水泥裝備行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網的應用

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關鍵詞：工業(yè)互聯(lián)網；平臺架構；水泥裝備；邊緣計算；預知性維護

前言

工業(yè)互聯(lián)網是基于新一代信息通信技術與制造技術深度融合[1]，廣泛連接人、設備、產線、商品等各類生產要素，從而支撐海量工業(yè)數(shù)據(jù)化的開放性平臺。在新一輪科技革命和產業(yè)變革背景下，美國、德國、法國等發(fā)達國家紛紛把工業(yè)互聯(lián)網作為拓展“智能+”的賦能抓手，相繼推出一批工業(yè)互聯(lián)網平臺，如SEIMENS的MindSphere、GE的Predix等。近些年，我國政府也圍繞工業(yè)互聯(lián)網發(fā)展，先后推出一系列政策文件，并培養(yǎng)出如根云平臺、COSMPlat、IN⁃DICS、Cloudiip等一批工業(yè)互聯(lián)網平臺[2]。我國水泥工業(yè)近些年發(fā)展迅速，現(xiàn)已成為世界主要水泥生產國和裝備制造國，但在主機裝備基本國產化的同時，仍存在一些問題。一是水泥裝備制造企業(yè)的智能化和信息化水平較電子、汽車等高端制造行業(yè)，仍存在較大差距；二是高附加值的智能裝備制造在目前仍處于起步階段，終端缺乏數(shù)據(jù)主動供給能力，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的邊緣處理；三是各類型裝備適配不同工業(yè)協(xié)議導致開放性不足，系統(tǒng)間數(shù)據(jù)隔離現(xiàn)象明顯，孤島林立，生產和運營管理數(shù)據(jù)流未能有效整合，數(shù)據(jù)利用率偏低；四是沒有有效打通設計、生產、檢驗、服務等環(huán)節(jié)，上下游產業(yè)鏈未打通，產品制造和運行維護之間的閉環(huán)尚未建立。隨著國家導向和市場環(huán)境的變化，水泥裝備企業(yè)的生產運營成本不斷提高，競爭也不斷加劇。另一方面，隨著客戶需求變化，水泥生產裝備的個性化和定制化趨勢也將加強，需要以工業(yè)互聯(lián)網為行業(yè)轉型升級的抓手，串聯(lián)人機料法環(huán)各環(huán)節(jié)要素，打通供應鏈和產業(yè)鏈，構建水泥裝備行業(yè)的生態(tài)體系，實現(xiàn)由傳統(tǒng)制造業(yè)向制造服務業(yè)和裝備供應商向綜合服務商的轉變。

1工業(yè)互聯(lián)網平臺架構設計

1.1總體架構

面向水泥裝備行業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網平臺以邊緣層（設備感知層）、IaaS層（基礎設施層）、PaaS層（平臺層）、SaaS層（應用層）組成基本架構，并在此基礎上搭建面向業(yè)務、數(shù)據(jù)和網絡的安全防護體系[3]。邊緣層作為平臺底層支撐，通過各類邊緣終端和網絡協(xié)議實時監(jiān)控設備運行數(shù)據(jù)并通過網絡傳輸至IaaS層。IaaS層提供虛擬機、服務器、CPU和云存儲資源等基礎設施用以裝載相關應用。PaaS層提供資源管理、計算方法、自動化部署等技術和工具組件，方便用戶在平臺上開展應用開發(fā)。SaaS層主要是形成滿足裝備行業(yè)應用場景的APP，該層也是工業(yè)互聯(lián)網平臺在垂直領域的價值所在。

1.2邊緣層

邊緣層是由各類傳感器和網絡協(xié)議組成，是工業(yè)互聯(lián)網中數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)年P鍵部分。通過加裝多傳感器（振動、噪聲、溫度、壓力、位移等）、嵌入式模塊、智能網關等設備，實現(xiàn)對裝備、系統(tǒng)、環(huán)境等要素信息的實時采集和處理；結合5G、NB-IOT、萬兆以太網、TSN等通信技術的應用，建立基礎通訊網絡，滿足海量數(shù)據(jù)的實施采集、傳輸和分析需求?；诠I(yè)互聯(lián)網天然的分布式特性，將邊緣計算、多協(xié)議轉換、多源異構數(shù)據(jù)接入融合等技術應用于水泥裝備邊緣終端，在靠近數(shù)據(jù)源頭的網絡邊緣側提供最新端服務，有效解決設備和中心端之間的數(shù)據(jù)帶寬問題，減輕中心端壓力，提高全局效率。

