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1   方案背景與目標(biāo)

1.1 研究背景：

·        應(yīng)對(duì)國(guó)家生態(tài)環(huán)境部制訂的《重污染天氣重點(diǎn)行業(yè)應(yīng)急減排措施制定技術(shù)指南》

·        國(guó)家的“雙碳”戰(zhàn)略

·        橫河可持續(xù)發(fā)展目標(biāo) (SDGs)

1.2 目標(biāo)

VoF解決方案旨在通過(guò)創(chuàng)建智能化與數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)，滿足離散型企業(yè)（如，機(jī)械制造業(yè)、汽車(chē)制造業(yè)、家電制造業(yè)等）以下需求，從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、提升ESG績(jī)效的目標(biāo)。

·        工廠能源可視化管理

·        生產(chǎn)環(huán)境零排放對(duì)應(yīng)

·        零事故安全生產(chǎn)需求

·        能耗設(shè)備低故障預(yù)防

·        智能制造數(shù)字化對(duì)應(yīng)

2   方案詳細(xì)介紹

目前大部分的離散型制造業(yè)的現(xiàn)狀是信息為點(diǎn)狀化、數(shù)據(jù)采集效率低（數(shù)據(jù)高度離散）、數(shù)據(jù)積累程度欠缺等種種問(wèn)題。另一方面企業(yè)數(shù)字化是一個(gè)綜合性的、系統(tǒng)性的工程，需要企業(yè)從多個(gè)方面入手，進(jìn)行全面的規(guī)劃和實(shí)施，這對(duì)于中小型企業(yè)來(lái)說(shuō)，因投資成本有限，真正落地非常困難。

VoF解決方案推薦用戶從小的投資開(kāi)始，以「環(huán)境」或「能源」或「安全」或「設(shè)備」為切入點(diǎn)，通過(guò)導(dǎo)入使用解決方案包切實(shí)解決用戶問(wèn)題，并構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)。然后再根據(jù)需要分階段地完善其他功能。

通過(guò)數(shù)字化平臺(tái)協(xié)同工廠生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)信息，從「可視化」開(kāi)始，然后通過(guò)「可視化」 「分析」 「改善」三個(gè)步驟的不斷迭代升級(jí)服務(wù)，進(jìn)行分析、優(yōu)化及管理，幫助用戶將節(jié)能減排落到實(shí)處。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu) 

如上圖架構(gòu)，系統(tǒng)可分兩層來(lái)看。

上層是由橫河自主研發(fā)的綜合信息服務(wù)器（CI-Server）為主的大數(shù)據(jù)應(yīng)用層。CI-Server對(duì)應(yīng)多種工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)，將環(huán)境、能源、安全、設(shè)備的相關(guān)信息集成于同一平臺(tái)，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)儀表領(lǐng)域（如DCS）和電氣領(lǐng)域（如PLC）一體化的EI（Enterprise Integration）集成。系統(tǒng)可根據(jù)終端用戶相關(guān)的營(yíng)銷、制造、生產(chǎn)、設(shè)備、管理、操作等不同方面的需要，針對(duì)不同角色、不同場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的數(shù)字化、智能化功能。

下層采用橫河自主研發(fā)的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)設(shè)備，如GM10，F(xiàn)M-MA eRT3等，可獨(dú)立運(yùn)行，靈活地實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集與分析功能。

這個(gè)架構(gòu)可以很好地適應(yīng)用戶現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)高度離散的場(chǎng)景，并確保性能、功能、穩(wěn)定性、可靠性滿足平臺(tái)要求。 

2.2  硬件平臺(tái)

硬件平臺(tái)由綜合信息服務(wù)器和其下屬數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成。

