1   方案背景與目標

1.1 研究背景：

·        應對國家生態(tài)環(huán)境部制訂的《重污染天氣重點(diǎn)行業(yè)應急減排措施制定技術(shù)指南》

·        國家的“雙碳”戰略

·        橫河可持續發(fā)展目標 (SDGs)

1.2 目標

VoF解決方案旨在通過(guò)創(chuàng )建智能化與數據應用系統，滿(mǎn)足離散型企業(yè)（如，機械制造業(yè)、汽車(chē)制造業(yè)、家電制造業(yè)等）以下需求，從而實(shí)現可持續發(fā)展、提升ESG績(jì)效的目標。

·        工廠(chǎng)能源可視化管理

·        生產(chǎn)環(huán)境零排放對應

·        零事故安全生產(chǎn)需求

·        能耗設備低故障預防

·        智能制造數字化對應

2   方案詳細介紹

目前大部分的離散型制造業(yè)的現狀是信息為點(diǎn)狀化、數據采集效率低（數據高度離散）、數據積累程度欠缺等種種問(wèn)題。另一方面企業(yè)數字化是一個(gè)綜合性的、系統性的工程，需要企業(yè)從多個(gè)方面入手，進(jìn)行全面的規劃和實(shí)施，這對于中小型企業(yè)來(lái)說(shuō)，因投資成本有限，真正落地非常困難。

VoF解決方案推薦用戶(hù)從小的投資開(kāi)始，以「環(huán)境」或「能源」或「安全」或「設備」為切入點(diǎn)，通過(guò)導入使用解決方案包切實(shí)解決用戶(hù)問(wèn)題，并構建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統架構。然后再根據需要分階段地完善其他功能。

通過(guò)數字化平臺協(xié)同工廠(chǎng)生產(chǎn)運營(yíng)信息，從「可視化」開(kāi)始，然后通過(guò)「可視化」 「分析」 「改善」三個(gè)步驟的不斷迭代升級服務(wù)，進(jìn)行分析、優(yōu)化及管理，幫助用戶(hù)將節能減排落到實(shí)處。

2.1 系統架構 

如上圖架構，系統可分兩層來(lái)看。

上層是由橫河自主研發(fā)的綜合信息服務(wù)器（CI-Server）為主的大數據應用層。CI-Server對應多種工業(yè)通信標準，將環(huán)境、能源、安全、設備的相關(guān)信息集成于同一平臺，同時(shí)還可實(shí)現儀表領(lǐng)域（如DCS）和電氣領(lǐng)域（如PLC）一體化的EI（Enterprise Integration）集成。系統可根據終端用戶(hù)相關(guān)的營(yíng)銷(xiāo)、制造、生產(chǎn)、設備、管理、操作等不同方面的需要，針對不同角色、不同場(chǎng)景實(shí)現了相應的數字化、智能化功能。

下層采用橫河自主研發(fā)的邊緣計算網(wǎng)關(guān)設備，如GM10，FM-MA eRT3等，可獨立運行，靈活地實(shí)現簡(jiǎn)單的數據采集與分析功能。

這個(gè)架構可以很好地適應用戶(hù)現場(chǎng)數據高度離散的場(chǎng)景，并確保性能、功能、穩定性、可靠性滿(mǎn)足平臺要求。 

2.2  硬件平臺

硬件平臺由綜合信息服務(wù)器和其下屬數據采集網(wǎng)絡(luò )系統構成。

綜合信息服務(wù)器即數字平臺服務(wù)器，是承載數字平臺運行所必需的基礎設施,用于存儲和處理大量的數據、提供各種功能和服務(wù)。CI Server 是橫河自主研發(fā)的一種跨平臺的監控和信息系統，集成了工業(yè)控制系統、傳感器和人工智能，可實(shí)現：

