杨　青　李庆庆　胡清钟　秦　赟

基于物联网的干式变压器智能工厂研究及应用

杨青1李庆庆2胡清钟2秦赟3

（1.桂林君泰福电气有限公司，广西 桂林 541000；2.桂林电子科技大学，广西 桂林 541000；3.桂林智工科技有限责任公司，广西 桂林 541000）

文章应用物联网技术，打通设计、装配、设备、物料等各环节信息孤岛，开发应用适用于干式变压器制造智能化的互联网技术，构建覆盖产品全生命周期的整体应用架构；开发研究相应通讯接口技术，实现设备间的互联互通；同时对业务管理、关键技术研发、产品生产等进行全方位优化升级，实现了干式变压器生产方式由传统的生产模式转型升级为生产网络化、生产过程透明化、生产数据可视化、生产现场无人化的智能制造模式。

物联网；干式变压器；智能工厂

引言

现今物联网信息技术飞速发展，各行业利用物联网技术互相联通、高效协作。制造业目前在当今的经济形势推进下逐步复兴。在工业4.0、工业互联网、物联网、云计算等新一代的信息技术快速发展下，世界上许多先进的生产公司也纷纷进行了工业数字化、智能生产的技术探索工作。以工业网络信息技术、5G通信技术、物联网信息技术、大数据分析技术、云计算与边缘计算技术、AR/VR技术、人工智能技术和数字孪生技术等关键技术来实现数字驱动生产，新一代信息技术与工业的创新融合，以及以智能化、网络化、自动化为核心特征的智能工厂模式正在成为产业发展和变革的重要方向[1]。

1 智能工厂系统研究的应用前景

实施传统工业向智能制造转型，是我国制造业实现制造智能化的重要路径，也是加速智能制造技术进步的内在要求[2]。对干式变压器制造中心进行智能制造开发，提升生产的自动化水平和数字化程度，并与上层软件系统（sap、plm、aps），后端生产计划（cs、mes）等数据打通，实现数字化设计、数字化排产，以及数据驱动设备的全自动生产运营模式，在提高生产效率的同时，也能为生产管理人员提供决策数据支持。将生产数据如计划物料、设计数据具体参数、各动作实际生产运行参数反馈给MES，提升计划精确度，减少生产的浪费。通过各个环节的系统软件交互，形成数据闭环，助力数字化驱动转型升级，打造“数字制造+自动产线”新业态，应用仿真技术建成数字孪生工厂，最终向智能化工厂转变。

2 干式变压器智能工厂系统架构设计

干式变压器智能工厂系统的架构针对三大基础要素：生产自动化、物流自动化、信息流自动化；两大模拟仿真：产品设计仿真和生产工艺过程仿真；通过开发实施数字化手段：系统核心流程数字化；产品设计、制造全过程数字孪生，开发建设数字化研发板块、数字化生产板块、数字化管理板块，实现干式变压器生产方式由传统的生产模式转型升级生产网络化、生产过程透明化、生产数据可视化、生产现场无人化的智能制造模式[3]。如图1所示。

图1 实现智能化要素

3　干式变压器智能工厂建设

开发柔性化智能产线，通过智能生产单元降低劳动强度、改善制造能力。以一体化的生产运营系统驱动智能计划调度、分析，推进制造、物流、质量、维护过程的全面数字化管控。研究开发软件系统整体架构，实现从产品驱动到数据驱动的基础，并通过数字化、智能化的探索、实践，实现干式变压器制造的智能化。开发应用以数字驱动为基础的生产运营管理模式，完善基于数字化技术的设计、制造、服务流程，打造透明化、精益化的生产管控流程，缩短交付周期、降低运营成本、确保有效决策，建立持续优化的信息化管理体系。研发干式变压器智能制造通过建设工业互联网平台，并将其应用到干式变压器制造智能化中，实现数字化研发板块、智能化生产板块、智能化管理板块，从而实现覆盖产品全生命周期的数据互联互通。

