流程工業(ye) 在我國國民經濟中占有相當重要的地位，但這些工業(ye) 企業(ye) 的生產(chan) 規模、發展水平參差不齊是目前麵臨(lin) 的一個(ge) 現實問題。有些企業(ye) 自動化基礎比較薄弱；有些企業(ye) 雖然有比較完善的自控係統，但都是針對具體(ti) 的工藝段，控製室分散在各個(ge) 工藝現場，環境相對比較惡劣，噪聲粉塵等危害操作人員健康；有些企業(ye) 已經完成局部的小集控，但並沒有徹底解決(jue) 自動化孤島，以及信息共享交互、信息集成、信息分析等問題。因此，如何做好流程工業(ye) 企業(ye) 的數字化轉型， 數字化轉型的基礎目標是什麽(me) ，依舊在摸索和探討之中。

1 流程工業(ye) 數字化轉型目標

在流程工業(ye) 的典型代表如鋼鐵工業(ye) 中， 不少企業(ye) 在智慧製造、 智慧服務中全力探索數字化型實踐， 並取得了初步成效。在智慧鋼廠的打造中，遍布現場的操作室一律集中到中心，操作崗位一律機器人，設備監測運維一律遠程，服務環節一律上線。四個(ge) “一律”很好地詮釋了流程工業(ye) 數字化轉型的基礎目標，明確了流程工業(ye) 數字化轉型的基礎目標就是管控一體(ti) 化及設備遠程運維。管控一體(ti) 化可以麵向業(ye) 務實現工業(ye) 全流程的集中遠控，大幅度提高工序間協同性、生產(chan) 穩定性，有效提高操作人員的生產(chan) 效率，實現生產(chan) 管理模式的創新，從(cong) 而提高企業(ye) 的智能化水平。通過遠程集中操作監控和遠程運維可以實現減員增效，使操作人員遠離危險源，本質化解決(jue) 安全問題；同時集中分析設備運行參數，對設備的運行狀態做到事前預警、事先預防、提前處置，從(cong) 而確保設備的安全穩定運行。

2 數據中台

管控一體(ti) 化平台是以“雲(yun) +邊”為(wei) 構架的智慧製造基礎設施，是對信息化架構的優(you) 化演變，打破了“信息孤島”。基於(yu) 管控一體(ti) 化平台完成的數據整合， 可進一步打造麵向服務的全流程業(ye) 務數據中台，從(cong) 而打造應用互聯的數字生態，帶動流程工業(ye) 的智能化、數字化轉型，打造麵向未來的數字工廠。

數據中台是指通過數據技術對海量數據進行采集、計算、存儲(chu) 和加工，同時統一標準和口徑。數據統一後會(hui) 形成標準數據，再進行存儲(chu) ，形成大數據資產(chan) 層，進而為(wei) 客戶提供高效服務。支持海量數據的存儲(chu) 、計算和產(chan) 品化包裝過程，為(wei) 前台基於(yu) 數據的定製化創新及為(wei) 業(ye) 務中台基於(yu) 數據反饋的持續演進提供強大支撐。

與(yu) 數據倉(cang) 庫等傳(chuan) 統數據工具相比，數據中台是一種新的理念，以“技術+業(ye) 務”為(wei) 雙驅動，是企業(ye) 開展新型運營的中樞係統，是一套可持續“讓企業(ye) 的數據用起來”的機製，一種戰略選擇和組織形式，是依據企業(ye) 特有的業(ye) 務模式和組織架構，通過有形的產(chan) 品和實施方法論支撐，構建一套持續不斷把數據變成資產(chan) 並服務於(yu) 業(ye) 務的機製。 

數據是每一個(ge) 企業(ye) 最寶貴的無形資產(chan) ，數據中台對企業(ye) 的剛需價(jia) 值在於(yu) 能把企業(ye) 擁有的“生產(chan) 資料”轉變為(wei) 一種“數據生產(chan) 力”。當企業(ye) 的數據中台搭建起來之後，能夠把所有內(nei) 部數據有機整合、串聯起來，形成企業(ye) 高管、員工、 夥(huo) 伴共同參與(yu) 和使用的完全數字化 “工作台”。數據中台示意圖如圖 1 所示。

