工业远程控制与物联网技术.docx
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工业远程控制与物联网技术
分类号：
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ＵＤＣ：
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硕士学位论文
论文题目：
工业远程控制与物联网技术
—基于RFID_GSM技术的远程测控系统
学 号：
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作 者：
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专业名称：
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2012年04月16日
内蒙古科技大学硕士学位论文
论文题目：
作者：
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协助指导教师：
单位：
单位：
论文提交日期：
2012年04月16日
学位授予单位：
工业远程控制与物联网技术
——基于RFID_GSM技术的远程测控系统
IndustrialRemoteControlandInternetofThingsTechnology
——TheRomoteMeasurementandControlSystemBasedonRFID_GSMTechnology
研究生姓名：
指导教师姓名：
包头014010，中国
Candidate：
Supervisor：
Schoolof
InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology
Baotou014010，P.R.CHINA
独 创 性 说 明
本人郑重声明：
所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
签名：
___________日期：
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关于论文使用授权的说明
本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：
学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。
（保密的论文在解密后应遵循此规定）
签名：
___________导师签名：
___________日期：
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摘 要
随着我国工业自动化水平的发展，现有的工业远程控制系统完成了企业涵盖范围内所有设备或生产车间（线）的互联与控制。
但是，庞大的生产运行系统是需要维护的，随着企业规模的扩大，生产线维护成本的降低愈加迫切，生产企业和科研人员已经意识到，只有在现有工业远程控制系统设备与设备互联的基础上，实现设备维修人员、生产调度人员与工控网络的互联、互动，才能更有效的降低生产线维护成本，降低故障时间，拓展流程管理和维护空间维度，进一步提升流程工业自动化水平，提高工业远程控制系统运行效率。
本文深入分析了物联网核心技术和主要特点，在此基础上针对传统工业远程控制系统存在的故障处理滞后、故障设备与维修工人之间没有信息交流、故障范围不能及时隔离等问题，提出一种融合M2M技术的新型工业远程控制系统。
论文以城市供热管网运行控制为应用背景，研制完成了融合M2M技术的城市热网监控系统。
该系统传输层采用移动通信网络，管理层中引入M2M逻辑业务管理技术，将感知识别层、网络构建层以及管理服务层信息有机集成，实现了设备与设备、设备与人之间信息互动，论文主要研究的内容包括：
1.研究远程工业控制中人（设备维护工人和生产调度管理者）与物（设备或生产流程）互联、互动的模式；
2.采用嵌入式技术完成了基于ISO14443TypeA的新型热网RFID巡检终端采集单元的工程化设计；
3.研究、开发远程工业控制中人与设备、人与工艺流程信息互动软件；
4.基于M2M、RFID_GSM技术的供热管网运行控制工程化设计；
物联网技术具有全面感知、可靠传递、智能计算等优点，是自动化应用领域的新兴热点。
文中注重阐述了融合M2M技术实现工业现场RFID数据采集控制器的硬件、软件设计；讨论了人与设备互联、互动的模式；详细论述了远程工业控制中人与设备、人与工艺流程互联、互动软件开发。
本课题提出工业运行控制与设备维护技术集成的一种全新思路，可用于电力、石油、化工、环境监测等工业远程控制领域。
关键词：
物联网；M2M；远程控制；RFID终端；
Abstract
WiththedevelopmentofChina'sindustrialautomation,industrialremotecontrolsystemcompletedinterconnectionandcontrolbetweentheequipmentofthebusinessscopeandtheofproductionworkshop（line）.However,thehugeproductionrunsystemsneedtomaintain.Withtheexpansionofbusinessscale,thereductionoftheproductionlinemaintenancecostisevenmoreurgent.Productionenterpriseandscientificresearchpersonnelhaverealizedthat,onlyonthebasisoftheinterrelationbetweenequipmentandequipmentintheexistingindustrialremotecontrolsystem,itistoachievetheinterrelationandinteractionwithintheequipmentmaintenancepersonnel,productionschedulingpersonnelandindustrialnetworksthatwecanmoreeffectivelyreducethemaintenancecostofaproductionline,reducefaulttime,expandtheprocessmanagementandmaintenancespacedimensiontofurtherimprovetheprocessindustryautomationlevelandimprovetheefficiencyoftheindustrialremotecontrolsystem.
