左晶榮

（河北新武安鋼鐵集團烘熔鋼鐵有限公司信息自動化部）

摘要：隨著工業4.0和智能制造的快速發展，我國提出了《“十四五”智能制造發展規劃》，要求規上企業2035年普及數字化，已經由前期的自動化和智能化轉向數字化。傳統的數據管理方案已無法滿足現代工業生產的需求，需要尋找更便捷更高效的數據交互方式，且目前的工業數據已經成為企業核心競爭力的重要組成部分。為了更好地管理和利用這些數據，打造工業數據底座將是必然趨勢。本文將詳細探討工業數據底座的設計和實現方法，旨在為企業提供一種全新的數據管理方案，以提高生產效率、降低成本并保障數據安全。

關鍵詞：工業數據；數據底座；設計和實現

1  項目背景

鋼鐵企業在數字化轉型、智能化升級過程中，企業自身數據的問題尤為突出，絕大部分企業的數據基礎遠不足以支撐智能化應用的需求。普遍存在著采不到、采不準、不開放、不詳細、不實時等問題。企業在發展過程中，需要以“咨詢引領，數字筑基、決策智能”為路徑，開發一套完整的具有自研自主可控的“工業數字底座平臺”。目前，工業數據底座已經正在測試階段，普及后會有顯著的經濟效益和社會效益，將為我國工業數智化轉型發展作出了新的寶貴探索。

2  研究工業數據底座的目的和意義

2.1目的

建設一個統一的數據底座，實現跨系統、跨部門、跨層級、跨地域的數據聯通和協同管理，以此來匯總建立相關數據清單。

2.2意義

工業數據底座能提供高效的應用創新賦能，針對廣大工業企業在數智化轉型過程中遇到的信息化建設、知識軟件化、改造成本等方面的共性問題，以平臺型、通用型的系統級軟件解決行業的共性問題；以服務型、定制型的工業應用解決行業的個性問題。同時，工業數據底座能強化數據管理和維護，幫助企業更加把握核心數據、更好實現數據共享，讓數據真正成為企業發展的有利工具。

3  設計構思和展開

當前社會的發展中數字化迭代尤為迅速，三年一小代，五年一大代的更新速度對傳統的鋼鐵企業推進數字化推進產生了瓶頸，還有日益規范的政府監管的對企業數字化管控提出挑戰。出現了資源占用無法讀取、多方交互數據沖突、自動化處理負荷大延長掃描周期、協議不一致無法交互等等問題。在一系列現實和需求之間的矛盾需要改革創新來化解。結合十四五發展規劃，構想出工業數據底座的概念，脫開上層數據需求和底層自動化設備的強連接性，通過數據底座來進行數據孿生和數據交互，化解數據需求和自動化瓶頸之間的矛盾。

3.1數據采集方面

在數據采集方面，工業數據底座需要能夠從各種類型的設備、傳感器和系統中獲取數據。這可能涉及到不同的通信協議、數據格式和數據源。因此，設計數據采集組件是至關重要的。這個組件需要能夠識別和適應不同的數據源，并能夠實時或批量地采集數據。要具備強大的數據集成和連接能力，能夠與各種工業設備、傳感器和系統進行無縫集成和連接。對下兼容性要強，能對接市場上大部分主流設備，比如：PLC、DCS、二次儀表、智能儀表、機器人等設備；對上要實現協議標準通信規范，可迎合各種系統的數據需求，如能源管理系統、MES系統、環保治理管控一體化系統、安全風控系統等要求。設計中涵蓋的采集協議和上傳協議如下：

3.1.1采集協議支持

本次數據底座支撐設備支持三菱PLC、Modbus協議、歐姆龍PLC、OPCUA客戶端、西門子PLC、ABPLC、MQTT協議等。

3.1.2 上傳協議支持

本次數據底座支撐設備支持ModbusTCP、MQTT、Json、WebAPI等主流接口軟件?？梢院芊奖銓痈鞣N應用系統。

3.2實時性和可擴展性

工業數據底座要能夠實時地獲取、處理和傳輸大量的數據。它應該具備高性能的數據處理能力和可擴展的架構，以應對不斷增長的數據量和需求。 同時實現數據緩存和數據孿生部分功能，方便多端上傳和數據交互不延時不掉幀。工業數據底座需要具備高效、可靠的數據存儲能力。這涉及到數據的存儲格式、存儲介質、存儲架構等方面。針對海量數據和高性能計算的需求，可以選擇分布式文件系統、分布式數據庫或對象存儲等技術。

