1   方案背景与目标

1.1 研究背景：

·        应对国家生态环境部制订的《重污染天气重点行业应急减排措施制定技术指南》

·        国家的“双碳”战略

·        横河可持续发展目标 (SDGs)

1.2 目标

VoF解决方案旨在通过创建智能化与数据应用系统，满足离散型企业（如，机械制造业、汽车制造业、家电制造业等）以下需求，从而实现可持续发展、提升ESG绩效的目标。

·        工厂能源可视化管理

·        生产环境零排放对应

·        零事故安全生产需求

·        能耗设备低故障预防

·        智能制造数字化对应

2   方案详细介绍

目前大部分的离散型制造业的现状是信息为点状化、数据采集效率低（数据高度离散）、数据积累程度欠缺等种种问题。另一方面企业数字化是一个综合性的、系统性的工程，需要企业从多个方面入手，进行全面的规划和实施，这对于中小型企业来说，因投资成本有限，真正落地非常困难。

VoF解决方案推荐用户从小的投资开始，以「环境」或「能源」或「安全」或「设备」为切入点，通过导入使用解决方案包切实解决用户问题，并构建工业互联网系统架构。然后再根据需要分阶段地完善其他功能。

通过数字化平台协同工厂生产运营信息，从「可视化」开始，然后通过「可视化」 「分析」 「改善」三个步骤的不断迭代升级服务，进行分析、优化及管理，帮助用户将节能减排落到实处。

2.1 系统架构 

如上图架构，系统可分两层来看。

上层是由横河自主研发的综合信息服务器（CI-Server）为主的大数据应用层。CI-Server对应多种工业通信标准，将环境、能源、安全、设备的相关信息集成于同一平台，同时还可实现仪表领域（如DCS）和电气领域（如PLC）一体化的EI（Enterprise Integration）集成。系统可根据终端用户相关的营销、制造、生产、设备、管理、操作等不同方面的需要，针对不同角色、不同场景实现了相应的数字化、智能化功能。

下层采用横河自主研发的边缘计算网关设备，如GM10，FM-MA eRT3等，可独立运行，灵活地实现简单的数据采集与分析功能。

这个架构可以很好地适应用户现场数据高度离散的场景，并确保性能、功能、稳定性、可靠性满足平台要求。 

2.2  硬件平台

硬件平台由综合信息服务器和其下属数据采集网络系统构成。

综合信息服务器即数字平台服务器，是承载数字平台运行所必需的基础设施,用于存储和处理大量的数据、提供各种功能和服务。CI Server 是横河自主研发的一种跨平台的监控和信息系统，集成了工业控制系统、传感器和人工智能，可实现：

l  远程操作，提高运行效率

l  流程和广域集成，以掌握更广泛的供应链

l  数据驱动优化，实现计算机辅助操作 

下属数据采集网络系统包括数边缘计算网关设备（如GM10，FM-MA eRT3等）和传感器。 

整个系统搭建过程中，以采用横河自主研发的产品为主。这样可以确保性能、功能、稳定性、可靠性满足平台要求。

在数据采集方面，横河拥有2套先进的无线传感器网络系统（如下图），分别是ISA100标准协议和LoRaWAN标准协议，以应对复杂环境、确保工程实施。 其共同特点是协议开放性。对用户来说各厂商产品兼容，便于维护管理。

在安全预警监控方面，横河自主研发的分布式温度传感器DTSX（如下图）能够实时智能地监测纵向50公里以内的温度分布，有助于在广阔的区域内实现火灾预警和预防性维护。

2.3  软件平台

与硬件平台相对应，软件平台包括大数据应用和下属数据采集网络应用。

根据用户需求，软件平台可以选用本地部署或云端部署（采用公有云和私有云混合的部署模式）。集合了工业物联网技术、工业控制技术、工业大数据技术，以及多协议融合的工业网络通信技术，实现了复杂环境下的工业物联网软件平台应用需求。

1)    大数据应用

在工业生产和监控管理过程中无时无刻不在产生海量的数据，比如生产设备的运行环境、机械设备的运转状态、生产过程中的能源消耗、物料的损耗、废水废气环境等。

在典型的VoF工厂解决方案中，采集了超过2000个工业参数数据，工业数据的收集涉及流量、压力、温度、湿度、电力、VOC、pH、设备运转等多种类型、多个维度的数据。

上述数据具有如下特征：

数据体量庞大，一个传感器平均每秒大约产生至少100多个数据包，整体网络中每秒将产生200MB的传感数据，每月将产生60GB的数据。如此庞大的传感数据对数据存储、并发处理要求极高。

数据生成和处理速度快。软件平台需要从这些海量数据中快速提取需要的数据进行处理、分析和展示。

数据类型多：在系统软件运行过程中，除了需要处理工业中使用的结构化数据，还需要对接上层包括MES系统的一些非结构化数据进行存储、提取和加工分析。

价值密度低：如何在海量数据中提取有价值的信息是软件平台数据处理层面的关键。 

横河自主研发的CI-Server（综合信息服务平台）、MANA（云计算物联网平台）可以对上述特征的数据进行集成与清洗、存储与管理、分析与挖掘，以及安全可视化等工作。

集成与清洗

CI-Server把不同来源、格式、特性的数据进行有机汇聚，并对平台中的数据进行重新审查和校验，发现和纠正可识别的错误，处理无效值和缺失值，从而得到到干净并且格式一致的数据。经过CI-Server清洗后的数据才可以发送到数据中间件系统或存储系统进行后续处理。

