物聯(lián)網(wǎng)帶給工業(yè)自動化的創(chuàng)新機(jī)遇

顧 亮， 楊 萍

（1.北京中咨海外咨詢有限公司，北京 100048；2.西安航天化學(xué)動力廠，西安 710025）

0 引言

“感知中國”這個主題即是發(fā)展建設(shè)中國的物聯(lián)網(wǎng)。國內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)方興未艾，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、電力、醫(yī)療、物流等領(lǐng)域迅速推廣。物聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)自動化在不少方面有很強(qiáng)的相關(guān)性，物聯(lián)網(wǎng)向工業(yè)自動化借鑒技術(shù)和經(jīng)驗的同時，也帶給工業(yè)自動化創(chuàng)新機(jī)遇。

1 物聯(lián)網(wǎng)概念

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）指的是將傳感器、移動終端、可編程控制器等智能化設(shè)備經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)連接集成，實現(xiàn)互聯(lián)互通，并根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析、對設(shè)備進(jìn)行管理和控制的系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次可歸結(jié)為：設(shè)備層、連接層和應(yīng)用層，它融合了智能芯片、網(wǎng)絡(luò)通信、云計算等硬件設(shè)備和軟件技術(shù)，不僅會升級換代既有應(yīng)用，還將涌現(xiàn)大量創(chuàng)新應(yīng)用。

建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用需求相適應(yīng)而衍生的系統(tǒng)工程。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，已經(jīng)在提高生產(chǎn)效率、保障生產(chǎn)安全、節(jié)能減排、保護(hù)生態(tài)和便捷生活等許多方面發(fā)揮作用。滿足人類多種多樣的需求是設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)的立足點，為人類提供多元化的服務(wù)是建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)的根本目的。

2 物聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)自動化

物聯(lián)網(wǎng)對設(shè)備的調(diào)用，首先要求可以監(jiān)視目標(biāo)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并獲取其感知數(shù)據(jù)，進(jìn)一步要求可以控制目標(biāo)設(shè)備，調(diào)整其運(yùn)行狀態(tài)、執(zhí)行特定動作。工業(yè)自動化對設(shè)備的控制亦是如此。物聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)自動化采用的硬件產(chǎn)品相仿、軟件技術(shù)相通，使用目的也相似，差別在于，物聯(lián)網(wǎng)是跨行業(yè)的，有更廣泛的服務(wù)對象和應(yīng)用需求。工業(yè)自動化可被看作是廣義物聯(lián)網(wǎng)的部分內(nèi)容。

可見，物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)自動化息息相關(guān)。

2011年7月，工業(yè)和信息化部印發(fā)《產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)發(fā)展指南（2011年）》，要求做好產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)的研究開發(fā)。在包括裝備制造業(yè)、軟件和信息技術(shù)服務(wù)業(yè)在內(nèi)的多個行業(yè)中，都有物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)被列為關(guān)鍵共性技術(shù)。

2012年2月，工業(yè)和信息化部印發(fā)《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，發(fā)展目標(biāo)包括：在重點行業(yè)和九個重點領(lǐng)域明顯提高物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用水平，形成可持續(xù)發(fā)展的運(yùn)營模式，并完成一批應(yīng)用示范工程。九個重點領(lǐng)域中包括智能工業(yè)。

2012年7月，全國科技創(chuàng)新大會指出到2020年的目標(biāo)是：基本建成適應(yīng)社會主義市場經(jīng)濟(jì)體制、符合科技發(fā)展規(guī)律的中國特色國家創(chuàng)新體系。

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展勢頭迅猛，而工業(yè)自動化的發(fā)展相對較為遲緩。為了不錯失“十二五”這一千載難逢的發(fā)展機(jī)遇期，為了不錯失物聯(lián)網(wǎng)這一潛力巨大的新興產(chǎn)業(yè)市場，工業(yè)自動化需要創(chuàng)新，快步追趕新潮流。

