工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的歷史內(nèi)涵與發(fā)展形式研究

吳樂 李德英 袁練 謝旋 丁富

摘 要：自動(dòng)化、智能化的不斷應(yīng)用和發(fā)展使得人們對(duì)實(shí)時(shí)可視化的管理的需求不斷提升。人機(jī)界面/數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)人機(jī)信息交互的組態(tài)SCADA監(jiān)控平臺(tái)，從出現(xiàn)以來，與各行業(yè)不斷交融，以千變?nèi)f化的形式發(fā)展。通過組態(tài)設(shè)計(jì)，用戶可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)自動(dòng)（PLC）生產(chǎn)工作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)全透明數(shù)字化管理運(yùn)維，提高對(duì)智能安全高效生產(chǎn)的保證和可視化，構(gòu)建互聯(lián)共通的集成工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系，從而實(shí)現(xiàn)集中遠(yuǎn)程管理服務(wù)。

關(guān)鍵詞：SCADA;可視化;人機(jī)交互

1? ? 研究背景與意義

2019年11月22日，工業(yè)和信息化部正式印發(fā)《關(guān)于印發(fā)“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”512工程推進(jìn)方案的通知》，指出要打造一批5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”內(nèi)網(wǎng)建設(shè)改造標(biāo)桿、樣板工程，形成至少20大典型工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景;培育形成5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合疊加、互促共進(jìn)、倍增發(fā)展的創(chuàng)新態(tài)勢(shì)，促進(jìn)傳統(tǒng)制造業(yè)與數(shù)字技術(shù)融合升級(jí)，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。通知的印發(fā)表明“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)能力、創(chuàng)新應(yīng)用能力、資源供給能力已經(jīng)形成了強(qiáng)有力的市場(chǎng)后盾，新技術(shù)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新有了強(qiáng)大的發(fā)展動(dòng)力[1]。

分析面向互聯(lián)共通、信息數(shù)字化、全局資源實(shí)時(shí)調(diào)度的時(shí)代發(fā)展需求，將人機(jī)組態(tài)、遠(yuǎn)程管理、自動(dòng)控制、手機(jī)移動(dòng)端交互等技術(shù)結(jié)合創(chuàng)新，達(dá)到為工業(yè)生產(chǎn)提供更全能、更高能效、性價(jià)比更高的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和構(gòu)建可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)隨地對(duì)異地人力物力資源的充分調(diào)用和配置，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可持續(xù)性長(zhǎng)期最優(yōu)能效，促進(jìn)資產(chǎn)可用性和性能表現(xiàn)的穩(wěn)步提升。在實(shí)際生產(chǎn)制造中，人機(jī)界面/數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視SCADA系統(tǒng)是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)最典型的應(yīng)用，通過人機(jī)界面可提高生產(chǎn)透明數(shù)字化，從而促進(jìn)精益生產(chǎn)、信息化和自動(dòng)化的協(xié)同融合達(dá)到賦能制造業(yè)數(shù)字化未來。透明化的數(shù)字解決方案促進(jìn)了IT，OT，AT的無縫融合，為傳統(tǒng)制造向智能制造提供了高效可靠的方法途徑[2]。

數(shù)字與智能引領(lǐng)著時(shí)代發(fā)展的主旋律，從直接數(shù)字控制、監(jiān)督控制、DCS、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的發(fā)展，以及CIMS計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的逐步應(yīng)用，都預(yù)示著生產(chǎn)制造日趨智能與物聯(lián)，而5G、人工智能等技術(shù)的發(fā)展正不斷為集成智能物聯(lián)提供了全新而具有無比潛力的數(shù)字化解決方案。從歷史維度來說，英國(guó)通過蒸汽工業(yè)革命實(shí)現(xiàn)建立起稱霸全球的殖民體系，德國(guó)通過第二次工業(yè)革命迅速崛起，美國(guó)通過第三次工業(yè)革命一直領(lǐng)先全球各國(guó)。新的工業(yè)革命所帶來的巨大生產(chǎn)力是無可限量的，因此，世界各國(guó)為搶占生產(chǎn)力飛躍優(yōu)勢(shì)，已根據(jù)上述趨勢(shì)建成了具體的戰(zhàn)略發(fā)展體系，如中國(guó)制造2025、工業(yè)4.0等。而這種趨勢(shì)的典型代表就是智能和物聯(lián)，結(jié)合我國(guó)國(guó)情和實(shí)際來說，中國(guó)制造2025的本質(zhì)就是以創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)的“智能制造”模式，其根本就是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的智能化、數(shù)字化、集成化。

