鑄管行業生產線智能管控系統解決方案
沈陽中科奧維科技股份有限公司
網絡行業應用篇/智能化生產
1 概述
1.1 背景
工業無線網絡技術興起于21世紀初，通過設備間的交互過程，提供低成本、高靈活的泛在制造信息系統和環境，代表著工業物聯網技術和產業發展的重點方向。我國自主研發的WIA-PA技術規范已成為國際IEC標準，在產業競爭中占得先機。
1.2 實施目標
據統計冶金行業生產設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在市場競爭中重要因素，國家由此確立“工業4.0”的發展目標，提出深化互聯網在制造領域的應用，加快開展物聯網技術研發和應用示范，培育智能監測、遠程診斷管理、全產業鏈追溯等工業互聯網新應用，實施工業云及工業大數據創新應用試點，建設一批高質量的工業云服務和工業大數據平臺。
我國自主研發的物聯網WIA-PA標準，于2011年10月被IEC全票通過成為國際標準，2011年12月成為國家標準，使中國在國際上擁有重要的話語權。作為物聯網國際標準的制定者，國內標準的引領者，本公司將會在“工業4.0”，“一帶一路”應用和發展，為企業提供強大的助力。
1.3 適用范圍
根據覆蓋區域及現場無線采集節點數量，對廠區進行WIA-PA網絡全覆蓋，新建WIA-PA無線傳輸系統智能無線網關采用分散式布置方式，與各生產車間的管理結構布局相同，這樣也便于系統實施后的設備維護及設備管理。在各生產車間安放WIA-PA智能無線網關，負責采集該生產車間管理范圍內的所有能耗儀表數據、生產過程數據、機泵振動和加速度數據、有毒氣體監測數據、環境數據等。
1.4 在工業互聯網網絡體系架構中的位置
本方案在圖1中所處第1、4、6處，通過現場安裝儀器儀表等智能機器，在工廠控制系統處安裝無線網關，通過無線網關控制現場的無線智能機器，從而達到遠程控制的目的。在現場安裝無線智能機器后，智能機器可以通過現場網絡之間互相關聯。在現場和工廠控制系統全部安裝后，和工廠云平臺通過網絡相連接，此時用戶可以通過訪問云平臺到達工廠控制系統，從而控制現場智能機器。
通過本系統的示范應用，在實現系統全部功能的同時，為智能工廠建設形成生產信息標準化體系及工廠物聯網標準化體系兩套標準體系，標準體系的建立將聚焦企業優勢領域，兼顧傳統產業轉型升級為出發點，按照“共性先立、急用先行”的原則，統籌標準資源、優化標準結構，重點解決當前推進智能制造工作中遇到的數據集成、互聯互通等基礎瓶頸問題。
圖1 工業互聯網互聯示意圖
2 需求分析
2.1 工廠現狀
據統計鑄管廠自動化及信息化水平一直較低，整個廠區面臨著升級改造的緊迫問題，另外，新建生產線也面臨著先進的數字化、自動化技術的引進，以全面提升生產效率，達到高效、節能、環保、穩產的基本目標。
? 能源管控不足
目前廠內風氣表數據采集覆蓋率約為90%，水表數據采集覆蓋率不超過10%，電能表數據覆蓋率約為65%，采集能耗數據的不完整性與分散性導致無法根據生產計劃實現能源的智能管控。
? 關鍵設備健康狀態無法在線診斷
不同區域所涉及的設備和工藝不同部門負責，同時大部分工序作業，并沒有相應的信息化系統參與控制，導致整個車間信息流阻塞。關鍵機泵運行狀態采用人工定期檢查的方式，沒有設備健康狀態實現監測及診斷系統，設備故障不能提前預判。
? 危險區域氣體泄漏未實時監測
危險區域沒有氣體泄漏實時監測，不能實時監測危險區域是否存在有毒氣體泄漏，不能全面掌控廠區內環境數據。距離實現全廠安全環保生產還有一定差距。
2.2 現狀分析
鋼鐵行業屬于資產密集型企業，該類機組結構龐大復雜，連續運行時間長、轉速高，控制系統精密，制造周期長，檢維修困難，一旦發生故障，輕者引起裝置停產，重者會造成機毀人亡的重大惡性事故。
