深圳特区成立40周年之际，首届慕尼黑华南电子展在深圳国际会展中心举办。期间芯师爷专访了全球电子产业链的近20家领先企业、潜力企业的领袖及高管，特别推出“慕名而来·圳好”专题报道，与众多业内人士共同探讨全球电子产业趋势、中国半导体发展和技术创新等热点焦点话题。

本文为芯师爷专访极海半导体资深产品总监王超实录。王超，极海半导体资深产品总监，拥有近20年芯片原厂市场及产品规划经验，曾在ST（意法半导体）、NXP（恩智浦）等企业MCU部门长期任职。

珠海极海半导体有限公司（以下简称：极海半导体） ，是艾派克微电子旗下全资子公司。极海半导体具有20年的集成电路芯片设计经验，现产品涵盖32位工业级通用MCU，低功耗蓝牙芯片以及工业物联网SoC-eSE大安全芯片产品与方案。

采访实录

1、您对慕尼黑华南电子展的初印象是什么？

极海半导体资深产品总监王超：

慕尼黑华南电子展在深圳虽是首次开展，但其实在电子行业内闻名已久，慕尼黑电子展在行业内的影响力以及展会策划能力是值得信赖的。所以这一次就先祝本次电子展完圆满成功。

2、本次参展极海半导体带来了哪些新的产品展示？请介绍下它们的性能特色、主要优势等。

极海半导体资深产品总监王超：

关于新产品， 极海这次带来了两个系列产品，一是通用32位MCU系列；二是针对于高端工业物联网领域的大川GS系列

32位通用MCU系列中，极海推出了工业级扩展型APM32F072xB和工业级增强型APM32F051x8系列MCU新品。

这两款MCU采用全新的制造工艺，新增电容触摸功能和HDM CEC接口，可精准识别触控输入指令，满足高级控制应用需求，实现了比市场主流竞品低50%的超低运行功耗、高1倍以上的Flash擦写速度。

另外我们今年还推出了5款针对高端工业物联网领域的大川GS系列SoC-eSE大安全芯片。这个系列产品全系列产品都是基于国产平头哥玄铁CPU，支持双核、4核到7核的多核异构架构，符合国密二级标准，并采用国内领先水平的嵌入式eSE安全单元技术，具备全方位一体的安全防护能力，相比市面上较多的独立安全芯片方案，大川eSE单芯片SoC方案具有更高集成性、更低功耗和更高安全性。

3、极海半导体成立的契机是什么？目前极海半导体的产品布局是怎样的？

极海半导体资深产品总监王超：

极海半导体前身是艾派克微电子2015年成立的物联网芯片事业部，经过了4年的内部孵化，为顺应物联网的行业的蓬勃发展，于2019年12月正式成立为独立运营公司。

其实当公司业务做大，需要扩增规模进入下一个领域的时候，大多都会采用这种矩阵形式来经营管理，成立独立公司有助于子公司的业务灵活运营，便于激励和业绩考核。

目前母公司艾派克更聚焦于打印机及打印机周边芯片开发，极海的主营业务主要在打印行业以外，现 产品涵盖32位工业级通用MCU，低功耗蓝牙芯片以及工业物联网SoC-eSE大安全芯片产品与方案。

4、截止当前，极海半导体的MCU系列产品在技术和市场上有何新发展？

极海半导体资深产品总监王超：

在市场方面，极海 APM32系列MCU自2019年量产发布以来，已广泛应用于消费电子、智能家居以及医疗设备领域。且极海已经通过IEC61508认证拓展至工业领域， 与国内工业智能制造的标杆企业建立了密切合作 ，为工控核心设备提供高安全、高可靠性国产MCU产品方案。目前极海已经在定义和设计M4和M7内核的中高端MCU。未来，极海还将布局高价值、高门槛的车规MCU市场，实现MCU领域的全行业覆盖。

