焦化行业智能工厂数字化系统结构设计
线路转换器1 引言
焦化是煤炭利用领域中能源转换效率最高的流程工业，是冶金、化工行业的支柱产业，焦化工艺复杂，资源、能源消耗量大，污染物排放量大。我国已成为世界焦炭的生产、消费和供应中心，2013年以来每年焦炭产量均超过4.5亿t，占世界总产量的68%以上，约消耗全国原煤产量的30%。 在21世纪初，随着国民经济的快速发展，我国钢铁工业进入飞速发展时期。高炉大型化和喷煤比例的提高对焦炭质量提出了更高要求；高炉大型化和国家产业政策的调整对焦炉的生产能力、节能降耗、环境保护和自动控制等方面提出了新的要求，我国钢铁工业急需以大型化、高效率和清洁生产为特征的更新换代技术。
焦化产业作为国家的支柱产业，为国家的能源、化工和医疗等行业做出了突出的贡献。在持续的发展中逐渐出现了产能过剩到产业调整，进行了优胜劣汰的改革。
在炼焦的工艺技术上已经跻身于国际上第一梯队的水平，但是在信息化的建设上节奏还是相对较慢，目前信息化的建设和部署还是存在信息孤岛问题，对于数据的存储和共享管理、安全等没有从整体系统性结构上考虑建设，所以没有达到预想的效果，大大增加了企业的内耗。 1.2 智能化目标
按照《焦化行业“十四五”发展规划纲要》，“十四五”期间焦化行业发展的主要目标有6个，其中第6项为“提高行业信息化管理水平，全流程信息化管控系统应用达到50%以上，智能制造在焦化行业有所突破。”因此，运用大数据、云计算、物联网、5G和人工智能技术，是实现这项目标的唯一道路。
通过系统性信息化规划和建设达到如下目的：
1）加强生产网络、信息化网络等方面的安全性。
2）保证数据安全性和及时性。
3）多维度数据融合，建立系统分析手段。
4）提高生产过程各部门之间的沟通效率。
5）提高更加针对性和主动性地设备维护保养维修机制。 6）建立能源管理机制，减少碳排放和能源浪费。
7）利用关联数据提供更综合性报表。
最终助力在经济形式多变的情况下，能够更加及时和快速调整企业的步伐，提高竞争力。
2 系统硬件结构方案设计
2.1 系统层级结构设计
在焦化厂智能化建设中，着重体现人、机、料、法、环的全面数字化，提升生产环节的沟通效率和办公效率，并在安全和环保、设备维护、能源管理等方面的数据业务支撑，建设成生产稳定高效、高产、低碳、环保型企业。
整个系统的层级结构按照工业物联网的架构设计规划，从下到上应该至少包含设备层、边缘与网关层、网络层、服务器层、应用层、业务层等6个层级。 （1）设备层
包含已有的控制工艺过程和成套设备运行的DCS和PLC等控制器与控制系统，SCADA数据采集系统。此外，还有为生产信息化新增加的上述系统，以及新添加的仪器仪表、人员定位设备、视频装置、能源计量表等。设备层是生产信息化采集所需数据的源头。
（2）边缘与网关层
有些关键设备的运行状态需要高速采集和分析，此时就要结合边缘服务器来进行采集和换算分析状态特征，并通过网络传送。边缘与网关层包含控制器产生的数据、独立仪表产生的数据、能源仪表产生的数据，可通过通用网关设备的丰富接口（以太网、串口）和工控协议（Modbus、Profinet、EthernetIP、OPC UA等），进行数据的采集、转发和续传。边缘与网关层也是生产信息化采集所需数据的源头。
（3）网络层
网络层包含各工艺段间互联网络、视频流网络、信息化网络等，并相互隔离和环网冗余通信。在网管型交换机的监视下可实现流量控制和权限控制，并实时监视全场网络运行状况。
网络层是生产信息化所需数据向上传送的渠道。
（4）服务器层
服务器层包含平台服务器、数据服务器、应用服务器、流媒体服务器、Web服务器、防火墙等。对于不同的功能单独划分服务器、保证服务器的负荷和扩容的灵活性、数据安全性。服务器层是生产信息化所需数据存储和计算处理的容器和载体。
取石网篮（5）应用层
在各厂区中针对信息化的应用业务的不同，分配客户端电脑和移动办公用手持设备提高工作效率。应用层是生产信息化所需数据呈现和人机交互的媒介。
（6）业务层
业务层包含主体的业务有生产管理、质量管理、仓储管理、安全管理、设备管理、能源管理、BI分析、数字孪生等。业务层是生产信息化的最终目的和需求，根据不同的工厂和不同的管理架构、管理体系，包含的业务方向和模块也有所不同，呈现的方式、模块的内涵也有所不同。
