基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)備運(yùn)維在高爐的實(shí)踐

李昕洋，李玉光

（1.華北理工大學(xué)管理學(xué)院，河北唐山 063200；2.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063200）

0 引言

近幾年來(lái)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、射頻技術(shù)、傳感技術(shù)等技術(shù)不斷進(jìn)步，促使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日趨成熟。隨著“中國(guó)制造2025”概念的提出，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用也迎來(lái)了快速發(fā)展[1]，成為最具探討的設(shè)備管理手段之一。特別是2020 年新型冠狀病毒肺炎疫情以來(lái)，連續(xù)型生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)秩序受到了嚴(yán)重的影響。疫情之下居家辦公、輪換辦公的工作模式逐漸興起，越來(lái)越多的企業(yè)開始引入信息化技術(shù)，注重設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控、維護(hù)和管理等功能的開發(fā)與實(shí)踐。尤其在大高爐的運(yùn)維過(guò)程中，管理人員能夠利用手機(jī)APP（Application，應(yīng)用程序）、網(wǎng)頁(yè)或遠(yuǎn)程登錄客戶端的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝環(huán)節(jié)的過(guò)程監(jiān)控和設(shè)備故障的在線診斷，這為故障的快速處理節(jié)省了較多時(shí)間，也為設(shè)備管理提供了新的思路與方法。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其發(fā)展歷程

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的定義

物聯(lián)網(wǎng)是以網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)為基礎(chǔ)的，實(shí)現(xiàn)信息采集、傳遞和處理等功能的技術(shù)總稱。從結(jié)構(gòu)上可分為：、感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[2]。感知層是指對(duì)通過(guò)傳感器技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)、定位技術(shù)等方法實(shí)現(xiàn)對(duì)物體狀態(tài)的全方位感知。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)將獲得的物體狀態(tài)進(jìn)行傳遞，即作為傳輸通道將感知層和應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)通。把數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析處理從本地向云端轉(zhuǎn)移，通過(guò)云端的發(fā)布使管理者在任何位置同步獲得本地設(shè)備的各種狀態(tài)。應(yīng)用層主要履行分析數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)和加工數(shù)據(jù)的職能，并形成有效的策略反饋給管理者去決策。在云計(jì)算、云存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展下，應(yīng)用層的功能更加豐富和可靠，這也為智能制造領(lǐng)域提供了更具實(shí)用性的解決方案。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展歷程

回顧近幾年物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展歷程，其理論和實(shí)踐的創(chuàng)新離不開基礎(chǔ)技術(shù)的提升，這使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域更具使用價(jià)值。

（1）網(wǎng)絡(luò)通信速度和質(zhì)量的提升。近年來(lái)，隨著4G、5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相繼投入使用，廣域網(wǎng)的速度正逐步實(shí)現(xiàn)從MB 級(jí)向GB級(jí)的跨越式發(fā)展[3]。實(shí)現(xiàn)本地與互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)的快速、穩(wěn)定、高質(zhì)量的通信，為云計(jì)算、云服務(wù)創(chuàng)造了最基礎(chǔ)的條件。它改變了設(shè)備管理人員掌握信息的方式，使分散在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)更加容易被獲取，便于后續(xù)分析和挖掘數(shù)據(jù)，并形成指導(dǎo)策略。

（2）傳感器技術(shù)的發(fā)展。傳感器是感知層的主要設(shè)備，由多樣化的采集和控制模塊組成[4]。傳感器作為采集設(shè)備狀態(tài)的入口，是建立起設(shè)備狀態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)。近幾年來(lái)傳感器在采集精準(zhǔn)度、數(shù)據(jù)傳輸方式、便攜性等方面有了較大提升，其為建立測(cè)量系統(tǒng)分析提供了有力的數(shù)據(jù)支持，成為越來(lái)越可靠的過(guò)程控制和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的手段。

（3）應(yīng)用功能的不斷豐富。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)物與物、人與物之間的無(wú)障礙通信，且能夠適應(yīng)多種終端特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行的拓展和延伸[5]。從現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集到最終實(shí)現(xiàn)云端的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析，基于云服務(wù)系統(tǒng)開發(fā)的分析工具使設(shè)備管理更加多元化，豐富的功能為設(shè)備狀態(tài)分析提供了有力的保障。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)備運(yùn)維中的實(shí)踐

