流程工業(yè)在我國國民經(jīng)濟中占有相當重要的地位，但這些工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模、發(fā)展水平參差不齊是目前面臨的一個現(xiàn)實問題。有些企業(yè)自動化基礎比較薄弱；有些企業(yè)雖然有比較完善的自控系統(tǒng)，但都是針對具體的工藝段，控制室分散在各個工藝現(xiàn)場，環(huán)境相對比較惡劣，噪聲粉塵等危害操作人員健康；有些企業(yè)已經(jīng)完成局部的小集控，但并沒有徹底解決自動化孤島，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(yè)企業(yè)的數(shù)字化轉型， 數(shù)字化轉型的基礎目標是什么，依舊在摸索和探討之中。

1 流程工業(yè)數(shù)字化轉型目標

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

2 數(shù)據(jù)中臺

管控一體化平臺是以“云+邊”為構架的智慧制造基礎設施，是對信息化架構的優(yōu)化演變，打破了“信息孤島”。基于管控一體化平臺完成的數(shù)據(jù)整合， 可進一步打造面向服務的全流程業(yè)務數(shù)據(jù)中臺，從而打造應用互聯(lián)的數(shù)字生態(tài)，帶動流程工業(yè)的智能化、數(shù)字化轉型，打造面向未來的數(shù)字工廠。

數(shù)據(jù)中臺是指通過數(shù)據(jù)技術對海量數(shù)據(jù)進行采集、計算、存儲和加工，同時統(tǒng)一標準和口徑。數(shù)據(jù)統(tǒng)一后會形成標準數(shù)據(jù)，再進行存儲，形成大數(shù)據(jù)資產(chǎn)層，進而為客戶提供高效服務。支持海量數(shù)據(jù)的存儲、計算和產(chǎn)品化包裝過程，為前臺基于數(shù)據(jù)的定制化創(chuàng)新及為業(yè)務中臺基于數(shù)據(jù)反饋的持續(xù)演進提供強大支撐。

與數(shù)據(jù)倉庫等傳統(tǒng)數(shù)據(jù)工具相比，數(shù)據(jù)中臺是一種新的理念，以“技術+業(yè)務”為雙驅動，是企業(yè)開展新型運營的中樞系統(tǒng)，是一套可持續(xù)“讓企業(yè)的數(shù)據(jù)用起來”的機制，一種戰(zhàn)略選擇和組織形式，是依據(jù)企業(yè)特有的業(yè)務模式和組織架構，通過有形的產(chǎn)品和實施方法論支撐，構建一套持續(xù)不斷把數(shù)據(jù)變成資產(chǎn)并服務于業(yè)務的機制。?

數(shù)據(jù)是每一個企業(yè)最寶貴的無形資產(chǎn)，數(shù)據(jù)中臺對企業(yè)的剛需價值在于能把企業(yè)擁有的“生產(chǎn)資料”轉變?yōu)橐环N“數(shù)據(jù)生產(chǎn)力”。當企業(yè)的數(shù)據(jù)中臺搭建起來之后，能夠把所有內部數(shù)據(jù)有機整合、串聯(lián)起來，形成企業(yè)高管、員工、 伙伴共同參與和使用的完全數(shù)字化 “工作臺”。數(shù)據(jù)中臺示意圖如圖 1 所示。

圖 1 數(shù)據(jù)中臺示意圖

管控一體化平臺為數(shù)據(jù)中臺提供重要數(shù)據(jù)源， 為自動化層向數(shù)據(jù)中心過渡的重要平臺；數(shù)據(jù)中臺為企業(yè)未來業(yè)務的應用提供精準、 全面、快捷的數(shù)據(jù)服務，為數(shù)據(jù)中心向業(yè)務應用的重要平臺。兩者為企業(yè)數(shù)字化轉型的重要組成部分，缺一不可。

3 數(shù)字化轉型的關鍵技術

為了實現(xiàn)數(shù)字化轉型的基礎目標， 即管控一體化和設備遠程運維，需要從數(shù)據(jù)采集、傳輸、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、遠程監(jiān)視、集中遠控等方面對現(xiàn)場進行改造升級。應用的關鍵技術及設備如下：

