智能工業(yè):是將具有環(huán)境感知能力的各類終端、基于泛在技術(shù)的計算模式、移動通信等不斷融入到工業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié),大幅提高制造效率,改善產(chǎn)品質(zhì)量,降低產(chǎn)品成本和資源消耗,將傳統(tǒng)工業(yè)提升到智能化的新階段。[1]總的來說,智能工業(yè)的實現(xiàn)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的滲透和應(yīng)用,并與未來先進制造技術(shù)相結(jié)合,形成新的智能化的制造體系。工業(yè)和信息化部制定的《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中將智能工業(yè)應(yīng)用示范工程歸納為:生產(chǎn)過程控制、生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測、制造供應(yīng)鏈跟蹤、產(chǎn)品全生命周期監(jiān)測,促進安全生產(chǎn)和節(jié)能減排。
1、智能工業(yè)的發(fā)展背景
18世紀(jì),英國人瓦特發(fā)明了蒸汽機,引發(fā)了第一次工業(yè)革命,開創(chuàng)了以機器代替手工工具的時代。人類從此進入了工業(yè)時代。1870年以后,科學(xué)技術(shù)的發(fā)展突飛猛進,各種新技術(shù)、新發(fā)明層出不窮,并被迅速應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn),大大促進了經(jīng)濟的發(fā)展。這就是第二次工業(yè)革命。當(dāng)時,科學(xué)技術(shù)的突出發(fā)展主要表現(xiàn)在三個方面,即電力的廣泛應(yīng)用、內(nèi)燃機和新交通工具的創(chuàng)制、新通訊手段的發(fā)明。
進入21世紀(jì)以后,隨著科技的發(fā)展,以及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,智能化成為了科技發(fā)展的趨勢。工業(yè)作為社會經(jīng)濟的一大主體,推動著社會的進步,其科技的發(fā)展也朝智能化的方向發(fā)展。英國在《經(jīng)濟學(xué)人》發(fā)表文章,宣告“第三次工業(yè)革命”的來臨:十八世紀(jì)末在英國發(fā)足的第一次工業(yè)革命,以機器取代了手工;二十世紀(jì)初福特發(fā)明完善的流水線大批量生產(chǎn),掀起了第二次工業(yè)革命;第三次工業(yè)革命則正發(fā)生在我們的身邊,其核心是“制造業(yè)數(shù)字化”,即為“智能工業(yè)”。
2、智能工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)--物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)
智能工業(yè)的實現(xiàn)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的滲透和應(yīng)用,并與未來先進制造技術(shù)相結(jié)合,形成新的智能化的制造體系。所以,智能工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)在于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡介
“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”的核心和基礎(chǔ)仍然是“互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”,是在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上的延伸和擴展的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù);其用戶端延伸和擴展到了任何物品和物品之間,進行信息交換和通訊。因此,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的定義是:通過射頻識別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備,按約定的協(xié)議,將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接,進行信息交換和通訊,以實現(xiàn)智能化識別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)叫做物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的內(nèi)容
包括識別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
FRID、NFC,WSN
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用
