第47卷第2期 石油化工 自 动化 Vo1.47,No.2 April,2O1l 2011年4月 AUT()MAT1()N IN PETRO CHEMICAI INDUSTRY 物联网的内涵与应用及其 对过程自动化的启示 李云飞1a,陈 良lb,王树青 (1.苏州大学a.计算机科学与技术学院;b.机电工程学院,江苏苏州 21 5006; 2.浙江大学工业控制技术国家重点实验室,杭州 310027) 摘要:物联网正引领一场新的信息产、 【。概述r物联网的概念、模型和特殊内涵,描述了,物联网的主要应用领域,并结 合实践介绍了基于物联网自动化系统的两个实例,最后探讨了在石油化工自动化领域采用物联网技术的前景、意义和潜在应用。 关键词:物联网;传感网;射频识别技术;无线传感器网络;过程自动化 中图分类号:TP273 文献标志码:A 文章编号:1 007—7324(2011)02—0001—04 The Connotation and the Application of Internet of Things and Its Inspiration for Process Automation I.i Yunfei .Chen Liang .Wang Shuqing。 (1.Suzhou Uni.,a.School of Computer Sci.and Tech.; b.Schoo1 of Mech.and Elec.Eng.,Suzhou,2 1 5006,China; 2.State Key Lab.of Industrial Control Tech.,Zhejiang Uni.,Hangzhou,3 10027,China) Abstract:The Internet of Things(1oT)is leading a novel revolution in the information industry.The concept,the model and the specicial connotation of loT.The main application area of IoT is described with two loT—based automation system in practice.The prospect,the significance and the potential application in petrochemical industry are discussed. Keywords:IoT;sensor network;RFID;WSN;process automation O 引 言 所取代,信息将在世界的每一个角落流动,计算将 无处不在(Ubiquitous Computing)。 1 物联网的内涵 物联网涵盖传感器、执行器、RFID电子标 世界IT巨头IBM认为信息产业遵循“15年 周期律”:即每隔15年全球的信息技术就发生一 次重大变革,从大型计算机(1 965年)、微型计算 机(1 980年)到互联网(1 995年),每一次信息产 业浪潮都催生了新的市场、新的商业模式和新的 签、无线通信、自动控制等各个领域,因此物联 网的相关研究也呈现多学科交又的特征。一个 典型的物联网层次模型如图1所示,一般包含 “感知层一接入层一应用层”。目前,物联网的学 术研究与工程应用主要针对上述的物联网层次 模型展开。 产业形态。在当下的1 5年,一场新的信息产业 浪潮正悄然兴起,那就是物联网IoT(Internet of Things)。 为此,IBM提出了“智慧的地球”战略,致力于 通过物联网技术实现人物、物一物的互联,从而 用更“智慧”的方式来管理生产和生活。可以说,物 联网就足撬动“智慧地球”的杠杆。它通过射频识 收稿日期:2011—02 15。 作者简介:陈良,2004年毕业于浙江大学自动化专业,获学 别技术RFID(Radio Frequency Identification)、无 线传感器网络wSN(Wireless Sensor Network)等 上学位,同年保送硕博连读于控制科学与工程专业。2007~2009 年,获德意志学术交流中心和国家留学基金委资助,赴柏林工业大 把任何物品与现有的网络连接起来,从而实现智能 化识别、定位、跟踪、监控和管理。