2.1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)備運(yùn)維方案的發(fā)展

鋼鐵行業(yè)中設(shè)備巡檢所使用的傳感器設(shè)備，經(jīng)歷了從人工測(cè)量向在線式連續(xù)測(cè)量的轉(zhuǎn)化。在網(wǎng)絡(luò)不發(fā)達(dá)的年代，DCS 系統(tǒng)能夠完成本地的數(shù)據(jù)處理，并通過(guò)調(diào)整執(zhí)行設(shè)備的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化運(yùn)行以及設(shè)備狀態(tài)的本地采集。在無(wú)線通信技術(shù)的結(jié)合下，新型的傳感器能夠?qū)⑿盘?hào)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行共享，幫助設(shè)備管理人員更加便捷地感知生產(chǎn)狀況，全方位的了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、設(shè)備故障應(yīng)對(duì)方面帶來(lái)了極大的提升。

近幾年來(lái)，鋼鐵行業(yè)在基礎(chǔ)自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化等方面發(fā)展較快，生產(chǎn)線的自動(dòng)化、智能化水平都有了較大的提升，生產(chǎn)效率和連續(xù)作業(yè)效率都有了大幅提高，也為鋼鐵行業(yè)與信息通信技術(shù)融合提供較好基礎(chǔ)。目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在鋼鐵行業(yè)主要還是以外圍設(shè)備為主，常見(jiàn)的有安防系統(tǒng)、人力簽到系統(tǒng)、物流管控系統(tǒng)等，在過(guò)程控制以及設(shè)備管理方面缺乏深入的實(shí)踐和應(yīng)用。

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)備運(yùn)維方案的實(shí)踐案例

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是鋼鐵行業(yè)智能制造轉(zhuǎn)型的最佳載體，它連通了傳統(tǒng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)和云服務(wù)平臺(tái)，不僅能在網(wǎng)絡(luò)客戶端上實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，還能通過(guò)更為強(qiáng)大的云端設(shè)備為參數(shù)調(diào)整提供建議。但從實(shí)踐歷程來(lái)看，國(guó)內(nèi)大多數(shù)企業(yè)尚處于初步階段，沒(méi)有形成完整的物聯(lián)網(wǎng)體系，實(shí)踐的具體實(shí)例也較為分散。以某鋼鐵廠為例，其嘗試主要來(lái)自于以下3 個(gè)方面：

在實(shí)踐中要提高重視程度，從教學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施入手，對(duì)教學(xué)中需要的教學(xué)設(shè)備進(jìn)行不斷的完善和補(bǔ)充，使得基礎(chǔ)設(shè)備得到極大的更新，為學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)的展開提供必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。比如說(shuō)引進(jìn)新時(shí)期的信息技術(shù)，創(chuàng)新聽力教學(xué)模式，在實(shí)踐中為教師充分利用網(wǎng)絡(luò)資源打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)多樣化，提高學(xué)生的“聽”能力。

2.2.1 基于本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)的高爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)在線監(jiān)控系統(tǒng)

由于高爐是連續(xù)型的生產(chǎn)模式，管理人員需要隨時(shí)掌握生產(chǎn)和設(shè)備的運(yùn)行情況，例如風(fēng)量、煤量、氧量、料線等，根據(jù)生產(chǎn)、設(shè)備的變化及時(shí)做出應(yīng)對(duì)。過(guò)去，管理人員需要電話聯(lián)系操作員，通過(guò)電話溝通或者傳遞照片等方式，將實(shí)際的工況口述出來(lái)，這種方法不僅浪費(fèi)時(shí)間，而且往往因溝通或描述差異等問(wèn)題，影響信息傳遞的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，造成現(xiàn)場(chǎng)處理問(wèn)題不及時(shí)，甚至是處理的決策產(chǎn)生偏差。

基于已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的本地高爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)Web 服務(wù)器建立與移動(dòng)端的連接，將曲線實(shí)時(shí)顯示到移動(dòng)端。在移動(dòng)端，注冊(cè)用戶需要提交注冊(cè)審核，待通過(guò)用戶管理頁(yè)面審核后才能正常登錄使用移動(dòng)端APP。移動(dòng)端使用的HTML5、CSS、JavaScript 混合編程，并采用JqueryMobile 前端框架，使畫面簡(jiǎn)潔美觀，同時(shí)使用Cordova 對(duì)應(yīng)用進(jìn)行封裝，達(dá)到跨平臺(tái)的目的（圖1）。

圖1 手機(jī)端高爐實(shí)時(shí)運(yùn)行曲線

隨著移動(dòng)信息化技術(shù)的進(jìn)步，管理人員已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)在任意地點(diǎn)任意時(shí)間對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視，這既是工業(yè)與信息化的融合的體現(xiàn)，也是智能制造的發(fā)展需求。

2.2.2 布局無(wú)線采集設(shè)備開發(fā)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

