董昱偉

（江西銅業(yè)集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）是物聯(lián)網(wǎng)領域的一個重要分支，它獨有的覆蓋廣、容量大、穿透強、功耗低、成本低等優(yōu)點，在過去兩年的商業(yè)化應用過程中表現(xiàn)突出［1］。隨著工業(yè)自動化發(fā)展水平日益提升，對各種生產(chǎn)技術、安全環(huán)保指標的監(jiān)控要求也相應提出了更高的標準，在此前提之下，更廣袤的占地面積、更大量的儀表信號采集、更復雜的廠房樓層結(jié)構(gòu)和不斷攀升的能源消耗、備件成本，均成為了制約儀表技術應用發(fā)展的重要因素，但與此同時，NB-IoT技術的出現(xiàn)在理論上卻恰好能完全解決上述難題。

江西銅業(yè)股份有限公司貴溪冶煉廠（以下簡稱貴冶）的智能工廠建設作為國家工信部批準的“銅冶煉智能工廠試點示范項目”，已于2018年順利完成了一期項目建設，通過智能感知與執(zhí)行體系、生產(chǎn)運營管理體系和智能決策體系三個層次的整體建設，實現(xiàn)了貴冶從管理決策到執(zhí)行反饋的閉環(huán)管控結(jié)構(gòu)［2］。其中，智能感知與執(zhí)行體系、生產(chǎn)運營管理體系的深度結(jié)合，是整個智能工廠自動化、網(wǎng)絡化、智能化運行的基礎條件，而此次項目中NBIoT類儀表被部署在整個企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集與操作層（SCADA）［3］，正是處于貴冶整套智能工廠系統(tǒng)的基礎層級之中。

2 貴冶智能工廠中NB-Iot獨特的網(wǎng)絡系統(tǒng)與技術架構(gòu)

2.1 網(wǎng)絡系統(tǒng)

不同于貴冶傳統(tǒng)的DCS集散型數(shù)據(jù)采集方式和光纖通訊，采用NB-IoT技術的儀表終端設備通過RS-485（或MODBUS協(xié)議）、4-20mA等通訊方式與就近部署（或已植入終端本體）的無線遠傳設備RTU（NB模組）相連，實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，再由無線遠傳設備將采集到的現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)上傳到電信NB物聯(lián)網(wǎng)平臺（COAP平臺），電信NB物聯(lián)網(wǎng)平臺將上傳的數(shù)據(jù)通過http協(xié)議傳輸下發(fā)至架設在用戶端的目的服務器，目的服務器接收到的數(shù)據(jù)后，對其進行解析并作出應答反饋，同時將經(jīng)過解析的數(shù)據(jù)放入貴冶窄帶設備管理系統(tǒng)的SQL Server數(shù)據(jù)庫表中，最后，由貴冶內(nèi)部的工控數(shù)據(jù)采集層軟件（PI生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)）提取窄帶設備管理系統(tǒng)SQL Server數(shù)據(jù)庫表中的數(shù)據(jù)，進行進一步的分析與應用。

圖1 NB-IoT設備數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)框圖

2.2 技術架構(gòu)

在實現(xiàn)以上數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)功能的過程中，各類儀表終端數(shù)據(jù)需要由各自集中器（即RTU模組）采集，才能通過COAP平臺與后臺服務程序通訊，采集頻率與通訊上傳頻率均可由用戶根據(jù)需要自定義，在綜合考慮數(shù)據(jù)包大小、儀表性能等因素的前提下，將兩種頻率設置在合理范圍內(nèi)，保證滿足實際數(shù)據(jù)的采集需求和歷史數(shù)據(jù)的備份要求。傳輸方式方面，COAP平臺是通過隨機的IP地址和端口將數(shù)據(jù)包發(fā)送至用戶端的服務器，基于工控網(wǎng)絡與外部網(wǎng)絡需要隔離的安全原則，必須在服務器前端架設防火墻。服務器接收到數(shù)據(jù)包后啟動解析服務，并對COAP平臺作出接收應答反饋，當集中器收到反饋信號后，即可視為此次數(shù)據(jù)包上傳成功，否則會將數(shù)據(jù)包暫存于集中器中，等待下次重新發(fā)包，直至上傳成功，以免發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的情況。解析服務將解析好的數(shù)據(jù)放入SQL Server數(shù)據(jù)庫隊列中，此時可在貴冶窄帶設備管理平臺中查看到相應數(shù)據(jù)的信息（如工位號、工位說明、瞬時值、累計值等），而需要采集這些數(shù)據(jù)和信息進行進階處理的業(yè)務服務（例如PI系統(tǒng)）則通過與關系數(shù)據(jù)庫建立連接，從數(shù)據(jù)庫隊列中提取數(shù)據(jù)，亦可對其做持久化處理。