根據上述情況，通過引入生產線能源計量與設備健康診斷系統，可同時實現生產線智能能源管控與關鍵設備健康狀態管控；一、通過系統應用，全面采集生產過程中所有耗能設備的“水”“電”“氣”的能源消耗情況，并將能耗數據與生產產量關聯起來，通過長期數據積累及能耗模型的構建，最終可實現不同投產需求下所需能耗的提前預估，為生產管理決策者提供理論依據，合理安排調度生產，進而達到節能減排、最優生產的使用效果。二、通過系統應用，對廠內的關鍵機泵設備健康狀態實現健康監測，控系統通過在擬監測機組振動明顯部位安裝無線監測器或有線傳感器進行設備運行數據的實時采集，同時通過在線監測系統整合已有監測系統數據，并根據機組的運行特性配置針對性的數據采集策略，抓取對分析定位機組故障有效的振動、溫度數據，并借助智能報警策略，及時發現機組的運行異常狀態，并實現異常狀態的自動推送短信和移動 APP 報警推送。
3 解決方案
3.1 方案介紹
利用信息技術建立能源管理系統更可以為各種節能降耗手段的充分實施奠定數據基礎，具有非常明顯的現實意義。通過信息技術手段建立集中統一的智能能源管理子系統勢在必行，對能源數據進行分析、處理和加工，工作人員能實時掌握能源運行的狀態：
1) 全方位監控能源運行、使用與分配
2) 能源數據采集、能效分析
3) 能源供給的優化、負荷分配、負載均衡
利用智能能源管理子系統，在企業出現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整，確保系統運行在最佳狀態。智能能源管理子系還有利于工作人員及時采取措施，優化其他能源調度，有效地減少高爐煤氣的排放，減少了環境污染，進一步提高了能源的合理利用率。智能能源管理子系統平臺解決方案從能源使用的全生命周期角度實現靈活可靠的工業能源過程監控。通過對重要的能源運行數據的集成，建立透明度更高的能源調度與管理平臺，在更低能耗、更低排放的水平下獲取運行優化和最大化生產力：針對冶金行業對節能增效的需求，通過動態靈活地定制報表、管理和可視化功能，對各部門用電以及其它能耗趨勢、增長情況、節能情況實績進行自動或手工操作進行記錄。為節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上改善了冶金企業能源使用的跟蹤與追溯能力。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，降低滿足政府環保法規和國際標準遵從的時間成本和資金成本。從企業管理角度而言，智能能源管理子系解決方案為企業管理者提供高可視化的能源使用和消耗狀況，輔助企業決 策層對節能增效管理策略的制定和實施。
智能能源管理子系統將對企業能源環網采集的“水”“電”“氣”數據進行匯集分析，通過使用符合WIA-PA技術標準的WIA-PA智能無線網關、WIA-PA無線路由器、WIA-PA無線IO適配器等裝置，建立基于WIA-PA技術標準的冶金生產物聯網，實現全廠未進入能源環網的能耗儀表的數據采集補全，并將能源環網與項目補充采集的能耗數據與生產產量關聯起來，通過長期數據積累及能耗模型的構建，最終實現生產能耗預測，為生產管理決策者提供理論依據，合理安排調度生產，提高生產管理水平，提高產收率降低資源浪費，進而達到節能減排、最優生產的使用效果。
3.2 系統架構
生產線智能管控系統技術支持體系分為三個部分：物聯網部分，大數據部分及智能生產部分。簡單來說，物聯網部分負責底層數據的采集及傳輸，主要負責將現場海量的生產過程數據、設備運行狀態數據及危險告警環境數據實時采集并匯集到大數據平臺上，大數據部分是通過各種算法模型將物聯網部分采集上來的海量數據進行分類、統計及大數據分析，智能生產部分是對各個生產環節功能模塊的大數據分析的結果關聯起來加以使用，以工廠全局的角度出發有效實現企業生產的運行管控、能源智能優化、設備智能管控及安全高效生產。