3 工業(yè)自動化的創(chuàng)新

3.1 項目中存在的情況

工業(yè)自動化項目時常存在這樣的情況：根據(jù)設(shè)計目標(biāo)對設(shè)備性能的要求和對成本控制的需要，在關(guān)鍵環(huán)節(jié)使用A廠商的高端電控設(shè)備，在一般環(huán)節(jié)使用S廠商的中端電控設(shè)備；或是對既有系統(tǒng)的改造升級，部分低端電控設(shè)備利舊，再加配一些新的中端電控設(shè)備。不同廠商的電控設(shè)備所配套的下位編程軟件、上位監(jiān)控軟件皆不相同，信號傳輸協(xié)議互不兼容；同一廠商的低、中、高端產(chǎn)品因處理器級別和內(nèi)存容量的高低，所配套的編程語言版本也不相同，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)存在差異。這些情況通常導(dǎo)致項目沒有集成出總控系統(tǒng)，而出現(xiàn)多個獨(dú)立運(yùn)行的小系統(tǒng)，需要依靠懂技術(shù)有經(jīng)驗的現(xiàn)場人員分別操控，項目的自動化水平因此遭到削弱：生產(chǎn)效率勉強(qiáng)達(dá)標(biāo)、生產(chǎn)安全存有隱患、生產(chǎn)數(shù)據(jù)不易即時統(tǒng)計分析、不利于ERP等系統(tǒng)調(diào)配資源、未來改造升級的技術(shù)難度及預(yù)算成本陡增，同時帶給現(xiàn)場人員很重的工作負(fù)擔(dān)，更無法擴(kuò)展系統(tǒng)應(yīng)用范圍、延伸相關(guān)業(yè)務(wù)。

期待電控設(shè)備廠商在短時間內(nèi)統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)并升級現(xiàn)有產(chǎn)品是不切實際的。因此，工業(yè)自動化的創(chuàng)新是非常必要的，也是迫切的。

3.2 工業(yè)自動化需要創(chuàng)新

對可編程控制器等下位電控設(shè)備的熟練使用，是工業(yè)自動化的絕對技術(shù)優(yōu)勢。在上位軟件方面，目前主要使用由電控設(shè)備廠商提供的與其設(shè)備配套的監(jiān)控軟件，其功能是否充足、運(yùn)行是否穩(wěn)定、界面是否友好，各廠商的軟件質(zhì)量參差不齊，這在很大程度上決定了自動化系統(tǒng)的優(yōu)劣。而電控設(shè)備廠商出于保護(hù)自身知識產(chǎn)權(quán)等因素的考慮，不大可能無償提供數(shù)據(jù)接口供其它上位軟件調(diào)用，系統(tǒng)集成商對其進(jìn)行二次開發(fā)的可行性很低。

另外，重硬件，包括機(jī)械設(shè)備、電控設(shè)備等，輕軟件，包括網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、高級編程技術(shù)等，是工業(yè)自動化領(lǐng)域存在的弊病。

現(xiàn)在，要改變這種狀況，處理好硬件建設(shè)與軟件提升的關(guān)系，充實更多軟件技術(shù)進(jìn)入工業(yè)自動化領(lǐng)域，改進(jìn)現(xiàn)有系統(tǒng)架構(gòu)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，通過自主開發(fā)中間件，在實現(xiàn)自動化系統(tǒng)總集成的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善系統(tǒng)功能、提高系統(tǒng)安全性，再適當(dāng)擴(kuò)展系統(tǒng)應(yīng)用范圍。

3.3 以中間件做為系統(tǒng)架構(gòu)的核心

創(chuàng)新的第一步就是改進(jìn)現(xiàn)有系統(tǒng)架構(gòu)，以中間件做為系統(tǒng)架構(gòu)的核心。

OPC（Object Linking and Embedding for Process Control）工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)由OPC基金會制定并維護(hù)。截至2012年2月，OPC基金會在全球擁有470多家成員，包括了主要的電控設(shè)備廠商。

