焦化行業(yè)智能工廠數(shù)字化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

鴻志勇，高連鵬，董春利

（1. 中冶焦耐（大連）工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116021；2. 大連久鵬電子系統(tǒng)工程有限公司，遼寧 大連 116011；3. 大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，遼寧 大連 116037）

1 引言

1.1 信息化現(xiàn)狀

焦化是煤炭利用領(lǐng)域中能源轉(zhuǎn)換效率最高的流程工業(yè)，是冶金、化工行業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)，焦化工藝復(fù)雜，資源、能源消耗量大，污染物排放量大。我國已成為世界焦炭的生產(chǎn)、消費和供應(yīng)中心，2013年以來每年焦炭產(chǎn)量均超過4.5億t，占世界總產(chǎn)量的68%以上，約消耗全國原煤產(chǎn)量的30%。

在21世紀初，隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國鋼鐵工業(yè)進入飛速發(fā)展時期。高爐大型化和噴煤比例的提高對焦炭質(zhì)量提出了更高要求；高爐大型化和國家產(chǎn)業(yè)政策的調(diào)整對焦?fàn)t的生產(chǎn)能力、節(jié)能降耗、環(huán)境保護和自動控制等方面提出了新的要求，我國鋼鐵工業(yè)急需以大型化、高效率和清潔生產(chǎn)為特征的更新?lián)Q代技術(shù)。

焦化產(chǎn)業(yè)作為國家的支柱產(chǎn)業(yè)，為國家的能源、化工和醫(yī)療等行業(yè)做出了突出的貢獻。在持續(xù)的發(fā)展中逐漸出現(xiàn)了產(chǎn)能過剩到產(chǎn)業(yè)調(diào)整，進行了優(yōu)勝劣汰的改革。

在煉焦的工藝技術(shù)上已經(jīng)躋身于國際上第一梯隊的水平，但是在信息化的建設(shè)上節(jié)奏還是相對較慢，目前信息化的建設(shè)和部署還是存在信息孤島問題，對于數(shù)據(jù)的存儲和共享管理、安全等沒有從整體系統(tǒng)性結(jié)構(gòu)上考慮建設(shè)，所以沒有達到預(yù)想的效果，大大增加了企業(yè)的內(nèi)耗。

1.2 智能化目標(biāo)

按照《焦化行業(yè)“十四五”發(fā)展規(guī)劃綱要》，“十四五”期間焦化行業(yè)發(fā)展的主要目標(biāo)有6個，其中第6項為“提高行業(yè)信息化管理水平，全流程信息化管控系統(tǒng)應(yīng)用達到50%以上，智能制造在焦化行業(yè)有所突破?！币虼耍\用大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、5G和人工智能技術(shù)，是實現(xiàn)這項目標(biāo)的唯一道路。

通過系統(tǒng)性信息化規(guī)劃和建設(shè)達到如下目的：

1）加強生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)、信息化網(wǎng)絡(luò)等方面的安全性。

2）保證數(shù)據(jù)安全性和及時性。

3）多維度數(shù)據(jù)融合，建立系統(tǒng)分析手段。

4）提高生產(chǎn)過程各部門之間的溝通效率。

5）提高更加針對性和主動性地設(shè)備維護保養(yǎng)維修機制。

6）建立能源管理機制，減少碳排放和能源浪費。

7）利用關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)提供更綜合性報表。

最終助力在經(jīng)濟形式多變的情況下，能夠更加及時和快速調(diào)整企業(yè)的步伐，提高競爭力。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

2.1 系統(tǒng)層級結(jié)構(gòu)設(shè)計

在焦化廠智能化建設(shè)中，著重體現(xiàn)人、機、料、法、環(huán)的全面數(shù)字化，提升生產(chǎn)環(huán)節(jié)的溝通效率和辦公效率，并在安全和環(huán)保、設(shè)備維護、能源管理等方面的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)支撐，建設(shè)成生產(chǎn)穩(wěn)定高效、高產(chǎn)、低碳、環(huán)保型企業(yè)。

