NB-IoT技術在貴冶智能工廠項目建設中的探索應用

董昱偉

（江西銅業集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

窄帶物聯網NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）是物聯網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、成本低等優點，在過去兩年的商業化應用過程中表現突出［1］。隨著工業自動化發展水平日益提升，對各種生產技術、安全環保指標的監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構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展的重要因素，但與此同時，NB-IoT技術的出現在理論上卻恰好能完全解決上述難題。

江西銅業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，通過智能感知與執行體系、生產運營管理體系和智能決策體系三個層次的整體建設，實現了貴冶從管理決策到執行反饋的閉環管控結構［2］。其中，智能感知與執行體系、生產運營管理體系的深度結合，是整個智能工廠自動化、網絡化、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生產管理系統中的數據采集與操作層（SCADA）［3］，正是處于貴冶整套智能工廠系統的基礎層級之中。

2 貴冶智能工廠中NB-Iot獨特的網絡系統與技術架構

2.1 網絡系統

不同于貴冶傳統的DCS集散型數據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，實現對現場數據的采集，再由無線遠傳設備將采集到的現場儀表數據上傳到電信NB物聯網平臺（COAP平臺），電信NB物聯網平臺將上傳的數據通過http協議傳輸下發至架設在用戶端的目的服務器，目的服務器接收到的數據后，對其進行解析并作出應答反饋，同時將經過解析的數據放入貴冶窄帶設備管理系統的SQL Server數據庫表中，最后，由貴冶內部的工控數據采集層軟件（PI生產實時數據庫系統）提取窄帶設備管理系統SQL Server數據庫表中的數據，進行進一步的分析與應用。

圖1 NB-IoT設備數據傳輸系統框圖

2.2 技術架構

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

圖2 NB-IoT設備數據傳輸技術架構

3 數據采集與應用

3.1 數據采集

在貴冶傳統的各種數據采集工作中，與生產控制相關的信息由各生產車間的DCS、PLC等控制系統完成，這方面數據的采集工作部署的相對完善。而相比之下，能源消耗、安全環保等方面的數據則大多數依靠經驗分析、人工抽檢等方式來完成，而這樣采集的數據其不確定性、片面性問題突出，顯然已不能適應當下銅工業現代化發展的要求。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、功耗低的優勢特性，分別部署在各條能源管道、選礦水池等廠區內距離各生產控制系統較遠的地方，涵蓋了流量統計、液位報警、PH監測、噪音監測等數據類別，為全面提高工廠的數據采集質量，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

在實際的工業自動化生產中，為適應工廠信息化、智能化的需求，物聯網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據，定制開發了貴冶窄帶設備管理系統，借助計算機技術實現對這些數據的處理以及分析。

當傳輸信道被打通，數據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，當系統管理員授予了指定用戶相關權限后，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、監測介質、工程單位以及安裝地址等相關信息，另一方面，可根據需要分別對其上傳的瞬時值、正反向累計值進行預警、報警的參數設置。

3.3 與PI系統的連接通訊

PI系統是貴冶在用的生產實時數據采集系統，它能根據工廠管理層的需要，將來自于各車間的DCS、PLC等控制系統生產實時數據通過內部網絡作統一的采集與分析。為避免NB-IoT設備所采集的數據成為信息孤島，將其接入PI系統以便于統一管理。按照工控網絡通訊的安全標準，NB-IoT用戶服務器與PI系統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，窄帶設備管理系統數據庫與PI數據庫以ODBC連接的方式建立連接，安裝環境等沒有特殊要求，詳細步驟如圖4，接口配置詳細步驟如圖5。

圖4 與PI系統的通訊接口安裝步驟

圖5 與PI系統的通訊接口配置步驟

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

4 實施過程中出現的問題及解決方案

4.1 網絡安全

3GPP在2016年6月制定了關于NB-IoT的行業標準，NB-IoT 搭建在成熟的通信網絡基礎上，這也說明其通信線路完全暴露于公共的互聯網路之上［4］。出于對網絡安全要求的考慮，工廠內部的工控管理網絡與外部互聯網需要做一定程度的隔離措施，通常通過指定固定IP地址結合訪問限制策略等手段來達到隔離效果。作為數據傳輸樞紐的COAP平臺，其數據下發必須通過互聯網與用戶的服務器進行數據交互，同時實驗表明，服務器的接收應答反饋及數據解析服務需要在連通互聯網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對服務器發起通訊請求時，COAP平臺通過TCP協議對用戶服務器下發的IP地址只能是隨機的，這使得常規的通過限制訪問IP來隔離內外網絡的效果無法達成，因此，只能通過在防火墻處配置數據端口規則，對用戶服務器與互聯網的連接作出有效限制。為保證不影響監控數據的正常上傳和下發，分別配置了解析服務軟件認證、數據包接收和數據提取三個固定的數據端口。

4.2 數據擁塞

4.2.1 數據解析軟件問題

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

4.2.2 解決方式

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

（2）優化server端向COAP平臺發送數據失敗后重發機制，將原先連接失敗后的重發延時間隔由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送數據時登陸一次，同時更新token（登錄令牌），為避免token因數據傳輸量大而出現頻繁更換，導致認證延時不通過的情況，修改其認證函數，將登錄機制定義為每2h一次，同時更新token。

5 結語

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內尚無成熟的經驗可供借鑒，只對其展開了探索性應用，主要配置于部分流量、液位、pH和噪音等沒有連續性控制要求的測點上。目前，整套系統從現場終端設備，到管理平臺及其相關外延通訊應用都運行平穩，達到了項目預期要求。此次NB-Iot技術的成功應用，在實現工廠能源消耗的統計分析和安全環保指標的監測的基礎上，突破了傳統儀表數據采集瓶頸，有效地克服了諸如測點跨度大、分布零散、安裝調試成本高、無線通訊質量低、安全防護等級低、通信協議復雜等問題，完善了工業網絡數據采集平臺的功能完整性和模型組件豐富性［6］，同時為貴冶各項監控數據的傳輸開辟了新的思路，也為今后工業大數據平臺基礎的構建提供了一種全新的解決方案。

在未來，貴冶將會不斷優化智能工廠體系建設，而基于NB-Iot技術的特性優勢，隨著其產業水平的持續提升，更加成熟的產品將能夠支撐它與工業自動化、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驗，一些特殊環境，或符合工業安全生產、智能化發展需求的監測預警點位，如陽極板轉運地下監控、地下水位水質監控、室外重要設備高溫預警、室內消防預警等，都將成為NBIot技術的用武之地。