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制造業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)解決方案

中信科技發(fā)展有限公司

網(wǎng)絡行業(yè)應用篇/設備監(jiān)控與維護

1 概述

礦物加工行業(yè)是我國經(jīng)濟的重要支撐行業(yè)，在國民經(jīng)濟中占有重要比重；而以礦山粉磨裝備為代表的選礦生產(chǎn)在礦物加工處理行業(yè)中處于十分重要的地位，其作業(yè)工序直接影響到礦物加工生產(chǎn)企業(yè)的各項生產(chǎn)技術指標和經(jīng)濟效益，礦山粉磨裝備電能消耗就占選廠的45-65%左右，其生產(chǎn)成本約占選廠生產(chǎn)成本的30-50%。可見在整個選礦成本中，礦山粉磨裝備費用占很大比例。因此，面向礦物加工行業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)解決方案，對提升整個行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)水平具有重要意義。

本解決方案利用信息技術和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術，通過設備傳感器收集數(shù)據(jù)，在云端對設備數(shù)據(jù)進行處理和分析。本解決方案平臺提供了強大的工業(yè)設備管理能力、軟件應用管理能力、良好而又靈活的用戶與開發(fā)者權限管理能力、基于規(guī)則的數(shù)據(jù)治理能力等，從而實現(xiàn)對設備和生產(chǎn)線的全面監(jiān)控，幫助企業(yè)進行預測性維護。特別是對于礦物加工行業(yè)，很多作業(yè)現(xiàn)場在礦區(qū)，距離遙遠，交通又十分不便。本解決方案很好地解決了設備維護過程中的時空問題，借助VR/AR/MR等新技術，使得企業(yè)可以遠程進行作業(yè)現(xiàn)場的實時巡檢。結(jié)合新興的移動互聯(lián)網(wǎng)技術，當設備產(chǎn)生故障時，本解決方案的預測和告警功能可以通過移動端應用及時通知相關人員，使得技術人員可以及時進行遠程診斷并排除故障，極大地提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率與競爭力。

本解決方案幫助生產(chǎn)制造企業(yè)在“互聯(lián)網(wǎng)+”浪潮中，結(jié)合企業(yè)所在行業(yè)的經(jīng)驗，實施自動化、智能化轉(zhuǎn)型。優(yōu)勢互補，各取所長，打造具有競爭力的產(chǎn)品，積極擁抱綠色發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展，為制造企業(yè)的各類裝備、工廠及礦產(chǎn)的生產(chǎn)線插上智能化的翅膀，安全、高效地實現(xiàn)對設備和產(chǎn)線的智能化監(jiān)控、管理、操作和后期運維。

1.1 背景

2015年國務院常務會議強調(diào)“中國制造2025”要以信息化與工業(yè)化深度融合為主線，要強化工業(yè)基礎能力，提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)制造業(yè)的綠色化和互聯(lián)網(wǎng)化。實際上，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為基礎的信息化與工業(yè)化深度融合以及綠色制造是今后一個歷史時期內(nèi)，實現(xiàn)中國工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構優(yōu)化升級的必由之路，也是經(jīng)濟全球化背景下提高中國現(xiàn)代工業(yè)競爭力的必然選擇。信息技術中，工業(yè)控制是實現(xiàn)優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效益和節(jié)能減排的重要手段。

1.2 實施目標

通過實施本解決方案，實現(xiàn)設備與生產(chǎn)線的數(shù)字化孿生。通過設備傳感數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)將設備數(shù)據(jù)上傳至云端。利用云端的數(shù)據(jù)處理和分析能力，實現(xiàn)對端到端生產(chǎn)過程，包括長期運維過程的智能化監(jiān)控和管理，真正做到設備管理數(shù)字化、設備操作遠程化、故障診斷智能化。幫助企業(yè)實現(xiàn)自身的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率20%以上。

