隨著物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、智能制造等先進(jìn)技術(shù)理念的不斷涌現(xiàn)，以及“中國制造”規(guī)劃的出臺(tái)，為響應(yīng)國家實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略目標(biāo)，各企業(yè)紛紛為提升自身技術(shù)能力而努力，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)及設(shè)備。

然而并非所有企業(yè)都有能力進(jìn)行相關(guān)設(shè)備的更新?lián)Q代，而且大規(guī)模的設(shè)備更新?lián)Q代會(huì)造成社會(huì)資源的極大浪費(fèi)，不少的陳舊設(shè)備仍具有較高的使用價(jià)值，由此看來，若條件合適，改造相關(guān)設(shè)備較更換設(shè)備而言能夠降低成本，創(chuàng)造更大的商業(yè)價(jià)值。物聯(lián)網(wǎng)可以稱得上是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0與智能制造必要條件，是加速工業(yè)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)的重要力量。因此，針對(duì)工廠的物聯(lián)網(wǎng)改造具有很可觀的前景和市場(chǎng)。

一、物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)概述


物聯(lián)網(wǎng)（internetofthings,iot）是通訊網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的拓展應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)延伸，它利用感知技術(shù)與智能裝置對(duì)物理世界進(jìn)行感知識(shí)別，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸互聯(lián)，進(jìn)行計(jì)算、處理和知識(shí)挖掘，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物的信息交互和無縫鏈接，達(dá)到對(duì)物理世界的實(shí)時(shí)控制、精確管理和科學(xué)決策是目的[1]。而本文所提及的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（

industrialinternetofthings，iiot）是物聯(lián)網(wǎng)眾多領(lǐng)域應(yīng)用中的一種，是物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。


工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)往往是針對(duì)一個(gè)工廠甚至是多個(gè)工廠，覆蓋幾十甚至是上百臺(tái)設(shè)備。因此與普通的物聯(lián)網(wǎng)相比，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)需要更低的延時(shí)、更高的可靠性、更廣的覆蓋范圍、更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和辨別力，同時(shí)還需要有較高的兼容性和后期的技術(shù)升級(jí)等要求[2]。

物聯(lián)網(wǎng)通常可以分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層可以比作人的五官和肢體，由多樣化采集和控制模塊組成，可以進(jìn)行設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備的智能控制；網(wǎng)絡(luò)層可以比作人的神經(jīng)和血管，通過聯(lián)合短距離無線通訊、工業(yè)網(wǎng)關(guān)和opcua等技術(shù)，融合工業(yè)以太網(wǎng)、無線通訊網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)從而將各物端設(shè)備、采集和控制模塊等的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的安全高效的傳輸以及工業(yè)流程的優(yōu)化；應(yīng)用層可以比作人的大腦和行為，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存、分析、預(yù)測(cè)和優(yōu)化，從而為工業(yè)系統(tǒng)運(yùn)行提供高效的決策執(zhí)行能力。


二、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)改造應(yīng)用


1．感知層改造應(yīng)用


感知層是整個(gè)iiot的基礎(chǔ)，整個(gè)iiot就算建設(shè)地再好，若是沒有感知層完整真實(shí)的數(shù)據(jù)做支持，那也只是一個(gè)華麗的空殼，無法產(chǎn)生實(shí)際效益。


而一些陳舊設(shè)備通常是不具備數(shù)據(jù)采集和傳輸功能的，因此就需要對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的改造。根據(jù)技術(shù)要求，加裝相應(yīng)的智能模塊，例如：通過智能電表來采集設(shè)備的實(shí)時(shí)電流、功率和能耗等；通過溫控器來采集設(shè)備的溫度數(shù)據(jù)；通過轉(zhuǎn)速儀來采集旋轉(zhuǎn)設(shè)備的轉(zhuǎn)速，若是有變頻器等控制器則可直接讀取其參數(shù)……


在改造過程中肯定會(huì)遇到各式各樣的設(shè)備，而不同設(shè)備制造商所采用的工業(yè)自動(dòng)化元件亦會(huì)大不相同?，F(xiàn)如今各品牌甚至是各型號(hào)的工業(yè)自動(dòng)化元件所支持的通訊協(xié)議、格式等存在差異，各設(shè)備所采用的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)存在不同，所以就需要在終端加裝一個(gè)具備數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸?shù)裙δ艿墓I(yè)自動(dòng)化元件，比如plc、hmi等。將物端所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和處理，從而使同種數(shù)據(jù)所采用的標(biāo)準(zhǔn)相同，并且采用相同的通訊技術(shù)來傳輸數(shù)據(jù)。

