鑄管行業(yè)生產(chǎn)線智能管控系統(tǒng)解決方案

1、鑄管行業(yè)生產(chǎn)線智能管控系統(tǒng)解決方案鑄管行業(yè)生產(chǎn)線智能管控系統(tǒng)解決方案概述背景工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)興起于 21 世紀(jì)初，通過設(shè)備間的交互過程，提供低成本、高靈活的泛在制造信息系統(tǒng)和環(huán)境，代表著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點方向。我國自主研發(fā)的 WIA- PA 技術(shù)規(guī)范已成為國際 IEC 標(biāo)準(zhǔn)，在產(chǎn)業(yè)競爭中占得先機。實施目標(biāo)據(jù)統(tǒng)計冶金行業(yè)生產(chǎn)設(shè)備差距并不十分明顯，工廠自動化 與智慧化深度融合越來越成為助力企業(yè)在市場競爭中重要因素， 國家由此確立“工業(yè) 4.0”的發(fā)展目標(biāo)，提出深化互聯(lián)網(wǎng)在制造領(lǐng)域的應(yīng)用，加快開展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用示范，培育智能 監(jiān)測、遠程診斷管理、全產(chǎn)業(yè)鏈追溯等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)新應(yīng)用，實

2、施工業(yè)云及工業(yè)大數(shù)據(jù)創(chuàng)新應(yīng)用試點，建設(shè)一批高質(zhì)量的工業(yè) 云服務(wù)和工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺。我國自主研發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)WIA-PA 標(biāo)準(zhǔn)，于2011 年10 月被IEC 全票通過成為國際標(biāo)準(zhǔn)，2011 年 12 月成為國家標(biāo)準(zhǔn)，使中國在國際上擁有重要的話語權(quán)。作為物聯(lián)網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)的制定者，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的引領(lǐng)者，本公司將會在“工業(yè) 4.0”，“一帶一路”應(yīng)用和發(fā)展，為企業(yè)提供強大的助力。 232 適用范圍根據(jù)覆蓋區(qū)域及現(xiàn)場無線采集節(jié)點數(shù)量，對廠區(qū)進行 WIA- PA 網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，新建WIA-PA 無線傳輸系統(tǒng)智能無線網(wǎng)關(guān)采用分散式布置方式，與各生產(chǎn)車間的管理結(jié)構(gòu)布局相同，這樣也便于系統(tǒng)實施后的設(shè)備維護及設(shè)備管理。在各生

3、產(chǎn)車間安放 WIA- PA 智能無線網(wǎng)關(guān)，負責(zé)采集該生產(chǎn)車間管理范圍內(nèi)的所有能耗儀表數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、機泵振動和加速度數(shù)據(jù)、有毒氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中的位置本方案在圖 1 中所處第 1、4、6 處，通過現(xiàn)場安裝儀器儀表等智能機器，在工廠控制系統(tǒng)處安裝無線網(wǎng)關(guān)，通過無線網(wǎng) 關(guān)控制現(xiàn)場的無線智能機器，從而達到遠程控制的目的。在現(xiàn) 場安裝無線智能機器后，智能機器可以通過現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)之間互相 關(guān)聯(lián)。在現(xiàn)場和工廠控制系統(tǒng)全部安裝后，和工廠云平臺通過 網(wǎng)絡(luò)相連接，此時用戶可以通過訪問云平臺到達工廠控制系統(tǒng)， 從而控制現(xiàn)場智能機器。通過本系統(tǒng)的示范應(yīng)用，在實現(xiàn)系統(tǒng)全部功能的同時，

4、為智能工廠建設(shè)形成生產(chǎn)信息標(biāo)準(zhǔn)化體系及工廠物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化體系兩套標(biāo)準(zhǔn)體系，標(biāo)準(zhǔn)體系的建立將聚焦企業(yè)優(yōu)勢領(lǐng)域，兼顧傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級為出發(fā)點，按照“共性先立、急用先行”的原則，統(tǒng)籌標(biāo)準(zhǔn)資源、優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，重點解決當(dāng)前推進智能制造工作中遇到的數(shù)據(jù)集成、互聯(lián)互通等基礎(chǔ)瓶頸問題。 233 需求分析圖 1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)示意圖工廠現(xiàn)狀據(jù)統(tǒng)計鑄管廠自動化及信息化水平一直較低，整個廠區(qū)面 臨著升級改造的緊迫問題，另外，新建生產(chǎn)線也面臨著先進的 數(shù)字化、自動化技術(shù)的引進，以全面提升生產(chǎn)效率，達到高效、節(jié)能、環(huán)保、穩(wěn)產(chǎn)的基本目標(biāo)。能源管控不足目前廠內(nèi)風(fēng)氣表數(shù)據(jù)采集覆蓋率約為 90%，水表數(shù)據(jù)采集覆蓋率不超過 10%

