工业自动化领域物联网发展规划

物联网发展 战略 规划 工业领域 中国科学院沈阳自动化研究所 工业信息学实验室 朱云龙 主任 /博导 23970141 2010 3 23 2 目 录 六、下一阶段工作安排 五、典型示范应用 四、共性关键技术 三、典型工业领域应用需求 二、物联网在工业领域普遍意义 一、物联网与工业领域 /工业化的关系 3 从工业本身看工业化 工业产品、工业体系和工业能力之间的关系如同浮游在海面上的冰山，人们所能看到的耀眼夺目的工业产品如同深埋在海面之下的巨大冰基，而冰基所蕴含的巨大浮力就是工业能力。若需要冰山越突出显赫，必然需要冰基越博大雄厚。 工业体系和工业能力决定了工业产品的技术水平和质量，具有强大的工业能力和整体素质，生产什么产品都可以。像福特、宝马、三菱等公司在二战时期生产飞机、坦克、舰船等武器。 一、物联网与工业领域 /工业化的关系 4 从工业本身看工业化 70万 kw水轮机 工业产品 大型石化装备 350km/h高速列车 ARJ 5 工业装备是工业体系的基石 工业装备是一直处于工业体系的中心，为工业化提供关键支撑。工作母机、重大设备和成套装备等工业装备的技术水平很大程度上决定了工业体系所具有的工业能力和整体素质，体现了工业化的进程和高度，使得机械化、规模化、自动化、智能化等工业化的特征能够实现。 新装备是核心：既包括工作母机、重大设备、成套装备等硬装备，也包括支撑设计、制造、管理环节的一体化软件系统等看不见的软装备。 6 新型工业化 新技术是基础：以传统的工业技术为基础，充分融合以信息技术为代表，涵盖各种学科领域最新成果的高新技术，形成系统性、工程性、综合性的先进工业技术。 新装备是核心：既包括工作母机、重大设备、成套装备等硬装备，也包括支撑设计、制造、管理环节的一体化软件系统等看不见的软装备。 新能力是关键：既包括装备、技术、质量等构成的硬能力，也含有产品创新、资源获取、组织管理等软能力。 新产品是体现：生产出以信息技术为代表的高技术含量高、产品附加值高、资源消耗低的新产品。 7 物联网应用加快新型工业化进程 信息技术是新型工业化的核心要素之一。作为倍增器的物联网不是简单的应用，需要融合渗透到工业化要素之中。 我们认为，物联网技术就是在新型工业化进程中，逐步使用信息、信息技术与传感技术，使之渗透到工业领域相关环节（工业环节、工业装备、工业活动、工业产品）之中，大幅提升工业素质和工业能力的过程。 8 传感技术 MEMS技术： 制造装备技术能力的提升 制造 装备 制造 系统 企业 管理 RFID+工业 WSN+工业应用软件： 设备的互联互通、制造过程的状态检测、物流的实时监控等 ，对制造环境的感知能力得到极大的提升，生产效率、产品质量取得突破性的应用。 智能 装备 感知 制造 系统 实时 企业 管理 物联网是企业的神经系统 9 目 录 五、下一阶段工作安排 四、典型示范应用 三、共性关键技术 二、典型工业领域应用需求 一、物联网在工业领域普遍意义 10 一、物联网在工业领域的普遍意义 （ 1） 物联网技术将推动工业信息化进入新阶段 ： 泛在网络 +传感器 +智能计算 泛在感知信息化（感知、智能特征）； 以泛在网络为基础、以泛在感知为核心、以泛在服务为目的、以泛在智能拓展和提升为目标； 基于物联网的新一代信息化制造和自动化技术（ u- manufacturing）。 11 一、物联网在工业领域的普遍意义 （ 2）变革工业生产、经营和管理模式： 人机和谐智能制造系统发展的新历史阶段 企业与客户、市场的联系更为密切； 管理的扁平化； 生产组织柔性化； 支持先进制造的 5 大功能系统方面将会发生新的变化 制造装备、制造系统 、装备智能化系统 、企业管理信息系统 、电子商务系统。 