在終端采集各智能模塊數(shù)據(jù)時(shí)，由于同一采集終端上各模塊間距離不會(huì)太遠(yuǎn)，因而大多采用rs-485通訊，其的特點(diǎn)就是在當(dāng)前的智能模塊上應(yīng)用廣泛，通用性高。但rs-485也存在不少缺點(diǎn)，最主要的就是傳輸距離在實(shí)際應(yīng)用上存在很大的限制以及其抗干擾能力較差，因此，rs-485只適用于短距離通訊，并且要做好抗干擾措施。在一些有特殊要求或無法布線的區(qū)域可以采用無線ap等智能模塊來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。


2．網(wǎng)絡(luò)層改造應(yīng)用


網(wǎng)絡(luò)層是iiot的前提，它將所有感知層的終端連接到應(yīng)用層上，若沒有網(wǎng)絡(luò)層，那整個(gè)iiot就將癱瘓，無法形成一個(gè)整體。

在工廠級(jí)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改造中，往往需要很廣的覆蓋面，因此大多會(huì)采用工業(yè)以太網(wǎng)、無線通訊網(wǎng)、移動(dòng)通訊網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)，而工業(yè)以太網(wǎng)相對(duì)而言無需額外加裝無線通訊組網(wǎng)設(shè)備，總的來說成本比較低，所以工業(yè)以太網(wǎng)被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)層改造中。但在一些特殊區(qū)域無法布線的或者一些裝置對(duì)于便攜性要求高等情況下，無線通訊網(wǎng)和移動(dòng)通訊網(wǎng)就能夠發(fā)揮其不可的替代的作用。

3．應(yīng)用層改造應(yīng)用


應(yīng)用層是整個(gè)iiot的中樞，它將所有采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存、分析、運(yùn)算和優(yōu)化，還可以發(fā)布指令來控制物端設(shè)備，若是沒有應(yīng)用層，數(shù)據(jù)采集上來得不到處理，那就只是一個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)控的作用，iiot的實(shí)際價(jià)值也就無法體現(xiàn)。應(yīng)用層主要是向工廠及企業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營等活動(dòng)提供信息與服務(wù)。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過信息處理后可以接入到制造執(zhí)行系統(tǒng)（mes）、企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)（epr）、產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)（plm）等應(yīng)用中。


三、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)改造實(shí)例


筆者曾經(jīng)參與并部分主導(dǎo)過一個(gè)工廠級(jí)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)改造項(xiàng)目。該項(xiàng)目主要是采集相關(guān)設(shè)備的能耗、電流、功率、當(dāng)前溫度、設(shè)定溫度、轉(zhuǎn)速、運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并最終反饋至mes系統(tǒng)中。該項(xiàng)目中使用了近30臺(tái)采集型plc來負(fù)責(zé)采集近60臺(tái)設(shè)備的數(shù)據(jù)。改造的工廠是一家生產(chǎn)滌綸纖維母粒的企業(yè)，具有近20年的歷史，其內(nèi)部使用的設(shè)備具有數(shù)量多、種類和型號(hào)雜、新舊不一等現(xiàn)象，這些都給工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)改造帶來了不小的挑戰(zhàn)。


1．感知層改造


該工廠的設(shè)備新舊程度不一，種類和型號(hào)雜多，除個(gè)別幾臺(tái)新設(shè)備具有數(shù)據(jù)采集功能以外，其余設(shè)備均不具備相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集能力。因此，在本項(xiàng)目中共計(jì)對(duì)該工廠的57臺(tái)設(shè)備進(jìn)行了相應(yīng)的改造。


工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

對(duì)其中的52臺(tái)設(shè)備加裝了臺(tái)達(dá)dpmd520i智能電表及dct-s211c型號(hào)ct互感器，用來采集相關(guān)設(shè)備的電流、功率、能耗等數(shù)據(jù)；針對(duì)切粒機(jī)設(shè)備的移動(dòng)性質(zhì)，采用了臺(tái)達(dá)

dvw-w02w2-e2ieee802.11a/b/g/n工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)ap/wds/client網(wǎng)關(guān)（無線ap）來負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和進(jìn)行無線通訊；將烘箱、結(jié)晶機(jī)等設(shè)備設(shè)備上原有老舊的溫控器更換為同體積的臺(tái)達(dá)dt360ra-、dt340ra-、dt320ra-等具備通訊功能的溫控器；針對(duì)擠出機(jī)設(shè)備的溫度數(shù)據(jù)采集組數(shù)多的情況，出于成本考慮，最終決定在終端plc上擴(kuò)展臺(tái)達(dá)dvp-04tc-s溫控模塊用以采集設(shè)備的熱電偶數(shù)據(jù)，原有的溫控器不做調(diào)整。


