練俊君，張皓棟，張 椅，張 儀

(重慶川儀軟件有限公司，重慶 401121)

0 引言

當(dāng)前，自動(dòng)化儀控裝備無(wú)論在離散工業(yè)還是在流程工業(yè)，都得到了廣泛應(yīng)用，替代了人的重復(fù)性勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)自動(dòng)化，提高了生產(chǎn)制造效率。隨著信息化和工業(yè)化的深度融合，在對(duì)工廠安全、環(huán)保、質(zhì)量要求日益提升的新形勢(shì)下，提升傳統(tǒng)流程工廠的智能化管理水平迫在眉睫。

無(wú)論是支付寶、滴滴打車的流行，還是微信、淘寶的風(fēng)靡，以互聯(lián)網(wǎng)為核心的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸在金融、教育、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、商務(wù)等與人相關(guān)的領(lǐng)域蓬勃發(fā)展。這種以人為核心的消費(fèi)性物聯(lián)網(wǎng)，基于手機(jī)等移動(dòng)終端設(shè)備和信息紐帶，正潛移默化地改變著人的習(xí)慣。隨著全球工業(yè)4.0、先進(jìn)制造和中國(guó)制造2025的推進(jìn)，各類行業(yè)巨頭紛紛以民用為支點(diǎn)，跨界涌入工業(yè)領(lǐng)域，以物為核心的生產(chǎn)性服務(wù)物聯(lián)網(wǎng)方興未艾。未來(lái)，將有超過1 000億的設(shè)備節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。它們致力于提升工廠安全、環(huán)保和生產(chǎn)效率，并幫助工業(yè)企業(yè)獲取更多的數(shù)字價(jià)值。因此，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)面向工廠的落地探索，構(gòu)造可實(shí)施的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新體系架構(gòu)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

傳統(tǒng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)由設(shè)備層、控制層(現(xiàn)場(chǎng)總線、I/O和控制器)、應(yīng)用層(操作和工程師站及趨勢(shì)庫(kù))構(gòu)成，典型代表為ABB、西門子、艾默生等公司的控制系統(tǒng)。自動(dòng)化控制系統(tǒng)的作用主要體現(xiàn)在工廠的生產(chǎn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和控制服務(wù)。相對(duì)于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)而言，自動(dòng)化控制系統(tǒng)在工廠管理方面(尤其是在和人的業(yè)務(wù)流交互方面)較為薄弱。其以典型的主變量傳輸為基礎(chǔ)，缺乏對(duì)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)服務(wù)的有效支撐。

典型的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層(非實(shí)時(shí)的以太網(wǎng)或者無(wú)線網(wǎng)絡(luò))和應(yīng)用層[1-2]。當(dāng)傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，將會(huì)面臨以下問題。

①工業(yè)領(lǐng)域要求現(xiàn)場(chǎng)的傳感器和設(shè)備在數(shù)據(jù)上傳和控制器信息交互時(shí)具有實(shí)時(shí)性。然而在傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，感應(yīng)層的傳感器通過非實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至應(yīng)用層，在應(yīng)用層中基于服務(wù)器進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和決策運(yùn)算；再通過網(wǎng)絡(luò)層將數(shù)據(jù)回傳至感知層，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。整個(gè)過程缺乏實(shí)時(shí)性保障。由于網(wǎng)絡(luò)層采用非實(shí)時(shí)的無(wú)線或普通的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，其傳輸?shù)难舆t性、通信的碰撞機(jī)制以及不穩(wěn)定性，無(wú)法滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制要求[3]。

②工廠都建有自己的控制系統(tǒng)。由感知層獲取的數(shù)據(jù)哪些傳入現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)、參與現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)動(dòng)控制，哪些應(yīng)該保存至控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，哪些又可以直接送入應(yīng)用層進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，是值得思考的問題。

③傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)在用戶隱私保護(hù)和信息安全傳輸機(jī)制中存在諸多不足[4]。

④對(duì)于智能化管理，數(shù)據(jù)源是關(guān)鍵。因此，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳感設(shè)備的自身智能化功能提升和服務(wù)型數(shù)據(jù)(包括自診斷等)豐富程度方面，需要?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)。

本文提出的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture of the industrial IoT

相比于傳統(tǒng)的構(gòu)架，新的構(gòu)架在設(shè)備智能化、控制層級(jí)簡(jiǎn)化、設(shè)備傳輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化三個(gè)方面進(jìn)行了創(chuàng)新，可以有效應(yīng)對(duì)工業(yè)領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)工程落地時(shí)存在的問題，從而形成了工廠的智慧化應(yīng)用服務(wù)。

