基于物聯網的干式變壓器智能工廠研究及應用

楊　青　李慶慶　胡清鐘　秦　赟

基于物聯網的干式變壓器智能工廠研究及應用

楊青1李慶慶2胡清鐘2秦赟3

（1.桂林君泰福電氣有限公司，廣西 桂林 541000；2.桂林電子科技大學，廣西 桂林 541000；3.桂林智工科技有限責任公司，廣西 桂林 541000）

文章應用物聯網技術，打通設計、裝配、設備、物料等各環節信息孤島，開發應用適用于干式變壓器制造智能化的互聯網技術，構建覆蓋產品全生命周期的整體應用架構；開發研究相應通訊接口技術，實現設備間的互聯互通；同時對業務管理、關鍵技術研發、產品生產等進行全方位優化升級，實現了干式變壓器生產方式由傳統的生產模式轉型升級為生產網絡化、生產過程透明化、生產數據可視化、生產現場無人化的智能制造模式。

物聯網；干式變壓器；智能工廠

引言

現今物聯網信息技術飛速發展，各行業利用物聯網技術互相聯通、高效協作。制造業目前在當今的經濟形勢推進下逐步復興。在工業4.0、工業互聯網、物聯網、云計算等新一代的信息技術快速發展下，世界上許多先進的生產公司也紛紛進行了工業數字化、智能生產的技術探索工作。以工業網絡信息技術、5G通信技術、物聯網信息技術、大數據分析技術、云計算與邊緣計算技術、AR/VR技術、人工智能技術和數字孿生技術等關鍵技術來實現數字驅動生產，新一代信息技術與工業的創新融合，以及以智能化、網絡化、自動化為核心特征的智能工廠模式正在成為產業發展和變革的重要方向[1]。

1 智能工廠系統研究的應用前景

實施傳統工業向智能制造轉型，是我國制造業實現制造智能化的重要路徑，也是加速智能制造技術進步的內在要求[2]。對干式變壓器制造中心進行智能制造開發，提升生產的自動化水平和數字化程度，并與上層軟件系統（sap、plm、aps），后端生產計劃（cs、mes）等數據打通，實現數字化設計、數字化排產，以及數據驅動設備的全自動生產運營模式，在提高生產效率的同時，也能為生產管理人員提供決策數據支持。將生產數據如計劃物料、設計數據具體參數、各動作實際生產運行參數反饋給MES，提升計劃精確度，減少生產的浪費。通過各個環節的系統軟件交互，形成數據閉環，助力數字化驅動轉型升級，打造“數字制造+自動產線”新業態，應用仿真技術建成數字孿生工廠，最終向智能化工廠轉變。

2 干式變壓器智能工廠系統架構設計

干式變壓器智能工廠系統的架構針對三大基礎要素：生產自動化、物流自動化、信息流自動化；兩大模擬仿真：產品設計仿真和生產工藝過程仿真；通過開發實施數字化手段：系統核心流程數字化；產品設計、制造全過程數字孿生，開發建設數字化研發板塊、數字化生產板塊、數字化管理板塊，實現干式變壓器生產方式由傳統的生產模式轉型升級生產網絡化、生產過程透明化、生產數據可視化、生產現場無人化的智能制造模式[3]。如圖1所示。

圖1 實現智能化要素

3　干式變壓器智能工廠建設

開發柔性化智能產線，通過智能生產單元降低勞動強度、改善制造能力。以一體化的生產運營系統驅動智能計劃調度、分析，推進制造、物流、質量、維護過程的全面數字化管控。研究開發軟件系統整體架構，實現從產品驅動到數據驅動的基礎，并通過數字化、智能化的探索、實踐，實現干式變壓器制造的智能化。開發應用以數字驅動為基礎的生產運營管理模式，完善基于數字化技術的設計、制造、服務流程，打造透明化、精益化的生產管控流程，縮短交付周期、降低運營成本、確保有效決策，建立持續優化的信息化管理體系。研發干式變壓器智能制造通過建設工業互聯網平臺，并將其應用到干式變壓器制造智能化中，實現數字化研發板塊、智能化生產板塊、智能化管理板塊，從而實現覆蓋產品全生命周期的數據互聯互通。

