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。

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2016年大家的焦点都放在工业40，智能制造，中国已跻身世界制造大国，供给侧改革，两化融合是目前工业遇到的最大瓶颈。但毫无疑问，在工业化的进程中，必然要经历经济发展、资源利用和环境保护之间的失衡，德国从90年代起的一系列节能政策和节能技术的不断发展，已经形成较为成熟和健康的工业40发展模式。
对以工业为核心生产力的中国来说，能源消耗、污染排放的严重后果近几年已不断凸显，单位产品能耗高于世界先进水平，单位产值造成的污染更是远超发达国家。节能减排作为长期目标，必须要做到可持续改善，从根源上提升制造水平。在过去的2015-2016年，工业物联网正在飞速发展，从小型制造企业到国际制造巨头，都依靠工业物联网逐渐蜕变，这不仅仅是“制造业+互联网”的体现，是人们开始掌控生产制造，不再只关注产出，一步步从关注“数量”过渡到关注“质量”。
中国的能源现状导致煤炭成为工业黑金，在能源消费结构中占比巨大。煤改油、煤改电也非常考验国内的制造工艺，更多的企业开始关注节能技术，通过互联网的手段进行科学管理，优化能源配置，迈开工业节能的第一步。
节能减排边际难度高，企业何去何从
过去的几年里，国内响应节能减排的企业大多是从“减排”下手，一方面不影响自己的生产进度控制成本，一方面可以自由的周旋于政府监督部门之间。节能减排如果不能让企业看到转化成果，只是一味的减产降排，那么最终也只能是一场“闹剧”。随着新方案的发布，工业节能的大风向已走向明朗，会有更多的政策和投资助推节能技术及节能产品的落地。
相较于世界其他国家，国内物联网技术起步较早，发展速度快，目前已经是国际物联网标准研究组的重要一员。物联网技术相比于传统的节能减排技术，具有泛在感知、数据采集精准灵活、可实时监控、预警模型、数据分析等优势。工业物联网的出现为企业变革带来了非常有利的机遇，从传统能源消耗的“减排”中脱身而出，利用虚拟网络技术完成产业整合、制造升级。不仅可以帮助企业实现效益和节能的双重改善，而且是未来市场竞争的有利先机条件。
工业物联网如何助推工业节能
对于信息和数据的运用是企业进步价值的最好体现：
1节能减排工作中对资源的循环利用提出了很高的要求，制造企业可以通过传感设备获取生产环节的所有详细信息，包括排放物的污染指数、去向、处理结果等。平台管理和配置流程合理分配资源投入，通过反馈的数据进行调整，通过与节能技术的结合科学的管理制造生产的全过程。
2精细化管理生产消耗及产出，通过工业物网系统我们可以实时监控所有设备的工作数据，包括电流、电压、功耗、状态。通过数据差异识别主要能耗设备，针对性的进行节能改造，对比改造前后的数据评估节能改造效果。
3高效能源管理：16年智物联帮很多企业实现了合同能源管理，在顺应企业向“互联网+”管理模式转变，工业物联网无疑成为了企业的最佳选择。通过“数字化管理平台”不仅可以综合管理生产中各个环节的协同，提高生产效率;而且准确掌握生产资源数据、市场使用数据、租赁数据等等，使能源管理成为有机的整体，提升企业受益。
4工业物联网与节能减排的有机结合将是未来十年的巨大机会，我们期待在“中国制造2025”目标指引下，通过物联网应用帮助中国工业实现真正的节能提效。
工业物联网任重而道远
就制造业而言，16年我们服务的很多企业问题都聚焦在工厂生产，设备使用效率低，工艺和制造成本之间矛盾巨大。随着工业化和信息化的深度融合，我们可以借助工业物联网平台，收集和分析生产能耗信息、识别问题、合理调度管理和改善生产效能低下环节，实现对生产的科学管理。
在这个过程中，我们还需要不断的探索新的应用，解决工业生产中的实际问题，让企业从节能改造中整体受益。
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什么是工业物联网平台？工业物联网平台就是一种工业物联网软件，它允许组织安全地管理工业物联网生态系统中所有互联的人员、系统和物体。那，工业物联网平台具有哪些特点呢？

