隨著物聯網、工業4.0、智能制造等先進技術理念的不斷涌現，以及“中國制造”規劃的出臺，為響應國家實現制造強國的戰略目標，各企業紛紛為提升自身技術能力而努力，引進先進技術及設備。

然而并非所有企業都有能力進行相關設備的更新換代，而且大規模的設備更新換代會造成社會資源的極大浪費，不少的陳舊設備仍具有較高的使用價值，由此看來，若條件合適，改造相關設備較更換設備而言能夠降低成本，創造更大的商業價值。物聯網可以稱得上是實現工業4.0與智能制造必要條件，是加速工業產業優化升級的重要力量。因此，針對工廠的物聯網改造具有很可觀的前景和市場。

一、物聯網和工業物聯網概述


物聯網（internetofthings,iot）是通訊網與互聯網的拓展應用和網絡延伸，它利用感知技術與智能裝置對物理世界進行感知識別，通過網絡傳輸互聯，進行計算、處理和知識挖掘，實現人與物、物與物的信息交互和無縫鏈接，達到對物理世界的實時控制、精確管理和科學決策是目的[1]。而本文所提及的工業物聯網（

industrialinternetofthings，iiot）是物聯網眾多領域應用中的一種，是物聯網在工業領域中的應用。


工業物聯網往往是針對一個工廠甚至是多個工廠，覆蓋幾十甚至是上百臺設備。因此與普通的物聯網相比，工業物聯網需要更低的延時、更高的可靠性、更廣的覆蓋范圍、更強大的數據處理能力和辨別力，同時還需要有較高的兼容性和后期的技術升級等要求[2]。

物聯網通常可以分為感知層、網絡層、應用層。感知層可以比作人的五官和肢體，由多樣化采集和控制模塊組成，可以進行設備數據的采集和設備的智能控制；網絡層可以比作人的神經和血管，通過聯合短距離無線通訊、工業網關和opcua等技術，融合工業以太網、無線通訊網等網絡從而將各物端設備、采集和控制模塊等的互聯互通，實現對數據的安全高效的傳輸以及工業流程的優化；應用層可以比作人的大腦和行為，將采集的數據進行儲存、分析、預測和優化，從而為工業系統運行提供高效的決策執行能力。


二、工業物聯網改造應用


1．感知層改造應用


感知層是整個iiot的基礎，整個iiot就算建設地再好，若是沒有感知層完整真實的數據做支持，那也只是一個華麗的空殼，無法產生實際效益。


而一些陳舊設備通常是不具備數據采集和傳輸功能的，因此就需要對這些設備進行相應的改造。根據技術要求，加裝相應的智能模塊，例如：通過智能電表來采集設備的實時電流、功率和能耗等；通過溫控器來采集設備的溫度數據；通過轉速儀來采集旋轉設備的轉速，若是有變頻器等控制器則可直接讀取其參數……


在改造過程中肯定會遇到各式各樣的設備，而不同設備制造商所采用的工業自動化元件亦會大不相同。現如今各品牌甚至是各型號的工業自動化元件所支持的通訊協議、格式等存在差異，各設備所采用的數據標準也會存在不同，所以就需要在終端加裝一個具備數據采集、處理和傳輸等功能的工業自動化元件，比如plc、hmi等。將物端所采集數據進行運算和處理，從而使同種數據所采用的標準相同，并且采用相同的通訊技術來傳輸數據。

在終端采集各智能模塊數據時，由于同一采集終端上各模塊間距離不會太遠，因而大多采用rs-485通訊，其的特點就是在當前的智能模塊上應用廣泛，通用性高。但rs-485也存在不少缺點，最主要的就是傳輸距離在實際應用上存在很大的限制以及其抗干擾能力較差，因此，rs-485只適用于短距離通訊，并且要做好抗干擾措施。在一些有特殊要求或無法布線的區域可以采用無線ap等智能模塊來實現數據的傳輸。


