工业物联网技术在石化园区的应用_曾伟超.pdf

技术与信息68|2023年07月省湄洲湾石化基地的重要组成部分，也是海峡西岸经济区发展石化产业的重要载体。园区面积 30 多平方公里，热力管网作为保障园区内中下游工厂用汽需要和正常经营的关键举措，事关园区蒸汽集中供应、实现公辅设施一体化的应急补链环节，对石化园区的发展具有重要意义。园区新建热力管网(热力管网路由如图 1 所示)管道总长约 2 公里，中下游企业用汽点分散在 5 平方公里场地，且距离控制室较远(最长路由约 3 公里)，热力管网的日常运营需要取得用汽点的蒸汽运行工况及累计流量，而现场积算仪读取数据存在显示精度0 引言习近平总书记在十九大报告中指出，加快建设制造强国，加快发展先进制造业，推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合。工业互联网已成为传统产业跨越式发展的历史性机遇，赋能实体经济、服务社会、造福人民的重要作用日益凸显。随着社会经济的不断发展，特别是大数据、云计算等技术的不断创新，传统的单一硬性网络通道已经难以满足应用加载需求，柔性网络定制需求愈发旺盛。目前各家电信运营服务商均有推出各种新一代移动通信技术，但均采用有线结合无线的方式实现，应用方式比较单一，在大型的石化园区内部应用受到很多限制。本应用利用新一代移动通信技术中的切片技术，在保证网络安全的前提下，实现了分散数据的采集、收集、传输，同时就石化园区内工业物联网技术的应用场景进行了探索，为智慧园区等智慧化建设提供了前瞻性的实践。1 工业物联网技术在石化园区热力管网的应用实践福建某石化园区，作为省级经济开发区、是福建工业物联网技术在石化园区的应用曾伟超*，张勇军，黄继盛(中化能源 中化泉州园区发展有限公司，福建 泉州 362103)摘要：新一代移动通信技术开启了万物互联的数字化新时代，工业物联网是其主要应用场景。某石化园区热力管网项目利用新一代移动通信技术，通过电信运营商提供的地市级 UPF 实现路由隔离的专属软切片，搭建热力管网在线监测平台，实现了蒸汽运行工况数据(流量、压力、温度)的远程、实时传输。同时就工业物联网技术在石化园区内各项业务的应用进行积极探索。关键词：石化园区；热力管网；在线监测平台；工业物联网；切片技术中图分类号：TP39 文献标志码：A 文章编号：1008-4800(2023)19-0068-03DOI:10.19900/ki.ISSN1008-4800.2023.19.018Application of Industrial Internet of Things Technology in Petrochemical ParkZENG Wei-chao*,ZHANG Yong-jun,HUANG Ji-sheng(SinoChem Energy Co.,Ltd.SinoChem Quanzhou Park Development Co.,Ltd.,Quanzhou 362103,China)Abstract:New generation communication technology has opened up a new digital era of the Internet of Everything,and the Industrial Internet of Things is the main application scenario.A petrochemical park thermal pipeline network project uses the new generation communication technology to realize exclusive soft slicing of route isolation through prefecture-level UPF provided by telecommunication operators,builds an online monitoring platform for thermal pipeline network,and realizes steam operating condition