鎳冶煉工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究與應(yīng)用

宋吉譚 劉硯輝 呂蘇環(huán) 董隴隴 屈永保

[摘? ? 要]現(xiàn)代化當(dāng)中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)屬于新一代的信息技術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域深入融合發(fā)展所形成的全新的工業(yè)生態(tài)體系，對(duì)于工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型來(lái)說(shuō)，對(duì)于工業(yè)大數(shù)據(jù)的采集分析與深度應(yīng)用起到了有效地促進(jìn)作用?，F(xiàn)階段的工業(yè)大數(shù)據(jù)特點(diǎn)當(dāng)中，充分借助于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的工業(yè)大數(shù)據(jù)來(lái)源及采集方式，根據(jù)其數(shù)據(jù)模型和算法，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)制造企業(yè)研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、遠(yuǎn)程運(yùn)維、數(shù)字化運(yùn)營(yíng)管理當(dāng)中工業(yè)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用，在本文當(dāng)中，針對(duì)于鎳冶煉工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究與應(yīng)用做出了分析，給出了其工業(yè)大數(shù)據(jù)深化利用的建議和意見(jiàn)。

[關(guān)鍵詞]鎳冶煉;工業(yè)數(shù)字化;轉(zhuǎn)型;數(shù)據(jù)采集;應(yīng)用

[中圖分類(lèi)號(hào)]F270.7 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）11–0–02

Research and Application of Data Collection Technology in the

Digital Transformation of Nickel Smelting Industry

Song Ji-Tan， Liu Yan-hui， Lv Su-huan， Dong Long-long， Qu Yong-bao

[Abstract]In modernization， industrial Internet belongs to a new industrial ecosystem formed by the in-depth integrated development of information technology and industrial field. For industrial digital transformation， it has played an effective role in promoting the collection， analysis and in-depth application of industrial big data.This stage of industrial big data characteristics， make full use of the industrial Internet environment of industrial big data source and collection method， according to its data model and algorithm， to realize the manufacturing enterprise research and development design， manufacturing， remote operation， digital operation management of industrial big data application， in this article， for the nickel smelting industry digital transformation data collection technology research and application made the analysis， gives the use of industrial big data Suggestions and opinions.

[Keywords]nickel smelting; industrial digitalization; transformation; data acquisition; application

在現(xiàn)階段，物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計(jì)算、區(qū)塊鏈、5G等為主要集中代表的新一代的信息技術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域得到了深刻的融合的發(fā)展，從而形成了支撐企業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)人、機(jī)器、方法、環(huán)境等全要素在工業(yè)領(lǐng)域的全方位鏈接，屬于一種新型的應(yīng)用模式，對(duì)于傳統(tǒng)的制造業(yè)來(lái)說(shuō)帶來(lái)了巨大的轉(zhuǎn)變和影響。在此種程度上，需要進(jìn)行工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，對(duì)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)快速和高質(zhì)量發(fā)展的推動(dòng)，因此需要加快對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要程度。對(duì)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的轉(zhuǎn)型升級(jí)的過(guò)程當(dāng)中，工業(yè)數(shù)據(jù)的深度分析和應(yīng)用可以提升企業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量產(chǎn)品生產(chǎn)、精細(xì)化管理和高效率運(yùn)行。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)的過(guò)程當(dāng)中，對(duì)于工業(yè)數(shù)據(jù)的分析需要實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)+算力+算法=應(yīng)用”為核心的新一代智能制造體系技術(shù)和運(yùn)營(yíng)管理模式。基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際情況推動(dòng)了算力的巨大進(jìn)步，加快算法與模型的沉淀。

1 工業(yè)大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)

在工業(yè)大數(shù)據(jù)中，在數(shù)據(jù)特征中所包含的物理意義以及特征之間的關(guān)聯(lián)機(jī)理需要進(jìn)行高度重視，對(duì)于分析結(jié)果的可靠性要求也相對(duì)較高。在工業(yè)大數(shù)據(jù)方面具備規(guī)模大、速度快、類(lèi)型雜、質(zhì)量低的“4 V”特征，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)理與邏輯當(dāng)中所呈現(xiàn)的多模態(tài)、強(qiáng)關(guān)聯(lián)、高通量、因果性、價(jià)值性等新特征進(jìn)行最大限度反映。工業(yè)大數(shù)據(jù)還需要對(duì)工業(yè)系統(tǒng)各方面的要素進(jìn)行分析，在數(shù)據(jù)方面對(duì)于工業(yè)軟件及系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)需要進(jìn)行記錄的同時(shí)，還要對(duì)不同專(zhuān)業(yè)的視頻、圖紙等半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。因此，在數(shù)據(jù)文件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)方面呈現(xiàn)比較復(fù)雜且多模態(tài)的特點(diǎn)。工業(yè)大數(shù)據(jù)當(dāng)中的強(qiáng)關(guān)聯(lián)主要可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同物理對(duì)象與過(guò)程的語(yǔ)義關(guān)聯(lián)，以此來(lái)對(duì)工業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)關(guān)系進(jìn)行反映，實(shí)現(xiàn)不同專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)之間在產(chǎn)品生命周期內(nèi)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)、售后等過(guò)程的關(guān)聯(lián)。其中，高通量主要指的是設(shè)備和產(chǎn)品在借助傳感器的基礎(chǔ)上進(jìn)行短時(shí)間的序列數(shù)據(jù)的采集，其本身具備數(shù)據(jù)吐量大、產(chǎn)生速度快并且持續(xù)不斷的特征。

