物联网应用实例与经济?

物联网的应用实例与效益 摘要 十年前,麻省理工学院在同 EANUCC 组织(全球统一标识系统)共同进行一 个研究项目时,创造了"物联网"一词该项目和全球产品电子代码管理中心的 成立促生了以 RFID 为基础的解决方案, 使供应链发生了革命性的变化 据预测, 到 2005 年,RFID 标识的物体和物联网将会无处不在 物联网的开发是围绕 RFID 的应用进行的,然而依托的技术不仅仅是 RFID物 联网的合理结构是金字塔型的,是根据需要,合理性,局限性和商业应用案例和 效益在身份标识,数据存储和能力上结构分层的,其合理性取决于经济效益,其 特点和行为设计的合理性也取决于实际效益 目录 1 介绍 十年前,麻省理工学院(MIT)与物品编码组织 EANUCC 共同开展了一个研究项 目,创造了物联网一词该项目和全球产品电子代码管理中心的成立促生了以 RFID 为基础的解决方案, 使供应链发生了革命性的变化 采用这种技术和手段, 将使供应链成本降低 10%,还能使我们同家庭中的日常生活物品相互交流在我 们去超市的时候,家里的冰箱会告诉我们缺少些什么,食品自己会告诉我们它们 什么时候过期,商品会自行防盗,我们则不必在超市的收款台前排队这些有说 服力的例子那时让我们预测, 2005 年, 到 RFID 标识的物体和物联网会无处不在 但现在已经 2009 年已经过去了,但我们还在等待会发生些什么为什么我们还 在等待呢物联网的实际效益在哪里呢 从社会经济方面看,保健,环境,合法监听,隐私,安全,技术的获取和包容 以及政府的作用,都将影响到物联网的应用,但未来物联网推广的最重要因素是 商业案例没有商业案例就没有商业 关于物联网的争论,一般是围绕着什么时候技术才会无处不在和遍布各处的问 题进行的,没有考虑如果实现了技术无所不在,那么范围有多大,哪些技术是核 心的问题本文用商业案例推理方法进行讨论,并向一些物联网方面的基本假设 提出了挑战,本文的结论是,物联网的架构实际上与现在的一些假设是不同的, 它更具结构性,更实用,具有金字塔式的通信能力和选择能力,它不是一堆放在 一起通过 RFID 器件互相谈话的物体 2 物联网的概念 MIT1999 年的论文在其网站上已经保留好多年了 所说的"物联网"是"自 MIT 动身份识别中心的愿景", 这个愿景就是创造一个计算机无需人的帮助就能去识 别的全球环境 麦克法兰在上述论文中解释了基于控制的 MIT 自动身份识别的概 念他说: 智能产品是一种物理的,以信息为基础的零售商品,它们 (1)具有独特的身份; (2)能够有效地同周边环境交流; (3)能够保留和存储自己的数据; (4)具有能描述产品特点,生产,使用和处置需求的语言; (5)能持续地参与或决定与产品命运相关的行为 重要的是要注意到,MIT 的研究是针对供应链的,它说的"每个东西都贴上标 签"并不意味着"所有的东西"都贴上标签麦克法兰说的很清楚,它们是以信 息为基础的零售商品花园里的鼹鼠,树上的知更鸟和亚马逊雨林中的树木并不 在这"每样东西"的范畴之内他们所做的切合实际的排除表明,物联网的初始 概念是很清楚的, 是人为限定的, 是有范围的 它只适应于供应链上传送的东西 全球产品电子编码管理中心和 RFID 产业已经认识到, 这种限制会使我们错失良 机,降低物联网的应用范围和影响这与"计算机无需人的帮助就能理解世界" 的概念显然是不相符合的,因为我们不能假定每样东西都是零售商品,这种假定 是不可能的,而且永远不可能现在是根据可能做到的事情重新评价和建立这个 概念的时候了 要建立全面的或局部的物联网,需要有投资,在很多情况下,这种投资的规模 很大只有有了适宜的商业范例,才会有投资而商业范例正是目前所缺少的 3 商业范例假设 物联网不仅是一个学术概念,而且有市场需求,了解这一点是至关重要的 这就是说,物联网是一种真正的颠覆性创新,它能对社会产生巨大影响但物 