西門子（中國）有限公司宋元明，陸霆，龔依申，宋振陽，廖亮，周振華，黃昌夏

1　項目目標和概述

1.1　行業(yè)挑戰(zhàn)

在能源轉(zhuǎn)型的大背景下，焦化行業(yè)面臨著諸多挑戰(zhàn)。環(huán)保壓力是其中的關鍵因素之一。隨著環(huán)保標準的日益嚴格，焦化企業(yè)需要投入大量資金進行環(huán)保設施的升級和改造，以減少廢氣、廢水和廢渣的排放。能源結構調(diào)整也是一大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的焦化生產(chǎn)依賴煤炭等化石能源，而在能源轉(zhuǎn)型中，需要逐步向清潔能源和可再生能源過渡。這就要求焦化企業(yè)加大研發(fā)投入，探索新的能源利用方式和生產(chǎn)工藝。

從市場競爭角度來看，隨著新能源和替代能源的發(fā)展，焦化行業(yè)在能源市場中的份額可能會受到擠壓。企業(yè)需要不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本，以增強市場競爭力。總之，焦化行業(yè)在當前形勢下，既要應對內(nèi)部的整合優(yōu)化和技術升級，又要在能源轉(zhuǎn)型的浪潮中積極應對挑戰(zhàn)，尋找新的發(fā)展機遇，利用新技術謀求降本增效的可能。

1.2　項目總體概況

本項目中涉及的解決方案針對傳統(tǒng)焦化行業(yè)經(jīng)常遇到子系統(tǒng)繁雜，現(xiàn)場缺乏統(tǒng)一調(diào)度系統(tǒng)，導致生產(chǎn)系統(tǒng)信息不流通而造成嚴重的信息孤島，自動化水平低下而帶來的低下的生產(chǎn)效率。通過本系統(tǒng)的集成開發(fā)，大幅減少操作員的操作強度，減少操作量；提供系統(tǒng)內(nèi)優(yōu)化路徑推薦，輔助用戶決策；提高設備利用率、提升生產(chǎn)效率、減少出錯幾率；并設置設備、業(yè)務預警及時提醒相關用戶；同時，依托工業(yè)邊緣設備的強大算力作為現(xiàn)場調(diào)度層和底層邏輯運行平臺，提供更加快捷直接的調(diào)度方式和數(shù)據(jù)接口，并通過西門子工業(yè)邊緣設備快捷的Dock封裝方式，快速部署3D可視化展示界面，讓用戶更直觀操作、監(jiān)管。

具體來說，系統(tǒng)涉及的備煤涉及四個自子流程：卸煤，上煤，配煤，供煤。備煤自動化系統(tǒng)整合了備煤流程中的9個子系統(tǒng)的相關能力，將零散分布的能力進行聚合。在這個自動化系統(tǒng)中，“工易魔方”（低代碼數(shù)字化ITOT融合開發(fā)套件）扮演了核心引擎的角色。它是整個系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，通過實現(xiàn)運營技術（OT）與信息技術（IT）的深度整合，確保了備煤流程的順暢、高效與精準。可以說，“工易魔方”是連接各個環(huán)節(jié)的紐帶，它的卓越性能和智能化設計使得備煤流程得以優(yōu)化，大大提升了整個系統(tǒng)的運作效率和可靠性。

工易魔方部署在工業(yè)邊緣端設備IPC847E上，與其形成工易魔方蜘蛛執(zhí)行器軟硬件一體機。對于用戶來說，這臺蜘蛛執(zhí)行器軟硬件一體機是黑盒設備，用戶不需要進入到系統(tǒng)內(nèi)部進行維護，而是開機即用。整個應用的啟動過程，運行過程都是全自動化執(zhí)行。而工業(yè)邊緣段提供的高可靠性，高可擴展性的特性，不僅確保了這個整體解決方案的穩(wěn)定運行，更賦予了它高效的控制能力，能夠無縫對接并精準管理各類復雜的工業(yè)子系統(tǒng)。

