淺析工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在水泥裝備行業(yè)的應(yīng)用

褚 彪（合肥水泥研究設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230051）

0 前言

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是基于新一代信息通信技術(shù)與制造技術(shù)深度融合[1]，廣泛連接人、設(shè)備、產(chǎn)線、商品等各類生產(chǎn)要素，從而支撐海量工業(yè)數(shù)據(jù)化的開放性平臺(tái)。在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革背景下，美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛把工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為拓展“智能+”的賦能抓手，相繼推出一批工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，如SEIMENS的MindSphere、GE的Predix等。近些年，我國(guó)政府也圍繞工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，先后推出一系列政策文件，并培養(yǎng)出如根云平臺(tái)、COSMPlat、INDICS、Cloudiip等一批工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)[2]。

我國(guó)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(chǎn)國(guó)和裝備制造國(guó)，但在主機(jī)裝備基本國(guó)產(chǎn)化的同時(shí)，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(dòng)供給能力，無法實(shí)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(dǎo)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(chǎn)和運(yùn)營(yíng)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(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)、服務(wù)等環(huán)節(jié)，上下游產(chǎn)業(yè)鏈未打通，產(chǎn)品制造和運(yùn)行維護(hù)之間的閉環(huán)尚未建立。

隨著國(guó)家導(dǎo)向和市場(chǎng)環(huán)境的變化，水泥裝備企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本不斷提高，競(jìng)爭(zhēng)也不斷加劇。另一方面，隨著客戶需求變化，水泥生產(chǎn)裝備的個(gè)性化和定制化趨勢(shì)也將加強(qiáng)，需要以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的抓手，串聯(lián)人機(jī)料法環(huán)各環(huán)節(jié)要素，打通供應(yīng)鏈和產(chǎn)業(yè)鏈，構(gòu)建水泥裝備行業(yè)的生態(tài)體系，實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)制造業(yè)向制造服務(wù)業(yè)和裝備供應(yīng)商向綜合服務(wù)商的轉(zhuǎn)變。

1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)

面向水泥裝備行業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)以邊緣層（設(shè)備感知層）、IaaS層（基礎(chǔ)設(shè)施層）、PaaS層（平臺(tái)層）、SaaS層（應(yīng)用層）組成基本架構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上搭建面向業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)的安全防護(hù)體系[3]。邊緣層作為平臺(tái)底層支撐，通過各類邊緣終端和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至IaaS層。IaaS層提供虛擬機(jī)、服務(wù)器、CPU和云存儲(chǔ)資源等基礎(chǔ)設(shè)施用以裝載相關(guān)應(yīng)用。PaaS層提供資源管理、計(jì)算方法、自動(dòng)化部署等技術(shù)和工具組件，方便用戶在平臺(tái)上開展應(yīng)用開發(fā)。SaaS層主要是形成滿足裝備行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的APP，該層也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在垂直領(lǐng)域的價(jià)值所在。

1.2 邊緣層

邊緣層是由各類傳感器和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組成，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)年P(guān)鍵部分。通過加裝多傳感器（振動(dòng)、噪聲、溫度、壓力、位移等）、嵌入式模塊、智能網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備、系統(tǒng)、環(huán)境等要素信息的實(shí)時(shí)采集和處理；結(jié)合5G、NB-IOT、萬兆以太網(wǎng)、TSN等通信技術(shù)的應(yīng)用，建立基礎(chǔ)通訊網(wǎng)絡(luò)，滿足海量數(shù)據(jù)的實(shí)施采集、傳輸和分析需求。基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)天然的分布式特性，將邊緣計(jì)算、多協(xié)議轉(zhuǎn)換、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)接入融合等技術(shù)應(yīng)用于水泥裝備邊緣終端，在靠近數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)提供最新端服務(wù)，有效解決設(shè)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。

圖1 水泥裝備行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)