圖2 生產線智能管控系統架構
3.3 網絡拓撲設計
圖3 智能能源管理子系統架構
能源系統的工藝對象覆蓋鋼鐵生產所涉及的各種大型能源設施，如變電站、水泵站、煤氣站等。能源系統采集的數據點范圍遍布整個生產運行與作業區，作為實時監控與信息處理系統，其實現包括信息的實時采集、海量儲存、二次加工。因此智能能源管理子系統方案立足于系統集成的高度，以信息為核心滿足能源管理應用功能上的特殊性及能源生產利用的連續性。系統對各種能源介質進行集中監控、統一調度和平衡優化，對無人值守站所設備進行遠程操作和控制的要求， 充分滿足過程控制、信息管理和數據庫的一體化系統集成需求。 整個系統充分考慮了時間、空間上的可擴充性，采用開放的體系結構，增強與第三方的可連接性。其易于擴充的平臺架構，延長了系統應用的生命周期，增強了發展后勁，適應了市場激烈競爭的需要。
智能能源管理子系統與企業已建成的能源環網進行充分結合，利用能源環網的海量能源數據作為系統的數據支撐，將需要的各種一級或二級能源實時數據集成起來，以便于進行后續能源管理和分析。系統是集過程監控、能源管理、能源調度為一體的廠級管控一體化計算機系統。隨著企業規模的擴大、技術不斷進步、信息產業的高速發展，智能能源管理子系統面向生產運行的能源介質(包括水、電力、重油、各種煤氣、天然氣、蒸汽、 壓縮空氣、氧、氮、氬等)實現能源預測、降低能耗，實時監控的綜合能源信息管理平臺。
調研中發現現場仍存在約10%的氣表、35%的電表、90%的水表，數據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網絡，并增加智能無線采集儀表實現全廠能源數據的采集補全。該部分采集網絡主要由WIA-PA無線路由器、WIA-PA智能無線網關、WIA-PA無線IO、WIA-PA渦輪流量計、WIA-PA無線水表等設備組成，系統框架如上圖右下角部分所示。
根據工廠內能源儀表分布及無線傳輸環境按界區布置WIA-PA無線數據采集系統。WIA-PA無線設備采集現場能耗數據，并通過WIA-PA無線網絡傳輸至WIA-PA智能無線網關內；WIA-PA智能無線網關管理網絡，匯聚采集數據，并實現數據的統一解析與存儲，并通過工廠內企業通信以太網或工廠無線WiFi網絡接入工廠局域網，多個網關的數據傳輸至中控室數據服務區，實現對全廠能源儀表的數據監控。另外，可根據WIA-PA無線網絡傳輸條件適當增加部分WIA-PA無線路由節點來擴大WIA-PA網絡的覆蓋半徑。
3.4 功能設計
? 工廠部署WIA-PA網絡，實現廠內標準化工業物聯網全覆蓋，用于現場能源儀表數據的全面采集。
? 現場非數字電表、非數字風氣表更換為數字化儀表。
? 將現場水表數字化改造或更換為流量計，并通過WIA-PA網絡實現數據遠傳。
? 通過對現有數字儀表配套WIA-PA無線IO，實現儀表數據的遠程采集。
? 通過能源管理系統的計算功能將采集到的數據進行處理，并將結果通過報表、曲線等等方式完全透明、準確地顯示出來，方便用戶實時查看。
? 能源管理系統可以將所有的數據、報表、曲線通過工廠局域網或Internet 發布在公司網絡上， 各級用戶可以按照相應的訪問權限通過IE瀏覽器輕松訪問到需要的信息，同時也保證了數據的同步性、可靠性。
? 能源管理系統可提供強大的報表功能，根據生產工序分級查詢方式，快速查找用戶所需查看點的數據，自動生成生產能耗報表，報表展開可查看各個設備的單獨能耗情況，良好的人機界面用戶可以方便使用。