从技术上来说，极海的产品有以下几个优势：

1）稳定可靠 ：全系列产品工作温度覆盖-40 ~+105 ，ESD等级高达8KV，抗干扰性强，可满足严苛工作环境需求。

2）可移植性好 ：有助于客户降低芯片替代成本，缩短产品开发时间，加速产品上市。

3）安全性高： 已通过中国IEC61508和USB-IF认证，并支持工业级MCU+安全芯片产品组合，符合工业和车用高可靠性标准，目前正在申请德国相关认证。

4）定制能力强 ：基于极海多年的产品开发经验，极海能满足客户多种内核、多种架构的SOC的定制需求。

5、近两年国产MCU发展得比较快，市场出货量不断攀升，您如何看待现在的国产MCU市场？

极海半导体资深产品总监王超：

目前5G新基建、人工智能以及物联网万亿级市场的持续发展，为国产MCU带来了广阔的市场空间。另外，中美贸易战也催化了芯片国产替代进程，在内外因素的双重影响下，国产MCU迎来了新一波快速发展的机遇。

但值得注意的是，国产MCU虽然在加速发展，但目前来说主要集中在中低端应用领域，高端市场仍被国外厂商占据主导地位。

6、在未来的规划中，极海半导体的MCU将在哪些方面加强产品优势，增强市场竞争力？

极海半导体资深产品总监王超：

从极海来说，未来一方面将加大MCU芯片研发投入和技术创新力度，为客户提供更低功耗、高更性能、更高稳定性和性价比的产品。极海将在2021年年底推出基于M4内核的中高端产品，基于M7内核的芯片也在积极筹备中，意向客户们也可以找极海多交流。

另外， 针对高端工控领域，我们将推出工业级 MCU+安全 芯片的产品组合策略；针对消费电子领域，我们将提供基于 MCU+蓝牙、MCU+传感器、MCU+WIFI、MCU+认证 等方案，为市场提供更多面向不同场景的定制化方案。

7、 极海半导体的大川系列是安全芯片，您认为芯片设计该从哪些方面保障物联网的安全？

极海半导体资深产品总监王超：

极海大川GS系列安全芯片设计是从以下3个方面去保障物联网的安全性：

一是芯片的安全化+可靠容错设计 ：通过构建可信执行环境和可定制化的硬件机制，保障物联网安全资源的机密性和完整性。

二是采用高集成度的eSE嵌入式芯片设计 ：以安全子系统是作为单芯片内嵌模块，可实现多位一体的安全防护，这样能有效保障芯片器件自身安全以及物联网数据信息安全。

三是多核异构芯片设计 ：采用全国产平头哥玄铁CPU，可提供双核、4核至7核的灵活混编CPU内核设计，具备“业务应用加速与安全防护”双重优势，支持物联网特定领域的专用IP定制。

8、现在市场如何看待物联网的安全问题？

极海半导体资深产品总监王超：

随着物联网万亿级市场的持续发展，像用户的数据被窃取，终端的设备遭到非法地操控等安全威胁也越来越多地暴露出来。这样一来保障物联网数据传输、设备连接过程中的信息安全，对于稳定有序的互联时代的发展至关重要。

尤其是国际贸易争端加剧，现在 越来越多的国内企业开始关注和重视物联网安全问题，并且急切 的 寻求安全的国产芯片替代方案。 所以极海除了刚才提到的大川GS系列安全芯片，未来还将不断推出专注于物联网安全的产品和方案。

