有没有物联网和云计算两者融合的具体案例

聚羧酸减水剂生产控制系统的工业物联网框架设计与实现

严海蓉1，王子明2
（1北京慧物科联科技有限公司，北京 100124，2北京工业大学，北京 100124）

摘要：工业物联网既提供了在生产过程中获取并控制聚羧酸减水剂生产设备的信息的方式，也提供了基本的网络架构，方便系统集成和扩展。该框架在分析了聚羧酸减水剂生产流程的基础上被划分为设备控制层、通讯层和应用服务层。根据实际应用需求，描述了工业物联网架构可以方便接入设备，贴近工艺完成软件，并让机器具有智能。企业应用案例表明该系统能够有效地实现生产状态跟踪监测和生产设备自动控制的目标，对进一步研究工业物联网技术和解决方案具有一定的参考价值。
关键词：工业物联网；自动化控制系统；聚羧酸减水剂生产设备
中图分类号：TP273 文献标识码：A

Theindustrial IOT design of automatic control system for polycarboxylate superplasticizer
YAN Hairong1, Wang Ziming2
（1．Beijing Sophtek Corp，2 Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

0引言
原来的聚羧酸减水剂生产自动化控制不能充分满足生产工艺要求，存在的主要问题是：
1） 新设备接入非常困难；
2） 同类不同厂家设备不方便更换；
3） 匀速滴加过程中不能达到理想的控制速度，传统PID算法波动较大，常需要人工手动干预；
4） 温度控制需要人工参与控制，无法完成全自动；
电话 扣扣53O934955
工业物联网是工业40的支撑框架。物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。它的发展离不开应用，面向工业自动化的工业互联网技术是物联网的关键组成部分[1]。工业物联网通过将具有感知能力的智能终端、无处不在的移动计算模式、泛在的移动网络通信方式应用到工业生产的各个环节，提高制造效率，把握产品质量，降低成本，减少污染，从而将传统工业提升到智能工业的新阶段[2]。
工业物联网框架中，整个系统具有强大的数据服务器，能够进行大数据的计算。在数据量足够的时候能够利用网络智能来帮助企业进行决策、配方优化和自动的设备维护等。
整个控制系统具有分布式智能能力。整个系统中，可以把数据都送到中控部分来完成；也可以将一些需要及时处理的，如温度控制等，直接由现场控制来完成。系统通常分为中央控制单元和分布的现场控制单元，中央控制单元由工业控制计算机充当，现场控制单元则由高可靠、抗干扰的工业级微控制器和与当前控制需求相配套的附加电路模块组成。依托微控制器的实时处理能力可以完成对现场生产进行实时调节控制，并且通过总线实现现场控制单元与中央控制单元进行数据交互，使生产过程表现出整体性、协调性，从而优化生产工艺、提高生成效率。
系统通过总线把各个独立的控制模块组织成在一起。控制模块的独立性，使得系统中各个分布的控制模块检修、升级、数量扩充都很方便，也为在生产规模扩大时控制系统扩充预留了接口。
因此工业物联网框架才能彻底解决传统控制的一些问题，真正贴合聚羧酸减水剂生产工艺。
1 系统概要设计
根据聚羧酸减水剂的生产过程，可以将聚羧酸减水剂自动化控制系统分为设备控制层、通讯层和应用服务层，系统框架如图1所示。
图1 系统框架图
图1中，应用服务层主要实现对生产过程中实时数据和生产状态的跟踪监测和管理，同时提供各种应用UI接口，用户可以通过使用计算机、手机等手持设备登录客户端来访问或获取所需要的数据或信息等，从而实现物联网的厂内处处可访问。一旦将企业网络与公共网络连接，用户登录后就可以实现生产数据随处可访问。
应用服务层中还包括有控制逻辑层，控制逻辑层通过与 *** 作人员进行交互，并且汇集、分析、存储和处理生产过程中的实时数据和生产状态，实现生产过程的逻辑控制。
通讯层主要实现设备控制层、控制逻辑层和应用服务层之间的可靠传输。
设备控制层主要实现原始数据的采集与分析、数据和状态的上传、控制指令的接收等。嵌入式控制器内的智能逻辑将和聚羧酸减水剂生产各工序要求的生产工艺（加料、滴加、温度调节、pH调节）等紧密贴合，并与控制逻辑层相互通讯完成所要求的工艺精密控制。
整个系统采用划分层次的设计思路使得系统具有很好的可移植性，各种传感器可以灵活的接入系统。这样新系统的总体实现或者旧系统的扩展可以采用“搭积木”的方式完成构建。