联网要获得成功, 必须要有实实在在的应用案例, 不能光宣传它如何如何了不起, 或觉得它会带来多大的股票价值 物联网的推广目前还受限于技术,现在可用的技术是 RFID 过去在供应链和其他一些商务模型如资产管理中主要采用一维条形码, 这是 一种综合标识符,不能区分具体的物品两维条形码含有更多的数据,但一旦印 刷上去, 就不能更新 RFID 发射器, 近场通信移动电话, 采用脉冲无线电 (UWB) 通信技术的定位系统, 蓝牙或紫峰无线传感器和其他一些无处不在的计算技术能 持续地从周边环境中采集数据并进行处理, 这些技术可以带来优势的商业应用案 例 虽然物联网的开发是围绕 RFID 的应用进行的, 但构成物联网的是连续和密集的 实时数据流,并不是 RFID 器件本身,物联网是物理世界的反映,同物理世界一 样,物联网用户市场中商务案例的成功是商务推广的先决条件 1999 年开始建立物联网时,MIT 预测,到 2005 年会出现物联网 RFID 标签的无 处不在的应用,到 2006 年,标签的价格会降低到 5 美分学术界的预测总是太 过乐观,从经济学的角度看,这个预测其实是靠不住的 当然,MIT 可以很有道理地指出,今天的标签,比他们当时设想的标签要复杂 多了,但标签设计中任何增加的功能都是用户需要的,没有这样的进步,就没有 投资的效益但价格毕竟决定着设计的合理性,限制着标签的普及应用 如果没人以 MIT 预测的价格大量购买这些标签,就不会有用户应用案例 MIT 所描述的物联网是在超市中无处不在地使用标签,MIT 预计,所有的零售商 品都会贴上标签, 所有的家庭用品和办公用品都会贴上标签, 它们能够相互通信, 至少在询问时能够应答 2003 年,威廉姆斯在《产品标识的未来》一文中指出,当商店中的商品以低于 05 美元的价格促销时,标签的成本无论是 028 美元还是 5 美分,都将是极大 的成本负担,一般会使商品利润低于 10%,在这个价格水平上使用 RFID 标签就 不划算了现在不行,永远都不行把 MIT 所预测的标签价格下降(为达到市场 普及)同预测的标签使用量相比较,可以看出,在很多年内,标签的整体商业价 值很难增长标签厂商投入很大的资金,承担很大的风险,卖出几十亿的标签, 却只能赚到很少的钱标签厂商以现在的价格每年只卖出几百万个标签这种商 业模式是行不通的,而且永远行不通,因为标签制造厂商在目前商业模式的生命 周期内是不会把标签的价格降低到微不足道的水平的 业界预测,聚合物 RFID 标签有可能在 10 年内改变这种状况但是今天你不可 能根据 10 年之后可能发生的事举出商业应用的例子这些实际因素对物联网的 建立和效益的发挥有巨大的影响也就是说,在每件物体上贴上标签,也许只是 一种空想,永远不可能成为现实(我曾经说过,皇帝是没有新衣的) 那么物联网的概念是不是就错了,是不是就一无可取了呢我希望不是尽管人 们提出的物联网的概念和架构有某些缺陷,但它还是有很大的潜在效益的 4 物联网依托的技术不仅仅是 RFID 在可预见的未来建立可行的物联网架构是至关重要的那种认为给遍布各处的 每个物体都贴上 RFID 标签就能形成物联网的观点是经不起实践检验的,是不会 有商业应用实例的在目前阶段,我们必须质疑关于物联网的一些基本假设麦 克法兰提出的物联网概念,至少有两点是站不住脚的,是经不起实践检验的 首先,麦克法兰声称的物联网的目标是"建立一个计算机无需人的帮助就能识 别世界的普遍环境",但他没有从商业应用的角度进行考虑,也就是说,人们为 什么需要这样一种环境我们的问题是,它的应用合理性在哪里难道就因为它 在技术上可行就不去考虑合理和需求吗 如前所述,不是器件,而是连续的,高密度的实时数据流形成了可行的商业应 用案例,赋予了信息系统相关的,实时的,具体的数据,建立了物联网我们必 须清楚地认识到,物联网的商业范例不是 RFID 