Thisdesigndeeplyanalyzedthecontentnetworkingcoretechnologyandthemaincharacterfortheproblemoffailuretreatmentlagexistinginthetraditionalindustrialremotecontrolsystem,withoutinformationexchangebetweenthefaultequipmentandmaintenanceworkers,andthatcannotbeisolatedthefaultarea,toputforwardanewtypeofindustrialremotecontrolsystemfusingtheM2Mtechnology.Thispaper,withtheapplicationsbackgroundoftheurbanheatingnetworkoperationcontrol,completedthecityheatingnetworkmonitoringandcontrollingsystemfusingtheM2Mtechnology.Thissystem,withthetransportlayertheusingmobilecommunicationnetworkandthemanagementlayerintroducingtheM2MlogicalbusinessmanagementtechniquesmanagementbusinessmanagementtechnologyM2Mlogic,Willperceivetherecognitionlayer,theorganicintegrationofnetworkconstructionlayerandserviceinformationlayer,toachievetheInformationinteractionbetweentheequipmentanddevices,equipmentandpeople.Thecontentsofthepaperinclude:
1）AstudyoftheInterrelatedandinteractivemodebetweenhuman（equipment,maintenanceworkersandproductionschedulingmanager）andmaterial（equipmentorproductionprocess）intheremoteindustrialcontrol;
2）AstudyoftheacquisitionunitengineeringdesignofthenewheatingnetworkRFIDdataloggingterminalbasedontheISO14443TypeAusingembeddedtechnology;
3）Astudyanddevelopmentoftheinformationinteractivesoftwareofhuman,equipmentandprocessintheremoteindustrialcontrol;
4）AengineeringdesignheatingpipenetworkcontrolbasedontheM2M,RFID_GSMtechnology;
Theinternetofthingstechnologyhasmanyadvantages,forexample,overallperceptionofThingstechnology,reliabledelivery,intelligentcomputing,etc.Sothatitisaemerginghotspotforautomationapplications.ThispaperinfocusdescribedthehardwareandsoftwaredesignoftheindustrialfieldRFIDdataacquisitioncontrollerwiththeintegrationofM2Mtechnology;Anditdiscussedtheconnectionandinteractionmodebetweenpeopleandequipment,gaveadetaileddiscussionofthesoftwaredevelopmentoftheinteractiveandinterrelationwithinequipment,technologicalprocessandhumanontheremoteindustrialcontrol.Thistopicproposedanewthoughtoftheintegrationoftheindustrialoperationcontrolandmaintenanceoftechnology,sothatitcanbeusedforelectricpower,petroleum,chemical,environmentalmonitoringandotherindustrialremotecontrolfield.
KeyWords：
Internetofthings;M2M;Theremotecontrol;RFIDterminal;
1绪论
1.1课题研究的背景及意义
1.1.1课题的研究背景
工业远程控制是指生产调度中心通过有线或无线网络，对远端（位于数公里、数十公里以上处）的各个生产设备或生产流程实施控制。
随着世界经济和科学技术的飞速发展，企业规模越来越大，工业远程控制系统的规模、功能和市场需求也逐年大幅增长。
目前，工业远程控制系统已发展到集计算机技术、传感技术、自动控制技术、网络技术、通讯技术于一体，完全实现了与生产车间本地控制相媲美的控制效果。
网络技术的发展，使一个企业分布在不同地域的、相互关联的子生产车间或监控站，通过工业远程控制系统实现了自动控制和无人值守。
现有的工业远程控制系统的一般框架为：