工业互联网平台的构建实施依据国际标准，结合智能化工厂的系统架构体系进行设计，Vportal是整个工业互联网集成的核心软件。在所有通信过程中，Vportal系统都充当集成代理，并用作通讯中间件，以使双方（发送/接收）系统能够快速进行通信。Vportal中间件主要提供一个统一的调用平台，标准化每个系统的调用模式和数据格式，有助于快速实现各种系统之间的调用，节省开发成本，消除技术障碍，缩短开发周期，减少维护成本。以下对互联网平台开发方面进行介绍。

3.1 数字化研发系统

结合智能化工厂的系统架构体系设计数字化研发系统，其架构图如图2所示。

图2 数字化研发系统架构图

（1）产品研发、工艺研发“全面”应用软件，实现研发过程的信息化；

（2）合理划分产品研发、工艺研发、制造工程、生产计划职责，实现研发、工艺信息传递自动化，研发、工艺、计划信息生成过程自动化；

（3）产品研发的数字孪生实现研发的精确化；

（4）支撑生产计划实现优化排程，定时、定点、定量、定速，实现混线生产，各种资源优化匹配，产线中80%为非标产品；

（5）为实现生产计划及生产过程的数字孪生奠定产品数字信息基础。

研发内容和步骤：数字化研发包括PLM管理系统、CAPP系统以及智能设计系统，具体实施步骤如下。

（1）升级数字化研发的核心：PLM-Windchill。用以优化产品研发过程及交付管理、产品结构管理、设计文档管理、生命周期及工作流程管理、工程变更管理、零部件高级分类管理、增加工艺规划管理、CAD集成、Inventor集成、OA系统集成、SAP及MES双向集成管理等业务方面[4]。主要包括以下产品和功能模块：Windchill PDMLink（产品数据管理）升级优化、Windchill ProjectLink（产品研发项目管理）升级优化、Windchill PartsLink（零部件高级分类及重用管理）升级优化、ProductView Professional Edition（可视化浏览器）升级优化、ProductView Adapter for Office（Office可视化转换器）升级、Windchill Workgroup Manager for AutoCAD（AutoCAD数据管理集成接口）升级改进、Windchill Workgroup Manager for Inventor（Inventor数据管理集成接口）升级改进、Windchill Workgroup Manager for Solidwork（Solidwork数据管理集成接口）升级改进、Windchill MPMLink（工艺规划管理）新增实施，这些产品及功能模块可实现质量文档管理升级和异地协同设计升级；应用系统集成有SAP，需要升级优化，并增加多个系统接口。

（2）统一的数据交互平台Jst-Vportal（研发、生产、管理）。通过数据中间件Vportal，为所有系统提供数据交互平台。如图3所示。

图3 智能制造数据交互集成图

Salesforce与其他外部系统交互，通过中间件Vportal进行集成交互。主要包含的内容有：

通过中间件与智能平台进行集成，Salesforce系统将询价请求、询价项目签订合同、投标项目信息推送到智能平台，智能平台系统将报价单，运输费用核算推送到Salesforce系统。

通过中间件与SAP-ERP系统集成，Salesforce系统将客户数据、订单数据、合同数据、发货申请、客户信用数据、认账数据同步到SAP-ERP系统，SAP-ERP系统将客户信用数据，客户贷款数据，客户收款数据，产品信息同步到Salesforce系统。

通过中间件与生产制造系统集成，可以通过CRM的订单页面直接跳转到生产制造系统查看生产进度。与天眼查系统集成，天眼查系统提供接口给Salesforce系统调用，能够获取企业信用信息。与高德地图集成，高德地图集成，获取地理位置信息，满足打卡签到，考勤。

通过中间件与微信系统集成，终端客户可以通过微信公众号进行在线提交个案，Salesforce能够推送处理结果给客户，内部用户可以收到相关数据的审批结果。

（3）规划整合研发版块所有业务流程。通过规划整合研发版块涉及的各种业务流程，整合产品信息管理及工艺规划的数据流程和实现要求。

（4）流程优化与改进。一是从产品图纸管理为主，以产品物料管理为核心，重构PLM系统的分类机制和物料管理机制，实现产品机构化信息到工艺结构化信息的传递基础。二是规范产品结构要求，以BOM为主线，以三维设计模型为基础实现产品设计结构化。三是实现产品结构到工艺结构规划的管理。四是实现工程设计前端的信息集成。五是实现研发设计通过虚拟样机验证后，快速拓展到工程智能设计。六是利用自主研发平台实现系统信息的传递和权限控制管理。

