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物聯(lián)網(wǎng)，即IoT，是在當前許多行業(yè)中非常吸引眼球的時(shí)髦詞。在極力尋求在其傳統業(yè)務(wù)中增加高利潤軟件組件的自動(dòng)化公司中，物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)變體——工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)——十分流行。Maxim Integrated是一家半導體公司，其器件支持大量自動(dòng)化設備；在關(guān)于自動(dòng)化系統架構如何向支持IIoT演變方面，公司具有獨特的視角。 本文通過(guò)IIoT的系統架構，重點(diǎn)討論成功部署IIoT支持系統必須解決的設計挑戰。文章特別介紹了對更多、更智能的傳感器、MicroPLC以及新興IO-Link標準等方面不斷增長(cháng)的需求。 通過(guò)IIoT實(shí)現工業(yè)4.0的途徑 西門(mén)子將工業(yè)革命劃分為三個(gè)不同的階段：第一次工業(yè)革命起始于借助于水和蒸汽動(dòng)力的機械生產(chǎn)設備的推出；第二次工業(yè)革命起始于電力的引入；第三次工業(yè)革命即自動(dòng)化時(shí)代的來(lái)臨，以工廠(chǎng)首次采用可編程邏輯控制器(PLC)為標志�，F在，西門(mén)子以及德國政府相信：一次新的革命——工業(yè)4.0時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，將以全自動(dòng)化方式生產(chǎn)定制組件(圖1)。 圖1. 通過(guò)IIoT實(shí)現工業(yè)4.0的途徑。圖片來(lái)源于DFKI (2011)。 在工業(yè)4.0時(shí)代，從項目開(kāi)始到產(chǎn)品交付的生產(chǎn)過(guò)程將基于被生產(chǎn)部件與組裝線(xiàn)機器之間的通信。德國正在大力推動(dòng)這種IIoT運動(dòng)，以充分發(fā)揮其在工業(yè)領(lǐng)域的制造和嵌入式軟件技術(shù)方面的優(yōu)勢。在美國，通用電氣(GE)正在致力于一項類(lèi)似的倡議：“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”。 由于可以在制造過(guò)程中捕獲和處理數量龐大的數據，制造業(yè)是最能從IoT獲益的領(lǐng)域。并且能夠對所有數據進(jìn)行分析和可視化處理，有助于優(yōu)化運營(yíng)和成本，因此數據是IIoT的基礎。在制造領(lǐng)域，智能傳感器、分布式控制以及復雜的安全軟件是這次新革命的黏合劑。 IIoT究竟是什么？ 工業(yè)專(zhuān)家和市場(chǎng)分析師是這樣定義IIoT的： “工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)是影響世界互連方式以及優(yōu)化機器的新一輪創(chuàng )新浪潮。IIoT通過(guò)使用傳感器、先進(jìn)的分析和智能決策的制定，將深刻影響現場(chǎng)資產(chǎn)與企業(yè)的連接和通信�！� “領(lǐng)先的O&G公司正在通過(guò)采用傳感器、數據管理、先進(jìn)的分析和自動(dòng)化來(lái)釋放其生產(chǎn)力、降低運營(yíng)成本并優(yōu)化資產(chǎn)來(lái)構建基礎設施�！� “工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是一種智能機器互連網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )中的機器按照其預期方式進(jìn)行工作，必將像消費者互聯(lián)網(wǎng)改變我們的生活方式一樣使我們的業(yè)務(wù)發(fā)生天翻地覆的變化”。 