2．網絡層改造應用


網絡層是iiot的前提，它將所有感知層的終端連接到應用層上，若沒有網絡層，那整個iiot就將癱瘓，無法形成一個整體。

在工廠級工業物聯網技術改造中，往往需要很廣的覆蓋面，因此大多會采用工業以太網、無線通訊網、移動通訊網等網絡，而工業以太網相對而言無需額外加裝無線通訊組網設備，總的來說成本比較低，所以工業以太網被廣泛應用于網絡層改造中。但在一些特殊區域無法布線的或者一些裝置對于便攜性要求高等情況下，無線通訊網和移動通訊網就能夠發揮其不可的替代的作用。

3．應用層改造應用


應用層是整個iiot的中樞，它將所有采集的數據進行儲存、分析、運算和優化，還可以發布指令來控制物端設備，若是沒有應用層，數據采集上來得不到處理，那就只是一個數據監控的作用，iiot的實際價值也就無法體現。應用層主要是向工廠及企業的生產、經營等活動提供信息與服務。采集的數據經過信息處理后可以接入到制造執行系統（mes）、企業資源規劃系統（epr）、產品生命周期管理系統（plm）等應用中。


三、工業物聯網改造實例


筆者曾經參與并部分主導過一個工廠級的工業物聯網改造項目。該項目主要是采集相關設備的能耗、電流、功率、當前溫度、設定溫度、轉速、運行時間、運行狀態等數據進行處理并最終反饋至mes系統中。該項目中使用了近30臺采集型plc來負責采集近60臺設備的數據。改造的工廠是一家生產滌綸纖維母粒的企業，具有近20年的歷史，其內部使用的設備具有數量多、種類和型號雜、新舊不一等現象，這些都給工業物聯網改造帶來了不小的挑戰。


1．感知層改造


該工廠的設備新舊程度不一，種類和型號雜多，除個別幾臺新設備具有數據采集功能以外，其余設備均不具備相應的數據采集能力。因此，在本項目中共計對該工廠的57臺設備進行了相應的改造。


工業物聯網架構

對其中的52臺設備加裝了臺達dpmd520i智能電表及dct-s211c型號ct互感器，用來采集相關設備的電流、功率、能耗等數據；針對切粒機設備的移動性質，采用了臺達

dvw-w02w2-e2ieee802.11a/b/g/n工業無線網絡ap/wds/client網關（無線ap）來負責數據的采集和進行無線通訊；將烘箱、結晶機等設備設備上原有老舊的溫控器更換為同體積的臺達dt360ra-、dt340ra-、dt320ra-等具備通訊功能的溫控器；針對擠出機設備的溫度數據采集組數多的情況，出于成本考慮，最終決定在終端plc上擴展臺達dvp-04tc-s溫控模塊用以采集設備的熱電偶數據，原有的溫控器不做調整。


除此以外，該項目中還布置了26臺具有多種通訊功能的臺達dvp-12se型號的網絡進階薄型plc主機，通過rs-485通信技術來進行各模塊的數據采集。除需采集上述加裝的智能設備外，plc還需采集13臺擠出機上原有的共計26臺變頻器的運轉數據。其種類包含了安川、臺達、艾默生、博世力士樂等11種品牌的20余種型號。幸運的是，所有變頻器均有rs-485通訊接口，且大多數都支持modbus485通訊協議，只有極個別變頻器采用了非標準485通訊協議。plc除了采集相應的數據，還將部分數據進行了相應的運算，從而將同種類但標準不同的數據轉換為同一標準。


2．網絡層改造


由于該項目是工廠級改造，其覆蓋范圍廣，設備數量多，數據量大，且需要較低的數據傳輸延時，因此綜合成本考慮采用工業以太網網絡，并將廠區分為三個區域，每個區域分別放置一個臺達dvs系列的工業以太網交換機，所有的plc及無線ap通過各區域的工業以太網交換機最終匯聚到一臺工業以太網交換機上并與工控機相連接。


3．應用層改造


該項目的應用層改造中采用了亞控科技的數據通訊平臺（kingioserver3.7sp1）將iiot中所有的數據作采集、監視和傳輸等處理，同時建立sql數據庫進行數據的存儲，并建立opcserver，最終將數據發布給mes系統，由mes系統進行更深層次的數據運算和處理。