物联网将从根本 上改变世界互联的形态,传统的基于互联网的人一 人交互将被基于物联网的人物交互、物一物交互 学博士联合培养,同年获工学博士学位,主要研究化工过程的建 模、优化,绿色化工及可持续性研究,化T过程控制系统性能评估, 网络控制系统及物联网等,以第一作者在国内外的权威杂志上发 表学术论文11篇,被SCI,EI收录10篇,任副教授。 2 石油化工自动化 第47卷 应用层 物联网工厂车联网图 道路桥梁监测 智能家居 图1典型的物联网层次模型 a)感知层。散布着大量的感知节点,如无线 传感器、RFID和EPC(Electronic Product Code) 电子标签,构建一个无所不在的感知网络,其触角 遍布道路、车辆、城市、工厂、湖泊等,从而创造数字 化的“智慧城市”和“智慧地球”。感知层多采用近 距离通信NFC(Near Field Communication)协议, 其通信距离一般为5~200 m,目前近距离通信协 议种类繁多,其中常用的如ZigBee协议。此外,由 于底层感知节点众多,还需要基于IPV6的广域互 联技术。 b)接人层。连接感知网和现有的网络(如互 联网和移动通信网),将对象的传感数据发送给远 程应用,或者将远端的控制指令下达给感知节点。 常用的接人层通信技术有GPS技术、GPRS/3G技 术、无线局域网(WLAN)和有线网络桥接技术等。 对于含电子标签的物联网,接入层还需要RFID读 写器来读写RFID和EPC电子标签的信息。 c)应用层。对应特定的应用与服务,如智能 交通管理、道路桥梁监测、机场安全监控、智能家 居、现代物流、远程医疗、物联网工厂等。应用层研 究的关键课题包括Savant物联网中间件的设计、 对象名称解析0NS(0bject Naming Service)服 务、物理标记语言PML(Physical Markup Language)服务等,以及各类物联网应用软件平台 的开发和设计。应用层研究的难点和热点在于面 向大规模物联网应用的数据融合/校正技术、拓扑 控制技术、普适计算和云计算等技术。 物联网不仅是互联网的延伸和扩展,还要理解 它的性和深远影响,其特殊性主要表现有以下 几方面: a)开放性和多样性。在“智慧地球”的愿景 下,任何有价值的物体小到一粒尘埃都应成为物联 网的一个节点,这就决定了物联网必然包含已有的 和新建的各种网络载体。在当前的物联网应用 下,无线传感器网络和RFID技术越来越普遍,然 而不能简单地认为loT就等同于WSN或RFID。 互联网、无线局域网、GPS、现场总线和工业控制 网络都可以作为物联网的载体,这决定了物联网 具有多样性和开放性。在物联网框架下,用户关 心的不再是网络媒介和通信协议,而是数据、算 法和应用。 b)交互方式的创新。物联网不是范围扩大了 的网络,其信息交互的方式发生了本质的变化。在 现有的计算机信息和自动化系统中,交互都是以人 为中心的,过程需要人为监视,故障需要人来发现 并排除,因而是被动式交互;而在物联网系统中,交 互以物为中心,物体可以主动地与特定人员交互, 实时汇报自身信息和运行状态。 c)自下而上的智能。交互方式的变革将提升 信息和自动化系统的智能水平。现有系统都采用 “集中式智能”,即智能的实现是自上而下的,一般 处于金字塔模型的上层。以故障诊断为例,现有的 数据驱动或模型驱动的故障诊断算法都运行于 MES层,并试图通过算法推算故障根源,如特定的 仪器故障。究其原因,主要是由于仪器缺乏主动交 互的能力。在物联网框架下,故障诊断是自下而上 进行的,故障仪器将主动与维修人员取得联系并汇 报故障的类型和时间地点,因而形成一种分布式地 自下而上的智能模式,这使得构建智慧工厂、智慧 城市、智慧地球成为可能。 d)新技术的试验田。物联网的发展将促进新 技术的应用和研究,为诸如分布式智能、普适计算、 云计算、感知式定位、数据融合等技术创造用武之 地。物联网将极大地加速人工智能领域的研究和 发展。 2物联网的应用领域 作为新一轮的IT技术,物联网将成就又 一个万亿级的信息产业,有望成为全球经济增长的 新引擎。在中国物联网也被列为国家七大战略性 新兴产业之一,因此物联网的应用具有光明前景。 2.1应用领域 鉴于物联网的开放性和多样性,其应用也将呈 现百花齐放的局面。图2从工业、社会、环境三个 层面概述了物联网的一些典型应用。 