實(shí)時(shí)透明的運(yùn)維是實(shí)現(xiàn)閉環(huán)質(zhì)量控制、實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程可追溯性，更是高效和安全生產(chǎn)的必需手段，是智能制造的大管家?，F(xiàn)有的可視化運(yùn)維系統(tǒng)主要是機(jī)身控制面板加計(jì)算機(jī)管理模式，其對(duì)物理空間、實(shí)時(shí)隨地性有較大限制，不能滿足用戶的靈活性交互需求。而自動(dòng)化廠商和開發(fā)商所面臨的挑戰(zhàn)正是提高生產(chǎn)靈活性和加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量，隨著移動(dòng)通信技術(shù)和手機(jī)終端應(yīng)用的發(fā)展，手機(jī)可視化組態(tài)正能作為一種新的解決方案實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)人機(jī)對(duì)話。故將計(jì)算機(jī)集成管理控制系統(tǒng)與手機(jī)應(yīng)用端配合起來使用，建立基于計(jì)算機(jī)主控端的手機(jī)次端實(shí)時(shí)交互運(yùn)維系統(tǒng)，對(duì)工程應(yīng)用有著顯著意義[3]。

2? ? 人機(jī)交互運(yùn)維系統(tǒng)的歷史

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)維護(hù)與生產(chǎn)可溯性，人們通過結(jié)合軟件與硬件打造了一系列監(jiān)控運(yùn)維平臺(tái)。即針對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)控制器輸入輸出狀態(tài)位進(jìn)行配置，形成立體的視圖界面以供技術(shù)人員對(duì)控制器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和操縱，同時(shí)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行界面化透視管理。

在生產(chǎn)控制中，把這種實(shí)時(shí)的透明化管理定義名為“組態(tài)監(jiān)控”?！敖M態(tài)”放在具體的專業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)境中的意思就是組裝、組織狀態(tài)，換一種說法即針對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)以抽象的替代標(biāo)志進(jìn)行配置和可視化加工。實(shí)現(xiàn)這個(gè)配置過程的工具名為組態(tài)軟件，同時(shí)組態(tài)監(jiān)控有一個(gè)更專業(yè)的名稱—數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視，而組態(tài)軟件的更專業(yè)更具體稱呼是人機(jī)界面（HMI）/控制與數(shù)據(jù)采集軟件，人們也常將它稱為“SCADA”軟件。SCADA軟件它所解決的問題是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面的構(gòu)建與計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，其以圖元化的方式將各種可定義塊和結(jié)構(gòu)單元靈活組合，以實(shí)現(xiàn)整體的過程和計(jì)算機(jī)數(shù)字管理控制。組態(tài)軟件是為自動(dòng)控制系統(tǒng)服務(wù)的計(jì)算機(jī)上位機(jī)功能軟件，它最初的應(yīng)用是集散控制系統(tǒng)（DCS），適應(yīng)于各種分散控制、集中管理的集成系統(tǒng)。而隨著PLC的不斷廣泛應(yīng)用，建立控制監(jiān)視一體化系統(tǒng)已成為了企業(yè)對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量與提高系統(tǒng)可靠性的迫切需要，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC&HMI已經(jīng)成為自動(dòng)控制系統(tǒng)的標(biāo)配[4]。

3? ? 人機(jī)交互運(yùn)維系統(tǒng)與移動(dòng)智能端的融合趨勢(shì)

5G、人工智能、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，一定會(huì)讓SCADA技術(shù)發(fā)展的更加多樣化和更加廣泛應(yīng)用于的人們生活的各個(gè)領(lǐng)域。而同時(shí)從第一代通信技術(shù)到第五代通信技術(shù)，手機(jī)早已從當(dāng)初的語音模擬通話成為今天的多功能集成化智能平臺(tái)，事實(shí)表明，手機(jī)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)中不可或缺的一個(gè)支點(diǎn)，手機(jī)也已在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能家居中有了諸多應(yīng)用。