另一種定義IIoT的方式是以層級形式來(lái)觀(guān)察工業(yè)網(wǎng)絡(luò )，如圖2所示。 圖2. 支持IIoT的自動(dòng)化系統堆棧。 堆棧的底層是工廠(chǎng)或過(guò)程車(chē)間內的設備(系統)。這些設備可以是現場(chǎng)傳感器、控制器、個(gè)人電腦，并且所有這些硬件系統可能包括(或不包括)硬件安全特性。這些終端設備必須具有有用的數據來(lái)進(jìn)行通信，通常連接至通信集線(xiàn)器、網(wǎng)關(guān)和交換機，從而能夠將這些數據作為大數據存放在云端(或內聯(lián)網(wǎng))。 一旦數據存放在“那里”后，即可開(kāi)發(fā)不同的分析和優(yōu)化軟件，從而針對無(wú)數的各種各樣的任務(wù)優(yōu)化制造資產(chǎn)：系統正常運行時(shí)間、計劃維護、能源效率，以及更有效率的資源利用率。 但這并不是全部。IIoT支持將該數據整合到制造商的ERP和CRM軟件內部。生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)不僅能夠更有效地規劃和估算制造過(guò)程，甚至能夠利用用戶(hù)信息實(shí)時(shí)改變組裝線(xiàn)和過(guò)程參數。 圖2中底部的兩個(gè)堆棧影響系統硬件的設計，頂層影響軟件開(kāi)發(fā)和集成。 傳感器在IIoT中的關(guān)鍵作用 IIoT已經(jīng)不僅僅是一個(gè)時(shí)髦詞。工廠(chǎng)已經(jīng)開(kāi)始使用大量聯(lián)網(wǎng)的傳感器，并且通過(guò)將其連接至功能強大的計算機，開(kāi)始形成新一代“智能”工廠(chǎng)的基本骨骼。一旦所有工業(yè)數據(即“物”，IoT中的“T”)最終互連在一起(即“網(wǎng)”，“I”)，那么即可利用復雜的軟件來(lái)優(yōu)化所有過(guò)程。 GE最新的美國工廠(chǎng)就是體驗真正IIoT的好地方，該工廠(chǎng)位于紐約州北部，耗資1.7億美元，大約1年前開(kāi)始運營(yíng)。該工廠(chǎng)為手機通信塔供電等應用生產(chǎn)先進(jìn)的鈉鎳電池。該工廠(chǎng)擁有的傳感器超過(guò)10,000個(gè)，分布于180,000平方英尺的廠(chǎng)房?jì)�；所有傳感器都連接至內部高速以太網(wǎng)。傳感器監測各種過(guò)程，例如使用哪個(gè)批次電池粉來(lái)形成電池核心的陶瓷？烘烤溫度是多少？制造每節電池所需的能量是多少？甚至當地的空氣壓力是多少？在工廠(chǎng)車(chē)間，員工利用iPad?即可通過(guò)遍布全廠(chǎng)的Wi-Fi?節點(diǎn)獲得所有數據�！� 總部位于法國圖盧茲市的空客(Airbus)公司也宣布早已計劃在將來(lái)的空客工廠(chǎng)中應用IIoT。在最近的NI week展會(huì )上7，空客展示了其如何將RFID標簽安裝到汽車(chē)零件和工具等物體上。然后即可利用特殊的眼鏡(類(lèi)似于Google Glass?頭戴式顯示屏)在最遠100米距離處自動(dòng)讀取這些標簽，空客由此即可實(shí)時(shí)跟蹤和可視化生產(chǎn)過(guò)程。據空客消息，這種可視化技術(shù)已經(jīng)被用于法國圖盧茲的A330和A350最終組裝線(xiàn)，以及英國的A400M機翼裝配線(xiàn)。 盡管截至目前空客項目?jì)H限于使用RFID實(shí)現數字化跟蹤和監測，以提高工業(yè)運營(yíng)效率，但其概念也可擴展至其它分析類(lèi)型。 IIoT展望 我們需要非常清楚的了解為什么每個(gè)人都希望實(shí)現IIoT。