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]

[5]WU Jiaqiang Tracking and quality monitoring system based on IOT industrial forsteel pipe[J] Journal of Mechanical ＆ElectricalEngineering，2013，30（11）：1335-1339[伍家强基于工业物联网的钢管跟踪及质量监测系统[J]机电工程，2013，30（11）：1335-1339]

[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]

物联网

就是通过各种信息传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。

案例看下我们用的中安鼎辉吧

就是这样的流程大概，反正我们用这不错，想进一步了解的可以咨询他们，他们的MES功同时可以实现企业供应链LES(Logistics Execution System)、集团GES(Group Execution System)的构建和管理。

衍生企业执行流程，全面提升企业的运行效率。并能从价值链的角度，去模拟企业价值链的价值活动，达到对价值链的全面关注和重点关注。

还有IDM—智能数字制造系统代表了国内目前先进的制造执行行业的理念、发展趋势和技术能力。最大的特点就是能与企业供应链执行完美集成。应用了多种软件技术和先进的设计理念，不仅实现了层次模型的创新性设计，而且在二次架构的的灵活性和可扩展性上，在云计算和SOA(Service Oriented Architecture)的实际应用中，都表现出了强大的生命力。所以这方面经验足。

1、作为智慧城市试点重点单位武汉市在污水处理行业采用物联网污水处理综合运营管理平台，依托云计算技术构建、利用互联网将各种广域异构计算资源整合，以形成一个抽象的、虚拟的和可动态扩展的计算资源池，再通过互联网向用户按需提供计算能力、存储能力、软件平台和应用软件等服务。系统可以对污水处理企业的进、产、排三个主要环节进行监控，将下属提升泵站和污水处理厂的水量、水位、水质、电耗、药耗、设备状态等信息通过云计算平台进行收集、整合、分析和处理，建立各个环节的相互规约模型，分析生产环节水、电、药的消耗与处理水排水、生产、排放之间的隐含关系找出污水处理厂的优化生产过程管理方案，实现对污水处理企业生产过程的实时控制与精细化管理，达到规范管理、节能降耗、减员增效的目的。

前段时间研究物联网，我发现亚马逊云科技的物联网技术还挺厉害的。Amazon IoT Analytics是一项完全托管的服务初心，它可以轻松地运行和实施大量IoT数据的复杂分析，而不必担心构建IoT分析平台通常所需的成本和复杂性。我印象比较深的案例是，可以使用这项服务更好地预测相关货运车辆上的加热和冷却系统何时会出现故障，并进行相应的维修，以防止装运损失。

2014年是线上线下企业高呼转型的纷乱期，O2O成为了共同的救命稻草。各零售企业结合自身发展，纷纷探索双线融合，目前零售业已有十大典型的O2O模式。以下是我为大家整理推荐关于o2o模式十大成功案例内容分析，希望对大家有所帮助。

所属行业：店商+平台电商+零售服务商

案例概述：苏宁的O2O模式是以互联网零售为主体的“一体两翼”的互联网转型路径。苏宁利用自己的线下门店，以及线上平台，实现了全产品全 渠道 的线上线下同价，帮助苏宁打破了实体零售在转型发展中与自身电商渠道左右互搏的现状。O2O模式下的苏宁实体店不再是只有销售功能的门店，而是一个集展示、体验、物流、售后服务、休闲社交、市场推广为一体的新型门店——云店，店内将开通免费WIFI、实行全产品的电子价签、布设多媒体的电子货架，利用互联网、物联网技术收集分析各种消费行为，推进实体零售进入大数据时代。

2014年“百日会战”中，苏宁O2O模式优势凸显，双“11”，苏宁发起第二届O2O购物节，祭出门店、网站、手机、T V“四端协同作战计划”，并取得了一定成绩。

分析师点评：2014年，苏宁以互联网零售为主体、“一体两翼”的转型布局已逐渐站稳了脚跟,并迅速进入效益凸显期。其中，作为传统零售企业转型互联网零售的代表，苏宁的“自营O2O模式”在今年百日会战和双“11”中初见成效。但苏宁“店商+电商+零售服务商”的O2O模式未来能否在O2O行业压力下长足发展，还有待时间的检验。