采用传感技术感知设备或生产线运行参数；根据实时运行参数，采用各种先进的控制理论生成控制命令；通过计算机网络调整生产运行状态，并将生产运行状态传递到远端的生产调度中心和相关用户。
毋庸置疑，现有的工业远程控制系统完成了企业涵盖范围内，所有设备或生产车间（线）的互联与控制。
但是，庞大的生产运行系统是需要维护的，随着企业规模的扩大，生产线维护成本的降低愈加迫切，生产企业和科研人员已经意识到，只有在现有工业远程控制系统设备与设备互联的基础上，实现设备维修人员、生产调度人员与工控网络的互联、互动，才能更有效的降低生产线维护成本，降低故障时间，拓展流程管理和维护空间维度，进一步提升流程工业自动控制水平，提高工业远程控制系统运行效率。
如何在设备与设备互联的工控网络上实现物与人的互联、互动，使设备维修人员、生产调度人员无论身在何时、何地都能感知生产线的运行状态，并参与管理，实现“在线维护”，是本课题研究的目的。
物联网技术是以泛在网络为基础、泛在感知为核心，泛在服务为目的，泛在智能拓展为目标的综合性一体化信息处理技术。
物联网实现的是“机器与机器”之间互感、互知、互动的信息交流，即M2M。
M2M（Machine-to-Machine，Machine-to-Man）也可理解为通过多种通讯技术，如FieldBuses（CanBus、ModBus、ProfiBus等），Zigbee，GPRS，CDMA，WiFi，TCP/IP等等，连接各种末端设备或子系统，采用M2MMiddleware/WebServices/SOA等标准化数据表达技术，将终端设备或子系统汇总到一个统一的管理系统，实现远程监视、自动报警、控制、诊断和维护，进而实现对设备的全局化管理和服务。
本课题以工业远程控制为背景，引用物联网技术，在现有工业远程控制系统设备与设备互联的基础上，实现设备维修人员、生产调度人员与工控网络的信息互动。
目前，有关这方面的研究成果还未见报到，而企业对远程工业控制与物联网融合技术的迫切需求，已让我们清晰地看到了广阔的市场前景。
其重要的学术意义也已经被自动控制领域学者所共识。
工业远程控制系统发展至今，已经完成了分布在不同地域的、相互关联的子生产车间或监控站与企业调度中心的信息互联，实现了集中控制即所有设备或子生产车间的互联与控制。
如何在设备与设备互联的工控网络上实现物与人的互联、互动，使设备维修人员、生产调度人员无论在何时、何地都能感知生产线的运行状态，并参与管理，是本课题研究的目的。
1.1.2课题研究的意义
进入21世纪以来，随着感知识别技术的快速发展，信息从传统的人工生成的单通道模式转变为人工生成和自动生成的双通道模式。
以传感器和智能识别终端为代表的信息自动生成设备可以实时准确地开展对物理世界的感知、测量和监控。
目前世界上大约有50亿个具有通信能力的微处理器和微控制器。
低成本芯片制造使得可联网终端数目激增，而网络技术使得综合利用来自物理世界的信息变为可能。
目前，物联网技术下的M2M产品已广泛应用于生产和居民生活。
为了保证机器到机器、机器到人之间的正常通信，必须保证能对整个M2M系统的各个环节进行实时监控。
当工业现场出现故障时，能准确地判断是哪个环节发送故障，从而第一时间进行设备维护和恢复。
物联网技术的引入对工业远程控制系统的意义主要表现在以下三个方面：
增强机器设备之间的通信与网络功能。
M2M不是简单的数据在机器和机器之间的传输，更重要的是，它是机器和机器之间的一种智能化、交互式的通信。
也就是说，即使人们没有实时发出信号，机器也会根据既定程序主动进行通信，并根据所得到的数据智能化地做出选择，对相关设备发出正确的指令。
可以说，智能化、交互式成为了M2M有别于其它应用的典型特征，这一特征下的机器也被赋予了更多的“思想”和“智慧”[1]。
实现人与机器设备、人与工艺流程之间的互联与互动。
传统的工业远程控制仅仅局限于机器设备之间的通信与互联，而人作为设备维护监控方，其所处的位置一般在监控室或工业现场。
人以独立的个体存在工艺流程之外，并没有实现人与设备的信息互联、互动。
物联网技术则可以改变这一现状，人不再是独立于被控生产线之外的个体，而是生产线上的一个移动的节点。
随时参与生产线、机器设备的信息互动。
通过人与机器设备、人与工艺流程的互联、互动，及时隔离事故范围，减小故障损失，间接降低生产成本。
当工业现场发生故障报警时，专业维护工人可不在工业现场实现远程故障隔离控制，在时间与空间上提高了工作效率，将工业事故损失降到最低。
1.2国内外技术现状及发展趋势
（一）国内现工作基础
与计算机、互联网不同，我国在M2M技术研发方面处于世界前列，具有重大的影响力，同美国、英国、德国一起成为国际标准制定的主导国，而且是世界上极少数能实现产业化的国家之一。
尽管我国在物联网研究中取得了一些成绩，但还存在一些问题：
（1）标准化体系的缺失[2]，从行业技术来看，目前主要缺乏以下两个方面标准：
数据模型的标准化和接口的标准化。
标准化体系的建立将成为物联网产业发展的首要条件；
（2）IPv4地址不足，制约着物联网的发展；（3）根据物联网的特点，物联网除了面对移动通信网络的传统网络安全问题之外，还存在着一些特殊的安全问题如：
a.物联网设备、感知节点的本地安全问题；b.感知网络的传输与信息安全问题；c.核心网络的传输与信息安全问题；d.物联网业务的安全问题。
以上问题也是本课题研究要面临的问题。
在工业远程控制中使用Internet技术，国内外已日渐成熟，尤其是用于石油化工、城市管网、环境监控、矿产等领域，但工业远程控制与物联网技术融合方面的研究与应用目前还鲜见报道。
（二）技术发展趋势
目前的远程工业控制系统虽然实现了大型企业子生产线的互联，但还没有维护人员与工艺控制网络的互联，而企业对此需求已非常迫切，它不仅可以提高工作效率，降低生产运行成本，提升自动化水平，而且可将企业运行模式推上一个全新的管理框架。
近两年，代表物联网技术先进水平的美、英、日、德等国的物联网技术及相关产品发展迅速，物联网技术已经渗透到人类生活、生产各个领域。
物联网发展阶段和趋势见表1.1.
