西门子（中国）有限公司宋元明，陆霆，龚依申，宋振阳，廖亮，周振华，黄昌夏

1　项目目标和概述

1.1　行业挑战

在能源转型的大背景下，焦化行业面临着诸多挑战。环保压力是其中的关键因素之一。随着环保标准的日益严格，焦化企业需要投入大量资金进行环保设施的升级和改造，以减少废气、废水和废渣的排放。能源结构调整也是一大挑战。传统的焦化生产依赖煤炭等化石能源，而在能源转型中，需要逐步向清洁能源和可再生能源过渡。这就要求焦化企业加大研发投入，探索新的能源利用方式和生产工艺。

从市场竞争角度来看，随着新能源和替代能源的发展，焦化行业在能源市场中的份额可能会受到挤压。企业需要不断提高产品质量和降低成本，以增强市场竞争力。总之，焦化行业在当前形势下，既要应对内部的整合优化和技术升级，又要在能源转型的浪潮中积极应对挑战，寻找新的发展机遇，利用新技术谋求降本增效的可能。

1.2　项目总体概况

本项目中涉及的解决方案针对传统焦化行业经常遇到子系统繁杂，现场缺乏统一调度系统，导致生产系统信息不流通而造成严重的信息孤岛，自动化水平低下而带来的低下的生产效率。通过本系统的集成开发，大幅减少操作员的操作强度，减少操作量；提供系统内优化路径推荐，辅助用户决策；提高设备利用率、提升生产效率、减少出错几率；并设置设备、业务预警及时提醒相关用户；同时，依托工业边缘设备的强大算力作为现场调度层和底层逻辑运行平台，提供更加快捷直接的调度方式和数据接口，并通过西门子工业边缘设备快捷的Dock封装方式，快速部署3D可视化展示界面，让用户更直观操作、监管。

具体来说，系统涉及的备煤涉及四个自子流程：卸煤，上煤，配煤，供煤。备煤自动化系统整合了备煤流程中的9个子系统的相关能力，将零散分布的能力进行聚合。在这个自动化系统中，“工易魔方”（低代码数字化ITOT融合开发套件）扮演了核心引擎的角色。它是整个系统的神经中枢，通过实现运营技术（OT）与信息技术（IT）的深度整合，确保了备煤流程的顺畅、高效与精准。可以说，“工易魔方”是连接各个环节的纽带，它的卓越性能和智能化设计使得备煤流程得以优化，大大提升了整个系统的运作效率和可靠性。

工易魔方部署在工业边缘端设备IPC847E上，与其形成工易魔方蜘蛛执行器软硬件一体机。对于用户来说，这台蜘蛛执行器软硬件一体机是黑盒设备，用户不需要进入到系统内部进行维护，而是开机即用。整个应用的启动过程，运行过程都是全自动化执行。而工业边缘段提供的高可靠性，高可扩展性的特性，不仅确保了这个整体解决方案的稳定运行，更赋予了它高效的控制能力，能够无缝对接并精准管理各类复杂的工业子系统。

2　案例介绍

西门子工业边缘，融合了信息技术领域的网络、计算、存储和智能应用的核心能力，并将最新的人工智能等技术融入边缘计算，为企业提供安全、实时、灵活的工业现场本地数据处理解决方案。同时，西门子还致力于建立领先的工业边缘生态，为企业和合作伙伴创造更多价值。

西门子工业边缘分为三个层级，它们分别执行不同的功能。

首先，是最顶层的工业边缘中心，用于监视多个工业边缘管理平台，并且可以存储、浏览和下载工业边缘APP，包括由西门子和合作伙伴开发的针对多种行业和应用场景的APP。

第二层，平台层，工业边缘管理平台。用于集中管理所有已连接边缘设备的软件平台。它处于工厂车间层级，可以同时监控上百台已连接设备的状态，并且在目标边缘设备上安装边缘应用和升级软件功能，将功能从云端转移到生产系统。

