基于supOS+工業APP模式的智慧工廠建設

doi：10.3969/j.issn.1672-6375.2023.11.001

摘 要：在“中國制造2025”背景下，傳統工業企業紛紛立足自身實際，通過高端化、智能化、綠色化改造來實現企業的轉型升級。以supOS工業互聯網平臺為支撐，可以實現工業控制系統、信息化系統等在統一的平臺下運行，達到工廠數據采集、集中控制、可視化管理、智慧化運營的目的。嘉峪關大友企業集團嘉鎂鈣業公司通過“三化”升級改造，建設基于supOS+工業APP模式的智慧工廠。本文論述了項目建設內容、項目建設方案和項目運行效果，相關成果對于同類型工業企業“三化”升級改造具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：supOS；工業APP；智慧工廠；建設

中圖分類號：TP302.1" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

為貫徹落實國家及甘肅省“高端化、智能化、綠色化”傳統產業轉型升級，全力推進工業企業“三化”改造，實現制造業高質量發展。嘉峪關大友企業集團嘉鎂鈣業公司緊緊圍繞“三化”升級改造項目，對自動化、信息化、智能化進行改造升級，打造基于supOS工業互聯網操作系統的智能管控一體化平臺，提升企業自動化、信息化、智能化水平，提高生產運行效率，提升企業本質安全建設，助推企業高效生產管理。

1 項目建設內容

項目立足于為將來打造智慧工廠奠定堅實基礎，以基于supOS工業互聯網平臺為支撐，建設7個子系統，主要包括智慧工廠平臺、數據庫、三維工廠模型、可燃氣體（水封液位）在線監控系統、視頻集中監控和報警系統、物料智能化計量系統、工業以太網升級改造等7個子系統。系統拓撲圖如圖1所示。

2" 項目建設方案

2.1 智慧工廠平臺

工業互聯網是新一代信息通信技術與現代工業技術深度融合的產物，是工業企業自動化、數字化、網絡化、智能化的重要載體^[1]。工業互聯網三大要素包括網絡、平臺和安全，supOS是國內首個具有自主知識產權的工業操作系統。

supOS工業操作系統以企業為核心，以工廠信息化集成為突破口，實現設備的互聯互通、多元數據采集、對象化模型組織、工業APP微服務化、垂直業務領域應用等，構建企業級工業大數據平臺、工業人工智能平臺、開放工業數據接口、工業大數據和人工智能場景式應用^[2]。supOS平臺以集成化、數字化、智能化手段，解決生產控制、生產管理和企業經營的綜合問題，打造服務于企業、賦能于工業的智慧大腦^[3]。

supOS工業操作系統基于工業5T技術融合（PT-工藝技術、ET-設備技術、OT-運營技術、AT-自動化技術、TT-信息技術），將大量工業技術原理、行業知識、基礎工藝、模型工具規則化、軟件化、模塊化，并構建為可重復使用的平臺內置微服務組件。第三方應用開發者可以面向特定工業場景開發不同的工業APP，進而構建基于supOS平臺的產業生態。

項目采用“supOS+工業APP”創新模式，在統一的數字底座上，快速搭建工業APP，統一管理工廠生產全流程，可在移動端根據不同的用戶權限對生產工藝數據進行實時跟蹤、查看、指導。將原來的分散操作室合并成一個集控中心實現集中控制，最大限度地提高生產管理效率。智慧工廠平臺具體功能如下：

平臺為在線生產過程、數據采集及分析、視頻監控、可燃氣體報警、物資計量提供全面集成。

全廠實時數據統一采集、集中存儲、多級應用，對生產運行狀況實時監控、分析，詳細記錄歷史數據、運行趨勢。通過工藝流程圖可以查看工藝及設備參數、各點位變化趨勢，支持歷史回放，便于管理人員隨時掌握生產線運行狀況。

