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傳感器的工業互聯網時代

發布日期 2019-06-15

5月26日,2019中國國際大數據產業博覽會在貴陽開幕,全球大數據業界的代表和嘉賓圍繞“創新發展•數說未來”的主題,共商大數據產業發展與合作大計。

在2019數博會“工業互聯網與智能+”高端對話上,中國信息通信科技集團有限公司黨委常委、中國工程院院士余少華在主題演講中談及推進工業互聯網的原因。他認為,總的來說,發展工業互聯網網絡、平台、安全三大體系對中國製造的國際地位和轉型升級意義重大,未來我們工業互聯網要建立兩個關聯工廠,不僅僅是物理的工廠,更是智能的工廠。從中國製造業來看,中國有超過220個工業品產量是世界 ,我們應該是不折不扣的全球 製造大國,從趨勢上來看,未來十年互聯網是由消費領域向製造領域推進。在這個趨勢過程中,人、網、物都會發生量級變化。

工業互聯網
通過工業資源的網絡互連、數據互通和系統互操作,實現製造原料的靈活配置、製造過程的按需執行、製造工藝的合理優化和製造環境的快速適應,達到資源的高效利用,從而構建服務驅動型的新工業生態體系。

以機器、原材料、控制系統、信息系統、產品以及人之間的網絡互聯為基礎,通過對工業數據的全面深度感知、實時傳輸交換、快速計算處理和高級建模分析,實現智能控制、運營優化和生產組織方式變革。

工業互聯網的最早概念來自于美國,是GE公司率先提出來的。我們知道,傳統的製造業的生產設備、產品的生產、檢修、追溯,大部分都是通過人工來操作,嚴重依賴老工人的經驗判斷,而且傳承週期很長。

那麼工業互聯網時代,就是通過萬物互聯的方法,將生產設備、產品、服務,通過云計算、大數據來分析,最終實現 化解決方案,這大大增加了製造業的效率,堪稱第四次工業革命。因此工業互聯網和工業4.0有很多的共同之處。只不過,德國的工業4.0的提法少了云計算和大數據融合,更多的是製造業的智能化。

工業互聯網是工業化國家在過去几十年強大的技術積累,以及和互聯網結合以後產生的新戰略,新的技術布局以及對未來的一種新的愿景。如果我們單從互聯網角度去解讀這些愿景和戰略,是遠遠不夠的。事實上工業互聯網有強大的技術支撐。

工業互聯網平台參考架構
那麼目前工業互聯網走到哪一步了呢?很可惜,目前工業互聯網是工業的 階段,但目前也僅走到工業物聯網階段。也就是未來還有很長的路要走。感知是物聯網的先行技術,要確保物聯網的穩定運行,離不開眾多感知技術的加持,其中最為關鍵的技術之一便是傳感器。
傳感器是工業互聯網的基礎和核心,是自動化智能設備的關鍵部件,工業互聯網的蓬勃發展,將給傳感器企業帶來巨大的機會。

工業互聯網為傳感器企業帶來巨大市場
參照工業2.0、3.0、4.0,人工智能1.0、2.0等階段劃分,工業互聯網可分成三個階段:工業互聯網1.0,通過建設以IP技術為基礎的網絡連接體系,實現工廠IT網絡與OT網絡的連接,工廠外部企業與上下游、智能產品、用戶的網絡聯通;工業互聯網2.0,通過工業數據採集技術,實現產品、設備、原材料、產業鏈等詳細數據的上傳和匯聚,為工業互聯網平台和工業APP打下基礎;工業互聯網3.0,通過人工智能、邊緣計算技術,實現物理世界與數字世界的智能無縫連接。

我國大部分的工業企業尚處於工業互聯網1.0或向其邁進的過程中,少部分 性企業在探索實踐工業互聯網2.0,個別企業開始布局工業互聯網3.0的研究。工業互聯網發展的不同階段對傳感器要求差別亦不同,傳感器及傳感系統產業企業同樣需要準確定位,不僅要看到工業互聯網發展給傳感器產業發展帶來的藍海,更要挖掘有效市場,實現最終的產值和利潤。

工業互聯網一方面給傳感器企業帶來了機會,另一方面也對傳感器提出了新的要求,主要體現在對靈敏度、穩定性、魯棒性等方面的要求會更高。同時,工業互聯網的普及使得傳感器無處不在,大量使用對傳感器提出輕量化、低功耗、低成本的要求,同時也更多要求網絡化、集成化、智能化。
此外,工業互聯網傳感器應用涉及的面更廣,對傳感器的數量及產業化的需求更大,國內傳感器產業目前還存在企業規模小、創新能力不足的問題,完全滿足工業互聯網的需求還有不少差距。近期爆發的中美貿易摩擦中對核心芯片的禁運,也給我們傳感器及應用行業敲響了警鐘。傳感器和集成電路芯片一樣,都屬於高技術含量的關鍵零部件,如果國內企業不加大自主創新力度,未來也會面臨類似的局面。

無線傳感器網絡
隨着傳感器、計算機、無線通信及微機電等技術的發展和相互融合,產生了無線傳感器網絡(WSN,wirelesssensornetworks)。無線傳感器網絡技術與當今主流無線網絡技術使用同一個標準——802.15.14,它是一種新型的信息獲取和處理技術,是繼互聯網之後,將對人類社會的生產、生活方式產生重大影響的一項重要技術。無線傳感網絡綜合了嵌入式計算技術、傳感器技術、分布式信息處理技術以及通信技術,能夠協作地實時監測、感知和採集網絡分布區域內的不同監測對象的信息。

