流程工業在我國國民經濟中占有相當重要的地位，但這些工業企業的生產規模、發展水平參差不齊是目前面臨的一個現實問題。有些企業自動化基礎比較薄弱；有些企業雖然有比較完善的自控系統，但都是針對具體的工藝段，控制室分散在各個工藝現場，環境相對比較惡劣，噪聲粉塵等危害操作人員健康；有些企業已經完成局部的小集控，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，如何做好流程工業企業的數字化轉型， 數字化轉型的基礎目標是什么，依舊在摸索和探討之中。

1 流程工業數字化轉型目標

在流程工業的典型代表如鋼鐵工業中， 不少企業在智慧制造、 智慧服務中全力探索數字化型實踐， 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“一律”很好地詮釋了流程工業數字化轉型的基礎目標，明確了流程工業數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務實現工業全流程的集中遠控，大幅度提高工序間協同性、生產穩定性，有效提高操作人員的生產效率，實現生產管理模式的創新，從而提高企業的智能化水平。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，從而確保設備的安全穩定運行。

2 數據中臺

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化演變，打破了“信息孤島”。基于管控一體化平臺完成的數據整合， 可進一步打造面向服務的全流程業務數據中臺，從而打造應用互聯的數字生態，帶動流程工業的智能化、數字化轉型，打造面向未來的數字工廠。

數據中臺是指通過數據技術對海量數據進行采集、計算、存儲和加工，同時統一標準和口徑。數據統一后會形成標準數據，再進行存儲，形成大數據資產層，進而為客戶提供高效服務。支持海量數據的存儲、計算和產品化包裝過程，為前臺基于數據的定制化創新及為業務中臺基于數據反饋的持續演進提供強大支撐。

與數據倉庫等傳統數據工具相比，數據中臺是一種新的理念，以“技術+業務”為雙驅動，是企業開展新型運營的中樞系統，是一套可持續“讓企業的數據用起來”的機制，一種戰略選擇和組織形式，是依據企業特有的業務模式和組織架構，通過有形的產品和實施方法論支撐，構建一套持續不斷把數據變成資產并服務于業務的機制。

數據是每一個企業最寶貴的無形資產，數據中臺對企業的剛需價值在于能把企業擁有的“生產資料”轉變為一種“數據生產力”。當企業的數據中臺搭建起來之后，能夠把所有內部數據有機整合、串聯起來，形成企業高管、員工、 伙伴共同參與和使用的完全數字化 “工作臺”。數據中臺示意圖如圖 1 所示。

圖 1 數據中臺示意圖

管控一體化平臺為數據中臺提供重要數據源， 為自動化層向數據中心過渡的重要平臺；數據中臺為企業未來業務的應用提供精準、 全面、快捷的數據服務，為數據中心向業務應用的重要平臺。兩者為企業數字化轉型的重要組成部分，缺一不可。

3 數字化轉型的關鍵技術

為了實現數字化轉型的基礎目標， 即管控一體化和設備遠程運維，需要從數據采集、傳輸、數據存儲、數據分析、遠程監視、集中遠控等方面對現場進行改造升級。應用的關鍵技術及設備如下：

（1） 邊緣計算網關

邊緣計算網關首先要解決高頻數據的采集，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將產生海量數據，邊緣計算網關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，邊緣計算網關還需具備協議轉換和 IP 重新規劃的功能。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，這些廠家產品都有各自的通信協議。接入管控一體化平臺時，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

邊緣計算網關采集到數據后， 通常通過就近的有線網絡接入，將數據遠傳到管控中心。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，傳統 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、網速快，滿足大數據量的快速傳輸；更低的時延，滿足實時性的需求；更廣的連接，滿足多站點并發采集的需求。因此，基于 5G 技術的邊緣計算網關將成為高效可靠的數采遠傳的一體化解決方案。

（3） 實時數據庫技術

隨著企業的發展， 各個相關工藝段均有集中實現管控一體化的需求，SCADA 系統的監控規模從之前的幾千點， 發展到現在的數萬點甚至數十萬點的規模， 傳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、存儲和分析。

（4） 斷點續傳技術

對于偶發的不可避免的通信中斷情況， 為了保證系統數據的完整性，SCADA 系統需支持斷點續傳功能，即通信故障時，數據暫時緩存在現場的網關控制器中，當通信恢復后，可對緩存的帶時標的歷史數據進行召喚，并回補到 SCADA 系統的歷史數據庫中，從而保證系統數據的完整性。

（5） 負載均衡及多重冗余技術

傳統的現場控制系統為了保證可靠性， 一般采取的是雙機熱備的冗余技術。在流程行業完成管控一體化后，SCADA 系統中海量的數據將是企業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 軟件平臺的安全、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余技術，使數據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 管控一體化系統應用案例

以某鋼鐵企業能源精益管控一體化系統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主要由管控中心實時數據庫軟件平臺、管控中心服務器集群、管控中心工作站、網絡系統、邊緣計算采集網關等組成，系統構架如圖 2 所示。

圖 2 能源精益管控一體化系統構架圖

4.1.1 管控中心

管控中心的實時數據庫服務器是系統的核心，采用 Linux 操作系統，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 重冗余功能，即任何一臺或多臺服務器出現故障時，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，從而保證系統高可靠性。

分布式實時數據庫軟件通過邊緣計算網關實現對現場各個 PLC 控制站的數據采集、數據處理、報警處理、趨勢記錄、控制指令下發、操作記錄和歷史數據歸檔等功能。

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，部署在控制中心，作為管控系統的操控平臺，實現對管控系統下屬站點的遠程監視和控制。