整個系統(tǒng)的層級結(jié)構(gòu)按照工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)設(shè)計規(guī)劃，從下到上應(yīng)該至少包含設(shè)備層、邊緣與網(wǎng)關(guān)層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)器層、應(yīng)用層、業(yè)務(wù)層等6個層級。

（1）設(shè)備層

包含已有的控制工藝過程和成套設(shè)備運行的DCS和PLC等控制器與控制系統(tǒng)，SCADA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。此外，還有為生產(chǎn)信息化新增加的上述系統(tǒng)，以及新添加的儀器儀表、人員定位設(shè)備、視頻裝置、能源計量表等。設(shè)備層是生產(chǎn)信息化采集所需數(shù)據(jù)的源頭。

（2）邊緣與網(wǎng)關(guān)層

有些關(guān)鍵設(shè)備的運行狀態(tài)需要高速采集和分析，此時就要結(jié)合邊緣服務(wù)器來進行采集和換算分析狀態(tài)特征，并通過網(wǎng)絡(luò)傳送。邊緣與網(wǎng)關(guān)層包含控制器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、獨立儀表產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、能源儀表產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，可通過通用網(wǎng)關(guān)設(shè)備的豐富接口（以太網(wǎng)、串口）和工控協(xié)議（Modbus、Profinet、EthernetIP、OPC UA等），進行數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)發(fā)和續(xù)傳。邊緣與網(wǎng)關(guān)層也是生產(chǎn)信息化采集所需數(shù)據(jù)的源頭。

（3）網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層包含各工藝段間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、視頻流網(wǎng)絡(luò)、信息化網(wǎng)絡(luò)等，并相互隔離和環(huán)網(wǎng)冗余通信。在網(wǎng)管型交換機的監(jiān)視下可實現(xiàn)流量控制和權(quán)限控制，并實時監(jiān)視全場網(wǎng)絡(luò)運行狀況。網(wǎng)絡(luò)層是生產(chǎn)信息化所需數(shù)據(jù)向上傳送的渠道。

（4）服務(wù)器層

服務(wù)器層包含平臺服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、流媒體服務(wù)器、Web服務(wù)器、防火墻等。對于不同的功能單獨劃分服務(wù)器、保證服務(wù)器的負荷和擴容的靈活性、數(shù)據(jù)安全性。服務(wù)器層是生產(chǎn)信息化所需數(shù)據(jù)存儲和計算處理的容器和載體。

（5）應(yīng)用層

在各廠區(qū)中針對信息化的應(yīng)用業(yè)務(wù)的不同，分配客戶端電腦和移動辦公用手持設(shè)備提高工作效率。應(yīng)用層是生產(chǎn)信息化所需數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和人機交互的媒介。

（6）業(yè)務(wù)層

業(yè)務(wù)層包含主體的業(yè)務(wù)有生產(chǎn)管理、質(zhì)量管理、倉儲管理、安全管理、設(shè)備管理、能源管理、BI分析、數(shù)字孿生等。業(yè)務(wù)層是生產(chǎn)信息化的最終目的和需求，根據(jù)不同的工廠和不同的管理架構(gòu)、管理體系，包含的業(yè)務(wù)方向和模塊也有所不同，呈現(xiàn)的方式、模塊的內(nèi)涵也有所不同。

2.2 硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計

焦化工廠智能化數(shù)字化的實現(xiàn)，根據(jù)上述的層級設(shè)計需要數(shù)據(jù)產(chǎn)生的末端采集網(wǎng)關(guān)、邊緣計算機、傳感器、儀表，需要負責(zé)數(shù)據(jù)傳送的網(wǎng)絡(luò)管理交換機，IT專用設(shè)備等。

根據(jù)采集設(shè)備的特性和點位容量的不同，需要配置不同的硬件。

參考硬件配置如下：

（1）末端傳感器-振動傳感器

計算特征值（如電壓均方根值、電流均方根值、峰值、峰度、峰值因子、偏斜度和標(biāo)準(zhǔn)偏差值等）。

無線連接或者有線連接；內(nèi)置3軸振動和溫度傳感器；電池供電，無需安裝線路；輕松設(shè)置，用戶界面友好； -20℃~85℃寬溫工作范圍；IP66防護等級。

