基于物聯網技術的設備運維在高爐的實踐

李昕洋，李玉光

（1.華北理工大學管理學院，河北唐山 063200；2.首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北唐山 063200）

0 引言

近幾年來網絡通信技術、射頻技術、傳感技術等技術不斷進步，促使物聯網技術日趨成熟。隨著“中國制造2025”概念的提出，物聯網技術在工業智能制造領域的應用也迎來了快速發展[1]，成為最具探討的設備管理手段之一。特別是2020 年新型冠狀病毒肺炎疫情以來，連續型生產企業的生產秩序受到了嚴重的影響。疫情之下居家辦公、輪換辦公的工作模式逐漸興起，越來越多的企業開始引入信息化技術，注重設備的遠程監控、維護和管理等功能的開發與實踐。尤其在大高爐的運維過程中，管理人員能夠利用手機APP（Application，應用程序）、網頁或遠程登錄客戶端的方式，實現對工藝環節的過程監控和設備故障的在線診斷，這為故障的快速處理節省了較多時間，也為設備管理提供了新的思路與方法。

1 物聯網技術及其發展歷程

1.1 物聯網技術的定義

物聯網是以網絡互聯技術為基礎的，實現信息采集、傳遞和處理等功能的技術總稱。從結構上可分為：、感知層、網絡層和應用層[2]。感知層是指對通過傳感器技術、射頻識別技術、定位技術等方法實現對物體狀態的全方位感知。網絡層負責將獲得的物體狀態進行傳遞，即作為傳輸通道將感知層和應用層進行數據聯通。把數據的存儲和分析處理從本地向云端轉移，通過云端的發布使管理者在任何位置同步獲得本地設備的各種狀態。應用層主要履行分析數據、管理數據和加工數據的職能，并形成有效的策略反饋給管理者去決策。在云計算、云存儲、大數據等技術的發展下，應用層的功能更加豐富和可靠，這也為智能制造領域提供了更具實用性的解決方案。

1.2 物聯網技術的發展歷程

回顧近幾年物聯網技術的發展歷程，其理論和實踐的創新離不開基礎技術的提升，這使得物聯網技術在工業領域更具使用價值。

（1）網絡通信速度和質量的提升。近年來，隨著4G、5G 網絡技術相繼投入使用，廣域網的速度正逐步實現從MB 級向GB級的跨越式發展[3]。實現本地與互聯網數據庫的快速、穩定、高質量的通信，為云計算、云服務創造了最基礎的條件。它改變了設備管理人員掌握信息的方式，使分散在工業現場的數據更加容易被獲取，便于后續分析和挖掘數據，并形成指導策略。

（2）傳感器技術的發展。傳感器是感知層的主要設備，由多樣化的采集和控制模塊組成[4]。傳感器作為采集設備狀態的入口，是建立起設備狀態測量系統的基礎。近幾年來傳感器在采集精準度、數據傳輸方式、便攜性等方面有了較大提升，其為建立測量系統分析提供了有力的數據支持，成為越來越可靠的過程控制和系統監測的手段。

（3）應用功能的不斷豐富。通過物聯網技術可以實現物與物、人與物之間的無障礙通信，且能夠適應多種終端特點實現了在互聯網基礎上進行的拓展和延伸[5]。從現場基礎自動化的數據采集到最終實現云端的數據存儲和分析，基于云服務系統開發的分析工具使設備管理更加多元化，豐富的功能為設備狀態分析提供了有力的保障。

2 物聯網技術在設備運維中的實踐

2.1 基于物聯網技術的設備運維方案的發展

鋼鐵行業中設備巡檢所使用的傳感器設備，經歷了從人工測量向在線式連續測量的轉化。在網絡不發達的年代，DCS 系統能夠完成本地的數據處理，并通過調整執行設備的控制參數，實現生產的自動化運行以及設備狀態的本地采集。在無線通信技術的結合下，新型的傳感器能夠將信號傳輸到網絡中進行共享，幫助設備管理人員更加便捷地感知生產狀況，全方位的了解設備運行狀態，在設備狀態監測、設備故障應對方面帶來了極大的提升。

