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一文详解工业物联网:关键技术、应用场景与面临挑战

Neuron Team
2023-8-16
一文详解工业物联网:关键技术、应用场景与面临挑战

什么是工业物联网?

工业物联网(IIoT)是一个用来描述物联网技术在工业环境中应用的术语。它将先进的传感器、软件和机械设备与互联网连接起来,以收集、分析和处理大量数据。这种数据驱动的方法能够实现实时决策和预测分析,从而提升运营效率,降低成本,改善产品质量。

工业物联网是工业 4.0 的关键组成部分。作为第四次工业革命,工业 4.0 以数字、物理和生物技术的融合为特征,正在改变传统行业,推动从人工和劳动密集型工业流程向自动化、数据驱动的运营的转型。

工业物联网不仅仅是一项技术,它能够利用数据助力制造商实现业务目标。借助工业物联网,可以监控设备性能、预测故障、优化物流、改善产品质量等。它旨在打造一个更智能、更高效、更具盈利能力的工业运营。

IoT 与 IIoT

物联网IoT)是一个更广泛的术语,是指由设备、车辆、电器等组成的互联网络,它们可以通过互联网进行通信和交换数据。物联网涵盖了很多领域,从智能家居和可穿戴设备到智能汽车和智慧城市等。

工业物联网是物联网的子集,专注于工业领域的应用。工业物联网利用数据分析来优化工业流程和运营。工业物联网涉及更复杂的系统、更高的安全标准和更重要的运营控制。工业物联网旨在提升制造、能源和交通等行业的效率、生产力和安全性。

物联网和工业物联网虽然都基于类似的技术,如传感器、网络互联和数据分析,但它们的应用和影响有很大的不同。物联网通过让我们的生活环境和设备更加智能来改善我们的生活质量。工业物联网则通过改变企业的运作方式和竞争力来推动行业的变革。

工业物联网应用场景和示例

智能制造和工厂

工业物联网是智能工厂理念的驱动力,它通过自动化和自优化让机器和设备更加高效。工业物联网传感器能够实时获取机器性能、环境状况和产品质量的数据。这些数据被用来优化操作、预防故障、自动化质量检测,从而提升生产力和减少停机时间。

麦肯锡的一项研究表明,工业物联网可以为制造商带来巨大的效益,例如,由物联网支持的预测性维护可以将维护成本降低 30%,将停机时间缩减 45%。工业物联网正在颠覆行业,让传统工厂变的更加智能、互联和高效。

要了解更多信息,请阅读我们关于智能制造的文章

能源和公用事业

在能源领域,工业物联网可以显著提升效率、安全性和可靠性。支持工业物联网的智能电网运用传感器、网络互联和数据分析来监控和调节电力分配,实现能源的优化利用并减少浪费。同样,工业物联网在石油和天然气领域的应用能够实现对钻井作业的实时监控,对设备的预测性维护,以及对海上平台的远程控制。

例如,有些能源公司利用工业物联网来收集和分析风力涡轮机的数据。这让他们能够提高风力涡轮机的性能,降低维护开支,提高能源产量。

运输和物流

工业物联网通过实现实时跟踪、预测性维护和智能物流,正在彻底改变运输和物流业。通过工业物联网设备,运输和物流公司可以监控车辆的性能,实时跟踪货运的位置,根据交通和天气情况优化行驶路线,从而提高运营效率,降低成本,增强客户服务。

例如,有些物流公司利用工业物联网来实时监控车队。他们可以通过收集的数据进行预测性维护,降低油耗,规划最佳路线,从而大幅节约成本并提高服务质量。

医疗保健

医疗保健业是另一个工业物联网带来巨大变革的行业。工业物联网通过远程患者监测、远程医疗、智能医院和预测分析等手段,改变了传统的医疗保健服务方式。它可以实现对患者的实时监测,提前发现疾病,制定个性化的治疗方案,并提高患者的康复效果。

例如,有些医疗保健机构利用工业物联网来实时监控患者的生命体征,以便在紧急情况下及时进行救治。这不仅可以改善患者的治疗效果,也可以降低医疗支出,显示了工业物联网在医疗保健领域的巨大潜力。

工业物联网的关键技术

传感器和设备

传感器和设备是工业物联网的基石。它们是从物理环境中捕捉数据并将其转换为数字格式的工具。它们能够监测多种参数,如温度、压力、湿度、光线、声音和运动等。这些数据然后被发送到中央系统进行分析和处理。

例如,在制造厂,传感器能够监测机器的运行状况,及时发现异常或故障征兆。在能源行业,传感器能够测量电力消耗,有助于优化能源利用并减少浪费。

互联技术

互联是工业物联网的关键组成部分,它负责将传感器和设备的数据传送到中央系统。互联可以采用多种技术,如 Wi-Fi、蜂窝网络、卫星通信和低功耗广域网(LPWAN)。选择合适的互联技术要考虑数据量、传输距离、功耗和成本等因素。