在信息處理方面，新的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)對(duì)實(shí)時(shí)控制信息和非實(shí)時(shí)服務(wù)信息進(jìn)行融合和分離，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)控制數(shù)據(jù)和服務(wù)數(shù)據(jù)在設(shè)備層的融合、在傳輸和控制層的分離。生產(chǎn)控制數(shù)據(jù)基于匯聚網(wǎng)關(guān)繼續(xù)傳輸?shù)絺鹘y(tǒng)的控制系統(tǒng)中，從而很好地兼容和保護(hù)原有的控制系統(tǒng)，保障生產(chǎn)工藝的可靠運(yùn)行；服務(wù)數(shù)據(jù)則經(jīng)過匯聚網(wǎng)關(guān)，傳輸?shù)交诨ヂ?lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)匯集，開展各種數(shù)據(jù)服務(wù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

2.1 設(shè)備智能化

自動(dòng)化儀表除了具備基本的測(cè)量功能外，還逐步拓展了高級(jí)自診斷、自調(diào)整、遠(yuǎn)程更新等功能，使得生產(chǎn)活動(dòng)更智能、更安全、更可靠。智能儀表正沿著消費(fèi)電子等智能終端進(jìn)化的軌跡，朝著全面滿足用戶在設(shè)備健康可管理、測(cè)量更適應(yīng)工況和更安全等多元需求方向發(fā)展。

以閥門定位器為例，閥門或者氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)卡死、膜片性能下降等常常影響生產(chǎn)，導(dǎo)致停工。未來(lái)的智能定位器，將實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)設(shè)備數(shù)據(jù)跟蹤與分析。通過檢測(cè)閥門摩擦力的數(shù)據(jù)變化，預(yù)測(cè)閥門或氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)卡死、監(jiān)測(cè)閥門極限位置、檢測(cè)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)彈簧性能和膜片性能等，并且提供保養(yǎng)、維修、更換等方面的處理 “建議”，避免停工和事故。

以電磁流量計(jì)為例，其實(shí)際應(yīng)用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)工況適應(yīng)能力較弱的情況。流體中不同濃度的介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生漿液噪聲干擾，降低儀表的測(cè)量精度。未來(lái)的儀表將實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備工作情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過分析現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，調(diào)整設(shè)備檢測(cè)算法，從而提升適應(yīng)能力。

以雷達(dá)物位計(jì)為例，傳統(tǒng)的儀表測(cè)量方法單一，只能測(cè)量單點(diǎn)物位，無(wú)法反映容器內(nèi)的空間信息，不能對(duì)傾斜和坍塌進(jìn)行預(yù)警，會(huì)導(dǎo)致人員安全事故和生產(chǎn)事故。未來(lái)的智能型儀表將以3D形式檢測(cè)倉(cāng)體，基于物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)成像，并采用圖形識(shí)別技術(shù)判斷倉(cāng)體物料安全狀況，避免現(xiàn)場(chǎng)安全事故的發(fā)生。

以壓力變送器為例，因?yàn)閼?yīng)用環(huán)境的原因，取壓孔處會(huì)造成堵塞，引發(fā)測(cè)量失效。未來(lái)將實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)設(shè)備監(jiān)測(cè)，實(shí)施數(shù)據(jù)分析。根據(jù)數(shù)據(jù)檢測(cè)判定是否堵塞并報(bào)警，從而及時(shí)預(yù)警，避免壓力過大而產(chǎn)生爆炸等安全事故。

2.2 控制層簡(jiǎn)化

在工廠原有自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)的控制層，存在著遵循不同通信協(xié)議的各種網(wǎng)關(guān)(主站)。它們的功能主要是轉(zhuǎn)換不同的通信協(xié)議，并將相關(guān)控制數(shù)據(jù)送往控制器。此外，在控制體系中，實(shí)現(xiàn)運(yùn)算、通信、匯聚、控制等功能的設(shè)備各不相同，因此數(shù)據(jù)交換通常要經(jīng)歷多級(jí)設(shè)備傳遞(控制器、通信主站、I/O卡、終端設(shè)備等)。在控制層對(duì)現(xiàn)有各類設(shè)備的功能和信息進(jìn)行融合，并簡(jiǎn)化交互環(huán)節(jié)和減少設(shè)備類型，構(gòu)建一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)和雙ARM核處理器的新型匯聚網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)邏輯門的并行處理和雙ARM的對(duì)稱多處理(symmetric multi-processor,SMP)運(yùn)算相互支撐，有效實(shí)現(xiàn)了控制流信息和服務(wù)流信息的物理融合和邏輯分離。網(wǎng)關(guān)的邏輯門和通信IP核的可配置性，可以有效支撐內(nèi)部不同IP核的切換，實(shí)現(xiàn)對(duì)原有的現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)的兼容。此外，網(wǎng)關(guān)與上層交互連接的接口通信采用千兆以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)性能與傳統(tǒng)十兆、百兆網(wǎng)絡(luò)相比，有大幅提高；數(shù)據(jù)交互層次從三級(jí)縮減到一級(jí)，大大提高了系統(tǒng)的通信效率；網(wǎng)關(guān)還預(yù)留無(wú)線通信適配接口，可以將需要的信息通過NB-IoT、4G以及未來(lái)的5G直接上傳到云端。