9、您对明年慕展有什么期望？是否会继续参会？

2021年我们会继续支持慕尼黑华南电子展。同时也期待我们在展会上能不断提升品牌知名度，收获更多优质客户。

2018-2019满意度最高的展会

一、2019第十届中国国际现代农业博览会

时间2019427-29

地点：中国国际展览中心

面积：60000平方米

二、2018中国磷复肥工业展览会（第十九届国产高浓度磷复肥产销会议）

20181109-11

宁波泛太平洋大酒店一楼大厅

三、2018第25届中国杨凌农业高新科技成果博览会

展会地点：陕西杨凌农业高新技术产业示范区

总展览面积182万平方米

2018-11-5 至 2018-11-9

四、2019第十届中国国际新型肥料展览会（FSHOW2019）

展会地点：上海新国际博览中心

展会时间 20190305至20190307

展览面积：80000多平方米

五、2018第34届中国植保信息交流暨农药械交易会（全国植保会）

展会地点：中国西部国际博览城

展示面积100,000多平米

展会时间：2018-11-22 至 2018-11-24

六、2019第十七届华东农资产品交易会

华东地区肥料（农资）产品交易暨信息交流会

展会地点：徐州国际会展中心

展会时间：20190626 -27

展出面积20000多平方

七、2019第二十五届山东信息交流暨农药械交易会（山东植保会）

展会地点：济南高新国际会展中心

展会时间：20191021—22

展览面积：60000平方米

聚羧酸减水剂生产控制系统的工业物联网框架设计与实现

严海蓉1，王子明2

（1北京慧物科联科技有限公司，北京 100124，2北京工业大学，北京 100124）

摘要：工业物联网既提供了在生产过程中获取并控制聚羧酸减水剂生产设备的信息的方式，也提供了基本的网络架构，方便系统集成和扩展。该框架在分析了聚羧酸减水剂生产流程的基础上被划分为设备控制层、通讯层和应用服务层。根据实际应用需求，描述了工业物联网架构可以方便接入设备，贴近工艺完成软件，并让机器具有智能。企业应用案例表明该系统能够有效地实现生产状态跟踪监测和生产设备自动控制的目标，对进一步研究工业物联网技术和解决方案具有一定的参考价值。

关键词：工业物联网；自动化控制系统；聚羧酸减水剂生产设备

中图分类号：TP273 文献标识码：A

Theindustrial IOT design of automatic control system for polycarboxylate superplasticizer

YAN Hairong1, Wang Ziming2

（1．Beijing Sophtek Corp，2 Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

0引言

原来的聚羧酸减水剂生产自动化控制不能充分满足生产工艺要求，存在的主要问题是：

1） 新设备接入非常困难；

2） 同类不同厂家设备不方便更换；

3） 匀速滴加过程中不能达到理想的控制速度，传统PID算法波动较大，常需要人工手动干预；

4） 温度控制需要人工参与控制，无法完成全自动；

电话 扣扣53O934955

工业物联网是工业40的支撑框架。物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。它的发展离不开应用，面向工业自动化的工业互联网技术是物联网的关键组成部分[1]。工业物联网通过将具有感知能力的智能终端、无处不在的移动计算模式、泛在的移动网络通信方式应用到工业生产的各个环节，提高制造效率，把握产品质量，降低成本，减少污染，从而将传统工业提升到智能工业的新阶段[2]。

工业物联网框架中，整个系统具有强大的数据服务器，能够进行大数据的计算。在数据量足够的时候能够利用网络智能来帮助企业进行决策、配方优化和自动的设备维护等。

整个控制系统具有分布式智能能力。整个系统中，可以把数据都送到中控部分来完成；也可以将一些需要及时处理的，如温度控制等，直接由现场控制来完成。系统通常分为中央控制单元和分布的现场控制单元，中央控制单元由工业控制计算机充当，现场控制单元则由高可靠、抗干扰的工业级微控制器和与当前控制需求相配套的附加电路模块组成。依托微控制器的实时处理能力可以完成对现场生产进行实时调节控制，并且通过总线实现现场控制单元与中央控制单元进行数据交互，使生产过程表现出整体性、协调性，从而优化生产工艺、提高生成效率。

系统通过总线把各个独立的控制模块组织成在一起。控制模块的独立性，使得系统中各个分布的控制模块检修、升级、数量扩充都很方便，也为在生产规模扩大时控制系统扩充预留了接口。

因此工业物联网框架才能彻底解决传统控制的一些问题，真正贴合聚羧酸减水剂生产工艺。

1 系统概要设计

根据聚羧酸减水剂的生产过程，可以将聚羧酸减水剂自动化控制系统分为设备控制层、通讯层和应用服务层，系统框架如图1所示。

图1 系统框架图

图1中，应用服务层主要实现对生产过程中实时数据和生产状态的跟踪监测和管理，同时提供各种应用UI接口，用户可以通过使用计算机、手机等手持设备登录客户端来访问或获取所需要的数据或信息等，从而实现物联网的厂内处处可访问。一旦将企业网络与公共网络连接，用户登录后就可以实现生产数据随处可访问。