設(shè)備大型化、智能化是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，大型化的設(shè)備對(duì)于企業(yè)提質(zhì)增效具有較大意義。但同樣大型化的設(shè)備也意味著多數(shù)設(shè)備沒(méi)有冗余系統(tǒng)，因此其運(yùn)行穩(wěn)定性必須要有足夠的保證。從設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性角度考慮，通過(guò)日常的點(diǎn)檢完成對(duì)設(shè)備運(yùn)行的評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)是十分必要的（圖2）。

圖2 運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)無(wú)線采集裝備系統(tǒng)

2.2.3 與設(shè)備廠商共同開發(fā)、完善的單體設(shè)備在線管理系統(tǒng)

基于設(shè)備廠商開發(fā)的APP，設(shè)備管理人員對(duì)其監(jiān)測(cè)內(nèi)容、報(bào)警方式等進(jìn)行優(yōu)化，最終形成完善的管理系統(tǒng)。通過(guò)監(jiān)控重點(diǎn)設(shè)備主回路的開關(guān)狀態(tài)，將此類設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)送給云端數(shù)據(jù)服務(wù)器，最后由APP 或短信息推送給設(shè)備管理人員。在收到信息后能夠第一時(shí)間，設(shè)備管理人員能夠做出應(yīng)對(duì)或根據(jù)推送的設(shè)備故障信息及時(shí)提出檢修方案和恢復(fù)方案（圖3）。

圖3 單體設(shè)備運(yùn)行情況及報(bào)警信息

以該高爐除塵風(fēng)機(jī)、熱風(fēng)爐助燃風(fēng)機(jī)等變頻傳動(dòng)系統(tǒng)為例。該高壓變頻器通過(guò)PLC 將采集的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)與云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，管理人員使用管理APP 能夠讀取云端數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程監(jiān)控高壓變頻器的運(yùn)行狀態(tài)，如變頻器當(dāng)前運(yùn)行頻率，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，變頻器的輸入電壓、電流、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)；查看每個(gè)變頻功率模塊的運(yùn)行狀態(tài)，例如模塊是否旁路、是否發(fā)生驅(qū)動(dòng)、過(guò)壓、過(guò)流、缺相等故障。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，設(shè)備人員能夠在故障時(shí)，及時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題進(jìn)行分析，即使不在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，也能指導(dǎo)維護(hù)人員進(jìn)行檢修和處理，減少了故障處理的等待時(shí)間。

3 設(shè)備運(yùn)維方案實(shí)踐中的不足

該鋼鐵廠雖然整體自動(dòng)化程度較高，生產(chǎn)運(yùn)行、設(shè)備管理、環(huán)保控制均處于國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，但從對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用來(lái)看，尚處于起步階段，雖然能夠做到對(duì)重點(diǎn)生產(chǎn)參數(shù)、重點(diǎn)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，但也面臨著很多不足。

（1）數(shù)據(jù)覆蓋不足。由于在高爐的設(shè)計(jì)階段，從數(shù)據(jù)處理層面缺少對(duì)采集數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、以及共享數(shù)據(jù)等功能的考慮，導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)較差。而提高數(shù)據(jù)覆蓋率，需要從重新設(shè)計(jì)方案并投入較多資金，導(dǎo)致整體推進(jìn)較慢。

（2）管理功能單一。目前僅能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)控和歷史數(shù)據(jù)的查閱功能。無(wú)法深度挖掘數(shù)據(jù)，并對(duì)生產(chǎn)控制和設(shè)備運(yùn)行提出更專業(yè)性的建議。特別是在故障判斷時(shí)，僅能查看故障信息，無(wú)法結(jié)合實(shí)際的運(yùn)行參數(shù)協(xié)同分析，仍然需要維護(hù)人員到現(xiàn)場(chǎng)的工控設(shè)備上查看具體的參數(shù)和報(bào)警信息。此外，部分設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性較差，存在采集不準(zhǔn)確或刷新不及時(shí)等問(wèn)題。

（3）系統(tǒng)之間協(xié)議不統(tǒng)一。由于眾多企業(yè)在研發(fā)設(shè)備運(yùn)維相關(guān)的程序和分析工具時(shí)采用的軟件或協(xié)議不同，很難在數(shù)據(jù)上實(shí)現(xiàn)互通，導(dǎo)致對(duì)設(shè)備運(yùn)維的分析形成了信息孤島，無(wú)法有效融合。