2　案例介紹

西門子工業(yè)邊緣，融合了信息技術領域的網(wǎng)絡、計算、存儲和智能應用的核心能力，并將最新的人工智能等技術融入邊緣計算，為企業(yè)提供安全、實時、靈活的工業(yè)現(xiàn)場本地數(shù)據(jù)處理解決方案。同時，西門子還致力于建立領先的工業(yè)邊緣生態(tài)，為企業(yè)和合作伙伴創(chuàng)造更多價值。

西門子工業(yè)邊緣分為三個層級，它們分別執(zhí)行不同的功能。

首先，是最頂層的工業(yè)邊緣中心，用于監(jiān)視多個工業(yè)邊緣管理平臺，并且可以存儲、瀏覽和下載工業(yè)邊緣APP，包括由西門子和合作伙伴開發(fā)的針對多種行業(yè)和應用場景的APP。

第二層，平臺層，工業(yè)邊緣管理平臺。用于集中管理所有已連接邊緣設備的軟件平臺。它處于工廠車間層級，可以同時監(jiān)控上百臺已連接設備的狀態(tài)，并且在目標邊緣設備上安裝邊緣應用和升級軟件功能，將功能從云端轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)系統(tǒng)。

第三層，設備層，是部署了工業(yè)邊緣運行系統(tǒng)的邊緣設備，連接了OT和IT兩個層級，為IT應用提供了便捷的數(shù)據(jù)連接性和運行平臺。該設備可以讀取工業(yè)現(xiàn)場的自動化實時數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行存儲和處理，用各類可視化圖表展示各項實時狀態(tài)和KPI數(shù)據(jù)；為保證工廠重要數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕撛O備也可以將重要數(shù)據(jù)上傳到工廠的私有存儲服務器或是公有云上。同時，它也可通過集中管理的特點，更好地為終端客戶提供服務。

2.1　系統(tǒng)架構與數(shù)據(jù)通訊架構

總體來說，西門子工業(yè)邊緣硬件設備作為整套系統(tǒng)的硬件載體與數(shù)據(jù)底座，通過內(nèi)置的數(shù)據(jù)鏈接型應用應用實現(xiàn)與工易魔方的數(shù)據(jù)交互：其中西門子工業(yè)工業(yè)信息中心（IIH）可以作為存儲實時與歷史數(shù)據(jù)的節(jié)點。并可以支持MQTT/RESTful/OPCUA等協(xié)議的通訊。

另一方面，為保證更加直接快速的數(shù)據(jù)交互，工易魔方會直接與現(xiàn)場子系統(tǒng)交互。通過備煤自動化系統(tǒng)的需求收集整理，和現(xiàn)場各個子系統(tǒng)的溝通，整理了整體概覽視圖，如圖1所示。

圖1 整體概覽視圖

·在整個備煤流程的過程中，需要與各個子系統(tǒng)協(xié)同交互，控制對應的設備，完成整個備煤邏輯。

·需要有一個由工易魔方實現(xiàn)的子系統(tǒng)集成層與個子系統(tǒng)之間頻繁交互，融合各個子系統(tǒng)的功能到備煤自動化系統(tǒng)的各模塊中。

·由于本系統(tǒng)需要實現(xiàn)復雜的邏輯控制和運行決策，因此也需要由魔方實現(xiàn)一個決策工流層來負責決策相關運作。

·本系統(tǒng)也有表單，數(shù)據(jù)報表，系統(tǒng)參數(shù)設置等相關常規(guī)應用層功能，需要有一個單獨的應用層功能來實現(xiàn)這部分需求。

·魔方與應用層系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)協(xié)同，調(diào)用和交互，則可以通過常規(guī)關系型數(shù)據(jù)庫，內(nèi)存緩存或中間件來實現(xiàn)。

另外，本項目還涉及到功能模塊的前端界面涉及，包含以下部分：

·主界面：在主界面上，可以獲得一個全面的視角，一覽備煤業(yè)務的整個生態(tài)系統(tǒng)。這里匯集了所有關鍵信息和數(shù)據(jù)，確保用戶對備煤流程的每個環(huán)節(jié)都能了如指掌；