（1） 邊緣計算網(wǎng)關

邊緣計算網(wǎng)關首先要解決高頻數(shù)據(jù)的采集，部分工藝數(shù)據(jù)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將產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，邊緣計算網(wǎng)關需要在現(xiàn)場端對數(shù)據(jù)進行預處理，包括對數(shù)據(jù)的質量、數(shù)據(jù)的準確性進行初步判斷，過濾出有效數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)清洗。因此，邊緣計算網(wǎng)關一般采用多核 CPU，并自帶大容量存儲，從而能在本地（邊緣端）完成分布式計算存儲。同時，邊緣計算網(wǎng)關還需具備協(xié)議轉換和 IP 重新規(guī)劃的功能。目前國內外主流的 PLC 和 DCS 廠家有西門子、羅克韋爾、施耐德、萬科思、浙江中控等，這些廠家產(chǎn)品都有各自的通信協(xié)議。接入管控一體化平臺時，均需轉換成統(tǒng)一標準的 modbus 協(xié)議，同時實現(xiàn)不停機接入。

（2） 5G 技術

邊緣計算網(wǎng)關采集到數(shù)據(jù)后， 通常通過就近的有線網(wǎng)絡接入，將數(shù)據(jù)遠傳到管控中心。但可能存在部分現(xiàn)場網(wǎng)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(shù)據(jù)及設備診斷數(shù)據(jù)，再加上高頻采集的需求將在現(xiàn)場端形成局部的海量數(shù)據(jù)，傳統(tǒng) 3G/4G 的傳輸不能滿足要求。5G 技術的主要技術特點有帶寬高、網(wǎng)速快，滿足大數(shù)據(jù)量的快速傳輸；更低的時延，滿足實時性的需求；更廣的連接，滿足多站點并發(fā)采集的需求。因此，基于 5G 技術的邊緣計算網(wǎng)關將成為高效可靠的數(shù)采遠傳的一體化解決方案。

（3） 實時數(shù)據(jù)庫技術

隨著企業(yè)的發(fā)展， 各個相關工藝段均有集中實現(xiàn)管控一體化的需求，SCADA 系統(tǒng)的監(jiān)控規(guī)模從之前的幾千點， 發(fā)展到現(xiàn)在的數(shù)萬點甚至數(shù)十萬點的規(guī)模， 傳統(tǒng)的監(jiān)控軟件已滿足不了大數(shù)據(jù)量的采集和查詢的需求， 需自帶實時數(shù)據(jù)庫的監(jiān)控軟件來實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的采集、存儲和分析。

（4） 斷點續(xù)傳技術

對于偶發(fā)的不可避免的通信中斷情況， 為了保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性，SCADA 系統(tǒng)需支持斷點續(xù)傳功能，即通信故障時，數(shù)據(jù)暫時緩存在現(xiàn)場的網(wǎng)關控制器中，當通信恢復后，可對緩存的帶時標的歷史數(shù)據(jù)進行召喚，并回補到 SCADA 系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫中，從而保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性。

（5） 負載均衡及多重冗余技術

傳統(tǒng)的現(xiàn)場控制系統(tǒng)為了保證可靠性， 一般采取的是雙機熱備的冗余技術。在流程行業(yè)完成管控一體化后，SCADA 系統(tǒng)中海量的數(shù)據(jù)將是企業(yè)數(shù)字化綜合展示和分析的基礎和唯一來源，因此對數(shù)據(jù)可靠性的要求將更高。所有遍布現(xiàn)場的操作室一律集中到管控中心，對 SCADA 軟件平臺的安全、穩(wěn)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余技術，使數(shù)據(jù)可以分布地存儲在多臺服務器上， 服務器甚至可以在異地分布。同時，幾個服務器可以共同分擔負荷，達到負載均衡的效果，并完成多重冗余。

4 管控一體化系統(tǒng)應用案例

以某鋼鐵企業(yè)能源精益管控一體化系統(tǒng)應用實踐為例進行介紹。

4.1 實踐方案

能源精益管控一體化系統(tǒng)主要由管控中心實時數(shù)據(jù)庫軟件平臺、管控中心服務器集群、管控中心工作站、網(wǎng)絡系統(tǒng)、邊緣計算采集網(wǎng)關等組成，系統(tǒng)構架如圖 2 所示。

