工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)帶來怎樣的機遇和挑戰(zhàn)？距離現(xiàn)實有多遠？

Rita Liu

摘要：簡要分析了制造企業(yè)實踐工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)所需走過的過程，以及在工業(yè)制造業(yè)所呈現(xiàn)的主要問題和趨勢。

關(guān)鍵詞：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；工廠；云；邊緣；人工智能；移動應(yīng)用；控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)制造業(yè)正在經(jīng)歷著前所未有的轉(zhuǎn)型，物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)分析，作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和智能制造的核心技術(shù)，正在從各個方面改變著工業(yè)行業(yè)，包括產(chǎn)品的設(shè)計、運營、維護，以及供應(yīng)鏈管理。通常，即使工廠里采用了以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、MES和SCADA系統(tǒng)，大部分硬件設(shè)備還是沒有接入網(wǎng)絡(luò)，或僅單向輸出信息。隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的推進，傳統(tǒng)制造企業(yè)更需要主動地去嘗試和采用新的自動化技術(shù)來迎合多變的市場環(huán)境和客戶需求。

本文將簡要分析制造企業(yè)實踐工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)所需走過的過程，以及在工業(yè)制造業(yè)所呈現(xiàn)的主要問題和趨勢。

1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)的五個環(huán)節(jié)和兩大階段

HS Markit將傳統(tǒng)制造工廠轉(zhuǎn)化為真正的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工廠的過程劃分為五環(huán)節(jié)，如圖1。

第一階段是實現(xiàn)“機器與機器對話”，即現(xiàn)場設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)和底層數(shù)據(jù)的采集兩個環(huán)節(jié)。在企業(yè)能夠進行數(shù)據(jù)分析、建立模型之前，工廠內(nèi)的軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施還有很多準(zhǔn)備工作要做。首先，工廠的機器都能夠與工廠內(nèi)和其他遠程地點的所有其他機器和設(shè)備互相通信，并進行大量的數(shù)據(jù)交換，這是所有后續(xù)環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)。

目前，大部分企業(yè)仍處于這個階段，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備互通互聯(lián)，同時確保數(shù)據(jù)和信息溝通的準(zhǔn)確性、可靠性、完整性和及時性，這是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，也是工業(yè)企業(yè)要首先解決的問題。在很多工廠中，已有的自動化設(shè)備，比如驅(qū)動器、傳感器、控制器、儀表等都已經(jīng)使用多年，甚至十幾年，企業(yè)用戶不會推倒重來用新設(shè)備來替代已有設(shè)備，而都會在不影響生產(chǎn)的前提下，擴充已有設(shè)備的通信能力。然而，已有設(shè)備來自不同的制造商，并沒有采用統(tǒng)一的通訊協(xié)議，需要采用協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備對原有設(shè)備和產(chǎn)線進行改造，實現(xiàn)設(shè)備之間的無縫通信，比如支持不同協(xié)議的高級HMI、協(xié)議轉(zhuǎn)換器，或其他自動化產(chǎn)品，連接這些采用不同專用通信協(xié)議的設(shè)備。

根據(jù)IHS Markit最新數(shù)據(jù)，全球聯(lián)網(wǎng)自動化設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)數(shù)量在2017年已經(jīng)達到950億個，其在201 7至2021年的年復(fù)合增長率會保持在11.6%。lO-Linksensor和lO-Link master市場的快速增長也能反映將現(xiàn)場層信息可視化的旺盛需求。IHS Markit預(yù)測lO-Link聯(lián)網(wǎng)節(jié)點數(shù)在2017至2021年這5年期間將以25.7%的年復(fù)合增長率增長。

第二階段是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的價值輸出，包括第三、第四和第五環(huán)節(jié)，即數(shù)據(jù)的存取、分析和價值輸出。對企業(yè)而言，在解決了如何搜集數(shù)據(jù)的問題后，數(shù)據(jù)的存取和利用是接下來更為重要的問題。客觀來看，工業(yè)企業(yè)內(nèi)部的業(yè)務(wù)邏輯并沒有標(biāo)準(zhǔn)化，自動化水平也不同，并不能用一套通用軟件平臺來解決每家企業(yè)的問題，都需要定制化的軟件開發(fā)，這也需要工業(yè)企業(yè)用戶有更多的資金投入。目前，我們能看到幾乎所有工業(yè)技術(shù)廠商都已經(jīng)推出了自己的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決平臺，比如IBM有Waston， GE有Predix， ScHneider有EcoStruxu re，Honeywell也有了Sentience。

在該階段，如何解決工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安全問題，如何合理利用機器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，怎么使用邊緣計算和云計算，以及怎樣發(fā)揮移動設(shè)備在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的積極作用都將成為行業(yè)更為關(guān)注的話題。