操作員站安裝 Windows 10 中文專業版操作系統和 SCADA 客戶端軟件，完成操作畫面、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 網絡系統

網絡系統由現場接入層網絡、匯聚層網絡、核心層網絡、桌面操作層網絡組成。網絡系統從接入層到桌面操作層都能實現冗余， 以保障管控系統的可靠性。其中，匯聚層網絡采用工業千兆光纖雙環網建設， 每個匯聚站由一對冗余的千兆工業光纖交換機組成， 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網中相鄰的兩個匯聚站相連。

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余功能，能確保網絡的可靠性。

（2） 光纖雙環網僅 2 個主干節點與核心交換機有連接，相比于星型網絡，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 邊緣網關采集后， 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

現場數據采集端采用邊緣計算網關， 實現能源精益管控軟件平臺與現場 PLC 系統的不停機接入，能源管控站點的數據采集、協議轉換、遠程控制、無線遠傳與網絡隔離功能，以及關鍵能耗設備， 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。邊緣計算網關自帶 1G 內存和 8 Gflash， 大容量存儲配置可使網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傳，即通信中斷時數據可以帶時間標簽存儲在本地的邊緣計算網關中，當通信恢復，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，能源管控系統需把所有站 點匯聚到一個軟件平臺上， 通過網關的方式進行隔離。通過邊緣計算網關進行數據采集后，IP 可重新規劃。邊緣計算網關有 3 個以太網口，3 個以太網口之間相互隔離，每個網口可以單獨配置 IP 地址。網關的第 1 個網口用于連接能源管控系統，對IP 地址進行統一規劃。第 3 個網口用于連接現場的 PLC 系統網絡， 根據現場的 IP 地址段進行設置， 使得能源管控系統網絡與現場 PLC 系統網絡之間實現隔離，避免兩個網絡之間的交叉影響；同時， 不需要對現場 PLC 系統和計算機修改 IP 地址，所有站點可實現不停產接入。第 2 個網口用來做冗余或用于現場調試和維護。

（3） 數據采集與協議轉換

通過邊緣計算網關與現場的 PLC 采用原有的協議通信，在網關內部再統一轉換成 modbus TPC/IP 協議，并重新編制與管控系統的通訊地址，減少 通訊數據包數量，提高與管控系統的通信效率。

（4） 集成 5G 通信

邊緣計算網關作為一體化設備， 集成了 5G 通信模塊，可方便地接入到 5G 網絡中，實現可靠和高效的數據傳輸。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

邊緣計算網關針對高頻采集到的設備狀態相關的振動、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里葉變換、故障特征數據提取等，在本地完成數據預處理，僅將計算結果上傳到服務器中進行數據存儲和瀏覽。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護計劃，從而避免故障的產生。

4.2 主要功能和特點

4.2.1 跨平臺的系統構架

能源管控系統軟件平臺采用 Linux+Windows系統架構， 實時數據庫服務器采用 Linux 操作系統， 相比 Windows 操作系統，Linux 操作系統不會感染病毒，執行效率更高，穩定性更好，確保了系統核心部件的安全性、高效性和可靠性。客戶端采用 Windows 操作系統，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

能源管控系統配置 4 臺實時數據庫服務器，能源動力部下屬的近 100 個站所根據專業和點數分攤到 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

能源管控系統的 4 臺實時數據庫服務器之間還同時實現 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提前配置好的優先級策略把故障服務器的任務切換到優先級較高的服務器上運行， 從而保證整個系統的完整性和可靠性。

4.2.3 4 分屏技術

能源管控系統 1 個席位要監控現場 4～6 個站 點，之前傳統的方案是采用 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，系統做了優化，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 的顯示區域，相當于 4 塊顯示屏。實時數據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點：

（1） 1 個席位只用 1 臺計算機即可實現對 4個站所的界面監控，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據監控。

4.2.4 三級報警及視頻聯動

能源管控系統軟件對所有站點的數據按一、二、三級報警做了分類：一級報警為嚴重報警，報警發生時， 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， 并把報警數據推送給視頻監控系統， 視頻監控系統會彈出相應的攝像頭進行報警設備的視頻監控。二級報警為重要報警，報警發生時，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。

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

4.2.5 智慧遠程運維

能源管控系統根據專業劃分， 開發了對應專業所有站點邊緣計算網關的監控界面。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關的工作狀態，其監控界面包含如下功能：

（1） 用 1 個界面監控本專業的所有網關工作狀態及通訊狀態；

（2） 顯示主輔兩個網關的運行、 故障及冗余 狀態；

（3） 顯示管控軟件平臺跟網關的通訊狀態；

（4） 顯示管控軟件平臺跟網關通過哪條通訊 鏈路進行通訊；

（5） 顯示網關跟 PLC 的通訊狀態。

通過邊緣技術網關采集到重點能耗設備及關 鍵計量設備的運行參數， 網關在進行初步的數據清洗后，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控，同時，配合故障診斷分析系統和相關知識庫，可以事前預知潛在的故障，做到事前處置，并提供優化的養護計劃。相比于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

流程工業中的數字化轉型是全球數字化進程的一個子部分，也被視為第四次工業革命。流程工業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， 而管控一體化的解決方案是企業數字化轉型和落地的重要實現方式， 它能很好地幫助企業完成數據收集和數據整合， 最終形成企業自身的數據湖，為數據中臺的搭建提供數據源。隨著大數據，云計算，人工智能等一系統新技術的發展，數據也將被越來越多的企業視為核心資產， 是企業數字化過程中積累的財富。因此，在流程工業中如何做好全廠的管控一體化將是一個值得深思的問題。

審核編輯 ：李倩