2 系统详细设计
根据以上设计的系统工业物联网框架和体系结构，本研究将以北京某公司的具体项目为例，详细介绍该系统的设计和应用过程。
21设备接入示例
基于工业物联网架构的设计，可以很容易的接入各种设备。比如如图2所示的聚羧酸减水剂自动化控制系统接入了一个服务器、一个 *** 作员站、若干显示器、2个控制站，若干现场设备和用户手机。
图2基于工业物联网架构的设备接入实例
服务器负责存储生产数据，包括生产 *** 作日志和生产过程数据，便于生成台帐和报表。也可以与各种财务、资产管理软件连接。同时，负责承载起局域网与大网络的连接工作。
*** 作员站上运行的软件，方便 *** 作员在中控室来 *** 作现场各种阀门、电机等开停，从而按照工艺过程完成生产。
控制站自动获得 *** 作员 *** 作命令来控制现场设备，比如阀门等，同时也自动从现场设备获取各种状态，比如称重数据等传给控制室控制机器。
现场设备是包括传感器和各类执行器，比如秤、阀门等自动工作。
图中的手机设备是为了表示出工业物联网框架可以任意接入设备的特性。比如，在该框架下，巡视人员可以通过手机进行接入，完整现场紧急控制一些阀门的开或者是关。经理等就可以通过手机来查看每天生产数据。
同时，对于不同厂家的同类设备，该工业物联网框架也有较好的兼容能力。
22贴合工艺的软件设计
软件包括生产线管理软件和工业现场控制软件。生产线管理软件工作于生产管理计算机，主要实现工艺管理、配方管理；通过网络，根据权限，可调出 *** 作人员的现场 *** 作记录，完成对现场的远程管理。工业现场控制软件工作于车间级服务器中，主要通过与工艺以及现场布置相同的画面显示，使得 *** 作人员便于 *** 作，以实现现场设备仪表信号的采集、处理，配方管理和现场数据实时界面显示和控制等功能。
图3 聚羧酸合成控制生产工艺示意图

根据实际生产过程和自动化控制系统的特点，当前聚羧酸生产过程分大单体预化过程、 A、B料预混过程、A、B料计量罐加料过程、碱计量罐加料过程、A、B料滴加过程、反应釜搅拌控制过程、反应釜温度控制过程，针对不同的过程，分别实现其控制目标，从而达到完整生产过程的控制。
下面以工艺中的A、B料计量罐滴加控制为例来说明软件设计功能。
首先控制系统为用户提供友好的A、B滴加控制对话框，方便用户可视化 *** 作。用户可以选择采用以前输入的备用方案进行控制，也可以选择自己新输入方案进行空控制。总之都能够根据配方在规定的时间内，将指定质量的物料匀速加入到对应的反应釜中。
图4 启动已存备用方案滴加
图5 启动自定义方案采用三阶段定量滴加示例

其次控制系统采用分段式匀速滴加模式（图5），启动滴加时，控制系统计算出三个阶段分别的预期流速。控制系统实时读取当前计量罐的质量，并根据当前时间，计算出实时流速。控制系统根据实时流速和预期流速的差值，控制调节阀的开启度，从而控制滴加速度。
图6 滴加控制效果示意图（多阶段不同流速）

最后，显示出实时滴加工作界面（图6），工作工作误差一般不大于1%。
23机器学习的智能能力
原来控制系统由于没有采用物联网框架，数据存储量不充分，从而无法让机器自主学习。各种设备常常需要人来手工调整，设定最高最低值；控制过程需要人工进行干预，来辅助机器完成自动控制。
而现有的工业物联网架构，拥有了专门的数据服务器，从而可以存储较大量的数据。而对于这些数据进行分析而产生的机器智能不可小觑。
比如，以前温度控制时，只能根据人工经验设定一个固定的值。反应釜的材质、容量、夹套、搅拌电机、搅拌桨叶等设备本身因素会影响调温结果。
而往往由于冬夏的自来水、室内温度、物料温度、反应剧烈程度等也会影响调温结果。因此在控制系统安装后要进行长时间的人工参与测试来努力找到一个合适的最大最小值。而测试时间毕竟短，这个值一旦这个值固定后，后续生产时就无法轻易改变，为此生产 *** 作员常需要来观测这个温度控制过程并且来参与控制，否则很难达到理想的控制效果。
再比如对于滴加控制的PID算法，往往由设计者人为给定一个PID参数，也无法完全适应实际设备磨损等情况。
而基于工业物联网架构的控制时，可以在服务器端运行一个智能控件，由它来自动学习历史调温或者滴加流速的变化情况，不断训练软件，让软件重新找到合适的上下调节阈值，这样才可以真正达到完全自动化。整个系统拥有了自己不断学习的机器智能。