应用服务层中还包括有控制逻辑层，控制逻辑层通过与操作人员进行交互，并且汇集、分析、存储和处理生产过程中的实时数据和生产状态，实现生产过程的逻辑控制。

通讯层主要实现设备控制层、控制逻辑层和应用服务层之间的可靠传输。

设备控制层主要实现原始数据的采集与分析、数据和状态的上传、控制指令的接收等。嵌入式控制器内的智能逻辑将和聚羧酸减水剂生产各工序要求的生产工艺（加料、滴加、温度调节、pH调节）等紧密贴合，并与控制逻辑层相互通讯完成所要求的工艺精密控制。

整个系统采用划分层次的设计思路使得系统具有很好的可移植性，各种传感器可以灵活的接入系统。这样新系统的总体实现或者旧系统的扩展可以采用“搭积木”的方式完成构建。

2 系统详细设计

根据以上设计的系统工业物联网框架和体系结构，本研究将以北京某公司的具体项目为例，详细介绍该系统的设计和应用过程。

21设备接入示例

基于工业物联网架构的设计，可以很容易的接入各种设备。比如如图2所示的聚羧酸减水剂自动化控制系统接入了一个服务器、一个操作员站、若干显示器、2个控制站，若干现场设备和用户手机。

图2基于工业物联网架构的设备接入实例

服务器负责存储生产数据，包括生产操作日志和生产过程数据，便于生成台帐和报表。也可以与各种财务、资产管理软件连接。同时，负责承载起局域网与大网络的连接工作。

操作员站上运行的软件，方便操作员在中控室来操作现场各种阀门、电机等开停，从而按照工艺过程完成生产。

控制站自动获得操作员操作命令来控制现场设备，比如阀门等，同时也自动从现场设备获取各种状态，比如称重数据等传给控制室控制机器。

现场设备是包括传感器和各类执行器，比如秤、阀门等自动工作。

图中的手机设备是为了表示出工业物联网框架可以任意接入设备的特性。比如，在该框架下，巡视人员可以通过手机进行接入，完整现场紧急控制一些阀门的开或者是关。经理等就可以通过手机来查看每天生产数据。

同时，对于不同厂家的同类设备，该工业物联网框架也有较好的兼容能力。

22贴合工艺的软件设计

软件包括生产线管理软件和工业现场控制软件。生产线管理软件工作于生产管理计算机，主要实现工艺管理、配方管理；通过网络，根据权限，可调出操作人员的现场操作记录，完成对现场的远程管理。工业现场控制软件工作于车间级服务器中，主要通过与工艺以及现场布置相同的画面显示，使得操作人员便于操作，以实现现场设备仪表信号的采集、处理，配方管理和现场数据实时界面显示和控制等功能。

图3 聚羧酸合成控制生产工艺示意图

根据实际生产过程和自动化控制系统的特点，当前聚羧酸生产过程分大单体预化过程、 A、B料预混过程、A、B料计量罐加料过程、碱计量罐加料过程、A、B料滴加过程、反应釜搅拌控制过程、反应釜温度控制过程，针对不同的过程，分别实现其控制目标，从而达到完整生产过程的控制。

下面以工艺中的A、B料计量罐滴加控制为例来说明软件设计功能。

首先控制系统为用户提供友好的A、B滴加控制对话框，方便用户可视化操作。用户可以选择采用以前输入的备用方案进行控制，也可以选择自己新输入方案进行空控制。总之都能够根据配方在规定的时间内，将指定质量的物料匀速加入到对应的反应釜中。