1.3 適用范圍

本解決方案適用于以下工業(yè)領域和場景：

? 制造行業(yè)及其所生產(chǎn)設備和產(chǎn)品數(shù)字化、智能化

? 礦產(chǎn)行業(yè)的生產(chǎn)線數(shù)字化、智能化

? 各類制造工廠生產(chǎn)線的數(shù)字化、智能化

1.4 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡體系架構中的位置

本解決方案提供了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡體系架構中端到端的方案：以工業(yè)云平臺為核心，既可以連接上下游企業(yè)智能工廠的智能機器、控制系統(tǒng)，也可以與工廠云平臺進行集成，尤其支持異構云平臺集成。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用層，本解決方案也提供了強大的數(shù)據(jù)流式處理引擎，以事件驅(qū)動為依托加快工業(yè)應用的開發(fā)，使工業(yè)應用開發(fā)只需聚焦于自己的業(yè)務需求與用戶體驗。

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)示意圖

2 需求分析

當前國內(nèi)的大部分工業(yè)企業(yè)還處于信息化階段，有的甚至還未完成信息化建設。而另一方面，互聯(lián)網(wǎng)技術迅猛發(fā)展，特別是在云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動應用這四大關鍵領域，國內(nèi)已基本與國際保持在同一技術水平上，個別領域甚至處于領先地位。在此同樣背景下，國外的很多工業(yè)企業(yè)已充分利用這些新興技術，在向新的階段邁進，比如德國的工業(yè)4.0指導下的企業(yè)就是典型代表。在這樣的時代和行業(yè)背景下，國內(nèi)的工業(yè)企業(yè)非常具有緊迫性，需要實現(xiàn)自身的轉(zhuǎn)型升級。

分析認為，在制造業(yè)及其延伸領域，在以下三個方面存在本解決方案所描述的需求：

2.1 制造業(yè)本身的生產(chǎn)設備或者生產(chǎn)線

制造業(yè)本身的生產(chǎn)設備或生產(chǎn)線也可能需要升級并進行數(shù)字化管理、智能化分析，這對促進企業(yè)的精細化管理、降本增效和對市場的敏捷反應，都有積極幫助。

2.2 制造業(yè)所生產(chǎn)設備

在市場化、全球化形勢下，制造企業(yè)所生產(chǎn)的產(chǎn)品，要想被市場認可并占領市場份額，就必須具有足夠的競爭力，而適應時代發(fā)展，融入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系，充分利用云平臺、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術，無疑是最直接、也最容易被市場接受和認可的有效方式和手段。

2.3 使用已有設備的客戶

經(jīng)過幾十年發(fā)展，工業(yè)制造領域產(chǎn)品已有很大市場和很多用戶，這些用戶的現(xiàn)有設備，通過本解決方案所提供的方案和技術，通過一定的技術改造和應用開發(fā)，可以快速實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級。離開產(chǎn)品本身的功能特性，光從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術角度看，這樣的轉(zhuǎn)型升級與制造企業(yè)利用同樣的方案所生產(chǎn)的設備產(chǎn)品并無多大區(qū)別。

3 解決方案

3.1 方案介紹

本解決方案分為設備端、平臺、應用三層。設備端主要指客戶端包含傳感器的具體設備；平臺指云端用來接收設備數(shù)據(jù)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)服務；應用指基于平臺、根據(jù)客戶業(yè)務邏輯而開發(fā)的具體業(yè)務應用。而數(shù)據(jù)作為流動的介質(zhì)貫穿于從設備到應用的整個過程。在設備端，客戶只需關注需要收集哪些數(shù)據(jù)；在應用層，客戶只需關注需要實現(xiàn)哪些業(yè)務場景及其功能展現(xiàn)。而中間的數(shù)據(jù)分析和治理則交由平臺實現(xiàn)。具體來說，在平臺層，方案提供給用戶自助式的設備接入、可視化的工業(yè)設備管理、詳細靈活的用戶權限管理、云端計算存儲服務、基于規(guī)則的數(shù)據(jù)處理、全面的安全防護、與異構的第三方平臺無縫集成、提供VR/AR/MR技術、可以調(diào)用云平臺的區(qū)塊鏈服務等功能。而在應用層，客戶可實現(xiàn)根據(jù)自身技術條件，選擇合適的技術框架和語言，利用平臺提供的通用算法，實現(xiàn)完全定制化的開發(fā)，并通過應用實現(xiàn)對設備的監(jiān)控管理、故障知識庫管理、設備的遠程操作、診斷和維護等功能。