無線傳感器網絡系統(WSNS,wirelesssensornetworkssystem)通常由傳感器節點、聚節點和管理節點組成。
無線傳感器網絡通信體系結構圖
無線傳感器網絡的出現引起了全世界範圍的廣氾關注,被稱為二十一世紀 影響的技術之一;改變世界的10大新技術之一;全球未來的四大高技術產業之一。無線傳感器網絡技術很快也將進入工業互聯網和工業測控領域。伴隨未來大多數工業儀表和自動化產品對無線傳輸功能的集成,從而完成從有線到無線的過渡。

典型的工業用無線傳感器網絡
工業用無線傳感器網絡示意圖,核心部分是低功耗的傳感器節點(可以使用電池長期供電、太陽能電池供電,或風能、機械振動發電等),網絡路由器(具有網狀網絡路由功能)和無線網關(將信息傳輸到工業以太網和控制中心,或者傳輸通過互聯網聯網)。
在工業自動化領域的老牌勁旅,如GE、Honeywell等,都推出了各種工業無線傳感器網絡產品和系統,國內也有不少研究機構和大型公司在進行相關研究。

傳感器網路在工業互聯網的應用
工業互聯網現在人們普遍理解為使用傳感器網絡和機到機(M2M)通信的工業環境自動化。
市場分析公司NanoMarkets在2014年11月發表的“工業互聯網用傳感器市場”報告就將工廠自動化、樓宇自動化、智能電網和公共交通等作為工業互聯網的應用,並預測到2019年之前這一領域每年消費的傳感器將超過200億美元。今後的技術人員和維護人員將越來越多地使用強大的平板電腦收集和處理來自工業機械中集成的傳感器發出的信息。

1、工業環境監測
工業環境的監測範圍已經涉及到整個生態環境的各個方面,包括日常環境監測,如大氣,水,電磁輻射和放射性監測等;同時還存在一些特殊的區域環境監測,如沙漠、高山和存在放射源等區域的監測。這些環境對傳感器產品的靈活性、可靠性和安全性提出了高要求。
無線傳感器網絡產品可以突破傳統的監測方法,在滿足了靈活性、可靠性和安全性的同時,為工業環境的監測降低了成本,同時也大幅度縮減了傳統監測的繁瑣流程,為隨機性的研究數據獲取提供了便利。隨着人們對於工業環境的關注程度越來越高,需要採集的環境數據也越來越多,對無線傳感器網絡產品的需求將逐步擴大。

2、智能電網
當前,全球能源、環境、氣候變化等問題日益突出,世界各國紛紛把開發利用清潔能源作為能源發展與變革的重點。智能電網如今已經成為物聯網技術的重要應用之一,也是電網發展的必然趨勢。智能電網通過 的傳感測量技術、通訊技術、 的控制方法和決策支持系統技術的應用,確保電力供應的安全性、可靠性和經濟性。

為了使智能電網的持續運營,設備安全保障已經成為了關鍵問題。由於電網設備長期處於高電壓、大電流等工作狀態,同時面臨雷雨等極端自然環境的威脅,對設備實施智能監控顯得尤為重要。無線傳感器網絡產品可對電網設備進行遠程的監控,了解設備的工作狀態,並將數據傳輸到控制中心,對設備進行統一管理,同時實時監控也提高了維護效率。隨着智能電網計劃的推進,對電網設備的智能化監控需求形成了巨大的無線傳感器網絡產品市場。

3、數字化油田
經濟發展與社會需求的不斷擴大加速着油井數量的迅速上升,油田開發整體範圍也呈擴大趨勢。因此,油田生產、管理與經營的智能化成為發展趨勢,數字化油田應運而生。

在油田的數字化過程中,無線傳感器網絡產品可以對油井環境和井口設備實現實時監控,將工作現場的設備狀態,環境參數等重要信息傳到控制中心,在必要時刻即刻發出警報並安排調度。隨着無線傳感器網絡產品在油田的深入推廣和廣氾示範,數字化油田的數量也將逐漸增加,無線傳感器網絡產品的市場需求將呈現高速增長的態勢。

4、智能工業
我國工業製造業正面臨新一輪產業革命的契機,製造企業利用物聯網技術進行改造升級的需求十分迫切,信息技術企業也在積極借助物聯網技術,以其為突破口迅速向工業領域滲透。以智能化為核心的工業4.0的提出,契合了物聯網技術向工業領域融合的趨勢,未來市場發展潛力巨大。智能製造中的核心之一是工業過程的智能監測。

將無線傳感器網絡技術應用到智能監測中,將有助于工業生產過程工藝的優化,同時可以提高生產線過程檢測、實時參數採集、生產設備監控、材料消耗監測的能力和水平,使得生產過程的智能監控、智能控制、智能診斷、智能決策、智能維護水平不斷提高。隨着物聯網的快速發展和工業4.0的進一步推進,以智能化為核心的工業過程控制將得到快速發展,進而拉動對基於無線傳感器網絡技術的工業過程監測系統解決方案的市場需求。

工業無線傳感器網絡產品飛速增長的主要原因是隨着整個物聯網生態環境的成熟,工業物聯網也由政府主導開始慢慢發展。中國工業感測終端的數量保持着飛速增長的態勢,2014年中國工業感測終端數量為7億左右,預計伴隨着中國製造2025的推行,到2020年,中國工業感測終端將突破20億個。

同時,無線通信、功耗、極端微型化(驅動力之一是MEMS傳感器)以及嵌入式計算方面的發展,也促成了面向苛刻工業環境的無線傳感器網絡的興起。工業無線傳感器網絡產品會隨着“中國製造2025”的提出所帶動的企業生產線改造和IT設備升級改造一直高速增長到2019年,並一直保持着上升趨勢。

工業互聯網領域傳感器不僅是硬件,更是數據的創造者,同時也是服務的創造者。



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