1.3IaaS層

IaaS層，多可基于私有云、公有云、混合云等多種云端架構，部署數(shù)據(jù)處理和應用所需基礎設施，包括服務器、存儲、網絡等各類虛擬化資源以及相應的管理能力。水泥企業(yè)接入基礎設施層，通過各類API接口調用虛擬化資源，并根據(jù)需要在環(huán)境中部署運行操作系統(tǒng)和應用程序。虛擬化、分布式存儲、平行計算等技術的應用，確?？梢愿鶕?jù)用戶需求彈性劃分相應資源池并有效隔離，減輕運維壓力，保障數(shù)據(jù)安全。

1.4PaaS層

PaaS層為海量數(shù)據(jù)的整合和治理搭建了基礎服務環(huán)境，提供區(qū)塊鏈、IOT、云計算、AI、VR、機器學習、資源管理等各類技術組件，通過對各類數(shù)據(jù)庫的整合，構建基于微服務技術組件、微服務工具組件、大數(shù)據(jù)工具組件等資源池的“大數(shù)據(jù)+微服務”體系。PaaS層運用Spark和Hadoop等分布式系統(tǒng)基礎架構，支持批量和實時大數(shù)據(jù)分析，支持不同應用之間的交互以及第三方API的接入和互聯(lián)互通。

1.5SaaS層

SaaS層依托物聯(lián)接入、大數(shù)據(jù)分析等平臺層能力支撐，利用大數(shù)據(jù)分析、行業(yè)知識、微服務等技術，圍繞水泥生產各關鍵裝備打造各類工業(yè)App。通過工業(yè)互聯(lián)網平臺，基于數(shù)據(jù)實時分析和決策，為企業(yè)提供實時監(jiān)控、資產管理、生產運行、安全環(huán)保等場景應用。例如，融合實時監(jiān)視、大數(shù)據(jù)、深度學習等先進處理技術，基于關聯(lián)知識和時間沉淀，實現(xiàn)設備運行優(yōu)化、智慧維護、狀態(tài)維修的閉環(huán)管理。

2工業(yè)互聯(lián)網在水泥裝備行業(yè)的應用

隨著制造業(yè)變革不斷深入，數(shù)字化、智能化、網絡化技術充分賦予產業(yè)技術變革和優(yōu)化升級新動能。數(shù)字化強調對各類價值數(shù)據(jù)的收集、聚合、分析和應用，網絡化為數(shù)據(jù)采集和傳輸提供載體，智能化則體現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的應用層次與水平。三位一體構成智能制造數(shù)字轉型的核心內容，究其根本，數(shù)據(jù)是關鍵[4，5]。配置自采集傳感裝置的智能裝備作為產線底層元素，是天然的數(shù)據(jù)入口，因此裝備制造企業(yè)在數(shù)據(jù)資源獲取方面具備得天獨厚的優(yōu)勢。裝備制造企業(yè)具備豐富的生產實踐經驗和工業(yè)知識，更容易基于數(shù)據(jù)資源，將經驗、原理、技術等知識封裝為微服務或工業(yè)App，拓展“智能+制造+服務”，借助工業(yè)互聯(lián)網賦能企業(yè)轉型升級。

2.1裝備制造的智能生產管理

企業(yè)可根據(jù)需要部署云存儲架構，利用工業(yè)互聯(lián)網集中接入MES、ERP、OA等分散生產和信息管理系統(tǒng)，打破信息孤島，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)流的匯總分析，對比挖掘設備生命周期中涉及的工藝參數(shù)、制造信息、運維數(shù)據(jù)等，閉環(huán)反饋至設計階段，基于云端虛擬環(huán)境，對裝備產品進行設計、仿真、分析和優(yōu)化。與此同時，工業(yè)互聯(lián)網的開放性和擴展性，可以為裝備制造企業(yè)提供覆蓋產業(yè)鏈全過程的生產要素，實現(xiàn)優(yōu)質資源的高效整合和共享。平臺提供的協(xié)同設計、協(xié)同制造、協(xié)同優(yōu)化能力，可助力企業(yè)降低生產成本、縮短制造時間，提高產品質量。