器件的商业范例,而是合理获取 信息的商业范例,RFID 系统只是一种提供信息的手段,是一种最适宜的,成本 效益最高的技术 第二,对于早先的智能产品概念,麦克法兰虽然提出了 5 个特点,但缺少商业 案例的支持麦克法兰说的 5 个特点是,独特的身份标识,与周边环境交流,存 储数据,使用标准的语言和不断地参与或决定自己生命周期 最后一个特点是要赋予器件智能的原因,其他一些特点是被动存储器件也具有 的,只要它们能被连接 如果你接受这种观点,那么在很多情况下,有效地与周边环境通信,可能就简 单意味着使身份和数据可以被询问, 而这通过被动型的数据存储就能实现 的确, 早期物联网构想中的 RFID 技术,全部是被动型 RFID 标签,这些标签只有在被询 问时才能显示数据,与条形码唯一的不同是,它们的数据存储在集成电路存储器 上,可以被更新,它们不能对自己的命运做出决定所以,麦克法兰的理论不仅 没有清晰的商业案例支持,而且其初始概念在逻辑上就讲不通我们经过思考后 得出的结论是,有些物品需要通信,而另一些物品只需要被询问,有些数据是永 存的,另一些数据是变化的这个结论显然是毋庸置疑的 独特的身份对于物联网来说是非常重要的,但也需要从商业效益的角度考虑问 题多年来,条形码成功地标识了批量身份,但不能标识每个产品的身份把批 量标识扩展到分类标识是必要的,例如标明整批货物中每一件的售出时间但如 果没有必要,如果成本太高,就不需要总是这样做当然在有些情况下,是需要 对每个商品做独特标识的,例如商品的重量,历史等所以,物联网的许多功能 是可以用比较便宜的技术实现的,例如已广泛应用的条形码我们认为,物联网 的合理结构是金字塔型的,是根据需要,合理性,局限性和商业应用案例和效益 在身份标识,数据存储和能力上结构分层的将来许多物品的信息仍然会保存在 条形码上 现在的条形码仅仅是标识类别, 例如某厂商生产的 450 克的烤豌豆 如果用条形码区别标识每件产品, 就不能像现在这样把条形码统一印刷在产品包 装袋上,把这样的产品纳入物联网中,需要确定数量并判断投入的合理性 在每个产品上应用 RFID 技术现在有很好的例子例如,英国著名的玛莎百 货公司用这种技术减少了正品商品退货的欺诈率,在这种情况下,商品价格稍高 一点是合理的另一个例子是在刮脸刀片上安放防盗窃的电子商品监测 EAS/RFID 标签,从商业效益上看也是合理的按日期销售的信息是非常重要的 信息,新鲜食品可以在物联网世界中找到新的市场机会,可以存储在零售商的货 架上, 可以找到潜在的家庭和办公室最终用户, 也可以找出产品的新特点和用途, 让产品销售的压力不全放在既定用户身上,另外还能给冰箱制造商做广告,促进 冰箱的销售在物联网世界中,市场营销也能产生实实在在的效益,消化 RFID 的成本 例如, 葡萄酒和灌装啤酒的厂商由于与销售市场更接近, 可以降低价格, 从而消化标签的成本不过我们必须做出示范例子,才能在物联网中推广 5 物联网的结构 如果你接受现在的观点,那么就会顺理成章地得出这样的结论,即只有需要 通信的东西才会装上通信器件在上述金字塔的顶端,是人与人之间的对等机器 交流,例如我的个人数字助理和你的计算机之间的交流,在采用对等设备成本上 不划算的地方则布置 RFID 标签,因为 RFID 标签是满足基本通信需求的成本最 低的手段, 这是第二个层次, 在这个层次之下, 是被动型的数据存储, 如条形码, 它只能保存数据和身份,在这个层次,很多东西仍然是不可辨认和不可识别的 我们定义的未来的物联网还有一点与麦克法兰的提法不同,麦克法兰认为, 物体"能连续地参与和决定自己的命运",我们则认为,只有在感知物体直接或间 接地发出指令的时候(在金字塔的顶端) ,或智能物体发出指令的时候(在第二 层次) ,才会有通信即便在第二层次,智能物体一般也是由一个感知器件控制 和预先决定的(在物联网中,所有的东西,包括人,都是物体) ,因为只有更高 