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智能工廠是綜合應(yīng)用智能傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和管理技術(shù)的一種新模式，是自動(dòng)化與信息化的融合。其整體感知、預(yù)測、協(xié)同和分析能力，為企業(yè)帶來的是工藝流程的優(yōu)化、生產(chǎn)成本的降低、勞動(dòng)效率和生產(chǎn)效益的提升。創(chuàng)建智能工廠，實(shí)現(xiàn)卓越運(yùn)營，能夠幫助企業(yè)走出當(dāng)前的困境，并向著更高的層次邁進(jìn)。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)助力智能工廠

IIoT（Industrial Internet ofThings），即工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，是指在制造業(yè)中使用物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)。隨著IIoT的快速發(fā)展，我們可以看到對(duì)工廠運(yùn)營信息的探索和需求快速增長，當(dāng)然，也同時(shí)存在著一些爭義、困惑和疑問。

可以確定的是，制造業(yè)會(huì)成為物聯(lián)網(wǎng)解決方案的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。這不僅是因?yàn)橄氪畛宋锫?lián)網(wǎng)的快車以免落后于潮流，更是希望通過物聯(lián)網(wǎng)方案來降低運(yùn)營成本、拓展新市場和提高生產(chǎn)力，最終提高工廠收益。作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的排頭兵，艾默生早在20年前就推出了數(shù)字工廠架構(gòu)，它連接范圍廣泛的智能現(xiàn)場設(shè)備，將過程管理由被動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)，從而顯著提高工廠收益。

艾默生PlantWeb中國區(qū)銷售經(jīng)理蘭培東

如今，客戶的期望更高了，不再局限于溫、壓、液位等傳統(tǒng)工藝參數(shù)的測量，除了進(jìn)行常規(guī)的過程管理迫切需要一個(gè)“整體”視角來管理工廠運(yùn)營。

以蒸汽應(yīng)用為例，快速了解工廠蒸汽疏水閥數(shù)據(jù)并獲取需要用來提升安全、能源和排放措施的數(shù)據(jù)是非常重要的。蒸汽疏水閥監(jiān)控應(yīng)用軟件通過連續(xù)獲取可執(zhí)行的信息，可以幫助客戶避免因未檢測到的狀況而造成的不良后果。根據(jù)蒸汽疏水閥的狀態(tài)，監(jiān)測能源損失和排放。該應(yīng)用軟件提供關(guān)鍵設(shè)備的可執(zhí)行信息和分析數(shù)據(jù)。除此之外，還能與現(xiàn)有無線設(shè)施進(jìn)行無縫對(duì)接。

如前所述，使用先進(jìn)的算法可以確定蒸汽疏水閥是否泄漏、堵塞或運(yùn)轉(zhuǎn)正常。該應(yīng)用程序的另外一個(gè)特點(diǎn)是可以在確保數(shù)據(jù)安全的情況下獲得多個(gè)地點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并且直觀地顯示出來，通過一個(gè)電腦畫面就能提供用戶需要的所有數(shù)據(jù)（可執(zhí)行信息）。同時(shí)，還可以看到能源損失量（折算為金額顯示）以及減少了多少CO 2的排放。這只是艾默生眾多工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之一，還有很多類似應(yīng)用，如泵監(jiān)控、換熱器監(jiān)控等。

不可否認(rèn)，隨著IIoT時(shí)代的到來，工業(yè)企業(yè)也將面臨眾多挑戰(zhàn)，數(shù)據(jù)分析和信息安全將成為關(guān)鍵所在。IT（信息技術(shù)）將會(huì)發(fā)揮主要作用——任何一個(gè)自動(dòng)化供應(yīng)商都必須意識(shí)到這一點(diǎn)。自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)將會(huì)徹底轉(zhuǎn)向IIoT，這種轉(zhuǎn)變有時(shí)是無形的。