手機(jī)移動(dòng)端運(yùn)維監(jiān)控能夠充分實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)調(diào)節(jié)管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)異地人力物力資源的共享和調(diào)用，實(shí)現(xiàn)故障實(shí)時(shí)診斷和解決等一系列實(shí)時(shí)功能，可作為計(jì)算機(jī)組態(tài)可視化系統(tǒng)的便捷式移動(dòng)輔助運(yùn)維端。隨著數(shù)字技術(shù)與生產(chǎn)制造融合的不斷發(fā)展，手機(jī)監(jiān)控運(yùn)維也成了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。諸多企業(yè)已經(jīng)開始著手該產(chǎn)業(yè)的布局，并涌現(xiàn)出“華辰智通、鯤航物聯(lián)、云聯(lián)物通、中聯(lián)智控”等諸多應(yīng)用產(chǎn)品。但現(xiàn)有手機(jī)組態(tài)監(jiān)控一般是基于網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集硬件和定向開發(fā)模式，成本高，在整體模式上和交互技術(shù)上還有著巨大的技術(shù)優(yōu)化和改造空間，尤其是在傳統(tǒng)制造向智能制造的發(fā)展過渡期所面向的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)多樣不統(tǒng)一。

4? ? 手機(jī)作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)終端的優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)今制造業(yè)正從傳統(tǒng)制造向智能制造轉(zhuǎn)型過渡，數(shù)字信息技術(shù)不斷與制造業(yè)進(jìn)行融合。但也因此會(huì)有諸多問題存在，如技術(shù)實(shí)現(xiàn)不一、新舊共立、各廠商產(chǎn)品不兼容等等。比如說某企業(yè)工廠使用的是貝加萊的PLC，那么其SCADA組態(tài)界面的開發(fā)平臺(tái)必須是Automation Studio，而要在AS開發(fā)的組態(tài)使用手機(jī)可視化監(jiān)控就必須使用貝加萊的網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，若要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)化實(shí)時(shí)功能，牽涉諸多，無論是工程造價(jià)還是開發(fā)成本都不宜。還有很多企業(yè)的現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)模式就是計(jì)算機(jī)組態(tài)管理，公司未必能或者想大花成本去改造系統(tǒng)，更多的想法是在不干涉原系統(tǒng)的前提下，用最低成本實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)功能的升級(jí)。而新型的人機(jī)交互系統(tǒng)就是針對(duì)此市場(chǎng)矛盾與需求進(jìn)行的全能兼容性技術(shù)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，無論計(jì)算機(jī)端是WINCC組態(tài)界面或者800XA組態(tài)界面，都可以通過數(shù)據(jù)投影實(shí)時(shí)同步至手機(jī)組態(tài)界面。通過高適配的交互環(huán)境達(dá)到手機(jī)移動(dòng)端實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)。

新型人機(jī)交互系統(tǒng)正是針對(duì)上述市場(chǎng)需求分析和發(fā)展趨勢(shì)，依托智能和物聯(lián)技術(shù)與工業(yè)控制不斷融合升級(jí)的大趨勢(shì)，以第五代移動(dòng)通信技術(shù)的高可靠低延時(shí)、強(qiáng)大移動(dòng)寬帶、海量機(jī)器連接不斷線作為技術(shù)發(fā)展支撐，以手機(jī)為終端交互平臺(tái)，以PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)為服務(wù)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)隨地全透明數(shù)字化輔助性多層次運(yùn)維。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李德英.電氣控制與PLC[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2016.

[2]黃風(fēng).工業(yè)機(jī)器人與自控系統(tǒng)的集成應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2017.

[3]袁練.基于北斗通信系統(tǒng)的PLC遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控的探索[J].電子世界，2019（9）：75-76.

[4]袁練.基于互聯(lián)網(wǎng)與手機(jī)組態(tài)技術(shù)的PLC遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代信息科技，2019（9）：150-152.

（編輯 王永超）