基于物联网2.0的智慧工厂解决方案

1、背景

围绕生产过程和品质控制，很多工厂都引入了EDC、ERP、PDM等信息化系统，为企业的发展壮大带来了巨大效益。然而，与生产不直接相关的照明、能耗、状态监测、现场管控、资产管理等生产辅助系统，由于位置分散、对象复杂、业务跨度大，关注不多，目前还是粗放式管理。

近年来，“节能、低碳、绿色”理念深入人心，生产辅助系统的能源浪费引起了大多数企业的高度重视；加之，产品质量的提升与生产现场的管控密切相关。特别是，随着新一轮科技革命和产业变革的深入，智能转型是企业在第四次工业革命大潮中提质增效、由大变强的关键。贯彻《中国制造2025》提出的“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”基本方针，追求更高的产品质量和经济效益，成为了绝大多数企业必然选择。

建设智慧工厂，实现生产辅助系统的数字化、网络化、智能化，应当达成以下目标：
最大化地避免无效照明，节省电费开支；
实时掌握生产过程中的水、电、气等各类能耗的计量数据，以便资源的科学调度和准确核算成本，实现节约增效；
记录每个生产人员在各个工艺流程上的处理过程，以便产品质量的责任追溯；
对生产设备故障进行预测和及时预警，减少停机时间，提高设备有效利用率；
监测生产现场的温度、湿度、气压、有害气体、烟雾等环境参数，控制空调、新风系统和消防系统，在提高产品质量管控水平的同时保护人员和资产的安全。

今天，具有“网格拓扑、云/霾/雾融合计算、分布式智能、可软件定义、全自动控制、应用即服务”等特征的物联网2.0正在向我们走来。物联网2.0技术可以使“物”具有语境感知能力，实现生产辅助系统的智能化管理，为工厂的智慧生产、敏捷生产积累所需的大数据资源，才可能让一般的工厂进化成真正的智慧工厂。

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2、方案概述

本方案紧扣“低碳节能、科技智能、高效安全”时代特点，以工厂内分布最广、数量多、位置好、天生带电、扩展方便的照明为主要的物联网载体，利用具有物联网2.0特征的WF-IoT 技术“一网多用、一物多能”的特性，对工厂内的环境参数（照度、环境、有害气体、空气质量等）、设备设施（动力、空调、新风、安防、消防、生产设备等）和人员（人员信息、位置动态等）进行采集和智能控制，形成一个从底层物联网末端到顶层业务应用云端的“融合网”，一体化融合商用照明网、识别定位网和广域无线传感网等低层物联网，与工厂的局域网及广域网实现数据交互与共享，实现生产辅助系统的智能化管理，对工厂各类生产辅助系统实现精细化管理，最大化地降低能耗和日常运维成本，提高生产质量水平。

总体思路如下：

用智能照明灯和智能网关组成商用照明物联网，结合动能开关、场景开关和强大的自适应控制，实现按需照明，最大化地避免无效照明，节省电费开支；
通过加装物联网芯片，使散布在各处的水、电、气等能耗计量表就近入网，能耗数据实时掌握，既有助于资源的科学调度，又有利于准确核算成本，实现节约增效。
利用商用照明物联网的识别定位功能，联动视频监控，可以准确记录每个生产人员在各个工艺流程上的移动轨迹，既有助于规范人员的作业操作，又有利于产品质量的责任追溯；
在生产设备上，部署无线智能感知器，自动感知生产设备的运行状态和参数，利于设备故障的及时预测和预警，减少停机时间，提高设备有效利用率；
在生产现场，部署无线智能感知器和无线智能驱动器，在线监测生产现场的温度、湿度、气压、有害气体、烟雾等环境参数，控制空调、新风系统和消防系统，既有助于产品质量控制，也有利于保护人员和资产的安全。

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3、统拓扑

智慧工厂生产辅助系统的拓扑结构主要分为感知、传输、云端和应用等四层。

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图1 智慧工厂生产辅助系统的拓扑结构图

（1）感知：通过照明物联网和内网，直接联动网络摄像机，将感知到的人员ID、位置、照片（或视频）、耗电量、耗水量、耗燃气量以及生产设备状态等信息传到云端。另外，照度、环境温度、湿度、空气质量、烟雾等信息可以不上传至云端，在感知网内对空调（含新风系统）、消防报警系统、照明灯、门禁等设备进行智能控制。

（2）传输：以商用照明物联网为载体，实现在内网和公共网上的融合传输。

（3）云端：部署WF-IoT云端管控平台，以解析“感知层”采集到的各类信息，并向应用层提供业务数据信息和运维状态数据，还可以通过统一接口与“智慧工厂云”进行信息和数据交换。

（4）应用：面向运维人员、操作人员、设计人员和管理人员，主要包括运维、视频监控和业务管理等应用，以方便运维人员对平台的维护和管理，操作、设计和管理等人员对业务管理。

4、主要功能

基于物联网2.0的“智能管理系统”，其功能主要包括智慧照明和拓展功能两部分。其中：智慧照明功能是基础功能，可以不需要监控中心（管理中心或上位计算机系统）即可单独运行；拓展功能无需大规模施工，无网络流量费，可以依托照明物联网实现。具体见下图2所示。

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图2 智慧工厂的功能组成图

智慧工厂生产辅助系统“智能管理系统”主要实现以下功能：

（1）智慧公共照明。对工厂的综合车间、生产办公区、会议室、宿舍、电梯厅、楼梯间、公共卫生间、地下停车场等场所以及室外亮化景观的照明进行智能化改造升级。无需更改原有电气回路，即可实现智能灯具之间无线自组网，从而搭建起工厂的基础物联网；无需控制线缆，即可建成节能、便利、安全的智能照明系统，实现全自动智能控制、灵活的本地控制、一键式场景控制和集中可视化控制等多种控制效果，满足不同场景照明需求。

（2）生产环境控制。在线监测车间、生产办公区、会议室等工作场所的温度、湿度、气压、可燃气体、有害气体、烟雾等环境参数，对照明、空调（含新风系统）、加湿/除湿器、消防系统、喷雾除臭降尘设备等，实现不依赖云端（或上位计算机）的智能控制，使工作场所始终是舒适的照明、适宜的体感、清新的空气、健康的环境，以便加强生产线的产品质量控制，并同时为人员和资产安全提供手段。

（3）能耗计量管理。通过对散布在工厂各处的水、电、气等能耗计量表进行无线智能采集，自动采集能耗计量表的数据和信息，以电子地图方式显示整个中心的能耗地图和趋势，实现能耗的精确监测和管理，为工厂准确核算成本，科学调度资源，实现节约增效、科学管理提供数据支撑。

（4）生产设备管控。对生产设备的运行状态和技术状况进行在线监测，自动感知设备的健康状态，及时对生产设备的故障进行预测、预警和安全断电停机，提高设备有效利用率。

（5）生产现场监控。每个操作人员佩带手环，利用融合物联网的识别定位功能，联动视频监控，可以准确记录每个操作人员在各个工艺流程上的移动轨迹，既有助于规范人员的作业操作，又有利于产品质量的责任追溯。

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