随着传感器网络(WSN)、无线射频识别(RFID)以及微电子机械系统(MEMS)等技术的不断成熟,扩展了人们对信息获取和使用的能力,并将提高制造效率、改善产品质量、降低产品成本和资源消耗、为用户提供更加透明和个性化的服务。在未来新型工业化发展进程中,物联网的应用则将是促进工业自动化与管理信息化水平持续提升的重要途径。积极开展物联网技术在不同行业和领域的深入应用,顺应了工业管理与控制技术的发展趋势,对实现新型工业化,提高产业竞争力,创新工业生产、管理和经营模式和发展低碳工业具有重大意义。同时,它对于提升我国工业自主创新能力、实现产业结构转型升级和跨越发展无疑是一个重要手段。
物联网在工业中应用是工业信息技术发展的必然趋势
成为促进工控能力与管理水平持续提升的重要途径
信息技术的发展提高了工业领域数据采集(信息获取)、传递和信息处理方面的能力,进而推动了工业生产的控制与管理手段的进步。传统应用中简单的数据采集将发展成为具备智能处理能力的信息获取,并进一步向着网络化和微型化的方向发展;数据传输的数字化和网络化已然成为现实,形成了集散式系统、场地总线等新的工业控制基础设施;生产管理逐渐从生产企业内部扩大到从设计、制造、销售到回收的整个生产链;在设计/制造、工业生产控制算法、企业生产组织模式、集成技术及支撑软件平台、现代物流、供应链、电子商务等方面大量控制和管理技术及系统软件应运而生。
随着传感技术、网络通信技术和信息技术的不断发展,信息获取与识别技术的手段和途径将越来越丰富,信息传递技术的渠道更加便利,信息的处理、检索、分析和利用更加智能,极大地提升了人们对工业环节、工业设备、工业环境、工业活动、工业产品的感知、控制与管理能力。作为物联网概念下的无线传感网和工业无线技术、RFID等技术的诞生,更促进了这一发展趋势的深入。RFID技术、无线传感网和工业无线网络无疑将成为未来企业信息化和自动化的新技术和新基础设施。
物联网技术的工业应用将推动“两化融合”新发展
在工业领域,“两化融合”的内涵是:将信息技术、自动化技术、现代管理技术与制造技术相结合,改善制造企业的经营、管理、产品开发和生产等各个环节,提高生产效率、产品质量和企业的创新能力,降低消耗,带动产品设计方法和工具的创新、企业管理模式的创新、制造技术的创新以及企业间协作关系的创新,全面提升制造业的竞争力。
在工业领域,将RFID等新型信息获取技术引入到生产现场,实现多种感知技术的相互融合与广泛应用,可以随时随地感知、测量、捕获和传递设备、系统或流程的信息,获得更透彻的感知;利用工业无线网络、无线传感器网络等各种网络互联技术把在生产系统中收集和储存的各种分散的信息及数据连接起来,进行交互和多方共享,获得更全面的互联互通,从而更好地对环境和业务状况进行实时监控,从全局的角度分析形势并实时解决问题,使得工作和任务可以通过多方协作来得以远程完成;在大量信息获取的基础上,通过海量计算以及云计算等手段进行智能化分析,能够更加新颖、系统且全面地洞察和解决特定问题,使得对生产的管理与控制更加深入、更加智能;通过物联网技术在工业领域的应用,将使得原来没有联系或联系不紧密的系统有机组成具有一定功能、紧密联系的新系统,使得“集成”和“协同”这两个工业信息化技术发展的主旋律得以壮大和发展。
工业无线网络市场规模快速增长
冶金流程工业、石化工业、汽车工业、航空工业等是当今物联网技术应用的热点领域。目前全球已经有近万个工业无线网络投入应用,并且有WirelessHART、ISA100、WIA-PA等相关标准通过审批。预计2014年,全球将会有近2000多万个工业无线网络节点投入应用,节点数量增长趋势如图1所示,工业无线网络节点、设备、传感器、软件及技术服务等市场产值将达到几十亿美元。
在未来的几年里,全球工业无线网络市场规模将快速增长,据美国网络技术市场分析机构ON World公司对未来市场需求的统计,增长最快的是化工精炼、石油天然气、电力、水利等行业,其中化工炼油行业占到了30%,石油和天然气行业则占到了18%(如图2所示)。
工业无线网络产业市场可以简单地划分为流程工业和离散工业。
第一,流程工业。工业无线网络近几年已经在传统的流程工业中得到快速推广与应用,同时也形成相关行业标准。目前,在流程工业的需求量大、市场份额大、应用数量最多。预计在未来五年中,工业无线网络近一半的潜在市场都来自于流程工业,其产值将占整个产业的大部分。
应用行业包括:电力、水利、化工、精炼、石油、天然气、钢铁、矿山、造纸等。主要生产商包括:ABB、Accutech(CMI)、Banner、Emerson、Honeywell、GE、Yokogawa、Siemens。预计到2014年,工业无线网络产业的市场产值将达到32亿美元。