圖 1 數據中台示意圖

管控一體(ti) 化平台為(wei) 數據中台提供重要數據源， 為(wei) 自動化層向數據中心過渡的重要平台；數據中台為(wei) 企業(ye) 未來業(ye) 務的應用提供精準、 全麵、快捷的數據服務，為(wei) 數據中心向業(ye) 務應用的重要平台。兩(liang) 者為(wei) 企業(ye) 數字化轉型的重要組成部分，缺一不可。

3 數字化轉型的關(guan) 鍵技術

為(wei) 了實現數字化轉型的基礎目標， 即管控一體(ti) 化和設備遠程運維，需要從(cong) 數據采集、傳(chuan) 輸、數據存儲(chu) 、數據分析、遠程監視、集中遠控等方麵對現場進行改造升級。應用的關(guan) 鍵技術及設備如下：

（1） 邊緣計算網關(guan)

邊緣計算網關(guan) 首先要解決(jue) 高頻數據的采集，部分工藝數據的分析需要達到毫秒級的采集頻率。毫秒的高頻采集和存儲(chu) 將產(chan) 生海量數據，邊緣計算網關(guan) 需要在現場端對數據進行預處理，包括對數據的質量、數據的準確性進行初步判斷，過濾出有效數據，完成數據清洗。因此，邊緣計算網關(guan) 一般采用多核 CPU，並自帶大容量存儲(chu) ，從(cong) 而能在本地（邊緣端）完成分布式計算存儲(chu) 。同時，邊緣計算網關(guan) 還需具備協議轉換和 IP 重新規劃的功能。目前國內(nei) 外主流的 PLC 和 DCS 廠家有西門子、羅克韋爾、施耐德、萬(wan) 科思、浙江中控等，這些廠家產(chan) 品都有各自的通信協議。接入管控一體(ti) 化平台時，均需轉換成統一標準的 modbus 協議，同時實現不停機接入。

（2） 5G 技術

邊緣計算網關(guan) 采集到數據後， 通常通過就近的有線網絡接入，將數據遠傳(chuan) 到管控中心。但可能存在部分現場網絡不方便布線的情況， 這就需要考慮無線技術。大量的工藝數據及設備診斷數據，再加上高頻采集的需求將在現場端形成局部的海量數據，傳(chuan) 統 3G/4G 的傳(chuan) 輸不能滿足要求。5G 技術的主要技術特點有帶寬高、網速快，滿足大數據量的快速傳(chuan) 輸；更低的時延，滿足實時性的需求；更廣的連接，滿足多站點並發采集的需求。因此，基於(yu) 5G 技術的邊緣計算網關(guan) 將成為(wei) 高效可靠的數采遠傳(chuan) 的一體(ti) 化解決(jue) 方案。

（3） 實時數據庫技術

隨著企業(ye) 的發展， 各個(ge) 相關(guan) 工藝段均有集中實現管控一體(ti) 化的需求，SCADA 係統的監控規模從(cong) 之前的幾千點， 發展到現在的數萬(wan) 點甚至數十萬(wan) 點的規模， 傳(chuan) 統的監控軟件已滿足不了大數據量的采集和查詢的需求， 需自帶實時數據庫的監控軟件來實現大數據量的采集、存儲(chu) 和分析。

（4） 斷點續傳(chuan) 技術

對於(yu) 偶發的不可避免的通信中斷情況， 為(wei) 了保證係統數據的完整性，SCADA 係統需支持斷點續傳(chuan) 功能，即通信故障時，數據暫時緩存在現場的網關(guan) 控製器中，當通信恢複後，可對緩存的帶時標的曆史數據進行召喚，並回補到 SCADA 係統的曆史數據庫中，從(cong) 而保證係統數據的完整性。

（5） 負載均衡及多重冗餘(yu) 技術

傳(chuan) 統的現場控製係統為(wei) 了保證可靠性， 一般采取的是雙機熱備的冗餘(yu) 技術。在流程行業(ye) 完成管控一體(ti) 化後，SCADA 係統中海量的數據將是企業(ye) 數字化綜合展示和分析的基礎和唯一來源，因此對數據可靠性的要求將更高。所有遍布現場的操作室一律集中到管控中心，對 SCADA 軟件平台的安全、穩定和可靠的要求，將達到前所未有的高度，因此需考慮應用分布式的多重冗餘(yu) 技術，使數據可以分布地存儲(chu) 在多台服務器上， 服務器甚至可以在異地分布。同時，幾個(ge) 服務器可以共同分擔負荷，達到負載均衡的效果，並完成多重冗餘(yu) 。