圖 2 能源精益管控一體化系統(tǒng)構架圖

4.1.1 管控中心

管控中心的實時數(shù)據(jù)庫服務器是系統(tǒng)的核心，采用 Linux 操作系統(tǒng)，部署了自帶分布式實時數(shù)據(jù)庫的 SCADA 軟件， 實現(xiàn)負載均衡和 1:4 重冗余功能，即任何一臺或多臺服務器出現(xiàn)故障時，其負責的工作任務可以根據(jù)配置好的策略自動切換到其他正常的服務器上運行，從而保證系統(tǒng)高可靠性。

分布式實時數(shù)據(jù)庫軟件通過邊緣計算網(wǎng)關實現(xiàn)對現(xiàn)場各個 PLC 控制站的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、報警處理、趨勢記錄、控制指令下發(fā)、操作記錄和歷史數(shù)據(jù)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，部署在控制中心，作為管控系統(tǒng)的操控平臺，實現(xiàn)對管控系統(tǒng)下屬站點的遠程監(jiān)視和控制。

操作員站安裝 Windows 10 中文專業(yè)版操作系統(tǒng)和 SCADA 客戶端軟件，完成操作畫面、工藝流程及數(shù)據(jù)顯示、實時曲線、參數(shù)設定、事件報警、潮流監(jiān)視、設備狀態(tài)顯示等功能；還可進行數(shù)據(jù)查詢、報表查詢、報表打印等工作。

4.1.2 網(wǎng)絡系統(tǒng)

網(wǎng)絡系統(tǒng)由現(xiàn)場接入層網(wǎng)絡、匯聚層網(wǎng)絡、核心層網(wǎng)絡、桌面操作層網(wǎng)絡組成。網(wǎng)絡系統(tǒng)從接入層到桌面操作層都能實現(xiàn)冗余， 以保障管控系統(tǒng)的可靠性。其中，匯聚層網(wǎng)絡采用工業(yè)千兆光纖雙環(huán)網(wǎng)建設， 每個匯聚站由一對冗余的千兆工業(yè)光纖交換機組成， 與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環(huán)網(wǎng)中相鄰的兩個匯聚站相連。

光纖雙環(huán)網(wǎng)的特點如下：

（1） 光纖雙環(huán)網(wǎng)在網(wǎng)絡上具有多重冗余功能，能確保網(wǎng)絡的可靠性。

（2） 光纖雙環(huán)網(wǎng)僅 2 個主干節(jié)點與核心交換機有連接，相比于星型網(wǎng)絡，核心交換機的光口數(shù)量無需太多，成本更低，維護更簡單。

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

4.1.3 邊緣計算網(wǎng)關

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集端采用邊緣計算網(wǎng)關， 實現(xiàn)能源精益管控軟件平臺與現(xiàn)場 PLC 系統(tǒng)的不停機接入，能源管控站點的數(shù)據(jù)采集、協(xié)議轉換、遠程控制、無線遠傳與網(wǎng)絡隔離功能，以及關鍵能耗設備, 運行參數(shù)的采集和分析。

（1） 高頻數(shù)據(jù)采集

選用 的 邊緣計算網(wǎng) 關采用了多核 1.2 GHz的 CPU，能勝任高頻海量數(shù)據(jù)采集需求，數(shù)據(jù)采集頻率達到毫秒級別。邊緣計算網(wǎng)關自帶 1G 內存和 8 Gflash， 大容量存儲配置可使網(wǎng)關在邊緣端完成分布式計算存儲，同時支持通信中斷后的斷點續(xù)傳，即通信中斷時數(shù)據(jù)可以帶時間標簽存儲在本地的邊緣計算網(wǎng)關中，當通信恢復，數(shù)據(jù)可帶時標回補到管控中心實時數(shù)據(jù)庫中，保證數(shù)據(jù)的完整性。

