互联网浪潮下流程工业数字化转型实践

吴海平，金巍铭，吴顺鍬

（万科思自动化（上海）有限公司，上海 200135）

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，瞬息万变的市场也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，但这些工业企业的生产规模、发展水平参差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，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，并取得了初步成效。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，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，使操作人员远离危险源，本质化解决安全问题；同时集中分析设备运行参数，对设备的运行状态做到事前预警、事先预防、提前处置，从而确保设备的安全稳定运行。

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，打破了“信息孤岛”［1］。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服务。支持海量数据的存储、计算和产品化包装过程，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［2］。数据是每一个企业最宝贵的无形资产，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、伙伴共同参与和使用的完全数字化 “工作台”。数据中台示意图如图1所示。

图1 数据中台示意图Fig.1 Schematic Diagram of Data Center

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。

3 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。应用的关键技术及设备如下：

（1）边缘计算网关

边缘计算网关首先要解决高频数据的采集，部分工艺数据的分析需要达到毫秒级的采集频率。毫秒的高频采集和存储将产生海量数据，边缘计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、数据的准确性进行初步判断，过滤出有效数据，完成数据清洗。因此，边缘计算网关一般采用多核CPU，并自带大容量存储，从而能在本地（边缘端）完成分布式计算存储。同时，边缘计算网关还需具备协议转换和IP重新规划的功能。目前国内外主流的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，同时实现不停机接入。

（2）5G 技术

边缘计算网关采集到数据后，通常通过就近的有线网络接入，将数据远传到管控中心。但可能存在部分现场网络不方便布线的情况，这就需要考虑无线技术。大量的工艺数据及设备诊断数据，再加上高频采集的需求将在现场端形成局部的海量数据，传统3G/4G的传输不能满足要求。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，满足多站点并发采集的需求［3］。因此，基于5G技术的边缘计算网关将成为高效可靠的数采远传的一体化解决方案。

（3）实时数据库技术

随着企业的发展，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，发展到现在的数万点甚至数十万点的规模，传统的监控软件已满足不了大数据量的采集和查询的需求，需自带实时数据库的监控软件来实现大数据量的采集、存储和分析。

（4）断点续传技术

对于偶发的不可避免的通信中断情况，为了保证系统数据的完整性，SCADA系统需支持断点续传功能，即通信故障时，数据暂时缓存在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，从而保证系统数据的完整性。

（5）负载均衡及多重冗余技术

传统的现场控制系统为了保证可靠性，一般采取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分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软件平台的安全、稳定和可靠的要求，将达到前所未有的高度，因此需考虑应用分布式的多重冗余技术，使数据可以分布地存储在多台服务器上，服务器甚至可以在异地分布。同时，几个服务器可以共同分担负荷，达到负载均衡的效果，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，系统构架如图2所示。

图2 能源精益管控一体化系统构架图Fig.2 Architecture Diagram for Energy Lean Integrated Management and Control All-in-one System

4.1.1 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、操作记录和历史数据归档等功能。

操作员站由燃气操作站、给水操作站、空压操作站、调度长站、工程师站和图形工作站组成，部署在控制中心，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。

操作员站安装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、设备状态显示等功能；还可进行数据查询、报表查询、报表打印等工作。

4.1.2 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。其中，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。

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能，能确保网络的可靠性。

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

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。

4.1.3 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，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，以及关键能耗设备,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1.2 GHz的CPU，能胜任高频海量数据采集需求，数据采集频率达到毫秒级别。边缘计算网关自带1G内存和8 Gflash，大容量存储配置可使网关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，即通信中断时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，数据可带时标回补到管控中心实时数据库中，保证数据的完整性。

（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，能源管控系统需把所有站点汇聚到一个软件平台上，通过网关的方式进行隔离。通过边缘计算网关进行数据采集后，IP可重新规划。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个网口用于连接能源管控系统，对IP地址进行统一规划。第3个网口用于连接现场的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，所有站点可实现不停产接入。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。同时，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。

4.2 主要功能和特点

4.2.1 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。

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。负载均衡原理如图3所示。

图3 负载均衡原理图Fig.3 Schematic Diagram for Load Balancing

能源管控系统的4台实时数据库服务器之间还同时实现1:4的多重冗余，任何1台或几台服务器故障，其所承担的任务会根据提前配置好的优先级策略把故障服务器的任务切换到优先级较高的服务器上运行，从而保证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，采用1个高分辨率（3 940×2 160）大尺寸显示器，在大显示器上切分成4个分辨率为1 920×1 080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分屏功能。

4分屏技术具有如下优点：

（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。

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，报警发生时，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，报警发生时，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，方便操作人员快速定位报警和及时处理。

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，操作人员马上打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”，快速打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。运维人员可以在管控中心实时了解分布在全厂的所有边缘计算网关的工作状态，其监控界面包含如下功能：

（1）用1个界面监控本专业的所有网关工作状态及通讯状态；

（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［4］。

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。