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橫河電機——VoF(Value of Factory)解決方案
  • 點擊數(shù):188     發(fā)布時間:2025-01-14 19:17:46
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VoF解決方案推薦用戶從小的投資開始,以「環(huán)境」或「能源」或「安全」或「設(shè)備」為切入點,通過導入使用解決方案包切實解決用戶問題,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。通過數(shù)字化平臺協(xié)同工廠生產(chǎn)運營信息,從「可視化」開始,然后通過「可視化」 「分析」 「改善」三個步驟的不斷迭代升級服務(wù),進行分析、優(yōu)化及管理,幫助用戶將節(jié)能減排落到實處。
關(guān)鍵詞:

1   方案背景與目標

1.1 研究背景:

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

·        國家的“雙碳”戰(zhàn)略

·        橫河可持續(xù)發(fā)展目標 (SDGs)

1.2 目標

VoF解決方案旨在通過創(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,機械制造業(yè)、汽車制造業(yè)、家電制造業(yè)等)以下需求,從而實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、提升ESG績效的目標。

·        工廠能源可視化管理

·        生產(chǎn)環(huán)境零排放對應(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)字化對應(yīng)

 

2   方案詳細介紹

目前大部分的離散型制造業(yè)的現(xiàn)狀是信息為點狀化、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題。另一方面企業(yè)數(shù)字化是一個綜合性的、系統(tǒng)性的工程,需要企業(yè)從多個方面入手,進行全面的規(guī)劃和實施,這對于中小型企業(yè)來說,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始,以「環(huán)境」或「能源」或「安全」或「設(shè)備」為切入點,通過導入使用解決方案包切實解決用戶問題,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。

通過數(shù)字化平臺協(xié)同工廠生產(chǎn)運營信息,從「可視化」開始,然后通過「可視化」 「分析」 「改善」三個步驟的不斷迭代升級服務(wù),進行分析、優(yōu)化及管理,幫助用戶將節(jié)能減排落到實處。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu) 

17368535171.png 

如上圖架構(gòu),系統(tǒng)可分兩層來看。

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對應(yīng)多種工業(yè)通信標準,將環(huán)境、能源、安全、設(shè)備的相關(guān)信息集成于同一平臺,同時還可實現(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)的營銷、制造、生產(chǎn)、設(shè)備、管理、操作等不同方面的需要,針對不同角色、不同場景實現(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)的邊緣計算網(wǎng)關(guān)設(shè)備,如GM10,F(xiàn)M-MA eRT3等,可獨立運行,靈活地實現(xiàn)簡單的數(shù)據(jù)采集與分析功能。

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

2.2  硬件平臺

硬件平臺由綜合信息服務(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)字平臺服務(wù)器,是承載數(shù)字平臺運行所必需的基礎(chǔ)設(shè)施,用于存儲和處理大量的數(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,可實現(xiàn):

l  遠程操作,提高運行效率

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)動優(yōu)化,實現(xiàn)計算機輔助操作 

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

整個系統(tǒng)搭建過程中,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、可靠性滿足平臺要求。

在數(shù)據(jù)采集方面,橫河擁有2套先進的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(如下圖),分別是ISA100標準協(xié)議和LoRaWAN標準協(xié)議,以應(yīng)對復雜環(huán)境、確保工程實施。 其共同特點是協(xié)議開放性。對用戶來說各廠商產(chǎn)品兼容,便于維護管理。

 

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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智能地監(jiān)測縱向50公里以內(nèi)的溫度分布,有助于在廣闊的區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警和預(yù)防性維護。

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2.3  軟件平臺

與硬件平臺相對應(yīng),軟件平臺包括大數(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),實現(xiàn)了復雜環(huán)境下的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)軟件平臺應(yīng)用需求。

1)    大數(shù)據(jù)應(yīng)用

在工業(yè)生產(chǎn)和監(jiān)控管理過程中無時無刻不在產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù),比如生產(chǎn)設(shè)備的運行環(huán)境、機械設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀態(tài)、生產(chǎn)過程中的能源消耗、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2000個工業(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)備運轉(zhuǎn)等多種類型、多個維度的數(shù)據(jù)。

上述數(shù)據(jù)具有如下特征:

數(shù)據(jù)體量龐大,一個傳感器平均每秒大約產(chǎn)生至少100多個數(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)對數(shù)據(jù)存儲、并發(fā)處理要求極高。

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

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

價值密度低:如何在海量數(shù)據(jù)中提取有價值的信息是軟件平臺數(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)、MANA(云計算物聯(lián)網(wǎng)平臺)可以對上述特征的數(shù)據(jù)進行集成與清洗、存儲與管理、分析與挖掘,以及安全可視化等工作。

集成與清洗

CI-Server把不同來源、格式、特性的數(shù)據(jù)進行有機匯聚,并對平臺中的數(shù)據(jù)進行重新審查和校驗,發(fā)現(xiàn)和糾正可識別的錯誤,處理無效值和缺失值,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)或存儲系統(tǒng)進行后續(xù)處理。

