物聯網帶給工業自動化的創新機遇

顧 亮， 楊 萍

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

0 引言

“感知中國”這個主題即是發展建設中國的物聯網。國內的物聯網產業方興未艾，在工業、農業、交通、電力、醫療、物流等領域迅速推廣。物聯網與工業自動化在不少方面有很強的相關性，物聯網向工業自動化借鑒技術和經驗的同時，也帶給工業自動化創新機遇。

1 物聯網概念

物聯網（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備經通信網絡連接集成，實現互聯互通，并根據應用需求進行數據采集和分析、對設備進行管理和控制的系統。

物聯網的系統結構層次可歸結為：設備層、連接層和應用層，它融合了智能芯片、網絡通信、云計算等硬件設備和軟件技術，不僅會升級換代既有應用，還將涌現大量創新應用。

建設物聯網是當今科學技術發展與應用需求相適應而衍生的系統工程。物聯網的應用領域日益廣泛，已經在提高生產效率、保障生產安全、節能減排、保護生態和便捷生活等許多方面發揮作用。滿足人類多種多樣的需求是設計物聯網的立足點，為人類提供多元化的服務是建設物聯網的根本目的。

2 物聯網與工業自動化

物聯網對設備的調用，首先要求可以監視目標設備的運行狀態，并獲取其感知數據，進一步要求可以控制目標設備，調整其運行狀態、執行特定動作。工業自動化對設備的控制亦是如此。物聯網與工業自動化采用的硬件產品相仿、軟件技術相通，使用目的也相似，差別在于，物聯網是跨行業的，有更廣泛的服務對象和應用需求。工業自動化可被看作是廣義物聯網的部分內容。

可見，物聯網和工業自動化息息相關。

2011年7月，工業和信息化部印發《產業關鍵共性技術發展指南（2011年）》，要求做好產業關鍵共性技術的研究開發。在包括裝備制造業、軟件和信息技術服務業在內的多個行業中，都有物聯網相關技術被列為關鍵共性技術。

2012年2月，工業和信息化部印發《物聯網“十二五”發展規劃》，發展目標包括：在重點行業和九個重點領域明顯提高物聯網應用水平，形成可持續發展的運營模式，并完成一批應用示范工程。九個重點領域中包括智能工業。

2012年7月，全國科技創新大會指出到2020年的目標是：基本建成適應社會主義市場經濟體制、符合科技發展規律的中國特色國家創新體系。

當前，物聯網的發展勢頭迅猛，而工業自動化的發展相對較為遲緩。為了不錯失“十二五”這一千載難逢的發展機遇期，為了不錯失物聯網這一潛力巨大的新興產業市場，工業自動化需要創新，快步追趕新潮流。

3 工業自動化的創新

3.1 項目中存在的情況

工業自動化項目時常存在這樣的情況：根據設計目標對設備性能的要求和對成本控制的需要，在關鍵環節使用A廠商的高端電控設備，在一般環節使用S廠商的中端電控設備；或是對既有系統的改造升級，部分低端電控設備利舊，再加配一些新的中端電控設備。不同廠商的電控設備所配套的下位編程軟件、上位監控軟件皆不相同，信號傳輸協議互不兼容；同一廠商的低、中、高端產品因處理器級別和內存容量的高低，所配套的編程語言版本也不相同，數據標準存在差異。這些情況通常導致項目沒有集成出總控系統，而出現多個獨立運行的小系統，需要依靠懂技術有經驗的現場人員分別操控，項目的自動化水平因此遭到削弱：生產效率勉強達標、生產安全存有隱患、生產數據不易即時統計分析、不利于ERP等系統調配資源、未來改造升級的技術難度及預算成本陡增，同時帶給現場人員很重的工作負擔，更無法擴展系統應用范圍、延伸相關業務。

期待電控設備廠商在短時間內統一數據標準并升級現有產品是不切實際的。因此，工業自動化的創新是非常必要的，也是迫切的。

3.2 工業自動化需要創新

對可編程控制器等下位電控設備的熟練使用，是工業自動化的絕對技術優勢。在上位軟件方面，目前主要使用由電控設備廠商提供的與其設備配套的監控軟件，其功能是否充足、運行是否穩定、界面是否友好，各廠商的軟件質量參差不齊，這在很大程度上決定了自動化系統的優劣。而電控設備廠商出于保護自身知識產權等因素的考慮，不大可能無償提供數據接口供其它上位軟件調用，系統集成商對其進行二次開發的可行性很低。

另外，重硬件，包括機械設備、電控設備等，輕軟件，包括網絡技術、高級編程技術等，是工業自動化領域存在的弊病。

現在，要改變這種狀況，處理好硬件建設與軟件提升的關系，充實更多軟件技術進入工業自動化領域，改進現有系統架構，統一數據標準，通過自主開發中間件，在實現自動化系統總集成的基礎上，進一步完善系統功能、提高系統安全性，再適當擴展系統應用范圍。