第二,离散工业与工厂自动化。离散型工业和工厂自动化已经采用信息技术和网络控制技术,但是对于工业无线网络整体解决方案的应用步伐较慢,主要是因为工业无线网络缺少支持低功耗实时通信的技术。如US CAR、ISA100等团体组织一直致力于推广应用,Profibus、Profinet国际联盟已经选择了WISA技术,并且由ABB公司负责研发面向工厂自动化的无线技术。
应用行业包括:汽车、航空、交通运输、电子加工、机械加工、铸造、纺织、林业等。主要生产商包括:ABB、Banner、National、ProSoft、系统集成商。预计到2014年,离散工业与工厂自动化的市场产值将达到3亿美元。
物联网应用涉及工业领域多个方面
目前,物联网技术在国外工业领域的应用主要集中在以下几个方面:
第一,制造业供应链管理。物联网应用于企业原材料采购、库存、销售等领域,通过完善和优化供应链管理体系,提高了供应链效率,降低了成本。例如空中客车公司在供应链体系中应用传感网络、RFID技术,构建了全球制造业中规模最大、效率最高的供应链体系。
第二,生产过程控制与管理。物联网技术的应用提高了生产线过程检测、实时参数采集、生产设备监控、材料消耗监测的能力和水平。生产过程的智能监控、智能控制、智能诊断、智能决策、智能维护水平不断提高。钢铁企业应用各种传感器和通信网络,在生产过程中实现对加工产品的宽度、厚度、温度的实时监控,从而提高了产品质量,优化了生产流程。
第三,产品设备监控管理。通过各种传感技术与制造技术融合,实现了对产品设备操作使用记录、设备故障诊断的远程监控。
第四,环保监测及能源管理。物联网与环保设备的融合实现了对工业生产过程中产生的各种污染源及污染治理各环节关键指标的实时监控。在重点排污企业排污口安装无线传感设备,不仅可以实时监测企业排污数据,而且可以远程关闭排污口,防止突发性环境污染事故的发生。电信运营商已开始推广基于物联网的污染治理实时监测解决方案。
第五,工业安全生产管理。把感应器嵌入到矿山设备、油气管道、矿工设备中,可以感知危险环境中工作人员、设备机器、周边环境等方面的安全状态信息,将现有分散、独立、单一的网络监管平台提升为开放、多元的综合网络监管平台,实现实时感知、准确辨识、快捷响应和有效控制。
第六,产品售后服务管理。将传感器、RFID技术应用于产品使用过程中的跟踪服务、维修维护、产品召回与废弃物处理回收等环节,提升制造业的产品售后服务保障水平和资源循环利用能力。
物联网技术促进工业领域节能减排
我国工业自动化和信息化水平为发展工业物联网提供了良好的基础条件,与此同时,国家两化融合战略、产业振兴战略的提出,对信息技术在传统产业的融合应用方面提出新的要求。我国制造业面临着提高生产制造效率、实现节能减排和完成产业结构调整的战略任务,物联网技术的工业领域应用将对企业的生产、经营和管理模式带来深刻变革,特别是对于精度要求极高的超精密加工制造,高温、高压、高湿、强磁场、强腐蚀等极端条件下的制造加工等领域产生不可估量的影响。
基于物联网的制造模式,将使物理世界的感知能力得到根本性的提升,同时沿着向下的感知延伸和向上的信息传播延伸两个方向展开,宏观层面上的企业组织和流程、运作模式方面必将发生一些深刻的变化。因此,开展工业物联网技术应用不仅具备信息化基础条件,同时在产业政策、制造业自身发展方面也面临着难得的机遇。
作为世界制造大国,我国现有工业规模为发展物联网提供了良好的市场空间和基础条件。特别是制造业领域,产业链长、企业规模大、产品结构复杂,为物联网发展提供了市场优势。同时,国内通信服务与通信制造产业能力较强,具备建立工业物联网应用的网络基础。
工业领域是我国“耗能污染大户”,工业用能占全国能源消费总量的70%。工业中的化学需氧量、二氧化硫排放量分别占到全国总排放量的38%和86%。因此,推行节能减排;倡导低碳经济,重点在工业。通过以物联网为代表的信息领域革命性技术来改造传统工业,是我国低碳工业发展的迫切需求和必由之路。利用物联网技术,人们可以以较低的投资和使用成本实现对工业全流程的“泛在感知”,获取由于成本原因无法在线监测的重要工业过程参数,并以此为基础实施优化控制,来达到提高产品质量和节能降耗的目标。通过发展物联网技术将极大提升工业控制领域的节能减排。
综上所述,工业技术发展、产业政策、经济环境的变化和市场巨大的需求无不昭示着我国工业领域自动化与信息化亟需跨越式发展;以工业物联网作为下一代制造信息服务基础设施,将大幅度提高制造效率、改善产品质量、降低产品成本和资源消耗,为用户提供更加透明化和个性化的服务,大大提高生产效率。因此,发展工业物联网技术是推动我国工业自动化与信息化发展的必由之路,同时也面临着千载难逢的发展机遇。
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