當(dāng)然，人是智能工廠成功的關(guān)鍵，企業(yè)需要采取創(chuàng)新的管理方式，以推動(dòng)人員培訓(xùn)和技能提高，同時(shí)改進(jìn)企業(yè)工作流程以使企業(yè)在技術(shù)上的投資獲得更大回報(bào)。同時(shí)，科技的進(jìn)步和智能化是為了讓人們工作更加高效，能夠從大量繁重的、簡單重復(fù)的，甚至是從危險(xiǎn)的工作中解放出來，去從事更有價(jià)值、更具創(chuàng)造力的工作，且有更大的產(chǎn)出。這也將是艾默生近幾年的一個(gè)關(guān)注重點(diǎn)——數(shù)字化人員（digital workforce）。

基于Plantweb的智能工廠架構(gòu)

對(duì)于艾默生而言，物聯(lián)網(wǎng)為我們提供了開發(fā)用于收集和分析數(shù)據(jù)的技術(shù)解決方案的契機(jī)，以及將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐行動(dòng)的資源。全新的智能傳感技術(shù)、工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)為從數(shù)字化到智能化轉(zhuǎn)變提供了可行的途徑。

艾默生基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的Plantweb TM數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)為用戶打造智能工廠，該方案將智能傳感、過程控制、云等節(jié)點(diǎn)連結(jié)起來，形成完整的生態(tài)系統(tǒng)。同時(shí)形成一個(gè)完整的縱向一體化集成平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程及移動(dòng)應(yīng)用，確保工廠安全且高效地在線運(yùn)營。

Plantweb數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)最大的特色和優(yōu)勢在于它是目前流程工業(yè)范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛、具備高集成度的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)方案，可提供從數(shù)據(jù)采集、安全傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析和應(yīng)用，以及咨詢服務(wù)的整體解決方案，可以實(shí)時(shí)洞察工廠整體運(yùn)營情況，精確、可靠、安全地控制流程和業(yè)務(wù)，提供決策支持，發(fā)揮工廠運(yùn)行的最大潛能，適應(yīng)各種嚴(yán)苛的工況，充分考慮了在保障功能安全和信息安全的同時(shí)，確保工廠運(yùn)行安全和高效。

艾默生的分布式快速部署以及其云端數(shù)據(jù)分析能力，不僅提供連接層面產(chǎn)品，更在后端提供了物聯(lián)網(wǎng)之后的數(shù)據(jù)分析增值服務(wù)。通過與微軟Azure云平臺(tái)的合作，共同為企業(yè)提供基于云的遠(yuǎn)程專家服務(wù)。例如，偏遠(yuǎn)廠區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和可靠性管理非常困難，艾默生可以幫助用戶將不同的工廠連接起來，通過云技術(shù)實(shí)現(xiàn)專家資源的共享，在遇到難題時(shí)能夠得到及時(shí)且專業(yè)的指導(dǎo)，提升工廠的安全性和可靠性。幫助用戶連接所有重要的“點(diǎn)”，是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)方案實(shí)施的第一步，第二步則是體驗(yàn)、分析和協(xié)同。

分步實(shí)施智能工廠建設(shè)

某些工廠在傳感層面已經(jīng)搭建了數(shù)字網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)集中到運(yùn)營中心，但是大多數(shù)工廠還沒有達(dá)到這一階段。當(dāng)然工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用可以是逐步進(jìn)行的。一般在初級(jí)階段還不需要連接因特網(wǎng)，因此儀控部門可以先行一步，需要接入因特網(wǎng)的時(shí)候，再請(qǐng)IT部門介入。

第一步 搭建全廠數(shù)字傳感網(wǎng)絡(luò)

