论5G及物联网技术在工业中的应用

来源 :安家(建筑与工程) | 被引量 : 0次 | 上传用户:wuhao19881016
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  摘要:随着各项技术的进步,各类型的用户都对于物联网在工业系统中的应用及其发展,特别是在新时代5g 物联网信息技术中的应用与发展有着更高的关注。作为4g 网络通信技术之后的一个新时代网络通信技术,在2020年下半年,预计5g 时代会全面到来。所以在这样的环境大背景下,进行深度而又有针对性地研究了基于5g 环境下的物联网技术与工业用户融合开发的手段,推动了工业企业尤其是钢铁企业可以实现经济增长而持续健康快速发展的产业链条,并且也已经成为相关领域专家们工作者的重中之处。
  关键词:5G、物联网技术、钢铁企业、电力系统
  引言:工业互联网是将工业生产制造与互联网技术相融合的新型产业框架,它已成为世界第4次产业革命的重点,也是实现工业生产网络化、智能化的关键。5g 移动通讯系统作为当今新兴技术,它涵盖了广泛的领域,覆盖面积大、功耗小、服务周期长,能够给客户带来全新的业务体验,构建一个性能突出的5g 网络势必会有力推动未来几年我国移动通讯应用规模的高速扩张,加强这一方面的研究也具备重要的历史性和现实意义。
  近年来,随着物联网、大数据、云计算、5G通信等的发展,互联网正迈入全新的发展阶段,基于市场和政策的雙重推动下,”工业互联网”的概念被正式提出,并快速推广。
  工业互联网时代是新世纪5g 技术和工业应用领域的深层次交叉融合的产物,这也正是当今时代实现工业智能化、实现智慧型经济发展的一个历史性要求。最近五年,这个时期正处于我国产业互联网建设刚刚起步的阶段,必须在这个时期继续稳定自己的网络基础,打造一个系统化的平台和发展制度,加大关键技术特别是通信技术、人工智能技术等攻关力度,保障工业互联网平台成功建设和顺利推广。这些新技术的应用让工业企业尤其是钢铁公司内部的电网转换成了一个多传感器系统;而通讯技术的改善,又使它们被迫从原有的单片机和数字计算机组合起来,由多片机和数字计算机组成的多片机和无线计算机组合而成。在即将过去的5g 时期,物联网势必会迎来新一轮技术的腾飞,鉴于此,钢铁公司的电网体系也会朝着更加安全、高效和智能化的方向前进。
  一、5G关键技术情况
  工业互联网大致由网络系统、平台系统和安全防护体系三个组成部分,其中网络系统是重点,构建了低时间、高可靠、宽范围的网络架构,方能真正做到工业生产的全要素,各个环节之间的深层次互联。
  1、5G技术需求
  为了推动行业互联网的健康、稳步发展,就需要在国际上积极地引入与之相关的通讯基础设施的升级和改造,积极运用先进的通讯技术,其中一些例子是:软件定义网,5g 、低功耗广域网。实现了企业内部网络 ip 化、扁平式、柔性化的发展,而且还能实现企业外部网络的低时间、高可靠性以及宽泛的覆盖范围。5g 所要处理的不只是一个人与物、一个社会的连通,还有一个社会和生活方式之间的联系。
  2、5G关键技术
  在5G技术发展方面,4T4R、Massive MIMO、NBIoT等几项技术都表现出较快应用趋势。作为5G的起步配置,4T4R技术已经在全球50多张网络规模部署,Massive MIMO TDD制式也开始运用,多个国家发布了NB-IoT商用战略。
  Nb-Lot ( narrow band internet of thing ),即:一种窄带蜂窝物联网,此技术能够支撑着海量的互联网,能够全方位地提升其覆盖范围,并且它具备低功耗、少成本、小型化等特性,与广泛商业使用的2g /3g /4g 及其它无线技术相比,优势明显。
  二、工业互联网关键技术
  工业互联网就是把一种具备感知和监测能力的各种采集式数据、传感器或控制装置以及广泛应用的技术、移动通讯、智能化分析等方法不断地融入工业生产中的每一个环节。从而大幅度地提升了制造的生产效率,改进了生产成品的质量,减少了对于产品的成本和资源浪费,最终使我们达到了从传统的制造走向智能化的新台阶。在应用领域,工业物联网已经具有了实时、自动化、嵌入式、安全性、信息交换与互通的特征。
  工业物联网具有四个优势:工业物联网是利用 rfid 、传感器、二维码等方式随时掌握产品由生产、销售至最后用户所需要的信息资料,而传统的工业自动化中的数据搜集往往仅限于制造和质检的阶段。
  互联式传输:工业物联网是利用人工智能技术和互联网结合而成的一种新型技术,能够实时、准确地向物体传送信息,对网络的依赖度更高,也就是说,它更加强调资源的交互。