5、，電能表數(shù)據(jù)覆蓋率約為 65%，采集能耗數(shù)據(jù)的不完整性與分散性導(dǎo)致無法根據(jù)生產(chǎn)計劃實現(xiàn)能源的智能管控。關(guān)鍵設(shè)備健康狀態(tài)無法在線診斷不同區(qū)域所涉及的設(shè)備和工藝不同部門負責(zé)，同時大部分 工序作業(yè)，并沒有相應(yīng)的信息化系統(tǒng)參與控制，導(dǎo)致整個車間 信息流阻塞。關(guān)鍵機泵運行狀態(tài)采用人工定期檢查的方式，沒 有設(shè)備健康狀態(tài)實現(xiàn)監(jiān)測及診斷系統(tǒng)，設(shè)備故障不能提前預(yù)判。 234 危險區(qū)域氣體泄漏未實時監(jiān)測危險區(qū)域沒有氣體泄漏實時監(jiān)測，不能實時監(jiān)測危險區(qū)域是否存在有毒氣體泄漏，不能全面掌控廠區(qū)內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)。距離實現(xiàn)全廠安全環(huán)保生產(chǎn)還有一定差距?，F(xiàn)狀分析鋼鐵行業(yè)屬于資產(chǎn)密集型企業(yè)，該類機組結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜， 連續(xù)運行時間長、

6、轉(zhuǎn)速高，控制系統(tǒng)精密，制造周期長，檢維修困難，一旦發(fā)生故障，輕者引起裝置停產(chǎn)，重者會造成機毀人亡的重大惡性事故。根據(jù)上述情況，通過引入生產(chǎn)線能源計量與設(shè)備健康診斷系統(tǒng)，可同時實現(xiàn)生產(chǎn)線智能能源管控與關(guān)鍵設(shè)備健康狀態(tài)管控；一、通過系統(tǒng)應(yīng)用，全面采集生產(chǎn)過程中所有耗能設(shè)備的“水”“電”“氣”的能源消耗情況，并將能耗數(shù)據(jù)與生產(chǎn)產(chǎn)量關(guān)聯(lián)起來，通過長期數(shù)據(jù)積累及能耗模型的構(gòu)建，最終可實現(xiàn)不同投產(chǎn)需求下所需能耗的提前預(yù)估，為生產(chǎn)管理決策者提供理論依據(jù)，合理安排調(diào)度生產(chǎn)，進而達到節(jié)能減排、最優(yōu)生產(chǎn)的使用效果。二、通過系統(tǒng)應(yīng)用，對廠內(nèi)的關(guān)鍵機泵設(shè)備健康狀態(tài)實現(xiàn)健康監(jiān)測，控系統(tǒng)通過在擬監(jiān)測機組振動明顯部位安裝無

7、線監(jiān)測器或有線傳感器進行設(shè)備運行數(shù)據(jù)的實時采集，同時通過在線監(jiān)測系統(tǒng)整合已有監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并根據(jù)機組的運行特性配置針對性的數(shù)據(jù)采集策略，抓取對分析定位機組故障有效的振動、溫度數(shù)據(jù)，并借助智能報警策略，及時發(fā)現(xiàn)機組的運行異常狀態(tài)，并實現(xiàn)異常狀態(tài)的自動推送短信和移動 APP 報警推送。 235 解決方案方案介紹利用信息技術(shù)建立能源管理系統(tǒng)更可以為各種節(jié)能降耗手段的充分實施奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，具有非常明顯的現(xiàn)實意義。通過信息技術(shù)手段建立集中統(tǒng)一的智能能源管理子系統(tǒng)勢在必行， 對能源數(shù)據(jù)進行分析、處理和加工，工作人員能實時掌握能源運行的狀態(tài)：全方位監(jiān)控能源運行、使用與分配能源數(shù)據(jù)采集、能效分析能源供給的優(yōu)化

