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2018年3月4至6日, 广州

18.09.2016 全面解读工业物联网及其技术

导读:

物联网是由传感设备、终端,信息处理中心和用户组成网络,而工业物联网必定是物联网的不可分割分支,且能率先实现产业化。概述了工业物联网及其关键技术、 实现难点以及关键应用。工业物联网和云计算的完美结合,便是工业物联网应用成功的标志。

1. 物联网和工业物联网

物联网(Internet of Things)是指把物体用互联网络连接起来,在中国,物联网技术已从实验室阶段走向实际应用,国家智能电网、机场安保、物流等领域已出现物联网身影。物联网的关键环节可以归纳为全面感知、可靠传送、智能处理。全面感知是指利用射频识别(RFID)、GPS、摄像头、传感器、传感器网络等感知、捕获、测量的技术手段,随时随地对物体进行信息采集和获取;可靠传送是指通过各种通信网络、互联网随时随地进行可靠的信息交互和共享;智能处理是指对海量的跨部门、跨行业、跨地域的数据和信息进行分析处理,提升对物理世界、经济社会各种活动的洞察力,实现智能化的决策和控制。相比互联网具有的全球互联.瓦通的特征,物联网具有局域性和行业性特征,已被公认为是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮。

而工业是物联网应用的重要领域。具有环境感知能力的各类终端、基于泛在技术的计算模式、移动通信等不断融入到工业生产的各个环节,可大幅提高制造效率,改善产品质量,降低产品成本和资源消耗,将传统工业提升到智能工业的新阶段。物联网在工业领域的主要应用环保监测及能源管理、工业安全生产管理、制造业供应链管理、生产过程工艺优化、中国计算机报制图等等面。物联网在工业应用领域的应用,构成了“工业物联网”,它是广域的物联网的具体化的实例,也是最容易被世人接受的物联网。工业物联网的核心理念是交叉学科的组合,涉及到信息安全、网络通信、自动化,是跨学科的,其特征为:嵌入式、互通和实时性、经济性和便利性。

2. 工业物联网的关键技术与难点

01.工业物联网的关键技术

按照工业物联网网络内数据的流向及处理方式将物联网分为三个层次:

工业用传感网络层:即以二维码、RFID、传感器为主,实现对“物”或环境状态的识别以及感知信号的摄入;

传输网络层:即通过现有的互联网、广电网、通信网或者下一代互联网(1Pv6),实现数据的传输和计算,尤其是现在流行的概念:云计算;

应用网络层:即输入输出控制终端,包括电脑、手机等终端等等。

从整体上来看,物联网还处于起步阶段,而工业物联网的真正达到实用化、大规模应用,必须解决如下关键技术问题:  

工业用传感器:工业用传感器是一种检测装置,能够测量或感知特定物体的状态和变化,并转化为可传输、可处理、可存储的电子信号或其他形式信息。工业用传感器是实现工业自动检测和自动控制的首要环节。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中,要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数,使设备工作在正常状态或最佳状态,并使产品达到最好的质量。可以说,没有众多质优价廉的工业传感器,就没有现代化工业生产体系,更谈不上工业物联网。  

工业无线网络技术:工业无线网络是一种由大量随机分布的、具有实时感知和自组织能力的传感器节点组成的网状(Mesh)网络,综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等,具有低耗自组、泛在协同、异构互连的特点。工业无线网络技术是继现场总线之后工业控制系统领域的又一热点技术,是降低工业测控系统成本、提高工业测控系统应用范围的革命性技术,也是未来几年工业自动化产品新的增长点,已经引起许多国家学术界和工业界的高度莺视。  

工业过程建模:没有模型就不可能实施先进有效的控制,传统的集中式、封闭式的仿真系统结构已不能满足现代工业发展的需要。工业过程建模是系统设计、分析、仿真和先进控制必不可少的基础。  

工业物联网在工业领域的大规模应用还面临工业集成服务代理总线技术、工业语义中间件平台等关键技术问题。

02.工业物联网通信方式与技术标准难点

工业物联网终端通信接口技术与方式

尽管现场总线技术在中国工业控制领域应用十分普及,但由于其通信与交互的兼容性等问题,工业物联网的终端通信接口不太可能再采用现场总线方式,只可能采用公有协议的接口方式,  

最有可能采用的通信接入方式有:工业以太网、WlFI、2G、3G等,有些智能终端可能具有上述两种或两种以上的接口:  