3.3 以中間件做為系統架構的核心

創新的第一步就是改進現有系統架構，以中間件做為系統架構的核心。

OPC（Object Linking and Embedding for Process Control）工業標準由OPC基金會制定并維護。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備廠商。

OPC工業標準發展至今已日趨完善，各大電控設備廠商的中、高端產品均支持該標準，同時公開了相應的API及使用指南。遵循OPC標準開發中間件是搭建廣適的數據訪問接口的解決方案，它可以做為上位軟件和下位電控設備相互傳遞信號的橋梁，同時為多項應用提供服務。OPC統一框架（Unified Architecture）的目的是：更加便捷的開發兼容性強、高效、安全、可靠的應用，這也正是物聯網的系統應具備的特質。

如此改進系統架構，便于統一數據標準，便于系統總集成，便于未來升級改造，有助于增強系統安全，最主要的是可以促進應用創新。

圖1 OPC統一框架

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框架的開發工具Visual Studio 2010是目前Windows應用程序的主要開發工具之一，可以用它開發OPC中間件。如此，自主開發出的OPC中間件在未來五至十年都將保持很強的生命力。

有了自主開發的OPC中間件，再開發Browser/Server或是Client/Server結構的監控應用都可謂水到渠成；還可以方便的將整個自動化系統的運行過程數據存儲起來，做為日后統計分析、優化系統、查尋故障的基礎資料；甚至可以為ERP、MES等系統提供專用的數據接口。

3.4 選配適宜組網的電控設備

由于有OPC中間件的支撐，得以在控制成本的同時，靈活選配適宜組網的電控設備，避免系統中出現“孤島”。另外，IPv6網絡技術及相應網絡設備，為工業自動化系統中使用大量電控設備組網，提供了充足的技術保障。

帶有以太網端口或無線以太網模塊的智能傳感器，可以直接接入以太網，部署速度快。但這類設備普遍價格較高，且有的型號依賴以太網遠程供電。對于無邏輯運算要求、功能簡單、數據傳輸流量較大的應用，適宜選配這類設備。

使用ZigBee技術的無線傳感器具有功耗低、通信延時低、產品價格低的優點，適合用于功能簡單、通信距離短、數據傳輸流量低的應用。

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

可編程控制器可以執行較復雜的邏輯運算，是工業自動化項目不可或缺的主要電控設備。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備做較復雜的動作。產品價格較高、部署較復雜是它的特點。

以上這幾類設備中有大量產品兼容OPC標準，可以通過OPC中間件受控于自動化系統。根據設計目標，選配適宜的感應器和可編程控制器等電控設備，采用現場總線技術和以太網技術搭配組網，集成出健康且高效的工業自動化系統。

3.5 擴展系統應用范圍

OPC中間件也是工業自動化系統擴展應用范圍的基礎。

可以通過中間件與云端軟件平臺交互數據，借助云計算整合資源，擴展系統應用范圍，延伸相關業務。如此一來，自動化系統不僅為生產制造服務，也可以為機構、企業、終端消費群體等對象提供定制服務，例如：共享工作區內的部分環境感應器，為地區環境監測提供實時數據；提供閑置設備的租賃服務，允許租戶實時掌握生產進度情況；提供從接受訂單開始，到定制裝配，到成品入庫，到物流配送、到使用監測、到保養檢修、到回收處理的產品全生命期服務。

4 可預見的收益

物聯網產業市場的潛力巨大，有機構預測，到2015年，國內物聯網產業規模將超過5000億元（人民幣）。工業自動化經過技術創新和應用創新，還需要延伸相關業務，加入物聯網產業市場的競爭行列，進而獲得收益，保障發展的可持續性。

可以預見的收益大致如下：

1）以自主開發的OPC中間件做為系統核心，集成出的自動化系統，可以申報知識產權。擁有關鍵知識產權，在未來的市場競爭中占有絕對優勢。

2）自主開發的OPC中間件可以做為獨立的軟件產品，推廣銷售。

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

4）改進后的系統架構，便于應用創新，例如遠程診斷和排除故障，或是開發出直面終端消費群體的應用。

5）有了成功的建設經驗，可以對外提供相關咨詢服務，包括系統設計、項目建設、投產運行期間的合理化建議等。

5 結論

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

“十二五”期間，是工業自動化領域突破式發展的歷史機遇期，我們必須增強機遇意識、憂患意識、責任意識，破除一切束縛創新的思想觀念枷鎖，順應政策導向和市場需求，通過規劃單位、建設單位、設計單位、施工單位等的共同努力，融合共性技術，堅持自主創新，通過技術創新帶動應用創新，并延伸相關業務，達成可持續發展的運營模式，同時積極參與物聯網的建設。

[1] 周洪波.物聯網技術、應用、標準和商業模式[M].北京: 電子工業出版社, 2010 .

[2] 源自OPC 基金會的部分資料, http://www.opcfoundation.org.