佛山海川机器人丨基于工业物联网技术的工厂设备改造

随着物联网、工业4.0、智能制造等先进技术理念的不断涌现，以及“中国制造”规划的出台，为响应国家实现制造强国的战略目标，各企业纷纷为提升自身技术能力而努力，引进先进技术及设备。

然而并非所有企业都有能力进行相关设备的更新换代，而且大规模的设备更新换代会造成社会资源的极大浪费，不少的陈旧设备仍具有较高的使用价值，由此看来，若条件合适，改造相关设备较更换设备而言能够降低成本，创造更大的商业价值。物联网可以称得上是实现工业4.0与智能制造必要条件，是加速工业产业优化升级的重要力量。因此，针对工厂的物联网改造具有很可观的前景和市场。

一、物联网和工业物联网概述


物联网（internetofthings,iot）是通讯网与互联网的拓展应用和网络延伸，它利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘，实现人与物、物与物的信息交互和无缝链接，达到对物理世界的实时控制、精确管理和科学决策是目的[1]。而本文所提及的工业物联网（

industrialinternetofthings，iiot）是物联网众多领域应用中的一种，是物联网在工业领域中的应用。


工业物联网往往是针对一个工厂甚至是多个工厂，覆盖几十甚至是上百台设备。因此与普通的物联网相比，工业物联网需要更低的延时、更高的可靠性、更广的覆盖范围、更强大的数据处理能力和辨别力，同时还需要有较高的兼容性和后期的技术升级等要求[2]。

物联网通常可以分为感知层、网络层、应用层。感知层可以比作人的五官和肢体，由多样化采集和控制模块组成，可以进行设备数据的采集和设备的智能控制；网络层可以比作人的神经和血管，通过联合短距离无线通讯、工业网关和opcua等技术，融合工业以太网、无线通讯网等网络从而将各物端设备、采集和控制模块等的互联互通，实现对数据的安全高效的传输以及工业流程的优化；应用层可以比作人的大脑和行为，将采集的数据进行储存、分析、预测和优化，从而为工业系统运行提供高效的决策执行能力。


二、工业物联网改造应用


1．感知层改造应用


感知层是整个iiot的基础，整个iiot就算建设地再好，若是没有感知层完整真实的数据做支持，那也只是一个华丽的空壳，无法产生实际效益。


而一些陈旧设备通常是不具备数据采集和传输功能的，因此就需要对这些设备进行相应的改造。根据技术要求，加装相应的智能模块，例如：通过智能电表来采集设备的实时电流、功率和能耗等；通过温控器来采集设备的温度数据；通过转速仪来采集旋转设备的转速，若是有变频器等控制器则可直接读取其参数……


在改造过程中肯定会遇到各式各样的设备，而不同设备制造商所采用的工业自动化元件亦会大不相同。现如今各品牌甚至是各型号的工业自动化元件所支持的通讯协议、格式等存在差异，各设备所采用的数据标准也会存在不同，所以就需要在终端加装一个具备数据采集、处理和传输等功能的工业自动化元件，比如plc、hmi等。将物端所采集数据进行运算和处理，从而使同种数据所采用的标准相同，并且采用相同的通讯技术来传输数据。

在终端采集各智能模块数据时，由于同一采集终端上各模块间距离不会太远，因而大多采用rs-485通讯，其的特点就是在当前的智能模块上应用广泛，通用性高。但rs-485也存在不少缺点，最主要的就是传输距离在实际应用上存在很大的限制以及其抗干扰能力较差，因此，rs-485只适用于短距离通讯，并且要做好抗干扰措施。在一些有特殊要求或无法布线的区域可以采用无线ap等智能模块来实现数据的传输。


2．网络层改造应用


网络层是iiot的前提，它将所有感知层的终端连接到应用层上，若没有网络层，那整个iiot就将瘫痪，无法形成一个整体。

在工厂级工业物联网技术改造中，往往需要很广的覆盖面，因此大多会采用工业以太网、无线通讯网、移动通讯网等网络，而工业以太网相对而言无需额外加装无线通讯组网设备，总的来说成本比较低，所以工业以太网被广泛应用于网络层改造中。但在一些特殊区域无法布线的或者一些装置对于便携性要求高等情况下，无线通讯网和移动通讯网就能够发挥其不可的替代的作用。

