NB-IoT技术在贵冶智能工厂项目建设中的探索应用

董昱伟

（江西铜业集团有限公司 贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424）

1 引言

窄带物联网NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）是物联网领域的一个重要分支，它独有的覆盖广、容量大、穿透强、功耗低、成本低等优点，在过去两年的商业化应用过程中表现突出［1］。随着工业自动化发展水平日益提升，对各种生产技术、安全环保指标的监控要求也相应提出了更高的标准，在此前提之下，更广袤的占地面积、更大量的仪表信号采集、更复杂的厂房楼层结构和不断攀升的能源消耗、备件成本，均成为了制约仪表技术应用发展的重要因素，但与此同时，NB-IoT技术的出现在理论上却恰好能完全解决上述难题。

江西铜业股份有限公司贵溪冶炼厂（以下简称贵冶）的智能工厂建设作为国家工信部批准的“铜冶炼智能工厂试点示范项目”，已于2018年顺利完成了一期项目建设，通过智能感知与执行体系、生产运营管理体系和智能决策体系三个层次的整体建设，实现了贵冶从管理决策到执行反馈的闭环管控结构［2］。其中，智能感知与执行体系、生产运营管理体系的深度结合，是整个智能工厂自动化、网络化、智能化运行的基础条件，而此次项目中NBIoT类仪表被部署在整个企业生产管理系统中的数据采集与操作层（SCADA）［3］，正是处于贵冶整套智能工厂系统的基础层级之中。

2 贵冶智能工厂中NB-Iot独特的网络系统与技术架构

2.1 网络系统

不同于贵冶传统的DCS集散型数据采集方式和光纤通讯，采用NB-IoT技术的仪表终端设备通过RS-485（或MODBUS协议）、4-20mA等通讯方式与就近部署（或已植入终端本体）的无线远传设备RTU（NB模组）相连，实现对现场数据的采集，再由无线远传设备将采集到的现场仪表数据上传到电信NB物联网平台（COAP平台），电信NB物联网平台将上传的数据通过http协议传输下发至架设在用户端的目的服务器，目的服务器接收到的数据后，对其进行解析并作出应答反馈，同时将经过解析的数据放入贵冶窄带设备管理系统的SQL Server数据库表中，最后，由贵冶内部的工控数据采集层软件（PI生产实时数据库系统）提取窄带设备管理系统SQL Server数据库表中的数据，进行进一步的分析与应用。

图1 NB-IoT设备数据传输系统框图

2.2 技术架构

在实现以上数据传输系统功能的过程中，各类仪表终端数据需要由各自集中器（即RTU模组）采集，才能通过COAP平台与后台服务程序通讯，采集频率与通讯上传频率均可由用户根据需要自定义，在综合考虑数据包大小、仪表性能等因素的前提下，将两种频率设置在合理范围内，保证满足实际数据的采集需求和历史数据的备份要求。传输方式方面，COAP平台是通过随机的IP地址和端口将数据包发送至用户端的服务器，基于工控网络与外部网络需要隔离的安全原则，必须在服务器前端架设防火墙。服务器接收到数据包后启动解析服务，并对COAP平台作出接收应答反馈，当集中器收到反馈信号后，即可视为此次数据包上传成功，否则会将数据包暂存于集中器中，等待下次重新发包，直至上传成功，以免发生数据丢失的情况。解析服务将解析好的数据放入SQL Server数据库队列中，此时可在贵冶窄带设备管理平台中查看到相应数据的信息（如工位号、工位说明、瞬时值、累计值等），而需要采集这些数据和信息进行进阶处理的业务服务（例如PI系统）则通过与关系数据库建立连接，从数据库队列中提取数据，亦可对其做持久化处理。

图2 NB-IoT设备数据传输技术架构

3 数据采集与应用

3.1 数据采集

在贵冶传统的各种数据采集工作中，与生产控制相关的信息由各生产车间的DCS、PLC等控制系统完成，这方面数据的采集工作部署的相对完善。而相比之下，能源消耗、安全环保等方面的数据则大多数依靠经验分析、人工抽检等方式来完成，而这样采集的数据其不确定性、片面性问题突出，显然已不能适应当下铜工业现代化发展的要求。在此次贵冶智能工厂项目建设中，共新增了53台NBIoT类仪表，基于其广覆盖、容量大、信号强、功耗低的优势特性，分别部署在各条能源管道、选矿水池等厂区内距离各生产控制系统较远的地方，涵盖了流量统计、液位报警、PH监测、噪音监测等数据类别，为全面提高工厂的数据采集质量，提升运行管理水平奠定了硬件基础。

图3 贵冶窄带设备管理平台界面展示

3.2 窄带设备管理平台

在实际的工业自动化生产中，为适应工厂信息化、智能化的需求，物联网本身就需要具备一定的信息处理能力［5］，为能够收集、处理各个NB-IoT终端设备所测得的实时数据，定制开发了贵冶窄带设备管理系统，借助计算机技术实现对这些数据的处理以及分析。

