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1   方案背景與目標

1.1 研究背景：

·        應對國家生態環境部制訂的《重污染天氣重點行業應急減排措施制定技術指南》

·        國家的“雙碳”戰略

·        橫河可持續發展目標 (SDGs)

1.2 目標

VoF解決方案旨在通過創建智能化與數據應用系統，滿足離散型企業（如，機械制造業、汽車制造業、家電制造業等）以下需求，從而實現可持續發展、提升ESG績效的目標。

·        工廠能源可視化管理

·        生產環境零排放對應

·        零事故安全生產需求

·        能耗設備低故障預防

·        智能制造數字化對應

2   方案詳細介紹

目前大部分的離散型制造業的現狀是信息為點狀化、數據采集效率低（數據高度離散）、數據積累程度欠缺等種種問題。另一方面企業數字化是一個綜合性的、系統性的工程，需要企業從多個方面入手，進行全面的規劃和實施，這對于中小型企業來說，因投資成本有限，真正落地非常困難。

VoF解決方案推薦用戶從小的投資開始，以「環境」或「能源」或「安全」或「設備」為切入點，通過導入使用解決方案包切實解決用戶問題，并構建工業互聯網系統架構。然后再根據需要分階段地完善其他功能。

通過數字化平臺協同工廠生產運營信息，從「可視化」開始，然后通過「可視化」 「分析」 「改善」三個步驟的不斷迭代升級服務，進行分析、優化及管理，幫助用戶將節能減排落到實處。

2.1 系統架構 

如上圖架構，系統可分兩層來看。

上層是由橫河自主研發的綜合信息服務器（CI-Server）為主的大數據應用層。CI-Server對應多種工業通信標準，將環境、能源、安全、設備的相關信息集成于同一平臺，同時還可實現儀表領域（如DCS）和電氣領域（如PLC）一體化的EI（Enterprise Integration）集成。系統可根據終端用戶相關的營銷、制造、生產、設備、管理、操作等不同方面的需要，針對不同角色、不同場景實現了相應的數字化、智能化功能。

下層采用橫河自主研發的邊緣計算網關設備，如GM10，FM-MA eRT3等，可獨立運行，靈活地實現簡單的數據采集與分析功能。

這個架構可以很好地適應用戶現場數據高度離散的場景，并確保性能、功能、穩定性、可靠性滿足平臺要求。 

2.2  硬件平臺

硬件平臺由綜合信息服務器和其下屬數據采集網絡系統構成。

綜合信息服務器即數字平臺服務器，是承載數字平臺運行所必需的基礎設施,用于存儲和處理大量的數據、提供各種功能和服務。CI Server 是橫河自主研發的一種跨平臺的監控和信息系統，集成了工業控制系統、傳感器和人工智能，可實現：

l  遠程操作，提高運行效率

l  流程和廣域集成，以掌握更廣泛的供應鏈

l  數據驅動優化，實現計算機輔助操作 

下屬數據采集網絡系統包括數邊緣計算網關設備（如GM10，FM-MA eRT3等）和傳感器。 

整個系統搭建過程中，以采用橫河自主研發的產品為主。這樣可以確保性能、功能、穩定性、可靠性滿足平臺要求。

在數據采集方面，橫河擁有2套先進的無線傳感器網絡系統（如下圖），分別是ISA100標準協議和LoRaWAN標準協議，以應對復雜環境、確保工程實施。 其共同特點是協議開放性。對用戶來說各廠商產品兼容，便于維護管理。

在安全預警監控方面，橫河自主研發的分布式溫度傳感器DTSX（如下圖）能夠實時智能地監測縱向50公里以內的溫度分布，有助于在廣闊的區域內實現火災預警和預防性維護。

2.3  軟件平臺

與硬件平臺相對應，軟件平臺包括大數據應用和下屬數據采集網絡應用。

根據用戶需求，軟件平臺可以選用本地部署或云端部署（采用公有云和私有云混合的部署模式）。集合了工業物聯網技術、工業控制技術、工業大數據技術，以及多協議融合的工業網絡通信技術，實現了復雜環境下的工業物聯網軟件平臺應用需求。

1)    大數據應用

在工業生產和監控管理過程中無時無刻不在產生海量的數據，比如生產設備的運行環境、機械設備的運轉狀態、生產過程中的能源消耗、物料的損耗、廢水廢氣環境等。

在典型的VoF工廠解決方案中，采集了超過2000個工業參數數據，工業數據的收集涉及流量、壓力、溫度、濕度、電力、VOC、pH、設備運轉等多種類型、多個維度的數據。

上述數據具有如下特征：

數據體量龐大，一個傳感器平均每秒大約產生至少100多個數據包，整體網絡中每秒將產生200MB的傳感數據，每月將產生60GB的數據。如此龐大的傳感數據對數據存儲、并發處理要求極高。

數據生成和處理速度快。軟件平臺需要從這些海量數據中快速提取需要的數據進行處理、分析和展示。

數據類型多：在系統軟件運行過程中，除了需要處理工業中使用的結構化數據，還需要對接上層包括MES系統的一些非結構化數據進行存儲、提取和加工分析。

價值密度低：如何在海量數據中提取有價值的信息是軟件平臺數據處理層面的關鍵。 

橫河自主研發的CI-Server（綜合信息服務平臺）、MANA（云計算物聯網平臺）可以對上述特征的數據進行集成與清洗、存儲與管理、分析與挖掘，以及安全可視化等工作。

集成與清洗

CI-Server把不同來源、格式、特性的數據進行有機匯聚，并對平臺中的數據進行重新審查和校驗，發現和糾正可識別的錯誤，處理無效值和缺失值，從而得到到干凈并且格式一致的數據。經過CI-Server清洗后的數據才可以發送到數據中間件系統或存儲系統進行后續處理。

