有没有物联网和云计算两者融合的具体案例

聚羧酸减水剂生产控制系统的工业物联网框架设计与实现

严海蓉1，王子明2
（1北京慧物科联科技有限公司，北京 100124，2北京工业大学，北京 100124）

摘要：工业物联网既提供了在生产过程中获取并控制聚羧酸减水剂生产设备的信息的方式，也提供了基本的网络架构，方便系统集成和扩展。该框架在分析了聚羧酸减水剂生产流程的基础上被划分为设备控制层、通讯层和应用服务层。根据实际应用需求，描述了工业物联网架构可以方便接入设备，贴近工艺完成软件，并让机器具有智能。企业应用案例表明该系统能够有效地实现生产状态跟踪监测和生产设备自动控制的目标，对进一步研究工业物联网技术和解决方案具有一定的参考价值。
关键词：工业物联网；自动化控制系统；聚羧酸减水剂生产设备
中图分类号：TP273 文献标识码：A

Theindustrial IOT design of automatic control system for polycarboxylate superplasticizer
YAN Hairong1, Wang Ziming2
（1．Beijing Sophtek Corp，2 Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

0引言
原来的聚羧酸减水剂生产自动化控制不能充分满足生产工艺要求，存在的主要问题是：
1） 新设备接入非常困难；
2） 同类不同厂家设备不方便更换；
3） 匀速滴加过程中不能达到理想的控制速度，传统PID算法波动较大，常需要人工手动干预；
4） 温度控制需要人工参与控制，无法完成全自动；
电话 扣扣53O934955
工业物联网是工业40的支撑框架。物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。它的发展离不开应用，面向工业自动化的工业互联网技术是物联网的关键组成部分[1]。工业物联网通过将具有感知能力的智能终端、无处不在的移动计算模式、泛在的移动网络通信方式应用到工业生产的各个环节，提高制造效率，把握产品质量，降低成本，减少污染，从而将传统工业提升到智能工业的新阶段[2]。
工业物联网框架中，整个系统具有强大的数据服务器，能够进行大数据的计算。在数据量足够的时候能够利用网络智能来帮助企业进行决策、配方优化和自动的设备维护等。
整个控制系统具有分布式智能能力。整个系统中，可以把数据都送到中控部分来完成；也可以将一些需要及时处理的，如温度控制等，直接由现场控制来完成。系统通常分为中央控制单元和分布的现场控制单元，中央控制单元由工业控制计算机充当，现场控制单元则由高可靠、抗干扰的工业级微控制器和与当前控制需求相配套的附加电路模块组成。依托微控制器的实时处理能力可以完成对现场生产进行实时调节控制，并且通过总线实现现场控制单元与中央控制单元进行数据交互，使生产过程表现出整体性、协调性，从而优化生产工艺、提高生成效率。
系统通过总线把各个独立的控制模块组织成在一起。控制模块的独立性，使得系统中各个分布的控制模块检修、升级、数量扩充都很方便，也为在生产规模扩大时控制系统扩充预留了接口。
因此工业物联网框架才能彻底解决传统控制的一些问题，真正贴合聚羧酸减水剂生产工艺。
1 系统概要设计
根据聚羧酸减水剂的生产过程，可以将聚羧酸减水剂自动化控制系统分为设备控制层、通讯层和应用服务层，系统框架如图1所示。
图1 系统框架图
图1中，应用服务层主要实现对生产过程中实时数据和生产状态的跟踪监测和管理，同时提供各种应用UI接口，用户可以通过使用计算机、手机等手持设备登录客户端来访问或获取所需要的数据或信息等，从而实现物联网的厂内处处可访问。一旦将企业网络与公共网络连接，用户登录后就可以实现生产数据随处可访问。
应用服务层中还包括有控制逻辑层，控制逻辑层通过与 *** 作人员进行交互，并且汇集、分析、存储和处理生产过程中的实时数据和生产状态，实现生产过程的逻辑控制。
通讯层主要实现设备控制层、控制逻辑层和应用服务层之间的可靠传输。
设备控制层主要实现原始数据的采集与分析、数据和状态的上传、控制指令的接收等。嵌入式控制器内的智能逻辑将和聚羧酸减水剂生产各工序要求的生产工艺（加料、滴加、温度调节、pH调节）等紧密贴合，并与控制逻辑层相互通讯完成所要求的工艺精密控制。
整个系统采用划分层次的设计思路使得系统具有很好的可移植性，各种传感器可以灵活的接入系统。这样新系统的总体实现或者旧系统的扩展可以采用“搭积木”的方式完成构建。

