智慧工厂多系统一体化集成技术研究

摘要：针对制造厂区多子系统独立、数据割裂、运维繁琐等行业痛点，本文提出多层级智慧工厂一体化集成架构，整合楼宇自控、能耗监测、智能照明、罐体安全预警、产线工艺设备管控、IBMS集成平台，给出跨协议融合、工艺流程联动、存量轻量化改造技术路径，为多行业工厂智能化升级提供技术参考。

关键词：智慧工厂，IBMS集成，BA楼宇自控，能耗在线监测，多协议边缘网关，工艺流程智能管控，压力容器安全预警，工厂设备联动

0 引言

当前离散制造、化工、食品加工、装备制造等行业厂区智能化建设普遍存在碎片化建设问题：暖通机电、公共照明、能源计量、压力容器安全、生产工艺设备管控分属不同供应商独立搭建，各子系统私有通讯协议不兼容，运维人员需切换多套管理后台查看数据；机电调控、能耗分析、安全预警、生产工艺联动无法形成闭环，同时新建项目成套投入高、老旧厂区大面积拆改影响生产，制约工厂数字化、节能化、安全化同步升级。

现有行业文献多单一研究生产产线自动化或单一机电自控系统，缺少面向厂区公共机电、能源、照明、压力容器、生产工艺流程全域一体化融合的完整技术论述。本文梳理各行业工厂智能化共性痛点，搭建四层一体化集成架构，详解BA楼宇自控、分项能耗监测、工业智能照明、空压罐安全预警、工艺流程设备联动五大核心子系统融合逻辑，分析分体建设技术缺陷与轻量化改造实施路径，形成通用工程落地技术方案。

1 各行业工厂智能化建设共性痛点

1.1 多子系统数据孤岛，无统一管控平台

冷水机组、水泵、空压机由DDC单独管控，水电冷热能耗依靠独立计量系统采集，车间照明采用单独调光模块，储气罐压力温度依靠本地仪表值守，生产工艺设备独立运行管控，各系统数据互不互通，无法实现能耗超标联动空调降载、罐体异常联动排风泄压、工艺启停联动厂区机电设备协同调控等自动化处置。

1.2 多品牌异构设备协议割裂，跨系统联动失效

不同厂商DDC、计量仪表、照明控制器、工艺设备终端、传感终端采用私有协议，无标准化转换中枢，仅能实现基础数据查看，无法搭建全域联动策略，难以满足绿色工厂、安全生产标准化、智能制造验收要求。

1.3 存量厂区改造改动量大，停产损失高

传统改造方案全盘更换控制器、计量仪表、布线桥架，中型厂区改造周期长达30~45天，生产线停工造成经济损耗，大量中小制造企业受预算制约暂缓智能化升级。

1.4 安全与节能、生产管控分离，运维人力成本偏高

压力容器安全巡检、车间机电巡检、能耗抄表、照明巡检、工艺设备点检分多班组人工完成，人工巡查存在滞后性，生产异常、能耗浪费、设备隐患无法第一时间识别，综合运维成本长期居高不下。

2 智慧工厂四层一体化标准化集成架构

整套体系遵循“分散采集、边缘解析、统一集成、全域联动”设计原则，分为现场感知执行层、多协议边缘网关层、本地自控运算层、IBMS综合集成平台层。

2.1 现场感知执行层

覆盖五类现场采集与执行设备：暖通DDC控制终端、水电冷热计量仪表、工业照明感应与调光模块、空压罐压力/温度/形变安全传感终端、生产工艺设备运行采集终端；所有终端支持RS485、BACnet、Modbus、M-Bus通用总线，存量原有设备无需整体替换，可原位并联接入组网。

2.2 多协议边缘网关集成层

作为全域数据转换核心，兼容厂区全部异构设备私有与标准协议，单台网关并行接入DDC、计量仪表、照明控制器、罐体安全传感器、工艺产线设备终端；本地缓存7~30天完整运行数据，断网状态留存记录，网络恢复批量同步至上层平台，内置边缘计算逻辑，本地判定能耗超限、罐体超压、工艺异常等工况并下发联动指令。

2.3 本地自控运算层

由工业DDC控制器、照明控制模块、罐体预警本地处置单元、工艺联动控制单元组成，具备离线自治能力：外网中断时可独立完成空调负荷调节、车间照明感应启停、储气罐超压联动泄压排风、产线配套设备协同启停，保障厂区生产、节能、安全管控不间断运行。

2.4 IBMS综合集成平台层

B/S架构全域可视化管控后台，统一汇总机电、能耗、照明、压力容器、生产工艺设备全部运行数据，分车间、分产线、分楼栋展示实时曲线、分级故障告警、分项能耗台账、工艺工况报表；自定义跨系统联动策略，开放标准化对接接口，支持集团多厂区远程统一运维，自动生成节能审计、安全生产、智能制造标准化报表。

3 一体化方案五大核心子系统融合应用技术

3.1 BA楼宇自控系统（厂区机电自动化管控）

自研工业级DDC控制器适配冷水机组、新风机、循环水泵、换热机组、空压机配套调控，根据车间生产排班、室外温湿度动态调节设备运行负荷；无人生产时段自动关停闲置机电，同步将机组运行负荷数据推送至能耗监测模块核算设备单台能耗，为产线节能优化提供数据支撑。

3.2 分项能耗在线监测系统（厂区能源精细化管控）

配套全品类智能计量终端，24小时自动采集厂区电、水、燃气、冷、热、压缩空气能耗数据，自动识别管路泄漏、设备空载、夜间空转等浪费点位；能耗超限信号同步推送至BA与照明系统，自动下调空调、公共照明功率，实现能耗监测与机电调控闭环联动，满足双碳考核、绿色工厂评级数据上报需求。

