铸造行业底层物联网技术应用浅析

刘亚宾，杨 军，常 涛

（共享智能铸造产业创新中心有限公司，宁夏银川 750021）

从概念演进角度，物联网的概念、内涵与外延的丰富，大致经历了RFID（射频识别）、M2M（机器对机器）、MTC（机器类通信）、WSN（无线传感网）、UN（泛在网）、USN（泛在传感网）、NB-IOT（窄带物联网）、IOT（物联网）、IIOT(工业物联网）的过程。

同时，网络上各种概念、架构、模型、边界等也层出不穷，面对各种不同的见解，铸造行业底层物联网技术应用如何落地、如何实施，是一线工程师最为迷茫的问题。

1 感性认知——物联网是什么

标准及白皮书层面给出如下的概念与定义：

物联网是通过感知设备，按照约定协议，连接物、人、系统和信息资源，实现对物理和虚拟世界的信息进行处理并作出反应的智能服务系统[1]。

工业物联网是通过工业资源的网络互连、数据互通和系统互操作，实现制造原料的灵活配置、制造过程的按需执行、制造工艺的合理优化和制造环境的快速适应，达到资源的高效利用，从而构建服务驱动型的新工业生态体系[2]。

2 理性认知——物联网有啥用

当前，数字化、网络化、智能化的概念已被广泛接受，但具体实施时高投入、长回报周期的事实，令大多数铸造工厂望而却步。在很大程度上，追求数据价值、投入产出比考核指标等因素，左右着物联网的规划认知与实施进程。

另一方面，数据≠信息≠知识≠价值，数据、信息、知识、价值是一个递进实现的过程[3]。数据本身没有价值，只有结合实际的工艺过程与物理值映射转换，并与统一时间基准的背景数据相关联，才能转换为信息；信息与标准、判据等知识结合，通过逻辑推理、统计分析，给出合规与否的判断结果，或质量改善、异常处理建议等之后，数据此时才具有价值（如进行健康评估、性能预测、质量预警、故障诊断等)，最终体现在无忧生产、知识完备、提质降本增效等需求上，即物联网实施的终极意义所在。

3 技术认知——物联网长啥样

标准层面给出了目标对象域、感知控制域、服务提供域、运维管控域、资源交换域、用户域等六域模型的参考体系结构[4]，同时给出了各域的范围与边界，及各域之间的接口要求[5]。

结合铸造行业特色，底层物联网系统架构与技术架构示例如图1、2所示。根据关键的工艺流程，将铸造实体工厂逻辑划分为不同智能生产单元（如成形、熔炼、精整、砂处理等），各单元由对应的设备、智能单元控制与管理系统组成，通过单元级的数字化、网络化、智能化实施带动工厂级的数字化、网络化、智能化。

其中，单元设备为最外围环形区域所示。根据系统集成时所使用的通信协议，可将设备归为标准协议设备、非标协议设备、第三方OPC设备与RDB设备四类。通过OPC、IOT、数据库、数据总线等接口，实现智能单元控制与管理系统对生产过程中设备、生产、质量、成本、EHS、人员等维度数据的集中管控，以及软硬件系统间互联互通互操作的目标。进而通过云网关功能模块，实现设备的关键参数上云。

4 实践认知——物联网怎么玩

在设备部署及工艺流程已确定的前提下五步走：调研、参数、数据、流程、概念。

4.1 信息调研

内容包括但不限于工厂网络架构及设备清单、设备及信息管理系统服务器清单、关键质量控制点、设备与传感清单及数据集成方式、生产工艺流程、生产过程监控与管理需求清单、企业认为有必要提供的其他资料。

4.2 参数梳理

图1 铸造行业底层物联网系统架构示例

图2 铸造行业底层物联网技术架构示例

从设备、生产、质量、成本、EHS、人员六个维度，分单元、分工序、分工步梳理各过程所需关注变量，再将各变量的采集方式、采集频次、参数来源、控制逻辑、输出参数、功能用途等属性补充完毕，并与工艺、技术、工长、操作、维护等人员共同讨论，迭代优化后，与调研结果一并作为物联网方案的基础支撑。