存储与管理

采用MANA的分布式云存储技术，将数据进行经济、安全可靠的存储管理，在确定数据优先级的前提下，采用高吞吐量的数据库技术和非结构化访问技术支持云系统中数据的高效快速访问。

分析与挖掘

MANA和下属GA10软件配合从海量、不完全、有噪声、模糊及随机的大型数据库中发现隐含在其中有价值的信息和知识，采用无监督学习的方式，对包括设备状态监测、机房及用电安全监测在内的涉及设备和安全的数据进行充分利用，建立安全健康生产状态模型，实现对设备的基于状态的维护策略以及安全状态提示策略。

可视化展示

充分利用计算机图形技术、可视化展示技术、WEB展示技术，综合处理显示多维度数据，将包括原始数据、报警数据、分析数据、等展示在屏幕上，使枯燥、抽象的数据变得直观且易于理解，并通过交互处理实现基于可视化数据的分析、交流和决策支持。 

2)    下属数据采集网络应用

GA10 是横河自主研发的基于PC的数据记录程序，广泛用于构建监视并记录数据的系统。如下图所示，GA10可广泛对应数据采集器/ 记录仪/ 温度调节器/ 信号变换器/ 电力监视器/ 功率计，也可以实现Modbus 仪表的数据采集。如，将分布式光纤测温接入GA10后，可对加热炉炉壁温度进行分析、并可视化。

2.4 解决方案包

用户可根据其需求，选用一个或多个功能的解决方案包（如下图）。用户可以从导入一个以上单一功能的解决方案包（如下图）开始，把系统架构建立起来，然后再根据需要分阶段地完善。

2.5数据通信、安全措施

本节内容，通过如下图的案例进行说明。

在现场通信层面，采用了物联网以及工业现场总线、工业以太网相融合的实现方式，一方面可以充分结合实际通信业务需求和实施需求，另一方面可以减少施工作业成本，充分体现了本解决方案的技术先进性、经济性和系统运行的安全性和稳定性。

现场传感器数据传输采用了包括微型、低成本、低功耗、抗干扰能力强的LoRaWAN无线传感器，长距离、低时延的ISA100无线传感器，成熟、易维护的HART通信传感器，以及将测量和传输采用同种介质的分布式温度传感器等，构成了现场传感器的通信网络；

同时采用边缘计算网关设备包括GM10，FM-MA eRT3，利用分布式存储、异构计算、协议转换等技术，将不同的通信协议进行统一化，实现传统接口和协议设备之间的实时通信，实现企业OT和IT的高可靠数据融合，提供了现场级的实时计算、存储和通信机制，并通过GA10提供了边缘侧的建模工具和智能工具，对实时数据进行预处理，为数据融合提供了基础支撑。

对于边缘网关到数据采集和管理平台之间（CI-Server,MANA），采用了包括工业以太网、LoRAWAN、4G/5G等传输技术，充分利用MQTT等物联网通信协议，实现协议传输的统一，同时实现了整体数据通信传输的低时延、高稳定。 

在工厂VoF系统与其他生产系统、信息之间采用工业防火墙技术，实现与其他系统的有效隔离，同时企业内网与外网之间采用下一代防火墙技术实现内外网访问的有效管控，并对可能的入侵行为进行识别、检测和报警。并采用VPN技术，对云端访问和内网系统访问进行身份鉴定，防止数据在传输过程中被篡改和泄露；并且对访问权限进行了细致划分，以保证通信网络的安全性。同时充分利用公有云平台的安全防护能力，保证整体系统的安全性。除此以外，对存储数据进行定期、不定期，本地、异地备份管理策略，以保证数据的安全性。

3    代表性及推广价值

VoF解决方案的代表性及推广价值主要体现在以下几个方面：

1)  数字化转型的推动力

VoF解决方案通过数字化技术帮助离散型制造业实现生产过程的透明化、自动化和智能化，提高生产效率、降低成本、优化资源配置、提升产品质量，最终实现企业的可持续发展。

2)  绿色可持续发展

解决方案强调环境保护和资源利用的可持续性，通过优化生产过程，减少能源消耗和废物排放，实现可持续发展。

3)  提升能源效率与降低消耗

智慧能源可视化管理系统通过数字化技术和物联网的应用，实现对能源的全面监测、分析和管理，提升能源效率、降低能源消耗。

4)  创新性技术应用

VoF解决方案引入了新兴传感器技术，如DTSX、ISA100、LoRaWAN传感器，提升了技术成熟度，降低技术风险，确保工程的顺利实施。

5)  实用性与经济效益

以“工厂能源能耗监测系统”为例，通过收集的能耗数据，可以准确发现问题点或不合理点，帮助管理者进行能源预算的管理，提出改进计划，减少碳排量，减少环境污染。

6)  开放性与灵活性

VoF可以分解为各个解决方案包，各解决方案包可独立部署、扩展和维护，可以根据需求进行调整和优化，确保整个系统的灵活性和高效性。

7)  提升竞争力与市场适应性

数字化转型与智能制造的融合能够为企业带来多方面的竞争力提升，在生产效率、研发设计协同、服务水平等方面都有显著优势。

8)  促进现代化产业体系建设

制造业数字化转型与智能制造的融合将为现代化产业体系建设提供有力支撑，推动产业创新，注入新的活力。 

综上所述，VoF解决方案不仅代表了制造业数字化转型的趋势，而且在推动绿色可持续发展、提升能源效率、降低运营成本、增强企业竞争力等方面具有显著的推广价值。