除此以外，該項(xiàng)目中還布置了26臺(tái)具有多種通訊功能的臺(tái)達(dá)dvp-12se型號(hào)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)階薄型plc主機(jī)，通過rs-485通信技術(shù)來進(jìn)行各模塊的數(shù)據(jù)采集。除需采集上述加裝的智能設(shè)備外，plc還需采集13臺(tái)擠出機(jī)上原有的共計(jì)26臺(tái)變頻器的運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。其種類包含了安川、臺(tái)達(dá)、艾默生、博世力士樂等11種品牌的20余種型號(hào)。幸運(yùn)的是，所有變頻器均有rs-485通訊接口，且大多數(shù)都支持modbus485通訊協(xié)議，只有極個(gè)別變頻器采用了非標(biāo)準(zhǔn)485通訊協(xié)議。plc除了采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，還將部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了相應(yīng)的運(yùn)算，從而將同種類但標(biāo)準(zhǔn)不同的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為同一標(biāo)準(zhǔn)。


2．網(wǎng)絡(luò)層改造


由于該項(xiàng)目是工廠級(jí)改造，其覆蓋范圍廣，設(shè)備數(shù)量多，數(shù)據(jù)量大，且需要較低的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)，因此綜合成本考慮采用工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，并將廠區(qū)分為三個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域分別放置一個(gè)臺(tái)達(dá)dvs系列的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，所有的plc及無線ap通過各區(qū)域的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)最終匯聚到一臺(tái)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)上并與工控機(jī)相連接。


3．應(yīng)用層改造


該項(xiàng)目的應(yīng)用層改造中采用了亞控科技的數(shù)據(jù)通訊平臺(tái)（kingioserver3.7sp1）將iiot中所有的數(shù)據(jù)作采集、監(jiān)視和傳輸?shù)忍幚?，同時(shí)建立sql數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并建立opcserver，最終將數(shù)據(jù)發(fā)布給mes系統(tǒng)，由mes系統(tǒng)進(jìn)行更深層次的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理。


4．改造效果


該項(xiàng)目改造完成后，所有數(shù)據(jù)都接入了該工廠的mes系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各設(shè)備是實(shí)時(shí)監(jiān)控，各生產(chǎn)班組長(zhǎng)還可以通過mes系統(tǒng)的手持pad以掌握其所轄設(shè)備的生產(chǎn)狀態(tài)，處理生產(chǎn)任務(wù)等。在經(jīng)過一段時(shí)間的數(shù)據(jù)積累后，可以對(duì)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、運(yùn)算和優(yōu)化，對(duì)生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行合理分配，協(xié)調(diào)所有生產(chǎn)設(shè)備，從而有效提高生產(chǎn)效率。

5.難點(diǎn)說明


筆者認(rèn)為該項(xiàng)目的難點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：1、該工廠所使用的設(shè)備和工控元件種類繁多，例如上文所訴述變頻器等，這就需要花費(fèi)時(shí)間去了解各型號(hào)的工控元件所具有的通訊功能，盡量選取通用的通訊技術(shù)，若有個(gè)別工控元件不具備，則需要進(jìn)行通訊轉(zhuǎn)換，最簡(jiǎn)單的方法就是加裝一個(gè)相應(yīng)的通訊轉(zhuǎn)換器；2、此項(xiàng)目需要采集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，陳舊設(shè)備上大多數(shù)是沒有對(duì)運(yùn)行狀態(tài)做界定的，這就需要介入設(shè)備的控制本體了，而接入設(shè)備控制本體具有一定的風(fēng)險(xiǎn)，因此需要工廠技術(shù)人員的協(xié)助，并需要對(duì)設(shè)備具有一定程度的了解。3、有的陳舊設(shè)備時(shí)間久遠(yuǎn)，導(dǎo)致標(biāo)示不清，甚至?xí)霈F(xiàn)一些不符合標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象。在本項(xiàng)目中就出現(xiàn)過設(shè)備配電線路相序顛倒，導(dǎo)致智能電表采集的數(shù)據(jù)異?；虼嬖赽ug的現(xiàn)象，對(duì)于經(jīng)驗(yàn)不足的人就會(huì)產(chǎn)生巨大的困擾。


6．技術(shù)升級(jí)

