左晶榮

（河北新武安鋼鐵集團(tuán)烘熔鋼鐵有限公司信息自動(dòng)化部）

摘要：隨著工業(yè)4.0和智能制造的快速發(fā)展，我國提出了《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》，要求規(guī)上企業(yè)2035年普及數(shù)字化，已經(jīng)由前期的自動(dòng)化和智能化轉(zhuǎn)向數(shù)字化。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理方案已無法滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的需求，需要尋找更便捷更高效的數(shù)據(jù)交互方式，且目前的工業(yè)數(shù)據(jù)已經(jīng)成為企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要組成部分。為了更好地管理和利用這些數(shù)據(jù)，打造工業(yè)數(shù)據(jù)底座將是必然趨勢(shì)。本文將詳細(xì)探討工業(yè)數(shù)據(jù)底座的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法，旨在為企業(yè)提供一種全新的數(shù)據(jù)管理方案，以提高生產(chǎn)效率、降低成本并保障數(shù)據(jù)安全。

關(guān)鍵詞：工業(yè)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)底座；設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

1  項(xiàng)目背景

鋼鐵企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化升級(jí)過程中，企業(yè)自身數(shù)據(jù)的問題尤為突出，絕大部分企業(yè)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)遠(yuǎn)不足以支撐智能化應(yīng)用的需求。普遍存在著采不到、采不準(zhǔn)、不開放、不詳細(xì)、不實(shí)時(shí)等問題。企業(yè)在發(fā)展過程中，需要以“咨詢引領(lǐng)，數(shù)字筑基、決策智能”為路徑，開發(fā)一套完整的具有自研自主可控的“工業(yè)數(shù)字底座平臺(tái)”。目前，工業(yè)數(shù)據(jù)底座已經(jīng)正在測(cè)試階段，普及后會(huì)有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，將為我國工業(yè)數(shù)智化轉(zhuǎn)型發(fā)展作出了新的寶貴探索。

2  研究工業(yè)數(shù)據(jù)底座的目的和意義

2.1目的

建設(shè)一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)底座，實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)、跨部門、跨層級(jí)、跨地域的數(shù)據(jù)聯(lián)通和協(xié)同管理，以此來匯總建立相關(guān)數(shù)據(jù)清單。

2.2意義

工業(yè)數(shù)據(jù)底座能提供高效的應(yīng)用創(chuàng)新賦能，針對(duì)廣大工業(yè)企業(yè)在數(shù)智化轉(zhuǎn)型過程中遇到的信息化建設(shè)、知識(shí)軟件化、改造成本等方面的共性問題，以平臺(tái)型、通用型的系統(tǒng)級(jí)軟件解決行業(yè)的共性問題；以服務(wù)型、定制型的工業(yè)應(yīng)用解決行業(yè)的個(gè)性問題。同時(shí)，工業(yè)數(shù)據(jù)底座能強(qiáng)化數(shù)據(jù)管理和維護(hù)，幫助企業(yè)更加把握核心數(shù)據(jù)、更好實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，讓數(shù)據(jù)真正成為企業(yè)發(fā)展的有利工具。

3  設(shè)計(jì)構(gòu)思和展開

當(dāng)前社會(huì)的發(fā)展中數(shù)字化迭代尤為迅速，三年一小代，五年一大代的更新速度對(duì)傳統(tǒng)的鋼鐵企業(yè)推進(jìn)數(shù)字化推進(jìn)產(chǎn)生了瓶頸，還有日益規(guī)范的政府監(jiān)管的對(duì)企業(yè)數(shù)字化管控提出挑戰(zhàn)。出現(xiàn)了資源占用無法讀取、多方交互數(shù)據(jù)沖突、自動(dòng)化處理負(fù)荷大延長(zhǎng)掃描周期、協(xié)議不一致無法交互等等問題。在一系列現(xiàn)實(shí)和需求之間的矛盾需要改革創(chuàng)新來化解。結(jié)合十四五發(fā)展規(guī)劃，構(gòu)想出工業(yè)數(shù)據(jù)底座的概念，脫開上層數(shù)據(jù)需求和底層自動(dòng)化設(shè)備的強(qiáng)連接性，通過數(shù)據(jù)底座來進(jìn)行數(shù)據(jù)孿生和數(shù)據(jù)交互，化解數(shù)據(jù)需求和自動(dòng)化瓶頸之間的矛盾。

