左晶荣

（河北新武安钢铁集团烘熔钢铁有限公司信息自动化部）

摘要：随着工业4.0和智能制造的快速发展，我国提出了《“十四五”智能制造发展规划》，要求规上企业2035年普及数字化，已经由前期的自动化和智能化转向数字化。传统的数据管理方案已无法满足现代工业生产的需求，需要寻找更便捷更高效的数据交互方式，且目前的工业数据已经成为企业核心竞争力的重要组成部分。为了更好地管理和利用这些数据，打造工业数据底座将是必然趋势。本文将详细探讨工业数据底座的设计和实现方法，旨在为企业提供一种全新的数据管理方案，以提高生产效率、降低成本并保障数据安全。

关键词：工业数据；数据底座；设计和实现

1  项目背景

钢铁企业在数字化转型、智能化升级过程中，企业自身数据的问题尤为突出，绝大部分企业的数据基础远不足以支撑智能化应用的需求。普遍存在着采不到、采不准、不开放、不详细、不实时等问题。企业在发展过程中，需要以“咨询引领，数字筑基、决策智能”为路径，开发一套完整的具有自研自主可控的“工业数字底座平台”。目前，工业数据底座已经正在测试阶段，普及后会有显著的经济效益和社会效益，将为我国工业数智化转型发展作出了新的宝贵探索。

2  研究工业数据底座的目的和意义

2.1目的

建设一个统一的数据底座，实现跨系统、跨部门、跨层级、跨地域的数据联通和协同管理，以此来汇总建立相关数据清单。

2.2意义

工业数据底座能提供高效的应用创新赋能，针对广大工业企业在数智化转型过程中遇到的信息化建设、知识软件化、改造成本等方面的共性问题，以平台型、通用型的系统级软件解决行业的共性问题；以服务型、定制型的工业应用解决行业的个性问题。同时，工业数据底座能强化数据管理和维护，帮助企业更加把握核心数据、更好实现数据共享，让数据真正成为企业发展的有利工具。

3  设计构思和展开

当前社会的发展中数字化迭代尤为迅速，三年一小代，五年一大代的更新速度对传统的钢铁企业推进数字化推进产生了瓶颈，还有日益规范的政府监管的对企业数字化管控提出挑战。出现了资源占用无法读取、多方交互数据冲突、自动化处理负荷大延长扫描周期、协议不一致无法交互等等问题。在一系列现实和需求之间的矛盾需要改革创新来化解。结合十四五发展规划，构想出工业数据底座的概念，脱开上层数据需求和底层自动化设备的强连接性，通过数据底座来进行数据孪生和数据交互，化解数据需求和自动化瓶颈之间的矛盾。

3.1数据采集方面

在数据采集方面，工业数据底座需要能够从各种类型的设备、传感器和系统中获取数据。这可能涉及到不同的通信协议、数据格式和数据源。因此，设计数据采集组件是至关重要的。这个组件需要能够识别和适应不同的数据源，并能够实时或批量地采集数据。要具备强大的数据集成和连接能力，能够与各种工业设备、传感器和系统进行无缝集成和连接。对下兼容性要强，能对接市场上大部分主流设备，比如：PLC、DCS、二次仪表、智能仪表、机器人等设备；对上要实现协议标准通信规范，可迎合各种系统的数据需求，如能源管理系统、MES系统、环保治理管控一体化系统、安全风控系统等要求。设计中涵盖的采集协议和上传协议如下：

3.1.1采集协议支持

本次数据底座支撑设备支持三菱PLC、Modbus协议、欧姆龙PLC、OPCUA客户端、西门子PLC、ABPLC、MQTT协议等。

3.1.2 上传协议支持

本次数据底座支撑设备支持ModbusTCP、MQTT、Json、WebAPI等主流接口软件。可以很方便对接各种应用系统。

3.2实时性和可扩展性

工业数据底座要能够实时地获取、处理和传输大量的数据。它应该具备高性能的数据处理能力和可扩展的架构，以应对不断增长的数据量和需求。 同时实现数据缓存和数据孪生部分功能，方便多端上传和数据交互不延时不掉帧。工业数据底座需要具备高效、可靠的数据存储能力。这涉及到数据的存储格式、存储介质、存储架构等方面。针对海量数据和高性能计算的需求，可以选择分布式文件系统、分布式数据库或对象存储等技术。