4 管控一體(ti) 化係統應用案例

以某鋼鐵企業(ye) 能源精益管控一體(ti) 化係統應用實踐為(wei) 例進行介紹。

4.1 實踐方案

能源精益管控一體(ti) 化係統主要由管控中心實時數據庫軟件平台、管控中心服務器集群、管控中心工作站、網絡係統、邊緣計算采集網關(guan) 等組成，係統構架如圖 2 所示。

圖 2 能源精益管控一體(ti) 化係統構架圖

4.1.1 管控中心

管控中心的實時數據庫服務器是係統的核心，采用 Linux 操作係統，部署了自帶分布式實時數據庫的 SCADA 軟件， 實現負載均衡和 1:4 重冗餘(yu) 功能，即任何一台或多台服務器出現故障時，其負責的工作任務可以根據配置好的策略自動切換到其他正常的服務器上運行，從(cong) 而保證係統高可靠性。

分布式實時數據庫軟件通過邊緣計算網關(guan) 實現對現場各個(ge) PLC 控製站的數據采集、數據處理、報警處理、趨勢記錄、控製指令下發、操作記錄和曆史數據歸檔等功能。

操作員站由燃氣操作站、給水操作站、空壓操作站、調度長站、工程師站和圖形工作站組成，部署在控製中心，作為(wei) 管控係統的操控平台，實現對管控係統下屬站點的遠程監視和控製。

操作員站安裝 Windows 10 中文專(zhuan) 業(ye) 版操作係統和 SCADA 客戶端軟件，完成操作畫麵、工藝流程及數據顯示、實時曲線、參數設定、事件報警、潮流監視、設備狀態顯示等功能；還可進行數據查詢、報表查詢、報表打印等工作。

4.1.2 網絡係統

網絡係統由現場接入層網絡、匯聚層網絡、核心層網絡、桌麵操作層網絡組成。網絡係統從(cong) 接入層到桌麵操作層都能實現冗餘(yu) ， 以保障管控係統的可靠性。其中，匯聚層網絡采用工業(ye) 千兆光纖雙環網建設， 每個(ge) 匯聚站由一對冗餘(yu) 的千兆工業(ye) 光纖交換機組成， 與(yu) 相鄰的匯聚站之間通過 2 路光纖相連；管控中心的核心交換機通過光纖分別與(yu) 環網中相鄰的兩(liang) 個(ge) 匯聚站相連。

光纖雙環網的特點如下：

（1） 光纖雙環網在網絡上具有多重冗餘(yu) 功能，能確保網絡的可靠性。

（2） 光纖雙環網僅(jin) 2 個(ge) 主幹節點與(yu) 核心交換機有連接，相比於(yu) 星型網絡，核心交換機的光口數量無需太多，成本更低，維護更簡單。

針對部分有線網絡鋪設不便的站點或現場智能設備， 通過 5G 邊緣網關(guan) 采集後， 直接構建 5G通信網絡，通過 VPND 技術，接入核心交換機。

4.1.3 邊緣計算網關(guan)

現場數據采集端采用邊緣計算網關(guan) ， 實現能源精益管控軟件平台與(yu) 現場 PLC 係統的不停機接入，能源管控站點的數據采集、協議轉換、遠程控製、無線遠傳(chuan) 與(yu) 網絡隔離功能，以及關(guan) 鍵能耗設備, 運行參數的采集和分析。

（1） 高頻數據采集

選用 的 邊緣計算網 關(guan) 采用了多核 1.2 GHz的 CPU，能勝任高頻海量數據采集需求，數據采集頻率達到毫秒級別。邊緣計算網關(guan) 自帶 1G 內(nei) 存和 8 Gflash， 大容量存儲(chu) 配置可使網關(guan) 在邊緣端完成分布式計算存儲(chu) ，同時支持通信中斷後的斷點續傳(chuan) ，即通信中斷時數據可以帶時間標簽存儲(chu) 在本地的邊緣計算網關(guan) 中，當通信恢複，數據可帶時標回補到管控中心實時數據庫中，保證數據的完整性。

