工業物聯網

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什麼是工業物聯網

  工業物聯網是將具有感知、監控能力的各類採集或控制感測或控制器以及泛在技術、移動通信、智能分析等技術不斷融入到工業生產過程各個環節,從而大幅提高製造效率,改善產品質量,降低產品成本和資源消耗,最終實現將傳統工業提升到智能化的新階段。從應用形式上,工業物聯網的應用具有實時性、自動化、嵌入式(軟體)、安全性、和信息互通互聯性等特點。

工業物聯網的關鍵技術[1]

  工業物聯網技術的研究是一個跨學科的工程,它涉及自動化、通信、電腦以及管理科學等領域。工業物聯網的廣泛應用需要解決眾多關鍵技術問題(見下圖)

Image:工业物联网关键技术.png

  ●感測器技術:價格低廉、性能良好的感測器是工業物聯網應用的基石,工業物聯網的發展要求更準確、更智能、更高效以及兼容性更強的感測器技術。智能數據採集技術是感測器技術發展的一個新方向。信息的泛在化對工業感測器和感測裝置提出了更高的要求。具體如,微型化:元器件的微小型化,要求節約資源與能源;智能化:具備自校準、自診斷、自學習、自決策、自適應和自組織等人工智慧技術;低功耗與能量獲取技術:供電方式為電池、陽光、風、溫度、振動等多種方式。

  ●設備兼容技術:大部分情況下,企業會基於現有的工業系統建造工業物聯網,如何實現工業物聯網中所用的感測器能夠與原有設備已應用的感測器相兼容是工業物聯網推廣所面臨的問題之一。感測器的兼容主要指數據格式的兼容與通信協議的兼容,兼容關鍵是標準的統一。目前,工業現場匯流排網路中普遍採用的如Profibus、Modus協議,已經較好地解決了兼容性問題,大多數工業設備生產廠商基於這些協議開發了各類感測器、控制器等。近年來,隨著工業無線感測器網路應用日漸普遍,當前工業無線的WirelessHART、ISA100.11a以及wIA—PA3大標準均兼容了IEEE802.15.4無線網路協議,並提供了隧道傳輸機制兼容現有的通信協議,豐富了工業物聯網系統的組成與功能。

  ●網路技術:網路是構成工業物聯網的核心之一,數據在系統不同的層次之間通過網路進行傳輸。網路分為有線網路無線網路,有線網路一般應用於數據處理中心的集群伺服器、工廠內部的區域網以及部分現場匯流排控制網路中,能提供高速率高帶寬的數據傳輸通道。工業無線感測器網路則是一種新興的利用無線技術進行感測器組網以及數據傳輸的技術,無線網路技術的應用可以使得工業感測器的佈線成本大大降低,有利於感測器功能的擴展,因此吸引了國內外眾多企業和科研機構的關註。

  傳統的有線網路技術較為成熟,在眾多場合已得到了應用驗證。然而,當無線網路技術應用於工業環境時,會面臨如下問題:工業現場強電磁干擾、開放的無線環境讓工業機器更容易受到攻擊威脅、部分控制數據需要實時傳輸。相對於有線網路,工業無線感測器網路技術則正處在發展階段,它解決了傳統的無線網路技術應用於工業現場環境時的不足,提供了高可靠性、高實時性以及高安全性,主要技術包括:自適應跳頻、確實性通信資源調度、無線路由、低開銷高精度時間同步、網路分層數據加密、網路異常監視與報警以及設備入網鑒權等。

  ●信息處理技術:工業信息出現爆炸式增長,工業生產過程中產生的大量數據對於工業物聯網來說是一個挑戰,如何有效處理、分析、記錄這些數據,提煉出對工業生產有指導性建議的結果,是工業物聯網的核心所在,也是難點所在。

  當前業界大數據處理技術有很多,如SAP的BW系統在一定程度上解決了大數據給企業生產運營帶來的問題。數據融合和數據挖掘技術的發展也使海量信息處理變得更為智能、高效。工業物聯網泛在感知的特點使得人也成為了被感知的對象,通過對環境數據的分析以及用戶行為的建模,可以實現生產設計、製造、管理過程中的人一人、人一機和機一機之間的行為、環境和狀態感知,更加真實地反映出工業生產過程中的細節變化,以便得出更準確的分析結果。

  ●安全技術:工業物聯網安全主要涉及數據採集安全、網路傳輸安全等過程,信息安全對於企業運營起到關鍵作用,例如在冶金煤炭石油等行業採集數據需要長時問的連續運行,如何保證在數據採集以及傳輸過程中信息的準確無誤是工業物聯網應用於實際生產的前提。

工業物聯網的應用[1]

  ●製造業供應鏈管理:企業利用物聯網技術,能及時掌握原材料採購庫存銷售等信息,通過大數據分析還能預測原材料的價格趨向、供求關係等,有助於完善和優化供應鏈管理體系,提高供應鏈效率,降低成本。空中客車通過在供應鏈體系中應用感測網路技術,構建了全球製造業中規模最大、效率最高的供應鏈體系。

  ●生產過程工藝優化:工業物聯網的泛在感知特性提高了生產線過程檢測、實時參數採集、材料消耗監測的能力和水平,通過對數據的分析處理可以實現智能監控、智能控制、智能診斷、智能決策、智能維護,提高生產力,降低能源消耗。鋼鐵企業應用各種感測器和通信網路,在生產過程中實現了對加工產品的寬度、厚度、溫度實時監控,提高了產品質量,優化了生產流程

  ●生產設備監控管理:利用感測技術對生產設備進行健康監控,可以及時跟蹤生產過程中各個工業機器設備的使用情況,通過網路把數據匯聚到設備生產商的數據分析中心進行處理,能有效地進行機器故障診斷、預測,快速、精確地定位故障原因,提高維護效率,降低維護成本。GEOil&Gas集團在全球建立了13個面向不同產品的i-Center(綜合服務中心),通過感測器和網路對設備進行了線上監測和實時監控,並提供了設備維護和故障診斷的解決方案。

  ●環保監測及能源管理:工業物聯網與環保設備的融合可以實現對工業生產過程中產生的各種污染源及污染治理環節關鍵指標的實時監控。在化工、輕工、火電廠等企業佈署感測器網路,不僅可以實時監測企業排污數據,而且可以通過智能化的數據報警及時發現排污異常並停止相應的生產過程,防止突發性環境污染事故發生。電信運營商已開始推廣基於物聯網的污染治理實時監測解決方案。

  ●工業安全生產管理:“安全生產”是現代化工業中的重中之重。工業物聯網技術通過把感測器安裝到礦山設備、油氣管道、礦工設備等危險作業環境中,可以實時監測作業人員、設備機器以及周邊環境等方面的安全狀態信息,全方位獲取生產環境中的安全要素,將現有的網路監管平臺提升為系統、開放、多元的綜合網路監管平臺,有效保障了工業生產安全。

參考文獻

  1. 1.0 1.1 李士寧,羅國佳.工業物聯網技術及應用概述[J].電信網技術.2014,3
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