工業互聯網平臺的構建實施依據國際標準，結合智能化工廠的系統架構體系進行設計，Vportal是整個工業互聯網集成的核心軟件。在所有通信過程中，Vportal系統都充當集成代理，并用作通訊中間件，以使雙方（發送/接收）系統能夠快速進行通信。Vportal中間件主要提供一個統一的調用平臺，標準化每個系統的調用模式和數據格式，有助于快速實現各種系統之間的調用，節省開發成本，消除技術障礙，縮短開發周期，減少維護成本。以下對互聯網平臺開發方面進行介紹。

3.1 數字化研發系統

結合智能化工廠的系統架構體系設計數字化研發系統，其架構圖如圖2所示。

圖2 數字化研發系統架構圖

（1）產品研發、工藝研發“全面”應用軟件，實現研發過程的信息化；

（2）合理劃分產品研發、工藝研發、制造工程、生產計劃職責，實現研發、工藝信息傳遞自動化，研發、工藝、計劃信息生成過程自動化；

（3）產品研發的數字孿生實現研發的精確化；

（4）支撐生產計劃實現優化排程，定時、定點、定量、定速，實現混線生產，各種資源優化匹配，產線中80%為非標產品；

（5）為實現生產計劃及生產過程的數字孿生奠定產品數字信息基礎。

研發內容和步驟：數字化研發包括PLM管理系統、CAPP系統以及智能設計系統，具體實施步驟如下。

（1）升級數字化研發的核心：PLM-Windchill。用以優化產品研發過程及交付管理、產品結構管理、設計文檔管理、生命周期及工作流程管理、工程變更管理、零部件高級分類管理、增加工藝規劃管理、CAD集成、Inventor集成、OA系統集成、SAP及MES雙向集成管理等業務方面[4]。主要包括以下產品和功能模塊：Windchill PDMLink（產品數據管理）升級優化、Windchill ProjectLink（產品研發項目管理）升級優化、Windchill PartsLink（零部件高級分類及重用管理）升級優化、ProductView Professional Edition（可視化瀏覽器）升級優化、ProductView Adapter for Office（Office可視化轉換器）升級、Windchill Workgroup Manager for AutoCAD（AutoCAD數據管理集成接口）升級改進、Windchill Workgroup Manager for Inventor（Inventor數據管理集成接口）升級改進、Windchill Workgroup Manager for Solidwork（Solidwork數據管理集成接口）升級改進、Windchill MPMLink（工藝規劃管理）新增實施，這些產品及功能模塊可實現質量文檔管理升級和異地協同設計升級；應用系統集成有SAP，需要升級優化，并增加多個系統接口。

（2）統一的數據交互平臺Jst-Vportal（研發、生產、管理）。通過數據中間件Vportal，為所有系統提供數據交互平臺。如圖3所示。

圖3 智能制造數據交互集成圖

Salesforce與其他外部系統交互，通過中間件Vportal進行集成交互。主要包含的內容有：

通過中間件與智能平臺進行集成，Salesforce系統將詢價請求、詢價項目簽訂合同、投標項目信息推送到智能平臺，智能平臺系統將報價單，運輸費用核算推送到Salesforce系統。

通過中間件與SAP-ERP系統集成，Salesforce系統將客戶數據、訂單數據、合同數據、發貨申請、客戶信用數據、認賬數據同步到SAP-ERP系統，SAP-ERP系統將客戶信用數據，客戶貸款數據，客戶收款數據，產品信息同步到Salesforce系統。

通過中間件與生產制造系統集成，可以通過CRM的訂單頁面直接跳轉到生產制造系統查看生產進度。與天眼查系統集成，天眼查系統提供接口給Salesforce系統調用，能夠獲取企業信用信息。與高德地圖集成，高德地圖集成，獲取地理位置信息，滿足打卡簽到，考勤。

