工控人看工业物联网——困境与突破

​先废话几句本人的背景:从2010年1月份开始进入企业实习,到现在——2021年1月,弹指一挥间,在工业自动化控制(简称工控)行业摸爬滚打已经10年有余了,主要服务于冶金化工工业和舰船港口行业。对工业自动化工程从设计到实施交验都深有体会,可谓是“谁干谁知道,说多了都是泪啊!”,因为一直扎根一线也成长在一线。大学专业是通信工程,主要是学习模电数电,有线、无线通信的基本理论,信息论、信号编码处理等基础知识。

不知道是不是职业病的缘故,初看到“物联网”这个词就有一点莫名地亲切和激动,因为“物联网”让我不由自主的想到了便捷的无线通信,想到了当前互联网的繁荣景象……

一、发展

“物联网”(英语:InternetofThings,缩写 IoT)的概念提出有很久了,不过,随着近几年的“两会”中一再提及,彰显了国家对物联网的重视和发展物联网的决心,这就使得参与物联网淘金的企业越来越多。“物联网”这个“旧时王谢堂前燕”,逐渐从概念到落地,也有了各类产品“飞入寻常百姓家”,比如具有远程自动抄表计费功能的燃气表、电表、水表,还有家用的网络摄像头、各类智能家居产品,还有共享单车、共享汽车等等。简单来说“物联网”就是让天涯海角的万物像我们的手机一样,可以随时随地的上网、通信,达到“天涯若比邻”的效果。

平时的日常生活中,接触和感受到是消费物联网产品,这类产品在使用中带给我们生活的便捷是不言而喻的,比如通过物联网摄像头可以随时随地的关注家中老人、小孩等特殊人群的状况;通过物联网洗衣机、物联网扫地机器人可以在我们外出工作时它们也在家“工作”;通过物联网空调、物联网热水器可以在我们回家前调节好房间温度、准备好热水……想象一下都让人觉得挺激动的。

通过前面的介绍,我们认识了身边的消费物联网,那么举一反三,“工业物联网”( IIoT )顾名思义就是用于工业生产领域的可联网的各种设备、网络基础设施等,如温度传感器、压力传感器、执行器、控制器等。

消费物联网产品依托于基数庞大的千万家庭的消费需求,所以呈现出了广阔的市场前景。那么,工业物联网是否更加值得期待呢?我国目前是一个制造业大国但不是制造技术领先的工业强国,就我所熟悉的化工行业来看,虽然企业的工业自动化及信息化水平已经有了显著的发展和提高,但企业的生产经营目前还是“数据为辅、经验为主”的模式,经过这么多年的企业信息化建设虽有大量的生产经营数据积淀,但更多是各行业部门各自为政的数据孤岛。正所谓“独木难成林,百川聚江海”,如果将这些数据汇集起来,经过人工智能、大数据技术等分析后融入到工业生产的各个流程环节,提高制造工艺,不断改善产品品质,丰富产品特性品类,节能降耗,由此而带来的“蝴蝶效应”将不可估量。因此,工业物联网产品日后必将迸发出巨大经济效益和无限的潜力,这种价值和意义必将远远超越消费物联网。

二、挑战

既然工业物联网的有着巨大的价值和意义,以我浅薄的10多年来在工控行业中的观察实践,至少在化工行业鲜有企业在实际的工业生产中运用工业物联网技术,这是为什么呢?为什么工业物联网一直是“雷声大,雨点小”呢?有人说是因为工控设备种类繁多、接口与通信协议多种多样等造成的;也有人说是因为物联网设备的成本投入过高;还有人说是因为企业生产技术的需要保密等原因。诚然,不可否认这些说法都有一定的道理。