l  遠程操作，提高運行效率

l  流程和廣域集成，以掌握更廣泛的供應鏈

l  數據驅動(dòng)優(yōu)化，實(shí)現計算機輔助操作 

下屬數據采集網(wǎng)絡(luò )系統包括數邊緣計算網(wǎng)關(guān)設備（如GM10，FM-MA eRT3等）和傳感器。 

整個(gè)系統搭建過(guò)程中，以采用橫河自主研發(fā)的產(chǎn)品為主。這樣可以確保性能、功能、穩定性、可靠性滿(mǎn)足平臺要求。

在數據采集方面，橫河擁有2套先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統（如下圖），分別是ISA100標準協(xié)議和LoRaWAN標準協(xié)議，以應對復雜環(huán)境、確保工程實(shí)施。 其共同特點(diǎn)是協(xié)議開(kāi)放性。對用戶(hù)來(lái)說(shuō)各廠(chǎng)商產(chǎn)品兼容，便于維護管理。

在安全預警監控方面，橫河自主研發(fā)的分布式溫度傳感器DTSX（如下圖）能夠實(shí)時(shí)智能地監測縱向50公里以?xún)鹊臏囟确植?，有助于在廣闊的區域內實(shí)現火災預警和預防性維護。

2.3  軟件平臺

與硬件平臺相對應，軟件平臺包括大數據應用和下屬數據采集網(wǎng)絡(luò )應用。

根據用戶(hù)需求，軟件平臺可以選用本地部署或云端部署（采用公有云和私有云混合的部署模式）。集合了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、工業(yè)控制技術(shù)、工業(yè)大數據技術(shù)，以及多協(xié)議融合的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，實(shí)現了復雜環(huán)境下的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)軟件平臺應用需求。

1)    大數據應用

在工業(yè)生產(chǎn)和監控管理過(guò)程中無(wú)時(shí)無(wú)刻不在產(chǎn)生海量的數據，比如生產(chǎn)設備的運行環(huán)境、機械設備的運轉狀態(tài)、生產(chǎn)過(guò)程中的能源消耗、物料的損耗、廢水廢氣環(huán)境等。

在典型的VoF工廠(chǎng)解決方案中，采集了超過(guò)2000個(gè)工業(yè)參數數據，工業(yè)數據的收集涉及流量、壓力、溫度、濕度、電力、VOC、pH、設備運轉等多種類(lèi)型、多個(gè)維度的數據。

上述數據具有如下特征：

數據體量龐大，一個(gè)傳感器平均每秒大約產(chǎn)生至少100多個(gè)數據包，整體網(wǎng)絡(luò )中每秒將產(chǎn)生200MB的傳感數據，每月將產(chǎn)生60GB的數據。如此龐大的傳感數據對數據存儲、并發(fā)處理要求極高。

數據生成和處理速度快。軟件平臺需要從這些海量數據中快速提取需要的數據進(jìn)行處理、分析和展示。

數據類(lèi)型多：在系統軟件運行過(guò)程中，除了需要處理工業(yè)中使用的結構化數據，還需要對接上層包括MES系統的一些非結構化數據進(jìn)行存儲、提取和加工分析。

價(jià)值密度低：如何在海量數據中提取有價(jià)值的信息是軟件平臺數據處理層面的關(guān)鍵。 

橫河自主研發(fā)的CI-Server（綜合信息服務(wù)平臺）、MANA（云計算物聯(lián)網(wǎng)平臺）可以對上述特征的數據進(jìn)行集成與清洗、存儲與管理、分析與挖掘，以及安全可視化等工作。

集成與清洗

CI-Server把不同來(lái)源、格式、特性的數據進(jìn)行有機匯聚，并對平臺中的數據進(jìn)行重新審查和校驗，發(fā)現和糾正可識別的錯誤，處理無(wú)效值和缺失值，從而得到到干凈并且格式一致的數據。經(jīng)過(guò)CI-Server清洗后的數據才可以發(fā)送到數據中間件系統或存儲系統進(jìn)行后續處理。