3.1數(shù)據(jù)采集方面

在數(shù)據(jù)采集方面，工業(yè)數(shù)據(jù)底座需要能夠從各種類型的設(shè)備、傳感器和系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)。這可能涉及到不同的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)源。因此，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集組件是至關(guān)重要的。這個(gè)組件需要能夠識(shí)別和適應(yīng)不同的數(shù)據(jù)源，并能夠?qū)崟r(shí)或批量地采集數(shù)據(jù)。要具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)集成和連接能力，能夠與各種工業(yè)設(shè)備、傳感器和系統(tǒng)進(jìn)行無縫集成和連接。對(duì)下兼容性要強(qiáng)，能對(duì)接市場(chǎng)上大部分主流設(shè)備，比如：PLC、DCS、二次儀表、智能儀表、機(jī)器人等設(shè)備；對(duì)上要實(shí)現(xiàn)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)范，可迎合各種系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需求，如能源管理系統(tǒng)、MES系統(tǒng)、環(huán)保治理管控一體化系統(tǒng)、安全風(fēng)控系統(tǒng)等要求。設(shè)計(jì)中涵蓋的采集協(xié)議和上傳協(xié)議如下：

3.1.1采集協(xié)議支持

本次數(shù)據(jù)底座支撐設(shè)備支持三菱PLC、Modbus協(xié)議、歐姆龍PLC、OPCUA客戶端、西門子PLC、ABPLC、MQTT協(xié)議等。

3.1.2 上傳協(xié)議支持

本次數(shù)據(jù)底座支撐設(shè)備支持ModbusTCP、MQTT、Json、WebAPI等主流接口軟件?？梢院芊奖銓?duì)接各種應(yīng)用系統(tǒng)。

3.2實(shí)時(shí)性和可擴(kuò)展性

工業(yè)數(shù)據(jù)底座要能夠?qū)崟r(shí)地獲取、處理和傳輸大量的數(shù)據(jù)。它應(yīng)該具備高性能的數(shù)據(jù)處理能力和可擴(kuò)展的架構(gòu)，以應(yīng)對(duì)不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)量和需求。 同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)孿生部分功能，方便多端上傳和數(shù)據(jù)交互不延時(shí)不掉幀。工業(yè)數(shù)據(jù)底座需要具備高效、可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。這涉及到數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式、存儲(chǔ)介質(zhì)、存儲(chǔ)架構(gòu)等方面。針對(duì)海量數(shù)據(jù)和高性能計(jì)算的需求，可以選擇分布式文件系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)庫或?qū)ο蟠鎯?chǔ)等技術(shù)。

3.3安全性和隱私保護(hù)

工業(yè)數(shù)據(jù)底座需要具備強(qiáng)大的安全性和隱私保護(hù)能力，既要防止未經(jīng)授權(quán)的訪問和數(shù)據(jù)泄漏，有要防止來自外部的網(wǎng)絡(luò)攻擊和滲透。這可以通過數(shù)據(jù)隔離孿生技術(shù)，采用加密通信、訪問控制和身份驗(yàn)證等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。 數(shù)據(jù)安全在工業(yè)數(shù)據(jù)底座中也進(jìn)行了優(yōu)化,可以根據(jù)項(xiàng)目授權(quán)控制數(shù)據(jù)流向,也可按需控制上傳，增加了變化上傳功能，可減輕網(wǎng)絡(luò)壓力和計(jì)算負(fù)荷。由于工業(yè)數(shù)據(jù)涉及到企業(yè)的核心機(jī)密和生產(chǎn)安全, 因此必須采取措施確保數(shù)據(jù)的安全性和保密性。具體措施采取了

①數(shù)據(jù)加密: 如何對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密以防止未經(jīng)授權(quán)的訪問和使用可以采用對(duì)稱加密或非對(duì)稱加密算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密, 以保護(hù)數(shù)據(jù)的隱私和安全性。

②權(quán)限控制: 如何對(duì)用戶進(jìn)行權(quán)限控制以防止未經(jīng)授權(quán)的訪問和使用，可以根據(jù)用戶的角色和職責(zé)設(shè)置相應(yīng)的權(quán)限。

③數(shù)據(jù)訂閱:有權(quán)限用戶通過訂閱相關(guān)服務(wù)來獲取孿生數(shù)據(jù)，孿生數(shù)據(jù)變化不會(huì)對(duì)原始數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。

