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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　行業挑戰

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

從市場競爭角度來看，隨著新能源和替代能源的發展，焦化行業在能源市場中的份額可能會受到擠壓。企業需要不斷提高產品質量和降低成本，以增強市場競爭力。總之，焦化行業在當前形勢下，既要應對內部的整合優化和技術升級，又要在能源轉型的浪潮中積極應對挑戰，尋找新的發展機遇，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焦化行業經常遇到子系統繁雜，現場缺乏統一調度系統，導致生產系統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效率。通過本系統的集成開發，大幅減少操作員的操作強度，減少操作量；提供系統內優化路徑推薦，輔助用戶決策；提高設備利用率、提升生產效率、減少出錯幾率；并設置設備、業務預警及時提醒相關用戶；同時，依托工業邊緣設備的強大算力作為現場調度層和底層邏輯運行平臺，提供更加快捷直接的調度方式和數據接口，并通過西門子工業邊緣設備快捷的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、監管。

具體來說，系統涉及的備煤涉及四個自子流程：卸煤，上煤，配煤，供煤。備煤自動化系統整合了備煤流程中的9個子系統的相關能力，將零散分布的能力進行聚合。在這個自動化系統中，“工易魔方”（低代碼數字化ITOT融合開發套件）扮演了核心引擎的角色。它是整個系統的神經中樞，通過實現運營技術（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”是連接各個環節的紐帶，它的卓越性能和智能化設計使得備煤流程得以優化，大大提升了整個系統的運作效率和可靠性。

工易魔方部署在工業邊緣端設備IPC847E上，與其形成工易魔方蜘蛛執行器軟硬件一體機。對于用戶來說，這臺蜘蛛執行器軟硬件一體機是黑盒設備，用戶不需要進入到系統內部進行維護，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行。而工業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子系統。

2　案例介紹

西門子工業邊緣，融合了信息技術領域的網絡、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，為企業提供安全、實時、靈活的工業現場本地數據處理解決方案。同時，西門子還致力于建立領先的工業邊緣生態，為企業和合作伙伴創造更多價值。

西門子工業邊緣分為三個層級，它們分別執行不同的功能。

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

第二層，平臺層，工業邊緣管理平臺。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，可以同時監控上百臺已連接設備的狀態，并且在目標邊緣設備上安裝邊緣應用和升級軟件功能，將功能從云端轉移到生產系統。

第三層，設備層，是部署了工業邊緣運行系統的邊緣設備，連接了OT和IT兩個層級，為IT應用提供了便捷的數據連接性和運行平臺。該設備可以讀取工業現場的自動化實時數據，對這些數據進行存儲和處理，用各類可視化圖表展示各項實時狀態和KPI數據；為保證工廠重要數據傳輸的安全性，該設備也可以將重要數據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　系統架構與數據通訊架構

總體來說，西門子工業邊緣硬件設備作為整套系統的硬件載體與數據底座，通過內置的數據鏈接型應用應用實現與工易魔方的數據交互：其中西門子工業工業信息中心（IIH）可以作為存儲實時與歷史數據的節點。并可以支持MQTT/RESTful/OPCUA等協議的通訊。

另一方面，為保證更加直接快速的數據交互，工易魔方會直接與現場子系統交互。通過備煤自動化系統的需求收集整理，和現場各個子系統的溝通，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，需要與各個子系統協同交互，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的子系統集成層與個子系統之間頻繁交互，融合各個子系統的功能到備煤自動化系統的各模塊中。

·由于本系統需要實現復雜的邏輯控制和運行決策，因此也需要由魔方實現一個決策工流層來負責決策相關運作。

·本系統也有表單，數據報表，系統參數設置等相關常規應用層功能，需要有一個單獨的應用層功能來實現這部分需求。

·魔方與應用層系統之間的數據協同，調用和交互，則可以通過常規關系型數據庫，內存緩存或中間件來實現。

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，一覽備煤業務的整個生態系統。這里匯集了所有關鍵信息和數據，確保用戶對備煤流程的每個環節都能了如指掌；

·卸煤流程界面：在卸煤流程可以看到煤從停車場運輸到各煤倉的相關信息和數據；

·上煤流程界面：上流程可以看到煤從各煤倉運輸到筒倉的流程相關信息和數據；

·配煤炭流程界面：在供流程可以看到煤從緩沖倉運輸到SCP車的流程相關信息和數據；

·煤計劃頁面：操作人員能夠按照既定流程精確執行備煤計劃。這些煤計劃包含了新建、執行和完成等關鍵狀態，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，選擇單體應用開發模式。

子系統集成層交互系統數量超過10個，集成協議復雜，接口與地址數量預計接近1000個。即復雜度高，數量大，傳統的技術難以實現其需求。需要用工易魔方工作流來實現對應功能。