提供在線數據統計分析，打通各子模塊之間的通信，消除信息孤島，實現供產銷一體化。

自動生成設備運行報表、生產報表、物資計量報表、質量報表，提高生產管理水平，降低崗位人員勞動強度。

2.2 數據庫建設

supOS數據采集軟件能夠滿足工業企業信息化集成、數據管理的需求，系統提供多種工業標準數據協議接入能力，如OPC、Modbus TCP、Modbus RTU、IEC 104等，滿足國內外主流廠家的PLC、DCS、SCADA等系統的實時數據接入。實現數據實時采集并傳輸給supOS平臺進行實時數據集成、處理和歸檔以及生產指標統計等應用所需。

采集軟件具有與智能設備、異構系統的實時通信、數據采集、即時顯示、即時反饋、自動傳輸功能。為現場數據的真實性、有效性、實時性、可用性提供了保證，為實現集控制、優化、調度、管理、經營于一體的新模式應用奠定了數據基礎。

廠內有2套DCS控制系統需要接入supOS工業操作系統，實現數據的集成與融合，DCS連接supOS數據采集軟件將數據傳輸至supOS服務器，通過supOS工業操作系統可以將數據在多個網段上進行Web發布，用戶可以在公司辦公網絡與Internet網絡上通過PC、手機或PAD等移動端進行訪問。

supOS平臺支持與第三方數據庫之間的通信。在supOS平臺導航欄中“全局配置”下的“數據源管理”選擇新增來選擇需要連接的第三方數據庫的類型，如Oracle等。選擇數據源類型后，彈出相應的配置界面，依次填入正確的數據庫配置信息。也可以直接查詢使用第三方數據庫，或者以服務方式調用第三方數據庫。具體功能如下：

進行實時數據查看、歷史數據追溯，數據可以在系統中自動處理、計算，最終形成可用于直接分析生產的數據。

通過數據庫，可實現自動對各類數據進行處理、計算，最終生成報表，減輕了人工統計報表的工作量。

數據可永久存儲。數據庫報表可自動統計，電機、化檢驗報告單、物資計量單由原紙質報表統計方式升級為電子報表統計方式。

2.3 三維工廠數字模型

根據現場實景，應用先進的3D建模技術，建造三維數字化模型^[4]，立體展示建筑與設備物理分布情況，如實描述和反映建筑、設備的實體關系，提供準確的全景展示。包括四大展示模塊：可燃氣體報警、視頻監控、設備及儀表運行參數、運營管理。

運營管理包含各類產品銷售達成情況、物資循環利用情況、能源消耗情況、原料及燃料采購達成情況、廠區記事等內容。全景呈現工廠整體運營概況，包括生產各環節的指標看板、狀態、趨勢，可直觀掌控整體生產運營情況，整體展示工廠能耗使用情況及趨勢，物料投入情況及趨勢，出貨情況及趨勢等。

視頻管理包括展示當前廠區內各類視頻攝像頭工況狀態及可用情況，可按照名稱或編號在三維場景內搜索定位需要查詢的設備位置。

智慧生產包括展示廠區內氣體、水位監測告警列表，可直接關聯三維場景內的對應設備位置，分別展示氣體監測和水位監測設備的總數及可用數量，分別展示氣體和水位告警發生趨勢情況。

2.4 物料智能化計量系統

將廠區現有的汽車衡通過加裝部分硬件、軟件，改造成能實現自動化、無人值守、無紙化的自動化稱量系統，并將計量數據實時轉發至在建的智慧工廠平臺保存記錄，以實現縮減崗位、提升計量效率、提升資產管理水平的目的。

硬件改造主要包括：自動車牌識別門禁閘機、車牌識別攝像機、駕駛室監控攝像機及車輛貨艙監控攝像機、稱量顯示屏、司機自助操作終端、磅房紅綠燈及照明設施。軟件改造主要包括：自助智能稱量控制軟件、網上自助委托發單系統、稱量過磅數據與智慧工廠平臺的對接。

通過以上改造，計量數據能自動推送至智慧工廠平臺進行分類統計，系統具備車牌識別、門禁自動啟動、進出車輛全方位監控等功能。同時系統與酒泉鋼鐵集團公司Pick系統接口對接，建立標準的計量業務數據平臺，實現了計量業務數據的規范化、電子化和集成化。