a)在工业层面,专用工控网络与现场总线将 逐渐融人物联网的理念,从而形成物联网工厂,基 于物联网的故障诊断新技术和远程监控系统将不 断涌现;物联网技术在物流领域得到了快速应用, 第2期 李云飞等.物联网的内涵与应用及其对过程自动化的启示 在海关、保税区、港VI码头、超市仓储等环节都有广 阔的应用前景;应用物联网技术建设智能电网 (smart grid)是新一代电力系统的发展方向。 翠 工业 社会 图2 物联网的典型应用领域 捆 b)在社会层面,物联网技术应用同样如火如 荼。新一代金融系统倡导移动支付和RFID防伪 电子票务,这使得建设基于物联网的智慧商圈和智 能导游与导购成为可能;汽车移动物联网(车联网) 项目将列为中国重大专项,专项基金投入达百亿, 成为构建智能交通的突破口;此外,基于物联网的 智能小区和智慧家居将提升人们的生活品质,远程 医疗系统将显著改善当前的医疗水平。 C)在环境层面,物联网技术将为节能减排、环 境保护和可持续发展贡献重要力量。其中,WSN 已经在环境监测和珍稀物种保护等领域进行了成 功的应用;在物联网时代,打造绿色高效农业是当 前农业的发展方向,而植物工厂将创造流水线种植 蔬菜的新模式,在上海世博会上获得好评。 2 2 应用案例 2.2.1 城市照明无线远程监控系统 如图3所示,利用物联网技术建立城域范围的 “智慧”照明,即该系统采用图1所示的三层物联网 架构。底层在照明设施(如路灯、景观灯)上安装基 于飞思卡尔Zigbee芯片开发的单灯控制器,从而 构成一个无线传感器网络,无需布线,自动组网;在 接人层,Sink节点通过主控箱接入移动通信网络; 在应用层,实施远程监控。 传统的路灯采用总线式控制,无法实现单灯控 制,并且无法调功率,而新系统创新地实现了单灯 “可关、可控、可调”,有利于节约城市照明用电量, 减少人工巡检费用,实践表明,该系统可以创造显 著的经济、社会效益。 基于物联网的照明监控系统以一种更智慧、更 精细、更节能的方式来管理城市照明,提供了一条 物联网时代实施绿色照明、节能照明、低碳照明的 可行道路。 应用层 圃 接入层 感知层 厂n、 回 l , 图3 基于物联网的城市照明 无线远程监控系统 2.2.2锂动力电池全生命周期管理系统 除无线传感器网络外,RFID电子标签是构建 底层感知网络的另一选择。 图4为基于RFID标签的锂动力电池管理系 统。众所周知,锂动力电池是绿色清洁能源,在电 瓶车和未来新能源汽车中将广泛使用。然而,由于 回收成本高、回收途径少,废旧电池往往随意丢弃、 拆解。原本的清洁能源却带来了沉重的环境污染。 现有的技术水平无法保证在电池“生产一销售一维 护一回收”的整个生命周期内得到有效监管。这是 开发基于物联网的锂动力电池全生命周期管理系 统的初衷。 如图4所示,电池通过配置RFID电子标签, RFID标签 图4 基于物联网的锂动力电池 全生命周期管理系统 4 石油化工自动化 第47卷 成为电池物联网的节点,通过与电池控制器的集 成,使其具备实时数据反馈和主动信息交互能力, 从而使电池的远程集中管理成为可能;为了获取标 签内的信息,在主干道路、大型社区、停车场、维修 点等处布设RFID阅读器,阅读器可以通过射频识 别技术读写标签中的信息,因此其周边车辆的电池 ID将被收集。阅读器内置3G通信接口,将ID信 息、地理信息、时间信息打包通过3G网络和互联 网发送给远端的管理服务器。 该项目致力于利用物联网技术实现锂动力电 池“生产一销售一维护一回收”全生命周期内的信 息可追溯,对电池和车辆防盗、远程定位、电池回 收、自动分类、自动故障诊断等应用具有积极意义。 3物联网对过程自动化的启示 回顾历史可以发现,每一次信息技术的变迁都 会对工控领域产生深远的影响。工控系统的发展 可以概述为“手动控制一计算机控制一网络化控 制”的发展历程。这其中有两个里程碑:一是 DDC系统用计算机控制取代操作指导系统,提升 了工业控制的自动化水平;二是DCS和现场总线 FCS采用分布式网络化控制,提升了企业综合自 动化的水平。可以预见的是,物联网作为新的IT 技术必然在过程自动化领域具有重要的意义, 它将提升企业的综合智能化水平。据文献[8]报 道,由西门子、巴斯夫、博世等企业资助,德国的科 研机构已经在研发新一代的物联网工厂Smart FactoryKL,它在Profibus总线的基础上综合 Zigbee无线传感、Wifi,RFID标签、蓝牙和智能化 移动设备等技术,面对日益大型化的工艺流程和快 速变化的市场供求关系,实现全局的最优化。