在鎳冶煉的企業(yè)制造車(chē)間數(shù)據(jù)的采集方面，其單間呈現(xiàn)出小批量的權(quán)限制造且加工精度相對(duì)較高的特點(diǎn)。因?yàn)槠渲圃旃に嚪矫娌环€(wěn)定，所以制造的工藝很長(zhǎng)。在加工產(chǎn)品的特點(diǎn)和工藝特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)其生產(chǎn)制造車(chē)間需要借助于工藝專(zhuān)業(yè)化原則組成生產(chǎn)單元，對(duì)具備同類(lèi)型加工工藝的設(shè)備和同類(lèi)型的裝配可以進(jìn)行集中在一塊，使其車(chē)間可以具有多種類(lèi)型的加工設(shè)備。針對(duì)其核心零件，在工藝人員和生產(chǎn)人員生產(chǎn)制造的過(guò)程中，基于零件本身的特點(diǎn)和生產(chǎn)設(shè)備的情況確定出合理的加工方案，對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程中的制造來(lái)說(shuō)需要根據(jù)其現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行合理調(diào)整。在進(jìn)行車(chē)間數(shù)據(jù)的采集過(guò)程當(dāng)中，需要借助于多個(gè)部分系統(tǒng)來(lái)組成，包含了信息化的系統(tǒng)、設(shè)備控制系統(tǒng)、車(chē)間信息系統(tǒng)和企業(yè)信息系統(tǒng)等，需要實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)的綜合化信息集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和集成。

2 車(chē)間數(shù)據(jù)采集解決措施

對(duì)于其鎳冶煉工業(yè)的車(chē)間數(shù)據(jù)采集過(guò)程當(dāng)中，可以利用OPCUA技術(shù)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)化的建模，并且在其服務(wù)器當(dāng)中進(jìn)行實(shí)例化的完成。數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，對(duì)于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集、匯聚、轉(zhuǎn)換和OPCUA地址空間的映射可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換和實(shí)現(xiàn)。在數(shù)據(jù)化的車(chē)間當(dāng)中，可以進(jìn)行設(shè)備監(jiān)控來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)的采集和報(bào)警做出實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控方面成為了數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的基礎(chǔ)前提，扮演著核心架構(gòu)的角色，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備和其軟件服務(wù)的高效連接，對(duì)于車(chē)間的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、報(bào)警以及可視化的操作等。此種系統(tǒng)的內(nèi)部中存在的OPCUA模型可以對(duì)數(shù)據(jù)向其信息化的系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行輸入，并且對(duì)于系統(tǒng)的指令也可以接受，有效地實(shí)現(xiàn)了車(chē)間信息化系統(tǒng)和設(shè)備的高效融合鏈接。

在該方案當(dāng)中，需要進(jìn)行多個(gè)方面問(wèn)題的有效解決：①對(duì)于數(shù)據(jù)采集量大且頻度高的問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的過(guò)程中，其采集速率最高為4 kHz，采集一次需要250 μs，因此需要對(duì)其數(shù)據(jù)在云端中進(jìn)行保存，并且還要在多線程的情況下實(shí)現(xiàn)工作組件的穩(wěn)定運(yùn)行。②對(duì)于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)源來(lái)說(shuō)，可以實(shí)現(xiàn)快速接入，針對(duì)冶煉車(chē)間當(dāng)中的產(chǎn)生的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，包含了多個(gè)設(shè)備的元數(shù)據(jù)，需要借助于多源異構(gòu)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，對(duì)于信息化和工業(yè)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)高度的融合，以此來(lái)滿(mǎn)足不同用戶(hù)的不同需求?，F(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息源方面具有雜亂、重復(fù)、不完整、異構(gòu)的特點(diǎn)，因此需要對(duì)其雜亂的信息進(jìn)行交叉分析，實(shí)現(xiàn)車(chē)間在生產(chǎn)運(yùn)行的過(guò)程當(dāng)中產(chǎn)生的設(shè)備數(shù)據(jù)的高效采集和全面分析集成。針對(duì)冶煉過(guò)程當(dāng)中存在的現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集，需要借助于不同工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)裝備之間，現(xiàn)場(chǎng)裝備與上層控制、維護(hù)系統(tǒng)之間存在的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議適配的科學(xué)合理方式來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。③對(duì)于上層的應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要在一個(gè)界面內(nèi)部進(jìn)行多數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)的全面顯示。