8、、負荷分配、負載均衡利用智能能源管理子系統(tǒng)，在企業(yè)出現(xiàn)用用能高峰或低谷 時，從全局角度了解能源使用和變化。通過對能源進行合理調(diào) 整，確保系統(tǒng)運行在最佳狀態(tài)。智能能源管理子系還有利于工 作人員及時采取措施，優(yōu)化其他能源調(diào)度，有效地減少高爐煤 氣的排放，減少了環(huán)境污染，進一步提高了能源的合理利用率。智能能源管理子系統(tǒng)平臺解決方案從能源使用的全生命周期角 度實現(xiàn)靈活可靠的工業(yè)能源過程監(jiān)控。通過對重要的能源運行 數(shù)據(jù)的集成，建立透明度更高的能源調(diào)度與管理平臺，在更低 能耗、更低排放的水平下獲取運行優(yōu)化和最大化生產(chǎn)力：針對 冶金行業(yè)對節(jié)能增效的需求，通過動態(tài)靈活地定制報表、管理 和可視化功能，對各部門用

9、電以及其它能耗趨勢、增長情況、 節(jié)能情況實績進行自動或手工操作進行記錄。為節(jié)能增效提供 全方位多樣性的追溯手段以及各種分析工具。智能能源管理子 系解決方案從系統(tǒng)上改善了冶金企業(yè)能源使用的跟蹤與追溯能 236 力。通過對能源使用的可視化改善，提供各單位對能源消耗過程以及記錄的可追溯性，降低滿足政府環(huán)保法規(guī)和國際標(biāo)準(zhǔn)遵從的時間成本和資金成本。從企業(yè)管理角度而言，智能能源管理子系解決方案為企業(yè)管理者提供高可視化的能源使用和消耗狀況，輔助企業(yè)決 策層對節(jié)能增效管理策略的制定和實施。智能能源管理子系統(tǒng)將對企業(yè)能源環(huán)網(wǎng)采集的“水”“電” “氣”數(shù)據(jù)進行匯集分析，通過使用符合 WIA-PA 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的WIA

10、-PA 智能無線網(wǎng)關(guān)、WIA-PA 無線路由器、WIA-PA 無線 IO 適配器等裝置，建立基于 WIA-PA 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的冶金生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)全廠未進入能源環(huán)網(wǎng)的能耗儀表的數(shù)據(jù)采集補全，并將能源環(huán)網(wǎng)與項目補充采集的能耗數(shù)據(jù)與生產(chǎn)產(chǎn)量關(guān)聯(lián)起來，通過長期數(shù)據(jù)積累及能耗模型的構(gòu)建，最終實現(xiàn)生產(chǎn)能耗預(yù)測，為生產(chǎn)管理決策者提供理論依據(jù)，合理安排調(diào)度生產(chǎn)，提高生產(chǎn)管理水平，提高產(chǎn)收率降低資源浪費，進而達到節(jié)能減排、最優(yōu)生產(chǎn)的使用效果。系統(tǒng)架構(gòu)生產(chǎn)線智能管控系統(tǒng)技術(shù)支持體系分為三個部分：物聯(lián)網(wǎng)部分，大數(shù)據(jù)部分及智能生產(chǎn)部分。簡單來說，物聯(lián)網(wǎng)部分負責(zé)底層數(shù)據(jù)的采集及傳輸，主要負責(zé)將現(xiàn)場海量的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、設(shè)備

11、運行狀態(tài)數(shù)據(jù)及危險告警環(huán)境數(shù)據(jù)實時采集并匯集到大數(shù)據(jù)平臺上，大數(shù)據(jù)部分是通過各種算法模型將物聯(lián)網(wǎng)部分采集上來的海量數(shù)據(jù)進行分類、統(tǒng)計及大數(shù)據(jù)分析，智能生產(chǎn)部分是對各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)功能模塊的大數(shù)據(jù)分析的結(jié)果關(guān)聯(lián)起來加以使用，以工廠全局的角度出發(fā)有效實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)的運行管 237 控、能源智能優(yōu)化、設(shè)備智能管控及安全高效生產(chǎn)。網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計圖 2 生產(chǎn)線智能管控系統(tǒng)架構(gòu)圖 3 智能能源管理子系統(tǒng)架構(gòu)能源系統(tǒng)的工藝對象覆蓋鋼鐵生產(chǎn)所涉及的各種大型能源 238 設(shè)施，如變電站、水泵站、煤氣站等。能源系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)點 范圍遍布整個生產(chǎn)運行與作業(yè)區(qū)，作為實時監(jiān)控與信息處理系 統(tǒng)，其實現(xiàn)包括信息的實時采集、海量儲存