图4 启动已存备用方案滴加

图5 启动自定义方案采用三阶段定量滴加示例

其次控制系统采用分段式匀速滴加模式（图5），启动滴加时，控制系统计算出三个阶段分别的预期流速。控制系统实时读取当前计量罐的质量，并根据当前时间，计算出实时流速。控制系统根据实时流速和预期流速的差值，控制调节阀的开启度，从而控制滴加速度。

图6 滴加控制效果示意图（多阶段不同流速）

最后，显示出实时滴加工作界面（图6），工作工作误差一般不大于1%。

23机器学习的智能能力

原来控制系统由于没有采用物联网框架，数据存储量不充分，从而无法让机器自主学习。各种设备常常需要人来手工调整，设定最高最低值；控制过程需要人工进行干预，来辅助机器完成自动控制。

而现有的工业物联网架构，拥有了专门的数据服务器，从而可以存储较大量的数据。而对于这些数据进行分析而产生的机器智能不可小觑。

比如，以前温度控制时，只能根据人工经验设定一个固定的值。反应釜的材质、容量、夹套、搅拌电机、搅拌桨叶等设备本身因素会影响调温结果。

而往往由于冬夏的自来水、室内温度、物料温度、反应剧烈程度等也会影响调温结果。因此在控制系统安装后要进行长时间的人工参与测试来努力找到一个合适的最大最小值。而测试时间毕竟短，这个值一旦这个值固定后，后续生产时就无法轻易改变，为此生产操作员常需要来观测这个温度控制过程并且来参与控制，否则很难达到理想的控制效果。

再比如对于滴加控制的PID算法，往往由设计者人为给定一个PID参数，也无法完全适应实际设备磨损等情况。

而基于工业物联网架构的控制时，可以在服务器端运行一个智能控件，由它来自动学习历史调温或者滴加流速的变化情况，不断训练软件，让软件重新找到合适的上下调节阈值，这样才可以真正达到完全自动化。整个系统拥有了自己不断学习的机器智能。

3 系统测试结果

基于工业物联网的聚羧酸减水剂自动化控制系统在设计和开发完成后，在北京某工厂的实际生产线上投入使用。目前，该系统运行安全、稳定，大部分功能已经实现，达到了预期的效果。

在系统正式投入使用后，对系统的工业现场控制软件、生产线管理软件和嵌入式控制器进行了长时间的测试。针对实现过程中遇到的问题做了大量的调试工作。下面以实现滴加A料为例对系统的测试进行描述。

操作人员在控制室通过点击用户操作界面的A料滴加阀门按钮进行滴加参数的配置，如图7所示。操作人员需要输入的参数为滴加质量和滴加时间，同时系统也支持分阶段滴加。在点击开始滴加按钮后，服务器会向嵌入式控制器发送滴加A料指令。

图7 滴加A料配置界面

嵌入式控制器在接收到服务器下发的滴加A料指令后，会进行自动化控制，实现A料的滴加操作，具体效果如图8所示。

图8 5个反应釜同时进行A料滴加曲线示意图

图8中5条不同颜色的线分别表示5个不同计量罐的A料滴加曲线，系统支持多个计量罐同时进行滴加操作。左侧上升的直线表示向计量罐加入A料的过程，系统支持多个计量罐同时加料，质量控制精确，定量加料的误差在01%以内。右侧下降的曲线表示滴加A料过程，曲线的斜率即为速度。由图可知，系统基本上能够实现匀速滴加A料过程，同时，系统也支持连续4小时的滴加操作，时间误差在1分钟左右。

基于工业物联网的聚羧酸减水剂自动化控制系统投入运行后，提高了聚羧酸减水剂的产品质量，提高了工艺生产的自动化程度，大大减轻了操作人员的劳动强度，提高了企业的竞争力。

4 结束语

本研究基于工业物联网架构设计的聚羧酸减水剂自动化控制系统对聚羧酸减水剂生产过程可以进行高效的跟踪管理，在实际应用中具有重要作用。它使聚羧酸减水剂生产设备具备了一定的数据感知、处理和通信能力，从而为企业制定更好的工艺流程提空帮助。同时，它也促使聚羧酸减水剂生产管理过程更加科学和精细化。该系统的成功开发设计为工业物联网在化工行业的推广打下了基础，做出了积极地探索。