存儲與管理

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

分析與挖掘

MANA和下屬GA10軟件配合從海量、不完全、有噪聲、模糊及隨機的大型數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)隱含在其中有價值的信息和知識,采用無監(jiān)督學習的方式,對包括設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、機房及用電安全監(jiān)測在內(nèi)的涉及設(shè)備和安全的數(shù)據(jù)進行充分利用,建立安全健康生產(chǎn)狀態(tài)模型,實現(xiàn)對設(shè)備的基于狀態(tài)的維護策略以及安全狀態(tài)提示策略。

可視化展示

充分利用計算機圖形技術(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,并通過交互處理實現(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可廣泛對應(yīng)數(shù)據(jù)采集器/ 記錄儀/ 溫度調(diào)節(jié)器/ 信號變換器/ 電力監(jiān)視器/ 功率計,也可以實現(xiàn)Modbus 儀表的數(shù)據(jù)采集。如,將分布式光纖測溫接入GA10后,可對加熱爐爐壁溫度進行分析、并可視化。

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2.4 解決方案包

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

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2.5數(shù)據(jù)通信、安全措施

本節(jié)內(nèi)容,通過如下圖的案例進行說明。

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在現(xiàn)場通信層面,采用了物聯(lián)網(wǎng)以及工業(yè)現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)相融合的實現(xiàn)方式,一方面可以充分結(jié)合實際通信業(yè)務(wù)需求和實施需求,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)先進性、經(jīng)濟性和系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性。

現(xiàn)場傳感器數(shù)據(jù)傳輸采用了包括微型、低成本、低功耗、抗干擾能力強的LoRaWAN無線傳感器,長距離、低時延的ISA100無線傳感器,成熟、易維護的HART通信傳感器,以及將測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)場傳感器的通信網(wǎng)絡(luò);

同時采用邊緣計算網(wǎng)關(guān)設(shè)備包括GM10,F(xiàn)M-MA eRT3,利用分布式存儲、異構(gòu)計算、協(xié)議轉(zhuǎn)換等技術(shù),將不同的通信協(xié)議進行統(tǒng)一化,實現(xiàn)傳統(tǒng)接口和協(xié)議設(shè)備之間的實時通信,實現(xiàn)企業(yè)OT和IT的高可靠數(shù)據(jù)融合,提供了現(xiàn)場級的實時計算、存儲和通信機制,并通過GA10提供了邊緣側(cè)的建模工具和智能工具,對實時數(shù)據(jù)進行預(yù)處理,為數(shù)據(jù)融合提供了基礎(chǔ)支撐。

對于邊緣網(wǎng)關(guān)到數(shù)據(jù)采集和管理平臺之間(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,實現(xiàn)協(xié)議傳輸?shù)慕y(tǒng)一,同時實現(xiàn)了整體數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)牡蜁r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),實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的有效隔離,同時企業(yè)內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)之間采用下一代防火墻技術(shù)實現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)訪問的有效管控,并對可能的入侵行為進行識別、檢測和報警。并采用VPN技術(shù),對云端訪問和內(nèi)網(wǎng)系統(tǒng)訪問進行身份鑒定,防止數(shù)據(jù)在傳輸過程中被篡改和泄露;并且對訪問權(quán)限進行了細致劃分,以保證通信網(wǎng)絡(luò)的安全性。同時充分利用公有云平臺的安全防護能力,保證整體系統(tǒng)的安全性。除此以外,對存儲數(shù)據(jù)進行定期、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    代表性及推廣價值

VoF解決方案的代表性及推廣價值主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

1)  數(shù)字化轉(zhuǎn)型的推動力

VoF解決方案通過數(shù)字化技術(shù)幫助離散型制造業(yè)實現(xiàn)生產(chǎn)過程的透明化、自動化和智能化,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

解決方案強調(diào)環(huán)境保護和資源利用的可持續(xù)性,通過優(yōu)化生產(chǎn)過程,減少能源消耗和廢物排放,實現(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)通過數(shù)字化技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用,實現(xiàn)對能源的全面監(jiān)測、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)風險,確保工程的順利實施。

5)  實用性與經(jīng)濟效益

以“工廠能源能耗監(jiān)測系統(tǒng)”為例,通過收集的能耗數(shù)據(jù),可以準確發(fā)現(xiàn)問題點或不合理點,幫助管理者進行能源預(yù)算的管理,提出改進計劃,減少碳排量,減少環(huán)境污染。

6)  開放性與靈活性

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

7)  提升競爭力與市場適應(yīng)性

數(shù)字化轉(zhuǎn)型與智能制造的融合能夠為企業(yè)帶來多方面的競爭力提升,在生產(chǎn)效率、研發(fā)設(shè)計協(xié)同、服務(wù)水平等方面都有顯著優(yōu)勢。

8)  促進現(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,而且在推動綠色可持續(xù)發(fā)展、提升能源效率、降低運營成本、增強企業(yè)競爭力等方面具有顯著的推廣價值。

 

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