物联网技术在烟草机械设备中的应用分析

刘 军 ，向 涛 ，李墨庆

（云南省烟草烟叶公司，云南 昆明 650000）

在烟草行业中，物联网技术的应用最早是建立在共享信息基础上的销售环节上，而在机械设备上的物联网应用，大部分还停留在控制系统的控制端联网阶段，应用层次比较浅薄，而且烟草机械在使用过程中存在的问题并没有得到很好解决。所以，如何根据烟草机械的实际情况，将物联网技术优势发挥到最大，并加以应用，就显得非常重要。

1 物联网技术概述

物联网是通信网络和互联网的一种延伸，通过传感器和智能设备来感知和识别物理世界，并通过网络的传输连接起来，实现对物理世界的实时控制、精准管理和科学决策[1]。利用物联网技术，烟草企业可以通过二维码等信息搜集设备，获得所需的相关信息。通过互联网，不仅确保了信息的准确输出，而且当收集到大量信息时，还能确保信息被传送到需求方，这就是物联网技术的信息传输性能。企业充分运用计算机技术，智能分析和控制信息，实现烟草生产管理的智能化。物联网由感知层、网络层和应用层三部分组成，物联网基本架构如图1所示。感知层可以利用传感器实现对烟叶物料信息的传输，在现实世界中也可以进行智能的解析、传输和控制，将网络层和应用层连接起来。网络层完成了感知参数和控制参数的获取、传输，并对消息进行管理。应用层将物联网行业的专业技术融合在一起，将生产过程中的材料信息与设备信息集成，为物联网提供参数，并将其融入生产链中，使得烟草机械设备的自动化程度和智能化程度更高。

图1 物联网基本架构

2 将物联网技术应用于烟草机械设备的优势

首先，通过物联网技术，能够实现对烟草机械设备的精准管理。精准管理是烟草机械设备信息化的重要目标之一，将物联网标签嵌入到任何一台烟草机械设备上，就能为其提供唯一的标识，并对其进行准确的管理[2]。标签上所记载的信息应包括从生产到销售的全生命周期，有了这张标签，就能知道有关机械设备的一切情况。其次，利用物联网技术，真正实现对物流工具、机械设备的实时可视化管理，这是现代机械设备管理所追求的目标。从管理角度来看，可视化管理烟草机械设备，可以大大提高管理效率，促进管理目标的实现。借助物联网技术，可以在每台机械设备上贴上物联网标签，随时感知运行状态，并将其反馈到后台管理平台。利用智能化过程提示管理者正确操作，实现可视化管理。最后，通过物联网技术，可以实现智能管理烟草机械设备。烟草机械设备在运行过程中，可能会发生突发性事故，从而威胁到人员的生命安全。目前，该事件的处理以人工为主，反应时间较长。物联网技术能及时反映出机械设备的技术状态，在管理信息系统中，能使管理人员更好地掌握机械设备的整体状况，帮助管理人员作出正确的决策，规避风险，提高设备的使用效率和安全性。

3 物联网技术在烟草机械设备中的应用问题

目前，烟草机械设备控制中存在的主要问题是自动化水平不高、管理系统不方便等。对烟草机械设备自动化水平及其相关信息的了解，往往只停留在设备层面，有些车间、工厂与制造商之间的联系仍然非常少[3]。由于生产厂家对设备的维修与诊断不够及时，所以设备单独运行时很难获得最优的性能。同时，烟草企业也很难获得设备的生产参数，根据实际操作情况来改进和完善设备。因此，在开发过程中，无法充分发挥设备的性能。在设备的日常维护过程中，维护组和其他组之间的沟通不畅。烟草机械设备与物联网相结合，可以解决机械设备远程诊断和其他一些问题。随着生产厂家对设备运行管理的不断加强，对设备运行数据的采集、设备诊断和远程维护提供了极大的便利。目前，无论是设备的生产厂家还是用户，维护设备的费用都很高。实现远程维护，既能提高系统的响应速度，又能节约大量的资源。设备制造商必须接受设备改善工艺数据，以利于设备的不断完善。产品质量可追溯，确保了生产厂家与产品间的相互联系，便于物联网与后续流通体系的衔接。因此，有必要把烟草机械设备接入到开放式的物联网平台中。

