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

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O1O56O14679  扣扣53O934955工业物联网是工业4.0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]。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。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。2.1 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。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。ABSolute; mso-ignore: vglayout;">  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。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。   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。2.2 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。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。 最后，显示出实时滴加工作界面（工作工作误差一般不大于1%。2.3 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