物聯網技術在煙草機械設備中的應用分析

劉 軍 ，向 濤 ，李墨慶

（云南省煙草煙葉公司，云南 昆明 650000）

在煙草行業中，物聯網技術的應用最早是建立在共享信息基礎上的銷售環節上，而在機械設備上的物聯網應用，大部分還停留在控制系統的控制端聯網階段，應用層次比較淺薄，而且煙草機械在使用過程中存在的問題并沒有得到很好解決。所以，如何根據煙草機械的實際情況，將物聯網技術優勢發揮到最大，并加以應用，就顯得非常重要。

1 物聯網技術概述

物聯網是通信網絡和互聯網的一種延伸，通過傳感器和智能設備來感知和識別物理世界，并通過網絡的傳輸連接起來，實現對物理世界的實時控制、精準管理和科學決策[1]。利用物聯網技術，煙草企業可以通過二維碼等信息搜集設備，獲得所需的相關信息。通過互聯網，不僅確保了信息的準確輸出，而且當收集到大量信息時，還能確保信息被傳送到需求方，這就是物聯網技術的信息傳輸性能。企業充分運用計算機技術，智能分析和控制信息，實現煙草生產管理的智能化。物聯網由感知層、網絡層和應用層三部分組成，物聯網基本架構如圖1所示。感知層可以利用傳感器實現對煙葉物料信息的傳輸，在現實世界中也可以進行智能的解析、傳輸和控制，將網絡層和應用層連接起來。網絡層完成了感知參數和控制參數的獲取、傳輸，并對消息進行管理。應用層將物聯網行業的專業技術融合在一起，將生產過程中的材料信息與設備信息集成，為物聯網提供參數，并將其融入生產鏈中，使得煙草機械設備的自動化程度和智能化程度更高。

圖1 物聯網基本架構

2 將物聯網技術應用于煙草機械設備的優勢

首先，通過物聯網技術，能夠實現對煙草機械設備的精準管理。精準管理是煙草機械設備信息化的重要目標之一，將物聯網標簽嵌入到任何一臺煙草機械設備上，就能為其提供唯一的標識，并對其進行準確的管理[2]。標簽上所記載的信息應包括從生產到銷售的全生命周期，有了這張標簽，就能知道有關機械設備的一切情況。其次，利用物聯網技術，真正實現對物流工具、機械設備的實時可視化管理，這是現代機械設備管理所追求的目標。從管理角度來看，可視化管理煙草機械設備，可以大大提高管理效率，促進管理目標的實現。借助物聯網技術，可以在每臺機械設備上貼上物聯網標簽，隨時感知運行狀態，并將其反饋到后臺管理平臺。利用智能化過程提示管理者正確操作，實現可視化管理。最后，通過物聯網技術，可以實現智能管理煙草機械設備。煙草機械設備在運行過程中，可能會發生突發性事故，從而威脅到人員的生命安全。目前，該事件的處理以人工為主，反應時間較長。物聯網技術能及時反映出機械設備的技術狀態，在管理信息系統中，能使管理人員更好地掌握機械設備的整體狀況，幫助管理人員作出正確的決策，規避風險，提高設備的使用效率和安全性。

3 物聯網技術在煙草機械設備中的應用問題

目前，煙草機械設備控制中存在的主要問題是自動化水平不高、管理系統不方便等。對煙草機械設備自動化水平及其相關信息的了解，往往只停留在設備層面，有些車間、工廠與制造商之間的聯系仍然非常少[3]。由于生產廠家對設備的維修與診斷不夠及時，所以設備單獨運行時很難獲得最優的性能。同時，煙草企業也很難獲得設備的生產參數，根據實際操作情況來改進和完善設備。因此，在開發過程中，無法充分發揮設備的性能。在設備的日常維護過程中，維護組和其他組之間的溝通不暢。煙草機械設備與物聯網相結合，可以解決機械設備遠程診斷和其他一些問題。隨著生產廠家對設備運行管理的不斷加強，對設備運行數據的采集、設備診斷和遠程維護提供了極大的便利。目前，無論是設備的生產廠家還是用戶，維護設備的費用都很高。實現遠程維護，既能提高系統的響應速度，又能節約大量的資源。設備制造商必須接受設備改善工藝數據，以利于設備的不斷完善。產品質量可追溯，確保了生產廠家與產品間的相互聯系，便于物聯網與后續流通體系的銜接。因此，有必要把煙草機械設備接入到開放式的物聯網平臺中。