2.2基于智能網關和邊緣計算技術的智能裝備

先進的水泥智慧工廠，往往需要對全場數(shù)萬個采樣點的數(shù)據(jù)進行集中清洗轉換，挖掘內在價值，并實施指令分發(fā)和協(xié)同，傳統(tǒng)模式將給網絡端和中心端帶來巨大壓力。依托傳感器、控制器等感知設備和智能網關，邊緣計算讓關鍵裝備能夠準確感知自身狀態(tài)，為全流程數(shù)據(jù)感知網絡的建立提供了新的技術手段。具備邊緣計算能力的智能裝備可根據(jù)實際需要完成數(shù)據(jù)采集、清洗、分析、存儲、傳輸以及實時控制，云端中心基于大數(shù)據(jù)分析、機器學習、模式識別、專家優(yōu)化等方法，生成運營管理實時策略，下行完成對邊緣智能制造裝備的參數(shù)重配置，形成優(yōu)化控制閉環(huán)。終端裝備的智能化提升，其意義不僅在于計算下沉減輕中心端壓力，更重要的是能夠靈活滿足客戶個性化需求，增強客戶運維便捷性，顯著提升產品附加值。

2.3設備管理與預知性維護

水泥工廠繁多機械裝備實時數(shù)據(jù)的采集和分析，對于生產線的高效運行至關重要。數(shù)據(jù)的精準分析意味著電耗和煤耗的降低，從而大大降低企業(yè)的生產經營成本。同時，異常數(shù)據(jù)的即時反饋，有助于降低企業(yè)的運行風險，最大化企業(yè)生產效益。工業(yè)互聯(lián)網平臺可通過狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、預知性維護、遠程運維等方面，全面提升企業(yè)設備管理能力，基于完善的維保計劃和工單流轉流程，豐富的維修知識庫，提高設備維修效率。更重要的是，裝備制造企業(yè)長期從事實際工業(yè)生產經營，對工業(yè)生產的工藝、流程、技術、質量檢測等有深厚的積累，可以結合應用場景和分析需求，封裝工業(yè)技術知識形成工業(yè)App，在工業(yè)互聯(lián)網平臺上運行，為客戶提供能源優(yōu)化、故障預測、遠程診斷、維保服務、備件物流等增值服務。平臺數(shù)據(jù)的流轉又能夠幫助企業(yè)優(yōu)化產品質量，提升服務品質，顯著提升企業(yè)抗風險能力與市場競爭能力。

3結語

水泥裝備行業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網應用目前仍處于起步階段，整體上仍面臨裝備智能升級改造緩慢、網絡建設體系不完善、場景應用深度廣度不夠、產業(yè)支撐能力不足、標準體系不完善、安全保護機制不健全等問題，各企業(yè)對如何構建工業(yè)互聯(lián)網體系仍不明晰。但隨著工業(yè)互聯(lián)網應用的不斷推進和深入，裝備制造企業(yè)可以以自身業(yè)務為核心，打造開放生態(tài)，拓展上下游產品、用戶、企業(yè)等產業(yè)鏈資源；聚焦裝備智能化提升、遠程運維服務和供應鏈集成，延伸外部價值鏈，實現(xiàn)由水泥裝備制造商向制造服務商的轉型。

參考文獻

[1]李首濱.煤炭工業(yè)互聯(lián)網及其關鍵技術[J].煤炭科學技術，2020,48（7）：98-108.

[2]喻冬梅，蔣宗敏，戴冬云，等.工業(yè)互聯(lián)網在電力裝備行業(yè)的應用[J].電力大數(shù)據(jù)，2019,22（9）：35-42.

[3]楊祖業(yè)，李媛，馬秀麗.面向智能裝備的工業(yè)互聯(lián)網平臺參考架構[J].中國儀器儀表，2019,（6）：31-36.

[4]陶永，蔣昕昊，劉默，等.智能制造和工業(yè)互聯(lián)網融合發(fā)展初探[J].中國工程科學，2020,22（4）：24-33.

[5]高金吉.工業(yè)互聯(lián)網賦能裝備智能運維與自主健康[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2019,25（12）：3013-3025.

作者：褚彪 單位：合肥水泥研究設計院有限公司