2.2 硬件设备结构设计
焦化工厂智能化数字化的实现，根据上述的层级设计需要数据产生的末端采集网关、边缘计算机、传感器、仪表，需要负责数据传送的网络管理交换机，IT专用设备等。
根据采集设备的特性和点位容量的不同，需要配置不同的硬件。
参考硬件配置如下：
（1）末端传感器-振动传感器
计算特征值（如电压均方根值、电流均方根值、峰值、峰度、峰值因子、偏斜度和标准偏差值等）。
无线连接或者有线连接；内置3轴振动和温度传感器；电池供电，无需安装线路；轻松设置，用户界面友好； -20℃~85℃宽温工作范围；IP66防护等级。
（2）末端传感器-电流传感器
采用CT（电流互感器，0~100mA交流电）的高效电源充电设计；最高三模拟量输入通道CT节点；功率测量以秒计；专有LPWAN（Sub-G）无线连接或者有线连接。自供电设计，无需额外安装电源线；穿透力强干扰小；即插即用。
（3）边缘计算设备
多 I/O 边缘计算设备，支持SoC结构，最高支持大内存，具备丰富LAN、COM、USB等扩展接口等，整机稳定可靠，适合应用在工厂自动化系统中。
（4）网关
透 过Mini-PCIe接 口 支 持GPRS、3G、4G、5G、WIFI接入，板载SIM卡插槽；具有多协议支持：Modbus/RTU、Modbus/TCP、IEC-60870/104、DL-645。
主CPU为 带Micro-SD 插 槽（内 置SD卡），带USB 2.0，10/100MB 以太网接口，RS-232/485 独立串口。内嵌实时操作系统。
支持壁挂式及DIN导轨式安装，方便灵活。
（5）交换机
采用工业级管理型以太网络交换器，可让用户以快速、具成本效益的方式扩充其工业级网络，并具有强固的工业级设计，确保可靠性与稳定性。 此外，采用 X-Ring 环网技术，提供快速的复原时间（<10ms），能提高网络基础结构的可靠性与速度。
（6）服务器
采用国际知名品牌的机架式服务器，能够节省空间，可以高密度地部署在机房里，性能高的情况下，能够保证散热性好，功耗低，也能保证以后的扩容性。
2.3 网络安全结构设计
视频、控制、安防系统各自独立自成系统，依靠网闸进行物理隔离，充分保证了系统的独立性和安全性。
网闸的使用使视频、控制、安防三个系统间不存在通信的物理连接、逻辑连接及信息传输协议，不存在依据协议进行的信息交换，而只有以数据文件形式进行的无协议摆渡。
控制系统采用专网，其与信息化服务中心通过安全网关隔离，安全网关具有的防火墙、防病毒、入侵检测、用户接入主动认证等功能。集中存储安全控制网关为企业对外提供可选的安全访问控制、用户身份认证、安全审计能力和透明的存储加解密能力。
控制系统的数据只有数据上传功能，将数据上传到服务中心，不允许数据往下写入，以此保证本地操作的可靠性，操作人员可以在车间管理层或者在边缘采集层通过IE网页浏览的形式，在拥有操作权限的前提下可操作数据。
系统中断控制器远程维护的外网和内网之间通过防火墙设备保护网络的安全性，内部和外部网络的环境间产生一种保护的屏障，从而实现对计算机不安全网络因素的阻断，充分保证了内网数据的安全性。
整厂的各个区域采用光纤环网，以达到抗干扰目的。
3 系统软件结构方案设计
3.1 软件系统结构设计
生物三节律
本方案是对工业操作系统平台提供的一套先进的工业物联网平台，如图1所示。它能够轻松安全地连接、管理和吸收大规模的物联网数据，实时处理和分析可视化数据。同时具有开放的解决方案生态系统，可以提供丰富的工业应用，让企业用户可以根据需求持续的叠加功能，以一个平台基底，构建无限应用。轴承油封
图1 焦化厂智能化系统软件系统结构设计
融合边缘云优势采用PaaS/IoT套件服务，包括一站式工业物联网套件、云原生应用和数据管理平台，涵盖数据传输与存储、云原生微服运用平台、数据融合与协同管理、一站式工业AI平台和低代码数据可视化服务，加速应用落地。
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