存儲與管理

采用MANA的分布式云存儲技術(shù)，將數據進(jìn)行經(jīng)濟、安全可靠的存儲管理，在確定數據優(yōu)先級的前提下，采用高吞吐量的數據庫技術(shù)和非結構化訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)支持云系統中數據的高效快速訪(fǎng)問(wèn)。

分析與挖掘

MANA和下屬GA10軟件配合從海量、不完全、有噪聲、模糊及隨機的大型數據庫中發(fā)現隱含在其中有價(jià)值的信息和知識，采用無(wú)監督學(xué)習的方式，對包括設備狀態(tài)監測、機房及用電安全監測在內的涉及設備和安全的數據進(jìn)行充分利用，建立安全健康生產(chǎn)狀態(tài)模型，實(shí)現對設備的基于狀態(tài)的維護策略以及安全狀態(tài)提示策略。

可視化展示

充分利用計算機圖形技術(shù)、可視化展示技術(shù)、WEB展示技術(shù)，綜合處理顯示多維度數據，將包括原始數據、報警數據、分析數據、等展示在屏幕上，使枯燥、抽象的數據變得直觀(guān)且易于理解，并通過(guò)交互處理實(shí)現基于可視化數據的分析、交流和決策支持。 

2)    下屬數據采集網(wǎng)絡(luò )應用

GA10 是橫河自主研發(fā)的基于PC的數據記錄程序，廣泛用于構建監視并記錄數據的系統。如下圖所示，GA10可廣泛對應數據采集器/ 記錄儀/ 溫度調節器/ 信號變換器/ 電力監視器/ 功率計，也可以實(shí)現Modbus 儀表的數據采集。如，將分布式光纖測溫接入GA10后，可對加熱爐爐壁溫度進(jìn)行分析、并可視化。

2.4 解決方案包

用戶(hù)可根據其需求，選用一個(gè)或多個(gè)功能的解決方案包（如下圖）。用戶(hù)可以從導入一個(gè)以上單一功能的解決方案包（如下圖）開(kāi)始，把系統架構建立起來(lái)，然后再根據需要分階段地完善。

2.5數據通信、安全措施

本節內容，通過(guò)如下圖的案例進(jìn)行說(shuō)明。

在現場(chǎng)通信層面，采用了物聯(lián)網(wǎng)以及工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)、工業(yè)以太網(wǎng)相融合的實(shí)現方式，一方面可以充分結合實(shí)際通信業(yè)務(wù)需求和實(shí)施需求，另一方面可以減少施工作業(yè)成本，充分體現了本解決方案的技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟性和系統運行的安全性和穩定性。

現場(chǎng)傳感器數據傳輸采用了包括微型、低成本、低功耗、抗干擾能力強的LoRaWAN無(wú)線(xiàn)傳感器，長(cháng)距離、低時(shí)延的ISA100無(wú)線(xiàn)傳感器，成熟、易維護的HART通信傳感器，以及將測量和傳輸采用同種介質(zhì)的分布式溫度傳感器等，構成了現場(chǎng)傳感器的通信網(wǎng)絡(luò )；

同時(shí)采用邊緣計算網(wǎng)關(guān)設備包括GM10，FM-MA eRT3，利用分布式存儲、異構計算、協(xié)議轉換等技術(shù)，將不同的通信協(xié)議進(jìn)行統一化，實(shí)現傳統接口和協(xié)議設備之間的實(shí)時(shí)通信，實(shí)現企業(yè)OT和IT的高可靠數據融合，提供了現場(chǎng)級的實(shí)時(shí)計算、存儲和通信機制，并通過(guò)GA10提供了邊緣側的建模工具和智能工具，對實(shí)時(shí)數據進(jìn)行預處理，為數據融合提供了基礎支撐。