2.5 可燃氣體報警系統

將廠區內分布在各個區域的共計24個一氧化碳報警器數值，宏匯區域 6個一氧化碳報警器數值，新增的24個一氧化碳報警器數值，各水封的液位數值，共計54個報警器、水封液位計進行聯網，最終實現全廠報警控制系統在中控室組態化顯示統一控制，同時信號傳輸到煤壓站控制室顯示，另2路數據分別對接到嘉鎂鈣業公司新建的“智慧工廠平臺”和云端氣體安全集中監控平臺進行集中存儲、展現。

系統分布面廣，覆蓋所有重點區域。報警點位實時監測數據被推送至智慧工廠平臺，進行統一管控，可及時檢測煤氣泄漏點、泄漏數值并在三維工廠模型上顯示報警信息，降低了崗位人員巡檢的工作量，且可燃氣體報警器靈敏度高，具有較高的安全性。

在嘉鎂鈣業公司工業互聯網多協議基站設置空中接口、NB-IOT 空中接口、Lora無線通信接口，除滿足當前需要外，兼顧未來三年嘉鎂鈣業公司物聯網擴展能力。云端數據顯示功能，提供電腦版和手機版的云端組態，包括氣體報警器云端組態開發（電腦版+手機版）；數據可視化展現云端開發。

2.6 視頻監控系統

視頻監控系統是現場重要的安全監控措施，監控充分考慮生產、安全、消防、環保等部門應用及安全管理總體布局需求，統籌規劃視頻監控系統的建設、應用、管理和維護。采取科學的監控點布建原則，對廠區內視頻監控系統實現精細化全面布局，對關鍵部位、治安死角盲區加大監控點部署的密度，實現對重點區域的全覆蓋。

新增138個監控點，全廠共計192個監控點。監控畫面清晰，監控點位覆蓋面大，實現監控畫面集中管理，分區域展示。采用VXLAN技術實現了視頻監控網絡與辦公網絡之間的邏輯隔離，同時，也能實現兩者之間的互聯互通，杜絕了視頻監控網絡的信息孤島。

對重點危險源：煤壓站、皮帶通廊選用智能攝像機，支持越界報警功能；重點場所：中控樓、電磁站安裝智能門禁，通過人臉、指紋識別進入，門禁系統管理主要實現重要場所出入口安全管理，對門禁資源、卡片、人員、權限、報警等進行一體化管理。對重點設備、重要交通路口、人員、物資安全起到有效監控。系統支持手機等移動終端實時瀏覽監控畫面及錄像回放。

2.7 工業以太網

為了實現上述各項平臺及功能模塊，服務器、存儲器將成為確保上述平臺穩定運行最重要的基礎架構。服務器、存儲器的架構設計，直接關系到各應用的可靠性，關系到工廠的正常生產。因此服務器、存儲器的架構設計充分考慮了整個系統的可靠性、可用性、可維護性和可擴展性。

項目新增6臺服務器設備，一套存儲設備，考慮到服務器設備資源的高效利用及容錯冗余，物理服務器單臺使用無法很好地滿足上述需求，因此，將3臺聯想SR860P服務器組建一套VM虛擬化系統，解決物理服務器存在的故障隱患大，維護難度高，資源利用率低等問題。

充分利用虛擬化技術帶來的便利，縮短因為服務器故障、檢修而造成的停機中斷時間，提高服務器利用效率；具備靈活擴展的能力，為未來的服務器及存儲需求隨時提供相對獨立的計算和存儲資源，不會造成每上一個系統或者軟件，就要購買一次服務器的問題，避免重復投資。

網絡安全方面，在企業內網和互聯網之間增加防火墻，有效預防和對抗網絡風險，提高企業網絡安全水平。同時，在工業以太網與信息網絡之間部署工業防火墻，增強工業網絡的防護水平。將原有百兆網絡升級為千兆網絡，運行速率大大提升，確保工業互聯網系統穩定運行。將原有的4芯光纖升級為12芯光纖，增加了光纖冗余量，具備熱備雙鏈路冗余鏈路，提升了網絡系統的承載能力和穩定性。