（4）網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題。數(shù)據(jù)共享是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)最重要的環(huán)節(jié)，因此物聯(lián)網(wǎng)的信息安全尤為重要。無(wú)論是設(shè)備故障本身還是程序的漏洞，都有可能被黑客攻擊造成信息的泄露，例如該企業(yè)曾經(jīng)發(fā)生過(guò)的永恒之藍(lán)、勒索病毒等，對(duì)過(guò)程控制造成較大影響。這也是多數(shù)企業(yè)不愿推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的原因，畢竟與采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，企業(yè)更傾向于穩(wěn)定生產(chǎn)，保證自身的平穩(wěn)運(yùn)營(yíng)。

4 設(shè)備運(yùn)維方案的建議

我國(guó)的鋼鐵行業(yè)正在經(jīng)歷著由傳統(tǒng)工作模式向智能制造轉(zhuǎn)變的過(guò)程。很多企業(yè)雖然通過(guò)引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的提升、產(chǎn)能的提高都有較大的幫助，但受生產(chǎn)規(guī)模大型化、成套化的局限，很難在原有設(shè)備運(yùn)行的基礎(chǔ)上與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有效融合。特別是對(duì)于高爐冶煉而言，工藝技術(shù)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定，設(shè)備選型更傾向于穩(wěn)定、可靠型，所以在此基礎(chǔ)上與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合需要更為復(fù)雜的實(shí)施方案。

（1）數(shù)據(jù)采集方面，方法主要分為兩種：一種是使用無(wú)線傳感設(shè)備采集，通過(guò)匯聚端接收數(shù)據(jù)最終由PLC 上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)，這種方法比較適合現(xiàn)場(chǎng)采集點(diǎn)分散、距離較遠(yuǎn)，原系統(tǒng)拓展性差等特點(diǎn)，但同時(shí)投入也相對(duì)較高；另一種是通過(guò)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)，直接由PLC 的遠(yuǎn)程站采用有線傳感器采集設(shè)備狀態(tài)。這種方式需要原系統(tǒng)有較多的備用點(diǎn)位，或是基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)拓展性較好，但實(shí)際施工更復(fù)雜。

（2）功能開發(fā)方面，要從實(shí)用性角度出發(fā)，減少不必要的功能。管理人員通過(guò)手機(jī)客戶端、互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程登錄，查看設(shè)備運(yùn)行情況，重點(diǎn)參數(shù)的變化趨勢(shì)，甚至是根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)獲得最佳的維修建議。

（3）開發(fā)協(xié)議方面，目前技術(shù)體系的構(gòu)建不夠完善[6]，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使得應(yīng)用功能多種多樣。企業(yè)作為系統(tǒng)方案的發(fā)起者，要提高站位統(tǒng)籌考慮功能的布局，無(wú)論是從開發(fā)工具還是通信協(xié)議方面都要進(jìn)行規(guī)范化要求。

（4）網(wǎng)絡(luò)安全方面，一是注重對(duì)獲取數(shù)據(jù)用戶的審核監(jiān)管，通過(guò)認(rèn)證技術(shù)保護(hù)企業(yè)數(shù)據(jù)不被竊?。欢亲⒅鼐W(wǎng)絡(luò)對(duì)本地信息的寫入保護(hù)，強(qiáng)化系統(tǒng)的入侵響應(yīng)，通過(guò)對(duì)進(jìn)程的監(jiān)管，保護(hù)系統(tǒng)不被木馬入侵；三是減少直接決策性功能的使用，云端的數(shù)據(jù)分析和決策方案作為重要的參考手段，最終的決策執(zhí)行由本地操作員進(jìn)行，避免非法用戶惡意篡改。

5 總結(jié)與展望

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)備管理創(chuàng)新模式正在高爐的運(yùn)維中迅速發(fā)展，它的應(yīng)用范圍也會(huì)越來(lái)越廣。特別是隨著環(huán)保壓力的日趨嚴(yán)峻，退城搬遷、產(chǎn)能置換為鋼鐵企業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，但同時(shí)也為其在信息化、智能化的發(fā)展道路上帶來(lái)了新的機(jī)遇，新技術(shù)的應(yīng)用也將會(huì)推動(dòng)整個(gè)高爐控制技術(shù)向智能化發(fā)展。如何使企業(yè)管理人員和設(shè)備維護(hù)人員更好的通過(guò)網(wǎng)絡(luò)手段實(shí)現(xiàn)對(duì)本地設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并根據(jù)數(shù)據(jù)變化提早做出應(yīng)對(duì)、決策或?qū)收系脑蜃龀龇治龊吞幚?，是開發(fā)人員和企業(yè)人員需要不斷嘗試與探索的。這對(duì)于工業(yè)行業(yè)而言，特別是鋼鐵等連續(xù)型運(yùn)轉(zhuǎn)行業(yè)意義重大。