  智能化的处理:工业物联网己经集成了云计算、云存储、模糊识别、神经网络等多种智能化计算手段,将海量的数据和资料汇总起来,在一个网站中对它们进行了分析、处理,并且也是一种结合大数据的方式,从而在整体上发现数据,并产生价值。
  自组织和自维修:工业物联网中的各个节点都在向整个系统提供自身处理所获得的信息或决策资料,当某一节点丢掉而产生数字化时,整体系统将自动按照逻辑关系作出相对应的调整。工业物联网关键技术工业物联网技术研究作为一门跨学科工程,其中涉及到了自动化、通讯、计算机和管理科学等各个领域。工业物联网在许多行业中得到了广泛运行和发展,这就需要解决我们众多关键技术方面的问题:
  1、传感器技术
  价格便宜、性能优越的传感器已成为工业物联网的应用之路,工业物联网将朝着更加准确,更加智能,高效的移动互联网发展方向推进,而且这项技术还将跟随传感器一起融入。智能化的数据采集技术,正被视为传感器技术发展的新途径。对于工业生产过程中的各种传感器、媒体等设备而言,这些信息的广泛性是必须要求的。具体而言,元器件的微小型化,要求他们可以在成本上节约资源和能耗;拥有人工智能的校准、判断、自诊疗、自学习、决策能力、可适应性和自组织等功能的技术;能源获取方式为光能、风能、化学能等多种方式。   2、设备兼容技术
  在大多数情况下,企业都是基于自己的工业系统来构筑工业物联网,怎样才能做到工业物联网中使用到的传感器可以和原来设备中已经应用过的传感器进行兼容,这便构成了工业物联网应用中所需要面对的挑战。传感器所以需要它的兼容性,主要指的是它在對数据格式上具有的兼容性与在通信协议上具有的相同性,而且这样的兼容性重点也就在于它们的统一标准。目前,在工业现场总线网络中,普遍需要 profibus 、 modus 等协议,已有较好的能够解决它们之间的相互兼容。大多数工业设备生产厂家就是在这样的技术下,依赖于各种传感器及其控制单位,进行研究和开发。近年来,随着工业无线传感器网络的应用范围日益广泛,当前已经出现了 wirelesshart 、 isa -400.11a 和 wiapa3等多种标准,它们既能够兼容 ieee802.15.4无线网络协议,又能够为其他网络提供一种可以进行隧道传输的机制,以及对目前已经存在的许多通讯协议进行兼容。了工业物联网体系与功能。
  3、网络技术
  网络就是构建工业物联网的主要载体之一,将大量的信息和资料存储到系统各个维度之间,经由于网络。网络从基础上来说大概分为两种,即有线网络和无线网,有线网络通常已经己经得到了很好的应用,尤其是在厂房内部的集群服务器和局域网,以及部分总线和监视网,它们都是实现现场管理职能所需要的总线和监视网,并且它们都是能够为了实现更快、为了实现较高的频率和更大规模的数据传输而设置的路径。
   由于传统有线网络技术比较成熟,在许多场景中都已经得到了实际应用的验证。然而,当无线网络技术被广泛运用到工业环境中,就会出现以下几个问题:工业现场受到强烈的电磁干扰、开放式的无线环境使得工业计算机更加容易遭遇攻击和威胁,一些被控的数据也需要进行实时地传输。相比较于有线网络,工业无线传感器网络技术目前仍然处于一个新兴的发展时期,它解决了传统无线网络技术在工业现场条件下应用的不足,提供的是高可靠性,高实时性和高的安全保障,其中最重要的技术包括:自适应的跳频,确实的通讯资源的调度,无线路由,低开销的高精度时空同步,网络分层的数据加密,网络的异常监测与报警,以及设备的入网认证权。
  4、信息处理技术
  工业信息已经出现了爆炸性的增长,工业生产进行过程当中会产生大量的数据,对于工业物联网而言无疑是一种新的挑战,如何合理地处理、分析和记录好这些数据,提炼得出对于工业生产具有指导意义的结论,就是工业物联网重要性的核心。
  当前行业中对于大数据进行处理的技术种类繁多,例如 sap 的 bw 系统就是从一定角度来解决大数据为企业的生产经营所带来的困难。数据融合与数据挖掘技术的进步也让海量的信息处理更加智能化、高效化。工业物联网的泛在性特征,使得个体也已经成为被感知到的对象,通过环境大数据进行分析和对用户行为进行建模,就可以完成生产、设计和制造等功能。在管理中对于人一个、人员与机一个、人员与机一个之间的活动、情况与状态的感觉,更加客观真切地反应了企业在进行管理时所处的各个环节发生的变动,以期能够获取较为精确的数据分析。
  5、安全技术
  工业物联网安全的重点是数据采集安全、网络传递安全等流程,信息安全在企业的运行中发挥着至关重要的作用,例如冶金、煤炭、石油等行业对于数据进行采集都是需要经过长期思考才能够连续地进行的,怎样才能够保证数据的采集和传输中信息的精度和准确性无误,这就成为了工业物联网在实际制造中的应用所必须做到的一个前提三5G时代物联网技术在钢铁企业电力系统中的应用
  三、5G时代物联网技术在钢铁企业电力系统中的应用
  1、发电环节