網(wǎng)關(guān)精簡(jiǎn)了控制層的設(shè)備種類和通信層級(jí)，融合了多種功能，實(shí)現(xiàn)了控制和服務(wù)數(shù)據(jù)的有效獲取和交互，提升了系統(tǒng)效率。在原有的單一運(yùn)算、單一控制體系中，調(diào)節(jié)器執(zhí)行單元常常在相關(guān)調(diào)節(jié)變量達(dá)到安全限值時(shí)才開始調(diào)節(jié)。而此時(shí)，被控設(shè)備會(huì)出于安全保護(hù)考慮而停止運(yùn)行。而在優(yōu)化后的系統(tǒng)中，基于大幅提高的并行運(yùn)算和處理能力，調(diào)節(jié)器能更快地進(jìn)行反應(yīng)，實(shí)時(shí)響應(yīng)開始調(diào)節(jié)，從而改善了調(diào)節(jié)性能、提高了生產(chǎn)效率。

2.3 設(shè)備傳輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

在設(shè)備層，存在設(shè)備種類、接口類型和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞N類繁多的情況[5]，各種設(shè)備的集成和工程實(shí)施具有較大的技術(shù)難度和成本風(fēng)險(xiǎn)。此外，傳統(tǒng)設(shè)備的通信標(biāo)準(zhǔn)種類繁多，使得設(shè)備之間的互聯(lián)互通也很難實(shí)現(xiàn)。只有簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)，才是統(tǒng)一多樣設(shè)備、多類信息和人的最好方法。

新技術(shù)采用兩線制方式，通過一對(duì)雙絞屏蔽線實(shí)現(xiàn)通信和供電，既支撐通信數(shù)據(jù)傳輸，又為設(shè)備提供能源供給，還可用于本安工況。這種線纜連接方式既簡(jiǎn)化了通信設(shè)備的接入，又精簡(jiǎn)了設(shè)備的電源線，還兼顧了較長(zhǎng)的傳輸距離。較高的通信速率可以及時(shí)傳輸實(shí)時(shí)的控制信息和大數(shù)據(jù)量的服務(wù)信息，以滿足各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的通信需求，確保各類設(shè)備的便捷接入。

通過在設(shè)備層對(duì)現(xiàn)有的通信技術(shù)取長(zhǎng)補(bǔ)短，簡(jiǎn)化了各種繁瑣的處理，形成了新的通信技術(shù)。在供電和通信一體化支撐能力方面，新技術(shù)和其他現(xiàn)有的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線、民用通信技術(shù)具備同樣的特點(diǎn)。在傳輸速度方面，新技術(shù)優(yōu)于現(xiàn)場(chǎng)總線，弱于民用通信技術(shù)。在安全環(huán)境的適應(yīng)能力方面，新技術(shù)和其他工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)同樣具備，但是民用通信技術(shù)完全不具備。在傳輸距離方面，新技術(shù)優(yōu)于其他通信技術(shù)。結(jié)合多方面對(duì)比結(jié)果，綜合考慮工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)距離、高速率、安全環(huán)境等因素約束，新技術(shù)比其他通信技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)。

3 應(yīng)用服務(wù)

服務(wù)提供域是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)服務(wù)和業(yè)務(wù)服務(wù)的軟硬件系統(tǒng)的實(shí)體集合[6]，基于通信協(xié)議和不同的軟件技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)各種互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)機(jī)制，如Web服務(wù)(web service,WS)、遠(yuǎn)程對(duì)象(remote object,RO)和多智能體(multi-agent,MA)[7]。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)在滿足生產(chǎn)控制服務(wù)的同時(shí)，可以支撐基于物聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)服務(wù)，因此基于基礎(chǔ)架構(gòu)可以開展各種數(shù)據(jù)分析和智能運(yùn)維管理，更好地適應(yīng)用戶的定制化需求，貼近工廠服務(wù)。