data(flow,pressure,remote,real-time transmission of temperature).At the same time,it actively explores the application of industrial Internet of Things technology in various businesses in the petrochemical park.Keywords:petrochemical park;thermal pipe network;online monitoring platform;industrial internet of things technology;slicing technology图1 热力管网路由2023年07月|692.1 新一代移动通信切片技术路线及特点切片专线技术是基于 MEC(multi-access edge computing，边缘计算)通过 UPF(user port function，用户平面功能)传输、DNN(data network name，数据网络名称)隔离，可实现网络的全柔性定制，可加载各类智能应用。切片技术为端到端网络定制产品，与人联网业务隔离，业务接入时延低，速率最高达 1 G 上行，300 M 下行。可根据需求实现切片定制、DNN 定制、固定入网专线、业务加速、定向访问等功能，同时保证了专网业务与其他业务隔离。MEC 是指在靠近物或数据源头的一侧，采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台，就近提供最近端服务。其应用程序在边缘侧发起，产生更快的网络服务响应，满足行业在实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的基本需求。UPF 作为网络的用户平面网元，主要支持业务数据的路由和转发、数据和业务识别、动作和策略执行等。DNN 通过定制 APN(access point name，接入点名称)实现访问通道与公网隔离的安全性及数据传输的私密性，APN 是目标网络的唯一标识。UPF 是新一代移动通信网络和多接入 MEC 之间的连接锚点，所有的核心网络数据必须由 UPF 转发，然后才能流向外部网络，是新一代移动通信核心网系统架构的重要组成部分。DNN 支持 UPF 独立部署和选择，是核心网到专网的“切片”技术。UPF 下沉到网络边缘，可以降低传输时延，实现数据流的本地分流，缓解核心网的数据传输压力，从而提高网络数据处理效率，满足垂直行业对网络超低时延、超高带宽和安全性的需求。在两台或多台通信设备之间建立了一条隧道，将原始数据帧通过 256 位加密算法进行“包装”，让原始报文可以在定制网软切片上传输。新一代移动通信设备是二层网络的边缘设备，是二层隧道的起点和终点，通过对用户原始数据帧的封装和解封装达到数据传输的目的。专网拓扑图如图 2 所示。图2 新一代移动通信技术专网拓扑图差、操作不便、专人抄表耗费人力、结算不便捷、有商务纠纷风险等问题。因此，建设一套在线监测平台是非常有必要的。1.1 传统物联网技术的缺点热力管网在线监测平台建设的基础在于实时数据的监测及传输，常规实现方式如下，但均存在较大缺点：光纤布线方式：由于线路长、路由复杂(管廊、管墩、过路等)导致造价高，同时存在施工难度大、施工周期长等不利因素。另一方面，随着园区发展、入园企业增加，业务范围扩大，该方式需不断投入硬件基础设施，总投资较大。SIM 卡通信(GPRS 方式)模式：工控主机需接入Internet 并固定 IP 地址，网络安全无法保证，也不符合国家关于工业互联网的网络安全要求。若按照 工业控制系统信息安全防护指南 的要求配置工业防火墙、工业网闸或单向隔离设备及企业定制的边界安全防护网关等防护设备，安全防护体系投资巨大，相比于生产管理部门仅需实现现场流量计积算仪的流量、压力、温度等参数的实时数据及历史曲线查询、传输等功能的诉求而言，整体投入、产出严重不匹配，不符合企业节能降本的总方针。