董昱偉

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，它獨(dú)有的覆蓋廣、容量大、穿透強(qiáng)、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在過(guò)去兩年的商業(yè)化應(yīng)用過(guò)程中表現(xiàn)突出［1］。隨著工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展水平日益提升，對(duì)各種生產(chǎn)技術(shù)、安全環(huán)保指標(biāo)的監(jiān)控要求也相應(yīng)提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)，在此前提之下，更廣袤的占地面積、更大量的儀表信號(hào)采集、更復(fù)雜的廠房樓層結(jié)構(gòu)和不斷攀升的能源消耗、備件成本，均成為了制約儀表技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的重要因素，但與此同時(shí)，NB-IoT技術(shù)的出現(xiàn)在理論上卻恰好能完全解決上述難題。

江西銅業(yè)股份有限公司貴溪冶煉廠（以下簡(jiǎn)稱(chēng)貴冶）的智能工廠建設(shè)作為國(guó)家工信部批準(zhǔn)的“銅冶煉智能工廠試點(diǎn)示范項(xiàng)目”，已于2018年順利完成了一期項(xiàng)目建設(shè)，通過(guò)智能感知與執(zhí)行體系、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理體系和智能決策體系三個(gè)層次的整體建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了貴冶從管理決策到執(zhí)行反饋的閉環(huán)管控結(jié)構(gòu)［2］。其中，智能感知與執(zhí)行體系、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理體系的深度結(jié)合，是整個(gè)智能工廠自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化運(yùn)行的基礎(chǔ)條件，而此次項(xiàng)目中NBIoT類(lèi)儀表被部署在整個(gè)企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集與操作層（SCADA）［3］，正是處于貴冶整套智能工廠系統(tǒng)的基礎(chǔ)層級(jí)之中。

2 貴冶智能工廠中NB-Iot獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與技術(shù)架構(gòu)

2.1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

不同于貴冶傳統(tǒng)的DCS集散型數(shù)據(jù)采集方式和光纖通訊，采用NB-IoT技術(shù)的儀表終端設(shè)備通過(guò)RS-485（或MODBUS協(xié)議）、4-20mA等通訊方式與就近部署（或已植入終端本體）的無(wú)線遠(yuǎn)傳設(shè)備RTU（NB模組）相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，再由無(wú)線遠(yuǎn)傳設(shè)備將采集到的現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)上傳到電信NB物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)（COAP平臺(tái)），電信NB物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)將上傳的數(shù)據(jù)通過(guò)http協(xié)議傳輸下發(fā)至架設(shè)在用戶(hù)端的目的服務(wù)器，目的服務(wù)器接收到的數(shù)據(jù)后，對(duì)其進(jìn)行解析并作出應(yīng)答反饋，同時(shí)將經(jīng)過(guò)解析的數(shù)據(jù)放入貴冶窄帶設(shè)備管理系統(tǒng)的SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)表中，最后，由貴冶內(nèi)部的工控?cái)?shù)據(jù)采集層軟件（PI生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)）提取窄帶設(shè)備管理系統(tǒng)SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)表中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行進(jìn)一步的分析與應(yīng)用。

圖1 NB-IoT設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)框圖

2.2 技術(shù)架構(gòu)

在實(shí)現(xiàn)以上數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)功能的過(guò)程中，各類(lèi)儀表終端數(shù)據(jù)需要由各自集中器（即RTU模組）采集，才能通過(guò)COAP平臺(tái)與后臺(tái)服務(wù)程序通訊，采集頻率與通訊上傳頻率均可由用戶(hù)根據(jù)需要自定義，在綜合考慮數(shù)據(jù)包大小、儀表性能等因素的前提下，將兩種頻率設(shè)置在合理范圍內(nèi)，保證滿足實(shí)際數(shù)據(jù)的采集需求和歷史數(shù)據(jù)的備份要求。傳輸方式方面，COAP平臺(tái)是通過(guò)隨機(jī)的IP地址和端口將數(shù)據(jù)包發(fā)送至用戶(hù)端的服務(wù)器，基于工控網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)需要隔離的安全原則，必須在服務(wù)器前端架設(shè)防火墻。服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)包后啟動(dòng)解析服務(wù)，并對(duì)COAP平臺(tái)作出接收應(yīng)答反饋，當(dāng)集中器收到反饋信號(hào)后，即可視為此次數(shù)據(jù)包上傳成功，否則會(huì)將數(shù)據(jù)包暫存于集中器中，等待下次重新發(fā)包，直至上傳成功，以免發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的情況。解析服務(wù)將解析好的數(shù)據(jù)放入SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)隊(duì)列中，此時(shí)可在貴冶窄帶設(shè)備管理平臺(tái)中查看到相應(yīng)數(shù)據(jù)的信息（如工位號(hào)、工位說(shuō)明、瞬時(shí)值、累計(jì)值等），而需要采集這些數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行進(jìn)階處理的業(yè)務(wù)服務(wù)（例如PI系統(tǒng)）則通過(guò)與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)建立連接，從數(shù)據(jù)庫(kù)隊(duì)列中提取數(shù)據(jù)，亦可對(duì)其做持久化處理。