（2）末端傳感器-電流傳感器

采用CT（電流互感器，0~100mA交流電）的高效電源充電設(shè)計；最高三模擬量輸入通道CT節(jié)點；功率測量以秒計；專有LPWAN（Sub-G）無線連接或者有線連接。自供電設(shè)計，無需額外安裝電源線；穿透力強干擾?。患床寮从?。

（3）邊緣計算設(shè)備

多 I/O 邊緣計算設(shè)備，支持SoC結(jié)構(gòu)，最高支持大內(nèi)存，具備豐富LAN、COM、USB等擴展接口等，整機穩(wěn)定可靠，適合應(yīng)用在工廠自動化系統(tǒng)中。

（4）網(wǎng)關(guān)

透 過Mini-PCIe接 口 支 持GPRS、3G、4G、5G、WIFI接入，板載SIM卡插槽；具有多協(xié)議支持：Modbus/RTU、Modbus/TCP、IEC-60870/104、DL-645。

主CPU為 帶Micro-SD 插 槽（內(nèi) 置SD卡），帶USB 2.0，10/100MB 以太網(wǎng)接口，RS-232/485 獨立串口。內(nèi)嵌實時操作系統(tǒng)。

支持壁掛式及DIN導(dǎo)軌式安裝，方便靈活。

（5）交換機

采用工業(yè)級管理型以太網(wǎng)絡(luò)交換器，可讓用戶以快速、具成本效益的方式擴充其工業(yè)級網(wǎng)絡(luò)，并具有強固的工業(yè)級設(shè)計，確?？煽啃耘c穩(wěn)定性。 此外，采用 X-Ring 環(huán)網(wǎng)技術(shù)，提供快速的復(fù)原時間（<10ms），能提高網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的可靠性與速度。

（6）服務(wù)器

采用國際知名品牌的機架式服務(wù)器，能夠節(jié)省空間，可以高密度地部署在機房里，性能高的情況下，能夠保證散熱性好，功耗低，也能保證以后的擴容性。

2.3 網(wǎng)絡(luò)安全結(jié)構(gòu)設(shè)計

視頻、控制、安防系統(tǒng)各自獨立自成系統(tǒng)，依靠網(wǎng)閘進行物理隔離，充分保證了系統(tǒng)的獨立性和安全性。

網(wǎng)閘的使用使視頻、控制、安防三個系統(tǒng)間不存在通信的物理連接、邏輯連接及信息傳輸協(xié)議，不存在依據(jù)協(xié)議進行的信息交換，而只有以數(shù)據(jù)文件形式進行的無協(xié)議擺渡。

控制系統(tǒng)采用專網(wǎng)，其與信息化服務(wù)中心通過安全網(wǎng)關(guān)隔離，安全網(wǎng)關(guān)具有的防火墻、防病毒、入侵檢測、用戶接入主動認證等功能。集中存儲安全控制網(wǎng)關(guān)為企業(yè)對外提供可選的安全訪問控制、用戶身份認證、安全審計能力和透明的存儲加解密能力。

控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)只有數(shù)據(jù)上傳功能，將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)中心，不允許數(shù)據(jù)往下寫入，以此保證本地操作的可靠性，操作人員可以在車間管理層或者在邊緣采集層通過IE網(wǎng)頁瀏覽的形式，在擁有操作權(quán)限的前提下可操作數(shù)據(jù)。

遠程維護的外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)之間通過防火墻設(shè)備保護網(wǎng)絡(luò)的安全性，內(nèi)部和外部網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境間產(chǎn)生一種保護的屏障，從而實現(xiàn)對計算機不安全網(wǎng)絡(luò)因素的阻斷，充分保證了內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)的安全性。