3 系统测试结果
基于工业物联网的聚羧酸减水剂自动化控制系统在设计和开发完成后，在北京某工厂的实际生产线上投入使用。目前，该系统运行安全、稳定，大部分功能已经实现，达到了预期的效果。
在系统正式投入使用后，对系统的工业现场控制软件、生产线管理软件和嵌入式控制器进行了长时间的测试。针对实现过程中遇到的问题做了大量的调试工作。下面以实现滴加A料为例对系统的测试进行描述。
*** 作人员在控制室通过点击用户 *** 作界面的A料滴加阀门按钮进行滴加参数的配置，如图7所示。 *** 作人员需要输入的参数为滴加质量和滴加时间，同时系统也支持分阶段滴加。在点击开始滴加按钮后，服务器会向嵌入式控制器发送滴加A料指令。
图7 滴加A料配置界面
嵌入式控制器在接收到服务器下发的滴加A料指令后，会进行自动化控制，实现A料的滴加 *** 作，具体效果如图8所示。
图8 5个反应釜同时进行A料滴加曲线示意图
图8中5条不同颜色的线分别表示5个不同计量罐的A料滴加曲线，系统支持多个计量罐同时进行滴加 *** 作。左侧上升的直线表示向计量罐加入A料的过程，系统支持多个计量罐同时加料，质量控制精确，定量加料的误差在01%以内。右侧下降的曲线表示滴加A料过程，曲线的斜率即为速度。由图可知，系统基本上能够实现匀速滴加A料过程，同时，系统也支持连续4小时的滴加 *** 作，时间误差在1分钟左右。
基于工业物联网的聚羧酸减水剂自动化控制系统投入运行后，提高了聚羧酸减水剂的产品质量，提高了工艺生产的自动化程度，大大减轻了 *** 作人员的劳动强度，提高了企业的竞争力。
4 结束语
本研究基于工业物联网架构设计的聚羧酸减水剂自动化控制系统对聚羧酸减水剂生产过程可以进行高效的跟踪管理，在实际应用中具有重要作用。它使聚羧酸减水剂生产设备具备了一定的数据感知、处理和通信能力，从而为企业制定更好的工艺流程提空帮助。同时，它也促使聚羧酸减水剂生产管理过程更加科学和精细化。该系统的成功开发设计为工业物联网在化工行业的推广打下了基础，做出了积极地探索。

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2010第十一届中国东北国际机床、工模具技术展览会
举办时间：2010-4-1 --- 2010-4-3 举办展馆： 辽宁工业展览馆
展会简介： 东北三省是我国著名的重工业制造基地，汇集门类齐全的装备制造业体系；近些年，国家和地方政府大力扶持，东北三省优势产业迅速发展；沈阳作为中国第四个经济圈蓝图的核心城市，更是各方投资与开拓的热土。 1、强力打造大沈阳工业区：2008年8月沈阳市…

物联网注定要催化中国乃至世界生产力的变革。在信息产业的发展过程中,物联网是中国真正的战略新兴产业,是一个机遇,它能使我国信息产业有可能超越国外。前信息产业主要应用在媒体、游戏、娱乐、电子商务领域等第三产业中,而物联网作为最新的网络技术,将会进一步对农业、工业这样的第一产业、第二产业发展发挥重大的推动作用。即互联网时代带动更多的是第三产业的发展,而物联网的兴起将联动第一、第二产业。现阶段物联网有希望成为加快转变经济发展方式的突破口。如果我国能够在三网融合、物联网、云计算等方面加快发展,将带来以信息化为标志的新一次战略机遇——通过信息化带动工业、农业、医疗、安全等基础产业发生翻天覆地的变化。 今年全国30多所高校将新增物联网工程这一热门专业，物联网前景广阔！有研究机构预计10年内物联网就可能大规模普及，这一技术将会发展成为一个上万亿元规模的高科技市场，其产业要比互联网大30倍。

西门子SCALANCE X系列是适合工业环境的工业以太网交换机，其种类齐全，是交换式工业以太网网络的核心。既支持SNMP和WEB诊断，也支持PROFINET诊断。提供了工业级设计的高可靠性、高可用性和维护简便性。北京天拓四方科技有限公司总工程师表示SCALANCE X工业以太网交换机的优势不仅仅局限于此，下面为大家做个详细介绍。

SCALANCE X系列工业以太网交换机优势：

1、坚固、创新、节省空间的外壳设计，可非常容易地集成到SIMATIC 解决方案中( 可选择标准35mm DIN 导轨、S7-300DIN导轨或直接墙壁安装)

2、套筒式设计， 以及P R O F I N E T 工业以太网连接插头FastConnect RJ45 180 插头可去除应力和扭力

3、高速冗余特性，对于SCALANCE X-200、SCALANCE X-300或SCALANCE X-400，可快速重新组态多达50 台交换机的环网(<03 秒)