制造業(yè)供應(yīng)鏈管理物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于企業(yè)原材料采購、庫存、銷售等領(lǐng)域,通過完善和優(yōu)化供應(yīng)鏈管理體系,提高了供應(yīng)鏈效率,降低了成本。空中客車(Airbus)通過在供應(yīng)鏈體系中應(yīng)用傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù),構(gòu)建了全球制造業(yè)中規(guī)模最大、效率最高的供應(yīng)鏈體系。
生產(chǎn)過程工藝優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用提高了生產(chǎn)線過程檢測、實時參數(shù)采集、生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控、材料消耗監(jiān)測的能力和水平。生產(chǎn)過程的智能監(jiān)控、智能控制、智能診斷、智能決策、智能維護水平不斷提高。鋼鐵企業(yè)應(yīng)用各種傳感器和通信網(wǎng)絡(luò),在生產(chǎn)過程中實現(xiàn)對加工產(chǎn)品的寬度、厚度、溫度的實時監(jiān)控,從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量,優(yōu)化了生產(chǎn)流程。
產(chǎn)品設(shè)備監(jiān)控管理各種傳感技術(shù)與制造技術(shù)融合,實現(xiàn)了對產(chǎn)品設(shè)備操作使用記錄、設(shè)備故障診斷的遠程監(jiān)控。GE Oil&Gas集團在全球建立了13個面向不同產(chǎn)品的i-Center,通過傳感器和網(wǎng)絡(luò)對設(shè)備進行在線監(jiān)測和實時監(jiān)控,并提供設(shè)備維護和故障診斷的解決方案。
環(huán)保監(jiān)測及能源管理物聯(lián)網(wǎng)與環(huán)保設(shè)備的融合實現(xiàn)了對工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種污染源及污染治理各環(huán)節(jié)關(guān)鍵指標(biāo)的實時監(jiān)控。在重點排污企業(yè)排污口安裝無線傳感設(shè)備,不僅可以實時監(jiān)測企業(yè)排污數(shù)據(jù),而且可以遠程關(guān)閉排污口,防止突發(fā)性環(huán)境污染事故的發(fā)生。電信運營商已開始推廣基于物聯(lián)網(wǎng)的污染治理實時監(jiān)測解決方案。
工業(yè)安全生產(chǎn)管理把感應(yīng)器嵌入和裝備到礦山設(shè)備、油氣管道、礦工設(shè)備中,可以感知危險環(huán)境中工作人員、設(shè)備機器、周邊環(huán)境等方面的安全狀態(tài)信息,將現(xiàn)有分散、獨立、單一的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管平臺提升為系統(tǒng)、開放、多元的綜合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管平臺,實現(xiàn)實時感知、準(zhǔn)確辨識、快捷響應(yīng)、有效控制。
物聯(lián)網(wǎng)如何改變工業(yè)自動化
物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)鏈即所謂的DCM(Device、Connect、Manage)跟工業(yè)自動化的三層架構(gòu)是互相呼應(yīng)的,在物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境中,每一層次自原來的傳統(tǒng)功能大幅進化,在Device(設(shè)備)達到所謂的全面感知,就是讓原本的物,提升為智能物件,可以識別或擷取各種數(shù)據(jù);而在Connect(連接)層則是要達到可靠傳遞,除了原有的有線網(wǎng)絡(luò)外更擴展到各種無線網(wǎng)絡(luò);而在Manage(管理)層部分,則是要將原有的管理功能進步到智能處理,對擷取到的各種數(shù)據(jù)做更具智能的處理與呈現(xiàn)。
傳統(tǒng)的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)主要包括3個層次,分別是設(shè)備層(device layer)、控制層(control layer)、以及信息層(information layer)。設(shè)備層的功能是將現(xiàn)場設(shè)備以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的形式掛接在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)上,依照現(xiàn)場總線的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),設(shè)備采用功能模塊的結(jié)構(gòu),通過組態(tài)設(shè)計,完成數(shù)據(jù)擷取、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、溫度壓力補償、PID控制等各種功能;控制層是自動化的基礎(chǔ),從現(xiàn)場設(shè)備中獲取數(shù)據(jù),完成各種控制、運行參數(shù)的監(jiān)測、警報和趨勢分析等功能,控制層的功能一般由工業(yè)計算機或PLC等控制器完成,這些控制器具備網(wǎng)絡(luò)能力以協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信,同時也實現(xiàn)現(xiàn)場總線網(wǎng)段與以太網(wǎng)段的連接;第三層信息層提供實現(xiàn)遠程控制的平臺,并連接到企業(yè)自動化系統(tǒng),同時從控制層提取有關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)用于制定綜合管理決策。