（2） 網絡隔離

鋼廠的能源動力部下屬的站點在網絡上都是相互獨立的， 各個(ge) 站所的本地監控計算機和 PLC的 IP 地址都是隨機的，能源管控係統需把所有站 點匯聚到一個(ge) 軟件平台上， 通過網關(guan) 的方式進行隔離。通過邊緣計算網關(guan) 進行數據采集後，IP 可重新規劃。邊緣計算網關(guan) 有 3 個(ge) 以太網口，3 個(ge) 以太網口之間相互隔離，每個(ge) 網口可以單獨配置 IP 地址。網關(guan) 的第 1 個(ge) 網口用於(yu) 連接能源管控係統，對IP 地址進行統一規劃。第 3 個(ge) 網口用於(yu) 連接現場的 PLC 係統網絡， 根據現場的 IP 地址段進行設置， 使得能源管控係統網絡與(yu) 現場 PLC 係統網絡之間實現隔離，避免兩(liang) 個(ge) 網絡之間的交叉影響；同時， 不需要對現場 PLC 係統和計算機修改 IP 地址，所有站點可實現不停產(chan) 接入。第 2 個(ge) 網口用來做冗餘(yu) 或用於(yu) 現場調試和維護。

（3） 數據采集與(yu) 協議轉換

通過邊緣計算網關(guan) 與(yu) 現場的 PLC 采用原有的協議通信，在網關(guan) 內(nei) 部再統一轉換成 modbus TPC/IP 協議，並重新編製與(yu) 管控係統的通訊地址，減少 通訊數據包數量，提高與(yu) 管控係統的通信效率。

（4） 集成 5G 通信

邊緣計算網關(guan) 作為(wei) 一體(ti) 化設備， 集成了 5G 通信模塊，可方便地接入到 5G 網絡中，實現可靠和高效的數據傳(chuan) 輸。5G 的高帶寬和低時延的特性，使得管控中心的集中遠控時效性和可靠性得到了保證。

（5） 邊緣計算

邊緣計算網關(guan) 針對高頻采集到的設備狀態相關(guan) 的振動、溫度、轉速、壓力、流量、電流電壓等參數，通過邊緣計算功能如快速傅裏葉變換、故障特征數據提取等，在本地完成數據預處理，僅(jin) 將計算結果上傳(chuan) 到服務器中進行數據存儲(chu) 和瀏覽。同時，可通過圖譜分析軸承特征頻率等信息， 提前預知軸承的損傷(shang) 程度，並做出預警，讓維護人員及時調整養(yang) 護計劃，從(cong) 而避免故障的產(chan) 生。

4.2 主要功能和特點

4.2.1 跨平台的係統構架

能源管控係統軟件平台采用 Linux+Windows係統架構， 實時數據庫服務器采用 Linux 操作係統， 相比 Windows 操作係統，Linux 操作係統不會(hui) 感染病毒，執行效率更高，穩定性更好，確保了係統核心部件的安全性、高效性和可靠性。客戶端采用 Windows 操作係統，人機交互更友好，便於(yu) 操作人員使用。

4.2.2 負載均衡多重冗餘(yu)

能源管控係統配置 4 台實時數據庫服務器，能源動力部下屬的近 100 個(ge) 站所根據專(zhuan) 業(ye) 和點數分攤到 4 台服務器上， 使得每台服務器所承擔的工作負荷相當，實現服務器的負載均衡功能。負載均衡原理如圖 3 所示。

圖 3 負載均衡原理圖

能源管控係統的 4 台實時數據庫服務器之間還同時實現 1:4 的多重冗餘(yu) ，任何 1 台或幾台服務器故障， 其所承擔的任務會(hui) 根據提前配置好的優(you) 先級策略把故障服務器的任務切換到優(you) 先級較高的服務器上運行， 從(cong) 而保證整個(ge) 係統的完整性和可靠性。

4.2.3 4 分屏技術

能源管控係統 1 個(ge) 席位要監控現場 4～6 個(ge) 站 點，之前傳(chuan) 統的方案是采用 1 個(ge) 席位配置 6 台計算機和 6 塊顯示屏，配置 6 個(ge) 鼠標和鍵盤，操作人員操作起來比較麻煩，操作時容易選錯鼠標。針對上述問題，係統做了優(you) 化，采用 1 個(ge) 高分辨率（3 940×2 160）大尺寸顯示器，在大顯示器上切分成 4 個(ge) 分辨率為(wei) 1920×1 080 的顯示區域，相當於(yu) 4 塊顯示屏。實時數據庫軟件平台可通過配置支持 4 分屏功能。

