物联网带给工业自动化的创新机遇

顾 亮， 杨 萍

（1.北京中咨海外咨询有限公司，北京 100048；2.西安航天化学动力厂，西安 710025）

0 引言

“感知中国”这个主题即是发展建设中国的物联网。国内的物联网产业方兴未艾，在工业、农业、交通、电力、医疗、物流等领域迅速推广。物联网与工业自动化在不少方面有很强的相关性，物联网向工业自动化借鉴技术和经验的同时，也带给工业自动化创新机遇。

1 物联网概念

物联网（Internet of Things）指的是将传感器、移动终端、可编程控制器等智能化设备经通信网络连接集成，实现互联互通，并根据应用需求进行数据采集和分析、对设备进行管理和控制的系统。

物联网的系统结构层次可归结为：设备层、连接层和应用层，它融合了智能芯片、网络通信、云计算等硬件设备和软件技术，不仅会升级换代既有应用，还将涌现大量创新应用。

建设物联网是当今科学技术发展与应用需求相适应而衍生的系统工程。物联网的应用领域日益广泛，已经在提高生产效率、保障生产安全、节能减排、保护生态和便捷生活等许多方面发挥作用。满足人类多种多样的需求是设计物联网的立足点，为人类提供多元化的服务是建设物联网的根本目的。

2 物联网与工业自动化

物联网对设备的调用，首先要求可以监视目标设备的运行状态，并获取其感知数据，进一步要求可以控制目标设备，调整其运行状态、执行特定动作。工业自动化对设备的控制亦是如此。物联网与工业自动化采用的硬件产品相仿、软件技术相通，使用目的也相似，差别在于，物联网是跨行业的，有更广泛的服务对象和应用需求。工业自动化可被看作是广义物联网的部分内容。

可见，物联网和工业自动化息息相关。

2011年7月，工业和信息化部印发《产业关键共性技术发展指南（2011年）》，要求做好产业关键共性技术的研究开发。在包括装备制造业、软件和信息技术服务业在内的多个行业中，都有物联网相关技术被列为关键共性技术。

2012年2月，工业和信息化部印发《物联网“十二五”发展规划》，发展目标包括：在重点行业和九个重点领域明显提高物联网应用水平，形成可持续发展的运营模式，并完成一批应用示范工程。九个重点领域中包括智能工业。

2012年7月，全国科技创新大会指出到2020年的目标是：基本建成适应社会主义市场经济体制、符合科技发展规律的中国特色国家创新体系。

当前，物联网的发展势头迅猛，而工业自动化的发展相对较为迟缓。为了不错失“十二五”这一千载难逢的发展机遇期，为了不错失物联网这一潜力巨大的新兴产业市场，工业自动化需要创新，快步追赶新潮流。

3 工业自动化的创新

3.1 项目中存在的情况

工业自动化项目时常存在这样的情况：根据设计目标对设备性能的要求和对成本控制的需要，在关键环节使用A厂商的高端电控设备，在一般环节使用S厂商的中端电控设备；或是对既有系统的改造升级，部分低端电控设备利旧，再加配一些新的中端电控设备。不同厂商的电控设备所配套的下位编程软件、上位监控软件皆不相同，信号传输协议互不兼容；同一厂商的低、中、高端产品因处理器级别和内存容量的高低，所配套的编程语言版本也不相同，数据标准存在差异。这些情况通常导致项目没有集成出总控系统，而出现多个独立运行的小系统，需要依靠懂技术有经验的现场人员分别操控，项目的自动化水平因此遭到削弱：生产效率勉强达标、生产安全存有隐患、生产数据不易即时统计分析、不利于ERP等系统调配资源、未来改造升级的技术难度及预算成本陡增，同时带给现场人员很重的工作负担，更无法扩展系统应用范围、延伸相关业务。

期待电控设备厂商在短时间内统一数据标准并升级现有产品是不切实际的。因此，工业自动化的创新是非常必要的，也是迫切的。

3.2 工业自动化需要创新

对可编程控制器等下位电控设备的熟练使用，是工业自动化的绝对技术优势。在上位软件方面，目前主要使用由电控设备厂商提供的与其设备配套的监控软件，其功能是否充足、运行是否稳定、界面是否友好，各厂商的软件质量参差不齐，这在很大程度上决定了自动化系统的优劣。而电控设备厂商出于保护自身知识产权等因素的考虑，不大可能无偿提供数据接口供其它上位软件调用，系统集成商对其进行二次开发的可行性很低。

另外，重硬件，包括机械设备、电控设备等，轻软件，包括网络技术、高级编程技术等，是工业自动化领域存在的弊病。

现在，要改变这种状况，处理好硬件建设与软件提升的关系，充实更多软件技术进入工业自动化领域，改进现有系统架构，统一数据标准，通过自主开发中间件，在实现自动化系统总集成的基础上，进一步完善系统功能、提高系统安全性，再适当扩展系统应用范围。

3.3 以中间件做为系统架构的核心

创新的第一步就是改进现有系统架构，以中间件做为系统架构的核心。

OPC（Object Linking and Embedding for Process Control）工业标准由OPC基金会制定并维护。截至2012年2月，OPC基金会在全球拥有470多家成员，包括了主要的电控设备厂商。