的层次,才能做出判断效益的决策 所以,物联网是在一个个案例的基础上运行的,由感知物体从成本上逐个判 断,处理代价是否能适合需求,物联网是由这些案例构成和限制的 物联网中的商务案例是靠 RFID 标签,智能标签或智能卡运行的静态信息 如产品身份,重量,售出时间,产地等,可以存储在条形码上,也许是两维条形 码,用移动设备和漫游设备可以阅读条形码 我们不需要给每个物体都装上主动通信的器件, 我们要做的是提高阅读器扫描被 动信息的能力,如扫描条形码,使我们在询问时能获得信息,这样做是因为我们 有应用案例的强大支持我们很多人已在超市使用自我扫描技术付账了,许 多移动电话都能阅读条形码虽然让冰箱通过 RFID 标签自动向超市询问存货和 自动付账听起来很有吸引力, 但其实还有一些更为廉价的方法能达到同样的效果 许多此类物联网可以用手动扫描条形码的方式实现,例如,用扫描器把冰箱 里的食品显示在冰箱上的屏幕上屏幕上还可以显示食品的售出时间,发出过期 报警如果超市的付账柜台上也储存有售出日期的信息,就可以用现在的 Wi-Fi (无线保真)技术把这些信息传送到用户的个人数字助理和电话上,用户的冰箱 上或家庭电脑上,也可以传送到家里各处放置的,不见得放在冰箱里的已购买的 食品上 我们所提出的物联网的架构是这样的,它并不是把世界上所有的物体都以对 等的方式连接在一起,而是给有些物体贴上 RFID 标签,有些物体贴上条形码 在我们的物联网架构中有些物体有询问能力, 还有些物体则仍然处于未连接状态 物联网的主要功能是处理信息,这些信息的获得并不完全靠 RFID 标签当 然 RFID 标签将会发挥作用,但 RFID 提供的信息只是物联网的一个组成部分 在物联网中, 不是简单地给每件物体都做出身份标识 我们把物品分成了若干类, 这种分类构成了前述的金字塔梯级结构, 每个梯级采用的信息获取和发送技术都 是不同的也许我们可以给出这样的梯级结构: A 级:带有一般的固定静态数据的物品(如一听西红柿) B 级:带有分类静态数据的物品(如标有售出日期的生菜) C 级:带有独特的固定静态数据的物品(如标有特别分量,产地和保质期的一片 肉) D 级:带有可变综合静态数据的物品(如带有温度感应器的冷冻食品综合标识包 装) E 级:带有可变分类静态数据的物品(如运载箱装商品的货盘) F 级:带有一般临时静态数据的物品(如卡车载的货) G 级:带有可变独特静态数据的物品(道路通行费标签;带有温度感应器的独特 标识的物品) H 级:带有分类可变数据的物品(如车辆) I 级:带有特殊可变数据的物品(如冰箱,音响系统,中央空调,房间报警系统, 车辆等) J 级:智能物品(如计算机,个人数字助理) K 级:有感知的物体(例如人) 这样的分类,是按本文的思路提出的,并不能算是正式的分类下图所示为 物联网的金字塔架构: 我们并不打算把世界上的每个物体都标识在这个金字塔架构图中世界上的 大多数物体—田野里的树木,沙滩上的躺椅,树上的鸟儿等都是不需要通过物联 网来交流的在可预见的未来,现实世界中的大多数物体都不会连接在一起在 物联网中,我们可以把这些物体称为未标识类物体 从金字塔的底部上行, 我们会发现, 紧邻底层 A 的那几个层次中的物体可以被识 别,但是被动式的,这些物体被询问是可以应答,但不能主动通信B,C,D 层次中的物体一般是用条形码标识的,B 层次是简单的综合标识,例如一听西红 柿C 层次是类似瓜果梨桃一类的物品,它们往往有同样的身份,但售出日期不 同 层次的物品是有单独特点的, D 例如每个产品都有不同的重量 在物联网中, 我们可以把这一层次中的物品叫做被动可标识物品增加的信息都不是特殊的, 产品的重量是不变的这一层次中使用的 RFID 标签都是被动型标签 E 层次的数据来自传感器,传感器是被动的,在询问时可以应答,但如果某 些参数(例如温度)超出了规定的限度,也能主动通信,我们把 