2 網(wǎng)絡(luò)安全是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實施的一大困擾

舉個例子，比如OEM廠商提供的質(zhì)保內(nèi)容正在發(fā)生變化，所提供的質(zhì)保內(nèi)容由過去的“一年內(nèi)可以更換故障配件”，過渡到“保證設(shè)備可以一年中正常運行的時間”，如果設(shè)備出現(xiàn)問題，OEM廠商需要在規(guī)定的時間內(nèi)響應(yīng)。但前提條件是OEM廠商能夠?qū)崟r地、安全地連接進入工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，查看相關(guān)數(shù)據(jù)。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)會越來越開放，與lT網(wǎng)絡(luò)進行融合，與此同時，網(wǎng)絡(luò)安全問題將更為凸顯。JT系統(tǒng)所受到的任何威脅都會對OT系統(tǒng)造成嚴(yán)重的影響。安全問題已經(jīng)成為投資工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的一大障礙。近年來發(fā)生的黑客入侵電力公司網(wǎng)絡(luò)，阻斷電力供應(yīng)，劫持工業(yè)控制設(shè)備，篡改PLC中的程序和數(shù)據(jù)，造成產(chǎn)線停產(chǎn)的事件大大提升了工業(yè)企業(yè)用戶對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安全的關(guān)注度。

雖然自動化設(shè)備制造商已經(jīng)在硬件產(chǎn)品和軟件平臺中都增加了網(wǎng)絡(luò)安全措施，比如在PLC和I/O模塊產(chǎn)品中增加了SSUTLS加密。但距離終端用戶能夠廣泛接受，并使用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)來采集、監(jiān)控、處理和存儲各種數(shù)據(jù)和信息，還有很長的路要走。此外，擴充現(xiàn)有OT系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安防能力所需的成本和培養(yǎng)訓(xùn)練有素的人員的投入也是不可忽視的因素。根據(jù)IHS Markit的研究，實施物聯(lián)網(wǎng)方案擔(dān)憂的主要問題是網(wǎng)絡(luò)安全和隱私保護，其次是項目的實施成本和其復(fù)雜性。

3 邊緣計算和云計算協(xié)同合作更能滿足工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的需求

云計算處于數(shù)據(jù)中心的核心網(wǎng)絡(luò)中，通過層層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備搜集終端的數(shù)據(jù)，憑借強大的存儲和計算能力進行大數(shù)據(jù)分析。邊緣計算是指在貼近數(shù)據(jù)源的設(shè)備中的計算能力，進行實時、短周期數(shù)據(jù)的分析，能更高效地對本地數(shù)據(jù)進行實時智能化處理和執(zhí)行，同時能夠緩解網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量和云端的工作量。

當(dāng)海量的數(shù)據(jù)需要存儲、分析時，云計算更合適。比如需要大量數(shù)據(jù)輸入的人工智能離線訓(xùn)練，這些數(shù)據(jù)要通過合適的訓(xùn)練方法，驗證和完善人工智能算法模型。

邊緣計算可以說是對云計算的一種補充和優(yōu)化。很多工業(yè)現(xiàn)場條件惡劣，設(shè)備分散，很難實時傳送大量數(shù)據(jù)，這個時候邊緣計算就更為適用。以風(fēng)電場為例，具有邊緣計算能力的現(xiàn)場設(shè)備能夠?qū)崟r地采集和分析數(shù)據(jù)，并能及時做出判斷，調(diào)整風(fēng)機以收集更多的能量。因為整個過程都在本地完成，處理速度比采用云計算提升很多。

目前，工業(yè)產(chǎn)線中的數(shù)據(jù)中僅有約3%的數(shù)據(jù)是有使用價值的，通過邊緣設(shè)備過濾、處理后，到達云端的數(shù)據(jù)價值更高，相應(yīng)的計算和分析過程也會更高效。

4 機器學(xué)習(xí)和人工智能的應(yīng)用

機器學(xué)習(xí)和人工智能為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供了廣闊的遐想空間。目前，工業(yè)領(lǐng)域主要的應(yīng)用包括自我診斷和預(yù)測性維護、優(yōu)化生產(chǎn)流程、智能機器人、結(jié)合機器視覺進行產(chǎn)品檢測等。

（1）自我診斷和預(yù)測性維護：采用預(yù)測性模型技術(shù)，通過對現(xiàn)場設(shè)備、控制器等上傳的數(shù)據(jù)進行分析，即可獲得的設(shè)備故障前兆特征。配合報警機制，工作人員可及早制定維護和應(yīng)急方案。避免因產(chǎn)線驟停帶來的難以控制的損失。比如正在作業(yè)的工業(yè)機器人出現(xiàn)故障，就會造成大量的不合格品，人工智能技術(shù)可以通過檢測機器人減速機和主軸上不同狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，來學(xué)習(xí)并建立模型，進而能夠提前預(yù)測故障。

（2）優(yōu)化生產(chǎn)流程：人工智能模型在搜集的各項溫度、轉(zhuǎn)速、能耗、產(chǎn)能等數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進行分析，對產(chǎn)線進行節(jié)能優(yōu)化，提出降低能耗、提高產(chǎn)能的方案。

（3）智能機器人：機器人可以去讀關(guān)聯(lián)軟件模型中制造產(chǎn)品的相關(guān)信息，并學(xué)習(xí)。最終，不需要工程師每次對機器人進行編程，機器人可直接接受工程師指令，自主進行制造生產(chǎn)。這樣，產(chǎn)線能夠更加靈活、高效地應(yīng)對定制化生產(chǎn)的需求。

