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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哐哐智造（kitweecom）是一款基于物联网技术的云MES生产管理平台。
工业物联网是指将“物联网”的概念与工业相结合，物联网是基于互联网延伸而来，简单来说物联网就是物物相连的互联网。传统机器是死物，数据之间无法互联互通，物联网技术就是打破机器与人之间的隔阂，随时随地管理工厂。
MES是企业生产执行系统，通过物联网的技术将生产设备数字化，再通过云端大数据分析将人-机-企业管理联系起来的系统。
哐哐智造MES系统利用物联网的技术，硬件加软件的方法实现了数据的自动收集与上传，用户可以随时通过手机查看物料消耗、产能以及设备的相关数据，出差也可以通过哐哐云眼监控厂房，加上设备的报警提醒功能，真正实现了生产过程的可视化、实时化和智能化，通过移动监控真正解决用户生产管理难的问题。
文／杨剑勇
物联网（IoT）蕴含的内容及其广阔，也被视作为第四次科技革命，得到了各国政府大力支持，让一切设备互联将影响着各国经济，借助物联网技术实现未来新型社会，以及影响着数十亿的企业和消费者，尤其在全球呈现快速增长态势下，能充分利用物联网的企业将会成为万物互联时代的赢家，然而企业在署物联网最大瓶颈就是人才匮乏。
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物联网战略 人才视为支柱
物联网是近年来最热门关键词之一，然而物联网的实践最早可以追溯到1990年，但有“物联网之父”之称的Kevin Ashton在1999年创造了“物联网”一词，早期的物联网主要依托射频识别（RFID）技术，随着技术和应用不断发展，到如今物联网蕴含的内容及其广阔。简单来说是让万物连接至互联网，更深入一点，就是让毫无生机的物体通过联网后，具有感知能力，设备具有思考决策的能力。
让一切设备互联将重塑我们日常生活方方面面，来自思科报告声称：”到2021年，在全球271亿连接设备中，物联网设备将占据连接主导地位。在思科全球高级副总裁兼运营商事业部总经理YvetteKanouff看来：“全球全数字化转型持续升温影响着数十亿的企业和消费者，网络和安全将成为物联网发展关键。
物联网被视作为第四次科技革命备受关注，世界各国纷纷推出本国家的物联网相关政策，得到了各国政府大力支持，预示着一个新的物联网时代即将崛起，随之而来的是互联网也将消失，而中国有望领跑全球物联网，中国物联网产业规模突破7500亿元。
在日本，制定了物联网综合战略，旨在普及“物联网，囊括人才培养，人才投资视为支柱，以应对所有机器设备通过互联网连接起来后所产生庞大的数据，能够有效运用的人才不可或缺，通过人才投资提高生产率作为解决劳动力不足，借助物联网技术实现未来新型社会。
物联网产业在迅速发展之际，相关产业人才也备受关注，由于物联网相关专业人才的稀缺，人才供给严重不足，尤其物联网复合型人才备受青睐。至此高校也先后开设了物联网专业，为产业注入新兴人才，作为新兴专业，物联网工程、网络安全和大数据等在高校增加明显。在机智云创始人兼CEO黄灼先生看来，物联网是一个有机互联的生态系统，基于大数据的人工智能未来将更广泛应用于物联网，但数据分析、云端安全等技术，全球专业人才也不多。
物联网人才受青睐备，校企结合培养人才
随着物联网时代的到来，以及人工智能等技术崛起，杨剑勇曾提出：“万物透过互联，赋予万物感知、认知，我们处在了万物互联的好时代。”同时，能充分利用物联网的企业将会成为未来赢家，如今，物联网的应用范围越来越广泛，在全球也呈现出快速增长的态势，但根据Gartner报告显示，企业在署物联网最大瓶颈就是人才匮乏。
（一）校企结合
