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  • 中國信通院劉泰:工業環境下的物聯設備可靠性思考

    2017-12-26 09:16 來源:國脈物聯網
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      第八屆中國物聯網與智慧城市發展年會于12月20-22日在北京世紀金源大飯店勝利召開。本次年會的分論壇之一--全國工業物聯網峰會以"工業物聯網的創新與應用"為主題,由中國通信工業協會主辦、中國通信工業協會物聯網應用分會、中國智慧城市規劃與建設推進聯盟協辦,佛山司馬錢信息技術有限公司承辦,來自北京、上海、廣東、浙江等物聯網領域的領導、行業專家、企業代表等130余人出席本次峰會。

      21日下午,中國信息通信研究院泰爾系統實驗室基礎部主任工程師劉泰以《工業環境下的物聯設備可靠性思考》為題進行了分享。

    中國信通院劉泰

    中國信息通信研究院泰爾系統實驗室基礎部主任工程師劉泰

      以下是會議現場發言實錄(根據速記和錄音整理,未經本人審核):

      各位領導、專家,大家下午好,我是來自中國信息通信研究院泰爾系統實驗室的劉泰。今天我匯報的題目是《工業環境下的物聯設備可靠性思考》,主要分為四個部分,首先介紹一下工業物聯網產業發展趨勢,二是工業環境下的物聯設備可靠性,三是國家物聯網質檢中心介紹,最后是簡單進行一下總結。

      剛才解處和王秘書長都介紹過,從2010年開始全世界各個國家都開始了工業再發展、再工業化的戰略。首先是美國從2010年提出了先進制造業國家戰略,其次是德國提出了工業4.0的概念,之后包括韓國、日本、英國、法國以及歐盟等都提出了他們再工業化的戰略。而我們國家也提出了中國制造2025的戰略。我國提出中國制造2025,也就是從國務院印發的《中國制造2025》開始部署全面推進實施制造強國戰略。"中國制造2025"戰略目標有兩個方面:一個是到2020年,實現制造業信息化水平大幅提升,另一個是到2025年,實現兩化(工業化和信息化)融合邁上新的臺階。2016年12月,工信部和財政部聯合引發了《智能制造發展規劃(2016-2020年)》,這也是我們國家在"十三五"期間對智能制造的發展進行的詳細的規劃布局。

      從工業發展來看,我國目前處于第四次工業革命時期。1760年是以蒸汽機和機械的發展為代表的第一次工業革命,1870年是以電信化為代表的第二次工業革命,1969年到1970年自動化和信息技術發展為開端的第三次工業革命,而當前我們正處于以信息物理系統發展為代表的第四次工業革命時期。

      同時我們信息技術的發展也正處于一個發展的時期,這是韓國三星在2014年的一個報告,它把我們信息技術發展分為了五個階段。第一個階段是從1990年到2000年是互聯網發展時期,2000年到2007年是無線通信發展時期,2007年到2014年是移動計算(移動互聯網)發展時期,三星認為從2014年到2020年物聯網還沒有真正進入物聯網紀元,也就是儲備期,而到2020年開始我們真正進入物聯網紀元。當工業的發展和機械制造業的發展在歷史時期上交匯,就產生了我們今天的焦點,也就是工業物聯網。

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      信息技術發展的五個階段

      一、工業物聯網發展趨勢

      一些咨詢機構對物聯網的發展進行了預測。首先是IHS,預測接入網絡的設備在2015年約為200億臺,到2020年這個數字將達到400億臺,再到2030年將達到1200億臺。然后是Gartner,物聯網終端安裝數2015年在50億左右,到2020年達到208億,垂直行業物聯網的終端數安裝數增長率在2015年到2020年維持在25%左右??梢钥吹絻杉业念A測統計數據差異比較大,但是都預測了物聯網的高速增長。工業物聯網就是通過現場連接技術,把我們的工業環境中運用的硬件、機械裝置等,通過IIOT工業物聯網的網關等網路連接起來,達到一個機械對接的目的。工業物聯網向下連接生產設備、生產流程、動力和環境、材料和產品以及把人也連接起來,也就是生產所說的"人機料法環"各個環節全部連接起來。而向上可以通過工業物聯網平臺實現更加智能化的應用,大數據、云計算等運用在其中,促進工業物聯網的靈活應用。

      而在工業物聯網的發展方面,IHS預測2016年工業物聯網連接的設備年出貨量達到9.9千萬 ;2016年用于離散自動化和過程控制的傳感器年出貨量約為3千萬,在2021年將達到月5.5千萬,2025年將接近9千萬。HIS也預測了一些事件:

     ?。ㄒ唬┕I機器人將引領智能制造,2020年工業機器人市場空間將超過232億美元;