关于工业物联网的运用,我们暂且不讨论大数据与人工智能赋能后的工业物联网,来看一个目前最常见的场景。在化工生产中,有各类长长的物料输送管线、大量的反应釜、反应塔等设备,生产过程中需要实时监测它们的温度、压力、液位等参数,因此使用了大量的温度传感器、压力传感器、液位传感器等各种检测仪表,还有用于调节控制这些参数用的执行机构如调节阀、电机等。这些检测仪表、执行机构的数量十分庞大,位置极其分散,这么多的仪表执行器每一个至少都需要一根电缆的汇入几十上百米外的工业自动化控制系统进行信号采集处理,所以工程施工时需要铺设大量的电缆桥架槽盒,然后还需要为每个仪表执行放电缆。干过工控仪表施工的都知道,这项工作起码占据了60%以上的工程施工时间,对人力物力的耗费量也是最大的——需要消耗大量的桥架、电缆,大量的人员参与拉线放线,后续还需要进行接线、校线。业内有大量的企业和技术人员都注意到了这个问题,针对这个问题的解决方案主要有:分布式子站和现场总线控制系统。大量分布式子站就近汇总采集处理该分布式子站周围一小片区域的信号,经高速通信总线传输,将大量的从自动化中央控制柜(俗称:主站)到现场仪表的控制信号线缆缩减为少量几根的从主站到分布式子站(俗称:从站)的通信电缆,这是一种典型的分而治之的思想——主站统筹全局从站管控局部。但是,化工行业这种分布式子站的运用却很少见,分析之后认为可能的主要原因有:一是因为分布式子站的对安置的环境要求高需要防鼠、防潮、防腐、防火、合适的温湿度等;更重要的是化工生产厂区对设备的防爆要求非常严格,自动化控制系统的中央控制主站及分布式子站适合设置在远离生产装置的安全区域,仪表位置的分散特性导致建立符合环境要求的多个分布式子站机房的经济性不佳。另外,现场总线控制系统在化工行业也不常见,可能是由于成本的原因造成经济投入产出比不高。

既然化工行业现场环境的特殊性导致不太适合建设大量分布式子站又因为成本的原因不适合现场总线控制系统,难道就没有任何办法可以用来解决上述问题了吗?我认为一个可行的解决方案是工业物联网技术。地理位置临近的各类传感器仅需要轻量级工程施工和少量有线电缆连接汇集至该区域中心的工业物联网终端,工业物联网终端使用无线通信方式将数据发送到工业物联网网关,工业物联网网关与自动化控制系统主站相邻,工业物联网网关经过短距离的有线通信将数据转发给工业自动化控制系统,这样就节省了大量的每个仪表至自动化中央控制柜的工程施工、电缆使用。工业物联网终端与上文提到的分布式子站系统有异曲同工之妙,但它更轻量级只进行简单的信号收发的功能,处理的信号种类更单一分工更加的细化,运用嵌入式技术可将成本、环境适应性等做到最优。这种方式与我们熟悉的 WiFi 热点相类似,一个 WiFi 热点的信号可以覆盖周围若数量手机、平板等,同理,每个特定的小区域内都有工业物联网终端采集附近传感器的信号,信号的运算处理及逻辑控制等“重担”都由中央控制器完成。当然,这些设备也是需要考虑供电,但电源线是可以并接的,一根主电缆可以分支很多旁路,这种工程量相对来说是很小的,更值得期待的是电池技术发展进行电池供电或者无线供电。不过,现有的物联网无线通信技术又有各种问题或者隐忧,无论是方兴未艾的 5G 技术还是消费物联网中运用得如火如荼的 Cat.1(或 Cat.4)、NBiot、Zigbee、LoRa等。

图1. 工业物联网通信示意图

虽然在 5G 技术的普及推广方面,中国领先世界,但现在还只是 5G 技术的初级阶段,目前的5G技术的主要运用场景还是形如视频、网购、游戏等“增强型移动宽带(eMBB)”类业务,而且现在的5G组网更多的是非独立组网(NSA),5G 技术发展的重点之一就是独立组网(SA),非独立组网(NSA)缺少发挥 5G 高性能特性的强有力支持的大脑——5G核心网,借用网上的一张图片(图2),我们可以明显的看出这种差异——非独立组网(NSA)的数据交互过程明显纷繁复杂。

图2. 5G两种组网实现方式区别示意图

更重要的是,5G 技术中为物联网而生的“大规模机器类通信(mMTC)”和“超可靠和低时延通信(uRLLC)”还未落地生花,进而无法“结果”。如果没有这两项技术的广泛实施做为支撑,就无法保证工业生产过程中依据各类传感器数据进行自动化控制的要求。而且,当前市场上基于5G技术的工业物联网设备稀少鲜见,毕竟 5G 通信技术门槛还是挺高的,即使有少量几款产品价格也高高在上。

依托蜂窝通信网络中的 4G LTE技术的物联网设备如 4G DTU 数传电台终端、数据采集模块等 4G 物联网终端是目前大量使用的消费物联网解决方案,各类产品种类丰富,价格低廉,根据通信速率的不同主要分为 Cat.1 和 Cat.4 类设备,但是这些设备没有固定公网 IP 地址,HMI 人机交互上位机软件不能直接读取到数据,数据的传递需要借助各终端销售厂家的云平台或者第三方云平台如阿里云等,那么这些云平台的运营商的稳定性和可靠性将至关重要,否则,云平台突发性的出现故障时大批量的工业生产实时数据不能获取,工艺流程的自动化控制无法完成,造成的后果将无法估量!

