喻維綱

（湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司，湖南 湘潭 411101）

企業(yè)要提升核心競(jìng)爭(zhēng)力、要高質(zhì)量發(fā)展，智慧工廠將是現(xiàn)代制造企業(yè)信息化發(fā)展的新階段，智慧工廠是在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)和設(shè)備監(jiān)控技術(shù)加強(qiáng)信息管理和服務(wù)，清楚掌控產(chǎn)銷流程、提高生產(chǎn)過(guò)程的可控性、減少生產(chǎn)線上人工的干預(yù)、即時(shí)正確地采集生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，以及合理的生產(chǎn)計(jì)劃編排和生產(chǎn)進(jìn)度。并加上綠色智能的手段和智能系統(tǒng)等新興技術(shù)于一體，構(gòu)建一個(gè)高效節(jié)能、綠色環(huán)保、環(huán)境舒適的人性化工廠。

智慧工廠的建設(shè)是一個(gè)逐步實(shí)施的過(guò)程，需要打好基礎(chǔ)，為此我們開展了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智慧平臺(tái)的構(gòu)建和開發(fā)工作。

1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)概述

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是將具有感知、監(jiān)控能力的各類采集、控制傳感器或控制器，以及移動(dòng)通信、智能分析等技術(shù)不斷融入到工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程各個(gè)環(huán)節(jié)，從而大幅提高制造效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本和資源消耗，最終實(shí)現(xiàn)將傳統(tǒng)工業(yè)提升到智能化的新階段。從應(yīng)用形式上，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用具有實(shí)時(shí)性、自動(dòng)化、嵌入式(軟件)、安全性、和信息互通互聯(lián)性等特點(diǎn)。

與傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)不同，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)不僅對(duì)實(shí)時(shí)性有嚴(yán)格的要求，還需與企業(yè)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)進(jìn)行有效的融合，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的智能化。

2 平臺(tái)構(gòu)建的思路

企業(yè)經(jīng)過(guò)多年建設(shè)，已通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)的方式構(gòu)建了一套網(wǎng)絡(luò)體系，此次建設(shè)的幾個(gè)主要內(nèi)容：一是利用近幾年成熟起來(lái)的工業(yè)無(wú)線通信技術(shù)，新增相應(yīng)的傳感器和設(shè)備，對(duì)前期未進(jìn)控制網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)和信息進(jìn)行采集；二是對(duì)已進(jìn)控制系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)等信號(hào)通過(guò)OPC 等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；三是開發(fā)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行處理、分析和管理的軟件，為設(shè)備管理效率的提升提供支撐；四是建設(shè)企業(yè)自己的云平臺(tái)；五是與公司已有的ERP、MES 等系統(tǒng)進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)的互通，為MES 層提供數(shù)據(jù)支持。

通過(guò)對(duì)生產(chǎn)流程的監(jiān)控和生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行狀況的跟蹤，利用ERP、MES、EMS 等系統(tǒng)逐步實(shí)現(xiàn)資源的最佳配置和生產(chǎn)流程的優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率，降低能源消耗，并為智慧工廠的建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

3 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智慧平臺(tái)的構(gòu)建

3.1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智慧平臺(tái)分為四層

總體結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智慧平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖

（1）數(shù)據(jù)采集層，即利用基于末端的智能感知/識(shí)別技術(shù)（如有線傳感器、RFID、帶Lora 或ZigBee 功能的無(wú)線傳感器等）和通過(guò)自動(dòng)采集的方式，進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。

（2）數(shù)據(jù)傳輸層（即數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通），將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)多種通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通（工業(yè)網(wǎng)關(guān)、無(wú)線通信和OPC 協(xié)議等）進(jìn)行統(tǒng)一分類和融合，完成數(shù)據(jù)的檢查與保存，并安全、高效地上傳至監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)采集和傳輸見(jiàn)圖2。

圖2 物聯(lián)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集

（3）數(shù)據(jù)整合層，即利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等相關(guān)技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模、分析和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的深度開發(fā)應(yīng)用，從數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中提取隱藏的預(yù)測(cè)性信息，挖掘出數(shù)據(jù)間潛在的關(guān)系，快速而準(zhǔn)確地找出有價(jià)值的信息，有效提高系統(tǒng)的決策支持能力。

