中国信通院刘泰:工业环境下的物联设备可靠性思考

2017-12-26 09:16 来源:国脉物联网
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  第八届中国物联网与智慧城市发展年会于12月20-22日在北京世纪金源大饭店胜利召开。本次年会的分论坛之一--全国工业物联网峰会以"工业物联网的创新与应用"为主题,由中国通信工业协会主办、中国通信工业协会物联网应用分会、中国智慧城市规划与建设推进联盟协办,佛山司马钱信息技术有限公司承办,来自北京、上海、广东、浙江等物联网领域的领导、行业专家、企业代表等130余人出席本次峰会。

  21日下午,中国信息通信研究院泰尔系统实验室基础部主任工程师刘泰以《工业环境下的物联设备可靠性思考》为题进行了分享。

中国信通院刘泰

中国信息通信研究院泰尔系统实验室基础部主任工程师刘泰

  以下是会议现场发言实录(根据速记和录音整理,未经本人审核):

  各位领导、专家,大家下午好,我是来自中国信息通信研究院泰尔系统实验室的刘泰。今天我汇报的题目是《工业环境下的物联设备可靠性思考》,主要分为四个部分,首先介绍一下工业物联网产业发展趋势,二是工业环境下的物联设备可靠性,三是国家物联网质检中心介绍,最后是简单进行一下总结。

  刚才解处和王秘书长都介绍过,从2010年开始全世界各个国家都开始了工业再发展、再工业化的战略。首先是美国从2010年提出了先进制造业国家战略,其次是德国提出了工业4.0的概念,之后包括韩国、日本、英国、法国以及欧盟等都提出了他们再工业化的战略。而我们国家也提出了中国制造2025的战略。我国提出中国制造2025,也就是从国务院印发的《中国制造2025》开始部署全面推进实施制造强国战略。"中国制造2025"战略目标有两个方面:一个是到2020年,实现制造业信息化水平大幅提升,另一个是到2025年,实现两化(工业化和信息化)融合迈上新的台阶。2016年12月,工信部和财政部联合引发了《智能制造发展规划(2016-2020年)》,这也是我们国家在"十三五"期间对智能制造的发展进行的详细的规划布局。

  从工业发展来看,我国目前处于第四次工业革命时期。1760年是以蒸汽机和机械的发展为代表的第一次工业革命,1870年是以电信化为代表的第二次工业革命,1969年到1970年自动化和信息技术发展为开端的第三次工业革命,而当前我们正处于以信息物理系统发展为代表的第四次工业革命时期。

  同时我们信息技术的发展也正处于一个发展的时期,这是韩国三星在2014年的一个报告,它把我们信息技术发展分为了五个阶段。第一个阶段是从1990年到2000年是互联网发展时期,2000年到2007年是无线通信发展时期,2007年到2014年是移动计算(移动互联网)发展时期,三星认为从2014年到2020年物联网还没有真正进入物联网纪元,也就是储备期,而到2020年开始我们真正进入物联网纪元。当工业的发展和机械制造业的发展在历史时期上交汇,就产生了我们今天的焦点,也就是工业物联网。

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  信息技术发展的五个阶段

  一、工业物联网发展趋势

  一些咨询机构对物联网的发展进行了预测。首先是IHS,预测接入网络的设备在2015年约为200亿台,到2020年这个数字将达到400亿台,再到2030年将达到1200亿台。然后是Gartner,物联网终端安装数2015年在50亿左右,到2020年达到208亿,垂直行业物联网的终端数安装数增长率在2015年到2020年维持在25%左右。可以看到两家的预测统计数据差异比较大,但是都预测了物联网的高速增长。工业物联网就是通过现场连接技术,把我们的工业环境中运用的硬件、机械装置等,通过IIOT工业物联网的网关等网路连接起来,达到一个机械对接的目的。工业物联网向下连接生产设备、生产流程、动力和环境、材料和产品以及把人也连接起来,也就是生产所说的"人机料法环"各个环节全部连接起来。而向上可以通过工业物联网平台实现更加智能化的应用,大数据、云计算等运用在其中,促进工业物联网的灵活应用。

  而在工业物联网的发展方面,IHS预测2016年工业物联网连接的设备年出货量达到9.9千万 ;2016年用于离散自动化和过程控制的传感器年出货量约为3千万,在2021年将达到月5.5千万,2025年将接近9千万。HIS也预测了一些事件:

  (一)工业机器人将引领智能制造,2020年工业机器人市场空间将超过232亿美元;

  (二)高端机器视觉应用将需要10G以太网的连接;

  (三)物联网设备市场中工业市场的份额将在未来9-10年间强劲增长,增长率28.2%;

  (四)采用3D打印进行原型设计将使产品设计制造周期缩短15个月,部件重量减轻50%。

  随着现在云计算和机器人技术的发展:

  (一)将出现基于共享云服务的协作机器人;

  (二)2020年,AR/VR将更多地应用于零件挑拣、组装和工艺检查;

  (三)2015年到2020年,工业无人机的销售量复合年均增长率将达到77%;

  (四)电机、泵和压缩机等将使用传感器来进行预判性维护 。

  目前工业设备的现场连接仍以现场总线为主;据估计,基于以太网和工业以太网的现场连接在2015年渗透率约22%,预计2015年-2020年基于以太网和工业以太网的设备增长速度将是总线设备增长速度的两倍。

  有线网络通信将在一定时期内占主导地位,无线通信的应用也将逐步提高。

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  目前工厂内的网络主要分为两层(IT网络和OT网络)三级(工厂级、车间级、现场级)架构。随着工业联网的发展,未来的趋势是工业现场OT网络与IT网络融合,互联网向工业现场下沉;网络呈现扁平化、IP化,每一个物联节点都通过独立的IP地址直接接入网络中。

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  随着现场设备大的物联能力逐渐增强,传统的自动化金字塔也就是自上而下的控制也将被打破。物与物,设备与设备之间都能够互相连接,随着带来的就是生产管理的智能化、柔性化程度将大大增强。

  我们的通信运营商也十分关注企业之间的连接,这是中国电信和中国信通院联合发布的《工业连接计划白皮书》中对企业内连接进行了分类,包含四个方面:

  (一)现场设备与私有云平台的连接;

  (二)工业控制系统与私有云平台的连接;

  (三)私有云平台与人的连接;

  (四)现场设备与工厂控制系统的连接。

  随着工业企业对带宽的巨大需求,供应商希望把光钎网络直接接入车间中而提出了工业PON组网网络构想,未来可能是直接将光纤接入车间内,当然其中也需要技术的支持,也就是光网络单元与物联网关的融合。

  IT与OT的专业连接服务中,制造与资源采集的行业将占据最高的比例,到2020年占比将达到42%,1500亿美元的市场,复合增长率接近20%。从区域看,北美、西欧、中国区是IOT-OT专业连接服务的最大市场,中国区的复合年均增长率21%。IHS预测用于离散工业和过程工业的应用占工业网关的主体,到2020年工业网关年出货量将超100万台。低时延、支持边缘计算、实现多协议转换将是工业网关的基本需求。

  二、工业环境下的物联设备可靠性思考

  工业物联网通过传感器、物联网关、通信设施、智能设备等硬件实现感知、计算、通信、执行等功能,以工业物联网为基础就可以实时或预判地生产设施维护、产品制造和生命周期追踪、生产流程控制和优化、企业生产运行全局管理以及工厂动力、环境的监测控制。通过智能制造的发展,我们机器在工厂中扮演越来越重要的角色,对于人工的需求也在下降,那么我们是否能完全放心将所有都交给机器去完成吗?这就涉及一个可靠性的问题,就是工业物联网想要支撑智能制造就需要一个长期的可靠性保障。

  作为一些基础的工业物联设备,包括传感器、物联网关、通信设施以及智能设备,对它们也提出了一些可靠性的需求。为什么会提出这些需求呢,因为传统来说这些都是用在传统环境中的。我们传统环境也就是室外环境和室内环境,工业发展时间较长,对于室外环境的界定和保护我们已经有了很好的定义,而室内环境也是很好的,数据中心的环境更是得到了一个良好的控制。所以这些设备在传统的应用环境下是可以得到保障的。工业环境是一个更加复杂的环境,不同的工业门类和工业生产流程对于环境的需求是不一样的,在生产环境中可能会有高湿度、化学腐蚀、粉尘、不同的温度变化等,这些都会对生产设备和生产效率产生影响,而在这些环境下怎么实现我们的可靠性是我们当前要解决的问题。

  为此我们也手机了来自不同生产企业的工业物联设备技术资料:

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  工业物联设备技术资料

  我们可以通过对不同生产企业的产品技术资料分析可知:

  (一)各生产企业对工业物联设备产品的防护性能关注点不同;

  (二)各生产企业对工业物联设备产品的使用环境的需求理解不同;

  (三)各生产企业的工业物联设备产品相对单一,不变应万变。

  这样就带来了一个问题,一方面是设备有可能是欠保护的,也就是没有考虑很多的环境因素,就有可能带来低可靠性和低成本,也可能是过保护的,这样就会带来一个高可靠性和高成本,我们希望采取一个折衷,折衷方案就是基于对工业现场环境条件进行精准产品设计。这样就会带来另外一个问题就是精准设计需要设计很多很多的产品,而以不变应万变的这个方案就可以用一个方式解决很多的问题。这样又会造成一个矛盾,精准设计带来了一个高的设计成本,需要设计很多的材料和设备,当然同时带来了高的适用性,对于每一种环境都有一种适用能力。但单一性的产品虽然成本比较低,但适用性也比较低,所以希望采取折衷的方案。这个这种的方案就是多级产品设计,每级覆盖一定现场环境条件范围。工业环境可能是一个多维的环境,可能会受到很多因素的影响。如何分析和定位工业环境,这又产生了一个难点。我们也是参考了很多资料,得到了一个可供参考的方案。ISO/IEC 11801-1: 2017 《信息技术--综合布线--总则》,它吸纳了ISO/IEC 24702:2006《信息技术--综合布线--工业建筑》中用于描述工业建筑通信综合布线系统的环境条件的MICE体系。该体系已经开始被IEC标准广泛采用。MICE 是四个字母缩写,M、I、C、E各有3个等级; Mx、Ix、Cx、Ex的组合描述特定的工业环境条件要求:

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  这些大家可以作为参考,但是我们也发现由于研究覆盖的范围不够广,有些工业生产环境比较极端的,需要一些特别的设计。

  不同的工厂可以根据实际情况定位不同的条件等级,同一工厂的不同区域的条件等级也可能不同, 工厂IIOT建设者可以根据条件等级选用适当的物联设备和设施。MICE体系将30余种条件维度,数值连续变化的环境条件分类简化为4个维度,每个维度3个等级。仍然是这81种产品,这无论是对于产品使用者还是设计者这都是不可能实现的,所以IIOT设备供应商可以以这个作为参考,将客户环境进行分类和简化,而设计符合相应条件的高可靠性和高性价比产品。所以我们建议对于复杂多样的工业环境来说,对这些环境进行考虑分类简化有助于工业物联网的发展和产品的标准化。

  三、国家物联网质检中心介绍

  接下来我简单介绍一下中国信息通信研究院,它原是工业和信息化部电信研究院,始建于1957年,是工业和信息化部直属科研事业单位。多年来,中国信通院在信息通信行业发展的重大战略、规划、政策、标准和测试认证等方面发挥了有力支撑作用,为我国通信业跨越式发展和信息技术产业创新壮大起到了重要推动作用。

  中国泰尔实验室隶属于中国信息通信研究院,始建于1981年。是集信息通信技术发展研究,信息通信产品标准、测试方法、通信计量标准、计量方法研究,国内外产品的测试、验证、技术评估、测试仪表计量、通信软件的评估、验证为一体的第三方实验室和高科技组织。 在2016年2月,中国泰尔实验室正式获得国家认监委"国家物联网通信产品质量监督检验中心"授权,服务我国物联网产业发展。目前开通了物联网特色检测服务,包括物联网设备和系统激励响应测试、物联网设备和系统协议一致性测试、物联网传感器计量和性能测试及通信技术、电磁兼容、安全和可靠性等测试。

  四、总结

  最后,我简单总结一下以上内容:

  (一)在全球再工业化和《中国制造2025》背景下,工业物联网将迎来迅速的发展;未来几年工业物联网设备产业和工业物联网连接服务都将增长迅速;

  (二)工业物联网是工业互联网和"智能制造"的基础,物联设备和设施是工业物联网的基础,物联设备在工业环境中的可靠性可能会成为制约工业物联网落地的瓶颈;

  (三)在复杂多样的工业环境中,物联设备的设计难以做到可靠性和成本的优化;

  (四)对工业环境条件进行分类简化有助于推动IIOT物联的发展和产品标准化。

  以上就是我的总结,谢谢大家!

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投稿人:何黑炭
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