通過中間件與微信系統集成，終端客戶可以通過微信公眾號進行在線提交個案，Salesforce能夠推送處理結果給客戶，內部用戶可以收到相關數據的審批結果。

（3）規劃整合研發版塊所有業務流程。通過規劃整合研發版塊涉及的各種業務流程，整合產品信息管理及工藝規劃的數據流程和實現要求。

（4）流程優化與改進。一是從產品圖紙管理為主，以產品物料管理為核心，重構PLM系統的分類機制和物料管理機制，實現產品機構化信息到工藝結構化信息的傳遞基礎。二是規范產品結構要求，以BOM為主線，以三維設計模型為基礎實現產品設計結構化。三是實現產品結構到工藝結構規劃的管理。四是實現工程設計前端的信息集成。五是實現研發設計通過虛擬樣機驗證后，快速拓展到工程智能設計。六是利用自主研發平臺實現系統信息的傳遞和權限控制管理。

通過IMS自主研發的管理平臺實現設計數據信息的傳遞，通過權限控制實現產品信息的有效管理，實現產品信息的安全和可控。

3.2 異構協議數據解析

各種傳感器和設備信息需要通過各種不同的協議實現數據接入。協議轉換分為兩個方面。一方面運用協議解析、中間件等技術兼容ModBus、OPC、CAN、Profibus等各類工業通信協議和軟件通信通信接口，實現數字格式轉換和統一。另一方面利用TCP、HTTP、MQTT等方式從邊緣層將采集的數據傳輸到云端，實現數據的遠程接入。

工業互聯網平臺針對當前網絡轉發設備難以快速應對不斷出現的新型網絡協議的現狀，設計了一種支持異構協議的異構協議解析器。異構協議解析器是通過數據通信進行設備采集信息及控制反饋信息的交互，實現信息采集處理與遠程設備管控，需要按照相關協議格式與底層設備進行數據通信。由于設備及通信信息種類繁多，通信協議多樣，存在不同類型的協議幀格式，導致數據預處理的復雜度增大。

基本協議解析是識別數據報頭部和提取數據字段以供后續數據處理的過程。協議解析器模型在此基礎上進行擴展，按照數據的流入、處理、流出，可分為三大主要模塊：異構數據接入層、譯碼層、標準數據交互層。

異構數據接入層與數據采集端進行交互，完成UDP異構數據報接收。譯碼層進行數據報匹配及解析處理，詳細設計分為決策組件和適配組件。決策組件是模型的檢測機構，鑒別報文合法性；適配組件將已通過檢測的報文進行模式適配，匹配XML 配置文件中定義的解析模板，完成報文解析。標準數據交互層負責將數據發送到管控系統后續的數據處理服務器做進一步的數據存庫與推送。

基于可擴展低耦合的設計思想，此協議解析器模型采用具有自描述性語言XML 表現協議格式與內容，采納設計模式思想，設計出可根據解析對象格式通過XML語言自定義協議解析規則，實現異構協議動態匹配，使其可在不重新編譯情況下，通過XML配置文件和解析模塊少量代碼的修改，實現將異構協議動態解析為標準協議。模型獨立性強，可擴展性好，可解決數據通信中異構協議數據的交互問題。如圖4所示。

圖4 協議解析器模型圖

3.3 虛擬化云計算管理平臺架構

虛擬化云計算管理平臺架構分為三部分：基礎設施資源池、資源管理平臺、業務服務管理平臺。其中基礎設施資源池內包含多個虛擬服務器，虛擬服務器用來支撐存儲與虛擬網絡的數據互通。資源管理平臺的職責在于對物理設備和虛擬化資產進行一體化的管理和調度，以創建統一的資源池，并實現基礎設施即服務（IaaS）的可管理、可控。其核心在于實現對每個資源單元的生命周期管理，以及資源管理和調度能力。