4 物联网技术在烟草机械设备中的应用方案

4.1 基础方案

机械设备通过射频识别芯片或打印出来的条形码，就可以代表该机械设备的基本信息[4]。然而，作为“物体”的设备却要复杂得多，在没有融合传感器数据的情况下，根本无法将设备的状态表现出来。机械设备的功能是与其他设备、环境相关联的。因此，需要指令层向云平台发送设备信息。描述层要有良好的状态，同时要有历史信息以及与外部关系最为密切的信息，称为“个性化设备描述”；描述层不仅要描述传感器数据，还要用传感器来描述用户干扰下的信息。该系统可为早期预警、远程诊断、远程维护、数据采集、生产设备和产品的连接等提供重要的基础。这一过程的核心是对个性化设备的理解与控制，而不只是对其进行识别。以膨化解析设备为例，设备说明书中的信息既包含内部信息，又包含外部信息，包括水分、充装值、产品进出口温湿度等主要外部数据，这些数据对于改善生产状态、提高产能利用率和进行诊断具有重要意义。

完整的设备说明还要求有“经验组件”，描述设备的全生命周期数据，如历史数据、维护信息、检测记录等。遗传数据反映了原始设计能力与装备的限制条件；外部信息的组成部分包括可接受的指示、对设备反应的影响等，这些信息描述了设备运行所需要的全部生命周期数据[5]。通过对设备进行有效的描述，利用现有的互联网技术及物联网协议，可以向云端传输与设备相关的信息。烟草机械设备系统主要包括自动控制系统、各类传感器、手动记录状态、机械设备信息等。现有的通信系统是传输部分，而云存储部分是云系统部分。移动终端运营平台，如App、浏览器、应用程序等，代表了设备厂商连接烟草机械设备的物联网架构，具体如图2所示。

图2 烟草机械设备物联网体系结构

从软件协议、网络选择等方面来看，物联网生产层的通信环境主要有以太网、无线网、5G等。对于远程改造工程来说，5G网络非常方便，但是因为5G网络的特殊性，必须定期进行更新。如果是网络设计比较好，可以选择Wi-Fi。软件协议可为AMQP、JMS、Rest/HTTP等，CoAP协议的一切工作都建立在Ethernet的基础上[6]。

4.2 优化方案

烟草机械设备物联网系统能够远程诊断并维护设备，远程云端监测设备的程序能够被用来监控设备的运行、危险部件的磨损、设备关键部件的传感器信号，甚至还能够将视频信息接入到远程控制维护系统中，为远程诊断和故障维护提供网络服务[7]。在设备运行过程中，数据报警、事件等相关信息与设备特性及专家经验结合起来，远程诊断及故障报警后，烟草机械设备物联网系统可以及时管理运行生产的状况，实现对设备控制的远程维护，方便信息与知识的共享及分布式存储，促进设备的优化运行与管理。通过云设备，可以实现远距离监控以及SPS程序的下载，从而为烟草企业节省大量的维护费用。

4.3 风险控制

云控制在给系统运行、服务带来舒适度的同时，也增加了设备风险。因此，在监控烟草机械设备时，首先要考虑的就是控制系统的安全性。本研究提出了物联网面临的各种安全威胁，基本特征和普通网络安全的类型具有一致性。物联网不仅与物理设备、生产设备的运行状态密切相关，更可被视为设备的一部分。因此，物联网不仅具有威胁网络信息安全的特征，还具有不可预知性，需要将物联网与设备间的安全状况作为一个特殊的安全要求加以考虑。从工厂控制角度提出烟草机械设备物联网操作安全方式，指出在进行安全分级时，应该考虑的主要因素有：设备操作能力与物联网的关联度、设备和物联网之间的安全隔离机制。就物联网数据安全而言，机械设备的安全等级可分为5个等级，其中最低级是用户最为不确定的一个等级，这容易造成以下情况：该设备无主控制，数据易被泄露。对于烟草机械设备的用户来说，最高级是最安全的。这种设备只保留了部分与第三方的物理连接功能，而连接性能则由用户来决定，具有最高的安全性能。从上述分类定义来看，安全等级的提高与物联网安全风险的下降之间存在着很强的正向关系。