2 系统详细设计
根据以上设计的系统工业物联网框架和体系结构，本研究将以北京某公司的具体项目为例，详细介绍该系统的设计和应用过程。
21设备接入示例
基于工业物联网架构的设计，可以很容易的接入各种设备。比如如图2所示的聚羧酸减水剂自动化控制系统接入了一个服务器、一个 *** 作员站、若干显示器、2个控制站，若干现场设备和用户手机。
图2基于工业物联网架构的设备接入实例
服务器负责存储生产数据，包括生产 *** 作日志和生产过程数据，便于生成台帐和报表。也可以与各种财务、资产管理软件连接。同时，负责承载起局域网与大网络的连接工作。
*** 作员站上运行的软件，方便 *** 作员在中控室来 *** 作现场各种阀门、电机等开停，从而按照工艺过程完成生产。
控制站自动获得 *** 作员 *** 作命令来控制现场设备，比如阀门等，同时也自动从现场设备获取各种状态，比如称重数据等传给控制室控制机器。
现场设备是包括传感器和各类执行器，比如秤、阀门等自动工作。
图中的手机设备是为了表示出工业物联网框架可以任意接入设备的特性。比如，在该框架下，巡视人员可以通过手机进行接入，完整现场紧急控制一些阀门的开或者是关。经理等就可以通过手机来查看每天生产数据。
同时，对于不同厂家的同类设备，该工业物联网框架也有较好的兼容能力。
22贴合工艺的软件设计
软件包括生产线管理软件和工业现场控制软件。生产线管理软件工作于生产管理计算机，主要实现工艺管理、配方管理；通过网络，根据权限，可调出 *** 作人员的现场 *** 作记录，完成对现场的远程管理。工业现场控制软件工作于车间级服务器中，主要通过与工艺以及现场布置相同的画面显示，使得 *** 作人员便于 *** 作，以实现现场设备仪表信号的采集、处理，配方管理和现场数据实时界面显示和控制等功能。
图3 聚羧酸合成控制生产工艺示意图

根据实际生产过程和自动化控制系统的特点，当前聚羧酸生产过程分大单体预化过程、 A、B料预混过程、A、B料计量罐加料过程、碱计量罐加料过程、A、B料滴加过程、反应釜搅拌控制过程、反应釜温度控制过程，针对不同的过程，分别实现其控制目标，从而达到完整生产过程的控制。
下面以工艺中的A、B料计量罐滴加控制为例来说明软件设计功能。
首先控制系统为用户提供友好的A、B滴加控制对话框，方便用户可视化 *** 作。用户可以选择采用以前输入的备用方案进行控制，也可以选择自己新输入方案进行空控制。总之都能够根据配方在规定的时间内，将指定质量的物料匀速加入到对应的反应釜中。
图4 启动已存备用方案滴加
图5 启动自定义方案采用三阶段定量滴加示例

其次控制系统采用分段式匀速滴加模式（图5），启动滴加时，控制系统计算出三个阶段分别的预期流速。控制系统实时读取当前计量罐的质量，并根据当前时间，计算出实时流速。控制系统根据实时流速和预期流速的差值，控制调节阀的开启度，从而控制滴加速度。
图6 滴加控制效果示意图（多阶段不同流速）

