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二〇一一年六月七日12011-6-722011-6-732011-6-7一、项目目标与任务1．项目目标与任务需求分析1.1项目目标以大型火电机组、水轮发电机组、核电机组和风电机组等发电设备为代表的重大能源装备的制造属于国家高端制造领域，是国家“十二五”重点支持的对象。为了提升能源装备制造的技术水平，缩小和国外同行的差距，必须通过引入先进的信息化手段来推进技术革新。物联网是新一代信息技术的发展方向，它可把任何物品与互联网相连，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。物联网技术在能源装备制造等高端制造业有广阔的应用前景，然而，物联网应用特别是其在离散制造过程中的应用，目前整体上还处在起步阶段，尚未取得规模化的成熟应用效果，因此，有必要将物流网技术在一些信息化基础较好、行业影响力较大的制造企业开展应用示范，取得标杆性应用效果后再推广到更多企业。针对以上需求，本项目的目标是：突破面向制造过程管控的物联网构建技术，结合重大能源装备制造的生产模式和业务需求，开展基于物联网的制造设备监控与故障预警、基于物联网的刀具识别与性能监控、基于物联网实时反馈信息的车间动态作业计划优化、基于物联网的在线检测与质量分析、基于物联网的物流过程监控与优化、基于物联网的环境能耗监控与优化等关键技术应用研究，开发支撑工具集，构建基于物联网的制造过程管控集成平台，在东方电气集团开展应用验证，实现对该公司制造过程中的设备、刀具、计划、物流、质量、能耗的全面管控，从而实现生产过程的透明化管理、智能化控制、高效率低能耗生产的目标，昀后，树立行业物联网示范应用标杆，并向其他企业推广。1.2任务需求分析本项目的任务需求体现在两个方面：物联网技术在城市交通、信息安全、物流等领域已有较多应用，但在制造企业内部过程管控中应用还不多，主要原因包括：1)目前RFID、无线传感网络等在车间恶劣环境下的可靠性还存在一些问题；2)在车间应用时，物联网须和不同42011-6-7类型的物体进行关联，比如设备、刀具、在制品等等，应用环境更为复杂；3)物联网在车间的应用离不开制造执行系统（MES）等软件的支持，其应用效果也受到这些软件使用效果的影响；针对上述现状，本项目有以下任务需求：从RFID标签选择、工业无线局域网构建与网关设计、数据集成中间件设计、制造过程监控方法等方面开展应用基础研究，为物联网技术在重大能源装备制造中的应用示范提供技术基础；针对设备、刀具、在制品等不同的物联网节点进行组网设计，并开发相应的集成接口，比如基于传感器的设备状态采集接口、基于串口转无线的检测设备集成接口等等；和MES等应用软件进行集成，通过物联网基础平台采集数据，而基于物联网的制造过程管控功能则在MES中进行实现。大型能源装备（如巨型水轮发电机组、汽轮发电机、核能发电机）的制造过程有其特殊之处，其零件尺寸大、加工周期长、加工过程可靠性要求高、检测过程复杂、能耗节省空间大等等。因此在开展物联网应用时，需考虑以下业务需求：重视对设备状态和刀具状态的实时监控，采取设备预防性维修策略和刀具预防更换策略，以减少因设备故障或刀具使用中失效造成的零件质量缺陷；开发和激光跟踪仪、三坐标测量机、关节臂等检测设备的集成接口，通过物联网实现检测数据的在线自动采集，并进行在线SPC分析，从而提高检测效率，并实现过程质量控制。2．重视对环境能耗数据的采集，通过对效率和能耗的综合优化，实现在保证成本效率的前提下，降低能耗及环境影响；项目主要技术难点和重点本项目的技术难点在于：面向制造过程管控的物联网构建技术。目前在制造过程管控方面，物联网尚无公开的成熟应用报告，因此，本项目在这方面需要开展技术攻关，包括RFID标签选择及安装、车间无线组网、集成接口开发等等；52011-6-7基于物联网的设备、刀具、计划、物流、质量和能耗的集中管控。目前的应用案例往往只侧重于其中一两个方面，如何通过物联网全面采集制造过程数据，并通过MES实现制造过程管控是一个技术难题。