E 层次的物品叫 做具有激发通信能力的物品, 当然只有在成本效益合理的情况下才采用这种技术 这些物品的数据可变但也是被动的,不过与 D 层次中的可变被动数据(例如一 公斤香肠)完全不同 D 层次和 G 层次的物品都有组合的数据,D 层次中是综合的可标识物品,G 层次中的是特殊的可标识物品例如,道路通行收费标签可在车辆行程的入口和 出口被读出 这两个层次的物品一般不能通信, 它们往往是被询问时才做出反应, 但不能排除它们具有通信功能我们把这种物品叫做"载有其他物品数据的物品" H 层次的物品则不仅有独特的身份,而且有独特的寻址功能,它们能主动通信, 也能对询问做出反应,可能还可以处理大量的瞬间变化数据智能汽车就是一个 例子我们把这个层次的物品叫做"为其他物品服务的物品" 在金字塔的顶端,是真正的智能器件,如计算机或有感知的物体(例如人) , 这些物体有能力主动通信和主动询问 智能物体和感知物体之间的根本区别在于, 智能物体的运行决定是由感知物体控制的,或者说,智能物体的行为是由感知物 体(例如人)设定的所以,在物联网金字塔的顶端,总是感知物体在控制,不 是物品自己做自己命运的决策这种理解与 MIT 最初的概念是根本不同的我 们认为,只有采用这种梯度层次架构,物联网才能产生合理的实际效益,才能获 得投资 我们当然可以做出不同的分类,分出不同的级别,但问题的关键不在这里 关键是物联网不会,而且永远不会成为和人与人之间的网络一样的,具有自主意 识的网络(采用 RFID) ,物联网将是一个由具有不同特性和能力的物品组成的一 个梯度分层架构;它的性质是由应用案例和实际效益决定的,采用的技术是否合 理也是由实际效益决定的(有时只能用 RFID) 所以,在物联网中采用 RFID 的具体效益是反映在多个结构层次上的,其合 理性取决于济效益,其特点和行为设计的合理性也取决于实际效益(尽管可 能会有额外的下游效益,或以后会发现效益,但这不属于初始的效益) 物联网 中物品能力的合理性也是由具体的效益决定的 物联网本身是不会产生什么奇幻 的济效益的,世界上的许多物品将仍然处于物联网之外 6 结论 为发挥物联网的潜在效益,需要着重注意新型的因特网和已有数据的 *** 控,而 数据的传输技术,虽然很重要,却是次要的考虑因素需要制定物品层次之间交 流的规则,需要开发数据采集/交换/交易的网络服务如果物联网有一天真的出 现了,那么首先要关注的是数据管理,转换和处理的标准,而不是什么特殊的空 间接口总之,尽管 RFID 在物联网中有重要作用,但它毕竟只是物联网中的一 种数据传递技术,要形成商业市场,就要开发产品(软件系统) ,使因特网中的 物品能动起来,我们要更多地关注使物联网具有交流功能的网络服务我们需要 有标准化的服务标准制定组织,如 CEN,ISO,ETSI,应发挥重要作用

从技术架构上来看，物联网可分为三层：感知层、网络层和应用层。
感知层由各种传感器以及传感器网关构成，包括二氧化碳浓度传感器、温度传感器、湿度传感器、二维码标签、RFID 标签和读写器、摄像头、GPS等感知终端。感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢，它是物联网识别物体、采集信息的来源，其主要功能是识别物体，采集信息。[4]
网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息。
应用层是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。
关键技术
在物联网应用中有三项关键技术：
1、传感器技术，这也是计算机应用中的关键技术。大家都知道，到为止绝大部分计算机处理的都是数字信号。自从有计算机以来就需要传感器把模拟信号转换成数字信号计算机才能处理。