工业以太网终端:具有工业以太网接口的终端一般应用在数据量传输较大、通信环境条件较好、现场很容易布线并具有连接工业互联网的工业通信环境。如工厂的固定设备检测、机台自动化、物流分流自动化等工业物联网才会。  

WlFI无线通信:一般应用在数据量传输较大、以太网条件较好,但终端部分布线不容易或不能布线的场合,在终端周围架设WlFI路由或WIFI网关等设备实现。一般应用在无线城市、智能交通、环境监测、污水处理等需要大数据无线传输的场合或其他应用中终端周围不适合布线但需要高数据量传输的工业物联网场合。  

2G终端:应用在小数据量移动传输的场合或小数据量传输的野外工作场合,如乍载GPS定位、物流RFID手持终端、水库水质监测、污染环境监测等。该类终端因具有移动或野外条件下的联网功能,能为工业物联网的深层次应用提供了更加广阔的市场。  

3G终端:在2G终端基础上的升级,增加了上下行的通讯速度,以满足移动图像监控,下发视频等应用场合,如:警车巡警图像的同传、动态实时交通信息的监控等,在一些大数据量的传感应用,如震动量的采集或电力信号实施监测中也可以用到该类终端。

工业物联网技术标准的难点

工业物联网终端推广的最大障碍,就是工业物联网终端的标准化:  

目前工业物联网技术在中国蓬勃发展,具有广阔的市场强劲,据专家估计,未来3~5年内随着我国物联网技术的推广和普及,工业物联网也会随之等到发展,终将形成一个万亿级规模的大市场。现今,制约物联网技术,尤其是工业物联网技术大规模推广的主要原因则是终端的不兼容问题,不同厂商的设备和软件无法在同一个平台_卜使用,设备间的协议没有统一的标准。因此,在物联网的普及和终端的大规模推广前必须解决标准化问题,具体表现为以下几个方面:  

硬件接口标准化:工业物联网的传感设备由不同厂商提供,如果每家的接口规则或通讯规则都不同,便会导致终端接口设计的不同,而终端不可能为每个厂商都预留接口,所以需要传感设备厂商和终端厂商一同制定标准的物联网传感器与终端间的接口规范和通讯规范,以满足不同厂商设备问的硬件互通、互连需求。  

数据协议标准化:数据协议指终端与平台层的数据流交互协议,该数据流可以分为业务数据流和管理数据流。中国移动与爱立信合作制定的WMMP协议就是一个很好的管理协议,它的推广和普及必将带动数据协议的标准化进程,方便新研发终端的网络接入及管理。物联网的发展需要国家相关部门主导,相关行业联合制定出类似WMMP更完善的通用协议,以满足各种应用和不同厂家终端的互联问题,扩大未来物联网的推广。如智能电网中统一采用IEC击1850通信协议,对加速电力工业物联网一智能电网的实现必将起到了推波助澜的催化剂的作用。

3. 工业物联网的关键应用与未来

从当前技术发展和应用前景来看,工业物联网的应用主要集中在以下几个方面。  

制造业供应链管理:工业物联网应用于企业原材料采购、库存、销售等领域,通过完善和优化供应链管理体系,提高了供应链效率,降低了成本。例如空中客车(Airbus)、丰田汽车通过在供应链体系中应用传感网络技术,构建了全球制造业中规模最大、效率最高的供应链体系。 

生产过程工艺优化:工业物联网技术的应用提高了生产线过程检测、实时参数采集、生产设备监控、材料消耗监测的能力和水平。生产过程的智能监控、智能控制、智能诊断、智能决策、智能维护水平不断提高。钢铁企业应用各种传感器和通信网络,在生产过程中实现对加工产品的宽度、厚度、温度的实时监控,从而提高了产品质量,优化了生产流程。

产品设备监控管理:各种传感技术与制造技术融合,实现了对产品设备操作使用记录、设备故障诊断的远程监控。

环保监测及能源管理:工业物联网与环保设备的融合实现对工业生产过程中产生的各种污染源及污染治理各环节关键指标的实时监控,支持其智能排污监控系统的建立与完善,实现智能排污自动监控装置、水质数据监控装置、水质参数检测仪等设备的集成应用。在重点排污企业排污口安装无线传感设备,不仪可以实时豁测企业排污数据,而且可以远程关闭排污口,防止突发性环境污染事故的发生。电信运营商已开始推广基于物联网的污染治理实时监测解决方案。  

工业安全生产管理:把感应器嵌入和装备到矿山设备、油气管道、矿工设备中,可以感知危险环境中工作人员、设备机器、周边环境等方面的安全状态信息,将现有分散、独立、单一的网络监管平台提升为系统、开放、多元的综合网络监管平台,实现实时感知、准确辨识、快捷响应、有效控制。  