（4）應(yīng)用服務(wù)層，管理者、調(diào)度者、操作者通過(guò)使用應(yīng)用終端，可以及時(shí)掌握生產(chǎn)車間的運(yùn)行情況、設(shè)備及物料狀態(tài)等信息，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。應(yīng)用終端的形式多樣，包括 web 瀏覽器、手機(jī) APP、電子看板等。

第（3）和第（4）層分別包含了兩個(gè)處理平臺(tái)：

數(shù)據(jù)處理及業(yè)務(wù)操作平臺(tái)：該操作平臺(tái)用于提供可視化的PC 及移動(dòng)終端用戶操作及查看功能，支撐超高并發(fā)數(shù)據(jù)采集的集中流轉(zhuǎn)，支持?jǐn)?shù)據(jù)告警即時(shí)推送，支持界面數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)刷新。該系統(tǒng)整體系統(tǒng)采用基于springcloud 微服務(wù)架構(gòu)二次開發(fā)而成，數(shù)據(jù)庫(kù)采用mysql、influxdb、mongodb 相結(jié)合，拆分處理靜態(tài)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)分析。同時(shí)搭配消息隊(duì)列、緩存、文件系統(tǒng)、反向代理、系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)等組件保障系統(tǒng)的高可用、穩(wěn)定和安全性。主體架構(gòu)圖如下圖3。

圖3 數(shù)據(jù)處理及業(yè)務(wù)操作平臺(tái)主體架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析處理平臺(tái)：該處理分析平臺(tái)用于分類

統(tǒng)計(jì)歷史數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)設(shè)備未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的狀態(tài)，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行打分，在設(shè)備未出現(xiàn)但將要出現(xiàn)異常的臨界點(diǎn)前提前預(yù)警，將設(shè)備故障損失降到最小，我們通過(guò)將結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)抽取到大數(shù)據(jù)平臺(tái)，結(jié)合業(yè)務(wù)分析將相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)合并進(jìn)來(lái)，形成針對(duì)單設(shè)備或同類設(shè)備的數(shù)據(jù)集市，最后通過(guò)人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的相關(guān)算法進(jìn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)，并將統(tǒng)計(jì)和分析的結(jié)果呈現(xiàn)到電子大屏或同步到相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析平臺(tái)整體架構(gòu)圖如下圖4。

圖4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析處理平臺(tái)主體架構(gòu)圖

3.2 平臺(tái)構(gòu)建過(guò)程中的難點(diǎn)

（1）數(shù)據(jù)的采集

RFID 系統(tǒng)通用規(guī)則難以達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)要求：作為通用的設(shè)備系統(tǒng)，遵循一套國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)編碼規(guī)則，但因?yàn)橄驿摤F(xiàn)場(chǎng)金屬結(jié)構(gòu)多、溫度高、干擾大，如果僅僅依靠電子標(biāo)簽本身的系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)的編碼，這樣識(shí)別出來(lái)的電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的可讀性、易用性較低，容易造成讀碼識(shí)別率不高。

在使用RFID 技術(shù)過(guò)程中，我們創(chuàng)新性的制定新的編碼規(guī)則對(duì)電子標(biāo)簽重新編碼，解決了因現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣導(dǎo)致的電子標(biāo)簽識(shí)別率不高的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了電子標(biāo)簽的“去偽存真”數(shù)據(jù)的易讀性，讓系統(tǒng)能正常識(shí)別這些經(jīng)過(guò)重新編碼的電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)，提高了識(shí)別的準(zhǔn)確率。

另外在對(duì)待某些重要或特別的采集點(diǎn)時(shí)，不能單純以采集的信號(hào)進(jìn)行傳送使用，需要分別采取不同的辦法，如利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算等。

（2）數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通

跨系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合、交換難度大：由于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的品牌不同、協(xié)議不同，給數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通帶來(lái)了難度。

針對(duì)跨系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合，除了使用工業(yè)網(wǎng)關(guān)、OPC 協(xié)議等技術(shù)外，我們自主開發(fā)軟件有效地解決了信息溝通和傳遞的問(wèn)題。