3.4分布式計(jì)算和邊緣計(jì)算

工業(yè)數(shù)據(jù)底座計(jì)劃利用分布式計(jì)算和邊緣計(jì)算的技術(shù)，將自主開發(fā)的RTU分布到各廠區(qū)，可單獨(dú)處理局部的數(shù)據(jù)，將多個(gè)RTU匯聚成一張“數(shù)據(jù)網(wǎng)”稱之為數(shù)據(jù)底座，有授權(quán)的用戶接入到數(shù)據(jù)底座中可以很方便的調(diào)取任何一個(gè)點(diǎn)位的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理和分析的任務(wù)分布到各臺(tái)RTU上，以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和計(jì)算效率，還可以減少上層系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。如果新增產(chǎn)線、遷移和增加RTU站點(diǎn)聯(lián)通數(shù)據(jù)底座即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

4 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

通過開發(fā)中間層數(shù)據(jù)采集RTU，把底層設(shè)備、儀表、機(jī)器人、二級(jí)控制等設(shè)備數(shù)據(jù)采集到RTU中，并在RTU中進(jìn)行處理和緩存。各系統(tǒng)通過訪問數(shù)據(jù)底座來抓取數(shù)據(jù)，不再直接對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。讓專業(yè)的設(shè)備干專業(yè)的事，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備只負(fù)責(zé)把工業(yè)控制做好，數(shù)據(jù)處理上傳交給RTU。RTU把邊緣計(jì)算和通訊技術(shù)集成于一體的設(shè)備，它可以將來自各種設(shè)備的信號(hào)和數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)和傳輸；在工業(yè)企業(yè)中，RTU可以實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)的監(jiān)測(cè)、控制和處理，如電壓、電流、壓力、溫度、設(shè)備啟動(dòng)、停止等。同時(shí)，還可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴蠈佣嗥脚_(tái)使用，如MES、EMS、計(jì)量系統(tǒng)、環(huán)保一體化管控平臺(tái)等。

4.1確定數(shù)據(jù)需求和集成方式

根據(jù)我公司生產(chǎn)的需求，確定了需要采集的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)集成方式，梳理出178種設(shè)備和傳感器，涵蓋7種通信協(xié)議。

4.2設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)

根據(jù)數(shù)據(jù)需求和集成方式，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集和傳輸方法，目前各系統(tǒng)需求數(shù)據(jù)均大于1秒，RTU系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用配置方式，可以實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間粒度的控制方式，能更好為以后系統(tǒng)拓展和升級(jí)使用。

4.3部署數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)系統(tǒng)

考慮到工業(yè)4.0的大數(shù)據(jù)特點(diǎn)，RTU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了少料緩存，可供不同系統(tǒng)同時(shí)抓取數(shù)據(jù)，不會(huì)影響底層設(shè)備，上傳應(yīng)用需要建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，以滿足實(shí)時(shí)性和可擴(kuò)展性的要求。

4.4實(shí)施安全措施

本次設(shè)計(jì)的安全措施包括數(shù)據(jù)加密、訪問控制、身份驗(yàn)證等，確保工業(yè)數(shù)據(jù)的安全性和隱私保護(hù)。在網(wǎng)絡(luò)上也做了接入認(rèn)證，非接入設(shè)備私自接入可以宕掉其使用的端口。

4.5進(jìn)行系統(tǒng)集成和測(cè)試

將采用虛擬機(jī)模擬測(cè)試，對(duì)數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行集成，并進(jìn)行全面的測(cè)試，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。 通過以上步驟，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)底座在工業(yè)4.0環(huán)境下的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，為工業(yè)生產(chǎn)提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持和智能化的決策基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)工業(yè)數(shù)據(jù)底座的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)探討。通過分布式架構(gòu)、多樣化存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，借助網(wǎng)絡(luò)虛擬化和先進(jìn)通信技術(shù)，工業(yè)數(shù)據(jù)底座能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)海量、高并發(fā)工業(yè)數(shù)據(jù)的全面管理和利用，提高企業(yè)生產(chǎn)效率、降低成本并保障數(shù)據(jù)安全。徹底解決采不到、采不準(zhǔn)、不開放、不詳細(xì)、不實(shí)時(shí)的問題。隨著工業(yè)4.0和智能制造的不斷發(fā)展，工業(yè)數(shù)據(jù)底座將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用和推廣，成為未來工業(yè)發(fā)展的重要支撐。

參考文獻(xiàn)

[1]  國家工信安全中心何小龍：數(shù)據(jù)底座有助于企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求.2023年9月企業(yè)高峰論壇講話.