最后，显示出实时滴加工作界面（图6），工作工作误差一般不大于1%。
23机器学习的智能能力
原来控制系统由于没有采用物联网框架，数据存储量不充分，从而无法让机器自主学习。各种设备常常需要人来手工调整，设定最高最低值；控制过程需要人工进行干预，来辅助机器完成自动控制。
而现有的工业物联网架构，拥有了专门的数据服务器，从而可以存储较大量的数据。而对于这些数据进行分析而产生的机器智能不可小觑。
比如，以前温度控制时，只能根据人工经验设定一个固定的值。反应釜的材质、容量、夹套、搅拌电机、搅拌桨叶等设备本身因素会影响调温结果。
而往往由于冬夏的自来水、室内温度、物料温度、反应剧烈程度等也会影响调温结果。因此在控制系统安装后要进行长时间的人工参与测试来努力找到一个合适的最大最小值。而测试时间毕竟短，这个值一旦这个值固定后，后续生产时就无法轻易改变，为此生产 *** 作员常需要来观测这个温度控制过程并且来参与控制，否则很难达到理想的控制效果。
再比如对于滴加控制的PID算法，往往由设计者人为给定一个PID参数，也无法完全适应实际设备磨损等情况。
而基于工业物联网架构的控制时，可以在服务器端运行一个智能控件，由它来自动学习历史调温或者滴加流速的变化情况，不断训练软件，让软件重新找到合适的上下调节阈值，这样才可以真正达到完全自动化。整个系统拥有了自己不断学习的机器智能。

3 系统测试结果
基于工业物联网的聚羧酸减水剂自动化控制系统在设计和开发完成后，在北京某工厂的实际生产线上投入使用。目前，该系统运行安全、稳定，大部分功能已经实现，达到了预期的效果。
在系统正式投入使用后，对系统的工业现场控制软件、生产线管理软件和嵌入式控制器进行了长时间的测试。针对实现过程中遇到的问题做了大量的调试工作。下面以实现滴加A料为例对系统的测试进行描述。
*** 作人员在控制室通过点击用户 *** 作界面的A料滴加阀门按钮进行滴加参数的配置，如图7所示。 *** 作人员需要输入的参数为滴加质量和滴加时间，同时系统也支持分阶段滴加。在点击开始滴加按钮后，服务器会向嵌入式控制器发送滴加A料指令。
图7 滴加A料配置界面
嵌入式控制器在接收到服务器下发的滴加A料指令后，会进行自动化控制，实现A料的滴加 *** 作，具体效果如图8所示。
图8 5个反应釜同时进行A料滴加曲线示意图
图8中5条不同颜色的线分别表示5个不同计量罐的A料滴加曲线，系统支持多个计量罐同时进行滴加 *** 作。左侧上升的直线表示向计量罐加入A料的过程，系统支持多个计量罐同时加料，质量控制精确，定量加料的误差在01%以内。右侧下降的曲线表示滴加A料过程，曲线的斜率即为速度。由图可知，系统基本上能够实现匀速滴加A料过程，同时，系统也支持连续4小时的滴加 *** 作，时间误差在1分钟左右。
基于工业物联网的聚羧酸减水剂自动化控制系统投入运行后，提高了聚羧酸减水剂的产品质量，提高了工艺生产的自动化程度，大大减轻了 *** 作人员的劳动强度，提高了企业的竞争力。
4 结束语
本研究基于工业物联网架构设计的聚羧酸减水剂自动化控制系统对聚羧酸减水剂生产过程可以进行高效的跟踪管理，在实际应用中具有重要作用。它使聚羧酸减水剂生产设备具备了一定的数据感知、处理和通信能力，从而为企业制定更好的工艺流程提空帮助。同时，它也促使聚羧酸减水剂生产管理过程更加科学和精细化。该系统的成功开发设计为工业物联网在化工行业的推广打下了基础，做出了积极地探索。