·卸煤流程界面：在卸煤流程可以看到煤從停車場運輸?shù)礁髅簜}的相關信息和數(shù)據(jù)；

·上煤流程界面：上流程可以看到煤從各煤倉運輸?shù)酵矀}的流程相關信息和數(shù)據(jù)；

·配煤炭流程界面：在供流程可以看到煤從緩沖倉運輸?shù)絊CP車的流程相關信息和數(shù)據(jù)；

·煤計劃頁面：操作人員能夠按照既定流程精確執(zhí)行備煤計劃。這些煤計劃包含了新建、執(zhí)行和完成等關鍵狀態(tài)，確保了整個備煤過程的高度組織性和可控性。

對于應用層，其符合應用復雜度低、項目預算低、高可用性要求中等、后期維護成本要求低考量點，選擇單體應用開發(fā)模式。

子系統(tǒng)集成層交互系統(tǒng)數(shù)量超過10個，集成協(xié)議復雜，接口與地址數(shù)量預計接近1000個。即復雜度高，數(shù)量大，傳統(tǒng)的技術難以實現(xiàn)其需求。需要用工易魔方工作流來實現(xiàn)對應功能。

決策系統(tǒng)層包含超過20個復雜決策算法，算法需要同時從多個系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫，中間件獲取輸入數(shù)據(jù)，并將決策結果輸出到多個系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫，中間件等。

即算法這部分的復雜度也極高，傳統(tǒng)技術難以實現(xiàn)其需求。需要使用工易魔方工作流來實現(xiàn)對應功能。

備煤自動化系統(tǒng)與其他各子系統(tǒng)，各個設備之間的技術架構圖如圖2所示。

圖2網(wǎng)絡資源架構圖

備煤自動化系統(tǒng)的總體開發(fā)框架，主要分為應用層和工作流部分。

應用層主要實現(xiàn)頁面展示和用戶操作部分，其各部分組件的邏輯分層架構如下:

·而工易魔方則主要負責與各子系統(tǒng)與設備的通訊，包括信息的獲取與任務下發(fā)執(zhí)行。其主要實現(xiàn)為工作流的實現(xiàn)。

·工作流的詳細設計會分布在各個模塊的詳細設計部分，其中背景色為橙色的工作流表示監(jiān)聽工作流，工作流的常駐狀態(tài)會處于監(jiān)聽狀態(tài)，需要由特殊的觸發(fā)器觸發(fā)；而背景色為綠色的工作流表示定時工作流，它的運行由定時器觸發(fā)；其他沒有背景顏色標記的工作流，則為普通工作流，按事件順序依工作流邏輯觸發(fā)。

數(shù)據(jù)架構部分，主要設計了四個數(shù)據(jù)域，分別是運煤汽車數(shù)據(jù)域、煤數(shù)據(jù)域、資源數(shù)據(jù)域和系統(tǒng)設置數(shù)據(jù)域。具體如圖3所示。

圖3 項目各功能模塊拓撲圖

鑒于備煤自動系統(tǒng)工程的需求，我們需要構建一個全面連接廣運通與各個子系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡，以實現(xiàn)業(yè)務流程的完整邏輯控制。在此過程中，核心交換機作為生產(chǎn)子網(wǎng)的核心組件，承擔著與各子系統(tǒng)進行高效通訊的重要任務。此外，為確保整個方案的安全穩(wěn)定，我們還需部署兩臺硬件防火墻，分別對內(nèi)外網(wǎng)通訊進行保駕護航。

系統(tǒng)安裝在西門子工業(yè)邊緣設備IPC-847E一體機上。其中應用層和數(shù)據(jù)庫都部署在docker環(huán)境中，使用docker-compose啟動，并由系統(tǒng)保證其穩(wěn)定性和可用性。

工作流部署在蜘蛛執(zhí)行器上，后者安裝在西門子工業(yè)邊緣設備IPC-847E一體機上。

測試環(huán)境和生產(chǎn)環(huán)境的安裝，都由項目開發(fā)人員完成。

2.2　軟件平臺

西門子工易魔方作為軟件底座和運行引擎。工易魔方?（Workflow Canvas?）是一個與知識中臺?（Data Layer?）共同完成IT與OT融合的數(shù)字化解決方案。是一系列軟件工具和解決方案的集成套件。

