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移动技术在流程工业生产中的应用

2014/7/10    来源:万方数据    作者:王冰      
关键字:移动技术  移动终端技术  移动应用  
随着工业信息技术的不断发展,平板电脑,智能手机,PDA等智能终端设备在工厂的现场生产管理中的应用逐渐加强,大大提高了工厂的现场生产效率,丰富了户外作业的管理手段;本文从流程行业户外工作管理的现状开始,从网络设计、实现功能、终端设备使用的角度对智能终端设备在流程行业的现有应用和未来发展做一些探讨。

  1、流程行业户外工作管理手段的现状与不足

  1)移动监控和报警能力不足

  流程行业传统的监控系统必须要在集控室电脑上进行操作和查看,便携性差,对于户外监控的需求,则没有很好的支持方式。另外,对于集控室的监控人员来说,很多时候需要现场去处置问题,而为保证安全运行,集控室又必须保证一定数量的监控人员,这就造成了一定程度上的人员浪费,提升了运营成本。移动报警能力的不足,虽然有些短信报警系统可以通过短信提示户外工作人员,但是受技术本身的限制,及时性和稳定性差。

  2)巡检到位确认方式不科学,易被修改,户外工作结果无法监督和保障

  由于目前的现场巡检过程,空间跨度大,检查点多,巡检人员的巡检过程和结果都依赖于巡检人员的职业道德和绩效考核制约,而没有有效的(电子化)技术监督和保障措施,所以,在某些特殊情况下,巡检的结果的真实性和准确性有待商榷;

  3)户外工作现场管理能力欠缺,工作汇报不及时不精确

  户外作业很多时候靠纸质的作业规程,携带不便且灵活性和功能性差;另外,车间班组成员在业务能力上可能存在一定的差距,希望通过电子化作业程序,提高班组成员的业务能力,提高户外工作中的问题/故障处理能力,从而促进户外工作质量的改善。

  4)户外作业不同部门的交互性差

  工作人员在户外作业时,往往要涉及多个部门和人员,之间需要进行信息交互和流程确认,目前这些都只能依靠纸质信息的传递,及时性和准确性差,影响工作效率。

  5)移动检测仪器的独立,不能将现场的精确数据实时的传送回分析诊断系统

  由于在线检测仪表的费用及安装条件限制,大量户外的设备无法全部实现在线监控,但是这些设备的运行情况又直接关系到整个工厂的安全稳定运行,例如大量的现场电机轴承,如果没有很好的现场检验方式,将造成大量轴承未到最长使用寿命便被更换,提高了工厂的运营成本。
 

网络原理结构图

  2、移动应用的技术实现方式

  1)系统实现构架

  • 概要来说,移动终端在工业上的应用基本如上图所示,Web服务器通过各种无线网络方式,如无线局域网,移动运营商网络,甚至卫星网络等同移动终端连接,进行数据交互。
  • Web服务器和生产管理系统之间的连接方式,因为交互数据量大,大部分情况下使用有线连接方式,当然在特殊环境下,也可考虑使用无线方式,但是系统的稳定性和速度将受到一定的影响。

  2)移动终端的工作方式

  无线终端始终连接在网络上,这样可以保证数据的实时性,如移动监控就要求实时更新监控数据和画面,工作流的审批交互也需要实时在线,提高工作流的执行效率。离线使用工作方式

  在一些对实时性要求不太严格的场合,如某些移动巡检,主要目的是获得操作指导和工作记录,数据在每次外出工作前下载一次即可;而且在一些特殊场合,车间内部不允许有无线信号的存在,这时候适合采用离线的方式,在每次外出前和返回后进行数据同步。

  3)网络安全设计

  在Web服务器与移动终端设备之间,为提高安全程度,需要按照企业安全要求的不同进行安全防护的网络设计;

  注:Web服务器与各生产系统之间的安全设计本文不做讨论;如果使用企业内部网,因为内部网一般都有完整的网络安全管理,且数据访问大都在内部系统,所以统一使用已有的安全系统即可。如企业开放性较强,对安全要求较高,例如使用互联网通讯,则需要在Web服务器接入互联网或对外公开之前,再添加一级硬件和软件隔离。

  软件隔离通常使用代理服务器:代理服务器工作在应用层,大多采用例如SSL、PPTP、L2TP等安全网络协议,内部网络和互联网之间的数据传输全部由代理服务器转发和控制;只开放特定的端口和应用程序;移动客户端通过访问代理服务器进行和主系统的数据交互。