一、什么是工业物联网平台
定义工业物联网平台时，要认识到，物联网创建了一种新的集成水平，随着成千上万的工业物联网设备连接到网络上，企业需要管理的端点数量比以往任何时候都要多得多。但是，这不是简简单单的设备问题，工业物联网网络实际上是一个由人、系统和物体组成的数字生态系统。这就需要一个工业物联网平台来安全有效地管理这个生态系统中的每个元素。
最好的工业物联网平台可以将设备与企业应用软件完美整合，使得数据能够在互联的人、系统和物体之间无缝而安全的流动。
工业物联网平台应具备以下功能：
▲设备整合功能
这涵盖了工业物联网上传感器、执行器、标签和信标等所有设备的配置、管理和淘汰。工业物联网平台应该能够自动摄取物联网数据，并使其可用于网络上的其它元素。
▲数据整合功能
工业物联网的价值就在于数据，必须能够对其进行捕获、集成和管理。工业物联网平台将新的物联网主数据与现有的应用软件数据以及来自社交媒体等其他来源的数据关联起来，以探求其相关性。
▲流程整合功能
作为数字生态系统的一部分，工业物联网元素并非孤立于业务运作之外。工业物联网解决方案必须嵌入到企业业务流程和工作流程中。为此，工业物联网平台将物联网业务逻辑整合到其他后端系统中，并将物联网数据部署到工作流程管理中，从而实现物联网解决方案、业务流程和工作流程的整合。
▲生态系统服务
工业物联网平台负责安全地建立、启动和管理数字生态系统中人、设备、数据和设备的可信交互。
二、工业物联网平台有哪些类型
虽然工业物联网平台研发的初衷是为了管理和控制工业物联网设备与数据，但已经发展出了许多不同类型的平台以适应不同的用例。实际上，很难对工业物联网平台进行归类，反而工业物联网平台供应商正在改进其平台产品以满足客户要求和特定业务需求。
工业物联网平台将提供不同的功能组合，包括工业物联网端点管理与连接性，物联网数据的捕获、摄取与处理，数据的可视化与分析，以及将物联网数据整合到业务流程和工作流程中。
在比较不同类型的平台时，都应基于组织的业务需求和特定的IT基础架构，并将之与工业物联网的解决方案相匹配。
三、工业物联网平台具有哪些特点
因此，最佳的工业物联网平台因组织而异，并且单一的平台功能集无法为每个用例提供足够的解决方案。但无论如何，任何工业物联网平台都应具备以下特性：
▲安全
安全是工业物联网平台的核心，既要保护所有的物联网端点免受外部网络攻击，又要应对源自组织内部的潜在恶意活动。
▲连接性
必须快速安全地配置每个工业物联网设备，并管理其生命周期的所有阶段，包括在按需配置、注册、激活、挂起、未挂起、删除和重置设备时对其进行跟踪与授权。
▲集成
集成是工业物联网面临的最大挑战之一。工业物联网平台允许物联网设备无缝而安全地与不同的企业应用软件、云服务、移动APP和传统系统连接并共享信息。
▲识别
工业物联网平台能够为最广泛的物联网设备提供支持。无论在工业物联网架构中的任何地方，都能够自动感知物联网设备的存在，以建立安全连接，并可以快速地建立设备凭证，或在需要时将其自动分配。
▲分析
物联网设备极大地增加了组织内的数据量。工业物联网分析应该是工业物联网平台最强大的功能之一。它能够将工业物联网数据进行适当的可视化和分析，并从中提出切实可行的见解，用于改进数据驱动型决策。
四、工业物联网平台能改变什么
工业物联网平台是物联网项目成功实施的基础。没有有效的平台，任何大规模的工业物联网部署都不能实现其全部价值。最好的工业物联网平台能够给组织带来很多效益，包括：
▲降低成本
管理和维护迥然不同的工业物联网设备和网络，成本高昂、耗时且复杂。工业物联网平台将整个管理流程集中到一起，能够大幅度地降低企业的负担和成本。（来源物联之家网）另外，随着越来越多的组织寻求工业物联网供应商来管理其网络，最好的工业物联网平台使得供应商能够提供按需付费的定价模式。
▲改善运营
工业物联网解决方案能够提供设备性能和人员的实时信息，以帮助简化和改进业务流程和工作流程。通过捕获物联网数据并将其与其他内部、外部来源的数据进行整合，工业物联网平台可促进诸如预测性维护以及基于跟踪的供应链可见性等领域的运营改进。
▲提高生产效率
平台为部署新的工业物联网应用软件（例如DigitalTwins数据孪生）打好了基础。利用这些软件来进行新产品的设计、研发与生产，将有助于推动企业创新和提高生产效率。
▲物联网数据货币化
创新型公司已经开始利用他们从物联网数据获得的洞察力来开发新的产品和服务。在产品的整个生命周期中，售后与服务比原始采购更加有利可图。工业物联网平台能够在产品生产及使用的每个阶段捕获数据并进行分析。这样就可以创建新的数据驱动型服务以及开发全新的数据驱动型产品。
▲提高物联网安全
众所周知，物联网设备缺乏企业级的安全性。工业物联网传感器等设备除了执行特定的通知任务之外，几乎没有什么计算能力，也无法提供多层安全性。工业物联网平台能够提供所有的身份管理功能，例如安全认证与授权，以确保物联网端点不会受到网络攻击。
五、关于正达信通ZedaCloud物联网云平台
ZedaCloud物联网云平台是基于云计算原理开发的物联网应用系统，是ZedaSmart云边端物联网整体解决方案的核心，是一个综合性的物联网解决方案。ZedaCloud物联网云平台基于微服务架构设计，满足分层分布式计算架构，支持私有化和公有云两种部署方式，既可单机系统部署，也可集群部署，灵活应变，满足不同的应用需求。平台可适配于各种物联网应用系统，支持包括mqtt、modbus、NB-IoT、LoRa等在内的多种通信协议，实时监测接入设备和传感器的数据及运行状态。并且，还能与市面上绝大多数物联网硬件无缝对接，完成物联设备的数据接入、控制、存储、分析、展示等，实现对硬件设备的远程管理，做到精确感知、精准 *** 作、精细管理、智能分析，可应用于工业领域的设备管理、能源管理、安全环保，应用于结构体安全监测、地质灾害监测，应用于建筑领域的机房动环监控、楼宇综合监控等应用场景。

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