焦化行业智能工厂数字化系统结构设计

鸿志勇，高连鹏，董春利

（1. 中冶焦耐（大连）工程技术有限公司，辽宁 大连 116021；2. 大连久鹏电子系统工程有限公司，辽宁 大连 116011；3. 大连职业技术学院智能制造学院，辽宁 大连 116037）

1 引言

1.1 信息化现状

焦化是煤炭利用领域中能源转换效率最高的流程工业，是冶金、化工行业的支柱产业，焦化工艺复杂，资源、能源消耗量大，污染物排放量大。我国已成为世界焦炭的生产、消费和供应中心，2013年以来每年焦炭产量均超过4.5亿t，占世界总产量的68%以上，约消耗全国原煤产量的30%。

在21世纪初，随着国民经济的快速发展，我国钢铁工业进入飞速发展时期。高炉大型化和喷煤比例的提高对焦炭质量提出了更高要求；高炉大型化和国家产业政策的调整对焦炉的生产能力、节能降耗、环境保护和自动控制等方面提出了新的要求，我国钢铁工业急需以大型化、高效率和清洁生产为特征的更新换代技术。

焦化产业作为国家的支柱产业，为国家的能源、化工和医疗等行业做出了突出的贡献。在持续的发展中逐渐出现了产能过剩到产业调整，进行了优胜劣汰的改革。

在炼焦的工艺技术上已经跻身于国际上第一梯队的水平，但是在信息化的建设上节奏还是相对较慢，目前信息化的建设和部署还是存在信息孤岛问题，对于数据的存储和共享管理、安全等没有从整体系统性结构上考虑建设，所以没有达到预想的效果，大大增加了企业的内耗。

1.2 智能化目标

按照《焦化行业“十四五”发展规划纲要》，“十四五”期间焦化行业发展的主要目标有6个，其中第6项为“提高行业信息化管理水平，全流程信息化管控系统应用达到50%以上，智能制造在焦化行业有所突破。”因此，运用大数据、云计算、物联网、5G和人工智能技术，是实现这项目标的唯一道路。

通过系统性信息化规划和建设达到如下目的：

1）加强生产网络、信息化网络等方面的安全性。

2）保证数据安全性和及时性。

3）多维度数据融合，建立系统分析手段。

4）提高生产过程各部门之间的沟通效率。

5）提高更加针对性和主动性地设备维护保养维修机制。

6）建立能源管理机制，减少碳排放和能源浪费。

7）利用关联数据提供更综合性报表。

最终助力在经济形式多变的情况下，能够更加及时和快速调整企业的步伐，提高竞争力。

2 系统硬件结构方案设计

2.1 系统层级结构设计

在焦化厂智能化建设中，着重体现人、机、料、法、环的全面数字化，提升生产环节的沟通效率和办公效率，并在安全和环保、设备维护、能源管理等方面的数据业务支撑，建设成生产稳定高效、高产、低碳、环保型企业。

整个系统的层级结构按照工业物联网的架构设计规划，从下到上应该至少包含设备层、边缘与网关层、网络层、服务器层、应用层、业务层等6个层级。

（1）设备层

包含已有的控制工艺过程和成套设备运行的DCS和PLC等控制器与控制系统，SCADA数据采集系统。此外，还有为生产信息化新增加的上述系统，以及新添加的仪器仪表、人员定位设备、视频装置、能源计量表等。设备层是生产信息化采集所需数据的源头。

（2）边缘与网关层

有些关键设备的运行状态需要高速采集和分析，此时就要结合边缘服务器来进行采集和换算分析状态特征，并通过网络传送。边缘与网关层包含控制器产生的数据、独立仪表产生的数据、能源仪表产生的数据，可通过通用网关设备的丰富接口（以太网、串口）和工控协议（Modbus、Profinet、EthernetIP、OPC UA等），进行数据的采集、转发和续传。边缘与网关层也是生产信息化采集所需数据的源头。

（3）网络层

网络层包含各工艺段间互联网络、视频流网络、信息化网络等，并相互隔离和环网冗余通信。在网管型交换机的监视下可实现流量控制和权限控制，并实时监视全场网络运行状况。网络层是生产信息化所需数据向上传送的渠道。

（4）服务器层

服务器层包含平台服务器、数据服务器、应用服务器、流媒体服务器、Web服务器、防火墙等。对于不同的功能单独划分服务器、保证服务器的负荷和扩容的灵活性、数据安全性。服务器层是生产信息化所需数据存储和计算处理的容器和载体。