整廠的各個區(qū)域采用光纖環(huán)網(wǎng)，以達到抗干擾目的。

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

3.1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本方案是對工業(yè)操作系統(tǒng)平臺提供的一套先進的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺，如圖1所示。它能夠輕松安全地連接、管理和吸收大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，實時處理和分析可視化數(shù)據(jù)。同時具有開放的解決方案生態(tài)系統(tǒng)，可以提供豐富的工業(yè)應(yīng)用，讓企業(yè)用戶可以根據(jù)需求持續(xù)的疊加功能，以一個平臺基底，構(gòu)建無限應(yīng)用。

圖1 焦化廠智能化系統(tǒng)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

融合邊緣云優(yōu)勢采用PaaS/IoT套件服務(wù)，包括一站式工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)套件、云原生應(yīng)用和數(shù)據(jù)管理平臺，涵蓋數(shù)據(jù)傳輸與存儲、云原生微服運用平臺、數(shù)據(jù)融合與協(xié)同管理、一站式工業(yè)AI平臺和低代碼數(shù)據(jù)可視化服務(wù)，加速應(yīng)用落地。

使用基于Kubernetes的容器管理架構(gòu)，可提供快速創(chuàng)建、部署和管理云端應(yīng)用程序的能力，具備增強云服務(wù)和解決方案的能力。利用高可用性和多租戶架構(gòu)以及自動擴展功能，可以針對特定領(lǐng)域的云服務(wù)和解決方案提供可靠的數(shù)據(jù)平臺。

3.2 數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)設(shè)計

本方案提供的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺，在備煤、煉焦、干熄焦、化產(chǎn)回收等生產(chǎn)車間采用邊緣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)采集各個設(shè)備的運行狀態(tài)、報警及故障信息，根據(jù)實際設(shè)備的數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)時效性要求，采取不同的采集速率，最高可達到設(shè)備報警或主要運行數(shù)據(jù)的毫秒級響應(yīng)速率，為上層平臺提供高效的數(shù)據(jù)支持。

邊緣層采集系統(tǒng)將各類數(shù)據(jù)匯總到工業(yè)操作系統(tǒng)，由工業(yè)操作系統(tǒng)對各類數(shù)據(jù)進行分門別類的處理，例如，將報警數(shù)據(jù)高效直達實時數(shù)據(jù)庫及報警推送中心，實現(xiàn)用戶快速響應(yīng)設(shè)備報警，快速處理。

大量歷史數(shù)據(jù)則存儲于大數(shù)據(jù)庫中，便于數(shù)據(jù)分析時提取和處理。視頻數(shù)據(jù)存儲于專門的視頻服務(wù)器中，與工業(yè)操作系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，便于用戶使用時高效查看。

工業(yè)智能APP層在SaaS應(yīng)用管理服務(wù)的支持下，實現(xiàn)對各類APP應(yīng)用的管理，模塊化組合和引入業(yè)務(wù)需要的APP應(yīng)用，同時各個APP應(yīng)用之間數(shù)據(jù)接口完全互通，便于二次開發(fā)及其他系統(tǒng)對接。

3.3 軟件平臺功能設(shè)計

軟件平臺提供的是一個開放式的應(yīng)用和數(shù)據(jù)管理的平臺，便于客戶在平臺上方便地進行應(yīng)用的二次開發(fā)、部署、測試和上線。同時提供的數(shù)據(jù)管理服務(wù)便于應(yīng)用靈活選擇所需的數(shù)據(jù)服務(wù)。為其上運行的應(yīng)用提供強大的支撐。

智能焦化廠可以通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備將備煤粉碎機、煉焦?fàn)t等一些設(shè)備在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)接入到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺中。通過數(shù)字孿生服務(wù)以及多種應(yīng)用服務(wù)框架和多領(lǐng)域應(yīng)用模版，整合出面向設(shè)備、能源以及生產(chǎn)過程相關(guān)的各種關(guān)鍵服務(wù)，如生產(chǎn)管理、質(zhì)量管理、倉儲管理、安全管理、設(shè)備管理、能源管理、BI分析等多種服務(wù)，如圖2所示。