1.2 新一代移动通信工业物联网技术在热力管网的应用实践及特点利用边缘计算功能，在用户终端仪表及中控室服务器端设置新一代移动通信模组，采集实时生产数据通过专属网络及边缘云计算技术平台的切片技术，使现场仪表与服务器形成独立的、安全的网络，通过无线方式传输至控制室，工控主机用组态软件搭建一套热力管网在线监测平台，实现了终端用户积算仪数据(流量、压力、温度)的远传和统计，组态软件实现的功能包括实时(历史)数据、实时(历史)曲线的查询、导出及打印等功能。本应用创新性地采用全无线连接的方式，电信运营服务商提供的方案设备均需在本地布置专用的UPF 服务器，使用专用的光纤连接，现场端采用物联网卡的方式，本应用服务器端也采用物联网卡入网，实现了全无线组网。2 热力管网在线监测平台的新一代移动通信工业物联网技术路线热力管网在线监测平台建设的基础在于实时数据的监测及传输，实现的方式采用切片技术，重点在于网络安全的保障。技术与信息70|2023年07月重点设备节能空间，进行节能改造，实现精准控制，减少无效运行时间，提高了生产能耗信息化管理水平，降低了生产成本。结合人工智能等算法分析，可对企业用能需求进行预测，智能制定节能计划，进一步挖掘节能潜力空间。通过对用能设备进行监控告警、远程调度等操作，配合产线排程调整和设备参数设置，实现节能减排、削峰填谷。污染物排放数据可辅助企业降低生产能耗，减少污染物排放量，实现清洁生产。3.3 全域物流监测利用新一代移动通信技术，实现园区内危化品车辆的高精度定位，并实时传输至危化品运输管控平台。对进入生产区的危化品车辆进行全过程、实时管控，基于定位数据形成行驶轨迹，进行偏离预警，有效保证危化品车辆按照规定路线行驶和在规定地点装载。通过新一代移动通信网络将车载布控球拍摄的视频传输至边缘云平台进行人工智能(AI)分析，对危化品车辆危险行驶、路中障碍、前车距离过近等进行实时告警，有效保障了运输车辆和驾乘人员的安全。3.4 生产单元模拟开展新一代移动通信+工业互联网“皮带无人值守数字孪生系统”项目建设，可实现热电输煤生产单元模拟场景的应用。综合利用多个传感器和多光谱偏振光+可见光摄像头进行数据采集，通过网络将码头泊位、装运站皮带生产线实际情况映射到数字空间。利用时空信息重构技术和运营商统一授时技术，建立数字孪生皮带、斗轮机无人值守系统，实现速度、产量等生产状态的动态感知。基于人工智能等技术对数字孪生皮带进行实时分析处理，可实现燃料运输的智能控制、自动纠偏、AI 异常监控、风险智能分析和分级告警等功能，保证产线生产、设备和人员安全，以及输送智能化监管和精细化生产，实现提质、增效、节能、降耗。3.5 移动客户端实时在线利用利用新一代移动通信+工业互联网技术，满足了园区移动客户端的“全在线、全连接”需求，可实现园区内部 50 余台通勤车辆人脸刷卡系统数据的实时在线更新，白名单、黑名单等相关数据可随时下装至车辆人脸刷卡客户端中，也可满足视频单兵设备的实时在线等相关功能，利用新一代移动通信技术实现了视频传输的大带宽要求，又满足了工业互联网网络安全的相关要求，保证了人员的出、入厂安全。2.2 网络安全保障机制新一代移动通信网络有着更高的网络安全保障，采取的安全机制如图 3 所示。图3 安全机制专属软切片安全主要是基于 MPLS(multi-protocol label switching，多协议标签交换，是一种在开放的通信网上利用标签引导数据高速、高效传输的新技术。多协议的含义是指 MPLS 不但可以支持多种网络层层面上的协议，还可以兼容第二层的多种数据链路层技术)VPN 路由隔离，共享 UPF 转发的资源。基于定向访问客户级隔离及二层独享隧道 VLAN 隔离，为各个移动通信设备分配一个固定 IP，由平台自动下发。通过专网网络功能部署，各设备组成独立的专网，实现客户网络只允许访问专网内部的移动通信设备终端和网络，不允许访问任何其他客户网络和服务，从而实现了无线专网的安全性。3 新一代移动通信物联网技术在石化园区的推广前景立足当下，展望未来，根据工信部发布的“5G+工业互联网”典型应用场景结合石化园区业务发展，新一代移动通信技术+工业互联网在以下几个方面具有较好的应用推广前景。3.1 网络基础设施利用新一代移动通信物联网技术可显著降低园区内网络基础设施的投资，智慧园区包含的门禁、监控、智慧路灯等基础设施如采用传统的有线光缆组建网络，投资大，各类用地审批手续复杂，利用新一代移动通信无线传输技术，投资小，见效快，可完全覆盖30 多平方公里的园区面积，灵活应用。