資源管理平臺需要物理設備和虛擬化資產進行完整的管理和監控。這包括對物理資源（如CPU、內存、硬盤等）和虛擬資源（如虛擬機、網絡、存儲等）進行全面的監控、分配和調度，以便于將它們統一地匯集到資源池中。其次，資源管理平臺需要實現對資源的生命周期管理。這包括資源的創建、配置、部署、啟動、運行、維護、刪除等各個環節的管理與掌控，以確保資源的有效利用和高效管理。此外，資源管理平臺還需要具備靈活的資源調度和優化能力。在實際應用中，可能會出現資源瓶頸或負載不均衡等情況，因此，資源管理平臺需要根據當前系統狀態，對資源進行智能分配和優化，以提高系統的性能和可靠性。資源管理平臺有三個主管理模塊，分別為資源調度管理、模塊管理、接口管理。資源調度管理模塊用于多資源的部署、調度以及回收，平臺接口配置劃分到接口管理模塊中由平臺統一調用[5]。平臺內部所使用模板在模板管理模塊內實現生命周期的管理編輯。資源管理平臺的四個子管理模塊分別為資源生命周期管理、虛擬自動化部署、虛擬機彈性提供能力、資源監控度量[6]。頂層架構為業務服務管理平臺。業務管理平臺實現業務服務、業務流程、計量、用戶四個主業務模塊管理。業務管理平臺的職責是將基礎資源封裝成多種服務，以便于用戶使用，實現基礎設施即服務（IaaS）的高效運營。其中，業務服務管理旨在通過對底層資源進行組合與打包，形成供最終用戶使用的各項業務和服務；業務流程管理則致力于配置與管理用戶注冊、認證、服務開通、使用、計費以及結算等流程；計量管理則根據資源監控與度量采集的歷史數據統計用戶對資源的使用量；用戶管理主要負責管理用戶身份認證、業務訂購關系等任務[7]。如圖5所示。

圖5 虛擬化云計算管理平臺架構圖

4 結束語

通過上述技術的開發應用，有效地監控了干式變壓器的運行情況，提高了工廠的安全性，降低了人員成本，提高了管理效率。實現了質量可視化管理、生產過程智能化管理和自動化生產，提高了干式變壓器的生產效率，提升產品質量。同時，物聯網技術在干式變壓器智能工廠系統中的應用還存在一些挑戰，如數據傳輸的安全性、數據分析的準確性和系統集成的復雜性。今后，將繼續探索物聯網技術在干式變壓器智能工廠系統中的應用，力爭使其更加安全、高效、智能，為電力行業的發展做出重要貢獻。

[1]王子宗，索寒生，趙學良，等. 數字孿生智能乙烯工廠研究與構建[J]. 化工學報，2023(3): 1175-1186.

[2]陳耕，董昱偉. 窄帶物聯網技術在銅冶煉工廠中的應用實踐及前景展望[J]. 有色金屬(冶煉部分)，2020(2): 9-13.

[3]毛煥宇，張果. 基于物聯網的智能工廠供應鏈共享平臺設計[J]. 電子設計工程，2020，28(9): 76-80.

[4]趙軍富，李建軍. 基于物聯網數字工廠與智能工廠的整合研究[J]. 制造技術與機床，2020(4): 20-25.

[5]丁凱，陳東燊，王巖，等. 基于云—邊協同的智能工廠工業物聯網架構與自治生產管控技術[J]. 計算機集成制造系統，2019，25(12): 3127-3138.

[6]LEE C K M, ZHANG S Z. Development of an industrial Internet of things suite for smart factory towards re-industrialization in Hong Kong[J]. International Workshop on Advanced Manufacturing and Automation, 2016, 5(4): 320.

[7]LIN P, LI M, KONG X T R. Synchronisation for smart factory-towards IoT-enabled mechanisms[J]. International Journal of Computer Integrated Manufacturing, 2017, 31(11): 1-12.

Research and Application of Intelligent Factory for Dry-Type Transformer Based on Internet of Things

The article applies Internet of things technology to break through information silos in various aspects such as design, assembly, equipment, and materials, and develops and applies Internet technology suitable for the intelligent manufacturing of dry-type transformers, constructing an overall application architecture that covers the entire product lifecycle; develop and research corresponding communication interface technologies to achieve interconnectivity between devices; at the same time, business management, key technology research and development, and product production are optimized and upgraded in an all-round way, realizing the transformation of dry-type transformer production mode from the traditional production mode to the intelligent manufacturing mode of production networking, transparent production process, production data visualization, and production site unmanned intelligent manufacturing mode.

Internet of things; dy-type transformer; smart factory

TM412

A

1008-1151(2023)07-0100-04

2023-04-19

廣西重點研發計劃（桂科AB22080029）；廣西礦粉加工過程控制及裝備工程技術研究中心（桂科基字〔2021〕66號）。

楊青（1973－），男，湖南常德人，桂林君泰福電氣有限公司高級經濟師，研究方向為企業數字化轉型與經營管理。

胡清鐘，男，桂林電子科技大學高級工程師，研究方向為大數據、計算機網絡。