例如,物流公司可能利用蜂窝网络来实时跟踪车辆的位置,而智能工厂可能利用 Wi-Fi 来实现内部的通信和控制。

消息传输协议

消息传输协议是设备在工业物联网系统内部进行通信和数据交换的语言。它们规定了设备之间数据交换的格式和规则,保证系统的各个部分能够有效地理解和处理数据。根据不同的应用场景,会使用不同的协议,因为每种协议都有其自身的特点、优势和劣势。

例如,MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) 是工业物联网系统常用的一种消息传输协议,因为它设计简洁,在网络不稳定的情况下也能可靠地传输数据。

边缘计算

边缘计算是工业物联网架构的重要技术,它解决了数据量、延迟和互联的难题。它指的是在网络的边缘,即靠近数据源的位置进行数据处理,而不是把数据传送到云端进行集中处理。这样可以减少需要传输的数据量,节约带宽并加快响应速度。

例如,在智能工厂中,边缘计算可以让机器实现实时控制,降低停机时间并提升效率。

云平台

云平台在工业物联网中发挥着重要的作用,为数据存储、处理和分析提供了基础设施。它还为管理海量数据提供了可扩展、灵活且经济高效的解决方案。此外,云平台还能够实现高级的数据分析、机器学习和人工智能,从数据中获取有价值的信息。

例如,医疗保健机构可以利用云平台来存储和分析患者数据,从而实现早期疾病诊断和个性化治疗。

数据分析和人工智能

数据分析和人工智能是工业物联网的灵魂,它们把原始数据变成有价值的洞察。数据分析是对数据进行检验、清洗和建模,以发现有用的信息,得出结论,并辅助决策。人工智能则是一个智能系统,它能够从数据中学习,做出判断,并不断改进。

例如,在能源行业,数据分析和人工智能可以帮助预测设备故障,优化能源消耗,并降低成本。

工业物联网的优势

以下是工业物联网为制造企业带来的一些主要优势:

提高效率

工业物联网系统将物理设备与联网的传感器和软件相结合,实时收集和分析数据,让企业能够优化运营,减少停机时间并提高生产力。

例如,运用工业物联网的制造厂可以在设备出现故障之前进行预测,减少意外停机的次数。这种主动的方式保证了生产过程的顺畅和高效,提高了盈利能力和客户满意度。

增强安全

安全在任何工业环境中都是首要问题。工业物联网在提升行业的安全水平方面有着显著的贡献。利用工业物联网,企业可以实时监测机器和环境状况,及时发现并处理潜在的危险。

例如,在石油和天然气行业,工业物联网传感器可以检测管道中的气体泄漏或压力变化,实时发出警报。这不仅可以防止可能发生的事故,还可以保护员工的生命健康和安全。

控制质量

高品质的产品和服务是制造业成功的关键。工业物联网在实现这一目标方面发挥着重要作用,它提供了各种生产参数(如温度、压力、湿度等)的实时数据。这些数据帮助企业保持最佳的生产条件,从而确保产品质量的稳定性。

此外,工业物联网还可以帮助企业预测和避免潜在的质量问题。通过分析历史和实时数据中的模式,企业可以识别出与标准生产参数不符合的情况,从而避免不合格的产品批次流入市场。

降低成本

工业物联网在降低成本方面具有颠覆性的作用。通过优化运营、提高产品质量、减少意外停机时间,工业物联网能够帮助企业节省大量的资金。

此外,工业物联网还可以帮助公司降低能源消耗。通过实时监测和控制能源使用情况,企业可以优化他们的能源消耗模式,从而带来巨大的成本节约。

工业物联网面临的挑战

工业物联网虽然有很多好处,但是实施这项技术也不是没有困难。企业要想有效地利用工业物联网,就必须了解这些困难。

安全性

随着企业的互联程度越来越高,它们也越来越容易遭受网络攻击。这些攻击可能导致数据泄露,给企业造成巨大的经济和声誉损失。为了降低这种风险,企业需要采取严格的安全措施(例如,加密、双重认证和定期的安全检查等)来保护他们的工业物联网系统。

集成

将工业物联网与现有系统集成是一项复杂的任务。在整合来自不同来源的数据并使其可用方面,企业常常面临多种挑战。

为了解决这个问题,企业需要投资于强大的集成平台,以便处理复杂的工业物联网数据。而且,他们还需要确保他们的系统能够互相协作,实现不同设备和平台之间的无缝数据交换。

数据管理

数据管理是工业物联网实施中的另一个重大挑战。工业物联网系统产生了海量的数据,需要有效地存储、处理和分析。

为了有效地管理这些数据,企业需要投资于可扩展的数据存储解决方案和先进的分析工具。而且,他们还需要制定有效的数据管理规章制度,以确保数据质量和遵守法规要求。另一个有助于数据管理的创新是统一命名空间,它提供了一种在工业物联网网络上给设备命名和寻址的统一方式。

