物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用研究

韓文韜

[摘 ? ?要]時(shí)代的迅速發(fā)展、科技的不斷進(jìn)步，促使工業(yè)生產(chǎn)逐漸向機(jī)械化、自動(dòng)化方向邁進(jìn)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為新時(shí)期振興經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，也被廣泛應(yīng)用到工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。結(jié)合實(shí)踐來看，該技術(shù)不僅提高了工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量和效率，還有效降低了經(jīng)營成本，有利于為工業(yè)企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)加快工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展進(jìn)程?；诖?，文章將對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行概述，結(jié)合其應(yīng)用現(xiàn)狀，探索其在工業(yè)自動(dòng)化中的實(shí)際應(yīng)用。希望通過本文闡述，可以為相關(guān)人員進(jìn)一步分析提供參考。

[關(guān)鍵詞]物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);工業(yè)生產(chǎn);自動(dòng)化;應(yīng)用

[中圖分類號(hào)]TN929.5 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）03–0–03

Research the Application of Internet of Things Technology in Industrial Automation

Han Wen-tao

[Abstract]With the rapid development of the times and the continuous progress of science and technology， industrial production has gradually moved towards mechanization and automation. As one of the key technologies to revitalize the economy in the new era， the Internet of Things technology has also been widely used in the field of industrial automation. Combined with practice， this technology not only improves the quality and efficiency of industrial production， but also effectively reduces operating costs， which is conducive to creating maximum economic benefits for industrial enterprises and accelerating the development of industrial automation. Based on this， this article will give an overview of the Internet of Things technology， combined with its application status， and explore its practical application in industrial automation. It is hoped that the exposition of this article can provide a reference for the further analysis of relevant personnel.

[Keywords]internet of things technology; industrial production; automation; application

新時(shí)期背景下，微處理、微計(jì)算機(jī)、信息化工程等現(xiàn)代化技術(shù)不斷優(yōu)化和完善，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并廣泛深入到各行各業(yè)。尤其近年來，我國工業(yè)化進(jìn)程不斷深入，工業(yè)企業(yè)面臨的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力與日俱增，很多企業(yè)為了有效提高生產(chǎn)能力、滿足市場(chǎng)供應(yīng)需求，盡可能降低生產(chǎn)成本，積極引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以此來強(qiáng)化自身核心競(jìng)爭(zhēng)力，從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。從宏觀角度分析，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，還能夠加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)速度，為我國工業(yè)企業(yè)進(jìn)軍國際市場(chǎng)助力。由此可見，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行分析，無論對(duì)技術(shù)推廣而言，還是對(duì)工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展而言，都有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)是信息技術(shù)發(fā)展到最先進(jìn)水平的典型代表，也被稱為國際信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮，當(dāng)前受到世界各國廣泛關(guān)注，被當(dāng)作發(fā)展經(jīng)濟(jì)、應(yīng)對(duì)金融危機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中離不開末端設(shè)施設(shè)備的支撐。其組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，包括傳感系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、工業(yè)系統(tǒng)等，能夠在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)與互聯(lián)網(wǎng)有效結(jié)合，并通過信息安全保障機(jī)制，使人與人、人與物、物與物之間進(jìn)行溝通交流。將其引入工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)、安全防控、調(diào)度指揮、遠(yuǎn)程控制、智能識(shí)別等多種功能，不僅可以提高工業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量[1]，還能夠減少生產(chǎn)成本，同時(shí)滿足了節(jié)能減排需求，有利于促進(jìn)工業(yè)企業(yè)向“管、控、營”一體化趨勢(shì)發(fā)展。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)分析

現(xiàn)如今，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)廣泛滲透到人們的工作和生活中，在一定程度上改變了人們的生活方式和工作模式。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用對(duì)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可以概括為以下內(nèi)容：利用各類傳感器、GPS系統(tǒng)、電子標(biāo)簽系統(tǒng)及相關(guān)數(shù)據(jù)信息，根據(jù)連接協(xié)議將生產(chǎn)對(duì)象與網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)連接到一起，以此來實(shí)現(xiàn)定位跟蹤、在線監(jiān)測(cè)、智能識(shí)別等功能。另外，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的“物”，并非日常生活中隨處可見的物品，而是有一定的條件約束。例如，能夠接收數(shù)據(jù)信息、具備儲(chǔ)存能力和執(zhí)行系統(tǒng)、有專用程序等要求[2]。將其引入工業(yè)生產(chǎn)中，主要可以分為3個(gè)層次，分別為感知層、傳輸層和應(yīng)用層。其中傳輸層也被稱為網(wǎng)絡(luò)層，主要用于工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)接入、傳遞等方面。