     ?。ǘ└叨藱C器視覺應用將需要10G以太網的連接;

     ?。ㄈ┪锫摼W設備市場中工業市場的份額將在未來9-10年間強勁增長,增長率28.2%;

     ?。ㄋ模┎捎?D打印進行原型設計將使產品設計制造周期縮短15個月,部件重量減輕50%。

      隨著現在云計算和機器人技術的發展:

     ?。ㄒ唬⒊霈F基于共享云服務的協作機器人;

     ?。ǘ?020年,AR/VR將更多地應用于零件挑揀、組裝和工藝檢查;

     ?。ㄈ?015年到2020年,工業無人機的銷售量復合年均增長率將達到77%;

     ?。ㄋ模╇姍C、泵和壓縮機等將使用傳感器來進行預判性維護 。

      目前工業設備的現場連接仍以現場總線為主;據估計,基于以太網和工業以太網的現場連接在2015年滲透率約22%,預計2015年-2020年基于以太網和工業以太網的設備增長速度將是總線設備增長速度的兩倍。

      有線網絡通信將在一定時期內占主導地位,無線通信的應用也將逐步提高。

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      目前工廠內的網絡主要分為兩層(IT網絡和OT網絡)三級(工廠級、車間級、現場級)架構。隨著工業聯網的發展,未來的趨勢是工業現場OT網絡與IT網絡融合,互聯網向工業現場下沉;網絡呈現扁平化、IP化,每一個物聯節點都通過獨立的IP地址直接接入網絡中。

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      隨著現場設備大的物聯能力逐漸增強,傳統的自動化金字塔也就是自上而下的控制也將被打破。物與物,設備與設備之間都能夠互相連接,隨著帶來的就是生產管理的智能化、柔性化程度將大大增強。

      我們的通信運營商也十分關注企業之間的連接,這是中國電信和中國信通院聯合發布的《工業連接計劃白皮書》中對企業內連接進行了分類,包含四個方面:

     ?。ㄒ唬┈F場設備與私有云平臺的連接;

     ?。ǘ┕I控制系統與私有云平臺的連接;

     ?。ㄈ┧接性破脚_與人的連接;

     ?。ㄋ模┈F場設備與工廠控制系統的連接。

      隨著工業企業對帶寬的巨大需求,供應商希望把光釬網絡直接接入車間中而提出了工業PON組網網絡構想,未來可能是直接將光纖接入車間內,當然其中也需要技術的支持,也就是光網絡單元與物聯網關的融合。

      IT與OT的專業連接服務中,制造與資源采集的行業將占據最高的比例,到2020年占比將達到42%,1500億美元的市場,復合增長率接近20%。從區域看,北美、西歐、中國區是IOT-OT專業連接服務的最大市場,中國區的復合年均增長率21%。IHS預測用于離散工業和過程工業的應用占工業網關的主體,到2020年工業網關年出貨量將超100萬臺。低時延、支持邊緣計算、實現多協議轉換將是工業網關的基本需求。

      二、工業環境下的物聯設備可靠性思考

      工業物聯網通過傳感器、物聯網關、通信設施、智能設備等硬件實現感知、計算、通信、執行等功能,以工業物聯網為基礎就可以實時或預判地生產設施維護、產品制造和生命周期追蹤、生產流程控制和優化、企業生產運行全局管理以及工廠動力、環境的監測控制。通過智能制造的發展,我們機器在工廠中扮演越來越重要的角色,對于人工的需求也在下降,那么我們是否能完全放心將所有都交給機器去完成嗎?這就涉及一個可靠性的問題,就是工業物聯網想要支撐智能制造就需要一個長期的可靠性保障。

      作為一些基礎的工業物聯設備,包括傳感器、物聯網關、通信設施以及智能設備,對它們也提出了一些可靠性的需求。為什么會提出這些需求呢,因為傳統來說這些都是用在傳統環境中的。我們傳統環境也就是室外環境和室內環境,工業發展時間較長,對于室外環境的界定和保護我們已經有了很好的定義,而室內環境也是很好的,數據中心的環境更是得到了一個良好的控制。所以這些設備在傳統的應用環境下是可以得到保障的。工業環境是一個更加復雜的環境,不同的工業門類和工業生產流程對于環境的需求是不一樣的,在生產環境中可能會有高濕度、化學腐蝕、粉塵、不同的溫度變化等,這些都會對生產設備和生產效率產生影響,而在這些環境下怎么實現我們的可靠性是我們當前要解決的問題。

      為此我們也手機了來自不同生產企業的工業物聯設備技術資料:

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      工業物聯設備技術資料

      我們可以通過對不同生產企業的產品技術資料分析可知:

     ?。ㄒ唬└魃a企業對工業物聯設備產品的防護性能關注點不同;

     ?。ǘ└魃a企業對工業物聯設備產品的使用環境的需求理解不同;

     ?。ㄈ└魃a企業的工業物聯設備產品相對單一,不變應萬變。

      這樣就帶來了一個問題,一方面是設備有可能是欠保護的,也就是沒有考慮很多的環境因素,就有可能帶來低可靠性和低成本,也可能是過保護的,這樣就會帶來一個高可靠性和高成本,我們希望采取一個折衷,折衷方案就是基于對工業現場環境條件進行精準產品設計。這樣就會帶來另外一個問題就是精準設計需要設計很多很多的產品,而以不變應萬變的這個方案就可以用一個方式解決很多的問題。這樣又會造成一個矛盾,精準設計帶來了一個高的設計成本,需要設計很多的材料和設備,當然同時帶來了高的適用性,對于每一種環境都有一種適用能力。但單一性的產品雖然成本比較低,但適用性也比較低,所以希望采取折衷的方案。這個這種的方案就是多級產品設計,每級覆蓋一定現場環境條件范圍。工業環境可能是一個多維的環境,可能會受到很多因素的影響。如何分析和定位工業環境,這又產生了一個難點。我們也是參考了很多資料,得到了一個可供參考的方案。ISO/IEC 11801-1: 2017 《信息技術--綜合布線--總則》,它吸納了ISO/IEC 24702:2006《信息技術--綜合布線--工業建筑》中用于描述工業建筑通信綜合布線系統的環境條件的MICE體系。該體系已經開始被IEC標準廣泛采用。MICE 是四個字母縮寫,M、I、C、E各有3個等級; Mx、Ix、Cx、Ex的組合描述特定的工業環境條件要求:

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      這些大家可以作為參考,但是我們也發現由于研究覆蓋的范圍不夠廣,有些工業生產環境比較極端的,需要一些特別的設計。

      不同的工廠可以根據實際情況定位不同的條件等級,同一工廠的不同區域的條件等級也可能不同, 工廠IIOT建設者可以根據條件等級選用適當的物聯設備和設施。MICE體系將30余種條件維度,數值連續變化的環境條件分類簡化為4個維度,每個維度3個等級。仍然是這81種產品,這無論是對于產品使用者還是設計者這都是不可能實現的,所以IIOT設備供應商可以以這個作為參考,將客戶環境進行分類和簡化,而設計符合相應條件的高可靠性和高性價比產品。所以我們建議對于復雜多樣的工業環境來說,對這些環境進行考慮分類簡化有助于工業物聯網的發展和產品的標準化。

      三、國家物聯網質檢中心介紹

      接下來我簡單介紹一下中國信息通信研究院,它原是工業和信息化部電信研究院,始建于1957年,是工業和信息化部直屬科研事業單位。多年來,中國信通院在信息通信行業發展的重大戰略、規劃、政策、標準和測試認證等方面發揮了有力支撐作用,為我國通信業跨越式發展和信息技術產業創新壯大起到了重要推動作用。

      中國泰爾實驗室隸屬于中國信息通信研究院,始建于1981年。是集信息通信技術發展研究,信息通信產品標準、測試方法、通信計量標準、計量方法研究,國內外產品的測試、驗證、技術評估、測試儀表計量、通信軟件的評估、驗證為一體的第三方實驗室和高科技組織。 在2016年2月,中國泰爾實驗室正式獲得國家認監委"國家物聯網通信產品質量監督檢驗中心"授權,服務我國物聯網產業發展。目前開通了物聯網特色檢測服務,包括物聯網設備和系統激勵響應測試、物聯網設備和系統協議一致性測試、物聯網傳感器計量和性能測試及通信技術、電磁兼容、安全和可靠性等測試。

      四、總結

      最后,我簡單總結一下以上內容:

     ?。ㄒ唬┰谌蛟俟I化和《中國制造2025》背景下,工業物聯網將迎來迅速的發展;未來幾年工業物聯網設備產業和工業物聯網連接服務都將增長迅速;

     ?。ǘ┕I物聯網是工業互聯網和"智能制造"的基礎,物聯設備和設施是工業物聯網的基礎,物聯設備在工業環境中的可靠性可能會成為制約工業物聯網落地的瓶頸;

     ?。ㄈ┰趶碗s多樣的工業環境中,物聯設備的設計難以做到可靠性和成本的優化;

     ?。ㄋ模I環境條件進行分類簡化有助于推動IIOT物聯的發展和產品標準化。

      以上就是我的總結,謝謝大家!

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    責任編輯:何黑炭
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