工業物聯網在生產過程監測系統中的應用

年佳琪，祝尚臻，侯欣明，雷彥華，劉慧潔

（沈陽工程學院，沈陽 110136）

工業物聯網作為一種新型制造技術的產物，被眾多業內人士稱為物聯網時代的新入口，各國也陸續地提出并實施了一系列的國家戰略，如“德國工業4.0”、“中國制造2025”、“美國工業互聯網”等。隨著物聯網市場不斷發展，工業物聯網在工業生產過程中的應用越來越廣泛。據統計，2017年全球物聯網設備基數為200億臺，預計到2020年中國物聯網的整體規模將超過1.8萬億元。

1 工業物聯網概述

工業物聯網是將具有感知、監控能力的各類采集或控制傳感或控制器以及泛在技術、移動通信、智能分析等技術不斷融入到工業生產過程各個環節，從而大幅提高制造效率，改善產品質量，降低產品成本和資源消耗，最終實現將傳統工業提升到智能化的新階段。

與傳統物聯網不同，工業物聯網不僅對實時性有嚴格的要求，還需與企業現有的數據采集與監視控制系統進行有效的融合。典型的工業物聯網層次結構包括感知層、現場管理層、網絡層和應用層。感知層主要完成兩個工作：一是通過現場設備（如傳感器、電子標簽等）感知生產設備的信息，二是通過控制器發送控制指令；現場管理層要及時記錄和處理感知層的工業數據，快速響應較底層的控制指令，還要對外提供數據接口的功能，將本地數據發送給應用層；網絡層充當著傳輸通道的角色，保證本地數據到數據分析中心傳輸的實時性；應用層要分析和處理生產過程中采集的數據、設備狀態等信息，優化生產管理，提高產品質量和生產力，實現生產過程的智能化。

2 基于工業物聯網的生產過程監測系統

生產過程監測系統可以實現兩大功能：一是通過對制造過程中設備、原料等資源的狀態采集、數據融合與處理，實時監控產品的生產過程、進度及異常情況，實現生產過程的可視化全面監控；二是生產計劃發生調整時，可以根據實際的運行情況生成控制決策方案，進行生產過程的動態調整，實現生產過程的閉環控制。

生產過程監測系統的工業物聯網體系結構如圖1所示，分為四個部分：（1）數據采集層，通過自動采集或人工采集的方式，對生產過程中使用的各種設備進行數據采集，為上層提供可靠的生產數據和生產設備信息。（2）數據處理層，將采集到的各種原始數據進行統一分類和融合，完成數據的檢查與保存，并上傳至自動監測系統數據庫。（3）功能應用層，根據生產流程設計數據處理軟件，實現生產過程數據的分析、處理和統計。根據生產流程可劃分出一些功能模塊，如生產過程控制模塊、輔助管理模塊、基礎信息管理模塊等；（4）用戶層，管理者、調度者、操作者通過使用應用終端，可以及時掌握生產車間的運行情況、設備及物料狀態等信息，實現生產過程的實時監測。應用終端的形式多樣，包括web瀏覽器、電子看板、手機APP等。

3 工業物聯網的應用現狀

目前，工業物聯網的應用主要體現在工業生產過程管理體系的優化上，主要分為以下五個方面：

（1）原料供應鏈管理體系優化：應用傳感網絡技術，及時掌握原料的采購、庫存、銷售等信息，預測原料的價格趨勢、供求關系等，提高供應鏈效率，降低成本。

圖1 基于工業物聯網的生產過程監測系統

（2）生產過程工藝優化：利用物聯網相關技術，實現生產線過程檢測、實時參數采集、生產設備監控、材料消耗監測，從而提高產品質量，優化生產流程，減少能源消耗。

（3）產品設備監控：將傳感技術與制造技術融合，對產品設備的使用情況進行記錄和跟蹤，實現設備的遠程診斷和故障預測，降低維護成本，提高維修效率。

（4）環保監測：工業生產過程中會產生各種污染源，在企業排污口安裝無線傳感設備，實時監控排污情況，并且可以遠程關閉排污口，防止突發性環境污染事故發生。

（5）工業安全生產管理：將物聯網傳感器嵌入礦山設備、油氣管道、礦工設備等危險工作環境中，實時監控和感知人員、設備、環境的安全狀態，如遇突發意外可以在第一時間解救，保障工業生產安全。

4 結束語

工業物聯網改造了傳統產業，對企業的生產、經營和管理模式帶來了深刻變革，促進了產業結構的調整。但是，工業物聯網也存在著如數據安全、控制安全、應用安全等諸多安全問題。如何快速建立起工業物聯網的安全體系，是其發展過程中亟待解決的關鍵技術。當然，工業物聯網是一個跨學科的工程，融合了傳感器技術、數據融合技術、網絡技術、安全技術等關鍵技術，相關技術與學科的發展也將促進工業物聯網的更新換代，將智能制造推向更高的水平。