①基于智能診斷的設(shè)備運(yùn)維。設(shè)備高效運(yùn)維和設(shè)備綜合效率(overall equipment efficiency,OEE)提升，對(duì)保障工廠的生產(chǎn)流程高效安全和設(shè)備資產(chǎn)管理降本增效具有重要的意義。對(duì)工廠而言，在新的服務(wù)架構(gòu)下，可以將現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)力波、振動(dòng)、溫度、噪聲等多種監(jiān)測(cè)類傳感器、儀表、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)、動(dòng)力機(jī)械裝備及工廠實(shí)體設(shè)施全部納入企業(yè)私有云或公有云平臺(tái)。通過信息匯聚，構(gòu)造智能設(shè)備云，開展智能故障診斷、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)與備件優(yōu)化、遠(yuǎn)程診斷與預(yù)測(cè)性維護(hù)、質(zhì)量可靠性保障提升等活動(dòng)。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段融合管理設(shè)備，形成設(shè)備運(yùn)維大數(shù)據(jù)，構(gòu)建與實(shí)體設(shè)備資產(chǎn)全生命周期健康狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的數(shù)字化虛擬畫像，從而縮短備品備件周期，及早制定應(yīng)對(duì)措施，優(yōu)化、提升企業(yè)設(shè)備維保和經(jīng)營(yíng)水平。

設(shè)備運(yùn)維體系如圖2所示。

圖2 設(shè)備運(yùn)維體系示意圖Fig.2 Operation and maintenance system of equipment

基于該框架可開展設(shè)備管理、設(shè)備健康評(píng)估、設(shè)備壽命預(yù)測(cè)和檢維修決策大數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)。利用大數(shù)據(jù)，能有效地檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)、高效地管理工廠設(shè)備，切實(shí)實(shí)現(xiàn)“未病先防，既病防變”，并且為工廠智能化管理提供支撐，降低企業(yè)運(yùn)維成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

②生產(chǎn)工藝的優(yōu)化。在新的服務(wù)架構(gòu)下，可以基于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)開展大數(shù)據(jù)分析和挖掘活動(dòng)，尋找效能的奇點(diǎn)和短板，從而采取措施，有的放矢地優(yōu)化生產(chǎn)工藝。例如，現(xiàn)代電站鍋爐燃燒狀況的好壞，嚴(yán)重影響著鍋爐設(shè)備及整個(gè)發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)和安全狀況。適宜的燃燒工況是：燃料完全燃燒、爐膛溫度場(chǎng)和熱負(fù)荷分布均勻、鍋爐達(dá)到額定參數(shù)、避免結(jié)焦等。通過持續(xù)收集監(jiān)測(cè)鍋爐運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)和爐膛燃燒三維溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)鍋爐燃燒進(jìn)行有效診斷和控制；基于對(duì)工藝數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析，調(diào)整優(yōu)化當(dāng)前工藝設(shè)計(jì)；通過檢測(cè)煙氣含氧量和其他相關(guān)參數(shù)，結(jié)合鍋爐實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，給出一定輻射能水平控制要求下的最優(yōu)燃料量和風(fēng)量，從而實(shí)現(xiàn)初步的燃燒優(yōu)化控制，最終優(yōu)化電廠的發(fā)電效率、降低損耗。

③提升科研轉(zhuǎn)化效率。新的服務(wù)架構(gòu)可以幫助科研機(jī)構(gòu)和技術(shù)人員從小樣本取樣研究轉(zhuǎn)向基于工藝現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)海量數(shù)據(jù)樣本研究。傳統(tǒng)的基于經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)的研發(fā)將在新的架構(gòu)下，轉(zhuǎn)向基于貝葉斯的大數(shù)據(jù)研發(fā)。通過利用物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的科學(xué)研究與驗(yàn)證服務(wù)，使科研采樣能夠自動(dòng)獲取、成果驗(yàn)證能夠?qū)崟r(shí)反饋，從而促進(jìn)成果轉(zhuǎn)化落地效率進(jìn)一步提高。例如，通過物聯(lián)網(wǎng)傳遞現(xiàn)場(chǎng)儀表的服役情況，技術(shù)人員可遠(yuǎn)程分析數(shù)據(jù)、調(diào)整儀表參數(shù)、改進(jìn)算法模型、提高儀表適應(yīng)不同復(fù)雜工況的能力，從而避免在實(shí)驗(yàn)室滿足標(biāo)準(zhǔn)、在現(xiàn)場(chǎng)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象。

4 結(jié)束語(yǔ)

互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和傳感器將融合于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，快速引導(dǎo)工廠從自動(dòng)化向數(shù)字化和智能化邁進(jìn)，推動(dòng)傳統(tǒng)工業(yè)有效適應(yīng)去產(chǎn)能、降能耗、重環(huán)保、提效能的新要求。本文通過對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)的研究，并結(jié)合傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域出現(xiàn)的問題，如通信的安全性、傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性等，提出新型的、適用于工業(yè)領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架。該構(gòu)架具有設(shè)備智能化、控制層簡(jiǎn)化和傳輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的特點(diǎn)，也為工廠從自動(dòng)化向數(shù)字化和智能化的轉(zhuǎn)變提供了技術(shù)路徑。

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