圖2 NB-IoT設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)架構(gòu)

3 數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)采集

在貴冶傳統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)采集工作中，與生產(chǎn)控制相關(guān)的信息由各生產(chǎn)車(chē)間的DCS、PLC等控制系統(tǒng)完成，這方面數(shù)據(jù)的采集工作部署的相對(duì)完善。而相比之下，能源消耗、安全環(huán)保等方面的數(shù)據(jù)則大多數(shù)依靠經(jīng)驗(yàn)分析、人工抽檢等方式來(lái)完成，而這樣采集的數(shù)據(jù)其不確定性、片面性問(wèn)題突出，顯然已不能適應(yīng)當(dāng)下銅工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的要求。在此次貴冶智能工廠項(xiàng)目建設(shè)中，共新增了53臺(tái)NBIoT類(lèi)儀表，基于其廣覆蓋、容量大、信號(hào)強(qiáng)、功耗低的優(yōu)勢(shì)特性，分別部署在各條能源管道、選礦水池等廠區(qū)內(nèi)距離各生產(chǎn)控制系統(tǒng)較遠(yuǎn)的地方，涵蓋了流量統(tǒng)計(jì)、液位報(bào)警、PH監(jiān)測(cè)、噪音監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)類(lèi)別，為全面提高工廠的數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，提升運(yùn)行管理水平奠定了硬件基礎(chǔ)。

圖3 貴冶窄帶設(shè)備管理平臺(tái)界面展示

3.2 窄帶設(shè)備管理平臺(tái)

在實(shí)際的工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中，為適應(yīng)工廠信息化、智能化的需求，物聯(lián)網(wǎng)本身就需要具備一定的信息處理能力［5］，為能夠收集、處理各個(gè)NB-IoT終端設(shè)備所測(cè)得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，定制開(kāi)發(fā)了貴冶窄帶設(shè)備管理系統(tǒng)，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)這些數(shù)據(jù)的處理以及分析。

當(dāng)傳輸信道被打通，數(shù)據(jù)能夠按照設(shè)定的通訊頻率上傳至平臺(tái)服務(wù)器之后，在窄帶設(shè)備管理平臺(tái)中即可對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行自定義的收集與展示，此平臺(tái)可同時(shí)支持PC端與移動(dòng)端的應(yīng)用，當(dāng)系統(tǒng)管理員授予了指定用戶(hù)相關(guān)權(quán)限后，即可登錄平臺(tái)。一方面，可在線查看相關(guān)設(shè)備本身的儀表名稱(chēng)及編號(hào)、工位號(hào)、設(shè)備描述、集中器號(hào)、監(jiān)測(cè)介質(zhì)、工程單位以及安裝地址等相關(guān)信息，另一方面，可根據(jù)需要分別對(duì)其上傳的瞬時(shí)值、正反向累計(jì)值進(jìn)行預(yù)警、報(bào)警的參數(shù)設(shè)置。

3.3 與PI系統(tǒng)的連接通訊

PI系統(tǒng)是貴冶在用的生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它能根據(jù)工廠管理層的需要，將來(lái)自于各車(chē)間的DCS、PLC等控制系統(tǒng)生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)作統(tǒng)一的采集與分析。為避免NB-IoT設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)成為信息孤島，將其接入PI系統(tǒng)以便于統(tǒng)一管理。按照工控網(wǎng)絡(luò)通訊的安全標(biāo)準(zhǔn)，NB-IoT用戶(hù)服務(wù)器與PI系統(tǒng)的通訊連接同樣采用指定端口的方式來(lái)達(dá)到限制訪問(wèn)的目的。

接口安裝方面，窄帶設(shè)備管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)與PI數(shù)據(jù)庫(kù)以O(shè)DBC連接的方式建立連接，安裝環(huán)境等沒(méi)有特殊要求，詳細(xì)步驟如圖4，接口配置詳細(xì)步驟如圖5。

圖4 與PI系統(tǒng)的通訊接口安裝步驟

圖5 與PI系統(tǒng)的通訊接口配置步驟

連接建立之后，根據(jù)需要配置測(cè)點(diǎn)屬性，注意需要從NB-IoT用戶(hù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中按時(shí)間序列取最新值即可。