1.3 IaaS層

IaaS層，多可基于私有云、公有云、混合云等多種云端架構(gòu)，部署數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用所需基礎(chǔ)設(shè)施，包括服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等各類虛擬化資源以及相應(yīng)的管理能力。水泥企業(yè)接入基礎(chǔ)設(shè)施層，通過各類API接口調(diào)用虛擬化資源，并根據(jù)需要在環(huán)境中部署運(yùn)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。虛擬化、分布式存儲(chǔ)、平行計(jì)算等技術(shù)的應(yīng)用，確保可以根據(jù)用戶需求彈性劃分相應(yīng)資源池并有效隔離，減輕運(yùn)維壓力，保障數(shù)據(jù)安全。

1.4 PaaS層

PaaS層為海量數(shù)據(jù)的整合和治理搭建了基礎(chǔ)服務(wù)環(huán)境，提供區(qū)塊鏈、IOT、云計(jì)算、AI、VR、機(jī)器學(xué)習(xí)、資源管理等各類技術(shù)組件，通過對(duì)各類數(shù)據(jù)庫(kù)的整合，構(gòu)建基于微服務(wù)技術(shù)組件、微服務(wù)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(wù)”體系。PaaS層運(yùn)用Spark和Hadoop等分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)，支持批量和實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)分析，支持不同應(yīng)用之間的交互以及第三方API的接入和互聯(lián)互通。

1.5 SaaS層

SaaS層依托物聯(lián)接入、大數(shù)據(jù)分析等平臺(tái)層能力支撐，利用大數(shù)據(jù)分析、行業(yè)知識(shí)、微服務(wù)等技術(shù)，圍繞水泥生產(chǎn)各關(guān)鍵裝備打造各類工業(yè)App。通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，基于數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析和決策，為企業(yè)提供實(shí)時(shí)監(jiān)控、資產(chǎn)管理、生產(chǎn)運(yùn)行、安全環(huán)保等場(chǎng)景應(yīng)用。例如，融合實(shí)時(shí)監(jiān)視、大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)等先進(jìn)處理技術(shù)，基于關(guān)聯(lián)知識(shí)和時(shí)間沉淀，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化、智慧維護(hù)、狀態(tài)維修的閉環(huán)管理。

2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在水泥裝備行業(yè)的應(yīng)用

隨著制造業(yè)變革不斷深入，數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)充分賦予產(chǎn)業(yè)技術(shù)變革和優(yōu)化升級(jí)新動(dòng)能。數(shù)字化強(qiáng)調(diào)對(duì)各類價(jià)值數(shù)據(jù)的收集、聚合、分析和應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)化為數(shù)據(jù)采集和傳輸提供載體，智能化則體現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的應(yīng)用層次與水平。三位一體構(gòu)成智能制造數(shù)字轉(zhuǎn)型的核心內(nèi)容，究其根本，數(shù)據(jù)是關(guān)鍵[4，5]。配置自采集傳感裝置的智能裝備作為產(chǎn)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(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。裝備制造企業(yè)具備豐富的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和工業(yè)知識(shí)，更容易基于數(shù)據(jù)資源，將經(jīng)驗(yàn)、原理、技術(shù)等知識(shí)封裝為微服務(wù)或工業(yè)App，拓展“智能+制造+服務(wù)”，借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)賦能企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

2.1 裝備制造的智能生產(chǎn)管理

企業(yè)可根據(jù)需要部署云存儲(chǔ)架構(gòu)，利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)集中接入MES、ERP、OA等分散生產(chǎn)和信息管理系統(tǒng)，打破信息孤島，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)流的匯總分析，對(duì)比挖掘設(shè)備生命周期中涉及的工藝參數(shù)、制造信息、運(yùn)維數(shù)據(jù)等，閉環(huán)反饋至設(shè)計(jì)階段，基于云端虛擬環(huán)境，對(duì)裝備產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、分析和優(yōu)化。與此同時(shí)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的開放性和擴(kuò)展性，可以為裝備制造企業(yè)提供覆蓋產(chǎn)業(yè)鏈全過程的生產(chǎn)要素，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源的高效整合和共享。平臺(tái)提供的協(xié)同設(shè)計(jì)、協(xié)同制造、協(xié)同優(yōu)化能力，可助力企業(yè)降低生產(chǎn)成本、縮短制造時(shí)間，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2.2 基于智能網(wǎng)關(guān)和邊緣計(jì)算技術(shù)的智能裝備