12 一、物联网在工业领域的普遍意义 （ 3）为工业生产过程管理控制提供技术支撑： 制造资源的实时跟踪与定位； 综合生产状态的动态监测； 实现管理的协同化、精益化与质量可追溯性； 实现管理与控制过程的智能决策。 13 一、物联网在工业领域的普遍意义 （ 4） 提升制造业供应链一体化运营能力 ： 促进供应链智能化、一体化体系的形成，实现协同运作 ； 实现供应链运作过程的透明化、集成化，提升全程服务水平 ； 提供产品全生命周期管理与追溯、促进循环经济发展 ； 14 一、物联网在工业领域的普遍意义 （ 5） 满足我国低碳工业发展的迫切要求 ： 美国能源部（ DOE） 2004年发布的“未来工业计划”（ IOF）中指出：基于低成本无线技术的新一代测控系统是实现到2020年美国工业整体能耗降低 5目标的主要手段 ； 美国总统科技顾问委员会在“面向 21世纪的联邦能源研究与发展规划”中指出：低成本无线技术的广泛应用将使工业生产效率提高 10，并使排放和污染降低 25。 ； 15 企业神经系统：实时企业的基础设施 经销 数据中心 (后台 ) 分枝 客户 供应商 制造 运送 呼叫中心 Web 销售商 金融 预测 企业神经系统 数据中心 （后台） 分支 经销 客户 供应商 制造 运送 呼叫中心 Web 销售商 金融 预测 理想的灵活系统 严格的现实性 16 1998 2008 2013 2003 实时企业 不连贯的企业 通过 IT达成的商务灵活性 消息为导向的中间件 商务活动监视 商务流程管理 门户和应用平台套件 基于部件的应用服务器 集成（ Integration Broker） 商务流程融合 Web服务和 Web服务网络 转变 复杂事件管理 物联网：改变了企业的 IT基础设施 17 物联网 :制造模式的转变 2003 2007 2009 2005 应用迷宫 广泛采用面向服务体系结构的应用软件 大量流程创新 早期面向服务体系结构，标准和应用开发工具 面向服务体系结构标准，模式的广泛集成 早期融合应用 (内部和厂商 ) 将面向服务体系结构完整集成到体系结构当中 类型 A 类型 B 类型 C 广泛采用融合应用软件 采用高峰： 下一代应用，体系结构和流程 流程执行和价值 商务灵活性 18 目 录 五、下一阶段工作安排 四、典型示范应用 三、共性关键技术 二、典型工业领域应用需求 一、物联网在工业领域普遍意义 19 二、典型工业领域应用需求 （ 1）冶金工业： 能源管理：针对冶金生产过程中处于运动、旋转状态的高能耗设备，以及多测点、多变量的能源监测 ； 测控系统 ：为降低能耗、物耗，提高产量、稳定质量，生产过程需采集大量的过程参数、设备参数以及产品质量参数 ； 设备维护 ：存在提高故障诊断的及时性，降低附加诊断设备安装成本和难度等需求。 20 二、典型工业领域应用需求 （ 2）石化工业： 油气勘探：新型无线遥测地震仪开发； 钻井现场：设备众多、流动性大、生产危险性大 ，难于布线、成本高，而且可靠性较差，不易维护； 管道输送：传统的管道监测方法采用有线方式连接，成本高、易损坏； 炼油化工：存在大量的 DCS控制系统、现场仪表和执行装置，成本高、布线困难，且很多信息不能实时监测； 储存运输：针对运输工具的追踪监测 、大型储备库储罐检测（液位、压力、温度、可燃气体浓度等参数 ）。 21 二、典型工业领域应用需求 （ 3）汽车制造： 零部件库存：面向 JIT模式的零部件管理； 生产线控制系统：需满足冲压、焊装、涂装和总装等过程的检测与控制； 设备监测：装配过程中机械、液压或电气故障的在线诊断与监测； 物流跟踪：满足大批量并线生产过程的客户化定制需求。 