物联网在工业控制系统中的应用56

引领中国物联网应用的创新发展LeadingcreativedevelopmentofChinaIoTapplication物联网在工业控制系统中的应用王俊伟新浪微博俊伟junwei2012年12月14日目录/contents工业控制系统的概述物联网在工业控制系统的应用领域物联网与先进制造技术结合的领域解决物联网在工业应用的关键问题如何推动物联网在工业领域的应用物联网在工业控制系统应用领域的市场前景工业控制系统概述随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，传统的控制领域正经历着一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展。控制系统的结构从最初的CCS（计算机集中控制系统引领中国物联网应用的创新发展），到第二代的DCS（分散控制系统），发展到现在流行的FCS（现场总线控制系统）[1]。对诸如图像、语音信号等大数据量、高速率传输的要求，又催生了当前在商业领域风靡的以太网与控制网络的结合。这股工业控制系统网络化浪潮又将诸如嵌入式技术、多标准工业控制网络互联、无线技术等多种当今流行技术融合进来，从而拓展了工业控制领域的发展空间，带来新的发展机遇。计算机控制系统的发展•最早在50年代中后期，计算机就已经被应用到控制系统中。•60年代初，出现了由计算机完全替代模拟控制的控制系统，被称为直接数字控制（DirectDigitalControl,DDC）。•70年代中期，随着微处理器的出现，计算机控制系统进入一个新的快速发展的时期，1975年世界上第一套以微处理为基础的分散式计算机控制系统问世，它以多台微处理器共同分散控制，并通过数据通信网络实现集中管理，被称为集散控制系统（DistributedControlSystem,DCS）。•进入80年代以后，人们利用微处理器和一些外围电路构成了数字式仪表以取代模拟仪表，这种DDC的控制方式提高了系统的控制精度和控制的灵活性，而且在多回路的巡回采样及控制中具有传统模拟仪表无法比拟的性能价格比。•80年代中后期，随着工业系统的日益复杂，控制回路的进一步增多，单一的DDC控制系统已经不能满足现场的生产控制要求和生产工作的管理要求，同时中小型计算机和微机的性能价格比有了很大提高。于是，由中小型计算机和微机共同作用的分层控制系统得到大量应用。•进入90年代以后，由于计算机网络技术的迅猛发展，使得DCS系统得到进一步发展，提高了系统的可靠性和可维护性，在今天的工业控制领域DCS仍然占据着主导地位，但是DCS不具备开放性，布线复杂，费用较高，不同厂家产品的集成存在很大困难物联网在工业控制系统的应用制造业供应链管理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。空中客车(Airbus)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物联网与环保设备的融合实现了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。在重点排污企业排污口安装无线传感设备，不仅可以实时监测企业排污数据，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。物联网与先进制造技术结合的领域泛在感知网络技术建立服务于智能制造的泛在网络技术体系，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。•人机交互技术传感技术、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。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。•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。解决物联网在工业应用的关键问题•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。•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重视。•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。•此外，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。怎么推动物联网在工业领域的运用•物联网的发展进程是一个规模庞大的复杂技术革新过程，可以从垂直和聚合两个方面推动其应用。•垂直应用是指企业结合自身的特点、行业的特点进行生产过程的控制。垂直应用与行业生产和业务流程紧密结合，通过提供集成化的行业解决方案，为行业内企业的生产管理提供各种服务。如在汽车行业中，产业链环节中的企业各自建立物联网应用系统，感知车辆实时状态，车载控制模块汇聚和发送车辆信息，完成对车辆的控制。•聚合应用是跨行业的应用，是基于公共服务平台的信息化服务。聚合应用是运营商和解决方案提供商以行业用户、家庭用户和个人用户为重点，规模化推广和普及基于物联网的相关业务和服务。如集成应用车载传感网、GPS定位、通信等技术的汽车，可以提供全方位和全天候的检测、导航、娱乐、呼救等信息服务，再通过公共服务平台完成信息维护和综合服务运营。消费者、整车厂、维修商、车辆管理机构均可共享信息和服务，从而进一步完善整车和零部件的设计和工艺流程，实现车辆全生命周期管理。物联网应用必须坚持以业务驱动为主，找准工业领域关键环节的切入点•当前，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，催生和推进中国智能工业的发展。•装备制造业供应链管理借助射频识别等物联网技术实现对装备产品的数字化物流管理，推动上下游协作厂商共同应用先进物流管理技术，建设一个相互支持的装备制造现代物流群，提高整个供应链的协调性，实现现代物流与装备制造的联动发展。天津空港物流加工区•食品安全追溯体系发挥物联网在货物追踪、识别、查询、信息等方面的作用，推进物联网技术在农业养殖、收购、屠宰、加工、运输、销售等各个环节的应用，实现对食品生产全过程关键信息的采集和管理，保障食品安全追溯，实现对问题产品的准确召回。食品安全追溯整体系统构架•石化设备测控智能将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。某石化公司乙炔厂智能测控系统•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。某煤矿生产安全控制系统•工业排污实时监控在化工、轻工等部分高污染行业，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，对重点排污监控企业实行实时监测、自动报警，远程关闭排污口，防止突发性环境污染事故的发生。某工厂废弃排放实时监测系统物联网在工业领域的市场前景•2011年11月28日工业和信息化部发布的《物联网“十二五”发展规划》提出的发展目标。到2015年，我国要在核心技术研发与产业化、关键标准研究与制定、产业链条建立与完善、重大应用示范与推广等方面取得显著成效，初步形成创新驱动、应用牵引、协同发展、安全可控的物联网发展格局。•技术创新能力显著增强。攻克一批物联网核心关键技术，在感知、传输、处理、应用等技术领域取得500项以上重要研究成果；研究制定200项以上国家和行业标准；推动建设一批示范企业、重点实验室、工程中心等创新载体，为形成持续创新能力奠定基础。•初步完成产业体系构建。形成较为完善的物联网产业链，培育和发展10个产业聚集区，100家以上骨干企业，一批“专、精、特、新”的中小企业，建设一批覆盖面广、支撑力强的公共服务平台，初步形成门类齐全、布局合理、结构优化的物联网产业体系。•应用规模与水平显著提升。在经济和社会发展领域广泛应用，在重点行业和重点领域应用水平明显提高，形成较为成熟的、可持续发展的运营模式，在9个重点领域完成一批应用示范工程，力争实现规模化应用。物联网十二五规划的主要任务•一、大力攻克核心技术：提升感知技术，推进传输技术突破，加强处理技术研究，巩固共享技术基础。•二、加快构建标准体系：加速完成标准体系框架的建设，积极推进共性和关键技术标准的研制，大力开展重点行业应用标准的研制。•三、协调推进产业发展：重点发展物联网感知制造业，积极支持物联网通信业，着力培育物联网服务业。•四、着力培育骨干企业在传感器、核心芯片、传感节点、操作系统、数据库软件、中间件、应用软件、嵌入式软件、系统集成、传感器网关及信息通信网、信息服务、智能控制等各领域打造一批品牌企业。•五、积极开展应用示范1．开展经济运行中重点行业应用示范2.开展面向基