4 實(shí)施過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方案

4.1 網(wǎng)絡(luò)安全

3GPP在2016年6月制定了關(guān)于NB-IoT的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，NB-IoT 搭建在成熟的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，這也說(shuō)明其通信線路完全暴露于公共的互聯(lián)網(wǎng)路之上［4］。出于對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全要求的考慮，工廠內(nèi)部的工控管理網(wǎng)絡(luò)與外部互聯(lián)網(wǎng)需要做一定程度的隔離措施，通常通過(guò)指定固定IP地址結(jié)合訪問(wèn)限制策略等手段來(lái)達(dá)到隔離效果。作為數(shù)據(jù)傳輸樞紐的COAP平臺(tái)，其數(shù)據(jù)下發(fā)必須通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與用戶(hù)的服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，同時(shí)實(shí)驗(yàn)表明，服務(wù)器的接收應(yīng)答反饋及數(shù)據(jù)解析服務(wù)需要在連通互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)條件下才能啟動(dòng)。但基于電信COAP平臺(tái)目前的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)某臺(tái)NB-IoT設(shè)備終端通過(guò)COAP對(duì)服務(wù)器發(fā)起通訊請(qǐng)求時(shí)，COAP平臺(tái)通過(guò)TCP協(xié)議對(duì)用戶(hù)服務(wù)器下發(fā)的IP地址只能是隨機(jī)的，這使得常規(guī)的通過(guò)限制訪問(wèn)IP來(lái)隔離內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)的效果無(wú)法達(dá)成，因此，只能通過(guò)在防火墻處配置數(shù)據(jù)端口規(guī)則，對(duì)用戶(hù)服務(wù)器與互聯(lián)網(wǎng)的連接作出有效限制。為保證不影響監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的正常上傳和下發(fā)，分別配置了解析服務(wù)軟件認(rèn)證、數(shù)據(jù)包接收和數(shù)據(jù)提取三個(gè)固定的數(shù)據(jù)端口。

4.2 數(shù)據(jù)擁塞

4.2.1 數(shù)據(jù)解析軟件問(wèn)題

當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸通道建立之后，在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，終端設(shè)備將打包數(shù)據(jù)上傳到COAP平臺(tái)之后，COAP平臺(tái)向server（服務(wù)器端）發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，時(shí)常出現(xiàn)因?yàn)閟erver未應(yīng)答，而造成其無(wú)法收到應(yīng)答反饋，導(dǎo)致服務(wù)下線的現(xiàn)象，最終影響各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)更新的時(shí)效性，更新延遲短則數(shù)小時(shí)，長(zhǎng)可達(dá)幾天，且無(wú)任何規(guī)律可循。

4.2.2 解決方式

（1）優(yōu)化server端解析軟件程序，修復(fù)其與COAP平臺(tái)連接時(shí)出現(xiàn)異常掉線的BUG。

（2）優(yōu)化server端向COAP平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)失敗后重發(fā)機(jī)制，將原先連接失敗后的重發(fā)延時(shí)間隔由1000毫秒改為每100毫秒，避免因連接失敗而導(dǎo)致服務(wù)直接下線。

（3）COAP平臺(tái)認(rèn)證機(jī)制：在server與COAP平臺(tái)建立通訊連接之前需要登錄進(jìn)行身份認(rèn)證，默認(rèn)的認(rèn)證模式為每次發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)登陸一次，同時(shí)更新token（登錄令牌），為避免token因數(shù)據(jù)傳輸量大而出現(xiàn)頻繁更換，導(dǎo)致認(rèn)證延時(shí)不通過(guò)的情況，修改其認(rèn)證函數(shù)，將登錄機(jī)制定義為每2h一次，同時(shí)更新token。

5 結(jié)語(yǔ)

在本次貴冶智能工廠項(xiàng)目建設(shè)中，考慮到搭載NB-IoT技術(shù)的儀表在同行業(yè)內(nèi)尚無(wú)成熟的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，只對(duì)其展開(kāi)了探索性應(yīng)用，主要配置于部分流量、液位、pH和噪音等沒(méi)有連續(xù)性控制要求的測(cè)點(diǎn)上。目前，整套系統(tǒng)從現(xiàn)場(chǎng)終端設(shè)備，到管理平臺(tái)及其相關(guān)外延通訊應(yīng)用都運(yùn)行平穩(wěn)，達(dá)到了項(xiàng)目預(yù)期要求。此次NB-Iot技術(shù)的成功應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)工廠能源消耗的統(tǒng)計(jì)分析和安全環(huán)保指標(biāo)的監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，突破了傳統(tǒng)儀表數(shù)據(jù)采集瓶頸，有效地克服了諸如測(cè)點(diǎn)跨度大、分布零散、安裝調(diào)試成本高、無(wú)線通訊質(zhì)量低、安全防護(hù)等級(jí)低、通信協(xié)議復(fù)雜等問(wèn)題，完善了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的功能完整性和模型組件豐富性［6］，同時(shí)為貴冶各項(xiàng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的傳輸開(kāi)辟了新的思路，也為今后工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)基礎(chǔ)的構(gòu)建提供了一種全新的解決方案。

在未來(lái)，貴冶將會(huì)不斷優(yōu)化智能工廠體系建設(shè)，而基于NB-Iot技術(shù)的特性?xún)?yōu)勢(shì)，隨著其產(chǎn)業(yè)水平的持續(xù)提升，更加成熟的產(chǎn)品將能夠支撐它與工業(yè)自動(dòng)化、智能化建設(shè)進(jìn)行更為深度的融合。憑借著一期項(xiàng)目的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，一些特殊環(huán)境，或符合工業(yè)安全生產(chǎn)、智能化發(fā)展需求的監(jiān)測(cè)預(yù)警點(diǎn)位，如陽(yáng)極板轉(zhuǎn)運(yùn)地下監(jiān)控、地下水位水質(zhì)監(jiān)控、室外重要設(shè)備高溫預(yù)警、室內(nèi)消防預(yù)警等，都將成為NBIot技術(shù)的用武之地。