12、、二次加工。因此 智能能源管理子系統(tǒng)方案立足于系統(tǒng)集成的高度，以信息為核 心滿足能源管理應(yīng)用功能上的特殊性及能源生產(chǎn)利用的連續(xù)性。系統(tǒng)對各種能源介質(zhì)進行集中監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度和平衡優(yōu)化，對 無人值守站所設(shè)備進行遠程操作和控制的要求， 充分滿足過程控制、信息管理和數(shù)據(jù)庫的一體化系統(tǒng)集成需求。 整個系統(tǒng)充分考慮了時間、空間上的可擴充性，采用開放的體系結(jié)構(gòu)，增 強與第三方的可連接性。其易于擴充的平臺架構(gòu)，延長了系統(tǒng) 應(yīng)用的生命周期，增強了發(fā)展后勁，適應(yīng)了市場激烈競爭的需 要。智能能源管理子系統(tǒng)與企業(yè)已建成的能源環(huán)網(wǎng)進行充分結(jié) 合，利用能源環(huán)網(wǎng)的海量能源數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐，將需 要的各種一級或二級能源

13、實時數(shù)據(jù)集成起來，以便于進行后續(xù) 能源管理和分析。系統(tǒng)是集過程監(jiān)控、能源管理、能源調(diào)度為 一體的廠級管控一體化計算機系統(tǒng)。隨著企業(yè)規(guī)模的擴大、技 術(shù)不斷進步、信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，智能能源管理子系統(tǒng)面向 生產(chǎn)運行的能源介質(zhì)(包括水、電力、重油、各種煤氣、天然氣、蒸汽、壓縮空氣、氧、氮、氬等)實現(xiàn)能源預(yù)測、降低能耗， 實時監(jiān)控的綜合能源信息管理平臺。調(diào)研中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場仍存在約 10%的氣表、35%的電表、90%的水表，數(shù)據(jù)不具備遠程采集功能，針對目前沒有遠程采集的能源儀表，通過建立工廠 WIA-PA 網(wǎng)絡(luò)，并增加智能無線采集儀表實 239 現(xiàn)全廠能源數(shù)據(jù)的采集補全。該部分采集網(wǎng)絡(luò)主要由 WIA-PA

14、無線路由器、WIA-PA 智能無線網(wǎng)關(guān)、WIA-PA 無線 IO、WIA-PA 渦輪流量計、WIA-PA 無線水表等設(shè)備組成，系統(tǒng)框架如上圖右下角部分所示。根據(jù)工廠內(nèi)能源儀表分布及無線傳輸環(huán)境按界區(qū)布置 WIA- PA 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。WIA-PA 無線設(shè)備采集現(xiàn)場能耗數(shù)據(jù)，并通過 WIA-PA 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至 WIA-PA 智能無線網(wǎng)關(guān)內(nèi)；WIA-PA 智能無線網(wǎng)關(guān)管理網(wǎng)絡(luò)，匯聚采集數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一解析與存儲，并通過工廠內(nèi)企業(yè)通信以太網(wǎng)或工廠無線 WiFi 網(wǎng)絡(luò)接入工廠局域網(wǎng)，多個網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸至中控室數(shù)據(jù)服務(wù)區(qū)， 實現(xiàn)對全廠能源儀表的數(shù)據(jù)監(jiān)控。另外，可根據(jù) WIA-PA 無線網(wǎng)絡(luò)傳

15、輸條件適當(dāng)增加部分WIA-PA 無線路由節(jié)點來擴大WIA-PA 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋半徑。功能設(shè)計工廠部署WIA-PA 網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)廠內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)全覆蓋，用于現(xiàn)場能源儀表數(shù)據(jù)的全面采集?，F(xiàn)場非數(shù)字電表、非數(shù)字風(fēng)氣表更換為數(shù)字化儀表。將現(xiàn)場水表數(shù)字化改造或更換為流量計，并通過 WIA-PA網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳。通過對現(xiàn)有數(shù)字儀表配套 WIA-PA 無線 IO，實現(xiàn)儀表數(shù)據(jù)的遠程采集。通過能源管理系統(tǒng)的計算功能將采集到的數(shù)據(jù)進行處理， 并將結(jié)果通過報表、曲線等等方式完全透明、準(zhǔn)確地顯 示出來，方便用戶實時查看。 240 能源管理系統(tǒng)可以將所有的數(shù)據(jù)、報表、曲線通過工廠局域網(wǎng)或 Internet 發(fā)布在公司網(wǎng)