綜合信息服務(wù)器即數(shù)字平臺(tái)服務(wù)器，是承載數(shù)字平臺(tái)運(yùn)行所必需的基礎(chǔ)設(shè)施,用于存儲(chǔ)和處理大量的數(shù)據(jù)、提供各種功能和服務(wù)。CI Server 是橫河自主研發(fā)的一種跨平臺(tái)的監(jiān)控和信息系統(tǒng)，集成了工業(yè)控制系統(tǒng)、傳感器和人工智能，可實(shí)現(xiàn)：

l  遠(yuǎn)程操作，提高運(yùn)行效率

l  流程和廣域集成，以掌握更廣泛的供應(yīng)鏈

l  數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助操作 

下屬數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括數(shù)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)設(shè)備（如GM10，F(xiàn)M-MA eRT3等）和傳感器。 

整個(gè)系統(tǒng)搭建過(guò)程中，以采用橫河自主研發(fā)的產(chǎn)品為主。這樣可以確保性能、功能、穩(wěn)定性、可靠性滿足平臺(tái)要求。

在數(shù)據(jù)采集方面，橫河擁有2套先進(jìn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（如下圖），分別是ISA100標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境、確保工程實(shí)施。 其共同特點(diǎn)是協(xié)議開(kāi)放性。對(duì)用戶來(lái)說(shuō)各廠商產(chǎn)品兼容，便于維護(hù)管理。

在安全預(yù)警監(jiān)控方面，橫河自主研發(fā)的分布式溫度傳感器DTSX（如下圖）能夠?qū)崟r(shí)智能地監(jiān)測(cè)縱向50公里以內(nèi)的溫度分布，有助于在廣闊的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警和預(yù)防性維護(hù)。

2.3  軟件平臺(tái)

與硬件平臺(tái)相對(duì)應(yīng)，軟件平臺(tái)包括大數(shù)據(jù)應(yīng)用和下屬數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

根據(jù)用戶需求，軟件平臺(tái)可以選用本地部署或云端部署（采用公有云和私有云混合的部署模式）。集合了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、工業(yè)控制技術(shù)、工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)，以及多協(xié)議融合的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境下的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)軟件平臺(tái)應(yīng)用需求。

1)    大數(shù)據(jù)應(yīng)用

在工業(yè)生產(chǎn)和監(jiān)控管理過(guò)程中無(wú)時(shí)無(wú)刻不在產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，比如生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境、機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、生產(chǎn)過(guò)程中的能源消耗、物料的損耗、廢水廢氣環(huán)境等。

在典型的VoF工廠解決方案中，采集了超過(guò)2000個(gè)工業(yè)參數(shù)數(shù)據(jù)，工業(yè)數(shù)據(jù)的收集涉及流量、壓力、溫度、濕度、電力、VOC、pH、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)等多種類型、多個(gè)維度的數(shù)據(jù)。

上述數(shù)據(jù)具有如下特征：

數(shù)據(jù)體量龐大，一個(gè)傳感器平均每秒大約產(chǎn)生至少100多個(gè)數(shù)據(jù)包，整體網(wǎng)絡(luò)中每秒將產(chǎn)生200MB的傳感數(shù)據(jù)，每月將產(chǎn)生60GB的數(shù)據(jù)。如此龐大的傳感數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、并發(fā)處理要求極高。

數(shù)據(jù)生成和處理速度快。軟件平臺(tái)需要從這些海量數(shù)據(jù)中快速提取需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和展示。

數(shù)據(jù)類型多：在系統(tǒng)軟件運(yùn)行過(guò)程中，除了需要處理工業(yè)中使用的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，還需要對(duì)接上層包括MES系統(tǒng)的一些非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、提取和加工分析。

價(jià)值密度低：如何在海量數(shù)據(jù)中提取有價(jià)值的信息是軟件平臺(tái)數(shù)據(jù)處理層面的關(guān)鍵。 

橫河自主研發(fā)的CI-Server（綜合信息服務(wù)平臺(tái)）、MANA（云計(jì)算物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)）可以對(duì)上述特征的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成與清洗、存儲(chǔ)與管理、分析與挖掘，以及安全可視化等工作。

集成與清洗

CI-Server把不同來(lái)源、格式、特性的數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)匯聚，并對(duì)平臺(tái)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新審查和校驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)和糾正可識(shí)別的錯(cuò)誤，處理無(wú)效值和缺失值，從而得到到干凈并且格式一致的數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)CI-Server清洗后的數(shù)據(jù)才可以發(fā)送到數(shù)據(jù)中間件系統(tǒng)或存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)處理。