参考文献：

[1]LIANG Wei，ZENGPeng Internet of Things Technology and Application Oriented IndustrialAutomation[J] Instrument Standardization & Metrology，2010：21-24[梁炜，曾鹏面向工业自动化的物联网技术与应用[J]仪器仪表标准化与计量，2010：21-24]

[2] KANGShilong，DU Zhongyi，LEIYongmei，ZHANG Jing Overview of industrial Internet of Things[J]Internet of Things Technologies，2013：80-82,85[康世龙，杜中一，雷咏梅，张璟工业物联网研究概述[J]物联网技术，2013：80-82,85]

[3] BIDongzhen The Design and Realization of Industrial Sewing Machines System Basedon the IoT[D]Shandong: Qingdao University，2012[毕东贞基于物联网的工业缝纫机系统的设计与实现[D]山东：青岛大学，2012]

[4]ZHANG Ximin，WANGGuoqing，DINGXuenian Development of an Internet home automation system[J] Chinese Journalof Scientific Instrument，2009，30（11）：2423-2427[张喜民，王国庆，丁学年基于因特网的远程家居自动控制系统研制[J]仪器仪表学报，2009，30（11）：2423-2427]

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[6]LI Nan，LIUMin，YANJunwei Frame work for industrial internet of things oriented to steel continuouscasting plant MRO[J] Computer Integrated Manufacturing Systems，2011，17（2）：413-418[李楠，刘敏，严隽薇面向钢铁连铸设备维护维修的工业物联网框架[J]计算机集成制造系统，2011，17（2）：413-418]

工业物联网无线数据采集系统，是一套基于信立 XLSN无线传感器网络技术的，具有终端数据采集，无线数据传输和数据应用分析等多功能的智能化数据采集和监控系统，它在市政供排水管网、供汽管网、热力管网、石油天然气管网、地下管沟监控；游泳池水箱水塔液位、大坝、河道水位、泵房浸水监控；蔬菜蘑菇、针金菇、水果、花卉、育苗等农业大棚智能环境监控；畜牧、家禽、水产等农业养殖智能环境监控；化工危化品石油天然气储罐区、电池、面粉仓库智能环境监控；电信机房、实验室、医院药房、生产车间、冷柜冰箱、图书馆、博物馆、档案室、粮库、烟草、酒糟酒曲酒窖等仓储馆藏智能环境监控；社区楼宇、港口工业园区、公园景区、校园广场、超市商场等大气环境质量智能监控；发动机、变频器等生产机器设备运行状态、仪器仪表能耗及生产缺料的智能监控等多个领域有着广泛的应用。

近年来，工业物联网无线数据采集系统的发展趋势是简化终端结构，在数据采集终端与主机之间采用无线通信，以代替复杂、不灵活的现场布线。该阶段数据采集系统采用更先进的模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可以扩展或修改系统，满足不同领域的需要。基于XLSN无线传感器网络24GHz或433MHz模块技术、MES制造执行系统技术及无线传感器、无线测控装置RTU等的智能制造工厂生产车间无线数据采集系统是工业物联网无线数据采集系统的典型应用案例。

1 GE

Predix是第一个被认为是世界上最大的工业互联网平台，但推广不尽人意。

2西门子

2019年西门子一直在推动其MindSphere，在国内进行了多次的产品推广会，希望超越GE Digital的Predix。西门子是一家庞大的跨国公司，只需将其自己的设备连接到MindSphere，即可使其成为世界上最大的IIoT网络。

3施耐德电气（WonderWare）

施耐德电气主要提供能源管理系统和工业自动化解决方案，两者都非常适合IIoT网络。借助像施耐德电气的WonderWare这样的IIoT网络，可以对所有电机和机器人以及诸如此类的东西进行集中监控和管理。未来，只有一个人坐在控制室中的计算机上，可以直接访问故障机器并查看传感器参数，并且机器知道如何解决。

4 SAP

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