工易魔方的工程示例，每個工程可分為多個工作流，每個工作流由若干功能塊組成。功能塊的設計和實現(xiàn)，需要遵循高內(nèi)聚低耦合的原則。

圖4 工易魔方工作流編輯界面

工易魔方的數(shù)字孿生仿真功能，可以實現(xiàn)在線/離線仿真，在線仿真時，3D仿真頁面與現(xiàn)實實際機械實時同步，雙向控制；離線仿真時，工作流驅(qū)動仿真產(chǎn)線運作，方便產(chǎn)線的修改和設計。

圖5 工易魔方3D仿真界面

“工易魔方”是世界首創(chuàng)云原生的IT/OT圖形化編程工具，打破IT和OT之間的壁壘。可以解決如下問題：

·提供易用的云原生離線仿真能力，可以不依賴硬件設備，幫助用戶快速搭建離線仿真模型；

·支持多種IT-OT編程語言以適應工程師所在專業(yè)領域；

·工程師可通過創(chuàng)建定制化、可復用微服務來操控OT生產(chǎn)過程；

·打通IT和OT間流程與數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)IT-OT系統(tǒng)融合；

·提供通用的圖形化拖拽式編程方式，可接入各類設備，易于用戶進行產(chǎn)線變更及維護；

·支持MES、PLM等IT信息系統(tǒng)協(xié)議；

·支持不同廠家的機器人，傳感器，及各種設備；

·不需要用戶自己去理解不同的通信協(xié)議來集成，并提供一個開放的接口供第三方設備集成。

如下圖所示，工易魔方可用于整個生命周期。從概念，計劃及設計，軟件集成，編程，現(xiàn)場調(diào)試及后期維護的工程化。

圖6“工易魔方”實現(xiàn)IT與OT數(shù)字化融合

西門子工易魔方的指定部署平臺為西門子工業(yè)邊緣設備。總的來說，對于焦化/煤炭行業(yè)，此解決方案已經(jīng)能覆蓋絕大多數(shù)使用場景；對于鋼鐵，化工，能源供給與建材行業(yè)這類對工藝流程具備嚴格要求的場景，那么西門子工易魔方與工業(yè)邊緣的聯(lián)合解決方案已經(jīng)可以滿足；對于全行業(yè)，魔方的輕量化部署與低代碼開發(fā)能力能夠彌補場景的不足。

2.3　安全措施

就程序設計的安全性，針對現(xiàn)在大多系統(tǒng)的分布式結構，因為同時要面向不同地理位置，不同網(wǎng)絡地址，不同級別，不同權限的用戶提供服務，稍不留神就可能產(chǎn)生潛在的安全隱患，