先進(jìn)的水泥智慧工廠，往往需要對(duì)全場(chǎng)數(shù)萬個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中清洗轉(zhuǎn)換，挖掘內(nèi)在價(jià)值，并實(shí)施指令分發(fā)和協(xié)同，傳統(tǒng)模式將給網(wǎng)絡(luò)端和中心端帶來巨大壓力。依托傳感器、控制器等感知設(shè)備和智能網(wǎng)關(guān)，邊緣計(jì)算讓關(guān)鍵裝備能夠準(zhǔn)確感知自身狀態(tài)，為全流程數(shù)據(jù)感知網(wǎng)絡(luò)的建立提供了新的技術(shù)手段。具備邊緣計(jì)算能力的智能裝備可根據(jù)實(shí)際需要完成數(shù)據(jù)采集、清洗、分析、存儲(chǔ)、傳輸以及實(shí)時(shí)控制，云端中心基于大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別、專家優(yōu)化等方法，生成運(yùn)營(yíng)管理實(shí)時(shí)策略，下行完成對(duì)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(jì)算下沉減輕中心端壓力，更重要的是能夠靈活滿足客戶個(gè)性化需求，增強(qiáng)客戶運(yùn)維便捷性，顯著提升產(chǎn)品附加值。

2.3 設(shè)備管理與預(yù)知性維護(hù)

水泥工廠繁多機(jī)械裝備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和分析，對(duì)于生產(chǎn)線的高效運(yùn)行至關(guān)重要。數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)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(chǎn)經(jīng)營(yíng)成本。同時(shí)，異常數(shù)據(jù)的即時(shí)反饋，有助于降低企業(yè)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，最大化企業(yè)生產(chǎn)效益。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可通過狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、預(yù)知性維護(hù)、遠(yuǎn)程運(yùn)維等方面，全面提升企業(yè)設(shè)備管理能力，基于完善的維保計(jì)劃和工單流轉(zhuǎn)流程，豐富的維修知識(shí)庫(kù)，提高設(shè)備維修效率。更重要的是，裝備制造企業(yè)長(zhǎng)期從事實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的工藝、流程、技術(shù)、質(zhì)量檢測(cè)等有深厚的積累，可以結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景和分析需求，封裝工業(yè)技術(shù)知識(shí)形成工業(yè)App，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上發(fā)布運(yùn)行，為客戶提供能源優(yōu)化、故障預(yù)測(cè)、遠(yuǎn)程診斷、維保服務(wù)、備件物流等增值服務(wù)。平臺(tái)數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)又能夠幫助企業(yè)優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，提升服務(wù)品質(zhì)，顯著提升企業(yè)抗風(fēng)險(xiǎn)能力與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。

3 結(jié)語(yǔ)

水泥裝備行業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用目前仍處于起步階段，整體上仍面臨裝備智能升級(jí)改造緩慢、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)體系不完善、場(chǎng)景應(yīng)用深度廣度不夠、產(chǎn)業(yè)支撐能力不足、標(biāo)準(zhǔn)體系不完善、安全保護(hù)機(jī)制不健全等問題，各企業(yè)對(duì)如何構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系仍不明晰。但隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不斷推進(jìn)和深入，裝備制造企業(yè)可以以自身業(yè)務(wù)為核心，打造開放生態(tài)，拓展上下游產(chǎn)品、用戶、企業(yè)等產(chǎn)業(yè)鏈資源；聚焦裝備智能化提升、遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)和供應(yīng)鏈集成，延伸外部?jī)r(jià)值鏈，實(shí)現(xiàn)由水泥裝備制造商向制造服務(wù)商的轉(zhuǎn)型。