對于邊緣網(wǎng)關(guān)到數據采集和管理平臺之間（CI-Server,MANA），采用了包括工業(yè)以太網(wǎng)、LoRAWAN、4G/5G等傳輸技術(shù)，充分利用MQTT等物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，實(shí)現協(xié)議傳輸的統一，同時(shí)實(shí)現了整體數據通信傳輸的低時(shí)延、高穩定。 

在工廠(chǎng)VoF系統與其他生產(chǎn)系統、信息之間采用工業(yè)防火墻技術(shù)，實(shí)現與其他系統的有效隔離，同時(shí)企業(yè)內網(wǎng)與外網(wǎng)之間采用下一代防火墻技術(shù)實(shí)現內外網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)的有效管控，并對可能的入侵行為進(jìn)行識別、檢測和報警。并采用VPN技術(shù)，對云端訪(fǎng)問(wèn)和內網(wǎng)系統訪(fǎng)問(wèn)進(jìn)行身份鑒定，防止數據在傳輸過(guò)程中被篡改和泄露；并且對訪(fǎng)問(wèn)權限進(jìn)行了細致劃分，以保證通信網(wǎng)絡(luò )的安全性。同時(shí)充分利用公有云平臺的安全防護能力，保證整體系統的安全性。除此以外，對存儲數據進(jìn)行定期、不定期，本地、異地備份管理策略，以保證數據的安全性。

3    代表性及推廣價(jià)值

VoF解決方案的代表性及推廣價(jià)值主要體現在以下幾個(gè)方面：

1)  數字化轉型的推動(dòng)力

VoF解決方案通過(guò)數字化技術(shù)幫助離散型制造業(yè)實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程的透明化、自動(dòng)化和智能化，提高生產(chǎn)效率、降低成本、優(yōu)化資源配置、提升產(chǎn)品質(zhì)量，最終實(shí)現企業(yè)的可持續發(fā)展。

2)  綠色可持續發(fā)展

解決方案強調環(huán)境保護和資源利用的可持續性，通過(guò)優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，減少能源消耗和廢物排放，實(shí)現可持續發(fā)展。

3)  提升能源效率與降低消耗

智慧能源可視化管理系統通過(guò)數字化技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的應用，實(shí)現對能源的全面監測、分析和管理，提升能源效率、降低能源消耗。

4)  創(chuàng )新性技術(shù)應用

VoF解決方案引入了新興傳感器技術(shù)，如DTSX、ISA100、LoRaWAN傳感器，提升了技術(shù)成熟度，降低技術(shù)風(fēng)險，確保工程的順利實(shí)施。

5)  實(shí)用性與經(jīng)濟效益

以“工廠(chǎng)能源能耗監測系統”為例，通過(guò)收集的能耗數據，可以準確發(fā)現問(wèn)題點(diǎn)或不合理點(diǎn)，幫助管理者進(jìn)行能源預算的管理，提出改進(jìn)計劃，減少碳排量，減少環(huán)境污染。

6)  開(kāi)放性與靈活性

VoF可以分解為各個(gè)解決方案包，各解決方案包可獨立部署、擴展和維護，可以根據需求進(jìn)行調整和優(yōu)化，確保整個(gè)系統的靈活性和高效性。

7)  提升競爭力與市場(chǎng)適應性

數字化轉型與智能制造的融合能夠為企業(yè)帶來(lái)多方面的競爭力提升，在生產(chǎn)效率、研發(fā)設計協(xié)同、服務(wù)水平等方面都有顯著(zhù)優(yōu)勢。

8)  促進(jìn)現代化產(chǎn)業(yè)體系建設

制造業(yè)數字化轉型與智能制造的融合將為現代化產(chǎn)業(yè)體系建設提供有力支撐，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng )新，注入新的活力。 

綜上所述，VoF解決方案不僅代表了制造業(yè)數字化轉型的趨勢，而且在推動(dòng)綠色可持續發(fā)展、提升能源效率、降低運營(yíng)成本、增強企業(yè)競爭力等方面具有顯著(zhù)的推廣價(jià)值。