石化设备智毹测控:将工业物联网技术推广应用到石油勘探、开采、运输等环节,建立油井生产智能远程测控系统,实现对石化生产设备的智能测控和管理,促进化工企业的安全生产和科学管理。  

煤矿安全生产管理:重点应用传感器、无线射频识别、移动通信等技术实现水、火、顶板、瓦斯等煤矿重大危险源的识别与监测,建设和完善安全监测网络系统,提升煤矿安全生产过程的监控和应急响应水平。  

智能电网:智能电网是最为典型的工业物联网的应用之一,但由于智能电网肩负着国家工业所需能源输送的重任与国民经济的基础,考虑到安全性,电力工业物联网可能仅为一张具有物联网意义,但局部相对孤立的物联网。例如:江西省电网对分布在全省范围内的2万台配电变压器安装传感装置,对运行状态进行实时监测,实现用电检查、电能质量监测、负荷管理、线损管理、需求侧管端研发等各个方面综合分析,一年来降低电损1.2亿千瓦时。 

另外,与未来先进制造技术相结合将是工业物联网应用的生命力所在。工业物联网正在工业领域广泛渗透和应用,并与未来先进制造技术相结合,形成新的智能化的制造体系。这一制造体系仍在不断发展和完善之中。工业物联网与先进制造技术的结合主要体现在8个领域。  

泛在感知网络技术:建立服务于智能制造的泛在嘲络技术体系,为制造中的设计、设备、过程、管理和商务提供无处不在的网络服务。目前,面向未来智能制造的泛在网络技术发展还处于初始阶段。 

泛在制造信息处理技术:建立以泛在信息处理为基础的新型制造模式,提升制造行业的整体实力和水平。目前,泛在信息制造及泛在信息处理尚处于概念和实验阶段,各国政府均将此列入国家发展计划,大力推动实施。  

虚拟现实技术:采用真三维显示与人机自然交互的方式进行工业生产,进一步提高制造业的效率。目前,虚拟环境已经在许多重大工程领域得到了广泛的应用和研究。未来,虚拟现实技术的发展方向是三维数字产品设计、数字产品生产过程仿真、真三维显示和装配维修等。  

人机交互技术:现代传感技术、传感器网、工业无线网以及新材料的发展,提高了人机交互的效率和水平。目前制造业处在一个信息有限的时代,人要服从和服务于机器。随着人机交互技术的不断发展,我们将逐步进入基于泛在感知的信息化制造人机交互时代。  

空间协同技术:空间协同技术的发展目标是以泛在网络、人机交互、泛在信息处理和制造系统集成为基础,突破现有制造系统在信息获取、监控、控制、人机交互和管理方面集成度差、协同能力弱的局限,提高制造系统的敏捷性、适应性、高效性。  

平行管理技术:未来的制造系统将由某一个实际制造系统和对应的一个或多个虚拟的人工制造系统所组成。平行管理技术就是要实现制造系统与虚拟系统的有机融合,不断提升企业认识和预防非正常状态的能力,提高企业的智能决策和应急管理水平。  

电子商务技术:目前制造与商务过程一体化特征日趋明显,整体呈现出纵向整合和横向联合两种趋势。未来要建立健全先进制造业中的电子商务技术框架,发展电子商务以提高制造企业在动态市场中的决策与适应能力,构建和谐、可持续发展的先进制造业。 

系统集成制造技术:系统集成制造是由智能机器人和专家共同组成的人机共存、协同合作的工业制造系统。它集自动化、集成化、网络化和智能化于一身,使制造具有修正或重构自身结构和参数的能力,具有自组织和协调能力,可满足瞬息万变的市场需求,应对激烈的市场竞争。 

当前,工业物联网可在部分需求迫切、技术成熟、效益明显、带动性强的工业领域,围绕关键环节开展物联网的应用试点,必将会催生和推进工业物联网在中国智能工业的发展。

4. 结论

从目前的工业物联网技术发展现状、行业应用现状、终端研发等各个方面综合分析,当前的工业物联网的商业模式、技术应用、通信互联、数据云端处理、安全等等方面还不成熟。但是,随着物联网与云计算的结合及其逐步建立的更可靠和严谨的虚拟化数据中心(DC),且通过对各种能力资源共享,必将会推动我国工业物联网的发展,也就能带动我国的工业向更高等级的水平发展,提高我国的工业水平以及国家综合实力,实现中华民族的复兴。

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