  硬件隔离一般使用NAT/NAPT(网络地址转换,网络地址端口转换)协议:由路由器,防火墙,核心交换机实现;NAT工作在网络层和传输层,对内部网络的数据包进行地址转换后再转发,且地址转换时双向的;NAT技术将内部网虚拟为一个网址,因此外部攻击无法找到真正的内部网络IP,从而无法进行网络攻击。

  3、移动终端在流程工业中可以实现的主要功能

  1)移动监控

  受过去技术的限制,几十年来,企业一直采用集控中心作为标准自动化模型的组成部分,大量的现场作业和管理人员需要能够随时随地控制和了解信息的需求不能得到满足。

  基于移动终端的移动监控系统,例如在平板电脑上运行一个监控软件APP,这些软件几乎同自动化系统的上位机软件有同样的功能,因为其具有较强的便携性,极大的提高了工厂的移动监控能力;

  利用安装在智能手机的监控客户端程序,可实现实时的数据监控分析和报警,数据查看和趋势分析等功能,携带更为方便;但智能手机相对屏幕较小,性能相对较低,因此无法运行传统组态软件上使用的动画,脚本运行等复杂功能。

  2)移动巡检

  通过使用移动终端设备,将巡检过程电子化,什么人在什么时候,什么地点做了什么工作都完整的记录到系统中,提高现场作业管理的透明度(杜绝日常设备巡检、点检等现场作业中存在的错检、漏检现象),同时现场的问题,可以在系统中进行记录,例如对现场进行拍照,从而使相关部门可以及时跟踪、追溯、解决这些问题,符合相关审核的要求。

  3)移动检测

  在设备检查等日常作业过程中,通过移动终端设备,采集自动化数据采集系统没有在线监控的设备状态数据,例如移动终端连接各类专业检测设备,可对震动、温度、转速、气蚀等进行测量,测量的数据,通过蓝牙或有线接口,自动传输到移动终端设备中,然后传送至中心服务器。

  4)户外工作管理

  • 报警及现场紧急情况处理

  使用运行在移动终端上的应用程序,例如利用监控软件和工作流软件的结合,可以将现场监控报警和操作指导有机的结合起来,按照指定的工作步骤及时处理现场报警和异常情况。

  • 建立企业员工技能知识库

  系统还可将应急程序、常用文档、说明书、图纸、危险品处理方法等下载到移动终端设备上,随身携带并对员工提供指导,提供一个科学管理的信息化支撑平台;实现工作经验知识库在企业内的共享;针对企业有经验的老员工正在逐渐退休或走上管理岗位,新员工培训不足,经验欠缺的情况,通过建立技能知识库还可以完成老员工宝贵经验的传承,快速提高新员工的工作技能。

  • 灵活构建电子化的标准作业程序

  工厂可以将全厂的工作规程电子化并存储到中心服务器中,现场作业人员可以通过移动终端设备访问标准的操作规程,实时的获取任务指令,按照作业程序约定的步骤逐项进行作业。

  • 结合电子标签(RFID)以及条码技术

  对于PDA类型的移动终端可以与电子标签RFID以及条码技术结合,从而确保操作,使用人员只有在读到条码或者电子标签的时候,也就是在合适的地点对特定的设备才能进行对应的操作,减少了错误操作发生的可能性。

  5)地理信息定位

  移动终端可以使用全球定位系统(GPS)、无线网络(Wi-Fi)或者手机网络三角定位技术定位员工所在位置并自动提供周围资产和各类地理信息。

  移动终端同地理信息技术的结合可以提高现场工作的准确性,例如一个油罐基地可能有N多个阀门,以数字编号,现场操作人员如果可以根据手持终端上的地理信息技术的导航,找到相应的阀门,确认编号后再按移动终端的操作指示进行户外工作,将大大提高现场工作效率和安全性。

  为提高户外工作效率,在对某个设备进行操作前,系统可以根据移动终端反馈的地理信息,根据员工的工作技能和物理距离,自动判断哪些户外工作分配给哪些人员去实施。

  对于危险系数比较高的野外工作,通过移动终端的定位功能,系统可以实时的查看野外工作人员的位置,检测工作状况,保证工作人员的安全。

  6)移动审批、工作流管理

  执行某些工作任务时,往往要涉及很多部门和不同的人员,部门、人员之间有很多的信息交互和流程确认,或者称之为工作流管理;使用移动终端设备(例如智能手机),属于每个部门和特定人员的审批流程可以实时的下发到任务人所持有的终端设备上,按照系统已经定义好的工作流管理规则,自动实现工作流的控制和管理,极大的提高了审批流程的审批速度,提升生产管理的工作效率。