参考文献：
[1]LIANG Wei，ZENGPeng Internet of Things Technology and Application Oriented IndustrialAutomation[J] Instrument Standardization & Metrology，2010：21-24[梁炜，曾鹏面向工业自动化的物联网技术与应用[J]仪器仪表标准化与计量，2010：21-24]
[2] KANGShilong，DU Zhongyi，LEIYongmei，ZHANG Jing Overview of industrial Internet of Things[J]Internet of Things Technologies，2013：80-82,85[康世龙，杜中一，雷咏梅，张璟工业物联网研究概述[J]物联网技术，2013：80-82,85]
[3] BIDongzhen The Design and Realization of Industrial Sewing Machines System Basedon the IoT[D]Shandong: Qingdao University，2012[毕东贞基于物联网的工业缝纫机系统的设计与实现[D]山东：青岛大学，2012]
[4]ZHANG Ximin，WANGGuoqing，DINGXuenian Development of an Internet home automation system[J] Chinese Journalof Scientific Instrument，2009，30（11）：2423-2427[张喜民，王国庆，丁学年基于因特网的远程家居自动控制系统研制[J]仪器仪表学报，2009，30（11）：2423-2427]
[5]WU Jiaqiang Tracking and quality monitoring system based on IOT industrial forsteel pipe[J] Journal of Mechanical ＆ElectricalEngineering，2013，30（11）：1335-1339[伍家强基于工业物联网的钢管跟踪及质量监测系统[J]机电工程，2013，30（11）：1335-1339]
[6]LI Nan，LIUMin，YANJunwei Frame work for industrial internet of things oriented to steel continuouscasting plant MRO[J] Computer Integrated Manufacturing Systems，2011，17（2）：413-418[李楠，刘敏，严隽薇面向钢铁连铸设备维护维修的工业物联网框架[J]计算机集成制造系统，2011，17（2）：413-418]

物联网平台是什么？

物联网平台并没有一个标准的定义，就如物联网并不是一项新技术，而是已有技术在新情景和新用例中的应用。每一个行业巨头都可以根据自己的业务特点，整合业务和产品线，抽离共性技术、业务流程等重组出一个“业务平台”，并称之为物联网平台。例如，系统服务/软件厂商通过开放开发工具、API来搭建一个AEP平台；工业巨头将某一细分领域的Kown-how数字化并封装成一套解决方案，便能够提供一个工业互联网平台。

当然，一个平台的构建并没有说的那么简单，它是一个系统的工程，需要上下游的资源整合优化，以及根据业务需求和顶层规划进行有逻辑的重组，而不是简简单单的叠加。

基于平台供应商数量众多的现实，大多数的供应商只能提供平台能力的一部分。实际上，这类公司并不能称为物联网平台提供商。如果仅仅提供连接管理或者应用使能这类简单功能，那么只能被称为连接管理平台或者应用使能平台，而不能称为综合性物联网平台。

物联网平台可以干什么：

物联网平台基于IaaS（基础设施即服务）、PaaS（平台即服务）、SaaS（软件即服务）三种云计算服务模型，逐步完善了其功能体系，即ICP（基础设施云服务平台）、CMP（连接管理）、DMP（设备管理平台）、AEP（应用使能平台）、BAP（业务分析平台）等。

物联网平台公司举例：

互联网领域 :

阿里云|Link物联网平合、腾讯|QQ物联、百度云|天工智能物联网平台

京东|京东微联、小米|小米IOT开发者平台

通信领域 ：

中国移动| OneNeT、中国联通| 物联网平台20、中国电信|ctwing

华为|Ocean Connect、中兴通讯 |Thing Cloud兴云、中国通信服务|CCS开放物联网平台

小米造车有新进展：整车焊装开始招标

小米造车有新进展：整车焊装开始招标，近日，招标代理公司受委托，发布了小米汽车科技有限公司整车焊装线体项目供应商招募公告，小米造车有新进展：整车焊装开始招标。

小米造车有新进展：整车焊装开始招标1

自小米于2021年3月底宣布造车计划之后，一举一动就备受外界关注。近日，有招标代理公司受委托发布了小米汽车科技有限公司整车焊装线体项目供应商的招募公告，招募公告邀请全国供应商参加投标。

根据招募公告显示的额内容来看，本次项目的招标范围为：整车焊装线体范围，招标项目分为1个标段，即小米汽车科技有限公司的整车焊装线体项目。

根据先前的新闻报道称，小米汽车工厂正式落户北京经济技术开发区亦庄新城，其地块面积为718046平方米，约有100个足球场大小。目前，该地块正在进行平地整理工程，进度接近一半。