（5）应用层

在各厂区中针对信息化的应用业务的不同，分配客户端电脑和移动办公用手持设备提高工作效率。应用层是生产信息化所需数据呈现和人机交互的媒介。

（6）业务层

业务层包含主体的业务有生产管理、质量管理、仓储管理、安全管理、设备管理、能源管理、BI分析、数字孪生等。业务层是生产信息化的最终目的和需求，根据不同的工厂和不同的管理架构、管理体系，包含的业务方向和模块也有所不同，呈现的方式、模块的内涵也有所不同。

2.2 硬件设备结构设计

焦化工厂智能化数字化的实现，根据上述的层级设计需要数据产生的末端采集网关、边缘计算机、传感器、仪表，需要负责数据传送的网络管理交换机，IT专用设备等。

根据采集设备的特性和点位容量的不同，需要配置不同的硬件。

参考硬件配置如下：

（1）末端传感器-振动传感器

计算特征值（如电压均方根值、电流均方根值、峰值、峰度、峰值因子、偏斜度和标准偏差值等）。

无线连接或者有线连接；内置3轴振动和温度传感器；电池供电，无需安装线路；轻松设置，用户界面友好； -20℃~85℃宽温工作范围；IP66防护等级。

（2）末端传感器-电流传感器

采用CT（电流互感器，0~100mA交流电）的高效电源充电设计；最高三模拟量输入通道CT节点；功率测量以秒计；专有LPWAN（Sub-G）无线连接或者有线连接。自供电设计，无需额外安装电源线；穿透力强干扰小；即插即用。

（3）边缘计算设备

多 I/O 边缘计算设备，支持SoC结构，最高支持大内存，具备丰富LAN、COM、USB等扩展接口等，整机稳定可靠，适合应用在工厂自动化系统中。

（4）网关

透 过Mini-PCIe接 口 支 持GPRS、3G、4G、5G、WIFI接入，板载SIM卡插槽；具有多协议支持：Modbus/RTU、Modbus/TCP、IEC-60870/104、DL-645。

主CPU为 带Micro-SD 插 槽（内 置SD卡），带USB 2.0，10/100MB 以太网接口，RS-232/485 独立串口。内嵌实时操作系统。

支持壁挂式及DIN导轨式安装，方便灵活。

（5）交换机

采用工业级管理型以太网络交换器，可让用户以快速、具成本效益的方式扩充其工业级网络，并具有强固的工业级设计，确保可靠性与稳定性。 此外，采用 X-Ring 环网技术，提供快速的复原时间（<10ms），能提高网络基础结构的可靠性与速度。

（6）服务器

采用国际知名品牌的机架式服务器，能够节省空间，可以高密度地部署在机房里，性能高的情况下，能够保证散热性好，功耗低，也能保证以后的扩容性。

2.3 网络安全结构设计

视频、控制、安防系统各自独立自成系统，依靠网闸进行物理隔离，充分保证了系统的独立性和安全性。

网闸的使用使视频、控制、安防三个系统间不存在通信的物理连接、逻辑连接及信息传输协议，不存在依据协议进行的信息交换，而只有以数据文件形式进行的无协议摆渡。

控制系统采用专网，其与信息化服务中心通过安全网关隔离，安全网关具有的防火墙、防病毒、入侵检测、用户接入主动认证等功能。集中存储安全控制网关为企业对外提供可选的安全访问控制、用户身份认证、安全审计能力和透明的存储加解密能力。

控制系统的数据只有数据上传功能，将数据上传到服务中心，不允许数据往下写入，以此保证本地操作的可靠性，操作人员可以在车间管理层或者在边缘采集层通过IE网页浏览的形式，在拥有操作权限的前提下可操作数据。

远程维护的外网和内网之间通过防火墙设备保护网络的安全性，内部和外部网络的环境间产生一种保护的屏障，从而实现对计算机不安全网络因素的阻断，充分保证了内网数据的安全性。

整厂的各个区域采用光纤环网，以达到抗干扰目的。

3 系统软件结构方案设计

3.1 软件系统结构设计

本方案是对工业操作系统平台提供的一套先进的工业物联网平台，如图1所示。它能够轻松安全地连接、管理和吸收大规模的物联网数据，实时处理和分析可视化数据。同时具有开放的解决方案生态系统，可以提供丰富的工业应用，让企业用户可以根据需求持续的叠加功能，以一个平台基底，构建无限应用。

图1 焦化厂智能化系统软件系统结构设计

融合边缘云优势采用PaaS/IoT套件服务，包括一站式工业物联网套件、云原生应用和数据管理平台，涵盖数据传输与存储、云原生微服运用平台、数据融合与协同管理、一站式工业AI平台和低代码数据可视化服务，加速应用落地。

使用基于Kubernetes的容器管理架构，可提供快速创建、部署和管理云端应用程序的能力，具备增强云服务和解决方案的能力。利用高可用性和多租户架构以及自动扩展功能，可以针对特定领域的云服务和解决方案提供可靠的数据平台。