2 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 RFID及二維碼技術(shù)

REID和二維碼技術(shù)，是工業(yè)生產(chǎn)中較為常見的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，主要作用是描述“物”的屬性。其中二維碼技術(shù)是在一維碼技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，即按照規(guī)律將黑白相間的幾何形體平鋪到平面中，以此來記錄或識(shí)別數(shù)據(jù)信息。當(dāng)前，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)管理過程中。而RFID技術(shù)，是通過空間耦合方式，在無接觸情況下傳遞射頻信號(hào)，以此來識(shí)別目標(biāo)。該技術(shù)是建立在傳統(tǒng)條形碼技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，克服了條形碼人工掃描、一次一讀等弊端，能夠準(zhǔn)確無誤地采集大量數(shù)據(jù)信息，并且抗干擾能力較強(qiáng)，即便在惡劣環(huán)境下運(yùn)行，依然能夠滿足實(shí)時(shí)跟蹤、高速讀取等需求，也正因如此，使得該技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2.2 傳感器技術(shù)

傳感器是科學(xué)技術(shù)發(fā)展到一定程度的產(chǎn)物，也是支撐現(xiàn)代化信息技術(shù)持續(xù)優(yōu)化和完善的重要支柱，其作為1種微型器件，具有集成化、系統(tǒng)化特點(diǎn)，主要由信號(hào)處理、微傳感器、通信接口等組件組成，將其應(yīng)用到工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域，可以迅速獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)處理和分析，將數(shù)據(jù)信息與執(zhí)行系統(tǒng)聯(lián)系到一起，可以形成功能豐富的微型系統(tǒng)，有利于強(qiáng)化系統(tǒng)智能化水平。工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中涉及到的傳感器類型多種多樣，包括溫度傳感器、應(yīng)變傳感器、微震動(dòng)傳感器等，能夠有效提高工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和效率[3]。

2.3 WSN技術(shù)

WSN技術(shù)又被稱為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是由各種自動(dòng)裝置通過科學(xué)分布、統(tǒng)籌安排構(gòu)成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。在自動(dòng)裝置運(yùn)行過程中，能夠通過不同的傳感器系統(tǒng)，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境、位置等進(jìn)行監(jiān)督、控制，便于技術(shù)人員實(shí)時(shí)掌握溫度、濕度、壓力、污染物等實(shí)際情況。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不僅在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上設(shè)置了傳感器裝置，還安裝了電池、微控制器、收發(fā)器等設(shè)備?？梢钥闯觯瑹o線傳感器網(wǎng)絡(luò)是1種自組織網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)際運(yùn)行中能夠通過各組件相互配合、相互協(xié)調(diào)，快速完成生產(chǎn)任務(wù)，有利于合理分配生產(chǎn)資源，有效降低生產(chǎn)成本。該技術(shù)理論最早由美國軍方提出，后隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，其推廣范圍也逐漸擴(kuò)大，并與無線通信、計(jì)算機(jī)、微電子等先進(jìn)技術(shù)有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能感知等多種功能。尤其在工業(yè)領(lǐng)域呈現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景，能夠?qū)?shù)據(jù)信息進(jìn)行量化采集、快速處理、即時(shí)傳輸，有利于及時(shí)了解工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際情況。其特點(diǎn)可以歸納為以下幾點(diǎn)：①能量有限。工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中，能量能夠直接影響傳感節(jié)點(diǎn)的壽命和運(yùn)行能力，當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中引入的傳感節(jié)點(diǎn)，大多采用電池供電方式，并且這些電池普遍無法重新充電。②計(jì)算能力有限。主要指CPU處理能力有限，通常在8 bit-8 MHz范圍內(nèi)[4]。③存儲(chǔ)能力有限。工業(yè)生產(chǎn)中的傳感節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)器一般有3種形式，分別為RAM存儲(chǔ)器、工作存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器。④通信能力有限。在工業(yè)生產(chǎn)中為了盡可能減少信號(hào)傳輸過程的能量消耗，需要將傳感節(jié)點(diǎn)的傳輸能量控制在10～100 mW，傳輸范圍控制在100 m-1 kmo范圍內(nèi)。⑤防篡改特點(diǎn)傳感節(jié)點(diǎn)是1種開放性網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，具有成本較低、結(jié)構(gòu)松散等特點(diǎn)，如果傳感節(jié)點(diǎn)在應(yīng)用過程中受到攻擊，容易為攻擊者篡改信息和程序創(chuàng)造條件。⑥工業(yè)生產(chǎn)在部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)前，并不能提前預(yù)知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问健?/p>