小米在此前对外公布的信息显示，造车业务首期投资为100亿元，未来十年投资将达到100亿美元，小米汽车预计会在2024年上半年实现量产。

时至今日，小米产品给人的第一印象，依旧是性价比出色。

小米造车热度如此之高，除了因为跨界之外，还因为大家希望小米造出老百姓都买得起的精品车。

所以大部分人希望小米第一台车卖999万元、1499万元、1999万元，而不是3999万元、4999万元。

换个角度来看，与其说小米自己要造车，倒不如说大家希望小米造车，造大家都买得起的车。

此前，雷军发起的一次关于“你希望小米汽车第一辆车大约是什么价钱”的投票中，“10万以内”的得票数最高。

小米造车有新进展：整车焊装开始招标2

2021年3月份，雷军正式宣布小米进军智能电动汽车业务，号称是他人生中最后一次重大创业项目，愿意压上自己所有声誉，为小米汽车而战。

而小米汽车的进度也十分迅速，火速落户在北京亦庄，并紧锣密鼓的开始建设工厂。

而据中国经营网最新报道，近日招标代理公司受委托，发布了小米汽车科技有限公司整车焊装线体项目供应商招募公告，邀请全国供应商参加投标。

据悉，北京市规划和自然资源委员会于3月17日发布北京经济技术开发区亦庄新城YZ00-0606-0101地块的招拍挂公告。

公告显示，该地将以六通一平”形式供地，用于建设智能制造产业基地项目，土地面积7180461平方米，租赁和出让总年限50年，交易挂牌起始价为人民币610339185万元。

也就是说，小米工厂的地块面积大约有100个足球场的大小。

据了解，小米汽车项目预计投资630亿元，将分两期建设年产量30万辆的整车工厂，其中一期和二期产能分别为15万辆。按照计划，小米工厂一期计划于2022年4月开工，2023年6月竣工；小米二期项目计划于2024年3月开工，2025年3月竣工。

小米在财报中表示，预计车辆将在2024年上半年正式量产。

值得一提的是，此前网上曝出一份小米汽车供应商招募公告。文件显示，该项目为小米汽车科技有限公司整车焊装线体项目，项目所在地为上海。根据这份招募公告，有分析认为，除了已经开工建设的北京工厂之外，小米将会在上海新建第二座工厂。

但有小米汽车内部人士称，小米汽车目前没有在上海建立工厂的计划，网络上流传的截图信息理解有错误。该人士表示，小米在上海新建工厂是“乌龙”事件，小米汽车只是委托了一家上海的招标公司进行相关项目的招标。

小米造车有新进展：整车焊装开始招标3

近日，招标代理公司受委托，发布了小米汽车科技有限公司整车焊装线体项目供应商招募公告，邀请全国供应商参加投标。

据介绍，该项目概况和招标范围为：整车焊装线体范围。本招标项目划分为1个标段，本次招标即为其中的小米汽车科技有限公司整车焊装线体项目。

汽车工厂已开始建设

据媒体报道，小米汽车北京工厂所在地块已经开工建设，该地块正在进行平地整理工程，约已完成了十之四五。

据悉，北京市规划和自然资源委员会于3月17日发布北京经济技术开发区亦庄新城YZ00-0606-0101地块的招拍挂公告。公告显示，该地将以“六通一平”形式供地，用于建设智能制造产业基地项目，土地面积7180461平方米，租赁和出让总年限50年，交易挂牌起始价为人民币610339185万元。

这块地约有100个足球场大小，目前正进行平地整理工程，进度已接近一半。

除了工厂开工，近期小米汽车还曝光了首项专利。据了解，小米汽车所发布的这项专利叫作多相电机的控制方法、装置及可读存储介质。

该专利的简介显示，在多相电机发生缺相故障的情况下，获取转子的当前位置，确定其所属的目标区域，按照目标区域对应的控制策略对多相电机进行控制，就可以在不额外增加器件和改变硬件结构的基础上，实现对电机的容错进行控制，进而提升电驱动系统的可靠性。

产业互联网资深分析师、中欧国际工商学院案例中心研究员钱文颖接受《中国经营报》记者采访时表示，从小米现有优势来看，首先是品牌忠诚度和粉丝基础，以及智能网联设备的网络外部性。简单来说，就是一群小米粉丝，因为手机，智能家居都用的是小米，会因为选择的一致性，继续购买小米汽车，将大幅降低一个初创车企早期的单车营销成本。

“沿着上面的智能家居思路来讲，小米已经有了基于物联网和互联网的用户基础和产品服务生态，小米汽车在智能软硬件服务体系上应该会比较容易搭建，也比较容易与已有生态形成链接和影响。