16、絡(luò)上， 各級用戶可以按照相應(yīng)的訪問權(quán)限通過IE 瀏覽器輕松訪問到需要的信息，同時也保證了數(shù)據(jù)的同步性、可靠性。能源管理系統(tǒng)可提供強大的報表功能，根據(jù)生產(chǎn)工序分級查詢方式，快速查找用戶所需查看點的數(shù)據(jù)，自動生成生產(chǎn)能耗報表，報表展開可查看各個設(shè)備的單獨能耗情況，良好的人機界面用戶可以方便使用。依靠能源管理系統(tǒng)的分析模塊，可以很好實現(xiàn)能源預(yù)測、能源成本分析，綠色能源控制、能源采購預(yù)算等。引入 標(biāo)準(zhǔn)日、節(jié)假日、比率、消耗種類、產(chǎn)品類型等概念， 分析不同車間、不同產(chǎn)品、不同時段、不同工段的能源 需求。安全及可靠性我國工業(yè)控制系統(tǒng)面臨的安全形勢嚴(yán)峻，如圖 4 所示：2014 對我國影響較大的工控系統(tǒng)漏洞

17、就達到 133 個。2015 年 3 月國家公開工業(yè)控制系統(tǒng)安全漏洞共 405 個。安全加固方案圖 4 工業(yè)控制系統(tǒng)典型安全事件針對新興鑄管建立的智能管控系統(tǒng)，每個系統(tǒng)區(qū)域?qū)⑴c實時數(shù)據(jù)庫的 MES 系統(tǒng)進行 OPC 通信連接，實現(xiàn)控制系統(tǒng)狀態(tài)的 241 上報?；?OPC 基金會與工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)急響應(yīng)中心（ICS- cert）給出的解決方案的建議，在 OPC 客戶端與服務(wù)器端之間， 需要針對 OPC 協(xié)議增加安全防護技術(shù)，控制 OPC 客戶端與服務(wù) 器訪問的身份、訪問的權(quán)限、訪問的區(qū)域、開放的端口、不正 常的 OPC 數(shù)據(jù)過濾等，實現(xiàn)權(quán)力的正確使用及權(quán)力最小化約束。OPC 工業(yè)防火墻能有效實現(xiàn)

18、以上安全防護功能，實現(xiàn)權(quán)力的正確使用及權(quán)力的最小化約束，功能如下：ANSI/ISA-99 規(guī)定的縱深防御原則，對控制系統(tǒng)劃分為不同的安全區(qū)域，每種區(qū)域有不同的安全級別，不同區(qū)域之間的訪問通過 OPC 工業(yè)防火墻進行隔離，完成對不同區(qū)域的安全隔離與保護，避免病毒的擴散；認證客戶端與服務(wù)器端的身份，有效的鎖定 OPC 客戶端與服務(wù)器的身份，控制正確的身份才能進行讀/寫/添加標(biāo)簽等操作；由于 OPC 協(xié)議存在不固定分配數(shù)據(jù)傳輸端口的特性，需要通過對 OPC 協(xié)商的協(xié)議數(shù)據(jù)流進行解析，約束 OPC 協(xié)議訪問與控制的端口范圍，禁止非必要端口開放；不需要改變網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，以透明網(wǎng)橋的方式接入控制系統(tǒng)的一個區(qū)域。羅列所有 OPC 客戶端與服務(wù)器列表，便于查看與管理。技術(shù)路線OPC 工業(yè)防火墻部署在每個控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)出口，在不改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的前提下，以透明網(wǎng)橋的方式為每一個控制系統(tǒng)區(qū)域配置一個 OPC 工業(yè)防火墻，為這個區(qū)域進行安全隔離與保護，所 242 以對于各個控制系統(tǒng)區(qū)域及補充傳輸?shù)臒o線 WIA 監(jiān)控系統(tǒng)區(qū)域， 配置OPC 工業(yè)防火墻，同時需要配置 1 套中央管理與控制平臺， 集中管控各個區(qū)域的 OPC 工業(yè)防火墻。新興鑄管廠的 OPC 工業(yè)防火墻安全防護的總體架構(gòu)如圖所示，OPC 工業(yè)防火墻保護每個控制系統(tǒng)區(qū)域，部署在控制系統(tǒng)區(qū)域出口，進行區(qū)域隔離，避