存儲與管理

采用MANA的分布式云存儲技術，將數據進行經濟、安全可靠的存儲管理，在確定數據優先級的前提下，采用高吞吐量的數據庫技術和非結構化訪問技術支持云系統中數據的高效快速訪問。

分析與挖掘

MANA和下屬GA10軟件配合從海量、不完全、有噪聲、模糊及隨機的大型數據庫中發現隱含在其中有價值的信息和知識，采用無監督學習的方式，對包括設備狀態監測、機房及用電安全監測在內的涉及設備和安全的數據進行充分利用，建立安全健康生產狀態模型，實現對設備的基于狀態的維護策略以及安全狀態提示策略。

可視化展示

充分利用計算機圖形技術、可視化展示技術、WEB展示技術，綜合處理顯示多維度數據，將包括原始數據、報警數據、分析數據、等展示在屏幕上，使枯燥、抽象的數據變得直觀且易于理解，并通過交互處理實現基于可視化數據的分析、交流和決策支持。 

2)    下屬數據采集網絡應用

GA10 是橫河自主研發的基于PC的數據記錄程序，廣泛用于構建監視并記錄數據的系統。如下圖所示，GA10可廣泛對應數據采集器/ 記錄儀/ 溫度調節器/ 信號變換器/ 電力監視器/ 功率計，也可以實現Modbus 儀表的數據采集。如，將分布式光纖測溫接入GA10后，可對加熱爐爐壁溫度進行分析、并可視化。

2.4 解決方案包

用戶可根據其需求，選用一個或多個功能的解決方案包（如下圖）。用戶可以從導入一個以上單一功能的解決方案包（如下圖）開始，把系統架構建立起來，然后再根據需要分階段地完善。

2.5數據通信、安全措施

本節內容，通過如下圖的案例進行說明。

在現場通信層面，采用了物聯網以及工業現場總線、工業以太網相融合的實現方式，一方面可以充分結合實際通信業務需求和實施需求，另一方面可以減少施工作業成本，充分體現了本解決方案的技術先進性、經濟性和系統運行的安全性和穩定性。

現場傳感器數據傳輸采用了包括微型、低成本、低功耗、抗干擾能力強的LoRaWAN無線傳感器，長距離、低時延的ISA100無線傳感器，成熟、易維護的HART通信傳感器，以及將測量和傳輸采用同種介質的分布式溫度傳感器等，構成了現場傳感器的通信網絡；

同時采用邊緣計算網關設備包括GM10，FM-MA eRT3，利用分布式存儲、異構計算、協議轉換等技術，將不同的通信協議進行統一化，實現傳統接口和協議設備之間的實時通信，實現企業OT和IT的高可靠數據融合，提供了現場級的實時計算、存儲和通信機制，并通過GA10提供了邊緣側的建模工具和智能工具，對實時數據進行預處理，為數據融合提供了基礎支撐。

對于邊緣網關到數據采集和管理平臺之間（CI-Server,MANA），采用了包括工業以太網、LoRAWAN、4G/5G等傳輸技術，充分利用MQTT等物聯網通信協議，實現協議傳輸的統一，同時實現了整體數據通信傳輸的低時延、高穩定。 

在工廠VoF系統與其他生產系統、信息之間采用工業防火墻技術，實現與其他系統的有效隔離，同時企業內網與外網之間采用下一代防火墻技術實現內外網訪問的有效管控，并對可能的入侵行為進行識別、檢測和報警。并采用VPN技術，對云端訪問和內網系統訪問進行身份鑒定，防止數據在傳輸過程中被篡改和泄露；并且對訪問權限進行了細致劃分，以保證通信網絡的安全性。同時充分利用公有云平臺的安全防護能力，保證整體系統的安全性。除此以外，對存儲數據進行定期、不定期，本地、異地備份管理策略，以保證數據的安全性。

3    代表性及推廣價值

VoF解決方案的代表性及推廣價值主要體現在以下幾個方面：

1)  數字化轉型的推動力

VoF解決方案通過數字化技術幫助離散型制造業實現生產過程的透明化、自動化和智能化，提高生產效率、降低成本、優化資源配置、提升產品質量，最終實現企業的可持續發展。

2)  綠色可持續發展

解決方案強調環境保護和資源利用的可持續性，通過優化生產過程，減少能源消耗和廢物排放，實現可持續發展。

3)  提升能源效率與降低消耗

智慧能源可視化管理系統通過數字化技術和物聯網的應用，實現對能源的全面監測、分析和管理，提升能源效率、降低能源消耗。

4)  創新性技術應用

VoF解決方案引入了新興傳感器技術，如DTSX、ISA100、LoRaWAN傳感器，提升了技術成熟度，降低技術風險，確保工程的順利實施。

5)  實用性與經濟效益

以“工廠能源能耗監測系統”為例，通過收集的能耗數據，可以準確發現問題點或不合理點，幫助管理者進行能源預算的管理，提出改進計劃，減少碳排量，減少環境污染。

6)  開放性與靈活性

VoF可以分解為各個解決方案包，各解決方案包可獨立部署、擴展和維護，可以根據需求進行調整和優化，確保整個系統的靈活性和高效性。

7)  提升競爭力與市場適應性

數字化轉型與智能制造的融合能夠為企業帶來多方面的競爭力提升，在生產效率、研發設計協同、服務水平等方面都有顯著優勢。

8)  促進現代化產業體系建設

制造業數字化轉型與智能制造的融合將為現代化產業體系建設提供有力支撐，推動產業創新，注入新的活力。 

綜上所述，VoF解決方案不僅代表了制造業數字化轉型的趨勢，而且在推動綠色可持續發展、提升能源效率、降低運營成本、增強企業競爭力等方面具有顯著的推廣價值。