将物联网技术引入远程工业控制领域是自动化技术的发展方向。
设备智能化、工艺物联化将是未来工业远程控制的发展趋势。
最终实现机器与机器、人与机器之间的互联，机器运行信息可以通过无线网络发送到设备维护工程师或生产调度师手机上，也可以发送到互联网等终端设备上，实现信息共享。
表1.1物联网发展阶段和趋势
类别
2010年之前
2010-2015年
2015-2020年
2020年后
发展趋势
单个物体间互联；低功耗、低成本
物与物之间联网和传感器联网
半智能化无线传感网
全智能化传感网
标准化
RFID安全及隐私标准；无线频带；分布式控制处理协议
针对待定产业的标准；交互式协议和交互频率；容错协议
网络通信协议标准；智能化集成传感器和系统
智能响应行为标准
产业化应用
RFID在物流、零售、公共交通产业的应用；建立不同系统间交互的框架
增强互操作性，分布式控制及分布式数据库，待定融合网络；在恶劣环境和环保、工业、农业中的应用
分布式代码执行；全球化应用；自适应系统；分布式存储、分布式处理，物体与移动手机、互联网等网络连接
人和物服务网络的融合；产业整合；异质系统间的应用
器件
更小，更廉价的传感器、标签、主动系统；智能多波段射频天线；高频标签、嵌入式读取终端
提高信息容量、感知能力；提高无线传感器网络的传输速率和数据吞吐量，片上集成射频；与其他材料整合
提高传输速率；自主智能标签、低功耗集成无线传感器网络芯片
更廉价材料；新物理效应。
可生物降解器件；纳米处理组件
功耗
低功耗芯片组，降低功耗
改善能量管理，提高电池性能
可再生能源，多种能量来源
能量捕获，生物降解电池
1.3物联网对工业远程控制领域的影响
工业远程控制包含信号采集、数据传输、数据处理、运行控制等环节，而物联网包括全面感知、可靠传递、智慧处理几部分，显然物联网技术与工业远程控制技术是相似的。
物联网只是更加强调无线、海量信息（包括物亦包括人）采集、智能计算。
而工业远程控制目前只对象物（包括生产线、工业过程或设备），实际上，如上面分析，工业远程控制技术发展至今，已迫切需要将人（设备维护工程师）作为一个子节点涵盖其中，物联网技术的出现，使其成为可能。
在物联网的3个关键领域——传感器、RFID和M2M（机器对机器）中，工业自动化厂商至少在传感器和M2M领域有很强的优势。
10年前，主要集中在设备领域的针对M2M之间的通信已经出现。
10年间，M2M的概念不仅扩展到机器与人、机器与服务等更宽泛的概念，而且还成为“物联网的主要现实形态”，这也带动了在M2M中大量应用的自动化需求。
现在，更多的自动化和智能技术已经从M2M应用的自动化控制扩展到社会生活的方方面面[3]。
在感知层面，工业远程监控领域也积累了上千种的产品和解决方案，包括工业计算机、工业交换机、数据采集器、触摸屏和应用软件等。
在物联网时代，最末端的传感器数量众多，收集到的数据也相当庞杂，如果不加分析处理就将这些信息传递到后台，必将对网络层和后台处理系统造成负担。
而如果把部分数据分析工作放在前端，就能提高效率。
相应地，自动化行业在前端数据处理上积累了不少经验，代表型产品——内嵌在工业计算机中的数据采集软件就能够胜任这个“工作”[3]。
物联网是信息通信技术发展的新一轮制高点，正在工业远程控制领域广泛渗透和应用，并与未来先进制造技术相结合，形成新的智能化的制造体系。
这一过程正在不断发展和完善之中。
物联网产业的火
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