3 項目運行效果

3.1 提升本質安全水平

通過建設可燃氣體在線集中監控系統和視頻監控系統，實現人員越界報警、門禁人臉識別、歷史事件追溯等功能，可對重大危險源點和危險區域嚴格管控。

通過建設物料智能化計量系統，實現無人計量、自動過磅。提升物資計量監管水平，有效防范物資流失風險，保證進出廠物資安全。

3.2 便于生產運營管理

建立大數據中心，通過各種圖表反映生產運行指標，直觀體現企業的運營情況。

對各類數據信息定時自動采集、記錄，避免人工錄入數據的延遲和誤差，確保數據時效性、準確性。

通過搭建數字模型，配合采集的業務數據，最終用各類圖表直觀展示生產運營數據。

自動采集能耗數據，計算出單窯熱耗、電耗及綜合能耗，與歷史數據對比分析，為能源管控提供決策依據。

根據平臺展示的物資循環利用情況，及時調整生產工藝參數和原燃料結構，最大程度減少固廢產生量。

隨時查看各項工藝數據變化趨勢，便于操作員實時掌握回轉窯運行狀況，優化工藝操作流程，達到提質、增產、降耗、增效的目的。

上傳質量檢驗結果，便于操作員及時調整生產工藝參數，提升質量合格率。

3.3 提升工廠管理水平

能耗、質量指標等數據信息集中管理，轉化為圖表直觀展示，便于技術管理人員獲取生產運行信息，提升工藝管理技術水平。

各相關人員可通過登錄平臺查看各類報表，縮短數據獲取途徑，提升工作效率，達到精細化管理。

對不同工作人員進行權限劃分，有針對性地獲取所需數據信息，保障數據安全、生產經營安全及平臺系統運行安全。

3.4 保證平臺安全穩定運行

合理劃分平臺權限，三大平臺權限劃分包括：智慧工廠平臺權限劃分、安全管理平臺權限劃分、物資計量平臺權限劃分。

建立平臺運營相關管理制度。網絡安全平臺實行統一領導，分級負責的原則。制定完善的網絡安全應急處置措施及預案。優化、完善網絡層級管理制度，確保網絡系統安全^[5]。

4 項目經濟效益分析

4.1 直接經濟效益

減少操作人員約20人，全年降低人工成本約100 萬元，勞動生產率提升約7%。

4.2 管理效益

提升了企業數字化、信息化、智能化管理水平，為智慧工廠建設提升奠定了基礎。

5 結束語

當前制造業工業化企業正處于數字化、網絡化高速發展的新階段，工業化與信息化融合發展是必然趨勢。通過“三化”升級改造項目，打造了統一的基于supOS+工業APP模式的智慧工廠管控平臺，為企業工業互聯網建設奠定了設備端、企業端基礎，提升了企業智能化管理水平。同時，有力助推了企業落實“碳達峰、碳中和”等相關政策，圍繞“十四五”發展規劃，積極承擔鏈主企業責任，實施“穩鏈、補鏈、強鏈、延鏈”舉措，加快構建現代產業體系，助推企業高質量發展。

參考文獻：

[1]" 朱文華，徐東，歐陽生，等. 智慧工廠技術與應用[M]. 北京：電子工業出版社，2020.

[2]" 何強，李義章. 工業APP：開啟數字工業時代[M]. 北京：機械工業出版社，2019.

[3]" 陸劍峰，張浩，楊海超，等. 智能工廠數字化規劃方法與應用[M]. 北京：機械工業出版社，2020.

[4]" 陳明. 智能制造之路：數字化工廠[M]. 北京：機械工業出版社，2016.

[5]" 蔣明煒. 機械制造業智能工廠規劃設計[M]. 北京：機械工業出版社，2017.

收稿日期：2023-07-18

基金項目：甘肅省高等學校創新基金項目“基于supOS平臺的智慧工廠應用研究”（項目編號：2022B-509）。

作者簡介：汪貴明（1973-），男，大學本科，高級工程師，主要從事信息及自動化管理工作。