OPC工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展至今已日趨完善，各大電控設(shè)備廠商的中、高端產(chǎn)品均支持該標(biāo)準(zhǔn)，同時公開了相應(yīng)的API及使用指南。遵循OPC標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)中間件是搭建廣適的數(shù)據(jù)訪問接口的解決方案，它可以做為上位軟件和下位電控設(shè)備相互傳遞信號的橋梁，同時為多項應(yīng)用提供服務(wù)。OPC統(tǒng)一框架（Unified Architecture）的目的是：更加便捷的開發(fā)兼容性強(qiáng)、高效、安全、可靠的應(yīng)用，這也正是物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)應(yīng)具備的特質(zhì)。

如此改進(jìn)系統(tǒng)架構(gòu)，便于統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，便于系統(tǒng)總集成，便于未來升級改造，有助于增強(qiáng)系統(tǒng)安全，最主要的是可以促進(jìn)應(yīng)用創(chuàng)新。

圖1 OPC統(tǒng)一框架

OPC .NET 3.0 WCF（Windows Communication Foundation）不再采用DCOM（分布式組件對象模型）接口，轉(zhuǎn)而完全使用微軟的.NET框架，同時提供了C# API。微軟.NET框架的開發(fā)工具Visual Studio 2010是目前Windows應(yīng)用程序的主要開發(fā)工具之一，可以用它開發(fā)OPC中間件。如此，自主開發(fā)出的OPC中間件在未來五至十年都將保持很強(qiáng)的生命力。

有了自主開發(fā)的OPC中間件，再開發(fā)Browser/Server或是Client/Server結(jié)構(gòu)的監(jiān)控應(yīng)用都可謂水到渠成；還可以方便的將整個自動化系統(tǒng)的運(yùn)行過程數(shù)據(jù)存儲起來，做為日后統(tǒng)計分析、優(yōu)化系統(tǒng)、查尋故障的基礎(chǔ)資料；甚至可以為ERP、MES等系統(tǒng)提供專用的數(shù)據(jù)接口。

3.4 選配適宜組網(wǎng)的電控設(shè)備

由于有OPC中間件的支撐，得以在控制成本的同時，靈活選配適宜組網(wǎng)的電控設(shè)備，避免系統(tǒng)中出現(xiàn)“孤島”。另外，IPv6網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，為工業(yè)自動化系統(tǒng)中使用大量電控設(shè)備組網(wǎng)，提供了充足的技術(shù)保障。

帶有以太網(wǎng)端口或無線以太網(wǎng)模塊的智能傳感器，可以直接接入以太網(wǎng)，部署速度快。但這類設(shè)備普遍價格較高，且有的型號依賴以太網(wǎng)遠(yuǎn)程供電。對于無邏輯運(yùn)算要求、功能簡單、數(shù)據(jù)傳輸流量較大的應(yīng)用，適宜選配這類設(shè)備。

使用ZigBee技術(shù)的無線傳感器具有功耗低、通信延時低、產(chǎn)品價格低的優(yōu)點，適合用于功能簡單、通信距離短、數(shù)據(jù)傳輸流量低的應(yīng)用。

RFID，即電子標(biāo)簽，通信距離較長。因其產(chǎn)品價較格高，且不易靈活部署，適用于大宗商品物流，及流程非常規(guī)范的大型裝備制造的生產(chǎn)物流。

可編程控制器可以執(zhí)行較復(fù)雜的邏輯運(yùn)算，是工業(yè)自動化項目不可或缺的主要電控設(shè)備。一套中端可編程控制器模組可以配備幾十個信號輸入輸出點，有能力即時自動控制設(shè)備做較復(fù)雜的動作。產(chǎn)品價格較高、部署較復(fù)雜是它的特點。

以上這幾類設(shè)備中有大量產(chǎn)品兼容OPC標(biāo)準(zhǔn)，可以通過OPC中間件受控于自動化系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計目標(biāo)，選配適宜的感應(yīng)器和可編程控制器等電控設(shè)備，采用現(xiàn)場總線技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)搭配組網(wǎng)，集成出健康且高效的工業(yè)自動化系統(tǒng)。