3.2 生产能效管控新一代移动通信+物联网技术，可实现生产能效管控场景的应用。通过内置新一代移动通信模块的仪器仪表，可实时采集园区内企业用电、水、燃气等各类能源消耗数据和粉尘等污染物排放数据，实现大规模终端的海量数据秒级采集和能效状态实时监控。综合能源管理平台通过能耗消耗数据、用电趋势分析、用电异常监测、用热对比分析等方法，实时掌握能耗状况。基于大数据分析技术挖掘风机、泵等耗能(下转第103页)2023年07月|103范措施J.化工管理，2022(4)：86-88.6 王宏伟.化工安全事故的发生原因与预防措施J.化工管理，2020(9)：117-118.7 刘滨.安全生产事故的成因及预防措施J.化工设计通讯，2020(8)：169-179.8 刘瑞倩，丁世玲.化工安全评价对化工安全生产的影响J.化工设计通讯，2021(3)：108-109.9 姜莉文.基于事故分析的化工企业 安全管理提升研究J.安全、健康和环境，2022(2)：25-28.10 白梅.化工企业爆炸事故原因分析及反思J.当代化工研究，2021(16)：23-24.11 姚连强，董文欣.化工安全生产问题及事故防范策略J.化工管理，2022(4)：81-83.12 李新盛.化工企业安全生产事故应急管理体系构建分析J.当代化工研究，2022(4)：22-24.13 王云岗，李楠.化工安全管理及事故应急策略J.化工管理，2021(7)：112-113.作者简介：李歌(1981-)，女，满族，辽宁人，硕士，高级工程师，研究方向为安全技术研究。时评估和总结，针对不足对应急预案进行修订、补充和细化，做到持续改进13。从而最大程度地降低事故损失，减少人员伤亡。4 结语安全是化工企业的生命线，必须高度重视。通过增强安全意识，完善安全管理体系，落实安全主体责任，源头提升本质安全度，强化安全生产检查和隐患排查，促进应急处置能力提升等举措9，积极防范和遏制安全生产事故，从而为化工企业安全生产保驾护航。参考文献：1 顾明华.化工行业危险化学品生产事故的问题及对策J.化工管理，2020(9)：95-96.2 刘杰，谢华.化工安全生产中存在的问题及应对措施J.化学工程与装备，2015(9)：222-224.3 徐刚.化工安全事故的常见原因分析及预防策略J.化工管理，2021(12)：106-107.4 杨伟佳.化工安全管理及事故应急管理分析J.中小企业管理与科技，2022(02)：55-57.5 何伟.化工企业生产安全事故发生的原因及防4 结语本应用采用的切片技术在保障网络安全的前提下，解决了现场仪表分散、数据传输难的问题，将信息孤岛通过新一代移动通信技术与工业物联网串联起来，实现无线化连接，完成“剪辫子”改造，解决了设备实时监管难、精细化管理难等痛点，同时节省了工程投资、缩短了施工周期，应用灵活便捷且后期追加投入少，实现了惠安县新一代无线通信技术在工业领域应用“0”的突破。在此基础上，未来将进一步创新新一代无线通信技术+工业物联网将在石化园区内各场景的应用，在网络基础设施、生产能效管控、全域物流监测、生产单位模拟等方面积极探索，大胆实践，不断助力智慧化工园区建设。参考文献：1 中兴通讯.中兴全场景UPF 部署白皮书R.北京：中兴通讯，2021.2 工信厅.工业和信息化部办公厅关于印发第二批“5G+工业互联网”十个典型应用场景和五个重点行业实践的通知A.北京：工信厅，2021.3 工业和信息化部信息通信管理局.“5G+工业互联网”典型应用场景和重点行业实践(第二批)A.北京：工业和信息化部信息通信管理局，2021.作者简介：曾伟超(1991-)，男，汉族，福建泉州人，电气及自控工程师，本科，学士，国家注册电气工程师(供配电)，主要研究方向为电气自动化及自控，通讯作者，E-mail：。张勇军(1971-)，男，汉族，福建泉州人，计算机专业，主要研究方向为数字化及智能化，现从事大型央企数字化及智能化相关技术管理工作。黄继盛(1986-)，男，汉族，福建泉州人，过程装备与控制工程，本科，学士，主要研究方向为过程装备成套技术。(上接第70页)