技能缺口

工业物联网技术的快速发展导致了行业内的技能缺口,缺乏具备实施和管理工业物联网系统所需技能的专业人才。

为了应对这个问题,企业需要投资于培训和发展计划,以提升员工的技能水平。此外,他们还可以与拥有必要专业知识和资源的工业物联网服务商合作。

利用 EMQX 和 Neuron 简化工业物联网管理

EMQ 提供的轻量级工业协议网关软件 Neuron,专为工业数据运营和数据驱动的自动化而设计,同时能够与业界领先的 EMQX MQTT Broker 无缝集成。Neuron 为工业物联网带来了多方面的优势,它可以简化连接,增强数据集成,并支持实时通信和分析。

如果您正在管理工业物联网,EMQXNeuron 可以在以下方面提供帮助:

  1. IT 连接性:EMQX Broker 拥有强大的数据桥接能力,可以轻松地与超过 40 种云服务和企业系统集成。您可以在不同的应用之间实现数据的即时访问,无需花费时间和精力开发定制的桥接方案。EMQX 支持与 MySQL、PostgreSQL、MongoDB 等主流数据库,以及 Redis、Oracle、SAP、Kafka 等流行技术的无缝对接。这些丰富的连接器为您提供了高效的 IT 连接性和数据交换能力,助力您构建工业物联网生态系统。

  2. OT 连接性:Neuron 作为协议网关,提供了全面而强大的工业连接能力,支撑工业物联网的成功部署。Neuron 支持 30 多种工业协议,如 Modbus、Ethernet/IP、Profinet I/O、OPC-UA、IEC104、BACnet 等,让您可以与运营技术领域的各类设备和系统进行无缝通信。无论是 PLC、楼宇自动化系统、数控机床还是机器人,Neuron 都为您提供了稳定可靠的驱动程序,保证顺畅的 OT 连接和数据采集。

  3. 统一命名空间:EMQX 和 Neuron 可以协同工作,为工业物联网应用构建统一的命名空间。统一命名空间是一种 MQTT 主题的通用命名规范,它让处于不同位置或采用不同协议的设备和应用能够互相通信。所有的设备和应用都遵循相同的 MQTT 主题层次结构,基于一套共同的命名规则和数据模型。这样,设备就可以无需复杂的路由或转换机制,实现相互发现和通信。

  4. 数据复制:借助 EMQX Broker 的高速吞吐和低延迟特性,OMH 可以实现多点高速数据复制。高速地在多个数据制造点复制数据,保证了不同数据点之间数据的一致性。复制数据后,每个数据点都能够获取相同的数据集合,确保决策和行动基于最新的数据。这有助于提高操作的一致性,减少差异,并在所有数据点推行标准化流程。

  5. 互操作性和可扩展性:EMQX Broker 和 Neuron 网关可以共同使用,通过建立更灵活、更互联的数据交换方法,确保信息基础设施的互操作性和可扩展性。我们可以建立集中的数据仓库,存储和管理从各级信息系统收集到的所有数据,让这个仓库充当中心枢纽,将来自现场设备、SCADA、MES 和 ERP 的数据整合在一起。

  6. 边缘和云端流处理:Neuron 网关具有边缘计算能力,可以在网络边缘对数据进行预处理和过滤。这样可以降低延迟,节约带宽,并优化向中央 MQTT Broker 的数据传输。当数据到达 EMQX 后,就可以进行进一步的处理、分析以及与其他系统集成,包括将数据存储在数据库中、进行实时分析、或者将数据转发到云平台进行更深入的处理。

  7. MQTT Sparkplug:EMQX 是一款支持 Sparkplug 协议的优秀 MQTT Broker,而 Neuron 可以从工业设备采集数据,并生成 Sparkplug 消息供应用使用。Neuron 可以根据设备数据的变化情况,以 Sparkplug 消息的形式,将数据发布到 EMQX Broker。EMQX 会将这些消息转发给订阅了相应 Sparkplug 主题的应用。

  8. OPC UA over MQTT:Neuron 作为工业连接网关,已经增加了对 OPC UA over MQTT 的原生支持。它可以将任何数据格式转换成 OPC UA 格式,并通过 MQTT 协议发送到 EMQX Broker。EMQX Broker 具有高性能和高可靠性,可以处理大规模的 OPC UA over MQTT 部署。

通过将 MQTT Broker EMQX 和工业连接网关 Neuron 相结合,工业物联网连接变得更加简洁高效,实现了工业设备和后端系统之间的无缝通信。这些组件的集成简化了数据交换,增强了数据处理,并优化了工业物联网部署,从而提高工业应用的效率、可靠性和实时决策能力。

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