另外，小米具有产业链生态圈整合管理能力。虽然智能硬件和汽车行业不同，但都需要非常强大的供应链整合和管理能力，这方面小米有着很强的能力和经验，可以迁移到汽车制造业，也就是说相比‘蔚小理’当时从零开始探索，小米的学习曲线可能更陡峭。”钱文颖说。

有公开数据显示，目前“新造车”领域的企业已超过100家。而早在2021年8月，国内新能源汽车产量渗透率已达2062%，如何在群雄并起的电动车市场中切一块蛋糕，是值得思考的问题。

谈及小米汽车的劣势，钱文颖说：“一是入局时间比较晚，等小米量产车开始交付时，可能行业第一梯队市场格局已经要稳定下来，再想破局较难。二是小米的粉丝画像注重极致性价比，小米的品牌定位也被‘刻板’在性价比之上，这对小米进入中高端市场造成了阻碍。”

投资汽车产业链

“作为一个具有强生态链体系的公司，小米系在大家心目中的形象早已形成，多家上市企业组成了小米生态链，能够支撑小米长期的直接发展。所以和蔚来、小鹏、理想这些汽车公司相比，小米汽车有一个强大的生态链和供应链来进行支撑，但劣势是小米之前没有造过汽车，必然会有很多需要摸着石头过河和探索的东西。”盘古智库高级研究员江瀚告诉本报记者。

此外，在汽车产业链上，小米还收购/投资了一大批相关的汽车企业。

去年9月，小米宣布以7737万美元（约合人民币5亿元）收购自动驾驶技术公司DeepMotion（深动科技）。自宣布造车以来，小米系资本在汽车产业链上投资超40家企业，新能源汽车赛道的各个环节都有布局，把小米汽车薄弱的车载芯片和动力电池等领域都补齐了。

此前，小米创始人雷军在接受媒体记者采访时表示，做汽车业务并不是为“出风头”，现时电动车已从机械产业转变为信息产业，加上有同行已经在做，小米不做就会被淘汰。小米从智能手机到智能家居及智能办公，属全智能生态，若跟电动汽车好好整合的话，将有极强的扩张性。

雷军还曾表态，小米造车最大的底气是“亏得起”，对造车业务的首期投资为100亿元人民币，预计未来10年的投资额为100亿美元。小米汽车预计在2024年上半年实现量产。

根据小米2021年财报，小米集团总收入3283亿元人民币，同比增长335%，净利润为220亿元，同比增长695%。小米集团本身较快的营利增长成为小米造车的一个重要根基。

不过小米造车依然面临不少现实难题。据悉，小米当前面临没有造车资质的问题。公开信息显示，生产并销售新能源车，需要两个资质：一是发改委的许可资质，并且在发改委认可的基础上，企业需要在2年内建设工厂，3年内开始销售车辆；二是工信部的认可资质，满足《新能源汽车生产企业及产品准入管理规定》。

关于小米汽车的定价，也是个难题。此前雷军曾多次描述小米汽车可能的样子：一是售价区间10万~30万元；二是可能是SUV或轿车；三是一款高端的汽车。

虽然雷军很希望小米汽车能打造成高端车型，但现实骨感，大家期待的小米汽车的价格并不高。雷军本人前段时间在微博上搞过投票，票选米粉希望的小米汽车价格，结果是，10万元以内是最多人选的，其次是10万到15万元。

“我还是比较看好小米汽车的。首先，从小米在智能硬件生态圈的布局和发展来看，小米已经有丰富的‘跨界’能力，其能将自己对用户需求的理解、产品设计的理念、投资并购的经历，以及供应链管理的经验迁移到不同的领域。

新能源汽车产业供应链相对来说比较开放，小米打造出一款受欢迎的产品，我认为对他们来说是不难的。其次，小米拥有较大的粉丝基础，这个基础会让小米相比‘蔚小理’更容易且更低成本度过生存期。”钱文颖说。

江瀚则认为，当前小米的几大业务板块整体还是不错的，虽然各有各的特点，但是整体而言依然处于一个良性发展的状态。“我个人还是比较看好小米汽车的未来，觉得小米汽车，只要能够把资源有效地整合起来，就会有不错的市场表现。”

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