為了彌補(bǔ)原有工廠最初設(shè)計(jì)上未覆蓋到的測點(diǎn)，有時(shí)會(huì)在現(xiàn)有控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上采用一部分無線傳感器，提高工廠效率和可靠性。原來采用現(xiàn)場總線技術(shù)的工廠不但可以方便地添加傳感器，也可以方便地部署無線傳感網(wǎng)絡(luò)。有些工廠的數(shù)據(jù)依靠人工采集，無法很好地實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測和能源管理。要安裝4~20mA的變送器則成本高昂而且會(huì)破壞現(xiàn)有線纜，因此可以考慮搭建WirelessHART (IEC62591)網(wǎng)絡(luò)，然后通過網(wǎng)關(guān)與DCS、歷史和狀態(tài)監(jiān)測軟件連接。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案是現(xiàn)有工廠網(wǎng)絡(luò)的一種擴(kuò)展，必須能夠與其兼容，現(xiàn)場總線和無線儀表構(gòu)成了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)層，當(dāng)WirelessHART網(wǎng)絡(luò)部署完成后，其傳感器就能滿足可靠性、維護(hù)、能源效率、運(yùn)行、HSE和一體化的各種需求。

第二步 對(duì)設(shè)備資產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)測

對(duì)工廠進(jìn)行一次現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)提高運(yùn)行及維護(hù)效率的機(jī)會(huì)，了解各職能部門所面臨的挑戰(zhàn)，如人工采集數(shù)據(jù)、無法預(yù)見故障、無法根據(jù)優(yōu)先級(jí)別安排維護(hù)工作、腐蝕監(jiān)測、排污監(jiān)測、能源浪費(fèi)等。

根據(jù)需求確定配備的儀表及設(shè)備，用來進(jìn)行可靠性、維護(hù)、一體化、能源效率、HSE和生產(chǎn)效率等應(yīng)用的測量，有些可在歷史記錄中查看，有些則在控制系統(tǒng)中使用。如果只是數(shù)據(jù)采集這種簡單的應(yīng)用，并不需要特定的軟件。用戶可以從一臺(tái)傳感器開始，根據(jù)應(yīng)用逐步增加新的測點(diǎn)。

一旦WirelessHART網(wǎng)絡(luò)和傳感器安裝就位，不但能減少人工數(shù)據(jù)采集，而且可在系統(tǒng)不停機(jī)的情況下實(shí)現(xiàn)預(yù)測維護(hù)、腐蝕和泄漏探測，從而降低成本、減少停車和事故。

第三步 采用預(yù)測分析軟件

許多工廠一方面有很多過程數(shù)據(jù)，但是很少對(duì)其進(jìn)行分析，另一方面對(duì)于設(shè)備數(shù)據(jù)則很少采集。現(xiàn)有資源已不足以掌握設(shè)備可靠性和工廠運(yùn)行性能的信息，比如，僅依靠振動(dòng)數(shù)據(jù)還無法全面了解設(shè)備健康狀態(tài)。因此通過傳感器和軟件能夠使設(shè)備變得更加智能化，分析軟件能夠根據(jù)采集到的原始數(shù)據(jù)提供可執(zhí)行的預(yù)測信息。例如，換熱器的維護(hù)人員現(xiàn)在可以通過直觀的圖示了解換熱器結(jié)垢對(duì)于產(chǎn)品混合的影響。分析軟件只是安裝在企業(yè)內(nèi)部的服務(wù)器上，不需要用到云服務(wù)，有些軟件甚至可以裝在某個(gè)類似控制器的裝置上。到這一步還算不上工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，因此不需要IT部門提供因特網(wǎng)的連接。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)要向后兼容現(xiàn)有軟件，OPC為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)搭建了這樣一個(gè)平臺(tái)。

第四步 改進(jìn)工作流程

有了軟件和數(shù)據(jù)，必須要運(yùn)用到日常的運(yùn)行維護(hù)工作中才能體現(xiàn)其價(jià)值。第一，維護(hù)人員要比運(yùn)行人員先收到預(yù)報(bào)。第二，只針對(duì)關(guān)鍵問題進(jìn)行報(bào)警。報(bào)警要能夠體現(xiàn)緊急程度并提供清晰的描述。在標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行流程中加入軟件和數(shù)據(jù)。最后，對(duì)工作人員進(jìn)行培訓(xùn)。

第五步 實(shí)現(xiàn)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)