通过IMS自主研发的管理平台实现设计数据信息的传递，通过权限控制实现产品信息的有效管理，实现产品信息的安全和可控。

3.2 异构协议数据解析

各种传感器和设备信息需要通过各种不同的协议实现数据接入。协议转换分为两个方面。一方面运用协议解析、中间件等技术兼容ModBus、OPC、CAN、Profibus等各类工业通信协议和软件通信通信接口，实现数字格式转换和统一。另一方面利用TCP、HTTP、MQTT等方式从边缘层将采集的数据传输到云端，实现数据的远程接入。

工业互联网平台针对当前网络转发设备难以快速应对不断出现的新型网络协议的现状，设计了一种支持异构协议的异构协议解析器。异构协议解析器是通过数据通信进行设备采集信息及控制反馈信息的交互，实现信息采集处理与远程设备管控，需要按照相关协议格式与底层设备进行数据通信。由于设备及通信信息种类繁多，通信协议多样，存在不同类型的协议帧格式，导致数据预处理的复杂度增大。

基本协议解析是识别数据报头部和提取数据字段以供后续数据处理的过程。协议解析器模型在此基础上进行扩展，按照数据的流入、处理、流出，可分为三大主要模块：异构数据接入层、译码层、标准数据交互层。

异构数据接入层与数据采集端进行交互，完成UDP异构数据报接收。译码层进行数据报匹配及解析处理，详细设计分为决策组件和适配组件。决策组件是模型的检测机构，鉴别报文合法性；适配组件将已通过检测的报文进行模式适配，匹配XML 配置文件中定义的解析模板，完成报文解析。标准数据交互层负责将数据发送到管控系统后续的数据处理服务器做进一步的数据存库与推送。

基于可扩展低耦合的设计思想，此协议解析器模型采用具有自描述性语言XML 表现协议格式与内容，采纳设计模式思想，设计出可根据解析对象格式通过XML语言自定义协议解析规则，实现异构协议动态匹配，使其可在不重新编译情况下，通过XML配置文件和解析模块少量代码的修改，实现将异构协议动态解析为标准协议。模型独立性强，可扩展性好，可解决数据通信中异构协议数据的交互问题。如图4所示。

图4 协议解析器模型图

3.3 虚拟化云计算管理平台架构

虚拟化云计算管理平台架构分为三部分：基础设施资源池、资源管理平台、业务服务管理平台。其中基础设施资源池内包含多个虚拟服务器，虚拟服务器用来支撑存储与虚拟网络的数据互通。资源管理平台的职责在于对物理设备和虚拟化资产进行一体化的管理和调度，以创建统一的资源池，并实现基础设施即服务（IaaS）的可管理、可控。其核心在于实现对每个资源单元的生命周期管理，以及资源管理和调度能力。