自另一個角度來,物聯(lián)網(wǎng)可以使所謂的自動化跟信息化『兩化融合』的愿景更具體實現(xiàn),自動化業(yè)者長期以來都朝著信息化目標(biāo)前進,在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)下,原先傳統(tǒng)的C/S(Client/Server)架構(gòu),可以轉(zhuǎn)換成B/S(Browser/Server)架構(gòu),在生產(chǎn)制造、智能建筑、新能源、環(huán)境監(jiān)控、以及設(shè)備控制領(lǐng)域有更廣泛的應(yīng)用。具體而言,自動化資料如果沒有經(jīng)過訊息化的集成,一般使用者還是無法使用;同樣的,如果僅有訊息化功能,卻缺乏自動化的內(nèi)容,一樣也是空泛無用,兩者缺一不可。
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與工業(yè)技術(shù)相結(jié)合
與未來先進制造技術(shù)相結(jié)合是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的生命力所在。物聯(lián)網(wǎng)是信息通信技術(shù)發(fā)展的新一輪制高點,正在工業(yè)領(lǐng)域廣泛滲透和應(yīng)用,并與未來先進制造技術(shù)相結(jié)合,形成新的智能化的制造體系。這一制造體系仍在不斷發(fā)展和完善之中。概括起來,物聯(lián)網(wǎng)與先進制造技術(shù)的結(jié)合主要體現(xiàn)在8個領(lǐng)域。
泛在感知網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 建立服務(wù)于智能制造的泛在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系,為制造中的設(shè)計、設(shè)備、過程、管理和商務(wù)提供無處不在的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。目前,面向未來智能制造的泛在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展還處于初始階段。
泛在制造信息處理技術(shù) 建立以泛在信息處理為基礎(chǔ)的新型制造模式,提升制造行業(yè)的整體實力和水平。目前,泛在信息制造及泛在信息處理尚處于概念和實驗階段,各國政府均將此列入國家發(fā)展計劃,大力推動實施。
虛擬現(xiàn)實技術(shù) 采用真三維顯示與人機自然交互的方式進行工業(yè)生產(chǎn),進一步提高制造業(yè)的效率。目前,虛擬環(huán)境已經(jīng)在許多重大工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和研究。未來,虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展方向是三維數(shù)字產(chǎn)品設(shè)計、數(shù)字產(chǎn)品生產(chǎn)過程仿真、真三維顯示和裝配維修等。
人機交互技術(shù) 傳感技術(shù)、傳感器網(wǎng)、工業(yè)無線網(wǎng)以及新材料的發(fā)展,提高了人機交互的效率和水平。目前制造業(yè)處在一個信息有限的時代,人要服從和服務(wù)于機器。隨著人機交互技術(shù)的不斷發(fā)展,我們將逐步進入基于泛在感知的信息化制造人機交互時代。
空間協(xié)同技術(shù) 空間協(xié)同技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)是以泛在網(wǎng)絡(luò)、人機交互、泛在信息處理和制造系統(tǒng)集成為基礎(chǔ),突破現(xiàn)有制造系統(tǒng)在信息獲取、監(jiān)控、控制、人機交互和管理方面集成度差、協(xié)同能力弱的局限,提高制造系統(tǒng)的敏捷性、適應(yīng)性、高效性。
平行管理技術(shù) 未來的制造系統(tǒng)將由某一個實際制造系統(tǒng)和對應(yīng)的一個或多個虛擬的人工制造系統(tǒng)所組成。平行管理技術(shù)就是要實現(xiàn)制造系統(tǒng)與虛擬系統(tǒng)的有機融合,不斷提升企業(yè)認識和預(yù)防非正常狀態(tài)的能力,提高企業(yè)的智能決策和應(yīng)急管理水平。
電子商務(wù)技術(shù) 目前制造與商務(wù)過程一體化特征日趨明顯,整體呈現(xiàn)出縱向整合和橫向聯(lián)合兩種趨勢。未來要建立健全先進制造業(yè)中的電子商務(wù)技術(shù)框架,發(fā)展電子商務(wù)以提高制造企業(yè)在動態(tài)市場中的決策與適應(yīng)能力,構(gòu)建和諧、可持續(xù)發(fā)展的先進制造業(yè)。