22 二、典型工业领域应用需求 （ 4）制造业供应链： 采购 生产 配送 销售 服务 回收； 智能化采购 智能化资产管理 智能化库存管理 智能化销售管理 产品全生命周期维护 产品回收 /再利用（逆向物流） 23 目 录 五、下一阶段工作安排 四、典型示范应用 三、共性关键技术 二、典型工业领域应用需求 一、物联网在工业领域普遍意义 24 三、共性关键技术 （ 1）新型传感器与传感装置 ： 无线传感技术与系统的微型化技术 智能无线传感技术 能量获取技术 （ 2）工业无线网络技术： 通信与组网技术 基础服务与网络管理技术 网络规划与部署技术 25 三、共性关键技术 （ 3）工业感知信息智能处理与知识挖掘： 基础理论与共性技术 综合性感知信息处理技术 跨模态、跨尺度感知信息融合设计、运行理论与优化技术 基于感知数据的工业过程建模、控制、优化技术 基于感知和知识挖掘的健康诊断与预测维护 技术 跨时空复杂事件语义建模技术 软件平台 基于感知数据的语义中间件平台 基于感知数据的智能信息处理平台 工业集成服务代理总线技术 基于感知数据的知识挖掘软件平台 工业情境感知中间件等 26 目标：基于物联网的工业感知环境与 实时企业信息服务平台 设备状态信息 物流信息 工艺质量信息 环境信息 27 原油 常减压装置 气分 重整 碱洗（ 1） 尿脱 碱洗（ 2） 催化 糠醛精制 丙脱 焦化 重催 氧沥 减粘 聚丙稀 MTBE 炭 5 拨头油 三苯 溶剂油 航煤 液腊 柴油 汽油 柴油 组分油 石蜡 蜡下油 轻脱油 重脱油 沥青 汽油 柴油 重油 焦炭 汽油 柴油 沥青 燃油 213456789101112液化气 汽油 常一 常三 常四 减一 减二 减三 减四 减渣 5678934常二 原油 原油 原油的物性 作业参数 产品 /副产品组分、产量 外界环境 储罐状态 能耗、排放量 状态关联与变化趋势 目标：实现工业过程综合实时监控 28 三、共性关键技术 （ 4）智能供应链管理技术： 供应链网络感知与事件处理技术 供应链定位与可视化管理技术 供应链网络协同运作技术等 （ 5）物联网信息服务技术： 编码解析服务 检索与跟踪服务 物品信息服务 目录服务 信息分发服务 制 造 商工 厂信 息 库信 息 库信 息 库信 息 库制 造 商 配 送 中 心零 售 商 店零 售 配 送 中 心29 移动设备 RDC RFID/条码 读写器 仓库 Caller Caller 打印机 港口 物流 复杂事件探测 任务提交 云计算平台 复杂模式库 事件存储库 规则数据库 物联网 EPC 信息服务器 对象命名服务器 PML服务器 数据中心 目标：面向制造业供应链的物联网信息服务平台 30 三、共性关键技术 （ 6）制造业生产物流管理监控： 物联网环境下物流管理应用模式和应用系统体系结构 面向制造过程的在制品状态分析 在制品的质量跟踪与追溯 生产物流实时管理与协同优化策略 物联网环境下生产过程数据采集及与控制系统集成 等 31 信息系统向底层自动化扩展 精确的物流定位 弥合计划与执行的间隙 生产组织的柔性、实时性 库存控制与批量制造观念 目标：感知制造与精益生产系统 32 目 录 五、下一阶段工作安排 四、典型示范应用 三、共性关键技术 二、典型工业领域应用需求 一、物联网在工业领域普遍意义 33 四、典型示范应用 （ 1）在冶金流程行业中的示范应用： 电机能耗监测 连续煺火炉监测系统 高炉炉壁温度与气体排放监测 恶劣环境下运动旋转设备监测 （活套、天车、轧机 ） 34 四、典型示范应用 （ 2）在石化行业中的示范应用： 油田地面生产远程监控系统（抽油井系统 、注水系统 和集输系统等） 井下生产控制系统（高压、高温和腐蚀性环境下的数据采集与传输） 化工厂排放监测 管道腐蚀监测 油气管道自动巡检 35 四、典型示范应用 （ 3）在汽车制造工业中的示范应用 ： 基于 AGV的物料搬运系统 汽车仪表盘装配 设备故障诊断与预警 在制品状态监测与追溯 ATO模式下的智能供应链管理 基于物联网的产品全生命周期管理 36