4 物聯網技術在煙草機械設備中的應用方案

4.1 基礎方案

機械設備通過射頻識別芯片或打印出來的條形碼，就可以代表該機械設備的基本信息[4]。然而，作為“物體”的設備卻要復雜得多，在沒有融合傳感器數據的情況下，根本無法將設備的狀態表現出來。機械設備的功能是與其他設備、環境相關聯的。因此，需要指令層向云平臺發送設備信息。描述層要有良好的狀態，同時要有歷史信息以及與外部關系最為密切的信息，稱為“個性化設備描述”；描述層不僅要描述傳感器數據，還要用傳感器來描述用戶干擾下的信息。該系統可為早期預警、遠程診斷、遠程維護、數據采集、生產設備和產品的連接等提供重要的基礎。這一過程的核心是對個性化設備的理解與控制，而不只是對其進行識別。以膨化解析設備為例，設備說明書中的信息既包含內部信息，又包含外部信息，包括水分、充裝值、產品進出口溫濕度等主要外部數據，這些數據對于改善生產狀態、提高產能利用率和進行診斷具有重要意義。

完整的設備說明還要求有“經驗組件”，描述設備的全生命周期數據，如歷史數據、維護信息、檢測記錄等。遺傳數據反映了原始設計能力與裝備的限制條件；外部信息的組成部分包括可接受的指示、對設備反應的影響等，這些信息描述了設備運行所需要的全部生命周期數據[5]。通過對設備進行有效的描述，利用現有的互聯網技術及物聯網協議，可以向云端傳輸與設備相關的信息。煙草機械設備系統主要包括自動控制系統、各類傳感器、手動記錄狀態、機械設備信息等。現有的通信系統是傳輸部分，而云存儲部分是云系統部分。移動終端運營平臺，如App、瀏覽器、應用程序等，代表了設備廠商連接煙草機械設備的物聯網架構，具體如圖2所示。

圖2 煙草機械設備物聯網體系結構

從軟件協議、網絡選擇等方面來看，物聯網生產層的通信環境主要有以太網、無線網、5G等。對于遠程改造工程來說，5G網絡非常方便，但是因為5G網絡的特殊性，必須定期進行更新。如果是網絡設計比較好，可以選擇Wi-Fi。軟件協議可為AMQP、JMS、Rest/HTTP等，CoAP協議的一切工作都建立在Ethernet的基礎上[6]。

4.2 優化方案

煙草機械設備物聯網系統能夠遠程診斷并維護設備，遠程云端監測設備的程序能夠被用來監控設備的運行、危險部件的磨損、設備關鍵部件的傳感器信號，甚至還能夠將視頻信息接入到遠程控制維護系統中，為遠程診斷和故障維護提供網絡服務[7]。在設備運行過程中，數據報警、事件等相關信息與設備特性及專家經驗結合起來，遠程診斷及故障報警后，煙草機械設備物聯網系統可以及時管理運行生產的狀況，實現對設備控制的遠程維護，方便信息與知識的共享及分布式存儲，促進設備的優化運行與管理。通過云設備，可以實現遠距離監控以及SPS程序的下載，從而為煙草企業節省大量的維護費用。

4.3 風險控制

云控制在給系統運行、服務帶來舒適度的同時，也增加了設備風險。因此，在監控煙草機械設備時，首先要考慮的就是控制系統的安全性。本研究提出了物聯網面臨的各種安全威脅，基本特征和普通網絡安全的類型具有一致性。物聯網不僅與物理設備、生產設備的運行狀態密切相關，更可被視為設備的一部分。因此，物聯網不僅具有威脅網絡信息安全的特征，還具有不可預知性，需要將物聯網與設備間的安全狀況作為一個特殊的安全要求加以考慮。從工廠控制角度提出煙草機械設備物聯網操作安全方式，指出在進行安全分級時，應該考慮的主要因素有：設備操作能力與物聯網的關聯度、設備和物聯網之間的安全隔離機制。就物聯網數據安全而言，機械設備的安全等級可分為5個等級，其中最低級是用戶最為不確定的一個等級，這容易造成以下情況：該設備無主控制，數據易被泄露。對于煙草機械設備的用戶來說，最高級是最安全的。這種設備只保留了部分與第三方的物理連接功能，而連接性能則由用戶來決定，具有最高的安全性能。從上述分類定義來看，安全等級的提高與物聯網安全風險的下降之間存在著很強的正向關系。