4.3 数据采集与解析

铸造行业底层物联网技术的应用难点与落地关键，在于底层设备与上层信息管理系统间的数据交互，同时满足易用性与实时性要求。

以工程经验为例，综合应用KEPServerEX OPC Server各种驱动，搭建统一的数据采集与交互平台，以实现上述要求。

数据解析方面，应用如下设备数据：Siemens TCP/IP Ethernet、Modbus Ethernet、Beckhoff Twin-CAT、Mitsubishi FX Net、Omron FINS Ethernet、OPC UA、Fanuc Focas Ethernet等驱动解析标准协议设备数据；User-Configurable（U-CON）驱动解析非标准协议设备数据；OPC DA Client驱动解析第三方OPC设备数据；ODBC Client驱动解析数据库设备数据。

对于使用小众PLC产品的设备，可采用软硬件结合的方式：硬件方式如无锡北辰的松下、光洋、基恩士、富士、台达、永宏、丰炜、信捷等转换模块，将PLC内部协议转换为标准的Modbus Ethernet协议；软件方式如竹菱的DeviceXPlorer OPC Server，采集横河、日立、基恩士、夏普、富士等PLC数据，再通过OPC DA Client驱动将之纳入KEPServerEX OPC Server中。

对于无PLC控制器及不便布线的设备与场合，可采用MOXA网关模块、研华数采模块及思为无线模块应对，或增加性价比较高的Smart S7-200、Modicon M221 PLC控制器进行数据采集。

此外，还可借助KEPServerEX的Simulator与Advanced Tags驱动，进行不同设备间数据的关联、分配及简单的算术逻辑运算，尤其适用于PLC程序不开放场合。

数据接口方面，KEPServerEX OPC Server提供OPC DA、OPC UA、IoT Gateway（REST、MQTT）接口，供上层信息管理系统调用。值得推荐的是，与OPC DA接口不同，OPC UA、IOT Gateway接口不受本机异机及操作系统限制。

上述软硬件组合，可解决现场90%以上的数据问题。

4.4 流程再现

主要体现在软件系统、硬件设备、人的参与三要素的共同协调作用，实质为工艺流程的软硬件集成再现，即通过软硬件系统的互联互通互操作，实现物资流与数据流的同步。需要重点关注的有两点：当一个变量需要多个系统使用时，尽量单独列出变量在各个系统中调用及算术逻辑处理流程，统一集中规划确定后再实施；与数据相结合，逆向思维，问题与功能需求驱动，体现数据的价值。

4.5 概念整合

打破各软硬系统功能的传统概念边界，将相关相近功能分类排列组合，冠以符合现场生产与管理实际的概念，以简便、可靠、易理解操作为原则，借助软件编程实现整合。以熔炼单元控制与管理系统为例，该系统具有计划管理（如接收计划、计划跟踪等）、过程控制（如生产准备、烤包、配料、熔炼、成份调整、过热、出铁、变质处理、取样、铁水转运、浇注等）、生产成本管理、设备管理（如设备报警、故障查询、设备报修等）、统计分析等功能。

5 趋势认知——物联网往哪走

立足于嵌入式、电气、PLC、运动控制、通信等基础，针对工厂部分数据无自动采集方案或代价过大、软硬件系统信息孤岛或与工控安全不能兼顾、数据无价值等通病进行以下研究。

深入研究人工智能、机器学习、深度学习等技术，以高性价比方案（如图像识别、语音识别等），实现生产过程监控与管理所需数据100%自动采集与传输。

深入研究OPC、数据接口、NoSQL等技术，在工控安全部署环境下，以CT打通IT与OT，实现所有数据在底层设备与传感、信息管理系统、远程运维云平台之间透明解析与互联互通互操作，以及物质流与数据流的同步。

深入研究信号处理、特征提取、健康评估、性能预测、质量预警、故障诊断等技术，提升数据质量与信息密度，通过范式建模与维度建模，搭建仪表盘、自助分析、图表、雷达图等可视化指标与决策驾驶仓，实现数据、信息、知识、价值(智能)间转换的良性循环。

6 小结

在机器换人、黑灯工厂概念盛行的当下，铸造行业底层物联网技术应用体系中，人的作用到底如何定义，是一个仁者见仁智者见智的话题。

结合铸造行业特色，我们认为在软硬件系统实现集成，并且各功能相对完备的情况下，软件系统为主导者，人是“设备人”，其作用为运动员、裁判员、教练员三位一体。即在软件系统的指导下，人作为生产系统组成的有机组成部分，延伸硬件设备的输入与输出功能、依据实际经验及信息背景对软件系统的建议作出判定与确认，以及总结归纳显性问题规律，挖掘隐性问题的线索，从解决可见的问题到避免可见的问题，形成知识库后再反向迭代至软硬件系统中，进而从制造系统源头避免可见及不可见问题，最终实现便捷的无忧生产。