  坚强智能电网的一大特点就是清洁能源的大力利用。对于钢铁企业来说其能够利用的清洁能源比如煤气发电、光伏发电等,根据大型综合性钢铁企业的特点,其自发电率可达到70%,并且随着发电技术的进步,还有提高的空间。尽管如此,很多钢铁企业在企业内部发电效率上任然不够理想,能源利用率偏低。借助物联网技术,可以在发电装置上加载先进的传感器系统,借助传感器测量、数据挖掘等技术对煤气输送出力的变动程度进行分析,实现了根据工艺要求和生产条件的不同,对透平机输送出力的自动调节,以此来避免煤气输送效率不高的问题;借助无线通讯技术,调度中心能够实时了解透平机的输入和出力状态,从而有效地对其进行了调度,进而保证了全厂的分布式输入电源的输出在一个可控制的范围内。如此,可以大幅度地提升能源综合利用。
  2、变电环节
  在钢铁公司的电力系统中,物联网这一智能化技术将帮助其完成电压、输出和交通电流转换。物联网智能化技术将有利于变电站进入智能化模型。变电站可以实现对信息、数据的采集和对于电压变化进行测量和把控,减少了人工费用。在变电站里,长期进行的检测和保养都是要经过不断努力。借助物联网的智能化技术和5g 快捷的运行方式,可以根据当天情况自动进行操纵,实时更新每一个变电站的检测资料,在对其进行检测的同时,把检测到的资料与结果统计上交给相应的维修管理人员,以便于他们能够及时分析出所有需要检测到的资料,并且确定他们是否需要进行维修。物联网和5g 技术有机融入,提高了检测工作的效率,明确了检测的结果,有效地保障了变电站的安全运行。另外,在对地下电缆进行检测的过程中,首先要运用物联网的技术来关联地下电缆,再将所有被检测的电缆进行检测,并且要在第一个时间内输送给检测单位,由检查单位负责人对相应的结果进行评估和分析。其中,对于电缆的绝缘及其输配电工作状况的检查分析就显得特别重要,这将直接影响电缆的运行。随着5g 技术日趋成熟,相关专家们提出一些建议,即可以利用物联网及5g 技术,针对变电站、地下装置等存在的安全问题采取检测和预防措施,保障变电站安全、稳定运营,进而确保整个变电系统的健康、完整。以下为相关技术在变电站内典型设备中的应用,如图1和图2,通过对高压柜和变压器装设相应传感器,在依靠5G高速通信技术将传感器信息上传至后台,即可进行实施监测,并对设备进行及时数据分析,保证设备安全运行。   3、配电环节
  配电环节被认为是钢铁企业电力体系中最为重要的部分。在钢铁企业的電力系统中,供配电的每一个环节,相关产品的工作人员均可采用在输配电线路上设置智能化传感器。对于线路上的输配电状况做到了实时动态化的监视。把线路损耗、绝缘损耗、异常故障等操作状态数据及时地反馈到系统的监视中心。由工作人员按照调度师的要求进行优化和设计,并针对各个输电线路的设计方案做出适当的调整。而且通过5G接口,预留了云计算的能力,后期可通过企业云进行初步人工智能巡检,未来巡检工作可完全替代人力。下图为5G技术在高压配电系统中的典型应用。
  4、用电环节
  钢铁企业为耗能大户,用电负荷种类繁多,特别是如大型鼓风机、加热炉、轧机、电炉、LF炉等高耗能设备的应该,使得钢铁企业的用电存在不平衡的状态,另外很多设备在使用过程中容易产生谐波、电压波动和闪变,对于全厂的电能质量也是一个严峻的考验。如何对钢铁企业用电负荷进行实时监控、对于电能质量进行有效治理是一项重要工作,因此采用物联网技术,通过5G监测设备对于所有重点负荷进行在线实时监控,所有监控数据全部上传至集控中心,采用大数据分析,对于设备运行可以进行实时调整,另外全厂电能质量治理装置也将在集控中心的调度下根据设备的运行状况进行协同作用,保证全厂供电系统安全稳定。在钢铁企业的电力系统中,应用物联网来对供配电技术的网络进行优化、升级。在其电力系统中采用物联网技术,能够完善供配电通讯的基础设施,提高其电力系统的稳定性及网络的可靠度。物联网技术运行,实现了公网和无线网络中的某些非常困难的功能,可以帮助钢铁企业在电力工作的紧急条件下,有效地防范恶劣的气候条件和风险,防止出现钢铁企业内部突发性事件。
   四结束语
  在通讯技术进步迅猛的今天,物联网亦迎来了新的时代。物联网平台本身就是一个承上启下的角色,未来物联网技术必然能够围绕着钢铁公司的生产、运营、消费等不同的环节而衍生出许多种类的新颖性和创造力,创造出巨大的经济价值。目前全球移动通信已经将5G作为研究的热门,在即将到来的5G时代,物联网将使”万物互联”成为可能,也必将促使钢铁企业等传统制造业想着智能化快速高质量发展。
  参考文献
  1.《5G革命》.中国经济出版社
  2.《物联网开放平台》.电子工业出版社
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