4分屏技術具有如下優(you) 點：

（1） 1 個(ge) 席位隻用 1 台計算機即可實現對 4個(ge) 站所的界麵監控，隻占用 1 個(ge) 客戶端授權；

（2） 一個(ge) 席位隻配置 1 個(ge) 鼠標和鍵盤， 方便操作人員操作；

（3） 不需要額外的硬件支持來 4 分屏功能；

（4） 支持 4 分屏界麵放大到全屏顯示， 方便操作人員操作和重要數據監控。

4.2.4 三級報警及視頻聯動

能源管控係統軟件對所有站點的數據按一、二、三級報警做了分類：一級報警為(wei) 嚴(yan) 重報警，報警發生時， 能源管控軟件平台對應的席位會(hui) 播報錄製好的對應的報警聲音， 並把報警數據推送給視頻監控係統， 視頻監控係統會(hui) 彈出相應的攝像頭進行報警設備的視頻監控。二級報警為(wei) 重要報警，報警發生時，能源管控軟件平台對應的席位會(hui) 播報錄製好的對應的報警聲音。三級報警為(wei) 一般報警，不播報報警聲音，僅(jin) 在報警界麵進行顯示。

能源管控係統的一、二、三級報警按優(you) 先級劃分了 255 個(ge) 優(you) 先級，每個(ge) 優(you) 先級可以關(guan) 聯指定的報警聲音文件，一、二級報警的報警聲音可以細化到機組報警，方便操作人員快速定位報警和及時處理。能源管控係統每個(ge) 席位要同時監控多個(ge) 站所，當有報警觸發時，操作人員馬上打開對應的監控界麵有一定難度。能源管控平台軟件對每個(ge) 報警配置了關(guan) 聯的工藝界麵，當報警觸發時，可以通過雙擊或右鍵單擊報警條， 在彈出的菜單裏選擇 “示意圖”，快速打開報警信息所在的工藝監控界麵。

4.2.5 智慧遠程運維

能源管控係統根據專(zhuan) 業(ye) 劃分， 開發了對應專(zhuan) 業(ye) 所有站點邊緣計算網關(guan) 的監控界麵。運維人員可以在管控中心實時了解分布在全廠的所有邊緣計算網關(guan) 的工作狀態，其監控界麵包含如下功能：

（1） 用 1 個(ge) 界麵監控本專(zhuan) 業(ye) 的所有網關(guan) 工作狀態及通訊狀態；

（2） 顯示主輔兩(liang) 個(ge) 網關(guan) 的運行、 故障及冗餘(yu) 狀態；

（3） 顯示管控軟件平台跟網關(guan) 的通訊狀態；

（4） 顯示管控軟件平台跟網關(guan) 通過哪條通訊 鏈路進行通訊；

（5） 顯示網關(guan) 跟 PLC 的通訊狀態。

通過邊緣技術網關(guan) 采集到重點能耗設備及關(guan) 鍵計量設備的運行參數， 網關(guan) 在進行初步的數據清洗後，實時上傳(chuan) 到管控平台，運維人員可以方便地在管控中心對設備運行情況進行實時在線監控，同時，配合故障診斷分析係統和相關(guan) 知識庫，可以事前預知潛在的故障，做到事前處置，並提供優(you) 化的養(yang) 護計劃。相比於(yu) 之前的設備定期檢測或在線監測離線分析檢測方式， 現有的方式可以極大地減少運維人員， 同時提供了更科學準確的運維方案，減少事故的發生。

5 結語

流程工業(ye) 中的數字化轉型是全球數字化進程的一個(ge) 子部分，也被視為(wei) 第四次工業(ye) 革命。流程工業(ye) 要實現數字化轉型的最基本的前提就是實現數據收集和數據整合， 而管控一體(ti) 化的解決(jue) 方案是企業(ye) 數字化轉型和落地的重要實現方式， 它能很好地幫助企業(ye) 完成數據收集和數據整合， 最終形成企業(ye) 自身的數據湖，為(wei) 數據中台的搭建提供數據源。隨著大數據，雲(yun) 計算，人工智能等一係統新技術的發展，數據也將被越來越多的企業(ye) 視為(wei) 核心資產(chan) ， 是企業(ye) 數字化過程中積累的財富。因此，在流程工業(ye) 中如何做好全廠的管控一體(ti) 化將是一個(ge) 值得深思的問題。

來源：原文刊載於(yu) 《鞍鋼技術》2022 年第 6 期