第三层，设备层，是部署了工业边缘运行系统的边缘设备，连接了OT和IT两个层级，为IT应用提供了便捷的数据连接性和运行平台。该设备可以读取工业现场的自动化实时数据，对这些数据进行存储和处理，用各类可视化图表展示各项实时状态和KPI数据；为保证工厂重要数据传输的安全性，该设备也可以将重要数据上传到工厂的私有存储服务器或是公有云上。同时，它也可通过集中管理的特点，更好地为终端客户提供服务。

2.1　系统架构与数据通讯架构

总体来说，西门子工业边缘硬件设备作为整套系统的硬件载体与数据底座，通过内置的数据链接型应用应用实现与工易魔方的数据交互：其中西门子工业工业信息中心（IIH）可以作为存储实时与历史数据的节点。并可以支持MQTT/RESTful/OPCUA等协议的通讯。

另一方面，为保证更加直接快速的数据交互，工易魔方会直接与现场子系统交互。通过备煤自动化系统的需求收集整理，和现场各个子系统的沟通，整理了整体概览视图，如图1所示。

图1 整体概览视图

·在整个备煤流程的过程中，需要与各个子系统协同交互，控制对应的设备，完成整个备煤逻辑。

·需要有一个由工易魔方实现的子系统集成层与个子系统之间频繁交互，融合各个子系统的功能到备煤自动化系统的各模块中。

·由于本系统需要实现复杂的逻辑控制和运行决策，因此也需要由魔方实现一个决策工流层来负责决策相关运作。

·本系统也有表单，数据报表，系统参数设置等相关常规应用层功能，需要有一个单独的应用层功能来实现这部分需求。

·魔方与应用层系统之间的数据协同，调用和交互，则可以通过常规关系型数据库，内存缓存或中间件来实现。

另外，本项目还涉及到功能模块的前端界面涉及，包含以下部分：

·主界面：在主界面上，可以获得一个全面的视角，一览备煤业务的整个生态系统。这里汇集了所有关键信息和数据，确保用户对备煤流程的每个环节都能了如指掌；

·卸煤流程界面：在卸煤流程可以看到煤从停车场运输到各煤仓的相关信息和数据；

·上煤流程界面：上流程可以看到煤从各煤仓运输到筒仓的流程相关信息和数据；

·配煤炭流程界面：在供流程可以看到煤从缓冲仓运输到SCP车的流程相关信息和数据；

·煤计划页面：操作人员能够按照既定流程精确执行备煤计划。这些煤计划包含了新建、执行和完成等关键状态，确保了整个备煤过程的高度组织性和可控性。

对于应用层，其符合应用复杂度低、项目预算低、高可用性要求中等、后期维护成本要求低考量点，选择单体应用开发模式。

子系统集成层交互系统数量超过10个，集成协议复杂，接口与地址数量预计接近1000个。即复杂度高，数量大，传统的技术难以实现其需求。需要用工易魔方工作流来实现对应功能。

决策系统层包含超过20个复杂决策算法，算法需要同时从多个系统和数据库，中间件获取输入数据，并将决策结果输出到多个系统和数据库，中间件等。

即算法这部分的复杂度也极高，传统技术难以实现其需求。需要使用工易魔方工作流来实现对应功能。

备煤自动化系统与其他各子系统，各个设备之间的技术架构图如图2所示。

图2网络资源架构图

备煤自动化系统的总体开发框架，主要分为应用层和工作流部分。

应用层主要实现页面展示和用户操作部分，其各部分组件的逻辑分层架构如下:

·而工易魔方则主要负责与各子系统与设备的通讯，包括信息的获取与任务下发执行。其主要实现为工作流的实现。

·工作流的详细设计会分布在各个模块的详细设计部分，其中背景色为橙色的工作流表示监听工作流，工作流的常驻状态会处于监听状态，需要由特殊的触发器触发；而背景色为绿色的工作流表示定时工作流，它的运行由定时器触发；其他没有背景颜色标记的工作流，则为普通工作流，按事件顺序依工作流逻辑触发。