決策系統層包含超過20個復雜決策算法，算法需要同時從多個系統和數據庫，中間件獲取輸入數據，并將決策結果輸出到多個系統和數據庫，中間件等。

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

備煤自動化系統與其他各子系統，各個設備之間的技術架構圖如圖2所示。

圖2網絡資源架構圖

備煤自動化系統的總體開發框架，主要分為應用層和工作流部分。

應用層主要實現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與設備的通訊，包括信息的獲取與任務下發執行。其主要實現為工作流的實現。

·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聽工作流，工作流的常駐狀態會處于監聽狀態，需要由特殊的觸發器觸發；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；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。

數據架構部分，主要設計了四個數據域，分別是運煤汽車數據域、煤數據域、資源數據域和系統設置數據域。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的通信網絡，以實現業務流程的完整邏輯控制。在此過程中，核心交換機作為生產子網的核心組件，承擔著與各子系統進行高效通訊的重要任務。此外，為確保整個方案的安全穩定，我們還需部署兩臺硬件防火墻，分別對內外網通訊進行保駕護航。

系統安裝在西門子工業邊緣設備IPC-847E一體機上。其中應用層和數據庫都部署在docker環境中，使用docker-compose啟動，并由系統保證其穩定性和可用性。

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

測試環境和生產環境的安裝，都由項目開發人員完成。

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，需要遵循高內聚低耦合的原則。

圖4 工易魔方工作流編輯界面

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

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領域；

·工程師可通過創建定制化、可復用微服務來操控OT生產過程；

·打通IT和OT間流程與數據接口，實現IT-OT系統融合；

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

·支持MES、PLM等IT信息系統協議；

·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，現場調試及后期維護的工程化。

圖6“工易魔方”實現IT與OT數字化融合

西門子工易魔方的指定部署平臺為西門子工業邊緣設備。總的來說，對于焦化/煤炭行業，此解決方案已經能覆蓋絕大多數使用場景；對于鋼鐵，化工，能源供給與建材行業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邊緣的聯合解決方案已經可以滿足；對于全行業，魔方的輕量化部署與低代碼開發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，針對現在大多系統的分布式結構，因為同時要面向不同地理位置，不同網絡地址，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部的會話系統提供，避免通過表單提交和頁面參數的形式獲取用戶身份。

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

（4）針對敏感數據漏洞，在儲存敏感數據時，一定要采用合適的加密算法來對數據進行加密。

（5）針對日志記錄漏洞，程序設計中，對改變系統狀態的操作，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，保證操作系統在部署前，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安全通告，及時安裝安全補丁。

（3）定期檢查系統日志，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管理員權限的操作系統用戶運行。最好能建立專門的操作系統用戶來運行應用服務器。

就數據庫安全性而言，采用以下的防范措施：

（1）數據庫監聽地址要有限制，只對需要訪問的網絡地址進行監聽。

（2）定數據庫備份制度。定期備份庫中的數據。

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

就網絡安全性而言，采用以下的防范措施：

（1）選用企業級防火墻。

（2）根據具體網絡環境，制定周密的防火墻規則。

（3）需要在外網中傳輸的數據，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）服務器部署于專業的數據機房，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

根據目前系統運行情況，基于當前收集到的運維數據，綜合來看這套系統能為企業帶來的ROI如表1所示。

表1 項目效果簡表

3.2  創新性與推廣價值

本項目基于西門子工業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據交互平臺以及調度中心，后者作為后端運行引擎。

西門子工業邊緣平臺優勢特點：

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

·一體化管理平臺：使用邊緣管理平臺，實現跨地域邊緣設備及應用靈活管理

·豐富的數據通訊：打破自動化和IT系統之間的數據屏障，使數據通訊更簡單、更迅速

·低維護易更新：應用及固件版本根據實際場景維護，批量管理，縮短時間

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

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信息化系統，轉化為以獨立應用程序為最小單位部署的工業邊緣平臺，通過數據邊緣處理分析和可視化展示，安全、高效、靈活地為工業現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，以滿足狀態監測、工藝監測與控制、預測性維護和質量檢測與管控等不同的業務場景需求。輕松滿足工業現場日趨靈活多變的功能需求。

3.3　商業價值與推廣渠道

該項目適用于絕大多數使用如智能園區、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控，遺留系統繁雜，老舊高能耗或能耗高居不下的群控設備來說有重大意義，實際可以為企業節省非常可觀的運營成本（根據實際工況而定），具體本項目中的成本節約情況可參考上文。而方案也著重于將數字化能力如邊緣計算和人工智能技術的能力拓展到企業減碳，該方案針對絕大數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