在該系統(tǒng)架構(gòu)方面，其數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控平臺(tái)的整體架構(gòu)如圖1所示。借助于OPCUA建模技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)采集和工業(yè)設(shè)備互聯(lián)互通。其中，不同應(yīng)用系統(tǒng)間的接口可以按照面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。比如，對(duì)溫度傳感器的設(shè)計(jì)（圖2），進(jìn)行了溫度傳感器的基本特性的設(shè)計(jì)，其中包含了當(dāng)前溫度、最高報(bào)警溫度、最低報(bào)警溫度、獲取當(dāng)前溫度的方法。在使用的過(guò)程當(dāng)中，可以進(jìn)行溫度傳感器的實(shí)例化生成，進(jìn)行賦值操作，如圖3所示。

在數(shù)字化的車(chē)間模型建立的過(guò)程當(dāng)中，需要實(shí)現(xiàn)靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)以及過(guò)程方法實(shí)現(xiàn)，其中子模型可以實(shí)現(xiàn)向下的無(wú)限嵌套和引用。對(duì)于企業(yè)冶煉車(chē)間來(lái)說(shuō)，需要實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)和生產(chǎn)資源的同時(shí)實(shí)現(xiàn)，業(yè)務(wù)模塊方面包含了設(shè)計(jì)、質(zhì)量檢驗(yàn)、設(shè)備維護(hù)以及操作等領(lǐng)域，生產(chǎn)資源需要給業(yè)務(wù)領(lǐng)域當(dāng)中相關(guān)的流程進(jìn)行資源的參與設(shè)計(jì)。其中生產(chǎn)資源分布在各業(yè)務(wù)模塊內(nèi)部，生產(chǎn)資源之間的交流一般需要借助各種類(lèi)型的單據(jù)進(jìn)行指令和消息的傳遞。在車(chē)間模型的實(shí)例化方面，對(duì)每一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)例化的構(gòu)建，其建模的流程可以具體劃分為借助于OPCUA建模工具按照物理世界的實(shí)際情況進(jìn)行描述，OPCUA的服務(wù)器可以對(duì)此文件進(jìn)行解析，根據(jù)其規(guī)范來(lái)實(shí)現(xiàn)地址空間的映射。對(duì)于加工生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集可以利用多個(gè)方式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其中直接與數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行通信，采集數(shù)據(jù)、利用網(wǎng)關(guān)采集裝備PLC數(shù)據(jù)、加裝傳感器、利用可移動(dòng)的二級(jí)終端采集。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，其數(shù)字經(jīng)濟(jì)對(duì)于工業(yè)數(shù)據(jù)的指數(shù)增長(zhǎng)起到了巨大的推動(dòng)作用。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為工業(yè)大數(shù)據(jù)的科學(xué)應(yīng)用提供了巨大的基礎(chǔ)條件和空間。針對(duì)工業(yè)大數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，需要實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)應(yīng)用，對(duì)于工業(yè)大數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的過(guò)程需要從多個(gè)方面的角度來(lái)進(jìn)行分析，在鎳冶煉企業(yè)的工業(yè)大數(shù)據(jù)建設(shè)采集的過(guò)程當(dāng)中，可以在生產(chǎn)的過(guò)程當(dāng)中進(jìn)行大數(shù)據(jù)共享生態(tài)的建設(shè)和利用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的高效協(xié)同發(fā)展。進(jìn)行數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)安全機(jī)制和信任體系的建設(shè)，最終可以對(duì)大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)開(kāi)放共享的目的。借助于產(chǎn)學(xué)研協(xié)同的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)技術(shù)的成熟落地。對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)可以進(jìn)行大數(shù)據(jù)技術(shù)人才的培養(yǎng)，以此推動(dòng)工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)成果的創(chuàng)新與落地應(yīng)用。與此同時(shí)，還要積極拓展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下工業(yè)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用場(chǎng)景。進(jìn)行工業(yè)大數(shù)據(jù)在多個(gè)階段的集中管理，進(jìn)行增值服務(wù)等場(chǎng)景的多方面應(yīng)用，更好地促進(jìn)企業(yè)的數(shù)字化應(yīng)用。

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