工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在生產(chǎn)過程監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

年佳琪，祝尚臻，侯欣明，雷彥華，劉慧潔

（沈陽工程學(xué)院，沈陽 110136）

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)作為一種新型制造技術(shù)的產(chǎn)物，被眾多業(yè)內(nèi)人士稱為物聯(lián)網(wǎng)時代的新入口，各國也陸續(xù)地提出并實(shí)施了一系列的國家戰(zhàn)略，如“德國工業(yè)4.0”、“中國制造2025”、“美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”等。隨著物聯(lián)網(wǎng)市場不斷發(fā)展，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用越來越廣泛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備基數(shù)為200億臺，預(yù)計(jì)到2020年中國物聯(lián)網(wǎng)的整體規(guī)模將超過1.8萬億元。

1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)概述

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是將具有感知、監(jiān)控能力的各類采集或控制傳感或控制器以及泛在技術(shù)、移動通信、智能分析等技術(shù)不斷融入到工業(yè)生產(chǎn)過程各個環(huán)節(jié)，從而大幅提高制造效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本和資源消耗，最終實(shí)現(xiàn)將傳統(tǒng)工業(yè)提升到智能化的新階段。

與傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)不同，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)不僅對實(shí)時性有嚴(yán)格的要求，還需與企業(yè)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)進(jìn)行有效的融合。典型的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)包括感知層、現(xiàn)場管理層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層主要完成兩個工作：一是通過現(xiàn)場設(shè)備（如傳感器、電子標(biāo)簽等）感知生產(chǎn)設(shè)備的信息，二是通過控制器發(fā)送控制指令；現(xiàn)場管理層要及時記錄和處理感知層的工業(yè)數(shù)據(jù)，快速響應(yīng)較底層的控制指令，還要對外提供數(shù)據(jù)接口的功能，將本地?cái)?shù)據(jù)發(fā)送給應(yīng)用層；網(wǎng)絡(luò)層充當(dāng)著傳輸通道的角色，保證本地?cái)?shù)據(jù)到數(shù)據(jù)分析中心傳輸?shù)膶?shí)時性；應(yīng)用層要分析和處理生產(chǎn)過程中采集的數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)等信息，優(yōu)化生產(chǎn)管理，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化。

2 基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)過程監(jiān)測系統(tǒng)

生產(chǎn)過程監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)兩大功能：一是通過對制造過程中設(shè)備、原料等資源的狀態(tài)采集、數(shù)據(jù)融合與處理，實(shí)時監(jiān)控產(chǎn)品的生產(chǎn)過程、進(jìn)度及異常情況，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的可視化全面監(jiān)控；二是生產(chǎn)計(jì)劃發(fā)生調(diào)整時，可以根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行情況生成控制決策方案，進(jìn)行生產(chǎn)過程的動態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的閉環(huán)控制。

生產(chǎn)過程監(jiān)測系統(tǒng)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為四個部分：（1）數(shù)據(jù)采集層，通過自動采集或人工采集的方式，對生產(chǎn)過程中使用的各種設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，為上層提供可靠的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)設(shè)備信息。（2）數(shù)據(jù)處理層，將采集到的各種原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分類和融合，完成數(shù)據(jù)的檢查與保存，并上傳至自動監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。（3）功能應(yīng)用層，根據(jù)生產(chǎn)流程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理軟件，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的分析、處理和統(tǒng)計(jì)。根據(jù)生產(chǎn)流程可劃分出一些功能模塊，如生產(chǎn)過程控制模塊、輔助管理模塊、基礎(chǔ)信息管理模塊等；（4）用戶層，管理者、調(diào)度者、操作者通過使用應(yīng)用終端，可以及時掌握生產(chǎn)車間的運(yùn)行情況、設(shè)備及物料狀態(tài)等信息，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的實(shí)時監(jiān)測。應(yīng)用終端的形式多樣，包括web瀏覽器、電子看板、手機(jī)APP等。

3 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)過程管理體系的優(yōu)化上，主要分為以下五個方面：

（1）原料供應(yīng)鏈管理體系優(yōu)化：應(yīng)用傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，及時掌握原料的采購、庫存、銷售等信息，預(yù)測原料的價(jià)格趨勢、供求關(guān)系等，提高供應(yīng)鏈效率，降低成本。

圖1 基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)過程監(jiān)測系統(tǒng)

（2）生產(chǎn)過程工藝優(yōu)化：利用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線過程檢測、實(shí)時參數(shù)采集、生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控、材料消耗監(jiān)測，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化生產(chǎn)流程，減少能源消耗。

（3）產(chǎn)品設(shè)備監(jiān)控：將傳感技術(shù)與制造技術(shù)融合，對產(chǎn)品設(shè)備的使用情況進(jìn)行記錄和跟蹤，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程診斷和故障預(yù)測，降低維護(hù)成本，提高維修效率。

（4）環(huán)保監(jiān)測：工業(yè)生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生各種污染源，在企業(yè)排污口安裝無線傳感設(shè)備，實(shí)時監(jiān)控排污情況，并且可以遠(yuǎn)程關(guān)閉排污口，防止突發(fā)性環(huán)境污染事故發(fā)生。

（5）工業(yè)安全生產(chǎn)管理：將物聯(lián)網(wǎng)傳感器嵌入礦山設(shè)備、油氣管道、礦工設(shè)備等危險(xiǎn)工作環(huán)境中，實(shí)時監(jiān)控和感知人員、設(shè)備、環(huán)境的安全狀態(tài)，如遇突發(fā)意外可以在第一時間解救，保障工業(yè)生產(chǎn)安全。

4 結(jié)束語

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)改造了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，對企業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營和管理模式帶來了深刻變革，促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。但是，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)也存在著如數(shù)據(jù)安全、控制安全、應(yīng)用安全等諸多安全問題。如何快速建立起工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的安全體系，是其發(fā)展過程中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)然，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是一個跨學(xué)科的工程，融合了傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、安全技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，相關(guān)技術(shù)與學(xué)科的發(fā)展也將促進(jìn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的更新?lián)Q代，將智能制造推向更高的水平。