該工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所采用的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，且各結(jié)構(gòu)層都設(shè)計(jì)了預(yù)留裝置和空間，方便后期新增設(shè)備的接入。該項(xiàng)目中的各個(gè)終端均布置了plc，所以在進(jìn)行一些設(shè)備控制上的簡(jiǎn)單介入后就可以由應(yīng)用層對(duì)終端的plc發(fā)布指令，最終通過plc來控制終端的每臺(tái)設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)智能控制功能。


四、設(shè)備改造與設(shè)備換新之間的選擇


對(duì)于升級(jí)iiot是選擇改造還是換新？這就需要從事項(xiàng)的緊要程度、對(duì)技術(shù)的要求、安全性的要求、兼容性、成本效益等方面進(jìn)行考慮[3]。


1.事項(xiàng)對(duì)緊要程度


從時(shí)間上來算，一臺(tái)設(shè)備的改造要遠(yuǎn)比設(shè)備換新所需要的時(shí)間短得多，設(shè)備改造一般僅需幾個(gè)月即可，而設(shè)備換新從立項(xiàng)開始算，經(jīng)過詢價(jià)比價(jià)（或招標(biāo)）、制造、安裝調(diào)試、試生產(chǎn)等環(huán)節(jié)至少需要一年以上。


2．技術(shù)要求


在技術(shù)方面，毋庸置疑的，新購設(shè)備的技術(shù)性肯定是高于改造設(shè)備的。然而改造設(shè)備是能夠根據(jù)需求來定制的，而新購設(shè)備或多或少會(huì)有些功能閑置。這就需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況來選擇了。


3．安全性


無論何時(shí)何地，數(shù)據(jù)的安全性往往都是非常重要的。如果工廠之前對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全進(jìn)行了部署，那么改造計(jì)劃就更加可行了；若之前未進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全部署或安全性能不達(dá)標(biāo)，那就需要部署新的安絡(luò)了。當(dāng)然有一種情況是例外的，如果工廠只將iiot接入內(nèi)網(wǎng)而不接入外網(wǎng)的情況下，就基本不用考慮來自互聯(lián)網(wǎng)的威脅了。

4.兼容性


當(dāng)今世界各工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)商之間的競(jìng)爭(zhēng)愈來越烈，這也導(dǎo)致各大廠商紛紛布局自己特有的通訊模式和協(xié)議。這也就導(dǎo)致了不同廠家生產(chǎn)的新設(shè)備之間以及與現(xiàn)有設(shè)備之間的兼容性越來越差。當(dāng)前我國正在一個(gè)傳統(tǒng)老舊設(shè)備更新?lián)Q代的階段[4]，物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)也是百家爭(zhēng)鳴，未形成最終標(biāo)準(zhǔn)。因此即使是新購設(shè)備也無法保證其兼容性。而進(jìn)行設(shè)備改造則可以自由選擇合適的工業(yè)自動(dòng)化元件，其靈活性高，兼容性也能得到相應(yīng)的提升。


5.成本效益


陳舊設(shè)備的改造是要基于其本身仍具有一定使用價(jià)值的基礎(chǔ)上，要是設(shè)備本身的使用價(jià)值已所剩無幾，那也就不存在什么改造價(jià)值了，即使進(jìn)行了改造，也可能會(huì)因?yàn)椴痪煤蟮脑O(shè)備淘汰而造成白白的浪費(fèi)。所以如果設(shè)備本身存在較高的使用價(jià)值，則設(shè)備改善優(yōu)于設(shè)備換新。如果設(shè)備本身的使用價(jià)值比較低，那就建議直接選擇設(shè)備換新。


五、結(jié)語


工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的改造具有周期短、靈活性高、兼容性廣、低成本優(yōu)點(diǎn)，所以綜合考慮，現(xiàn)今大多數(shù)企業(yè)若想進(jìn)行工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)改造，最佳的選擇還是對(duì)原有的設(shè)備進(jìn)行改造。但若是新建的工廠或者對(duì)于設(shè)備的技術(shù)要求高而現(xiàn)有設(shè)備已無法滿足其要求的情況下，那就建議進(jìn)行設(shè)備換新，因?yàn)闊o論改造技術(shù)多厲害，都會(huì)受到設(shè)備本身的技術(shù)限制。若進(jìn)行設(shè)備換新的話，需進(jìn)行長(zhǎng)遠(yuǎn)的打算，在購買設(shè)備前就得考慮好后期設(shè)備之間的兼容性，需要求設(shè)備廠商開放既定的通訊功能，方便后期與其他設(shè)備的互聯(lián)互通。