4．改造效果


該項目改造完成后，所有數據都接入了該工廠的mes系統，實現對各設備是實時監控，各生產班組長還可以通過mes系統的手持pad以掌握其所轄設備的生產狀態，處理生產任務等。在經過一段時間的數據積累后，可以對已有數據進行分析、運算和優化，對生產任務進行合理分配，協調所有生產設備，從而有效提高生產效率。

5.難點說明


筆者認為該項目的難點有以下幾點：1、該工廠所使用的設備和工控元件種類繁多，例如上文所訴述變頻器等，這就需要花費時間去了解各型號的工控元件所具有的通訊功能，盡量選取通用的通訊技術，若有個別工控元件不具備，則需要進行通訊轉換，最簡單的方法就是加裝一個相應的通訊轉換器；2、此項目需要采集設備的運行狀態，陳舊設備上大多數是沒有對運行狀態做界定的，這就需要介入設備的控制本體了，而接入設備控制本體具有一定的風險，因此需要工廠技術人員的協助，并需要對設備具有一定程度的了解。3、有的陳舊設備時間久遠，導致標示不清，甚至會出現一些不符合標準的現象。在本項目中就出現過設備配電線路相序顛倒，導致智能電表采集的數據異常或存在bug的現象，對于經驗不足的人就會產生巨大的困擾。


6．技術升級

該工業物聯網系統所采用的結構較簡單，且各結構層都設計了預留裝置和空間，方便后期新增設備的接入。該項目中的各個終端均布置了plc，所以在進行一些設備控制上的簡單介入后就可以由應用層對終端的plc發布指令，最終通過plc來控制終端的每臺設備，從而實現智能控制功能。


四、設備改造與設備換新之間的選擇


對于升級iiot是選擇改造還是換新？這就需要從事項的緊要程度、對技術的要求、安全性的要求、兼容性、成本效益等方面進行考慮[3]。


1.事項對緊要程度


從時間上來算，一臺設備的改造要遠比設備換新所需要的時間短得多，設備改造一般僅需幾個月即可，而設備換新從立項開始算，經過詢價比價（或招標）、制造、安裝調試、試生產等環節至少需要一年以上。


2．技術要求


在技術方面，毋庸置疑的，新購設備的技術性肯定是高于改造設備的。然而改造設備是能夠根據需求來定制的，而新購設備或多或少會有些功能閑置。這就需要根據現場的實際情況來選擇了。


3．安全性


無論何時何地，數據的安全性往往都是非常重要的。如果工廠之前對網絡安全進行了部署，那么改造計劃就更加可行了；若之前未進行網絡安全部署或安全性能不達標，那就需要部署新的安絡了。當然有一種情況是例外的，如果工廠只將iiot接入內網而不接入外網的情況下，就基本不用考慮來自互聯網的威脅了。

4.兼容性


當今世界各工業自動化生產商之間的競爭愈來越烈，這也導致各大廠商紛紛布局自己特有的通訊模式和協議。這也就導致了不同廠家生產的新設備之間以及與現有設備之間的兼容性越來越差。當前我國正在一個傳統老舊設備更新換代的階段[4]，物聯網標準也是百家爭鳴，未形成最終標準。因此即使是新購設備也無法保證其兼容性。而進行設備改造則可以自由選擇合適的工業自動化元件，其靈活性高，兼容性也能得到相應的提升。


5.成本效益


陳舊設備的改造是要基于其本身仍具有一定使用價值的基礎上，要是設備本身的使用價值已所剩無幾，那也就不存在什么改造價值了，即使進行了改造，也可能會因為不久后的設備淘汰而造成白白的浪費。所以如果設備本身存在較高的使用價值，則設備改善優于設備換新。如果設備本身的使用價值比較低，那就建議直接選擇設備換新。


五、結語


工業物聯網的改造具有周期短、靈活性高、兼容性廣、低成本優點，所以綜合考慮，現今大多數企業若想進行工業物聯網改造，最佳的選擇還是對原有的設備進行改造。但若是新建的工廠或者對于設備的技術要求高而現有設備已無法滿足其要求的情況下，那就建議進行設備換新，因為無論改造技術多厲害，都會受到設備本身的技術限制。若進行設備換新的話，需進行長遠的打算，在購買設備前就得考慮好后期設備之間的兼容性，需要求設備廠商開放既定的通訊功能，方便后期與其他設備的互聯互通。