近幾年來，鋼鐵行業在基礎自動化和過程自動化等方面發展較快，生產線的自動化、智能化水平都有了較大的提升，生產效率和連續作業效率都有了大幅提高，也為鋼鐵行業與信息通信技術融合提供較好基礎。目前物聯網技術在鋼鐵行業主要還是以外圍設備為主，常見的有安防系統、人力簽到系統、物流管控系統等，在過程控制以及設備管理方面缺乏深入的實踐和應用。

2.2 基于物聯網技術的設備運維方案的實踐案例

物聯網技術是鋼鐵行業智能制造轉型的最佳載體，它連通了傳統自動化控制系統和云服務平臺，不僅能在網絡客戶端上實現對生產、設備運行狀態的實時監控，還能通過更為強大的云端設備為參數調整提供建議。但從實踐歷程來看，國內大多數企業尚處于初步階段，沒有形成完整的物聯網體系，實踐的具體實例也較為分散。以某鋼鐵廠為例，其嘗試主要來自于以下3 個方面：

在實踐中要提高重視程度，從教學基礎設施入手，對教學中需要的教學設備進行不斷的完善和補充，使得基礎設備得到極大的更新，為學生學習活動的展開提供必要的物質基礎。比如說引進新時期的信息技術，創新聽力教學模式，在實踐中為教師充分利用網絡資源打下堅實基礎，實現課堂教學多樣化，提高學生的“聽”能力。

2.2.1 基于本地數據庫開發的高爐生產數據在線監控系統

由于高爐是連續型的生產模式，管理人員需要隨時掌握生產和設備的運行情況，例如風量、煤量、氧量、料線等，根據生產、設備的變化及時做出應對。過去，管理人員需要電話聯系操作員，通過電話溝通或者傳遞照片等方式，將實際的工況口述出來，這種方法不僅浪費時間，而且往往因溝通或描述差異等問題，影響信息傳遞的準確性和時效性，造成現場處理問題不及時，甚至是處理的決策產生偏差。

基于已經實現的本地高爐生產數據系統，經過Web 服務器建立與移動端的連接，將曲線實時顯示到移動端。在移動端，注冊用戶需要提交注冊審核，待通過用戶管理頁面審核后才能正常登錄使用移動端APP。移動端使用的HTML5、CSS、JavaScript 混合編程，并采用JqueryMobile 前端框架，使畫面簡潔美觀，同時使用Cordova 對應用進行封裝，達到跨平臺的目的（圖1）。

圖1 手機端高爐實時運行曲線

隨著移動信息化技術的進步，管理人員已經可以實現在任意地點任意時間對工業現場數據進行監視，這既是工業與信息化的融合的體現，也是智能制造的發展需求。

2.2.2 布局無線采集設備開發的環境監測系統

設備大型化、智能化是未來發展的趨勢，大型化的設備對于企業提質增效具有較大意義。但同樣大型化的設備也意味著多數設備沒有冗余系統，因此其運行穩定性必須要有足夠的保證。從設備運行穩定性角度考慮，通過日常的點檢完成對設備運行的評價與監測是十分必要的（圖2）。

圖2 運行環境狀態無線采集裝備系統

2.2.3 與設備廠商共同開發、完善的單體設備在線管理系統

基于設備廠商開發的APP，設備管理人員對其監測內容、報警方式等進行優化，最終形成完善的管理系統。通過監控重點設備主回路的開關狀態，將此類設備的運行狀態發送給云端數據服務器，最后由APP 或短信息推送給設備管理人員。在收到信息后能夠第一時間，設備管理人員能夠做出應對或根據推送的設備故障信息及時提出檢修方案和恢復方案（圖3）。

圖3 單體設備運行情況及報警信息

以該高爐除塵風機、熱風爐助燃風機等變頻傳動系統為例。該高壓變頻器通過PLC 將采集的現場實時數據，通過4G 網絡與云平臺進行數據通信，管理人員使用管理APP 能夠讀取云端數據，遠程監控高壓變頻器的運行狀態，如變頻器當前運行頻率，電動機的運行數據，變頻器的輸入電壓、電流、轉速等數據；查看每個變頻功率模塊的運行狀態，例如模塊是否旁路、是否發生驅動、過壓、過流、缺相等故障。根據這些數據，設備人員能夠在故障時，及時對現場問題進行分析，即使不在生產現場，也能指導維護人員進行檢修和處理，減少了故障處理的等待時間。