数据架构部分，主要设计了四个数据域，分别是运煤汽车数据域、煤数据域、资源数据域和系统设置数据域。具体如图3所示。

图3 项目各功能模块拓扑图

鉴于备煤自动系统工程的需求，我们需要构建一个全面连接广运通与各个子系统的通信网络，以实现业务流程的完整逻辑控制。在此过程中，核心交换机作为生产子网的核心组件，承担着与各子系统进行高效通讯的重要任务。此外，为确保整个方案的安全稳定，我们还需部署两台硬件防火墙，分别对内外网通讯进行保驾护航。

系统安装在西门子工业边缘设备IPC-847E一体机上。其中应用层和数据库都部署在docker环境中，使用docker-compose启动，并由系统保证其稳定性和可用性。

工作流部署在蜘蛛执行器上，后者安装在西门子工业边缘设备IPC-847E一体机上。

测试环境和生产环境的安装，都由项目开发人员完成。

2.2　软件平台

西门子工易魔方作为软件底座和运行引擎。工易魔方™（Workflow Canvas™）是一个与知识中台™（Data Layer™）共同完成IT与OT融合的数字化解决方案。是一系列软件工具和解决方案的集成套件。

工易魔方的工程示例，每个工程可分为多个工作流，每个工作流由若干功能块组成。功能块的设计和实现，需要遵循高内聚低耦合的原则。

图4 工易魔方工作流编辑界面

工易魔方的数字孪生仿真功能，可以实现在线/离线仿真，在线仿真时，3D仿真页面与现实实际机械实时同步，双向控制；离线仿真时，工作流驱动仿真产线运作，方便产线的修改和设计。

图5 工易魔方3D仿真界面

“工易魔方”是世界首创云原生的IT/OT图形化编程工具，打破IT和OT之间的壁垒。可以解决如下问题：

·提供易用的云原生离线仿真能力，可以不依赖硬件设备，帮助用户快速搭建离线仿真模型；

·支持多种IT-OT编程语言以适应工程师所在专业领域；

·工程师可通过创建定制化、可复用微服务来操控OT生产过程；

·打通IT和OT间流程与数据接口，实现IT-OT系统融合；

·提供通用的图形化拖拽式编程方式，可接入各类设备，易于用户进行产线变更及维护；

·支持MES、PLM等IT信息系统协议；

·支持不同厂家的机器人，传感器，及各种设备；

·不需要用户自己去理解不同的通信协议来集成，并提供一个开放的接口供第三方设备集成。

如下图所示，工易魔方可用于整个生命周期。从概念，计划及设计，软件集成，编程，现场调试及后期维护的工程化。

图6“工易魔方”实现IT与OT数字化融合

西门子工易魔方的指定部署平台为西门子工业边缘设备。总的来说，对于焦化/煤炭行业，此解决方案已经能覆盖绝大多数使用场景；对于钢铁，化工，能源供给与建材行业这类对工艺流程具备严格要求的场景，那么西门子工易魔方与工业边缘的联合解决方案已经可以满足；对于全行业，魔方的轻量化部署与低代码开发能力能够弥补场景的不足。