（3）數(shù)據(jù)的深度應(yīng)用智慧平臺(tái)的系統(tǒng)開發(fā)

采用B/S 三層架構(gòu)設(shè)計(jì)思想，Spring Framework 基礎(chǔ)上的Java 開發(fā)平臺(tái)、H5 標(biāo)準(zhǔn)下的手機(jī)APP 開發(fā)平臺(tái)，并結(jié)合湘鋼設(shè)備管理的要求和特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。

數(shù)據(jù)的建模和分析

低速重載設(shè)備的早期故障診斷技術(shù)是目前機(jī)械故障診斷領(lǐng)域的研究難點(diǎn)，傳統(tǒng)的振動(dòng)、溫度、壓力、流量、電流等計(jì)量手段難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)低速重載設(shè)備內(nèi)部的動(dòng)態(tài)變化和異常。

3.3 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智慧平臺(tái)的幾個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景

本平臺(tái)已應(yīng)用于湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司總廠及下屬八大分廠，平臺(tái)一期主要采集PLC 現(xiàn)有設(shè)備信息數(shù)據(jù)、重點(diǎn)監(jiān)護(hù)設(shè)備的溫度、壓力、電流值；環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)、重要設(shè)備的XYZ 三軸振動(dòng)數(shù)據(jù),目前寬厚板、高線廠、棒材廠、五米板數(shù)據(jù)接入數(shù)據(jù)量較多。后續(xù)我們還有大量的工作要開展，如今年完成各生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)重要設(shè)備及環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、今年內(nèi)要在全公司范圍內(nèi)進(jìn)行5G 網(wǎng)絡(luò)的布局、要與ERP 等系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的互通等工作。下面是幾個(gè)已經(jīng)實(shí)施完成的應(yīng)用場(chǎng)景：

（1）智慧點(diǎn)檢

智慧點(diǎn)檢系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)讓設(shè)備“開口說(shuō)話”，讓點(diǎn)檢人員、維護(hù)人員、管理人員隨時(shí)看到設(shè)備狀態(tài)信息并進(jìn)行管理工作，這樣可在大量減少點(diǎn)檢頻次、節(jié)約點(diǎn)檢時(shí)間的情況下，實(shí)時(shí)了解設(shè)備運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)故障并實(shí)時(shí)派發(fā)工單，減少設(shè)備故障率；同時(shí)針對(duì)較危險(xiǎn)的場(chǎng)所，通過(guò)智慧點(diǎn)檢的方式可以提高點(diǎn)檢人員的安全性。智慧點(diǎn)檢系統(tǒng)的投運(yùn)達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、有效進(jìn)行設(shè)備管理目的。

該系統(tǒng)目前已監(jiān)測(cè)設(shè)備300 多臺(tái)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3000+。系統(tǒng)每5 秒對(duì)設(shè)備信息進(jìn)行采集，通過(guò)系統(tǒng)后臺(tái)大數(shù)據(jù)分析處理，對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行預(yù)判，對(duì)異常進(jìn)行報(bào)警。

圖5 智慧點(diǎn)檢界面示意圖

（2）智慧天車

為了讓員工遠(yuǎn)離高危環(huán)境，消除了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提升工作效率，我們通過(guò)5G 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了廢鋼天車的遠(yuǎn)程操控和無(wú)人操作。

通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)部署5G 精品網(wǎng)，將SA 組網(wǎng)下的5G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)與L2TP 隧道技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制器（PLC）的互聯(lián)互通及高清視頻回傳。由于目前5G 模組尚未商用，我們整體方案采用CPE 終端將5G 信號(hào)轉(zhuǎn)換成RJ45 協(xié)議進(jìn)行通信。整體方案示意圖見(jiàn)圖6，分為遠(yuǎn)端和控制端兩部分。