  4、流程工业无线网络使用硬件

  1)网络硬件

  基本使用已有有线网络,在户外需要无线信号的区域,只需在有线网络终端需要无线信号的地区添加无线AP即可;根据现场工况和防护等级的要求,可选择民用级和不同工业防护等级的AP。另如电网,油气管道等行业,自主构建无线网络比较困难,因为覆盖面积太大,这种情况下可以使用移动运营商的3G网络,使用方便且投资非常小。还有一些微波通讯,卫星通讯方式等,但是因为应用范围比较小,此文不做讨论。

  2)移动终端:

  民用平板电脑: 例如IPAD等,特点是使用范围广,维护简单方便,操作系统成熟,实现功能比较强大;显示屏幕较大,可以完成实时监控等功能;缺点是有些大,某些情况下携带不是非常方便,且在恶劣工况环境下,工作能力较差。

  工业平板电脑:对比民用平板电脑,区别在于内部的硬件,多数针对工业方面的产品选择都是工业主板,它与商用主板的区别在于非量产,产品型号比较稳定。其次,工业主板的价格高于商用主板。此外,在价格上,工业用平板电脑较为昂贵,而且防水、防尘等防护等级要求非常高,对苛刻的环境更适应,稳定性更好,更加的坚固耐用;

  智能手机:特点是屏幕较小,有非常好的普及型;智能手机实现的功能相对于平板电脑稍弱,如高级计算功能,流程图监控功能都不太容易在智能手机上实现,但是携带方便灵活,基本上每个员工都可配备,可以实时的查看分析数据,获取报警,进行简单的趋势分析,添加现场注释,拍照,显示工作步骤指导等,对提高现场工作指导能力和效率有巨大作用。

  PDA:坚固耐用的防水防尘高工业等级设计,耐用性高,可承受各种环境下的日常使用;支持超电子标签(条形码、RFID等)的读写;稳定性相对于民用等级产品要高很多,比较适合在恶劣环境下工作;甚至可以在对环境要求异常严苛的环境中使用,如化工的防爆环境、矿山的地下环境等,缺点是屏幕较小,价格较高。

  3)移动检测设备

  移动检测设备多种多样,此文涉及的多数是便携性比较好,一两个人就可以完成操作且终端设备本身没有安装专业的控制软件,使用蓝牙等技术将数据传输给智能手机及平板电脑等智能设备;例如扫描枪,测温仪测震仪,红外探测仪等,通过这些设备的使用,大大提高了户外移动技术的实现功能,专业性和准确性;丰富了管理系统诊断和分析数据的能力;

  5、移动终端工业应用的总结及未来展望

  根据工业互联网技术的发展趋势,移动互联已经成为工业现场管理发展的方向,越来越多的自动化企业和第三方移动解决方案公司开始在工业领域内创建移动信息管理系统,移动终端在工业领域的应用已经从概念阶段发展到推广阶段。

  在最初的相对独立的企业应用,如流程行业的移动巡检系统、离散行业的条码识别系统、烟草行业的立体库存管理系统等,在特定的系统内为特定的目的使用,而普及到使用最常用的智能手机平板电脑来帮助整个工厂的生产管理。

  现有的移动解决方案大都使用自有的通讯协议,未来应逐渐发展到产生类似于自动化OPC协议的,但是更精简,更适用于移动数据传输的通用移动通讯协议,各类系统都可以在标准的通讯平台上传输数据。随着4G技术的推广,数据通讯速度的提高,目前使用的现场图片上传方式也将发展为视频远程诊断。

  未来的生产管理系统将集成不止是自动化系统的数据,更多的系统将会使用移动终端接入到生产管理系统中来,成为整个生产管理的重要组成部分;

  卫星移动终端设备的出现,特别随着我国自主研发的北斗定位系统的推广,对于野外工作,移动通讯网络比较差的地方,可以使用卫星移动终端设备,将大大提高艰苦的野外工作者的工作效率和管理能力。 

责任编辑:熊东旭
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