作为最有影响力的物联网开发平台，早在多年前，机智云已经与清华大学、北京大学和北京理工大学等多所高校展开合作，为可研项目提供资源便利，目的是人才培养。
机智云通过联合其他校企等伙伴，结合热点技术、热门岗位、市场需求、学校专业等方面进行整合匹配，提供多层次、多角度的人才评测服务，以及为企业用人选拔专业技术人才提供可靠的依据，推动智能产业行业人才标准与技术研发。
（二）专业培训 认证考试
就在近日，中盛君安和机智云达成合作协议，深度整合各自资源和优势，全面推动物联网应用人才培养工作，加速产学研用落地。中盛君安是工信部电子通信行业职业技能鉴定指导中心和教育部授权教育培训机构。
机智云则是物联网行业领军企业物联网开发及云服务平台，基于多年来为各行业提供物联网云服务所积累的经验，牵头制定了成体系的智能家居创新课程，利用机智云量产级的物联网开发平台和开发工具，结合IoT前沿最新技术、企业实际需求和量产应用案例，再通过集中培训、动手实践的授课方式深入浅出地讲解物联网应用技术，培养学员动手实践能力的整套课程体系和教学方式，填补了目前物联网教育领域的空白。
十年树木，百年树人，教育在人类进步中的作用不言而喻，随着物联网产业不断发展，相关技术人才成为企业最大的需求，在工信部电子通信行业职业职能鉴定指导中心、北京产学研信息技术中心等部门的指导下，中盛君安联合机智云开展“智能设计（智能家居的研发实战实 *** ）专项技能培训与考试”工作，其最大特色结合智能家居市场需求和物联网行业热点技术；并分为理论和实践两部分，注重实 *** 训练；另外，获得证书的高校学生可直接纳入机智云人才库，推荐和对接企业需求。
（三）软硬结合 降低物联网开发门槛
另外，也和国内知名开源电子网（OpenEdv）正点原子建立了紧密合作，基于机智云自助开发平台和正点原子STM32开发平台，为开发者提供一站式物联网开发工具和技术服务，帮助物联网开发者快速实现智能产品开发。对于此次双方在物联网开发领域进行深度整合，在机智云总经理黄锡雄看来：“正点原子为开发者提供专业的开发板，也在为高校提供物联网开发课程，帮助了很多创业团队，和正点原子的合作，能在更广阔的创新生态中帮助到更多开发者。”
（四）培养符合产业需求物联网人才
由于物联网方面的人才在市场非常紧缺，在人才培养方面，机智云与多方合作，包括联合iCAN发布了物联网技术人才孵育平台，通过创新创业大赛、物联网开发实训培训，及工信部职业技能鉴定认证，系统挖掘和培养一批符合国家物联网技术发展需要、符合智能产业人才需求、具有创新实践能力和项目实 *** 能力的新兴技术人才。
机智云长期致力于推动物联网产业有序健康发展，长期携手包括微软、英特尔、Qualcomm、ST、Arduino等众多国际知名科技企业进行技术合作，并通过为开发者举办公开课和训练营等各种事形式，打破传统，以推动物联网持续发展为己任，不仅培养了众多开发者，其平台也降低开发者门槛，截止2016年底，平台聚集了超过5万名活跃智能硬件工程师，催生了上万款产品研发，其平台在线设备总量也超过700万台，促进了物联网产业蓬勃发展。
写到最后
百度李彦宏表示移动互联网时代已经结束，不会再有新独角兽，同时表示物联网已经为时不远；日本软银孙正义声称物联网将会引领下一轮技术爆炸；而在谷歌董事长埃里克·施密特看来，互联网即将消失，物联网无所不能，对科技公司而言是前所未有的机会。
作为拥有物联网属性的平台，不仅可实现各设备的互联互通，机智云也在围绕云平台之上不断增加适用于不同场景需求的应用服务，来服务客户需求的不同场景，作为最有影响力的物联网开发平台，机智云就要把这些复杂的算法模块化、工具化，持续为开发者提供更多有价值的开发工具和模块服务，帮助他们低成本快速进入物联网行业。
本文作者杨剑勇，长期关注物联网、智能家居、可穿戴设备、机器人和人工智能等前沿科技产业。
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