3.2 系統(tǒng)架構

本方案涉及的平臺是基于業(yè)界開放標準完全自主開發(fā)的，擁有100%的自主知識產(chǎn)權。系統(tǒng)以微服務為開發(fā)架構，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺為核心，以自服務和SaaS化為根本宗旨。根據(jù)數(shù)據(jù)的不同用途，分別保存到MySQL, Redis, MongoDB, Neo4j圖數(shù)據(jù)庫。平臺提供開放API接口，符合云計算架構規(guī)范，可以基于公有云、私有云、混合云提供服務。

圖2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺系統(tǒng)架構

3.3 網(wǎng)絡拓撲設計

本解決方案的設備端在地理位置上分散于客戶的不同地點，通過安全的網(wǎng)絡連接與云端的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺進行連接，數(shù)據(jù)傳輸采用SSL加密通道。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺端，采用容器集群模式，微服務之間的相互調(diào)用處于同一私有網(wǎng)絡。基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺所開發(fā)的具體應用系統(tǒng)，通過標準API與平臺進行通訊。這些應用既可以與平臺在同一云平臺之上，也可以部署到跨廣域網(wǎng)的異構云平臺上。因此，本方案在總體上是一個支持廣域網(wǎng)、低延時的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)解決方案，并且具有端到端的安全的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范和手段；處于核心地位的平臺則具備高可靠性、靈活的彈性伸縮等特性。

本解決方案支持ModBus，MQTT，CoAP，TCP/UDP，TLS/SSL等數(shù)據(jù)采集和傳輸協(xié)議，在云端與用戶端，支持HTTP，HTTPS，WebSocket等主流標準協(xié)議。在網(wǎng)絡適配方面，支持WiFi，NB-IoT，LoRa，GPRS/3G/4G等。

圖3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺網(wǎng)絡拓撲

3.4 功能設計

? 應用管理

平臺支持SaaS化應用管理，每個客戶可以根據(jù)自己的需要注冊并管理一個或多個應用到平臺。平臺已經(jīng)提供了很多基礎功能，能滿足基本需求。如有很多的個性化需求，用戶也只需以很小的成本進行快速開發(fā)。

? 連接器管理

連接器頁面主要對應用內(nèi)的連接器進行管理，包括對連接器的新增、查找、修改、刪除、啟用、停用、與設備建立關系、解除與設備關系、消息用戶密碼重置等操作。

? 設備中心

通過設備管理，您可以維護平臺上設備的信息，查看設備的實時數(shù)據(jù)及運行狀態(tài)，及控制設備。

? 用戶中心

用戶中心主要功能包括對應用內(nèi)用戶，角色，團隊的管理，通過用戶中心可以實現(xiàn)團隊和物的分級管理和基于資源的權限管理。

? 規(guī)則引擎

規(guī)則引擎可以幫助用戶處理數(shù)據(jù)流，通過規(guī)則的定義，實現(xiàn)數(shù)據(jù)按既定規(guī)則進行處理，在達到規(guī)則定義的條件時，觸發(fā)相應的動作，達到事件驅(qū)動的目的。

? 監(jiān)控中心

用戶在監(jiān)控中心可以創(chuàng)建自己的監(jiān)控頁面，并且根據(jù)實際情況創(chuàng)建監(jiān)控點，從而實時地顯示設備的運行狀態(tài)和數(shù)據(jù)。

? 故障知識庫

在工業(yè)領域，知識的積累十分重要，對于設備的遠程診斷和智能化運維起著基礎性作用。而知識庫的建立正是實現(xiàn)了從對人的依賴轉(zhuǎn)變到對標準化、可分享經(jīng)驗的依賴。

? 遠程操作

在很多工業(yè)生產(chǎn)場景中，有很多人工不方便進入的場景，比如危險場所的實時巡檢、偏遠地區(qū)的設備操作、消防救援的特種機器人操作等，都需要設備的遠程操作支持，通過從云端發(fā)送指令，實現(xiàn)遠程設備的精準操作。

? 移動應用

平臺提供了豐富的API接口，也支持客戶根據(jù)需要快速開發(fā)屬于自己的移動APP。業(yè)務邏輯與功能實現(xiàn)實際上都由平臺端提供，移動APP關注于界面展示與用戶體驗。