3.3安全性和隐私保护

工业数据底座需要具备强大的安全性和隐私保护能力，既要防止未经授权的访问和数据泄漏，有要防止来自外部的网络攻击和渗透。这可以通过数据隔离孪生技术，采用加密通信、访问控制和身份验证等技术来实现。 数据安全在工业数据底座中也进行了优化,可以根据项目授权控制数据流向,也可按需控制上传，增加了变化上传功能，可减轻网络压力和计算负荷。由于工业数据涉及到企业的核心机密和生产安全, 因此必须采取措施确保数据的安全性和保密性。具体措施采取了

①数据加密: 如何对数据进行加密以防止未经授权的访问和使用可以采用对称加密或非对称加密算法对数据进行加密, 以保护数据的隐私和安全性。

②权限控制: 如何对用户进行权限控制以防止未经授权的访问和使用，可以根据用户的角色和职责设置相应的权限。

③数据订阅:有权限用户通过订阅相关服务来获取孪生数据，孪生数据变化不会对原始数据产生影响。

3.4分布式计算和边缘计算

工业数据底座计划利用分布式计算和边缘计算的技术，将自主开发的RTU分布到各厂区，可单独处理局部的数据，将多个RTU汇聚成一张“数据网”称之为数据底座，有授权的用户接入到数据底座中可以很方便的调取任何一个点位的数据。数据处理和分析的任务分布到各台RTU上，以提高系统的实时性和计算效率，还可以减少上层系统的负担。如果新增产线、迁移和增加RTU站点联通数据底座即可实现数据交互。

4 技术实现

通过开发中间层数据采集RTU，把底层设备、仪表、机器人、二级控制等设备数据采集到RTU中，并在RTU中进行处理和缓存。各系统通过访问数据底座来抓取数据，不再直接对应现场设备。让专业的设备干专业的事，现场设备只负责把工业控制做好，数据处理上传交给RTU。RTU把边缘计算和通讯技术集成于一体的设备，它可以将来自各种设备的信号和数据进行采集、处理、存储和传输；在工业企业中，RTU可以实现各种参数的监测、控制和处理，如电压、电流、压力、温度、设备启动、停止等。同时，还可以将数据传输到上层多平台使用，如MES、EMS、计量系统、环保一体化管控平台等。

4.1确定数据需求和集成方式

根据我公司生产的需求，确定了需要采集的数据类型和数据集成方式，梳理出178种设备和传感器，涵盖7种通信协议。

4.2设计数据采集和传输系统

根据数据需求和集成方式，设计数据采集和传输方法，目前各系统需求数据均大于1秒，RTU系统设计采用配置方式，可以实现不同时间粒度的控制方式，能更好为以后系统拓展和升级使用。

4.3部署数据处理和存储系统

考虑到工业4.0的大数据特点，RTU对数据进行了少料缓存，可供不同系统同时抓取数据，不会影响底层设备，上传应用需要建立实时数据库和历史数据库，以满足实时性和可扩展性的要求。

4.4实施安全措施

本次设计的安全措施包括数据加密、访问控制、身份验证等，确保工业数据的安全性和隐私保护。在网络上也做了接入认证，非接入设备私自接入可以宕掉其使用的端口。

4.5进行系统集成和测试

将采用虚拟机模拟测试，对数据采集、传输、处理和存储系统进行集成，并进行全面的测试，确保系统的稳定性和可靠性。 通过以上步骤，可以实现工业数据底座在工业4.0环境下的设计和实现，为工业生产提供强大的数据支持和智能化的决策基础。

5 结束语

本设计工业数据底座的设计和实现进行了详细探讨。通过分布式架构、多样化存储和数据处理技术，借助网络虚拟化和先进通信技术，工业数据底座能够实现对海量、高并发工业数据的全面管理和利用，提高企业生产效率、降低成本并保障数据安全。彻底解决采不到、采不准、不开放、不详细、不实时的问题。随着工业4.0和智能制造的不断发展，工业数据底座将会得到更广泛的应用和推广，成为未来工业发展的重要支撑。

参考文献

[1]  国家工信安全中心何小龙：数据底座有助于企业实现数字化转型需求.2023年9月企业高峰论坛讲话.