存儲(chǔ)與管理

采用MANA的分布式云存儲(chǔ)技術(shù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、安全可靠的存儲(chǔ)管理，在確定數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)的前提下，采用高吞吐量的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和非結(jié)構(gòu)化訪問(wèn)技術(shù)支持云系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的高效快速訪問(wèn)。

分析與挖掘

MANA和下屬GA10軟件配合從海量、不完全、有噪聲、模糊及隨機(jī)的大型數(shù)據(jù)庫(kù)中發(fā)現(xiàn)隱含在其中有價(jià)值的信息和知識(shí)，采用無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)的方式，對(duì)包括設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、機(jī)房及用電安全監(jiān)測(cè)在內(nèi)的涉及設(shè)備和安全的數(shù)據(jù)進(jìn)行充分利用，建立安全健康生產(chǎn)狀態(tài)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的基于狀態(tài)的維護(hù)策略以及安全狀態(tài)提示策略。

可視化展示

充分利用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、可視化展示技術(shù)、WEB展示技術(shù)，綜合處理顯示多維度數(shù)據(jù)，將包括原始數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、等展示在屏幕上，使枯燥、抽象的數(shù)據(jù)變得直觀且易于理解，并通過(guò)交互處理實(shí)現(xiàn)基于可視化數(shù)據(jù)的分析、交流和決策支持。 

2)    下屬數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

GA10 是橫河自主研發(fā)的基于PC的數(shù)據(jù)記錄程序，廣泛用于構(gòu)建監(jiān)視并記錄數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。如下圖所示，GA10可廣泛對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)采集器/ 記錄儀/ 溫度調(diào)節(jié)器/ 信號(hào)變換器/ 電力監(jiān)視器/ 功率計(jì)，也可以實(shí)現(xiàn)Modbus 儀表的數(shù)據(jù)采集。如，將分布式光纖測(cè)溫接入GA10后，可對(duì)加熱爐爐壁溫度進(jìn)行分析、并可視化。

2.4 解決方案包

用戶可根據(jù)其需求，選用一個(gè)或多個(gè)功能的解決方案包（如下圖）。用戶可以從導(dǎo)入一個(gè)以上單一功能的解決方案包（如下圖）開(kāi)始，把系統(tǒng)架構(gòu)建立起來(lái)，然后再根據(jù)需要分階段地完善。

2.5數(shù)據(jù)通信、安全措施

本節(jié)內(nèi)容，通過(guò)如下圖的案例進(jìn)行說(shuō)明。

在現(xiàn)場(chǎng)通信層面，采用了物聯(lián)網(wǎng)以及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)相融合的實(shí)現(xiàn)方式，一方面可以充分結(jié)合實(shí)際通信業(yè)務(wù)需求和實(shí)施需求，另一方面可以減少施工作業(yè)成本，充分體現(xiàn)了本解決方案的技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

現(xiàn)場(chǎng)傳感器數(shù)據(jù)傳輸采用了包括微型、低成本、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)的LoRaWAN無(wú)線傳感器，長(zhǎng)距離、低時(shí)延的ISA100無(wú)線傳感器，成熟、易維護(hù)的HART通信傳感器，以及將測(cè)量和傳輸采用同種介質(zhì)的分布式溫度傳感器等，構(gòu)成了現(xiàn)場(chǎng)傳感器的通信網(wǎng)絡(luò)；

同時(shí)采用邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)設(shè)備包括GM10，F(xiàn)M-MA eRT3，利用分布式存儲(chǔ)、異構(gòu)計(jì)算、協(xié)議轉(zhuǎn)換等技術(shù)，將不同的通信協(xié)議進(jìn)行統(tǒng)一化，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)接口和協(xié)議設(shè)備之間的實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)企業(yè)OT和IT的高可靠數(shù)據(jù)融合，提供了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的實(shí)時(shí)計(jì)算、存儲(chǔ)和通信機(jī)制，并通過(guò)GA10提供了邊緣側(cè)的建模工具和智能工具，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，為數(shù)據(jù)融合提供了基礎(chǔ)支撐。

