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(luò)行業(yè)應(yīng)用篇/設(shè)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(shù)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%?？梢娫谡麄€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(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過設(shè)備傳感器收集數(shù)據(jù)，在云端對設(shè)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(shè)備管理能力、軟件應(yīng)用管理能力、良好而又靈活的用戶與開發(fā)者權(quán)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(shè)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(shè)備維護過程中的時空問題，借助VR/AR/MR等新技術(shù)，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(shù)，當設(shè)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(yīng)用及時通知相關(guān)人員，使得技術(shù)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(shè)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(wù)院常務(wù)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(chǔ)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(chǔ)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(gòu)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(shù)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(shè)備與生產(chǎn)線的數(shù)字化孿生。通過設(shè)備傳感數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)將設(shè)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(shè)備管理數(shù)字化、設(shè)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(lǐng)域和場景：

? 制造行業(yè)及其所生產(chǎn)設(shè)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(luò)體系架構(gòu)中的位置

本解決方案提供了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)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(gòu)云平臺集成。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(yīng)用的開發(fā)，使工業(yè)應(yīng)用開發(fā)只需聚焦于自己的業(yè)務(wù)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(shè)。而另一方面，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(yīng)用這四大關(guān)鍵領(lǐng)域，國內(nèi)已基本與國際保持在同一技術(shù)水平上，個別領(lǐng)域甚至處于領(lǐng)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(shù)，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(lǐng)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(shè)備或者生產(chǎn)線

制造業(yè)本身的生產(chǎn)設(shè)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(yīng)，都有積極幫助。

2.2 制造業(yè)所生產(chǎn)設(shè)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(lǐng)市場份額，就必須具有足夠的競爭力，而適應(yīng)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(shù)，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(shè)備的客戶

經(jīng)過幾十年發(fā)展，工業(yè)制造領(lǐng)域產(chǎn)品已有很大市場和很多用戶，這些用戶的現(xiàn)有設(shè)備，通過本解決方案所提供的方案和技術(shù)，通過一定的技術(shù)改造和應(yīng)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(shù)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(shè)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(shè)備端、平臺、應(yīng)用三層。設(shè)備端主要指客戶端包含傳感器的具體設(shè)備；平臺指云端用來接收設(shè)備數(shù)據(jù)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)；應(yīng)用指基于平臺、根據(jù)客戶業(yè)務(wù)邏輯而開發(fā)的具體業(yè)務(wù)應(yīng)用。而數(shù)據(jù)作為流動的介質(zhì)貫穿于從設(shè)備到應(yīng)用的整個過程。在設(shè)備端，客戶只需關(guān)注需要收集哪些數(shù)據(jù)；在應(yīng)用層，客戶只需關(guān)注需要實現(xiàn)哪些業(yè)務(wù)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(shè)備接入、可視化的工業(yè)設(shè)備管理、詳細靈活的用戶權(quán)限管理、云端計算存儲服務(wù)、基于規(guī)則的數(shù)據(jù)處理、全面的安全防護、與異構(gòu)的第三方平臺無縫集成、提供VR/AR/MR技術(shù)、可以調(diào)用云平臺的區(qū)塊鏈服務(wù)等功能。而在應(yīng)用層，客戶可實現(xiàn)根據(jù)自身技術(shù)條件，選擇合適的技術(shù)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(yīng)用實現(xiàn)對設(shè)備的監(jiān)控管理、故障知識庫管理、設(shè)備的遠程操作、診斷和維護等功能。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

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(quán)。系統(tǒng)以微服務(wù)為開發(fā)架構(gòu)，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺為核心，以自服務(wù)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(gòu)規(guī)范，可以基于公有云、私有云、混合云提供服務(wù)。

圖2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺系統(tǒng)架構(gòu)

3.3 網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計

本解決方案的設(shè)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(luò)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(wù)之間的相互調(diào)用處于同一私有網(wǎng)絡(luò)?；诠I(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺所開發(fā)的具體應(yīng)用系統(tǒng)，通過標準API與平臺進行通訊。這些應(yīng)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(gòu)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(luò)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(luò)拓撲

3.4 功能設(shè)計

? 應(yīng)用管理

平臺支持SaaS化應(yīng)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(yīng)用到平臺。平臺已經(jīng)提供了很多基礎(chǔ)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(yīng)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(shè)備建立關(guān)系、解除與設(shè)備關(guān)系、消息用戶密碼重置等操作。

? 設(shè)備中心

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

? 用戶中心

用戶中心主要功能包括對應(yīng)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(quán)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(yīng)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(shè)備的運行狀態(tài)和數(shù)據(jù)。

? 故障知識庫

在工業(yè)領(lǐng)域，知識的積累十分重要，對于設(shè)備的遠程診斷和智能化運維起著基礎(chǔ)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(shè)備操作、消防救援的特種機器人操作等，都需要設(shè)備的遠程操作支持，通過從云端發(fā)送指令，實現(xiàn)遠程設(shè)備的精準操作。

? 移動應(yīng)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(wù)邏輯與功能實現(xiàn)實際上都由平臺端提供，移動APP關(guān)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(shè)備到平臺間的傳輸通過SSL加密；在應(yīng)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(wù)應(yīng)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(quán)。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(wù)，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(wù)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用云技術(shù)和容器技術(shù)作為部署方案的一部分，所有模塊都有冗余部署，通過服務(wù)發(fā)現(xiàn)和熔斷技術(shù)，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(wù)。

4 成功案例

在河南某礦山粉末裝備遠程運維服務(wù)項目中，針對用戶對礦山系統(tǒng)的全生命周期的關(guān)注和對運維服務(wù)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(shù)、大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，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(gòu)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(shù)，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(shè)備數(shù)據(jù)采集與傳輸技術(shù)，以RESTful架構(gòu)應(yīng)用技術(shù)、數(shù)據(jù)虛擬橋接技術(shù)、SLB負載均衡技術(shù)、多類型數(shù)據(jù)庫（SQL、NoSQL）分散存儲（HDFS）存儲技術(shù)、SpringCloud微應(yīng)用云治理技術(shù)、實時消息處理技術(shù)、規(guī)則引擎技術(shù)等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)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(shù)，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(guān)鍵設(shè)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(shè)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(gòu)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(guān)鍵設(shè)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(guān)鍵設(shè)備選型優(yōu)化設(shè)計，基于云平臺的設(shè)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(guān)鍵零部件優(yōu)化。并研究關(guān)鍵零部件高效傳動技術(shù)、關(guān)鍵零部件耐磨性技術(shù)和部件輕量化技術(shù)，以及單機智能控制技術(shù)，實現(xiàn)磨礦關(guān)鍵裝備的部件優(yōu)化設(shè)計和核心部件升級。