3 設備運維方案實踐中的不足

該鋼鐵廠雖然整體自動化程度較高，生產運行、設備管理、環保控制均處于國內先進水平，但從對物聯網技術的應用來看，尚處于起步階段，雖然能夠做到對重點生產參數、重點設備的實時監控，但也面臨著很多不足。

（1）數據覆蓋不足。由于在高爐的設計階段，從數據處理層面缺少對采集數據、存儲數據、以及共享數據等功能的考慮，導致物聯網技術應用的基礎較差。而提高數據覆蓋率，需要從重新設計方案并投入較多資金，導致整體推進較慢。

（2）管理功能單一。目前僅能實現實時數據的監控和歷史數據的查閱功能。無法深度挖掘數據，并對生產控制和設備運行提出更專業性的建議。特別是在故障判斷時，僅能查看故障信息，無法結合實際的運行參數協同分析，仍然需要維護人員到現場的工控設備上查看具體的參數和報警信息。此外，部分設備的運行穩定性較差，存在采集不準確或刷新不及時等問題。

（3）系統之間協議不統一。由于眾多企業在研發設備運維相關的程序和分析工具時采用的軟件或協議不同，很難在數據上實現互通，導致對設備運維的分析形成了信息孤島，無法有效融合。

（4）網絡安全問題。數據共享是實現物聯網技術最重要的環節，因此物聯網的信息安全尤為重要。無論是設備故障本身還是程序的漏洞，都有可能被黑客攻擊造成信息的泄露，例如該企業曾經發生過的永恒之藍、勒索病毒等，對過程控制造成較大影響。這也是多數企業不愿推進物聯網技術的原因，畢竟與采用先進的網絡技術相比，企業更傾向于穩定生產，保證自身的平穩運營。

4 設備運維方案的建議

我國的鋼鐵行業正在經歷著由傳統工作模式向智能制造轉變的過程。很多企業雖然通過引進先進的技術和設備，對產品質量的提升、產能的提高都有較大的幫助，但受生產規模大型化、成套化的局限，很難在原有設備運行的基礎上與物聯網技術有效融合。特別是對于高爐冶煉而言，工藝技術成熟、運行穩定，設備選型更傾向于穩定、可靠型，所以在此基礎上與物聯網技術融合需要更為復雜的實施方案。

（1）數據采集方面，方法主要分為兩種：一種是使用無線傳感設備采集，通過匯聚端接收數據最終由PLC 上傳至數據庫，這種方法比較適合現場采集點分散、距離較遠，原系統拓展性差等特點，但同時投入也相對較高；另一種是通過基礎自動化系統，直接由PLC 的遠程站采用有線傳感器采集設備狀態。這種方式需要原系統有較多的備用點位，或是基礎自動化系統拓展性較好，但實際施工更復雜。

（2）功能開發方面，要從實用性角度出發，減少不必要的功能。管理人員通過手機客戶端、互聯網網站能夠實現遠程登錄，查看設備運行情況，重點參數的變化趨勢，甚至是根據運行數據獲得最佳的維修建議。

（3）開發協議方面，目前技術體系的構建不夠完善[6]，缺乏統一的標準，使得應用功能多種多樣。企業作為系統方案的發起者，要提高站位統籌考慮功能的布局，無論是從開發工具還是通信協議方面都要進行規范化要求。

（4）網絡安全方面，一是注重對獲取數據用戶的審核監管，通過認證技術保護企業數據不被竊取；二是注重網絡對本地信息的寫入保護，強化系統的入侵響應，通過對進程的監管，保護系統不被木馬入侵；三是減少直接決策性功能的使用，云端的數據分析和決策方案作為重要的參考手段，最終的決策執行由本地操作員進行，避免非法用戶惡意篡改。

5 總結與展望

基于物聯網技術的設備管理創新模式正在高爐的運維中迅速發展，它的應用范圍也會越來越廣。特別是隨著環保壓力的日趨嚴峻，退城搬遷、產能置換為鋼鐵企業的發展帶來了嚴峻的挑戰，但同時也為其在信息化、智能化的發展道路上帶來了新的機遇，新技術的應用也將會推動整個高爐控制技術向智能化發展。如何使企業管理人員和設備維護人員更好的通過網絡手段實現對本地設備進行實時監控，并根據數據變化提早做出應對、決策或對故障的原因做出分析和處理，是開發人員和企業人員需要不斷嘗試與探索的。這對于工業行業而言，特別是鋼鐵等連續型運轉行業意義重大。