2.4 近距離通信技術(shù)

近距離通信技術(shù)是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域較為常見的1種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠在較短距離范圍內(nèi)傳遞數(shù)據(jù)信息，其距離一般在幾十米之間，可以充分保證數(shù)據(jù)信息傳遞的準(zhǔn)確性和即時(shí)性。另外，該技術(shù)還能夠?yàn)楦咚俾识嗝襟w應(yīng)用奠定良好基礎(chǔ)，除了能夠傳遞數(shù)據(jù)信息外，還能夠傳送聲像、圖像等。結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀來看，引入該技術(shù)不僅能夠降低不必要的能源消耗，還能夠有效降低生產(chǎn)成本，提高通信效率。

2.5 人工智能技術(shù)

人工智能技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，對(duì)人的行為和思維進(jìn)行智能化模擬。在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中引入該技術(shù)，可以提前設(shè)置計(jì)算機(jī)自動(dòng)執(zhí)行流程，確保計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自行完成生產(chǎn)任務(wù)，不僅能夠提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，還能夠解放勞動(dòng)力[5]。

2.6 云計(jì)算技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用，離不開云計(jì)算技術(shù)的支撐和支持。前文提及，工業(yè)生產(chǎn)中使用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，普遍存在存儲(chǔ)能力有限、計(jì)算能力有限、通信能力有限等特點(diǎn)。對(duì)此，可以引入云計(jì)算技術(shù)，將其作為物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的大腦，從而對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、存儲(chǔ)、分析和計(jì)算，有效提高數(shù)據(jù)信息利用率。

2.7 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的主要作用，是為人與人、人與物、物與物溝通架起橋梁，而想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，離不開無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支撐。通過無線網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)Υ笈繑?shù)據(jù)信息進(jìn)行高效傳輸，從而滿足實(shí)時(shí)共享需求。當(dāng)前，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域涉及到的無線網(wǎng)絡(luò)，既包括遠(yuǎn)距離連接的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，也包括近距離連接的紅外技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)等。

2.8 嵌入式技術(shù)

嵌入式技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中，主要涉及到硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個(gè)層面。其中硬件系統(tǒng)包括儲(chǔ)存器、CPU、處理器等方面[6]。軟件系統(tǒng)包括工業(yè)生產(chǎn)軟件以及解決各類問題的應(yīng)用軟件，通過各類軟件能夠有效監(jiān)督和控制工業(yè)生產(chǎn)過程。只有硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)相互配合、互相支撐，才能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)目標(biāo)。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也得到了一定優(yōu)化和完善，尤其傳感器和可編程控制器被廣泛應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中。加上無線網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步完善、5G技術(shù)的大力推廣，使得數(shù)據(jù)傳輸速度不斷加快，網(wǎng)絡(luò)接入能力日漸加強(qiáng)。在這一背景下，工業(yè)生產(chǎn)需要充分考慮如何將已經(jīng)上傳到互聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行科學(xué)處理、有效利用，從而全面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享目標(biāo)，為用戶查詢提供便利。與此同時(shí)，還要保證整套系統(tǒng)具備成本低廉、適用性廣等優(yōu)勢(shì)，可以在市場(chǎng)中廣泛推廣。這也成為國內(nèi)外專家和學(xué)者大力研究的重要課題。當(dāng)前，工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域最常使用的解決方案，是引入云訪問技術(shù)，也就是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備連接到一起，通過智能傳感器實(shí)時(shí)采集PLC信號(hào)和數(shù)據(jù)信息。而后通過無線網(wǎng)絡(luò)或5G網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)信息或PLC信號(hào)上傳到云服務(wù)器，最后利用云平臺(tái)軟件對(duì)數(shù)據(jù)和信號(hào)進(jìn)行處理、分析、儲(chǔ)存和利用，在此背景下，客戶端能夠在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)快速查詢或訪問所需數(shù)據(jù)信息。

