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：
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Scratch30简介：

Scratch30是Scratch的新一代产品，它通过授权儿童在移动设备上使用技术进行创作，进一步丰富了这一体验。此外，Scratch30特别强调通过与物联网和数字增强型构建工具包的无缝集成，创建包括声音、数据甚至物理世界在内的各种媒体。

2

Scratch30编程界面：

打开30第一眼看上去变化还是挺大的，脚本区和屏幕角色区进行了调换。习惯右边编程的同学们起初还是多多少少有些不适应吧。

Scratch历史版本：

Scratch14诞生于2007年，它是一个供孩子们下载到本地机器的应用程序。2013年Scratch 20问世，孩子们可以直接在网页浏览器中创建和分享他们的互动故事，游戏和动画。

Scratch30版本亮点：

相较以往版本，Scratch30有哪些创新呢？新版本可以在移动端进行编程， *** 作界面也变好看了，新增了积木块，扩充了资源库，声音编辑器让录音和剪辑变得更加便捷，新增硬件接口，支持的分辨率比Scratch20提高了一倍，还有step-by-step的教程库。

END

Scratch30版本新特性

可以在移动端编程：

许多为认为Scratch 30最实用的更新，就是它放弃了即将落伍的Flash技术，采用了HTML5和JavaScript技术来编写，支持所有的现代浏览器和WebGL，能够跨平台使用。除了在笔记本电脑和台式机上创建、重新混合和共享项目外，Scratch 30还可以在平板电脑（包括iPad）和移动设备上（iOS 11+和Android 6+）完成所有这些工作，真的方便了许多。

新增了积木块：

值得注意的是，Scratch 30中没有删除任何积木块。只是有些已经进入“扩展”板块（例如笔和音乐块），新增的积木块包括：

新的音乐积木针对文字（字串）使用运算积木新的画笔积木，支援透明度的调整新的滑行积木，使角色移动更简单（或是移动到随机的点）增加很多扩充积木(extensions)。

*** 作界面更好看:

Scratch30将不同种类的积木块根据颜色归类，同时，当你拖动鼠标滚轮，还可以在不同分类的积木块中切换。这个看似不起眼的更新，却可以让我们更快地找到所需的积木块，对那些初次接触对模块分类位置还不熟悉的孩子们可以说是非常友好了。

扩充了资源库:

Scratch30还增加了新的角色声音和背景，Scratch team正在与插画家和音乐家合作，更新所有的资源库，加入新的插图及声音。其中许多资源已增加到测试版(Beta)中，大家可以进行尝试，更新也将持续进行哦

录音与剪辑变简单:

Scratch 30还重新设计了声音编辑器，录音、剪辑功能及多种声音元素，包括：新的录音系统，录音变成一件简单的事新的声音剪辑系统，剪辑变成一件简单的事新的声音特效（像是快播、慢播、回音和机器）

新增硬件接口:

Scratch30增加了5个几乎全新的扩展。

有功能强大的文字转语音，有翻译，现在可以做一个翻译器或者语音背单词的应用了。给一段文本，系统还可以使用男人、女人朗读出来，非常接近人的语音表达。还直接支持Micro:bit，LEGO EV3, LEGO WeDo 20。

step-by-step教学教程库:

总体来说，Scratch 30的目标是让写程式更容易入门。

新手可以点“教程”按钮进入入门教程。教材在编辑器顶端工具列的“教程”内，每个专案都有专属的step-by-step教学，而且专案将不断的增加。我们可以找到完整游戏的专案教材，或是针对部分积木块设计的专案教程（像是“如何录制声音”等）。

支持中文输入:

在20中不能输入中文的问题终于在30中得以解决。

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其他更多细节变化，还需要大家在使用中体验。

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总结：

新版本的Scratch在使用上对孩子来说更简单、更有趣，也能满足不同使用者的需求。使用HTML5技术重新编写，能够支持在电脑、手机、平板等各种终端设备上使用，更加自由方便。Scratch从1x到20给我们带来了自定义模块（函数）和克隆功能，而30带来的更多是界面上变化和细节上的改进。30在扩展上新增文字朗读和翻译功能，在硬件扩展上增加micro:bit和LEGO EV3，但也取消支持PicoBoard 和 LEGO WeDo 10。期待30在后续的版本升级中给我们带来更多惊喜。

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当前我国大城市少儿编程尤其是Scratch少儿编程已经非常的火热了，在人工智能大行其道的未来，不会编程应用的人可能就是那个社会的文盲。所以今天我们要让孩子从小就接触少儿编程。