3.3安全性和隱私保護

工業數據底座需要具備強大的安全性和隱私保護能力，既要防止未經授權的訪問和數據泄漏，有要防止來自外部的網絡攻擊和滲透。這可以通過數據隔離孿生技術，采用加密通信、訪問控制和身份驗證等技術來實現。 數據安全在工業數據底座中也進行了優化,可以根據項目授權控制數據流向,也可按需控制上傳，增加了變化上傳功能，可減輕網絡壓力和計算負荷。由于工業數據涉及到企業的核心機密和生產安全, 因此必須采取措施確保數據的安全性和保密性。具體措施采取了

①數據加密: 如何對數據進行加密以防止未經授權的訪問和使用可以采用對稱加密或非對稱加密算法對數據進行加密, 以保護數據的隱私和安全性。

②權限控制: 如何對用戶進行權限控制以防止未經授權的訪問和使用，可以根據用戶的角色和職責設置相應的權限。

③數據訂閱:有權限用戶通過訂閱相關服務來獲取孿生數據，孿生數據變化不會對原始數據產生影響。

3.4分布式計算和邊緣計算

工業數據底座計劃利用分布式計算和邊緣計算的技術，將自主開發的RTU分布到各廠區，可單獨處理局部的數據，將多個RTU匯聚成一張“數據網”稱之為數據底座，有授權的用戶接入到數據底座中可以很方便的調取任何一個點位的數據。數據處理和分析的任務分布到各臺RTU上，以提高系統的實時性和計算效率，還可以減少上層系統的負擔。如果新增產線、遷移和增加RTU站點聯通數據底座即可實現數據交互。

4 技術實現

通過開發中間層數據采集RTU，把底層設備、儀表、機器人、二級控制等設備數據采集到RTU中，并在RTU中進行處理和緩存。各系統通過訪問數據底座來抓取數據，不再直接對應現場設備。讓專業的設備干專業的事，現場設備只負責把工業控制做好，數據處理上傳交給RTU。RTU把邊緣計算和通訊技術集成于一體的設備，它可以將來自各種設備的信號和數據進行采集、處理、存儲和傳輸；在工業企業中，RTU可以實現各種參數的監測、控制和處理，如電壓、電流、壓力、溫度、設備啟動、停止等。同時，還可以將數據傳輸到上層多平臺使用，如MES、EMS、計量系統、環保一體化管控平臺等。

4.1確定數據需求和集成方式

根據我公司生產的需求，確定了需要采集的數據類型和數據集成方式，梳理出178種設備和傳感器，涵蓋7種通信協議。

4.2設計數據采集和傳輸系統

根據數據需求和集成方式，設計數據采集和傳輸方法，目前各系統需求數據均大于1秒，RTU系統設計采用配置方式，可以實現不同時間粒度的控制方式，能更好為以后系統拓展和升級使用。

4.3部署數據處理和存儲系統

考慮到工業4.0的大數據特點，RTU對數據進行了少料緩存，可供不同系統同時抓取數據，不會影響底層設備，上傳應用需要建立實時數據庫和歷史數據庫，以滿足實時性和可擴展性的要求。

4.4實施安全措施

本次設計的安全措施包括數據加密、訪問控制、身份驗證等，確保工業數據的安全性和隱私保護。在網絡上也做了接入認證，非接入設備私自接入可以宕掉其使用的端口。

4.5進行系統集成和測試

將采用虛擬機模擬測試，對數據采集、傳輸、處理和存儲系統進行集成，并進行全面的測試，確保系統的穩定性和可靠性。 通過以上步驟，可以實現工業數據底座在工業4.0環境下的設計和實現，為工業生產提供強大的數據支持和智能化的決策基礎。

5 結束語

本設計工業數據底座的設計和實現進行了詳細探討。通過分布式架構、多樣化存儲和數據處理技術，借助網絡虛擬化和先進通信技術，工業數據底座能夠實現對海量、高并發工業數據的全面管理和利用，提高企業生產效率、降低成本并保障數據安全。徹底解決采不到、采不準、不開放、不詳細、不實時的問題。隨著工業4.0和智能制造的不斷發展，工業數據底座將會得到更廣泛的應用和推廣，成為未來工業發展的重要支撐。

參考文獻

[1]  國家工信安全中心何小龍：數據底座有助于企業實現數字化轉型需求.2023年9月企業高峰論壇講話.