OPC工业标准发展至今已日趋完善，各大电控设备厂商的中、高端产品均支持该标准，同时公开了相应的API及使用指南。遵循OPC标准开发中间件是搭建广适的数据访问接口的解决方案，它可以做为上位软件和下位电控设备相互传递信号的桥梁，同时为多项应用提供服务。OPC统一框架（Unified Architecture）的目的是：更加便捷的开发兼容性强、高效、安全、可靠的应用，这也正是物联网的系统应具备的特质。

如此改进系统架构，便于统一数据标准，便于系统总集成，便于未来升级改造，有助于增强系统安全，最主要的是可以促进应用创新。

图1 OPC统一框架

OPC .NET 3.0 WCF（Windows Communication Foundation）不再采用DCOM（分布式组件对象模型）接口，转而完全使用微软的.NET框架，同时提供了C# API。微软.NET框架的开发工具Visual Studio 2010是目前Windows应用程序的主要开发工具之一，可以用它开发OPC中间件。如此，自主开发出的OPC中间件在未来五至十年都将保持很强的生命力。

有了自主开发的OPC中间件，再开发Browser/Server或是Client/Server结构的监控应用都可谓水到渠成；还可以方便的将整个自动化系统的运行过程数据存储起来，做为日后统计分析、优化系统、查寻故障的基础资料；甚至可以为ERP、MES等系统提供专用的数据接口。

3.4 选配适宜组网的电控设备

由于有OPC中间件的支撑，得以在控制成本的同时，灵活选配适宜组网的电控设备，避免系统中出现“孤岛”。另外，IPv6网络技术及相应网络设备，为工业自动化系统中使用大量电控设备组网，提供了充足的技术保障。

带有以太网端口或无线以太网模块的智能传感器，可以直接接入以太网，部署速度快。但这类设备普遍价格较高，且有的型号依赖以太网远程供电。对于无逻辑运算要求、功能简单、数据传输流量较大的应用，适宜选配这类设备。

使用ZigBee技术的无线传感器具有功耗低、通信延时低、产品价格低的优点，适合用于功能简单、通信距离短、数据传输流量低的应用。

RFID，即电子标签，通信距离较长。因其产品价较格高，且不易灵活部署，适用于大宗商品物流，及流程非常规范的大型装备制造的生产物流。

可编程控制器可以执行较复杂的逻辑运算，是工业自动化项目不可或缺的主要电控设备。一套中端可编程控制器模组可以配备几十个信号输入输出点，有能力即时自动控制设备做较复杂的动作。产品价格较高、部署较复杂是它的特点。

以上这几类设备中有大量产品兼容OPC标准，可以通过OPC中间件受控于自动化系统。根据设计目标，选配适宜的感应器和可编程控制器等电控设备，采用现场总线技术和以太网技术搭配组网，集成出健康且高效的工业自动化系统。

3.5 扩展系统应用范围

OPC中间件也是工业自动化系统扩展应用范围的基础。

可以通过中间件与云端软件平台交互数据，借助云计算整合资源，扩展系统应用范围，延伸相关业务。如此一来，自动化系统不仅为生产制造服务，也可以为机构、企业、终端消费群体等对象提供定制服务，例如：共享工作区内的部分环境感应器，为地区环境监测提供实时数据；提供闲置设备的租赁服务，允许租户实时掌握生产进度情况；提供从接受订单开始，到定制装配，到成品入库，到物流配送、到使用监测、到保养检修、到回收处理的产品全生命期服务。

4 可预见的收益

物联网产业市场的潜力巨大，有机构预测，到2015年，国内物联网产业规模将超过5000亿元（人民币）。工业自动化经过技术创新和应用创新，还需要延伸相关业务，加入物联网产业市场的竞争行列，进而获得收益，保障发展的可持续性。

可以预见的收益大致如下：

1）以自主开发的OPC中间件做为系统核心，集成出的自动化系统，可以申报知识产权。拥有关键知识产权，在未来的市场竞争中占有绝对优势。

2）自主开发的OPC中间件可以做为独立的软件产品，推广销售。

3）改进后的系统架构，适宜快速部署，以至降低项目建设成本，也可降低未来升级改造的成本。

4）改进后的系统架构，便于应用创新，例如远程诊断和排除故障，或是开发出直面终端消费群体的应用。

5）有了成功的建设经验，可以对外提供相关咨询服务，包括系统设计、项目建设、投产运行期间的合理化建议等。

5 结论

“大力推进信息化与工业化融合（两化融合）”、“坚持走中国特色新型工业化道路”，是政府作出的重要决策，亦是建设国家创新体系的重要内容。

“十二五”期间，是工业自动化领域突破式发展的历史机遇期，我们必须增强机遇意识、忧患意识、责任意识，破除一切束缚创新的思想观念枷锁，顺应政策导向和市场需求，通过规划单位、建设单位、设计单位、施工单位等的共同努力，融合共性技术，坚持自主创新，通过技术创新带动应用创新，并延伸相关业务，达成可持续发展的运营模式，同时积极参与物联网的建设。

[1] 周洪波.物联网技术、应用、标准和商业模式[M].北京: 电子工业出版社, 2010 .

[2] 源自OPC 基金会的部分资料, http://www.opcfoundation.org.