，使画面简洁美观，同时使用Cordova 对应用进行封装，达到跨平台的目的（图1）。

图1 手机端高炉实时运行曲线

随着移动信息化技术的进步，管理人员已经可以实现在任意地点任意时间对工业现场数据进行监视，这既是工业与信息化的融合的体现，也是智能制造的发展需求。

2.2.2 布局无线采集设备开发的环境监测系统

设备大型化、智能化是未来发展的趋势，大型化的设备对于企业提质增效具有较大意义。但同样大型化的设备也意味着多数设备没有冗余系统，因此其运行稳定性必须要有足够的保证。从设备运行稳定性角度考虑，通过日常的点检完成对设备运行的评价与监测是十分必要的（图2）。

图2 运行环境状态无线采集装备系统

2.2.3 与设备厂商共同开发、完善的单体设备在线管理系统

基于设备厂商开发的APP，设备管理人员对其监测内容、报警方式等进行优化，最终形成完善的管理系统。通过监控重点设备主回路的开关状态，将此类设备的运行状态发送给云端数据服务器，最后由APP 或短信息推送给设备管理人员。在收到信息后能够第一时间，设备管理人员能够做出应对或根据推送的设备故障信息及时提出检修方案和恢复方案（图3）。

图3 单体设备运行情况及报警信息

以该高炉除尘风机、热风炉助燃风机等变频传动系统为例。该高压变频器通过PLC 将采集的现场实时数据，通过4G 网络与云平台进行数据通信，管理人员使用管理APP 能够读取云端数据，远程监控高压变频器的运行状态，如变频器当前运行频率，电动机的运行数据，变频器的输入电压、电流、转速等数据；查看每个变频功率模块的运行状态，例如模块是否旁路、是否发生驱动、过压、过流、缺相等故障。根据这些数据，设备人员能够在故障时，及时对现场问题进行分析，即使不在生产现场，也能指导维护人员进行检修和处理，减少了故障处理的等待时间。

3 设备运维方案实践中的不足

该钢铁厂虽然整体自动化程度较高，生产运行、设备管理、环保控制均处于国内先进水平，但从对物联网技术的应用来看，尚处于起步阶段，虽然能够做到对重点生产参数、重点设备的实时监控，但也面临着很多不足。

（1）数据覆盖不足。由于在高炉的设计阶段，从数据处理层面缺少对采集数据、存储数据、以及共享数据等功能的考虑，导致物联网技术应用的基础较差。而提高数据覆盖率，需要从重新设计方案并投入较多资金，导致整体推进较慢。

（2）管理功能单一。目前仅能实现实时数据的监控和历史数据的查阅功能。无法深度挖掘数据，并对生产控制和设备运行提出更专业性的建议。特别是在故障判断时，仅能查看故障信息，无法结合实际的运行参数协同分析，仍然需要维护人员到现场的工控设备上查看具体的参数和报警信息。此外，部分设备的运行稳定性较差，存在采集不准确或刷新不及时等问题。

（3）系统之间协议不统一。由于众多企业在研发设备运维相关的程序和分析工具时采用的软件或协议不同，很难在数据上实现互通，导致对设备运维的分析形成了信息孤岛，无法有效融合。

（4）网络安全问题。数据共享是实现物联网技术最重要的环节，因此物联网的信息安全尤为重要。无论是设备故障本身还是程序的漏洞，都有可能被黑客攻击造成信息的泄露，例如该企业曾经发生过的永恒之蓝、勒索病毒等，对过程控制造成较大影响。这也是多数企业不愿推进物联网技术的原因，毕竟与采用先进的网络技术相比，企业更倾向于稳定生产，保证自身的平稳运营。

4 设备运维方案的建议

我国的钢铁行业正在经历着由传统工作模式向智能制造转变的过程。很多企业虽然通过引进先进的技术和设备，对产品质量的提升、产能的提高都有较大的帮助，但受生产规模大型化、成套化的局限，很难在原有设备运行的基础上与物联网技术有效融合。特别是对于高炉冶炼而言，工艺技术成熟、运行稳定，设备选型更倾向于稳定、可靠型，所以在此基础上与物联网技术融合需要更为复杂的实施方案。

（1）数据采集方面，方法主要分为两种：一种是使用无线传感设备采集，通过汇聚端接收数据最终由PLC 上传至数据库，这种方法比较适合现场采集点分散、距离较远，原系统拓展性差等特点，但同时投入也相对较高；另一种是通过基础自动化系统，直接由PLC 的远程站采用有线传感器采集设备状态。这种方式需要原系统有较多的备用点位，或是基础自动化系统拓展性较好，但实际施工更复杂。

（2）功能开发方面，要从实用性角度出发，减少不必要的功能。管理人员通过手机客户端、互联网网站能够实现远程登录，查看设备运行情况，重点参数的变化趋势，甚至是根据运行数据获得最佳的维修建议。

（3）开发协议方面，目前技术体系的构建不够完善[6]，缺乏统一的标准，使得应用功能多种多样。企业作为系统方案的发起者，要提高站位统筹考虑功能的布局，无论是从开发工具还是通信协议方面都要进行规范化要求。

（4）网络安全方面，一是注重对获取数据用户的审核监管，通过认证技术保护企业数据不被窃取；二是注重网络对本地信息的写入保护，强化系统的入侵响应，通过对进程的监管，保护系统不被木马入侵；三是减少直接决策性功能的使用，云端的数据分析和决策方案作为重要的参考手段，最终的决策执行由本地操作员进行，避免非法用户恶意篡改。

5 总结与展望

基于物联网技术的设备管理创新模式正在高炉的运维中迅速发展，它的应用范围也会越来越广。特别是随着环保压力的日趋严峻，退城搬迁、产能置换为钢铁企业的发展带来了严峻的挑战，但同时也为其在信息化、智能化的发展道路上带来了新的机遇，新技术的应用也将会推动整个高炉控制技术向智能化发展。如何使企业管理人员和设备维护人员更好的通过网络手段实现对本地设备进行实时监控，并根据数据变化提早做出应对、决策或对故障的原因做出分析和处理，是开发人员和企业人员需要不断尝试与探索的。这对于工业行业而言，特别是钢铁等连续型运转行业意义重大。