3.5 安全及可靠性

3.5.1 數(shù)據(jù)安全

本解決方案實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲的全過程加密。在設備到平臺間的傳輸通過SSL加密；在應用與平臺間的接口調(diào)用和數(shù)據(jù)傳輸也通過SSL加密；在用戶訪問業(yè)務應用系統(tǒng)的時候，通過HTTPS進行訪問。所有的物和人都有身份認證，用戶所有的行為操作都有審計日志。密鑰的頒發(fā)和證書的管理都嚴格授權。平臺具有完整性驗證能力，并能發(fā)現(xiàn)是否被篡改，具備自愈能力。數(shù)據(jù)存儲利用云平臺的數(shù)據(jù)庫服務，由云平臺提供標準、可靠的備份、容災方案。

3.5.2 系統(tǒng)可靠性

本解決方案在微服務架構的基礎上，采用云技術和容器技術作為部署方案的一部分，所有模塊都有冗余部署，通過服務發(fā)現(xiàn)和熔斷技術，實現(xiàn)系統(tǒng)每個模塊的高可靠性。在部署策略上，采用滾動發(fā)布和藍綠部署，實現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境持續(xù)、不間斷地提供服務。

4 成功案例

在河南某礦山粉末裝備遠程運維服務項目中，針對用戶對礦山系統(tǒng)的全生命周期的關注和對運維服務要求的提升，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的粉磨裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)(包括聲音、溫度、振動)獲取技術、大數(shù)據(jù)挖掘技術，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合和知識再生，建立粉磨裝備診斷的專家知識庫、粉磨裝備的健康評估模型和預測診斷模型，實現(xiàn)粉磨裝備的故障診斷識別和工藝異常參數(shù)識別，并開發(fā)基于APP的遠程運維智能終端，實現(xiàn)人機交互和數(shù)據(jù)可視化。

本案例構建了互聯(lián)網(wǎng)+礦山粉磨裝備大數(shù)據(jù)云平臺，針對礦山粉磨裝備的電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、減速器、潤滑系統(tǒng)、磨機系統(tǒng)、風機系統(tǒng)等狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集實時性高，數(shù)據(jù)量大，而互聯(lián)網(wǎng)有限的傳輸帶寬限制的特點，研究有效的數(shù)據(jù)壓縮、編碼、以及監(jiān)控和診斷預處理技術，以實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的實時高效傳輸。開發(fā)長時間大規(guī)模的工業(yè)運行數(shù)據(jù)采集、傳輸與存儲、多類型設備數(shù)據(jù)采集與傳輸技術，以RESTful架構應用技術、數(shù)據(jù)虛擬橋接技術、SLB負載均衡技術、多類型數(shù)據(jù)庫（SQL、NoSQL）分散存儲（HDFS）存儲技術、SpringCloud微應用云治理技術、實時消息處理技術、規(guī)則引擎技術等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術，構建基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的礦山粉磨裝備行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺。

基于大數(shù)據(jù)的礦山粉磨工藝數(shù)字化建模及仿真。本項目針對智能優(yōu)化控制目標，研究大數(shù)據(jù)分析和機器學習技術，采用機理與數(shù)據(jù)結(jié)合建模的方法，建立破碎機、半自磨機、球磨機、旋流器等關鍵設備的仿真數(shù)學模型，實現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)的工序建模；將各個設備工序模型進行集成優(yōu)化，開發(fā)整個粉磨典型工藝系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)，構建粉磨系統(tǒng)回路數(shù)字雙胞胎，實現(xiàn)基于物料總平衡的系統(tǒng)建模；通過大數(shù)據(jù)仿真分析和驗證、優(yōu)化工藝控制模型及控制參數(shù)，形成魯棒性強的智能控制算法，實現(xiàn)智能控制算法的仿真優(yōu)化。

基于云平臺的礦山粉磨裝備優(yōu)化與智能控制等內(nèi)容。本項目針對破碎機、半自磨機、立磨、過濾機等關鍵設備，在磨礦生產(chǎn)過程中能耗高、生產(chǎn)效率低等情況，進行基于大數(shù)據(jù)的關鍵設備選型優(yōu)化設計，基于云平臺的設備性能仿真分析，及基于離散元和大數(shù)據(jù)的破碎機和半自磨機襯板等關鍵零部件優(yōu)化。并研究關鍵零部件高效傳動技術、關鍵零部件耐磨性技術和部件輕量化技術，以及單機智能控制技術，實現(xiàn)磨礦關鍵裝備的部件優(yōu)化設計和核心部件升級。