本项目的研究重点就是解决以上两个技术难题，从而为能源装备制造过程中的物联网应用示范提供技术支撑。二、现有工作基础与优势1．国内外现有技术、知识产权和技术标准现状及预期分析1.1国内外发展现状及趋势1.1.1物联网基本概念2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，正式提出了“物联网”的概念。报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换。射频识别技术（RFID）、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将到更加广泛的应用。2009年1月28日，奥巴马就任美国总统后，与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”，IBM首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”这一概念，建议新政府投资新一代的智慧型基础设施，得到美国政府的积极响应。2009年8月7日，温家宝总理在无锡考察时提出要通过物联网实现“感知中国”的宏伟远景。物联网（TheInternetofthings）的概念是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络，即所谓物联网就是“物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，其信息沟通的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络，现有的信息化软件系统仍可发挥作用；第二，其信息的采集端延伸和扩展到单个物品，可实现单个物品直接进行信息交换和通讯。其一方面降低了人工操作的各种问题，另一方面可实现对单个物品62011-6-7的信息管理。由此可见，物联网是企业信息化发展的高级阶段。1.1.2物联网核心技术在技术上，RFID电子标签的分低频、高频、超高频和微波等多种频段，每个频段的标签有不同的特性，对应于不同的应用环境和对象。不同的频段的标签、在不同的应用环境下，其封装形式也有较大的差别，包括卡片类、标签类和异性类。针对具体的应用环境，RFID电子标签产品的封装工艺也有差别，目前标签的封装工艺主要包括：引线键合工艺（主要应用于异形类和卡片类的标签）、碰焊焊接工艺（主要应用于异形类和卡片类标签）、倒装键合类（主要应用于标签类和卡片类）。从频段上分，引线键合和碰焊工艺主要应用于低频和高频的电子标签，在超高频以及微波频段的标签，因引线间寄生阻抗的影响，一般采用倒装焊工艺。引线键合工艺和碰焊工艺的优势在于焊接强度大、可靠性高、产品寿命长，缺点是生产工序多（除装片、焊接、还需要包封和烘烤等）、生产效率低、成本高；其产品厚度较大（不能做到超薄）、不能弯折，不适应于柔性基板的封装。倒装键合工艺是RFID电子标签封装的主流工艺，其优势在于芯片直接倒贴于基板上，生产效率高、制造成本低、产品可以做到超薄，耐弯折、可适应与柔性和硬质基板，封装的寄生阻抗小。目前国际上的封装企业大多采用基于倒装键合工艺开发设备。包括德国的纽豹、奥地利的Datacon、日本Toray等。其技术路线：从晶圆上直接摘取芯片，经过芯片翻面，将芯片焊点与天线的触点接触在一起，天线的触点上涂抹有导电胶，经热压或紫外线固化后形成稳定可靠的电气连接。其中芯片的倒装过程是设备技术中的难点，RFID芯片为降低成本已经做到非常小的尺寸，常见的芯片大小在0.7mm，昀小的做到了0.4mm，在半导体封装中，这种尺度的芯片倒装对于设备的精度和稳定性要求极高，另外设备的产能要求使得对贴装的速度要求也非常高（运动速度在2m/s以上），因此，一般的运动控制机构和系统都难以达到，国外企业普遍采用昀先进的直线电机和音圈电机来实现高速高精的运动控制。东莞华中科技大学制造工程研究院，以华中科技大学为技术依托，将国内领先的RFID电子标签封装设备的制造技术72011-6-7进行产业化，其采用的技术和实现的指标已经接近国外先进设备的水平。