4、SCALANCE X-300及SCALANCE X-400提供的Standy环网耦合功能

北京天拓四方科技有限公司总工程师还针对SCALANCE X系列工业以太网交换机的不同型号为大家做了详细介绍。

SCALANCE X 是SIMATIC NET 新系列产品，其中有工业以太网交换机。交换机是专门用于将数据发送给既定目标地址的有源网络部件。SCALANCE X 产品组包含各种各样的模块化产品系列，每个产品都与自动化任务相匹配。SCALANCE X005 与XB000 入门级交换机非网管型交换机，带有多个电气端口或单个光纤接口可用于小型自动化系统上。

SCALANCE X-100 非网管型交换机带有电气端口和光纤端口，冗余馈电装置和信号触点可用于设备层的应用。

SCALANCE X-200 网管型交换机用于设备层到全厂网络化的应用。由于配置组态及远程诊断功能都集成在了STEP 7 工程软件中，工厂的可用性水平得到了提高。具有高防护等级的设备无需安装在控制柜中。对于有硬实时要求和最大化有效性要求的工厂网络可利用对应的等时同步交换机(SCALANCE X-200IRT)。

SCALANCE X-300 增强网管型主要应用领域为高性能工厂网络与企业网络相连接的衔接部分。

SCALANCEX-300 增强网管型产品系列结合了SCALANCEX-400 系列( 不包含第3 层路由功能) 的固件功能和SCALANCE X-200 产品系列的紧凑结构。因此和SCALANCEX-200 交换机相比，SCALANCE X-300 交换机既具有更好的管理功能，又具有更好的固件功能。模块化SCALANCE X-400 交换机用于高性能工厂网络( 例如具有高速冗余的工厂网络)。基于模块化结构，交换机可针对相应的任务进行精确地调整。由于支持IT 标准( 例如VLAN，IGMP，RSTP)，可以将自动化网络天衣无缝地集成在现有办公网络之中。利用Layer 3 的路由功能允许在不同IP 的子网之间通讯。

第三届中国（广东）国际印刷技术展览会（PRINT CHINA2015）
展会时间：20140407 — 20140412
展会地点：中国东莞--广东现代国际展览中心
主办单位：中国印刷及设备器材工业协会，广东省印刷复制业协会，中国国际展览中心集团公司
展出面积：超过113000平方米
观众规模：18万人次
展会介绍：作为全球印刷界的一大盛会，2015年4月7日-12日，由中国印刷及设备器材工业协会，广东省印刷复制业协会，中国国际展览中心集团公司联合主办的Print China 2015将在中国东莞--广东现代国际展览中心举行。据主办方介绍，Print China 2015参展厂商、展出面积、参展观众三个核心指标有望分别达到1300多家、14万平方米、18万人次。而据最新消息，目前已有559家企业在线提交了参展申请，申报面积已超过113000平方米。从目前海内外企业踊跃的报名情况来看，招展工作有望在年底前圆满完成，而Print China 2015势必将成为2015年全球最具规模和影响力的综合性印刷包装展览会。
2015中国兰州印刷包装及办公设备展览会
展会时间：20150410 — 20150412
展会地点：甘肃国际会展中心
承办单位：甘肃三力会展服务有限公司
展示范围
印前、印中设备与耗材
标签、商标、柔印、凹印、丝网、特种印刷
纸盒、纸箱、纸业、纸品加工包装印刷设备
印后、包装印刷机械设备及办公设备
2015第五届成都国际印刷包装展览会
开展时间：20150422
展会地点：成都世纪城新国际会展中心
2015山东国际印刷、包装工业展销会
展会时间：20150422 — 20150424
展会地点：山东省印刷物资有限公司 (济南市历下区解放东路69号)
主办单位：山东出版集团 山东省印刷协会 山东省包装印刷工业协会
2015第十三届ReChina亚洲打印耗材展览会
展会时间：20150423
展会地点：上海展览中心
2015第11届上海国际胶粘带、保护膜及光学膜展览会（富亚展）
展会时间：20150507 — 20150509
展会地点：国家会展中心（上海虹桥）
承办单位：上海富亚展览有限公司、广州正亚展览有限公司
2015第三届广州国际数码印刷展览会
展会时间：20150515 — 20150517
展会地点：广州琶洲南丰国际会展中心
主办单位：中国数码快印行业协会、中国快印人才网、广州环之球会展有限公司、中国喷墨网
第十五届上海国际包装和食品加工技术展
开展时间：20150606
展会地点：上海新国际博览中心
2015第四届上海国际3D打印技术展览会暨研讨会
开展时间：20150707
展会地点：上海新国际博览中心
第二十一届上海国际加工包装展览会
开展时间：20150715
展会地点：上海新国际博览中心
2015中国国际彩盒展
开展时间：20150916
展会地点：广东现代国际展览中心
2015上海国际包装制品与包装材料展览会
开展时间：20151010
展会地点：上海光大会展中心
第八届中国国际纸包装工业瓦楞彩盒包装印刷展览会
开展时间：20151105
展会地点：苏州国际博览中心
仅供参考！

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