在所有的编程技术中，Scratch是一个划时代的技术革命，Scratch让编程和说母语一样简单，因此它是目前最佳的少儿编程入门语言。

一、什么是Scratch少儿编程

Scratch是一款由麻省理工学院（MIT） 设计开发的少儿编程工具。针对 6 岁以上孩子们的认知水平，以及对于界面的喜好，MIT 做了相当深入研究和颇具针对性的设计开发，不仅易于孩子们使用，又能寓教于乐，让孩子们获得创作中的乐趣。

Scratch少儿编程的特点是使用者可以不认识英文单词、不会使用键盘，不用记住大量的编程语句，构成程序的命令和参数通过积木形状的模块来实现，用鼠标拖动模块到程序编辑栏就可以了。

Scratch少儿编程不是游戏，是一款趣味性的编程软件，它以图形化的工具让孩子拖动积木块即可完成编程，程序已经被模块化地包涵在了这些图形当中。

二、 scratch少儿编程有哪些优点

1、Scratch少儿编程工具入门简单，无关原有编程基础，最适合中小学生初次学习编程语言时使用，尤其是没有编程基础或编程基础较少的孩子，用来进行编程启蒙最合适不过了。

2、Scratch少儿编程内容丰富，形式多样，针对有兴趣、喜爱绘画的学生，提供角色绘制设计功能。通过游戏化编程，培养孩子编程兴趣和热情，孩子有兴趣才会在后续的编程进阶之路上更加平坦。

3、Scratch少儿编程锻炼孩子的逻辑思维能力，通过使用Scratch让学生在动画、游戏设计过程中逐渐形成逻辑分析、独立思考、善于创新的思维方式，学会提出问题和解决问题。

4、Scratch少儿编程工具比其他编程软件更加直观，学生能比较容易看到自己的劳动成果，能够获得成就感，从而驱动其不断挑战越来越复杂的逻辑，形成孩子持久热爱的根本动力。

三、 儿童学习Scratch少儿编程能收获什么？

1、Scratch少儿编程能够提升孩子的逻辑思维与创造力，在思考分析问题和完成程序的过程中培养孩子编程思维。虽然scratch简化了编程的难度，但并没有削弱编程思维的训练，它有8类编程部件，包含了常见的编程概念，并有100多个功能，可以制作动画、小游戏、解数学题等等，极大地锻炼了孩子的逻辑思维，并满足孩子的创造力。

2、Scratch少儿编程能够培养孩子耐心与专注力，趣味化编程和严密的编程语言是培养孩子细心和专注的最佳工具。编程的严谨性决定了任何小的失误都将导致程序无法正常运行。因此在编写程序的过程中需要不断地调试、试错，无形之中就可以提高孩子的耐性和专注力。

3、Scratch少儿编程能够锻炼孩子团队协作能力及项目管理能力。孩子组队创作作品的过程中将慢慢学会如何沟通、协作，如何用团队力量解决问题，孩子的团队协作能力将不断得到锻炼。

4、Scratch少儿编程能够培养孩子解决问题的能力。写程序根本上说，就是电脑指令的重新排列组合，这就像小学的时候我们查字典学汉字和成语，之后学习如何利用习得的汉字、成语组成句子，进而撰写文章一样。程式中的基本指令就是汉字，最终要完成一个有头有尾的程序时，则必须融会贯通，学以致用。在这一过程中孩子整合信息、解决问题的能力会越来越强。

四、学习Scratch少儿编程的3点小建议

说了这么多Scratch少儿编程工具的好，但依然要给各位爸爸妈妈一些小建议。

1、适合有一定基础知识的孩子虽然Scratch少儿编程简单易学，但是涉及到了中文、数字、 方位等基础知识。年龄过小的孩子，如果没有这些基础知识的积淀容易受挫。所以建议年龄6岁+。

2、选择合适的机构和老师Scratch少儿编程虽然简单易学，但是低龄孩子自学还是有一些困难的。同时，少儿编程教授的不该是一门技术，而是一种思维方式，过于死板的教学方式是不适宜的。优秀的老师不会只是让孩子模仿，而是利用Scratch激发大家的创造力。小码世界Scratch少儿编程线上零基础班也正在如火如荼开展中，结合卡通因素和趣味性闯关剧情，提升孩子编程兴趣，激发孩子创造力。

3联系生活的学习方法程序逻辑多少有些抽象和乏味，但是当Scratch少儿编程与生活联系，配合生活中常见的自然、物理、化学现象，帮助孩子在趣味活动中更轻松且具象的学习与理解。这是符合孩子的认知规律的。这样孩子不仅能逐步达到初级程序员的基本素质要求，同时又拓展了生活常识。

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