4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的具體應(yīng)用

4.1 應(yīng)用于工業(yè)物流自動(dòng)化領(lǐng)域

隨著我國工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，對(duì)產(chǎn)品運(yùn)輸效率也提出更高要求。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)品運(yùn)輸、儲(chǔ)存等物流過程相融合，已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的大勢(shì)所趨，如此可以有效提高貨物運(yùn)輸速度，促進(jìn)工業(yè)物流向自動(dòng)化趨勢(shì)發(fā)展?，F(xiàn)階段，越來越多的工業(yè)企業(yè)將射頻識(shí)別技術(shù)、構(gòu)架技術(shù)等引入工業(yè)物流體系中，并取得了顯著成績[7]。例如，工業(yè)企業(yè)構(gòu)建的自動(dòng)化物流倉庫，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化尋找地址、自動(dòng)化監(jiān)督控制等功能。在自動(dòng)化尋址過程中，只需在倉庫巷道中的堆垛機(jī)上安裝紅外傳感器，就能夠及時(shí)獲取采集物體的地址信息，將信息傳遞到監(jiān)管系統(tǒng)后，通過科學(xué)處理、有效分析，能夠得出準(zhǔn)確無誤的處理結(jié)果，可以為加快貨物運(yùn)輸速度奠定良好基礎(chǔ)。

4.2 應(yīng)用于工業(yè)節(jié)能減排領(lǐng)域

隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的持續(xù)深入，環(huán)境污染、生態(tài)破壞等問題日益突出。近年來，黨中央及各級(jí)政府不斷加大投入力度，致力于改善生態(tài)環(huán)境，發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)，要求工業(yè)生產(chǎn)也要嚴(yán)格貫徹落實(shí)可持續(xù)發(fā)展理念，積極引入節(jié)能減排技術(shù)，從而在保證生產(chǎn)質(zhì)量和效率的同時(shí)，盡可能減少資源、能源的不必要消耗和浪費(fèi)，這不僅是社會(huì)發(fā)展的必然要求，也是造福子孫后代的有效途徑。而引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以充分滿足這一目標(biāo)，切實(shí)解決工業(yè)生產(chǎn)高污染問題。具體來說，就是在工業(yè)生產(chǎn)中安裝各類傳感裝置，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程存在的污染源，并采取措施解決。如此既能夠提高企業(yè)生產(chǎn)節(jié)能減排能力，還能夠加快工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化發(fā)展速度。

4.3 應(yīng)用于產(chǎn)品信息化領(lǐng)域

隨著人們生活水平逐步提高，社會(huì)群眾對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品性能、產(chǎn)品安全的要求也越來越高。這也使得工業(yè)企業(yè)在自動(dòng)化發(fā)展中給予產(chǎn)品信息更多關(guān)注。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品信息貫穿于生產(chǎn)、加工、制造、銷售等各個(gè)環(huán)節(jié)，其重要性不言而喻，能夠直接決定企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的地位，同時(shí)關(guān)系到是否滿足市場(chǎng)供應(yīng)需求。而引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠?qū)I(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格把控，有利于提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，充分滿足消費(fèi)者需求[8]。

4.4 應(yīng)用于工業(yè)安全生產(chǎn)領(lǐng)域

工業(yè)生產(chǎn)是1項(xiàng)系統(tǒng)化工程，涉及諸多流程，面臨的安全隱患較多。所以安全管理一直都是工業(yè)生產(chǎn)較為關(guān)注的課題。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的定位功能引入實(shí)際生產(chǎn)中，可以充分滿足生產(chǎn)過程的安全管理需求。有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程存在的問題和隱患，并準(zhǔn)確找到故障源，有利于為技術(shù)人員維護(hù)檢修提供參考依據(jù)，從而提高工業(yè)生產(chǎn)安全管理能力，降低故障事故的發(fā)生率，確保各生產(chǎn)環(huán)節(jié)有條不紊地進(jìn)行。

5 結(jié)束語

綜上所述，21世紀(jì)是信息化時(shí)代，在信息化技術(shù)廣泛應(yīng)用的同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也日益完善，并在工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展中發(fā)揮重要作用。為了進(jìn)一步提高工業(yè)生產(chǎn)水平，強(qiáng)化工業(yè)企業(yè)國際競(jìng)爭(zhēng)力，需要相關(guān)專家和學(xué)者加大物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究力度，將其引入工業(yè)發(fā)展各個(gè)領(lǐng)域，為工業(yè)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

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