（2） 網(wǎng)絡隔離

鋼廠的能源動力部下屬的站點在網(wǎng)絡上都是相互獨立的， 各個站所的本地監(jiān)控計算機和 PLC的 IP 地址都是隨機的，能源管控系統(tǒng)需把所有站 點匯聚到一個軟件平臺上， 通過網(wǎng)關的方式進行隔離。通過邊緣計算網(wǎng)關進行數(shù)據(jù)采集后，IP 可重新規(guī)劃。邊緣計算網(wǎng)關有 3 個以太網(wǎng)口，3 個以太網(wǎng)口之間相互隔離，每個網(wǎng)口可以單獨配置 IP 地址。網(wǎng)關的第 1 個網(wǎng)口用于連接能源管控系統(tǒng)，對IP 地址進行統(tǒng)一規(guī)劃。第 3 個網(wǎng)口用于連接現(xiàn)場的 PLC 系統(tǒng)網(wǎng)絡， 根據(jù)現(xiàn)場的 IP 地址段進行設置， 使得能源管控系統(tǒng)網(wǎng)絡與現(xiàn)場 PLC 系統(tǒng)網(wǎng)絡之間實現(xiàn)隔離，避免兩個網(wǎng)絡之間的交叉影響；同時， 不需要對現(xiàn)場 PLC 系統(tǒng)和計算機修改 IP 地址，所有站點可實現(xiàn)不停產(chǎn)接入。第 2 個網(wǎng)口用來做冗余或用于現(xiàn)場調試和維護。

（3） 數(shù)據(jù)采集與協(xié)議轉換

通過邊緣計算網(wǎng)關與現(xiàn)場的 PLC 采用原有的協(xié)議通信，在網(wǎng)關內部再統(tǒng)一轉換成 modbus TPC/IP 協(xié)議，并重新編制與管控系統(tǒng)的通訊地址，減少 通訊數(shù)據(jù)包數(shù)量，提高與管控系統(tǒng)的通信效率。

（4） 集成 5G 通信

邊緣計算網(wǎng)關作為一體化設備， 集成了 5G 通信模塊，可方便地接入到 5G 網(wǎng)絡中，實現(xiàn)可靠和高效的數(shù)據(jù)傳輸。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(wǎng)關針對高頻采集到的設備狀態(tài)相關的振動、溫度、轉速、壓力、流量、電流電壓等參數(shù)，通過邊緣計算功能如快速傅里葉變換、故障特征數(shù)據(jù)提取等，在本地完成數(shù)據(jù)預處理，僅將計算結果上傳到服務器中進行數(shù)據(jù)存儲和瀏覽。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程度，并做出預警，讓維護人員及時調整養(yǎng)護計劃，從而避免故障的產(chǎn)生。

4.2 主要功能和特點

4.2.1 跨平臺的系統(tǒng)構架

能源管控系統(tǒng)軟件平臺采用 Linux+Windows系統(tǒng)架構， 實時數(shù)據(jù)庫服務器采用 Linux 操作系統(tǒng)， 相比 Windows 操作系統(tǒng)，Linux 操作系統(tǒng)不會感染病毒，執(zhí)行效率更高，穩(wěn)定性更好，確保了系統(tǒng)核心部件的安全性、高效性和可靠性?？蛻舳瞬捎?Windows 操作系統(tǒng)，人機交互更友好，便于操作人員使用。

4.2.2 負載均衡多重冗余

能源管控系統(tǒng)配置 4 臺實時數(shù)據(jù)庫服務器，能源動力部下屬的近 100 個站所根據(jù)專業(yè)和點數(shù)分攤到 4 臺服務器上， 使得每臺服務器所承擔的工作負荷相當，實現(xiàn)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

能源管控系統(tǒng)的 4 臺實時數(shù)據(jù)庫服務器之間還同時實現(xiàn) 1:4 的多重冗余，任何 1 臺或幾臺服務器故障， 其所承擔的任務會根據(jù)提前配置好的優(yōu)先級策略把故障服務器的任務切換到優(yōu)先級較高的服務器上運行， 從而保證整個系統(tǒng)的完整性和可靠性。

4.2.3 4 分屏技術

能源管控系統(tǒng) 1 個席位要監(jiān)控現(xiàn)場 4～6 個站 點，之前傳統(tǒng)的方案是采用 1 個席位配置 6 臺計算機和 6 塊顯示屏，配置 6 個鼠標和鍵盤，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，系統(tǒng)做了優(yōu)化，采用 1 個高分辨率（3 940×2 160）大尺寸顯示器，在大顯示器上切分成 4 個分辨率為 1920×1 080 的顯示區(qū)域，相當于 4 塊顯示屏。實時數(shù)據(jù)庫軟件平臺可通過配置支持 4 分屏功能。