业内分析人士认为，无线技术在控制领域的大规模普及应用将在2010年左右。目前在国外,工业自动化的巨头正在积极地从事无线产品的开发。智能无线仪表或者在原有HART仪表加装无线适配器配上网关就可任意将过程数据和丰富的诊断信息上传至DCS或者AMS系统，能够解决测控的盲点，比有线技术节省工程成本达90%，能有效监测设备的各种信息，做到对设备的预维护，降低维修的工作量及费用。先进的无线技术与有线技术相比，投入成本低，占地面积少，是平台应用的理想选择。与传统4-20毫安有线模拟量仪表相比，安装无线每个节点可节省30%的费用，无线技术在北美地区已成为主流应用。目前无线传输技术非常丰富，包括：ZigBee、蓝牙、超短波数传电台、GPRS等。在工业领域，ZigBee、WI-FI作为主要的无线传输技术，具有传输距离远、带宽高、组网容易等特点，在各行各业被广泛使用。特别是在工业现场，大量的仪器仪表，也需数据采集和传输，以便于工业流程控制与管理，植入ZigBee数据采集传输模块或者用GPRS无线通信技术构建远程监控系统，则可在现场快速、便捷的构架数据传输网。工业现场介质状态参数检测一直是生产操作和控制的重要依据，现场信息检测传输的稳定性和准确性是安全生产的必要条件，但是工业现场环境恶劣、高酸碱性、重灰尘、干扰严重，测点分布广、数量多、距离远，给信息电缆的铺设和现场监控检测带来了很大的困难。随着人们越来越注重工业安全、节能环保的要求，智能无线技术应运而生。现场智能无线设备与智能无线网关组成自组织网络（该网络能自主查找昀佳的通信路径并创建新的通信路径以保证信息通畅），再由网关将过程测量信息和丰富的诊断信息上传到DCS和设备管理系统（AMS）。随着微机电系统、片上系统、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，逐渐孕育出了智能无线技术，以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了工业制造信息感知的一场变革。目前该技术产品主要为国外厂家所垄断，本项目的实施将以国产替代进口。82011-6-7中间件是处在阅读器和计算机Internet之间的一种中间软件系统。中间件可为企业应用提供一系列计算和数据处理功能。其主要任务是对阅读器读取的标签数据进行捕获、过滤、汇集、计算，数据校对、解调、数据传送、数据存储和任务管理，减少从阅读器传往工厂应用的数据量。同时，中间件还可提供与其他RFID支撑软件系统进行互操作等功能。此外，中间件还定义了阅读器和应用两个接口。一般物联网中间件具有的模块有：读写器接口、事件管理器、应用程序接口、目标信息服务和对象名解析服务等。在RFID中间件领域，IBM、BEA等企业的技术优势十分明显，目前中国还没有可以在技术实力上与之抗衡的企业。针对不同的应用要开发与之对应的中间件适配层软件系统。国内已开展的一些应用，所采用的RFID中间件多是国外的产品，其中有影响的如IBM、BEA、SAP、Microsoft、Oracle、Sun等公司的中间件产品。国外企业在中间件领域的垄断地位，使得中间件产品的价格极其昂贵。国外软件产品，其做法多是将RFID技术纳入其现有中间件产品的软件体系中，RFID作为可选子项，如IBM将RFID纳入WebSphere架构，SAP在NetWeaver中增加RFID功能。这种在现有产品基础上开发RFID模块的方式，优点是开发工作量小、技术成熟度高而且产品集成性好;缺点是使得RFID中间件产品变得庞大、推出“套餐”价格高，不便于中小企业低成本轻量级应用。如：中科院自动化所推出了RFID公共服务体系基础架构软件和血液、食品、药品可追溯管理中间件；上海交通大学开发了面向商业物流的数据管理与集成中间件平台；东方励格公司的LYNKO-ALE中间件；清华同方的ezRFID中间件，ezONEezFramework基础应用套件等。海外公司聚焦在大企业供应链解决方案。如：沃尔玛供应链系统等；国内公司多聚焦于政府与行业市场：ETC、金融、军队。如东方通的金融系统应用、中创的军队系统应用等。目前还没有与制造产业