3．应用层改造应用


应用层是整个iiot的中枢，它将所有采集的数据进行储存、分析、运算和优化，还可以发布指令来控制物端设备，若是没有应用层，数据采集上来得不到处理，那就只是一个数据监控的作用，iiot的实际价值也就无法体现。应用层主要是向工厂及企业的生产、经营等活动提供信息与服务。采集的数据经过信息处理后可以接入到制造执行系统（mes）、企业资源规划系统（epr）、产品生命周期管理系统（plm）等应用中。


三、工业物联网改造实例


笔者曾经参与并部分主导过一个工厂级的工业物联网改造项目。该项目主要是采集相关设备的能耗、电流、功率、当前温度、设定温度、转速、运行时间、运行状态等数据进行处理并最终反馈至mes系统中。该项目中使用了近30台采集型plc来负责采集近60台设备的数据。改造的工厂是一家生产涤纶纤维母粒的企业，具有近20年的历史，其内部使用的设备具有数量多、种类和型号杂、新旧不一等现象，这些都给工业物联网改造带来了不小的挑战。


1．感知层改造


该工厂的设备新旧程度不一，种类和型号杂多，除个别几台新设备具有数据采集功能以外，其余设备均不具备相应的数据采集能力。因此，在本项目中共计对该工厂的57台设备进行了相应的改造。


工业物联网架构

对其中的52台设备加装了台达dpmd520i智能电表及dct-s211c型号ct互感器，用来采集相关设备的电流、功率、能耗等数据；针对切粒机设备的移动性质，采用了台达

dvw-w02w2-e2ieee802.11a/b/g/n工业无线网络ap/wds/client网关（无线ap）来负责数据的采集和进行无线通讯；将烘箱、结晶机等设备设备上原有老旧的温控器更换为同体积的台达dt360ra-、dt340ra-、dt320ra-等具备通讯功能的温控器；针对挤出机设备的温度数据采集组数多的情况，出于成本考虑，最终决定在终端plc上扩展台达dvp-04tc-s温控模块用以采集设备的热电偶数据，原有的温控器不做调整。


除此以外，该项目中还布置了26台具有多种通讯功能的台达dvp-12se型号的网络进阶薄型plc主机，通过rs-485通信技术来进行各模块的数据采集。除需采集上述加装的智能设备外，plc还需采集13台挤出机上原有的共计26台变频器的运转数据。其种类包含了安川、台达、艾默生、博世力士乐等11种品牌的20余种型号。幸运的是，所有变频器均有rs-485通讯接口，且大多数都支持modbus485通讯协议，只有极个别变频器采用了非标准485通讯协议。plc除了采集相应的数据，还将部分数据进行了相应的运算，从而将同种类但标准不同的数据转换为同一标准。


2．网络层改造


由于该项目是工厂级改造，其覆盖范围广，设备数量多，数据量大，且需要较低的数据传输延时，因此综合成本考虑采用工业以太网网络，并将厂区分为三个区域，每个区域分别放置一个台达dvs系列的工业以太网交换机，所有的plc及无线ap通过各区域的工业以太网交换机最终汇聚到一台工业以太网交换机上并与工控机相连接。


3．应用层改造


该项目的应用层改造中采用了亚控科技的数据通讯平台（kingioserver3.7sp1）将iiot中所有的数据作采集、监视和传输等处理，同时建立sql数据库进行数据的存储，并建立opcserver，最终将数据发布给mes系统，由mes系统进行更深层次的数据运算和处理。


4．改造效果


该项目改造完成后，所有数据都接入了该工厂的mes系统，实现对各设备是实时监控，各生产班组长还可以通过mes系统的手持pad以掌握其所辖设备的生产状态，处理生产任务等。在经过一段时间的数据积累后，可以对已有数据进行分析、运算和优化，对生产任务进行合理分配，协调所有生产设备，从而有效提高生产效率。