（1）針對輸入驗證漏洞，在后臺代碼中必須驗證輸入信息安全后，才能向服務層提交由用戶輸入產(chǎn)生的操作。

（2）針對身份驗證漏洞，程序設計中，用戶身份信息必須由服務器內(nèi)部的會話系統(tǒng)提供，避免通過表單提交和頁面參數(shù)的形式獲取用戶身份。

（3）針對授權漏洞，在訪問保密數(shù)據(jù)或受限數(shù)據(jù)時，一定要根據(jù)用戶身份和相應的權限配置來判斷操作是否允許。

（4）針對敏感數(shù)據(jù)漏洞，在儲存敏感數(shù)據(jù)時，一定要采用合適的加密算法來對數(shù)據(jù)進行加密。

（5）針對日志記錄漏洞，程序設計中，對改變系統(tǒng)狀態(tài)的操作，一定要記錄下盡可能詳細的操作信息，以便操作記錄可溯源。

就程序部署及操作系統(tǒng)安全性而言，采用以下的防范措施：

（1）無論部署于何種操作系統(tǒng)，保證操作系統(tǒng)在部署前，安裝全部的安全升級補丁，關閉所有不需要的系統(tǒng)服務，只對外開放必須的端口。

（2）定期查看所部署服務器系統(tǒng)安全通告，及時安裝安全補丁。

（3）定期檢查系統(tǒng)日志，對可疑操作進行分析匯報。

（4）應用服務器程序在服務器中文件系統(tǒng)中的目錄結構位置應該盡量清晰。目錄命名需要盡可能的有意義。

（5）應用服務器程序不能以具有系統(tǒng)管理員權限的操作系統(tǒng)用戶運行。最好能建立專門的操作系統(tǒng)用戶來運行應用服務器。

就數(shù)據(jù)庫安全性而言，采用以下的防范措施：

（1）數(shù)據(jù)庫監(jiān)聽地址要有限制，只對需要訪問的網(wǎng)絡地址進行監(jiān)聽。

（2）定數(shù)據(jù)庫備份制度。定期備份庫中的數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)庫操作授權限制，對表一級及其以上級別的數(shù)據(jù)庫操作授權不應對應用服務器開放。

就網(wǎng)絡安全性而言，采用以下的防范措施：

（1）選用企業(yè)級防火墻。

（2）根據(jù)具體網(wǎng)絡環(huán)境，制定周密的防火墻規(guī)則。

（3）需要在外網(wǎng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，選用合適的加密算法進行加密。

就物理安全性而言，采用以下的防范措施：

（1）服務器部署于專業(yè)的數(shù)據(jù)機房，做好機房管理工作。

（2）對于支持熱插拔的各種接口，在部署前在系統(tǒng)BIOS中關閉。服務器在運行過程中，做好各種防護措施。

3　代表性及推廣價值

3.1　應用效果

根據(jù)目前系統(tǒng)運行情況，基于當前收集到的運維數(shù)據(jù)，綜合來看這套系統(tǒng)能為企業(yè)帶來的ROI如表1所示。

表1 項目效果簡表

3.2  創(chuàng)新性與推廣價值

本項目基于西門子工業(yè)邊緣計算平臺與工易魔方。其中前者做為項目的硬件部署與數(shù)據(jù)交互平臺以及調(diào)度中心，后者作為后端運行引擎。

西門子工業(yè)邊緣平臺優(yōu)勢特點：

·開放式技術架構：在現(xiàn)場設備級別運行基于IT容器技術的應用程序，實現(xiàn)強大復雜的功能

·一體化管理平臺：使用邊緣管理平臺，實現(xiàn)跨地域邊緣設備及應用靈活管理

·豐富的數(shù)據(jù)通訊：打破自動化和IT系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)屏障，使數(shù)據(jù)通訊更簡單、更迅速

·低維護易更新：應用及固件版本根據(jù)實際場景維護，批量管理，縮短時間

·打造完整生態(tài)體系：突破IT和OT界限，實現(xiàn)軟件和硬件的互聯(lián)互通，吸引不同角色用戶構建生態(tài)。

基于上述特點，西門子將以復合功能模塊為最小單位搭建的工業(yè)信息化系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化為以獨立應用程序為最小單位部署的工業(yè)邊緣平臺，通過數(shù)據(jù)邊緣處理分析和可視化展示，安全、高效、靈活地為工業(yè)現(xiàn)場提供了一系列描述性、診斷性、預測性和決策性的功能應用，以滿足狀態(tài)監(jiān)測、工藝監(jiān)測與控制、預測性維護和質(zhì)量檢測與管控等不同的業(yè)務場景需求。輕松滿足工業(yè)現(xiàn)場日趨靈活多變的功能需求。

3.3　商業(yè)價值與推廣渠道

該項目適用于絕大多數(shù)使用如智能園區(qū)、智能群控、打破IT、OT信息孤島、降本增效等涉及到控制策略或群控策略的情況下，對于一些嚴重依賴人工調(diào)控，遺留系統(tǒng)繁雜，老舊高能耗或能耗高居不下的群控設備來說有重大意義，實際可以為企業(yè)節(jié)省非常可觀的運營成本（根據(jù)實際工況而定），具體本項目中的成本節(jié)約情況可參考上文。而方案也著重于將數(shù)字化能力如邊緣計算和人工智能技術的能力拓展到企業(yè)減碳，該方案針對絕大數(shù)場景具備很好的通用性，因此從推廣角度而言對于工廠運營角度都是需要的。

摘自《自動化博覽》2025年2月刊