当传输信道被打通，数据能够按照设定的通讯频率上传至平台服务器之后，在窄带设备管理平台中即可对相关信息进行自定义的收集与展示，此平台可同时支持PC端与移动端的应用，当系统管理员授予了指定用户相关权限后，即可登录平台。一方面，可在线查看相关设备本身的仪表名称及编号、工位号、设备描述、集中器号、监测介质、工程单位以及安装地址等相关信息，另一方面，可根据需要分别对其上传的瞬时值、正反向累计值进行预警、报警的参数设置。

3.3 与PI系统的连接通讯

PI系统是贵冶在用的生产实时数据采集系统，它能根据工厂管理层的需要，将来自于各车间的DCS、PLC等控制系统生产实时数据通过内部网络作统一的采集与分析。为避免NB-IoT设备所采集的数据成为信息孤岛，将其接入PI系统以便于统一管理。按照工控网络通讯的安全标准，NB-IoT用户服务器与PI系统的通讯连接同样采用指定端口的方式来达到限制访问的目的。

接口安装方面，窄带设备管理系统数据库与PI数据库以ODBC连接的方式建立连接，安装环境等没有特殊要求，详细步骤如图4，接口配置详细步骤如图5。

图4 与PI系统的通讯接口安装步骤

图5 与PI系统的通讯接口配置步骤

连接建立之后，根据需要配置测点属性，注意需要从NB-IoT用户服务器的数据库中按时间序列取最新值即可。

4 实施过程中出现的问题及解决方案

4.1 网络安全

3GPP在2016年6月制定了关于NB-IoT的行业标准，NB-IoT 搭建在成熟的通信网络基础上，这也说明其通信线路完全暴露于公共的互联网路之上［4］。出于对网络安全要求的考虑，工厂内部的工控管理网络与外部互联网需要做一定程度的隔离措施，通常通过指定固定IP地址结合访问限制策略等手段来达到隔离效果。作为数据传输枢纽的COAP平台，其数据下发必须通过互联网与用户的服务器进行数据交互，同时实验表明，服务器的接收应答反馈及数据解析服务需要在连通互联网的基础条件下才能启动。但基于电信COAP平台目前的技术标准，当某台NB-IoT设备终端通过COAP对服务器发起通讯请求时，COAP平台通过TCP协议对用户服务器下发的IP地址只能是随机的，这使得常规的通过限制访问IP来隔离内外网络的效果无法达成，因此，只能通过在防火墙处配置数据端口规则，对用户服务器与互联网的连接作出有效限制。为保证不影响监控数据的正常上传和下发，分别配置了解析服务软件认证、数据包接收和数据提取三个固定的数据端口。

4.2 数据拥塞

4.2.1 数据解析软件问题

当数据传输通道建立之后，在测试中发现，终端设备将打包数据上传到COAP平台之后，COAP平台向server（服务器端）发送数据时，时常出现因为server未应答，而造成其无法收到应答反馈，导致服务下线的现象，最终影响各测点数据更新的时效性，更新延迟短则数小时，长可达几天，且无任何规律可循。

4.2.2 解决方式

（1）优化server端解析软件程序，修复其与COAP平台连接时出现异常掉线的BUG。

（2）优化server端向COAP平台发送数据失败后重发机制，将原先连接失败后的重发延时间隔由1000毫秒改为每100毫秒，避免因连接失败而导致服务直接下线。

（3）COAP平台认证机制：在server与COAP平台建立通讯连接之前需要登录进行身份认证，默认的认证模式为每次发送数据时登陆一次，同时更新token（登录令牌），为避免token因数据传输量大而出现频繁更换，导致认证延时不通过的情况，修改其认证函数，将登录机制定义为每2h一次，同时更新token。

5 结语

在本次贵冶智能工厂项目建设中，考虑到搭载NB-IoT技术的仪表在同行业内尚无成熟的经验可供借鉴，只对其展开了探索性应用，主要配置于部分流量、液位、pH和噪音等没有连续性控制要求的测点上。目前，整套系统从现场终端设备，到管理平台及其相关外延通讯应用都运行平稳，达到了项目预期要求。此次NB-Iot技术的成功应用，在实现工厂能源消耗的统计分析和安全环保指标的监测的基础上，突破了传统仪表数据采集瓶颈，有效地克服了诸如测点跨度大、分布零散、安装调试成本高、无线通讯质量低、安全防护等级低、通信协议复杂等问题，完善了工业网络数据采集平台的功能完整性和模型组件丰富性［6］，同时为贵冶各项监控数据的传输开辟了新的思路，也为今后工业大数据平台基础的构建提供了一种全新的解决方案。

在未来，贵冶将会不断优化智能工厂体系建设，而基于NB-Iot技术的特性优势，随着其产业水平的持续提升，更加成熟的产品将能够支撑它与工业自动化、智能化建设进行更为深度的融合。凭借着一期项目的建设经验，一些特殊环境，或符合工业安全生产、智能化发展需求的监测预警点位，如阳极板转运地下监控、地下水位水质监控、室外重要设备高温预警、室内消防预警等，都将成为NBIot技术的用武之地。