所属行业：综合自营+平台电商

案例概述：京东与15余座城市的上万家便利店合作，布局京东小店O2O，京东提供数据支持，便利店作为其末端实现落地;京东与獐子岛集团拓展生鲜020，为獐子岛开放端口，獐子岛提供高效的生鲜供应链体系。另外，京东还与服装、鞋帽、箱包、家居家装等品牌专卖连锁店达成优势整合，借此扩充产品线、渠道全面下沉，各连锁门店借助京东精准营销最终实现“零库存”。

分析师点评：中国电子商务研究中心助理分析师孙璐倩认为，京东O2O模式基于线上大数据分析，与线下实体店网络广泛布局、极速配送优势互补。发挥了京东的平台优势、物流优势，跑马圈地，扩大其市场地盘，填补了其用户结构单一的短板，是开拓O2O发展的又一渠道。但该模式末端的传统便利店是否有社区购物习惯的数据积累，有积累是否有价值，这个仍值得考虑，京东O2O未来的路还比较长。

所属行业：商业地产

案例概述：万达联合百度、腾讯，共同出资成立万达电子商务公司，万达打通账号与会员体系、打造支付与互联网金融产品、建立通用积分联盟、大数据融合、WiFi共享、产品整合、流量引入等方面进行深度合作，同时将联手打造线上线下一体化的账号及会员体系;探索创新性互联网金融产品;建立通用积分联盟及平台;同时，万达、百度、腾讯三方还将建立大数据联盟，实现优势资源大数据融合。。近日，万达投资20亿入股快钱，弥补在O2O支付环节短板。

分析师点评：阿里一家独大的格局，万达、百度、腾讯分别做电商失败，让其深刻意识到抱团生存的重要性。万达抱团互联网大佬、多方借力的O2O发展模式，有望牵制阿里，给二、三线电商施加压力。但能否完成三方团队无缝隙对接，实现1+1+1>3，仍有待考验。万达投资快钱是其构建O2O版图的重要一步，块钱将成为万达电商重要的支付平台。

所属行业：商业百货

案例概述：案例概述：银泰所有商场参加到天猫购物狂欢节，并率先尝试线下选品、线上支付购买的O2O模式。银泰商业集团还得到阿里战略入股，双方优势互补，共同打造涉及食、住、购、娱、游和公共服务六大领域的武林商圈O2O平台。2014年双“11”，银泰商业协同参与了阿里设立的020专场“去逛街”，纵深化增强O2O实力。

分析师点评：银泰与阿里联姻的O2O模式，一定程度上火拼了腾讯、苏宁等巨头在O2O领域“跑马圈地”。银泰依靠在全国的零售网络帮阿里搭建好O2O的基础设施体系，进而全面解决双方在线上和线下的货品、支付、物流等关键环节的融合，试图树立O2O领域的某种行业标准，并向全社会开放。

所属行业：商场超市

案例概述：大润发正式上线B2C平台飞牛网，在飞牛网运行半年后，携手喜士多便利店推行O2O“千乡万馆”项目，建立飞牛网购体验馆，实施O2O战略。飞牛网设置网购体验馆，旨在服务大润发服务不到的地区。飞牛网还将借力其他便利店、社区服务中心、乡镇连锁小店、加油站、专卖店等探索多元化通路。随后，飞牛网推出以“店庆日秒杀“为主题的活动，预热双“11”，4万平青浦仓投入使用，配送效率显著。飞牛网又与南通邮政达成战略合作，正式启用首批体验馆，飞牛网南通地区020“千乡万馆”计划开始落地。

分析师点评：中国电子商务研究中心(100ECCN)网络零售部助理分析师孙璐倩认为，大润发作为传统零售企业，积累了长久的用户资源和较好的口碑，其借飞牛网设置“千乡万馆”的O2O战略，以点带面，在很大程度上满足了用户需求，也能更好地实现线下切入线上、线上商业线下服务的互补，为未来用户市场的开拓争取更多的资源。大润发O2O模式将成为商超类进入互联网的借鉴。

下一页更多精彩“o2o“互联网+”模式成功案例分析”

以上就是关于有没有物联网和云计算两者融合的具体案例全部的内容，包括:有没有物联网和云计算两者融合的具体案例、物联网技术的应用有哪些有什么最新应用案例吗、城市污水处理的城市污水处理中物联网的运用案例等相关内容解答，如果想了解更多相关内容，可以关注我们，你们的支持是我们更新的动力！