2.3　安全措施

就程序设计的安全性，针对现在大多系统的分布式结构，因为同时要面向不同地理位置，不同网络地址，不同级别，不同权限的用户提供服务，稍不留神就可能产生潜在的安全隐患，

（1）针对输入验证漏洞，在后台代码中必须验证输入信息安全后，才能向服务层提交由用户输入产生的操作。

（2）针对身份验证漏洞，程序设计中，用户身份信息必须由服务器内部的会话系统提供，避免通过表单提交和页面参数的形式获取用户身份。

（3）针对授权漏洞，在访问保密数据或受限数据时，一定要根据用户身份和相应的权限配置来判断操作是否允许。

（4）针对敏感数据漏洞，在储存敏感数据时，一定要采用合适的加密算法来对数据进行加密。

（5）针对日志记录漏洞，程序设计中，对改变系统状态的操作，一定要记录下尽可能详细的操作信息，以便操作记录可溯源。

就程序部署及操作系统安全性而言，采用以下的防范措施：

（1）无论部署于何种操作系统，保证操作系统在部署前，安装全部的安全升级补丁，关闭所有不需要的系统服务，只对外开放必须的端口。

（2）定期查看所部署服务器系统安全通告，及时安装安全补丁。

（3）定期检查系统日志，对可疑操作进行分析汇报。

（4）应用服务器程序在服务器中文件系统中的目录结构位置应该尽量清晰。目录命名需要尽可能的有意义。

（5）应用服务器程序不能以具有系统管理员权限的操作系统用户运行。最好能建立专门的操作系统用户来运行应用服务器。

就数据库安全性而言，采用以下的防范措施：

（1）数据库监听地址要有限制，只对需要访问的网络地址进行监听。

（2）定数据库备份制度。定期备份库中的数据。

（3）数据库操作授权限制，对表一级及其以上级别的数据库操作授权不应对应用服务器开放。

就网络安全性而言，采用以下的防范措施：

（1）选用企业级防火墙。

（2）根据具体网络环境，制定周密的防火墙规则。

（3）需要在外网中传输的数据，选用合适的加密算法进行加密。

就物理安全性而言，采用以下的防范措施：

（1）服务器部署于专业的数据机房，做好机房管理工作。

（2）对于支持热插拔的各种接口，在部署前在系统BIOS中关闭。服务器在运行过程中，做好各种防护措施。

3　代表性及推广价值

3.1　应用效果

根据目前系统运行情况，基于当前收集到的运维数据，综合来看这套系统能为企业带来的ROI如表1所示。

表1 项目效果简表

3.2  创新性与推广价值

本项目基于西门子工业边缘计算平台与工易魔方。其中前者做为项目的硬件部署与数据交互平台以及调度中心，后者作为后端运行引擎。

西门子工业边缘平台优势特点：

·开放式技术架构：在现场设备级别运行基于IT容器技术的应用程序，实现强大复杂的功能

·一体化管理平台：使用边缘管理平台，实现跨地域边缘设备及应用灵活管理

·丰富的数据通讯：打破自动化和IT系统之间的数据屏障，使数据通讯更简单、更迅速

·低维护易更新：应用及固件版本根据实际场景维护，批量管理，缩短时间

·打造完整生态体系：突破IT和OT界限，实现软件和硬件的互联互通，吸引不同角色用户构建生态。

基于上述特点，西门子将以复合功能模块为最小单位搭建的工业信息化系统，转化为以独立应用程序为最小单位部署的工业边缘平台，通过数据边缘处理分析和可视化展示，安全、高效、灵活地为工业现场提供了一系列描述性、诊断性、预测性和决策性的功能应用，以满足状态监测、工艺监测与控制、预测性维护和质量检测与管控等不同的业务场景需求。轻松满足工业现场日趋灵活多变的功能需求。

3.3　商业价值与推广渠道

该项目适用于绝大多数使用如智能园区、智能群控、打破IT、OT信息孤岛、降本增效等涉及到控制策略或群控策略的情况下，对于一些严重依赖人工调控，遗留系统繁杂，老旧高能耗或能耗高居不下的群控设备来说有重大意义，实际可以为企业节省非常可观的运营成本（根据实际工况而定），具体本项目中的成本节约情况可参考上文。而方案也着重于将数字化能力如边缘计算和人工智能技术的能力拓展到企业减碳，该方案针对绝大数场景具备很好的通用性，因此从推广角度而言对于工厂运营角度都是需要的。

摘自《自动化博览》2025年2月刊