NBiot 是窄带物联网技术,适合通信数据量极低、速度极慢、低功耗的场合,不能满足工业生产对数据实时性的要求,通常情况下,工业生产中 1S 左右的数据延时是可接受的,所以基于 NBiot 技术的物联网设备主要是智能电表、智能水表等家用设备,或者是水利、农业、环境等领域用于仅监测而不需要进行反馈调节类的闭环控制的场景。

Zigbee、蓝牙、WiFi 都是短程近距离通信技术,从半米到200米以内的距离不等,虽然像 Zigbee 有自组网技术加持,可以方便的以中继方式进行转发,但自组网通信的通信延迟又成了突出问题了,行业内对大规模大范围大数据量的自组网通信延迟情况及优化策略了解得还不深入。Zigbee的一个典型应用就是小米的智能家居场景中作为网关设备。

LoRa 通信距离上在不使用中继的情况下,针对中小规模的化工厂的运用场景肯定是没有问题的,但它在国内能使用的频段是433M,频点低带宽也就比较窄了,带宽窄传输速度上就需要结合数据量进行着重分析了。

以上的各类物联网无线通信技术,如果不能在数据延迟和传输的可靠性上得到保障,那么工业物联网之路将还很漫长。我们知道一些化学反应在适当的温度、压力等条件下是反应迅速而又剧烈的,当因为数据的延迟问题或者通信的可靠性得不到保证导致数据丢失,恐怕最终的结果将差之毫厘,谬之千里,后果可能也不堪设想。

三、突破

经过上文的分析,现有的消费物联网技术要变成工业物联网似乎已经走入了死胡同,没有了出头之日。工业物联网的发展,我觉得最值得的期待的还是5G 技术的进一步成熟,因为 5G 技术从底层设计上就考虑到了工业物联网的对数据通信可靠性和低延时的特殊要求,物联网的通信从 3G 时代的 GPRS 到4G时代的 Cat.1 和 Cat.4 都是在为 5G 时代物联网的全面爆发积蓄能量。另外,还有很重要的一项技术是 IPv6,没有 IPv6 技术的物联网是残缺不全的,只有使用 IPv6 地址才能给每一个物联网的设备一个唯一的“门牌号码”,才能更直接方便地进行物与物的通信、交换数据。可惜,这两个条件目前只能等,急不来。

基于 4G LTE 技术的物联网设备的主要弱点在于对云平台的依赖,云平台是需要一直与互联网保持连接的,容易成为网络攻击的目标,另外,单一云平台的停电、网络线路故障等意外情况难以预防预料,所以这类物联网终端设备应当同时将数据传入多方云平台,为了提高数据采集传输的可靠,数据采集端、接收端也应当进行冗余。或者,进行混合式通信,即数据既经过 4G 物联网设备转发至云平台进行传输,同时,又采用 LoRa 技术进行直接的端到端传输。这种冗余方式势必会带来数据处理上的复杂和成本投入的增加,但也是目前相对容易实现的工业物联网途径。

另外,如果结合 Zigbee 网络容量大的特点——65000个设备,做为工业传感器与工业物联网连接的“最后一公里”的连接方案,例如,各类传感器低功耗电池供电并且每个传感器是一个 Zigbee 终端节点,与 Zigbee 蜂窝区域网关通信,同时该网关支持 LoRa 或 4G/5G 等长距离通信方式,这样长短距离无线通信方式相结合,相互取长补短,既保证的无线通信节点的广度也保证的无线通信的纵深,是我比较看好的方向。

四、展望

展望未来,我认为大部分的传感器都应当是低功耗设备了,可以直接电池供电,各类传感器就像手机一样可以直接接入 5G 网络且不需要信号汇集设备,也每个传感器具有独立的 IPv6 地址,可以独立进行数据传输、远程诊断、参数设置等。各类传感器可以随时安装,随时使用,不再需要铺设任何的电缆、线槽等辅助施工工程。

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