5 物聯網技術在煙草機械設備中的應用策略

5.1 物聯網技術實現業務流程的構建

煙草機械設備是生產、運輸的關鍵，直接影響企業自身的生產能力和產品質量。然而，從目前煙草機械設備的實際操作情況來看，操作存在著技術支撐不足、孤立狀態等問題，嚴重影響了機械設備的正常使用。所以，在分析煙草機械設備中物聯網技術的實際應用時，可以以無線射頻這一物聯網應用模式為基礎，與制造商建立高效的交互機制，以確保煙草機械設備的運行效率和效果，不斷提升煙草機械設備的應用水平。例如，在實際應用中，將無線射頻作為物聯網技術應用模式，應用于煙草機械設備中。以RFID技術為基礎展開應用，利用RFID業務中對信息的雙向讀寫優勢，為煙草機械設備進行標簽處理，并以此為基礎，構建煙草企業與設備制造商之間的信息交互機制[8]。用RFID讀寫器掃描標簽，掃描后傳輸到后臺信息系統中進行信息處理，從而獲得煙草機械設備的全面信息，為后續的維護和故障診斷處理提供依據。設備維修完畢后，利用RFID閱讀器收集設備上新出現的信息，并重新編寫標簽。另外，通過傳感器與RFID技術的結合，可以標記并收集煙草機械設備中的各個部件信息，形成數字化的煙草機械設備構造圖，并詳細傳遞其使用情況，為后續煙草機械設備日常維護與緊急故障診斷維修提供了良好的基礎，從根本上解決了煙草機械設備維護維修難的問題。

5.2 設備安全風險控制系統的構建

隨著煙草機械設備自動化程度的不斷提高，設備控制系統的自動化程度也在逐步提高，在實現設備云端控制的同時，也給設備的運行和服務帶來了極大的便利。但是，也對設備安全風險的控制提出了更高的要求，不僅包括控制系統的安全性，還包括煙草機械設備自身運行的安全性。因此，在將物聯網技術應用于煙草機械設備的過程中，必須考慮到控制系統的安全性。在物聯網技術的應用過程中，物聯網與設備的運行狀態緊密聯系在一起，甚至成為設備的一部分。在實際分析煙草機械設備物聯網技術應用時，可基于以上分析，將物聯網技術應用于煙草機械設備，提高控制安全性和穩定性。

首先，安全級別的構造，在實際構造過程中，主要是以煙草機械設備的TOT運行模式為基礎來劃分安全級別，在構造安全級別的時候，主要從設備自身運行能力與物聯網的耦合程度、設備與物聯網之間的安全隔離機制、物聯網對機械設備的實際控制能力、物聯網對設備運行數據的獲取能力等方面著手，以此來劃分煙草機械設備物聯網連接的安全級別，從而形成安全風險控制體系的標準與主體。在構建安全等級劃分體系的時候，可以將其劃分為5個層面，以煙草機械設備用戶為主體展開劃分，從最不安全到最安全共5個等級。此外，利用物聯網技術構建的設備控制系統，主要是以煙草機械設備為基礎，利用傳感器和數據中樞，構建一個煙草機械設備控制中心，將傳感器放在煙草機械設備的控制節點中，然后通過有線或者無線的方式，將控制節點集中到數據中樞，從而實現對設備的操作控制和狀態抓取。

5.3 煙草機械設備功能架構模型

物聯網技術是目前應用較為關鍵的一種技術，當將其應用到煙草機械設備中時，應用與其相對應的煙草機械設備功能架構，是確保物聯網技術應用的關鍵。根據目前煙草機械設備的實際運行情況，最重要的應用方向是運行數據監控、分析和安全處置。在實際分析煙草機械設備中物聯網技術的應用時，可以從這三個方向入手，完成煙草機械設備功能架構模型的構建，從而在充分發揮物聯網應用優勢的同時，有效促進煙草機械設備的優化和完善[9]。

首先，利用物聯網技術，建立煙草機械設備監測功能體系結構模型。在煙草機械設備管理活動中，設備監控功能架構模型的主要內容包括了煙草機械設備的使用情況，具體包括了保管、維修、修理情況、運行狀態和煙草機械設備進出廠時間等內容[10]。在以物聯網技術為基礎的煙草機械設備監控功能模型構建中，可以從上述需求功能信息出發，以傳感器和物聯網技術為核心，對上述內容進行檢測和串聯，即利用溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器和攝像頭等設備，全面監視并收集煙草機械設備的保管、維修和運行狀態[11-12]。其次，以物聯網技術為基礎，構建智能分析函數。這一功能架構是以監視與收集功能為基礎來構建的，即對監視與收集的數據信息展開智能全面分析，這既是確保煙草機械設備運行狀態獲取的關鍵，也是提高煙草機械設備運行安全性與穩定性的重要因素[13-14]。最后，以物聯網技術為基礎，構建煙草機械設備安全處置功能架構模型，主要是根據收集到的數據進行智能分析的結果，作出相應的安全處置，從而確保煙草機械設備的安全穩定運行。

6 結束語

綜上所述，在技術不斷發展的情況下，煙草企業需要利用物聯網技術，建立可以連接各個機械設備的物聯網系統，幫助煙草企業實現智能化、自動化的流程管理、信息管理等。因此，將物聯網運用到煙草機械設備中，利用RFID技術對生產運行進行管理，既能實現生產目標，又能保證工作效率，提高經濟效益，促進煙草行業的發展。