（4）結(jié)合機器視覺進行產(chǎn)品檢測：目前廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體和3C行業(yè)。機器視覺是人工智能正在快速發(fā)展的一個分支。機器視覺系統(tǒng)的攝像頭可以快速獲得大量生產(chǎn)信息，通過后臺軟件加工處理，結(jié)合設(shè)計信息和加工控制信息，能夠代替人工作業(yè)提高生產(chǎn)的效率、精度、質(zhì)量和柔性。

5 工業(yè)移動應(yīng)用會更加廣泛

移動終端設(shè)備在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的參與度逐漸提高，越來越多的廠商推出移動應(yīng)用方案，進一步提升工作效率和效力。移動終端主要的應(yīng)用方式有以下幾種：

（1）遠程監(jiān)控：使用HMI的移動應(yīng)用，工作人員可以在任何時間和地點檢查現(xiàn)場設(shè)備和產(chǎn)線的運行狀態(tài)，并及時進行診斷和維護工作。當(dāng)監(jiān)控點離設(shè)備操作點較遠，或設(shè)備位于危險區(qū)的時候，移動應(yīng)用提高工作安全性和效率的優(yōu)勢更為明顯。

在多臺設(shè)備都在運行同一套工序的情況下，工作人員在移動終端上就可以查看每臺設(shè)備的狀況，比跑到每臺設(shè)備前逐一查看更方便和高效。很多人認(rèn)為個人移動設(shè)備不適合在工業(yè)環(huán)境下使用，所以，在2017年，除了推出了更多基于個人移動終端的應(yīng)用，我們看到少數(shù)企業(yè)也推出了專門用于工業(yè)環(huán)境下的基于web的平板電腦，僅用來查看數(shù)據(jù)和信息。

（2）自動采集現(xiàn)場信息：工作人員可以將移動設(shè)備作為現(xiàn)場信息采集工具，通過專用的應(yīng)用程序，直接掃描并上傳數(shù)據(jù)到后臺系統(tǒng)，這樣可以避免工作人員自己讀取和手工輸入信息過程中造成的錯誤。

（3）信息發(fā)布和分享：將現(xiàn)場的人工流程在移動終端上數(shù)字化，信息的發(fā)布和分享將會極大簡化。比如工廠的管理員可以將發(fā)現(xiàn)的問題同時發(fā)布給所有相關(guān)人員，而不必逐一溝通。進而減少停機和維修的時間，最大化地降低損失。

如上文所述，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的實踐對生產(chǎn)設(shè)備、軟件平臺、人員配備、以及資源都提出了很多新要求，工業(yè)自動化設(shè)備也要為此做好準(zhǔn)備。以下是IHS Markit所觀察到的自動化設(shè)備層面已經(jīng)發(fā)生或正在發(fā)生的變化：

（1）數(shù)據(jù)采集能力：傳統(tǒng)工廠里使用的傳感器和執(zhí)行器都是獨立工作的，現(xiàn)在越來越多的設(shè)備安裝了嵌入式的傳感器，比如泵、流量表、馬達、軸承等。

（2）通信能力：越來越多的PLC和HMI產(chǎn)品都配置了通信接口，過去屬于高端產(chǎn)品的配置，現(xiàn)在已成為中端產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)配置。一些I/O模塊產(chǎn)品配置了無線通信能力。

（3）數(shù)據(jù)處理能力：PLC的數(shù)據(jù)處理能力進一步提升，能對現(xiàn)場設(shè)備中的數(shù)據(jù)進行篩選和簡單的處理，減少服務(wù)器和云端的負荷。智能I/O模塊具有簡單的數(shù)據(jù)處理和邏輯判斷能力。過去兩年，也推出了很多具有數(shù)據(jù)存儲和處理能力的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。

（4）工業(yè)級移動設(shè)備：少數(shù)廠商推出了針對工業(yè)環(huán)境下使用的移動設(shè)備，比如基于web的平板電腦，僅能瀏覽網(wǎng)頁，用來查看現(xiàn)場產(chǎn)線狀態(tài)和信息。

（5）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)扁平化：一些高端PLC產(chǎn)品和智能I/O模塊添加了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的功能，可以直接將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器或云端。智能傳感器也可以不通過PLC，直接通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳送到上層。新產(chǎn)品的這些功能將會加速工業(yè)控制系統(tǒng)構(gòu)架的扁平化。

（6）人工智能算法模塊：Rockwe‖和Omron都在其PLC控制器中加入了人工智能算法模塊，通過對控制器中的數(shù)據(jù)流進行分析學(xué)習(xí)，人工智能算法模塊會快速建立模型，之后會持續(xù)監(jiān)控運行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)異常，并報警。

（7）設(shè)備本地化與云端結(jié)合：會有更多基于云的方案推出，HMI和控制器等設(shè)備的部分非實時的功能將會被轉(zhuǎn)移到云端進行，這也更符合分布系統(tǒng)式構(gòu)架的理念。