對(duì)于邊緣網(wǎng)關(guān)到數(shù)據(jù)采集和管理平臺(tái)之間（CI-Server,MANA），采用了包括工業(yè)以太網(wǎng)、LoRAWAN、4G/5G等傳輸技術(shù)，充分利用MQTT等物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)協(xié)議傳輸?shù)慕y(tǒng)一，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了整體數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)牡蜁r(shí)延、高穩(wěn)定。 

在工廠VoF系統(tǒng)與其他生產(chǎn)系統(tǒng)、信息之間采用工業(yè)防火墻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的有效隔離，同時(shí)企業(yè)內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)之間采用下一代防火墻技術(shù)實(shí)現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)訪問(wèn)的有效管控，并對(duì)可能的入侵行為進(jìn)行識(shí)別、檢測(cè)和報(bào)警。并采用VPN技術(shù)，對(duì)云端訪問(wèn)和內(nèi)網(wǎng)系統(tǒng)訪問(wèn)進(jìn)行身份鑒定，防止數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中被篡改和泄露；并且對(duì)訪問(wèn)權(quán)限進(jìn)行了細(xì)致劃分，以保證通信網(wǎng)絡(luò)的安全性。同時(shí)充分利用公有云平臺(tái)的安全防護(hù)能力，保證整體系統(tǒng)的安全性。除此以外，對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行定期、不定期，本地、異地備份管理策略，以保證數(shù)據(jù)的安全性。

3    代表性及推廣價(jià)值

VoF解決方案的代表性及推廣價(jià)值主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)  數(shù)字化轉(zhuǎn)型的推動(dòng)力

VoF解決方案通過(guò)數(shù)字化技術(shù)幫助離散型制造業(yè)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的透明化、自動(dòng)化和智能化，提高生產(chǎn)效率、降低成本、優(yōu)化資源配置、提升產(chǎn)品質(zhì)量，最終實(shí)現(xiàn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2)  綠色可持續(xù)發(fā)展

解決方案強(qiáng)調(diào)環(huán)境保護(hù)和資源利用的可持續(xù)性，通過(guò)優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，減少能源消耗和廢物排放，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

3)  提升能源效率與降低消耗

智慧能源可視化管理系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字化技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的全面監(jiān)測(cè)、分析和管理，提升能源效率、降低能源消耗。

4)  創(chuàng)新性技術(shù)應(yīng)用

VoF解決方案引入了新興傳感器技術(shù)，如DTSX、ISA100、LoRaWAN傳感器，提升了技術(shù)成熟度，降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，確保工程的順利實(shí)施。

5)  實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)效益

以“工廠能源能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”為例，通過(guò)收集的能耗數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)問(wèn)題點(diǎn)或不合理點(diǎn)，幫助管理者進(jìn)行能源預(yù)算的管理，提出改進(jìn)計(jì)劃，減少碳排量，減少環(huán)境污染。

6)  開(kāi)放性與靈活性

VoF可以分解為各個(gè)解決方案包，各解決方案包可獨(dú)立部署、擴(kuò)展和維護(hù)，可以根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，確保整個(gè)系統(tǒng)的靈活性和高效性。

7)  提升競(jìng)爭(zhēng)力與市場(chǎng)適應(yīng)性

數(shù)字化轉(zhuǎn)型與智能制造的融合能夠?yàn)槠髽I(yè)帶來(lái)多方面的競(jìng)爭(zhēng)力提升，在生產(chǎn)效率、研發(fā)設(shè)計(jì)協(xié)同、服務(wù)水平等方面都有顯著優(yōu)勢(shì)。

8)  促進(jìn)現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)

制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型與智能制造的融合將為現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)提供有力支撐，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，注入新的活力。 

綜上所述，VoF解決方案不僅代表了制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)，而且在推動(dòng)綠色可持續(xù)發(fā)展、提升能源效率、降低運(yùn)營(yíng)成本、增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力等方面具有顯著的推廣價(jià)值。