3.5 擴(kuò)展系統(tǒng)應(yīng)用范圍

OPC中間件也是工業(yè)自動化系統(tǒng)擴(kuò)展應(yīng)用范圍的基礎(chǔ)。

可以通過中間件與云端軟件平臺交互數(shù)據(jù)，借助云計算整合資源，擴(kuò)展系統(tǒng)應(yīng)用范圍，延伸相關(guān)業(yè)務(wù)。如此一來，自動化系統(tǒng)不僅為生產(chǎn)制造服務(wù)，也可以為機(jī)構(gòu)、企業(yè)、終端消費(fèi)群體等對象提供定制服務(wù)，例如：共享工作區(qū)內(nèi)的部分環(huán)境感應(yīng)器，為地區(qū)環(huán)境監(jiān)測提供實時數(shù)據(jù)；提供閑置設(shè)備的租賃服務(wù)，允許租戶實時掌握生產(chǎn)進(jìn)度情況；提供從接受訂單開始，到定制裝配，到成品入庫，到物流配送、到使用監(jiān)測、到保養(yǎng)檢修、到回收處理的產(chǎn)品全生命期服務(wù)。

4 可預(yù)見的收益

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)市場的潛力巨大，有機(jī)構(gòu)預(yù)測，到2015年，國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模將超過5000億元（人民幣）。工業(yè)自動化經(jīng)過技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用創(chuàng)新，還需要延伸相關(guān)業(yè)務(wù)，加入物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)市場的競爭行列，進(jìn)而獲得收益，保障發(fā)展的可持續(xù)性。

可以預(yù)見的收益大致如下：

1）以自主開發(fā)的OPC中間件做為系統(tǒng)核心，集成出的自動化系統(tǒng)，可以申報知識產(chǎn)權(quán)。擁有關(guān)鍵知識產(chǎn)權(quán)，在未來的市場競爭中占有絕對優(yōu)勢。

2）自主開發(fā)的OPC中間件可以做為獨(dú)立的軟件產(chǎn)品，推廣銷售。

3）改進(jìn)后的系統(tǒng)架構(gòu)，適宜快速部署，以至降低項目建設(shè)成本，也可降低未來升級改造的成本。

4）改進(jìn)后的系統(tǒng)架構(gòu)，便于應(yīng)用創(chuàng)新，例如遠(yuǎn)程診斷和排除故障，或是開發(fā)出直面終端消費(fèi)群體的應(yīng)用。

5）有了成功的建設(shè)經(jīng)驗，可以對外提供相關(guān)咨詢服務(wù)，包括系統(tǒng)設(shè)計、項目建設(shè)、投產(chǎn)運(yùn)行期間的合理化建議等。

5 結(jié)論

“大力推進(jìn)信息化與工業(yè)化融合（兩化融合）”、“堅持走中國特色新型工業(yè)化道路”，是政府作出的重要決策，亦是建設(shè)國家創(chuàng)新體系的重要內(nèi)容。

“十二五”期間，是工業(yè)自動化領(lǐng)域突破式發(fā)展的歷史機(jī)遇期，我們必須增強(qiáng)機(jī)遇意識、憂患意識、責(zé)任意識，破除一切束縛創(chuàng)新的思想觀念枷鎖，順應(yīng)政策導(dǎo)向和市場需求，通過規(guī)劃單位、建設(shè)單位、設(shè)計單位、施工單位等的共同努力，融合共性技術(shù)，堅持自主創(chuàng)新，通過技術(shù)創(chuàng)新帶動應(yīng)用創(chuàng)新，并延伸相關(guān)業(yè)務(wù)，達(dá)成可持續(xù)發(fā)展的運(yùn)營模式，同時積極參與物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。

[1] 周洪波.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)和商業(yè)模式[M].北京: 電子工業(yè)出版社, 2010 .

[2] 源自O(shè)PC 基金會的部分資料, http://www.opcfoundation.org.