5.难点说明


笔者认为该项目的难点有以下几点：1、该工厂所使用的设备和工控元件种类繁多，例如上文所诉述变频器等，这就需要花费时间去了解各型号的工控元件所具有的通讯功能，尽量选取通用的通讯技术，若有个别工控元件不具备，则需要进行通讯转换，最简单的方法就是加装一个相应的通讯转换器；2、此项目需要采集设备的运行状态，陈旧设备上大多数是没有对运行状态做界定的，这就需要介入设备的控制本体了，而接入设备控制本体具有一定的风险，因此需要工厂技术人员的协助，并需要对设备具有一定程度的了解。3、有的陈旧设备时间久远，导致标示不清，甚至会出现一些不符合标准的现象。在本项目中就出现过设备配电线路相序颠倒，导致智能电表采集的数据异常或存在bug的现象，对于经验不足的人就会产生巨大的困扰。


6．技术升级

该工业物联网系统所采用的结构较简单，且各结构层都设计了预留装置和空间，方便后期新增设备的接入。该项目中的各个终端均布置了plc，所以在进行一些设备控制上的简单介入后就可以由应用层对终端的plc发布指令，最终通过plc来控制终端的每台设备，从而实现智能控制功能。


四、设备改造与设备换新之间的选择


对于升级iiot是选择改造还是换新？这就需要从事项的紧要程度、对技术的要求、安全性的要求、兼容性、成本效益等方面进行考虑[3]。


1.事项对紧要程度


从时间上来算，一台设备的改造要远比设备换新所需要的时间短得多，设备改造一般仅需几个月即可，而设备换新从立项开始算，经过询价比价（或招标）、制造、安装调试、试生产等环节至少需要一年以上。


2．技术要求


在技术方面，毋庸置疑的，新购设备的技术性肯定是高于改造设备的。然而改造设备是能够根据需求来定制的，而新购设备或多或少会有些功能闲置。这就需要根据现场的实际情况来选择了。


3．安全性


无论何时何地，数据的安全性往往都是非常重要的。如果工厂之前对网络安全进行了部署，那么改造计划就更加可行了；若之前未进行网络安全部署或安全性能不达标，那就需要部署新的安络了。当然有一种情况是例外的，如果工厂只将iiot接入内网而不接入外网的情况下，就基本不用考虑来自互联网的威胁了。

4.兼容性


当今世界各工业自动化生产商之间的竞争愈来越烈，这也导致各大厂商纷纷布局自己特有的通讯模式和协议。这也就导致了不同厂家生产的新设备之间以及与现有设备之间的兼容性越来越差。当前我国正在一个传统老旧设备更新换代的阶段[4]，物联网标准也是百家争鸣，未形成最终标准。因此即使是新购设备也无法保证其兼容性。而进行设备改造则可以自由选择合适的工业自动化元件，其灵活性高，兼容性也能得到相应的提升。


5.成本效益


陈旧设备的改造是要基于其本身仍具有一定使用价值的基础上，要是设备本身的使用价值已所剩无几，那也就不存在什么改造价值了，即使进行了改造，也可能会因为不久后的设备淘汰而造成白白的浪费。所以如果设备本身存在较高的使用价值，则设备改善优于设备换新。如果设备本身的使用价值比较低，那就建议直接选择设备换新。


五、结语


工业物联网的改造具有周期短、灵活性高、兼容性广、低成本优点，所以综合考虑，现今大多数企业若想进行工业物联网改造，最佳的选择还是对原有的设备进行改造。但若是新建的工厂或者对于设备的技术要求高而现有设备已无法满足其要求的情况下，那就建议进行设备换新，因为无论改造技术多厉害，都会受到设备本身的技术限制。若进行设备换新的话，需进行长远的打算，在购买设备前就得考虑好后期设备之间的兼容性，需要求设备厂商开放既定的通讯功能，方便后期与其他设备的互联互通。