物联 网对过程自动化的影响主要有如下表现。 a)物联网不会改变现有的分布式网络化控制 结构,如图5所示的层次化金字塔模型依然适用。 DCS和FCS在工控网络中依然扮演中坚角色,然 而其网络形态将逐渐向物联网演进,例如HART 现场总线已提出了基于IEEE 802.15.4的无线 HART协议,它利用网状网络、调频和时间同步技 术保证无线通信的抗干扰能力;通过加密、认证、 关键词管理等技术保障网络通信的安全性和私 密性,实践表明无线HART跟有线HART总线 一样适用于包括闭环控制在内的绝大部分工业 控制应用。 当前,物联网是现有工控网络的有益补充,尤 其在有线控制系统布设困难、后期维护费用高昂的 应用中,诸如无线HART和无线传感器网络WSN 具有独特的用武之地。文献El0]报道了镇海炼化 的一个WSN应用——在运输码头和低温灌区之 间修建全长7 650 m的低温乙烯运输管线,并在温 度区间[一150℃,一100℃]实现温度控制,WSN 有效解决了该项目中的技术难题,并实现了与 DCS的集成。此外,基于物联网技术在物流领域 的独特优势——在大型石化企业内部建立物联网 物流管理系统具有典型的应用价值(如图5所示)。 图5物联网工厂的金字塔模型 b)物联网技术将对工控系统的算法和软件体 系产生显著影响。在物联网框架下,底层设备的智 能和自治是其典型特征,这是当前工控底层设备所 不具备的。因此,1)分布式智能、基于Agent的智 能系统、专家系统都将具有良好的应用前景;2)内 置嵌入式物联网接口的智能现场设备也将获得极 大的发展,从而解决长期以来制约FCS发展的一 个瓶颈,并加速推进数字工厂的实现;3)物联网的 底层设备具有主动交互能力,从而形成一种“自下 而上”的智能,例如基于物联网的故障诊断系统将 从底层着手直接抓住故障的本质,从而改变目前基 于数据驱动和模型驱动的诊断算法;4)普适计算 将成为物联网工厂的典型特征,全厂实时最优化将 逐步推进,例如炼化企业可以根据国际原油价格 波动和自身库存情况实现“产一销一存”一体化; 5)基于物联网的开放性,远程SOHO办公和远程 无线监控将成为可能。随着智能移动设备计算能 力的提升,未来基于移动设备开发的监控软件将成 为热点,基于Android操作系统的轻量级工控软件 将逐步登上历史舞台,如文献E8]报道可以通过智 能手机完成控制器参数、设定值修改等常规过程监 控任务,当然远程移动监控实施的前提是保障过程 和通信的安全性。 4 结束语 物联网作为世界物联的网络形态必将引领一 (下转第8页) 8 石油化工自动化 第47卷 统将乙烯排放回到储罐。来自再液化单元和储罐 自动启动,通过沿罐顶设置了三圈装有水喷嘴的管 的减压调节阀以及一部分压力安全阀的气体排放 线向储罐喷射水雾,所形成的水雾完全覆盖储罐顶 到火炬系统。 部和罐壁,起到隔绝和降温的作用。 罐内蒸发气的紧急排放属于低压排放系统,通 6 结束语 过安全阀将储罐与火炬直接相连,排放的气体在地 目前国内低温储存装置呈现出大型化和多样 面火炬的低压区进行焚烧处理。工艺区域的排放 性趋势,并且由于存储大量的低温烃类介质,装置 气体由高压排放系统处理,在高压排放系统安装一 的安全、稳定运行是该类装置设计和操作的最重要 个分液罐,在进入火炬系统之前将排放气体中的液 问题。作为维护低温储存各系统安全运行的控制 体和气体分开。液体被收集在分液罐中,通过蒸汽 技术必须与低温储存技术的发展相匹配,不但要求 加热盘管加热蒸发。排放气体被引导到地面火炬 技术先进,更要求成熟和安全可靠。该文通过对典 的高压区进行焚烧处理。 型的低温乙烯储存装置的控制要点和控制方法的 储罐防止超压的最后保护措施,是通过罐顶安 说明,力求帮助设计者充分了解该类装置的工艺特 装的2台安全阀,排放至大气。每个安全阀的设计 点,进一步优化和完善该类装置的控制技术,从而 排放能力为最大排放量的100 ,即,一台安全阀 促进低温储运技术的整体水平有所提高。 工作,另一台安全阀备用。 参考文献: 为了避免由于气体运输船的漂移造成码头的 [1] 杜玉清,鲁雪生.低温储罐电容液位计设计[J].低温与超 危险情况,海上装船臂装有紧急释放联轴器。在断 导,2004,(1):11—13. 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