現(xiàn)在已經(jīng)有了足夠的數(shù)據(jù)，但是工廠可能缺乏有經(jīng)驗(yàn)的專家來解讀振動(dòng)、腐蝕或結(jié)垢數(shù)據(jù)，也沒有足夠的人員可以長期在偏遠(yuǎn)的地方工作。在這種情況下，就可以考慮通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，讓員工無論身處何處都能查看現(xiàn)場數(shù)據(jù)，或是由全球的專家團(tuán)隊(duì)遠(yuǎn)程查看數(shù)據(jù)。查看權(quán)限僅限于公司內(nèi)部，我們可以稱之為內(nèi)聯(lián)網(wǎng)，依然還不能算是物聯(lián)網(wǎng)。

第六步 物聯(lián)網(wǎng)商業(yè)模式

用戶可能已經(jīng)采用了現(xiàn)場總線和無線技術(shù)，但還沒有連接到因特網(wǎng)，就不能稱之為物聯(lián)網(wǎng)。

最好的設(shè)備專家來自于設(shè)備廠商，但是他們并不在現(xiàn)場，盡管現(xiàn)場有足夠的人員從事維護(hù)工作。

將系統(tǒng)與因特網(wǎng)相連，允許經(jīng)過授權(quán)的外部供應(yīng)商或服務(wù)機(jī)構(gòu)查看數(shù)據(jù)，這就是完整的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。有了數(shù)字傳感和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，一種全新的外包商業(yè)模式也應(yīng)運(yùn)而生。

獨(dú)立服務(wù)機(jī)構(gòu)或是設(shè)備廠商的專家可以遠(yuǎn)程監(jiān)測企業(yè)的設(shè)備，并提供設(shè)備性能報(bào)告和維護(hù)策略，通過這種服務(wù)訂制模式，由服務(wù)方提供測量儀表和軟件，企業(yè)無需前期資金投入，只需每月支付相應(yīng)的服務(wù)費(fèi)用。此外，設(shè)備廠商也可以提供專業(yè)的維護(hù)服務(wù)，以確保設(shè)備更高效地運(yùn)行。企業(yè)可根據(jù)產(chǎn)出或設(shè)定要達(dá)到的目標(biāo)來支付相應(yīng)的服務(wù)費(fèi)用。

服務(wù)機(jī)構(gòu)通過設(shè)備數(shù)據(jù)，預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在問題，從而避免停機(jī)、解決問題，并讓工廠達(dá)到最佳產(chǎn)能。

網(wǎng)絡(luò)安全和IT/OT融合

考慮到整個(gè)工廠不同層面的設(shè)備，可能有多家廠商需要獲得授權(quán)查看設(shè)備數(shù)據(jù)。這就對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全提出一定的要求，物聯(lián)網(wǎng)涉及因特網(wǎng)和儀表，需要IT部門與儀控部門共同協(xié)作，明確訪問權(quán)限，一般采用安全控制級(jí)別為3.5的防火墻建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)隔離區(qū)。

有些工廠設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)與控制系統(tǒng)是分開的，無線傳感器的數(shù)據(jù)可以不經(jīng)過DCS，通過無線網(wǎng)關(guān)和3G移動(dòng)路由器直接傳到云端軟件。這種結(jié)構(gòu)用于外包遠(yuǎn)程監(jiān)測服務(wù)，既然數(shù)據(jù)不經(jīng)過控制系統(tǒng)或工廠網(wǎng)絡(luò)，那么也就不需要IT部門提供網(wǎng)絡(luò)連接。

未來5~10年是中國發(fā)展智能制造，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要階段，這些都離不開如何提高企業(yè)的生產(chǎn)力和運(yùn)行效率，如何節(jié)省成本，如何把工廠變得更安全、更環(huán)保。中國企業(yè)的智能工廠建設(shè)雖然起步相對(duì)較晚，但是發(fā)展迅速，尤其是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。智能工廠建設(shè)不可能一蹴而就，對(duì)于中國制造用戶來說，當(dāng)前要做的是馬上行動(dòng)，開始進(jìn)行工廠升級(jí)改造的現(xiàn)場調(diào)研，著手制定工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施規(guī)劃。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年1月刊