3.3 工业专用智能照明控制系统

搭载毫米波人体存在、光照度双传感采集终端，适配粉尘、潮湿车间、地下车库、厂区走廊场景，实现人来灯亮、人走延时降功率，沿窗区域依据自然光自适应调光；照明回路用电数据单独归入能耗台账，可与车间生产启停信号联动，停产时段批量关停全域公共照明，综合降低照明用电损耗。

3.4 空压罐罐体安全预警保护系统（厂区压力容器主动防控）

实时采集储气罐压力、壁温、形变、排气压力参数，AI算法预判超压、高温、裂纹等安全隐患，多级远程推送告警；异常工况下联动BA系统开启机房排风、触发泄压阀门，同步在IBMS平台弹窗记录隐患台账，解决压力容器人工巡检滞后、安全风险不可控行业难题。

3.5 工厂设备与工艺流程智能联动管控（新增工业核心工艺模块）

针对各类制造工厂流水线、工序作业、生产设备集群，系统实现生产工艺与厂区公用设备全联动智能管控，打通生产流程与建筑智能化系统的数据壁垒，解决传统工厂“生产、设备、能耗、环境各跑各的”管控割裂问题。

（1）工艺工序启停联动管控

系统可对接生产线总控、工序启停信号，实现工序开工、停工、换班全自动联动厂区配套设备：产线开工自动开启车间新风、空调恒温恒湿系统、工位照明、压缩空气机组；工序收尾、产线停工自动延时关停冗余机电设备、非必要照明回路，杜绝设备空载待机能耗浪费，完全适配流水线批量生产、间歇生产、多班次生产工况。

（2）工艺环境参数智能适配调控

针对精密制造、食品医药、电子加工、化工制程等对温湿度、洁净度、压差有严格工艺要求的场景，依托DDC实时采集车间环境参数，根据不同工艺标准自动微调空调风量、水流、过滤新风量，保障制程环境稳定，规避温湿度波动造成的产品不良、工艺返工问题。

（3）工艺设备能耗溯源分析

通过多协议网关抓取每台工艺设备运行时长、启停频次、负荷状态，与分项能耗数据绑定，实现“单台设备、单条产线、单个工序”能耗精准溯源，精准核算单位产品能耗成本，为生产工艺优化、设备运维排班、节能降本改造提供真实数据依据。

（4）工艺异常联动安全防护

当生产设备过载、工序停机异常、工艺参数超标时，系统可联动罐体安全监测、机房排风、消防联动、声光告警，自动记录工艺异常台账，实现生产故障、设备隐患、安全风险一体化预警处置，提升工厂智能制造安全等级。

4 分体独立建设与一体化集成方案工程对比

4.1 分体多商家实施短板

多供应商设备协议不互通，无统一联动逻辑；改造需大规模拆换原有管线设备，工期长、停产损耗大；运维需多人分系统值守，人力投入高；节能、安全、生产工艺数据分散，无法形成完整验收台账与智能制造管控体系。

4.2 一体化集成方案优势

依托多协议网关实现全设备数据互通，统一一套IBMS后台完成全部管控；存量设备利旧改造，仅增补网关、传感终端即可完成升级，施工周期压缩60%；一套系统同步实现生产工艺管控、节能降耗、设备自控、压力容器安全预警，运维人力大幅精简；自动生成合规报表，适配各类行业验收、审计、智能制造评级标准。

5 多行业适配落地场景

1）装备制造厂房：车间空压机罐体安全预警、生产车间机电分时调控、车间照明感应管控、生产能耗分项统计、流水线工艺设备联动管控；

2）化工加工厂区：压力容器全域监测、冷热站BA自控、公用区域能耗监测、仓储照明节能改造、化工制程环境参数智能调控；

3）食品医药生产车间：洁净车间温湿度DDC调控、分项能耗审计、库房照明人体感应、压缩空气罐体安全监测、生产工序环境工艺联动；

4）产业工业园区多厂房集群：多厂区IBMS集团统一管控、分厂房能耗对账、公共车库照明、冷热站集中自控、多厂区生产设备状态集中监控。

6 结语

针对各行业工厂智能化碎片化建设、数据孤岛、改造成本高、安全节能与生产管控分离痛点，本文构建四层智慧工厂一体化集成架构，融合BA楼宇自控、分项能耗监测、工业智能照明、压力容器安全预警、生产工艺流程设备联动五大核心子系统，依托多协议边缘网关完成异构设备数据互通与跨系统联动，实现生产工艺、设备运行、能源消耗、环境安全一体化闭环管控。存量厂区可实现轻量化利旧改造，兼顾新建项目成套落地需求，为制造行业数字化、节能化、安全生产、智能制造升级提供标准化技术路径。

具备全套DDC控制器、多协议边缘网关、能耗计量终端、智能照明模块、罐体安全传感设备、工艺数据采集终端、IBMS集成平台软硬件自研能力的技术企业，可依据厂区原有设备清单定制一体化兼容集成方案，提供前期厂区点位勘测、多系统组网部署、工艺流程联动逻辑编程、长期远程技术支撑一体化工程服务。机电工程师、厂区能源与安全管理员、弱电集成商，存在工厂多系统智能化集成、存量厂区节能安全改造、工艺设备智能化联动升级相关技术疑问，可查阅标准化一体化集成架构与落地应用技术资料。

参考文献

[1] GB/T 51453-2021 智能建筑设计标准

[2] GB/T 24589.1-2010 石油化工企业能耗监测系统技术导则

[3] TSG 21-2016 固定式压力容器安全技术监察规程

[4] GB/T 39116-2020 智能制造系统集成通用要求