圖6 湘鋼5G 技術(shù)應(yīng)用整體方案

遠(yuǎn)端：通過(guò)5G 基站（室內(nèi)和室外）覆蓋湘鋼五米板廢鋼區(qū)廠房，通過(guò)CPE 連接方式實(shí)現(xiàn)三類場(chǎng)景，場(chǎng)景1是廠房?jī)?nèi)天車遠(yuǎn)程控制（uRLLC+eMBB 業(yè)務(wù)），場(chǎng)景2 是廠區(qū)內(nèi)高清攝像頭視頻監(jiān)控（eMBB 業(yè)務(wù)），場(chǎng)景3 是將來(lái)的無(wú)人港口碼頭的遠(yuǎn)程監(jiān)控及控制、以及周邊水站信息采集監(jiān)控（uRLLC+eMBB +eMTC 業(yè)務(wù)）。

控制端：在湘鋼廠區(qū)監(jiān)控室建設(shè)5G 室，并通過(guò)CPE連接方式實(shí)現(xiàn)集中控制室的三大功能，包括天車遠(yuǎn)程控制平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)，高清顯示器實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控平臺(tái)功能，以及將來(lái)無(wú)人港口的監(jiān)控及控制功能。

本項(xiàng)目是全國(guó)鋼鐵行業(yè)首個(gè)5G 遠(yuǎn)程駕駛技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的案例，極大地提升了廠區(qū)作業(yè)的生產(chǎn)安全、生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，為全面實(shí)現(xiàn)智慧工廠打下了良好的基礎(chǔ)。

（3）智慧診斷

針對(duì)低速重載設(shè)備（轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)等）的故障診斷，通過(guò)部署在現(xiàn)場(chǎng)的傳感器采集設(shè)備應(yīng)力波能量、振動(dòng)、溫度、壓力、流量、電流等數(shù)據(jù)實(shí)行全面的在線監(jiān)測(cè)、建模和分析，提取出相應(yīng)的故障特征，并進(jìn)行故障診斷，實(shí)現(xiàn)無(wú)需停機(jī)就能得知機(jī)械的損傷位置和程度，并都能通過(guò)手機(jī)APP 即時(shí)查看，設(shè)備狀態(tài)出現(xiàn)異?；蛄踊厔?shì)時(shí)也會(huì)及時(shí)推送報(bào)警信息。設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷流程見(jiàn)圖7。

圖7 設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷流程圖

該系統(tǒng)的應(yīng)用已成功預(yù)測(cè)出了干熄焦提升機(jī)減速機(jī)軸承開裂和轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)游動(dòng)端軸承的內(nèi)部損傷等故障，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力波技術(shù)在國(guó)內(nèi)鋼廠低速重載設(shè)備故障監(jiān)測(cè)診斷的首次應(yīng)用，并已將該典型案例向全國(guó)鋼廠進(jìn)行大規(guī)模推廣應(yīng)用。

圖8 為寬厚板廠6 號(hào)轉(zhuǎn)爐游動(dòng)端的應(yīng)力波能量高于5號(hào)轉(zhuǎn)爐，表明6 號(hào)轉(zhuǎn)爐游動(dòng)端存在較大的摩擦、沖擊事件，認(rèn)為軸承內(nèi)部零部件之間，或者軸與軸承之間存在異常摩擦，相對(duì)于5 號(hào)轉(zhuǎn)爐，6 號(hào)轉(zhuǎn)爐游動(dòng)端的直方圖呈偏態(tài)分布，檢測(cè)出游動(dòng)端存在潤(rùn)滑油污染問(wèn)題。

圖8 轉(zhuǎn)爐能量分析圖譜示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

從長(zhǎng)期看工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智慧平臺(tái)分析服務(wù)將帶來(lái)更多市場(chǎng)價(jià)值，大數(shù)據(jù)和智能制造給傳統(tǒng)工業(yè)帶來(lái)了巨大沖擊，強(qiáng)大的工業(yè)數(shù)據(jù)分析服務(wù)將成為制造企業(yè)數(shù)字化戰(zhàn)略的重要組成部分，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將顯現(xiàn)出更大的戰(zhàn)略價(jià)值?，F(xiàn)階段工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)還面臨著設(shè)備兼容性不足、數(shù)據(jù)采集技術(shù)有待提高、網(wǎng)絡(luò)安全性令人擔(dān)憂等問(wèn)題，需要更多的標(biāo)準(zhǔn)建立，才能真正發(fā)揮平臺(tái)的價(jià)值，起到更大的作用。