智慧工廠安全生產監控與決策管理系統設計

楊韶華　柳召輝

摘 要：從智慧工廠的總體設計入手，設計了企業安全生產監控與決策管理系統的硬件平臺和軟件平臺，并利用云服務平臺技術滿足了海量數據處理的需求，從而實現了智慧工廠的生產監控和智能決策。

關鍵詞：物聯網；智慧工廠；生產監控；云服務平臺

中圖分類號：TP316 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）03-00-02

0 引 言

智慧工廠是現代工廠信息化發展的新階段。是將先進的自動控制、通信、計算機、信息和現代管理等技術相結合，將生產過程的控制、運行與管理作為一個整體，以實現企業的優化運行、控制與管理。利用物聯網對物體全面感知的能力，對工廠內的人、設備、環境全面感知。運用云計算等技術將自主感知和人工采集的數據進行運算處理，從而為企業的安全生產提供保證，為企業的科學決策提供支持。

1 智慧工廠總體設計

物聯網是典型的以應用為驅動的網絡技術，通過傳感技術、無線網絡技術、云計算等技術將各種數據進行集成和分析實現生產過程的智能控制，才是運用物聯網技術的核心。由于綜合自動化及數字化工廠在我國企業中已經有了眾多的實際應用，綜合自動化的監控系統、基礎網絡建設等相對成熟。因此，智慧工廠的建設是建立在已有數字化建設的基礎上，要充分運用原有系統和數據，將老系統和新技術有機結合，才能真正發揮智慧工廠的作用。運用物聯網技術的智慧工廠體系結構分為感知層、傳輸層和應用層。

感知層通過傳感器、RFID標簽、攝像頭等數據采集設備隨時隨地進行數據采集和獲取。傳輸層是利用工業以太網、移動通訊網和無線網絡技術，將設備與網絡相連，從而保證采集到的數據的交互和共享。應用層則結合智慧工廠的實際需求，運用云計算機技術對數據進行智能分析與決策，形成安全生產監控與決策解決方案。

2 安全生產監控與決策系統設計

2.1 硬件平臺設計

硬件平臺由Web服務器、防火墻、交換機、工作站、UPS電源等組成。設置1臺Web服務器用于應用程序的安裝與部署；設置1臺數據服務器用于存儲生產過程中采集到的數據信息；設置1臺I/O服務器，采集生產數據后提供給以太網上的工作站；設置5臺工作站，用于監控各個子系統的運行；為保證監控網的相對獨立，通過1臺硬件防火墻將監控網與廠區局域網隔離；設置1臺核心工業交換機實現整個生產數據的交互；在局域網內設置1臺郵件服務器和1臺文件服務器；設置后備時間不小于4小時的UPS電源設備，以備臨時停電時持續供電。

圖2 工業以太網硬件平臺拓撲圖

2.2 軟件平臺建設

通過軟件平臺將為智慧工廠提供統一的門口入口和各種應用的統一集成環境，使原始數據能夠通過平臺協調有序的運行，實現各應用系統的信息共享。軟件平臺由五個主要部分組成。數據輸入接口實現與原有系統的銜接；數據輸出接口根據各監控系統的反饋控制需求，按照標準協議規范，提供標準輸出接口；數據中心是業務數據的存儲和處理中心，核心是異構數據分析、轉換處理，從而實現原有信息系統的業務數據能夠得到有效利用；Web Server為各應用系統的數據顯示與控制提供Web服務功能；門戶網站是建立數據中心的基礎上，為智慧工廠的用戶提供滿足不同需求的應用服務。

圖3 軟件平臺結構圖

門戶網站的主要業務需求包括：

（1）生產調度管理

生產調度管理是以企業生產調度業務為核心，為生產調度管理相關工作人員提供的計算機應用系統。系統全面整合生產調度日常管理數據、安全監控系統實時數據、自動化設備運行實時數據、工業視頻數據、事故處理記錄、人員考勤記錄等多種信息。系統涵蓋作業計劃制定、生產過程監控、日常調度指揮、應急事件處理等企業生產調度相關的各項業務，結合通訊調度機為調度員提供一個桌面辦公平臺，輔助調度員全面、迅速、準確地進行生產調度。

（2）災害預警與防治

系統借用人工智能技術，建立各種災害預警數學模型，并隨著歷史數據積累進一步完善數據模型；通過數據倉庫、數據挖掘和數據集市等數據分析技術，達到生產車間環境參數的預測和預警的作用。

（3）安全生產監控與決策管理

安全生產監控主要包括對生產環節中環境因素、人員因素和設備因素的監控等。利用數據挖掘技術及智能信息處理技術，綜合多系統數據對安全生產環節中的安全隱患進行實時評估并提供輔助決策功能。此外還具有歷史數據查詢、篩選、各種標準生產報表功能。

（4）產品運銷管理系統

功能包括運輸車輛管理、合同管理、押金管理、運費結算、客戶訂單回單管理、預收款管理、欠款管理、銷售統計、報表輸出等功能，能按企業的要求提供各種銷售明細報表和匯總報表。

（5）設備材料管理系統

利用數據集成平臺，實現企業主要設備管理的網絡化，從而提高設備的周轉、調配效率，提高設備的使用率。主要功能包括設備材料檔案信息管理、計劃管理（使用計劃、租賃計劃、購置計劃、維修計劃等）、出入庫管理、維修管理、特種設備管理、使用狀況監控、報廢管理、費用結算、配件信息維護等功能。

2.3 海量數據處理需求

在智慧工廠中設置的智能監控設備每秒鐘就會采集大量的業務數據，當面對數據庫中海量的監控數據時，兼顧平臺的實時性需求，應用服務對數據進行快讀的訪問、讀取和操作顯得十分重要。首先需要對數據庫性能進行嚴格考量，來提高數據的存取效率，提升海量數據的處理速度。其次，設計數據庫表格時應滿足第三范式的要求。第三，建立云服務平臺，利用云計算技術實現海量數據的處理。云服務平臺的設計結構如圖4所示。

圖4 云服務平臺的設計結構

3 結 語

物聯網技術的應用，為企業的生產經營管理提供了更便捷、更智能的模式。文章設計了基于物聯網技術的智慧工廠的總體結構、硬件平臺、軟件平臺和云服務平臺，為智慧工廠的建設提供了解決方案。

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