2、RFID标签也是一种传感器技术，RFID技术是融合了无线射频技术和嵌入式技术为一体的综合技术，RFID在自动识别、物品物流管理有着广阔的应用前景。
3 、嵌入式系统技术是综合了计算机软硬件、传感器技术、集成电路技术、电子应用技术为一体的复杂技术。经过几十年的演变，以嵌入式系统为特征的智能终端产品随处可见；小到人们身边的MP3,大到航天航空的卫星系统。嵌入式系统正在改变着人们的生活，推动着工业生产以及国防工业的发展。如果把物联网用人体做一个简单比喻，传感器相当于人的眼睛、鼻子、皮肤等感官，网络就是神经系统用来传递信息，嵌入式系统则是人的大脑，在接收到信息后要进行分类处理。这个例子很形象的描述了传感器、嵌入式系统在物联网中的位置与作用。
物联网分类
1 私有物联网：一般面向单一机构内部提供服务；
2 公有物联网：基于互联网向公众或大型用户群体提供服务；
3 社区物联网：向一个关联的“社区”或机构群体（如一个城市政府下属的各委办局：如公安局、交通局、环保局、城管局等）提供服务；
4 混合物联网：是上述的两种或以上的物联网的组合，但#后台有统一运维实体。
物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是"信息化"时代的重要发展阶段。其英文名称是:"Internet of things(IoT)"。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思:其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络;其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，也就是物物相息。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网是互联网的应用拓展，与其说物联网是网络，不如说物联网是业务和应用。因此，应用创新是物联网发展的核心，以用户体验为核心的创新20是物联网发展的灵魂。
活点定义:利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式联在一起，形成人与物、物与物相联，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。物联网是互联网的延伸，它包括互联网及互联网上所有的资源，兼容互联网所有的应用，但物联网中所有的元素(所有的设备、资源及通信等)都是个性化和私有化。
物联网博欣将物联网定义为通过各种信息传感设备，如传感器、射频识别（RFID）技术、全球定位系统、红外线感应器、激光扫描器、气体感应器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。
物联网原理
物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”。在这个网络中，物品(商品)能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。其实质是利用射频自动识别(RFID)技术，通过计算机互联网实现物品(商品)的自动识别和信息的互联与共享。
而RFID，正是能够让物品“开口说话”的一种技术。在“物联网”的构想中，RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息，通过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统，实现物品(商品)的识别，进而通过开放性的计算机网络实现信息交换和共享，实现对物品的“透明”管理。　

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]

---