系統(tǒng)集成制造技術(shù) 系統(tǒng)集成制造是由智能機器人和專家共同組成的人機共存、協(xié)同合作的工業(yè)制造系統(tǒng)。它集自動化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化于一身,使制造具有修正或重構(gòu)自身結(jié)構(gòu)和參數(shù)的能力,具有自組織和協(xié)調(diào)能力,可滿足瞬息萬變的市場需求,應(yīng)對激烈的市場競爭。
解決工業(yè)領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題
從整體上來看,物聯(lián)網(wǎng)還處于起步階段。物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用還面臨一些關(guān)鍵技術(shù)問題,概括起來主要有以下幾個方面。
工業(yè)用傳感器 工業(yè)用傳感器是一種檢測裝置,能夠測量或感知特定物體的狀態(tài)和變化,并轉(zhuǎn)化為可傳輸、可處理、可存儲的電子信號或其他形式信息。工業(yè)用傳感器是實現(xiàn)工業(yè)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中,要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù),使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài),并使產(chǎn)品達到最好的質(zhì)量??梢哉f,沒有眾多質(zhì)優(yōu)價廉的工業(yè)傳感器,就沒有現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)體系。
工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)是一種由大量隨機分布的、具有實時感知和自組織能力的傳感器節(jié)點組成的網(wǎng)狀(Mesh)網(wǎng)絡(luò),綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等,具有低耗自組、泛在協(xié)同、異構(gòu)互連的特點。工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是繼現(xiàn)場總線之后工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域的又一熱點技術(shù),是降低工業(yè)測控系統(tǒng)成本、提高工業(yè)測控系統(tǒng)應(yīng)用范圍的革命性技術(shù),也是未來幾年工業(yè)自動化產(chǎn)品新的增長點,已經(jīng)引起許多國家學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視。
工業(yè)過程建模 沒有模型就不可能實施先進有效的控制,傳統(tǒng)的集中式、封閉式的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要。工業(yè)過程建模是系統(tǒng)設(shè)計、分析、仿真和先進控制必不可少的基礎(chǔ)。
此外,物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用還面臨工業(yè)集成服務(wù)代理總線技術(shù)、工業(yè)語義中間件平臺等關(guān)鍵技術(shù)問題。
智能工業(yè)的價值
工業(yè)化的基礎(chǔ)是自動化,自動化領(lǐng)域發(fā)展了近百年,理論,實踐都已經(jīng)非常完善了。特別是隨著現(xiàn)代大型工業(yè)生產(chǎn)自動化的不斷興起和過程控制要求的日益復(fù)雜營運而生的DCS控制系統(tǒng),更是計算機技術(shù),系統(tǒng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和多媒體技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。DCS的理念是分散控制,集中管理。雖然自動設(shè)備全部聯(lián)網(wǎng),并能在控制中心監(jiān)控信息而通過操作員來集中管理。但操作員的水平?jīng)Q定了整個系統(tǒng)的優(yōu)化程度。有經(jīng)驗的操作員可以使生產(chǎn)最優(yōu),而缺乏經(jīng)驗的操作員只是保證了生產(chǎn)的安全性。是否有辦法做到分散控制,集中優(yōu)化管理?需要通過物聯(lián)網(wǎng)根據(jù)所有監(jiān)控信息,通過分析與優(yōu)化技術(shù),找到最優(yōu)的控制方法,是物聯(lián)網(wǎng)可以帶給DCS控制系統(tǒng)的。
IT信息發(fā)展的前期其信息服務(wù)對象主要是人,其主要解決的問題是解決信息孤島問題。當(dāng)為人服務(wù)的信息孤島問題解決后,是要在更大范圍解決信息孤島問題。就是要將物與人的信息打通。人獲取了信息之后,可以根據(jù)信息判斷,做出決策,從而觸發(fā)下一步操作;但由于人存在個體差異,對于同樣的信息,不同的人做出的決策是不同的,如何從信息中獲得最優(yōu)的決策?另外“物”獲得了信息是不能做出決策的,如何讓物在獲得了信息之后具有決策能力?智能分析與優(yōu)化技術(shù)是解決這個問題的一個手段,在獲得信息后,依據(jù)歷史經(jīng)驗以及理論模型,快速做出最有決策。數(shù)據(jù)的分析與優(yōu)化技術(shù)在兩化融合的工業(yè)化與信息化方面都有旺盛的需求。
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