4分屏技術具有如下優(yōu)點：

（1） 1 個席位只用 1 臺計算機即可實現(xiàn)對 4個站所的界面監(jiān)控，只占用 1 個客戶端授權；

（2） 一個席位只配置 1 個鼠標和鍵盤， 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 分屏界面放大到全屏顯示， 方便操作人員操作和重要數(shù)據(jù)監(jiān)控。

4.2.4 三級報警及視頻聯(lián)動

能源管控系統(tǒng)軟件對所有站點的數(shù)據(jù)按一、二、三級報警做了分類：一級報警為嚴重報警，報警發(fā)生時， 能源管控軟件平臺對應的席位會播報錄制好的對應的報警聲音， 并把報警數(shù)據(jù)推送給視頻監(jiān)控系統(tǒng)， 視頻監(jiān)控系統(tǒng)會彈出相應的攝像頭進行報警設備的視頻監(jiān)控。二級報警為重要報警，報警發(fā)生時，能源管控軟件平臺對應的席位會播報錄制好的對應的報警聲音。三級報警為一般報警，不播報報警聲音，僅在報警界面進行顯示。

能源管控系統(tǒng)的一、二、三級報警按優(yōu)先級劃分了 255 個優(yōu)先級，每個優(yōu)先級可以關聯(lián)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。能源管控系統(tǒng)每個席位要同時監(jiān)控多個站所，當有報警觸發(fā)時，操作人員馬上打開對應的監(jiān)控界面有一定難度。能源管控平臺軟件對每個報警配置了關聯(lián)的工藝界面，當報警觸發(fā)時，可以通過雙擊或右鍵單擊報警條， 在彈出的菜單里選擇 “示意圖”，快速打開報警信息所在的工藝監(jiān)控界面。

4.2.5 智慧遠程運維

能源管控系統(tǒng)根據(jù)專業(yè)劃分， 開發(fā)了對應專業(yè)所有站點邊緣計算網(wǎng)關的監(jiān)控界面。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(wǎng)關的工作狀態(tài)，其監(jiān)控界面包含如下功能：

（1） 用 1 個界面監(jiān)控本專業(yè)的所有網(wǎng)關工作狀態(tài)及通訊狀態(tài)；

（2） 顯示主輔兩個網(wǎng)關的運行、 故障及冗余 狀態(tài)；

（3） 顯示管控軟件平臺跟網(wǎng)關的通訊狀態(tài)；

（4） 顯示管控軟件平臺跟網(wǎng)關通過哪條通訊 鏈路進行通訊；

（5） 顯示網(wǎng)關跟 PLC 的通訊狀態(tài)。

通過邊緣技術網(wǎng)關采集到重點能耗設備及關 鍵計量設備的運行參數(shù)， 網(wǎng)關在進行初步的數(shù)據(jù)清洗后，實時上傳到管控平臺，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(jiān)控，同時，配合故障診斷分析系統(tǒng)和相關知識庫，可以事前預知潛在的故障，做到事前處置，并提供優(yōu)化的養(yǎng)護計劃。相比于之前的設備定期檢測或在線監(jiān)測離線分析檢測方式， 現(xiàn)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(fā)生。

5 結語

流程工業(yè)中的數(shù)字化轉型是全球數(shù)字化進程的一個子部分，也被視為第四次工業(yè)革命。流程工業(yè)要實現(xiàn)數(shù)字化轉型的最基本的前提就是實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)整合， 而管控一體化的解決方案是企業(yè)數(shù)字化轉型和落地的重要實現(xiàn)方式， 它能很好地幫助企業(yè)完成數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)整合， 最終形成企業(yè)自身的數(shù)據(jù)湖，為數(shù)據(jù)中臺的搭建提供數(shù)據(jù)源。隨著大數(shù)據(jù)，云計算，人工智能等一系統(tǒng)新技術的發(fā)展，數(shù)據(jù)也將被越來越多的企業(yè)視為核心資產(chǎn)， 是企業(yè)數(shù)字化過程中積累的財富。因此，在流程工業(yè)中如何做好全廠的管控一體化將是一個值得深思的問題。

來源：原文刊載于《鞍鋼技術》2022 年第 6 期