圖2 NB-IoT設備數(shù)據(jù)傳輸技術架構(gòu)

3 數(shù)據(jù)采集與應用

3.1 數(shù)據(jù)采集

在貴冶傳統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)采集工作中，與生產(chǎn)控制相關的信息由各生產(chǎn)車間的DCS、PLC等控制系統(tǒng)完成，這方面數(shù)據(jù)的采集工作部署的相對完善。而相比之下，能源消耗、安全環(huán)保等方面的數(shù)據(jù)則大多數(shù)依靠經(jīng)驗分析、人工抽檢等方式來完成，而這樣采集的數(shù)據(jù)其不確定性、片面性問題突出，顯然已不能適應當下銅工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的要求。在此次貴冶智能工廠項目建設中，共新增了53臺NBIoT類儀表，基于其廣覆蓋、容量大、信號強、功耗低的優(yōu)勢特性，分別部署在各條能源管道、選礦水池等廠區(qū)內(nèi)距離各生產(chǎn)控制系統(tǒng)較遠的地方，涵蓋了流量統(tǒng)計、液位報警、PH監(jiān)測、噪音監(jiān)測等數(shù)據(jù)類別，為全面提高工廠的數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，提升運行管理水平奠定了硬件基礎。

圖3 貴冶窄帶設備管理平臺界面展示

3.2 窄帶設備管理平臺

在實際的工業(yè)自動化生產(chǎn)中，為適應工廠信息化、智能化的需求，物聯(lián)網(wǎng)本身就需要具備一定的信息處理能力［5］，為能夠收集、處理各個NB-IoT終端設備所測得的實時數(shù)據(jù)，定制開發(fā)了貴冶窄帶設備管理系統(tǒng)，借助計算機技術實現(xiàn)對這些數(shù)據(jù)的處理以及分析。

當傳輸信道被打通，數(shù)據(jù)能夠按照設定的通訊頻率上傳至平臺服務器之后，在窄帶設備管理平臺中即可對相關信息進行自定義的收集與展示，此平臺可同時支持PC端與移動端的應用，當系統(tǒng)管理員授予了指定用戶相關權(quán)限后，即可登錄平臺。一方面，可在線查看相關設備本身的儀表名稱及編號、工位號、設備描述、集中器號、監(jiān)測介質(zhì)、工程單位以及安裝地址等相關信息，另一方面，可根據(jù)需要分別對其上傳的瞬時值、正反向累計值進行預警、報警的參數(shù)設置。

3.3 與PI系統(tǒng)的連接通訊

PI系統(tǒng)是貴冶在用的生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它能根據(jù)工廠管理層的需要，將來自于各車間的DCS、PLC等控制系統(tǒng)生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)通過內(nèi)部網(wǎng)絡作統(tǒng)一的采集與分析。為避免NB-IoT設備所采集的數(shù)據(jù)成為信息孤島，將其接入PI系統(tǒng)以便于統(tǒng)一管理。按照工控網(wǎng)絡通訊的安全標準，NB-IoT用戶服務器與PI系統(tǒng)的通訊連接同樣采用指定端口的方式來達到限制訪問的目的。

接口安裝方面，窄帶設備管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫與PI數(shù)據(jù)庫以ODBC連接的方式建立連接，安裝環(huán)境等沒有特殊要求，詳細步驟如圖4，接口配置詳細步驟如圖5。