圖2 焦化廠智能化系統(tǒng)軟件平臺功能設(shè)計

（1）可視化展示工具集和模板庫

平臺提供豐富且多元的面板，除了提供豐富美觀的面板插件，同時支持工業(yè)領(lǐng)域特有的插件，以構(gòu)建眾多行業(yè)的應(yīng)用和報表。

提供基礎(chǔ)的資料統(tǒng)計和計算功能：滿足常用的數(shù)據(jù)排行、分布、對比、鉆取等數(shù)據(jù)分析的功能模板庫中包含實時數(shù)據(jù)展示、歷史曲線、報警等標(biāo)準(zhǔn)模板控件。

（2）支持發(fā)布Web+APP服務(wù)

同一個功能頁面開發(fā)好后，具有同步發(fā)布成為APP和Web的功能，PC端做好的面板或SRP-Frame構(gòu)建之應(yīng)用，都可隨時隨地在移動端查看。

（3）報警實時性

系統(tǒng)針對所觸發(fā)的告警事件可以實時在用戶可視化界面中進行呈現(xiàn)，并可實現(xiàn)與通知系統(tǒng)進行聯(lián)動，支持以手機APP、郵件、微信、Line等多種方式進行 通知。

（4）支持多種常見的標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議

支持多種 IoT 常見的標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，支持 AMQP、MQTT、MQTT Over Web Socket、CoAP 等協(xié)議。支持數(shù)據(jù)上云斷點續(xù)傳功能。

（5）快速綁定設(shè)備模型生成監(jiān)視數(shù)據(jù)

針對于所采集到數(shù)據(jù)，可基于數(shù)字孿生技術(shù)，圍繞地端實際的物理拓撲構(gòu)建云端虛擬映射，以數(shù)字化的方式構(gòu)建云端虛擬模型，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動理念提升數(shù)據(jù)管理效率，降低整體運維成本。

（6）數(shù)字孿生資產(chǎn)組構(gòu)建

通過對設(shè)備進行數(shù)字化3D建模，結(jié)合所采集到的各種傳感器數(shù)據(jù)，融合信息技術(shù)驅(qū)動3D虛擬模型的運行，可根據(jù)實際物理信息的變化實現(xiàn)3D引擎數(shù)據(jù)漫游、旋轉(zhuǎn)等，直觀地看到現(xiàn)場設(shè)備的實際運行數(shù)據(jù)，并可以進行交互操作。

（7）安全與隱私

縮減公共IP和外部可以訪問的Port口，讓外部可以訪問到的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)盡可能的少；在容器中隔離客戶應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)；加密連接。

提供應(yīng)用安全服務(wù)，用戶帳號和認證（UAA）服務(wù)建立了一組安全的工業(yè)應(yīng)用服務(wù)；基于角色的訪問控制，對用戶可訪問的權(quán)限進行精細化控制。

保證用戶只能看到他們被授權(quán)的空間，使用被授權(quán)的資源；確保多租戶環(huán)境中應(yīng)用程序二進制資源的安全性；避免因為服務(wù)攻擊引起的資源耗盡。

4 結(jié)束語

通過完成焦化行業(yè)的智能化工廠數(shù)字化的硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計，打造“焦化工程遠程技術(shù)中心”和“焦化行業(yè)大數(shù)據(jù)中心”，將企業(yè)的現(xiàn)場畫面、排產(chǎn)調(diào)度、產(chǎn)品質(zhì)量和能源介質(zhì)消耗等生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時上云，完成企業(yè)的數(shù)字化。

同時可以綜合焦化工藝專業(yè)知識、在生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的挖掘和分析基礎(chǔ)上，建立與生產(chǎn)數(shù)據(jù)相關(guān)的大數(shù)據(jù)平臺，為焦化工廠提供及時、可靠的生產(chǎn)過程遠程技術(shù)支持、事故診斷等運維服務(wù)，為企業(yè)生產(chǎn)決策、工藝改進、資源配置優(yōu)化及生產(chǎn)故障預(yù)測等提供數(shù)據(jù)支持。

最終，可以運用焦化工序能效評估技術(shù)等人工智能成果，為企業(yè)開展能效評估服務(wù)，提供焦化工程項目全生命周期的技術(shù)服務(wù)。