5 物联网技术在烟草机械设备中的应用策略

5.1 物联网技术实现业务流程的构建

烟草机械设备是生产、运输的关键，直接影响企业自身的生产能力和产品质量。然而，从目前烟草机械设备的实际操作情况来看，操作存在着技术支撑不足、孤立状态等问题，严重影响了机械设备的正常使用。所以，在分析烟草机械设备中物联网技术的实际应用时，可以以无线射频这一物联网应用模式为基础，与制造商建立高效的交互机制，以确保烟草机械设备的运行效率和效果，不断提升烟草机械设备的应用水平。例如，在实际应用中，将无线射频作为物联网技术应用模式，应用于烟草机械设备中。以RFID技术为基础展开应用，利用RFID业务中对信息的双向读写优势，为烟草机械设备进行标签处理，并以此为基础，构建烟草企业与设备制造商之间的信息交互机制[8]。用RFID读写器扫描标签，扫描后传输到后台信息系统中进行信息处理，从而获得烟草机械设备的全面信息，为后续的维护和故障诊断处理提供依据。设备维修完毕后，利用RFID阅读器收集设备上新出现的信息，并重新编写标签。另外，通过传感器与RFID技术的结合，可以标记并收集烟草机械设备中的各个部件信息，形成数字化的烟草机械设备构造图，并详细传递其使用情况，为后续烟草机械设备日常维护与紧急故障诊断维修提供了良好的基础，从根本上解决了烟草机械设备维护维修难的问题。

5.2 设备安全风险控制系统的构建

随着烟草机械设备自动化程度的不断提高，设备控制系统的自动化程度也在逐步提高，在实现设备云端控制的同时，也给设备的运行和服务带来了极大的便利。但是，也对设备安全风险的控制提出了更高的要求，不仅包括控制系统的安全性，还包括烟草机械设备自身运行的安全性。因此，在将物联网技术应用于烟草机械设备的过程中，必须考虑到控制系统的安全性。在物联网技术的应用过程中，物联网与设备的运行状态紧密联系在一起，甚至成为设备的一部分。在实际分析烟草机械设备物联网技术应用时，可基于以上分析，将物联网技术应用于烟草机械设备，提高控制安全性和稳定性。

首先，安全级别的构造，在实际构造过程中，主要是以烟草机械设备的TOT运行模式为基础来划分安全级别，在构造安全级别的时候，主要从设备自身运行能力与物联网的耦合程度、设备与物联网之间的安全隔离机制、物联网对机械设备的实际控制能力、物联网对设备运行数据的获取能力等方面着手，以此来划分烟草机械设备物联网连接的安全级别，从而形成安全风险控制体系的标准与主体。在构建安全等级划分体系的时候，可以将其划分为5个层面，以烟草机械设备用户为主体展开划分，从最不安全到最安全共5个等级。此外，利用物联网技术构建的设备控制系统，主要是以烟草机械设备为基础，利用传感器和数据中枢，构建一个烟草机械设备控制中心，将传感器放在烟草机械设备的控制节点中，然后通过有线或者无线的方式，将控制节点集中到数据中枢，从而实现对设备的操作控制和状态抓取。

5.3 烟草机械设备功能架构模型

物联网技术是目前应用较为关键的一种技术，当将其应用到烟草机械设备中时，应用与其相对应的烟草机械设备功能架构，是确保物联网技术应用的关键。根据目前烟草机械设备的实际运行情况，最重要的应用方向是运行数据监控、分析和安全处置。在实际分析烟草机械设备中物联网技术的应用时，可以从这三个方向入手，完成烟草机械设备功能架构模型的构建，从而在充分发挥物联网应用优势的同时，有效促进烟草机械设备的优化和完善[9]。

首先，利用物联网技术，建立烟草机械设备监测功能体系结构模型。在烟草机械设备管理活动中，设备监控功能架构模型的主要内容包括了烟草机械设备的使用情况，具体包括了保管、维修、修理情况、运行状态和烟草机械设备进出厂时间等内容[10]。在以物联网技术为基础的烟草机械设备监控功能模型构建中，可以从上述需求功能信息出发，以传感器和物联网技术为核心，对上述内容进行检测和串联，即利用温度传感器、湿度传感器、压力传感器和摄像头等设备，全面监视并收集烟草机械设备的保管、维修和运行状态[11-12]。其次，以物联网技术为基础，构建智能分析函数。这一功能架构是以监视与收集功能为基础来构建的，即对监视与收集的数据信息展开智能全面分析，这既是确保烟草机械设备运行状态获取的关键，也是提高烟草机械设备运行安全性与稳定性的重要因素[13-14]。最后，以物联网技术为基础，构建烟草机械设备安全处置功能架构模型，主要是根据收集到的数据进行智能分析的结果，作出相应的安全处置，从而确保烟草机械设备的安全稳定运行。

6 结束语

综上所述，在技术不断发展的情况下，烟草企业需要利用物联网技术，建立可以连接各个机械设备的物联网系统，帮助烟草企业实现智能化、自动化的流程管理、信息管理等。因此，将物联网运用到烟草机械设备中，利用RFID技术对生产运行进行管理，既能实现生产目标，又能保证工作效率，提高经济效益，促进烟草行业的发展。