3.2 数据流结构设计

本方案提供的工业物联网平台，在备煤、炼焦、干熄焦、化产回收等生产车间采用边缘数据采集系统实现采集各个设备的运行状态、报警及故障信息，根据实际设备的数量和网络结构，数据时效性要求，采取不同的采集速率，最高可达到设备报警或主要运行数据的毫秒级响应速率，为上层平台提供高效的数据支持。

边缘层采集系统将各类数据汇总到工业操作系统，由工业操作系统对各类数据进行分门别类的处理，例如，将报警数据高效直达实时数据库及报警推送中心，实现用户快速响应设备报警，快速处理。

大量历史数据则存储于大数据库中，便于数据分析时提取和处理。视频数据存储于专门的视频服务器中，与工业操作系统实现数据互通，便于用户使用时高效查看。

工业智能APP层在SaaS应用管理服务的支持下，实现对各类APP应用的管理，模块化组合和引入业务需要的APP应用，同时各个APP应用之间数据接口完全互通，便于二次开发及其他系统对接。

3.3 软件平台功能设计

软件平台提供的是一个开放式的应用和数据管理的平台，便于客户在平台上方便地进行应用的二次开发、部署、测试和上线。同时提供的数据管理服务便于应用灵活选择所需的数据服务。为其上运行的应用提供强大的支撑。

智能焦化厂可以通过数据采集设备将备煤粉碎机、炼焦炉等一些设备在生产过程中产生的数据接入到工业物联网云平台中。通过数字孪生服务以及多种应用服务框架和多领域应用模版，整合出面向设备、能源以及生产过程相关的各种关键服务，如生产管理、质量管理、仓储管理、安全管理、设备管理、能源管理、BI分析等多种服务，如图2所示。

图2 焦化厂智能化系统软件平台功能设计

（1）可视化展示工具集和模板库

平台提供丰富且多元的面板，除了提供丰富美观的面板插件，同时支持工业领域特有的插件，以构建众多行业的应用和报表。

提供基础的资料统计和计算功能：满足常用的数据排行、分布、对比、钻取等数据分析的功能模板库中包含实时数据展示、历史曲线、报警等标准模板控件。

（2）支持发布Web+APP服务

同一个功能页面开发好后，具有同步发布成为APP和Web的功能，PC端做好的面板或SRP-Frame构建之应用，都可随时随地在移动端查看。

（3）报警实时性

系统针对所触发的告警事件可以实时在用户可视化界面中进行呈现，并可实现与通知系统进行联动，支持以手机APP、邮件、微信、Line等多种方式进行 通知。

（4）支持多种常见的标准通讯协议

支持多种 IoT 常见的标准通讯协议，支持 AMQP、MQTT、MQTT Over Web Socket、CoAP 等协议。支持数据上云断点续传功能。

（5）快速绑定设备模型生成监视数据

针对于所采集到数据，可基于数字孪生技术，围绕地端实际的物理拓扑构建云端虚拟映射，以数字化的方式构建云端虚拟模型，基于数据驱动理念提升数据管理效率，降低整体运维成本。

（6）数字孪生资产组构建

通过对设备进行数字化3D建模，结合所采集到的各种传感器数据，融合信息技术驱动3D虚拟模型的运行，可根据实际物理信息的变化实现3D引擎数据漫游、旋转等，直观地看到现场设备的实际运行数据，并可以进行交互操作。

（7）安全与隐私

缩减公共IP和外部可以访问的Port口，让外部可以访问到的内部网络尽可能的少；在容器中隔离客户应用程序和数据；加密连接。

提供应用安全服务，用户帐号和认证（UAA）服务建立了一组安全的工业应用服务；基于角色的访问控制，对用户可访问的权限进行精细化控制。

保证用户只能看到他们被授权的空间，使用被授权的资源；确保多租户环境中应用程序二进制资源的安全性；避免因为服务攻击引起的资源耗尽。

4 结束语

通过完成焦化行业的智能化工厂数字化的硬件结构和软件结构的设计，打造“焦化工程远程技术中心”和“焦化行业大数据中心”，将企业的现场画面、排产调度、产品质量和能源介质消耗等生产数据实时上云，完成企业的数字化。

同时可以综合焦化工艺专业知识、在生产过程数据的挖掘和分析基础上，建立与生产数据相关的大数据平台，为焦化工厂提供及时、可靠的生产过程远程技术支持、事故诊断等运维服务，为企业生产决策、工艺改进、资源配置优化及生产故障预测等提供数据支持。

最终，可以运用焦化工序能效评估技术等人工智能成果，为企业开展能效评估服务，提供焦化工程项目全生命周期的技术服务。