圖4 與PI系統(tǒng)的通訊接口安裝步驟

圖5 與PI系統(tǒng)的通訊接口配置步驟

連接建立之后，根據(jù)需要配置測點屬性，注意需要從NB-IoT用戶服務器的數(shù)據(jù)庫中按時間序列取最新值即可。

4 實施過程中出現(xiàn)的問題及解決方案

4.1 網(wǎng)絡安全

3GPP在2016年6月制定了關于NB-IoT的行業(yè)標準，NB-IoT 搭建在成熟的通信網(wǎng)絡基礎上，這也說明其通信線路完全暴露于公共的互聯(lián)網(wǎng)路之上［4］。出于對網(wǎng)絡安全要求的考慮，工廠內(nèi)部的工控管理網(wǎng)絡與外部互聯(lián)網(wǎng)需要做一定程度的隔離措施，通常通過指定固定IP地址結(jié)合訪問限制策略等手段來達到隔離效果。作為數(shù)據(jù)傳輸樞紐的COAP平臺，其數(shù)據(jù)下發(fā)必須通過互聯(lián)網(wǎng)與用戶的服務器進行數(shù)據(jù)交互，同時實驗表明，服務器的接收應答反饋及數(shù)據(jù)解析服務需要在連通互聯(lián)網(wǎng)的基礎條件下才能啟動。但基于電信COAP平臺目前的技術標準，當某臺NB-IoT設備終端通過COAP對服務器發(fā)起通訊請求時，COAP平臺通過TCP協(xié)議對用戶服務器下發(fā)的IP地址只能是隨機的，這使得常規(guī)的通過限制訪問IP來隔離內(nèi)外網(wǎng)絡的效果無法達成，因此，只能通過在防火墻處配置數(shù)據(jù)端口規(guī)則，對用戶服務器與互聯(lián)網(wǎng)的連接作出有效限制。為保證不影響監(jiān)控數(shù)據(jù)的正常上傳和下發(fā)，分別配置了解析服務軟件認證、數(shù)據(jù)包接收和數(shù)據(jù)提取三個固定的數(shù)據(jù)端口。

4.2 數(shù)據(jù)擁塞

4.2.1 數(shù)據(jù)解析軟件問題

當數(shù)據(jù)傳輸通道建立之后，在測試中發(fā)現(xiàn)，終端設備將打包數(shù)據(jù)上傳到COAP平臺之后，COAP平臺向server（服務器端）發(fā)送數(shù)據(jù)時，時常出現(xiàn)因為server未應答，而造成其無法收到應答反饋，導致服務下線的現(xiàn)象，最終影響各測點數(shù)據(jù)更新的時效性，更新延遲短則數(shù)小時，長可達幾天，且無任何規(guī)律可循。

4.2.2 解決方式

（1）優(yōu)化server端解析軟件程序，修復其與COAP平臺連接時出現(xiàn)異常掉線的BUG。

（2）優(yōu)化server端向COAP平臺發(fā)送數(shù)據(jù)失敗后重發(fā)機制，將原先連接失敗后的重發(fā)延時間隔由1000毫秒改為每100毫秒，避免因連接失敗而導致服務直接下線。

（3）COAP平臺認證機制：在server與COAP平臺建立通訊連接之前需要登錄進行身份認證，默認的認證模式為每次發(fā)送數(shù)據(jù)時登陸一次，同時更新token（登錄令牌），為避免token因數(shù)據(jù)傳輸量大而出現(xiàn)頻繁更換，導致認證延時不通過的情況，修改其認證函數(shù)，將登錄機制定義為每2h一次，同時更新token。

5 結(jié)語

在本次貴冶智能工廠項目建設中，考慮到搭載NB-IoT技術的儀表在同行業(yè)內(nèi)尚無成熟的經(jīng)驗可供借鑒，只對其展開了探索性應用，主要配置于部分流量、液位、pH和噪音等沒有連續(xù)性控制要求的測點上。目前，整套系統(tǒng)從現(xiàn)場終端設備，到管理平臺及其相關外延通訊應用都運行平穩(wěn)，達到了項目預期要求。此次NB-Iot技術的成功應用，在實現(xiàn)工廠能源消耗的統(tǒng)計分析和安全環(huán)保指標的監(jiān)測的基礎上，突破了傳統(tǒng)儀表數(shù)據(jù)采集瓶頸，有效地克服了諸如測點跨度大、分布零散、安裝調(diào)試成本高、無線通訊質(zhì)量低、安全防護等級低、通信協(xié)議復雜等問題，完善了工業(yè)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集平臺的功能完整性和模型組件豐富性［6］，同時為貴冶各項監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸開辟了新的思路，也為今后工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺基礎的構(gòu)建提供了一種全新的解決方案。

在未來，貴冶將會不斷優(yōu)化智能工廠體系建設，而基于NB-Iot技術的特性優(yōu)勢，隨著其產(chǎn)業(yè)水平的持續(xù)提升，更加成熟的產(chǎn)品將能夠支撐它與工業(yè)自動化、智能化建設進行更為深度的融合。憑借著一期項目的建設經(jīng)驗，一些特殊環(huán)境，或符合工業(yè)安全生產(chǎn)、智能化發(fā)展需求的監(jiān)測預警點位，如陽極板轉(zhuǎn)運地下監(jiān)控、地下水位水質(zhì)監(jiān)控、室外重要設備高溫預警、室內(nèi)消防預警等，都將成為NBIot技術的用武之地。