资源管理平台需要物理设备和虚拟化资产进行完整的管理和监控。这包括对物理资源（如CPU、内存、硬盘等）和虚拟资源（如虚拟机、网络、存储等）进行全面的监控、分配和调度，以便于将它们统一地汇集到资源池中。其次，资源管理平台需要实现对资源的生命周期管理。这包括资源的创建、配置、部署、启动、运行、维护、删除等各个环节的管理与掌控，以确保资源的有效利用和高效管理。此外，资源管理平台还需要具备灵活的资源调度和优化能力。在实际应用中，可能会出现资源瓶颈或负载不均衡等情况，因此，资源管理平台需要根据当前系统状态，对资源进行智能分配和优化，以提高系统的性能和可靠性。资源管理平台有三个主管理模块，分别为资源调度管理、模块管理、接口管理。资源调度管理模块用于多资源的部署、调度以及回收，平台接口配置划分到接口管理模块中由平台统一调用[5]。平台内部所使用模板在模板管理模块内实现生命周期的管理编辑。资源管理平台的四个子管理模块分别为资源生命周期管理、虚拟自动化部署、虚拟机弹性提供能力、资源监控度量[6]。顶层架构为业务服务管理平台。业务管理平台实现业务服务、业务流程、计量、用户四个主业务模块管理。业务管理平台的职责是将基础资源封装成多种服务，以便于用户使用，实现基础设施即服务（IaaS）的高效运营。其中，业务服务管理旨在通过对底层资源进行组合与打包，形成供最终用户使用的各项业务和服务；业务流程管理则致力于配置与管理用户注册、认证、服务开通、使用、计费以及结算等流程；计量管理则根据资源监控与度量采集的历史数据统计用户对资源的使用量；用户管理主要负责管理用户身份认证、业务订购关系等任务[7]。如图5所示。

图5 虚拟化云计算管理平台架构图

4 结束语

通过上述技术的开发应用，有效地监控了干式变压器的运行情况，提高了工厂的安全性，降低了人员成本，提高了管理效率。实现了质量可视化管理、生产过程智能化管理和自动化生产，提高了干式变压器的生产效率，提升产品质量。同时，物联网技术在干式变压器智能工厂系统中的应用还存在一些挑战，如数据传输的安全性、数据分析的准确性和系统集成的复杂性。今后，将继续探索物联网技术在干式变压器智能工厂系统中的应用，力争使其更加安全、高效、智能，为电力行业的发展做出重要贡献。

[1]王子宗，索寒生，赵学良，等. 数字孪生智能乙烯工厂研究与构建[J]. 化工学报，2023(3): 1175-1186.

[2]陈耕，董昱伟. 窄带物联网技术在铜冶炼工厂中的应用实践及前景展望[J]. 有色金属(冶炼部分)，2020(2): 9-13.

[3]毛焕宇，张果. 基于物联网的智能工厂供应链共享平台设计[J]. 电子设计工程，2020，28(9): 76-80.

[4]赵军富，李建军. 基于物联网数字工厂与智能工厂的整合研究[J]. 制造技术与机床，2020(4): 20-25.

[5]丁凯，陈东燊，王岩，等. 基于云—边协同的智能工厂工业物联网架构与自治生产管控技术[J]. 计算机集成制造系统，2019，25(12): 3127-3138.

[6]LEE C K M, ZHANG S Z. Development of an industrial Internet of things suite for smart factory towards re-industrialization in Hong Kong[J]. International Workshop on Advanced Manufacturing and Automation, 2016, 5(4): 320.

[7]LIN P, LI M, KONG X T R. Synchronisation for smart factory-towards IoT-enabled mechanisms[J]. International Journal of Computer Integrated Manufacturing, 2017, 31(11): 1-12.

Research and Application of Intelligent Factory for Dry-Type Transformer Based on Internet of Things

The article applies Internet of things technology to break through information silos in various aspects such as design, assembly, equipment, and materials, and develops and applies Internet technology suitable for the intelligent manufacturing of dry-type transformers, constructing an overall application architecture that covers the entire product lifecycle; develop and research corresponding communication interface technologies to achieve interconnectivity between devices; at the same time, business management, key technology research and development, and product production are optimized and upgraded in an all-round way, realizing the transformation of dry-type transformer production mode from the traditional production mode to the intelligent manufacturing mode of production networking, transparent production process, production data visualization, and production site unmanned intelligent manufacturing mode.

Internet of things; dy-type transformer; smart factory

TM412

A

1008-1151(2023)07-0100-04

2023-04-19

广西重点研发计划（桂科AB22080029）；广西矿粉加工过程控制及装备工程技术研究中心（桂科基字〔2021〕66号）。

杨青（1973－），男，湖南常德人，桂林君泰福电气有限公司高级经济师，研究方向为企业数字化转型与经营管理。

胡清钟，男，桂林电子科技大学高级工程师，研究方向为大数据、计算机网络。