? 依靠能源管理系統的分析模塊，可以很好實現能源預測、能源成本分析，綠色能源控制、能源采購預算等。引入標準日、節假日、比率、消耗種類、產品類型等概念，分析不同車間、不同產品、不同時段、不同工段的能源需求。
3.5 安全及可靠性
我國工業控制系統面臨的安全形勢嚴峻，如圖4所示：
? 2014對我國影響較大的工控系統漏洞就達到133個。
? 2015年3月國家公開工業控制系統安全漏洞共405個。
圖4 工業控制系統典型安全事件
安全加固方案
針對新興鑄管建立的智能管控系統，每個系統區域將與實時數據庫的MES系統進行OPC通信連接，實現控制系統狀態的上報。基于OPC基金會與工業控制系統應急響應中心（ICS-cert）給出的解決方案的建議，在OPC客戶端與服務器端之間，需要針對OPC協議增加安全防護技術，控制OPC客戶端與服務器訪問的身份、訪問的權限、訪問的區域、開放的端口、不正常的OPC數據過濾等，實現權力的正確使用及權力最小化約束。OPC工業防火墻能有效實現以上安全防護功能，實現權力的正確使用及權力的最小化約束，功能如下：
? ANSI/ISA-99規定的縱深防御原則，對控制系統劃分為不同的安全區域，每種區域有不同的安全級別，不同區域之間的訪問通過OPC工業防火墻進行隔離，完成對不同區域的安全隔離與保護，避免病毒的擴散；
? 認證客戶端與服務器端的身份，有效的鎖定OPC客戶端與服務器的身份，控制正確的身份才能進行讀/寫/添加標簽等操作；
? 由于OPC協議存在不固定分配數據傳輸端口的特性，需要通過對OPC協商的協議數據流進行解析，約束OPC協議訪問與控制的端口范圍，禁止非必要端口開放；
? 不需要改變網絡的拓撲結構，以透明網橋的方式接入控制系統的一個區域。
? 羅列所有OPC客戶端與服務器列表，便于查看與管理。
技術路線
OPC工業防火墻部署在每個控制系統數據出口，在不改變網絡結構的前提下，以透明網橋的方式為每一個控制系統區域配置一個OPC工業防火墻，為這個區域進行安全隔離與保護，所以對于各個控制系統區域及補充傳輸的無線WIA監控系統區域，配置OPC工業防火墻，同時需要配置1套中央管理與控制平臺，集中管控各個區域的OPC工業防火墻。
新興鑄管廠的OPC工業防火墻安全防護的總體架構如圖所示，OPC工業防火墻保護每個控制系統區域，部署在控制系統區域出口，進行區域隔離，避免病毒擴散，對OPC協議進行解析、動態端口管理、完整性檢查等，避免病毒攻擊。安全管控平臺為統一的集中管理OPC工業防火墻，部署在同Aspen數據庫同一層，對整個工業智能控制網絡進行實時監控，對報警及消息日志進行歷史存儲與分析。
圖5 OPC工業防火墻實施架構
4 成功案例
撫順大乙烯實施的烯烴廠設備狀態監測、能源計量與優化管理系統，其工廠存在問題是：現有DCS系統內物料、能源計量節點均采集瞬時流量值，DCS內進行累加后得到累積流量值，物料的每個計量點精度差異、4~20mA模擬信號傳輸時的損耗、小信號切除計算、物料溫度及密度信息缺失導致了計量值不準確，直接造成了物料不平衡，無優化分析與管理。電能源計量節點未接入DCS系統，需計量人員日抄表，進行平衡計算，裝置區的能源甚至無計量管理。
圖6 能源計量與優化管理系統應用
如上圖所示，能源計量與優化管理系統實現能源精細化管理，包括：
1) 現有汽、水、風計量儀表安裝WIA無線適配器，遠傳計量值；現有電度表安裝WIA無線IO設備，遠傳用電計量值；
2) 計量值通過WIA無線網絡匯聚至WIA物料計量與能源管理優化平臺進行能源精細化管理并給出異常點分析；
3) 多樣化、圖形化的統計圖與報表配置；
4) 多種能耗對比與統計模板供用戶使用；
5) 支持基于私有云的系統級支撐。
高危泵密封泄漏監測主要實現壓力值采集與顯示、密封狀態告警等功能，實現密封遠程監測。
圖7 現場能源儀表數據采集設備安裝照片