最重要的原因是系統優(yōu)化，以及優(yōu)化通常帶來(lái)的利益。這些利益可分為三種主要類(lèi)型：資產(chǎn)、過(guò)程和業(yè)務(wù)優(yōu)化，并將按此順序逐一實(shí)現。優(yōu)化一臺電機要比優(yōu)化整個(gè)鉆探操作更容易，而后者又比優(yōu)化大型企業(yè)的許多生產(chǎn)線(xiàn)要容易。 但優(yōu)化所有這一切是工業(yè)IoT的終極夢(mèng)想。請參見(jiàn)圖3。 圖3. IIoT的利益。所有工廠(chǎng)/過(guò)程數據均在線(xiàn)上(云端)。 所以軟件分析有助于資產(chǎn)優(yōu)化，然后是過(guò)程優(yōu)化，最終實(shí)現業(yè)務(wù)優(yōu)化。 資產(chǎn)優(yōu)化 第一級分析和互動(dòng)發(fā)生在前沿。首先從傳感器收集數據，可能是渦輪傳感器、電機編碼器或振動(dòng)特征信號。然后在本地對數據進(jìn)行處理，幫助操作者掌握如何調節參數以實(shí)現最高效率，或洞悉故障隱患的早期征兆。 過(guò)程優(yōu)化 第二級分析發(fā)生在控制室。在此處，來(lái)自于多個(gè)終端設備甚至多條生產(chǎn)線(xiàn)的傳感器數據匯聚在一起，以制定更加明智的決策，從而對工廠(chǎng)效率和多種過(guò)程產(chǎn)生積極影響。例如，利用更為準確的傳感器數據，控制室就能夠做出更加明智的決策：何時(shí)使終端設備處于空閑或休眠狀態(tài)。這樣做的正面效果是獲得更好地硬件使用方法，以及降低能耗。 業(yè)務(wù)優(yōu)化 從該議題演化出的一個(gè)共識是：更多的數據以及智能的數據使用。我們對數據如何正面影響資產(chǎn)使用和過(guò)程操作都很熟悉。但IIoT的預期不僅僅是前兩級的數據收集和分析的增長(cháng)，而是也能夠將過(guò)程數據與企業(yè)數據進(jìn)行整合，從而支持目前為止尚未實(shí)現的真正令人關(guān)注、更為智能的管理決策。 例如，試想一下可以將生產(chǎn)線(xiàn)設置為制造更多處于市場(chǎng)爆炸期的產(chǎn)品，或者設置為繞開(kāi)市場(chǎng)價(jià)值逐漸縮小的組件。甚至將運營(yíng)數據與財務(wù)數據相結合，為CFO辦公室提供更深入的洞察力。 IIoT尚處于萌芽期，沒(méi)有強制性的平臺標準。目前是IIoT的“野蠻生長(cháng)”階段，也恰恰是培養和推動(dòng)平臺標準接受度的絕佳時(shí)機。這也正是我們所看到的自動(dòng)化公司正在做的事情。 SAP等成功的企業(yè)軟件公司具有大約30%的運營(yíng)利潤率。自動(dòng)化公司制造生成工業(yè)數據的設備，在理解數據方面最有經(jīng)驗。他們只需要開(kāi)發(fā)出處理、分析以及顯示數據的軟件能力。所以，談到工業(yè)自動(dòng)化和IIoT，這些自動(dòng)化公司已經(jīng)做好主宰新興IIoT的準備。 GE是這一領(lǐng)域最具進(jìn)攻性的參與者。數年之前，GE公司的CEO兼總裁杰夫?伊梅爾特就從Cisco挖來(lái)了比爾?榮，并且立即提供10億美金讓其重構公司的企業(yè)軟件和分析方法。榮在加利福尼亞州奧克蘭市東邊的圣拉蒙成立了機構。在為期24個(gè)月的時(shí)間內，這支隊伍構建了一個(gè)新的，稱(chēng)為Predix的軟件平臺；去年年底，GE開(kāi)始部署該平臺。GE最近公布的關(guān)于其軟件業(yè)務(wù)的財務(wù)數字非常引人注目。 在寫(xiě)給股東的信中，伊梅爾特寫(xiě)到： “我們深信，每個(gè)工業(yè)企業(yè)都將變?yōu)檐浖髽I(yè)...。我們的客戶(hù)希望我們的資產(chǎn)運營(yíng)時(shí)不發(fā)生計劃外停工，并具有最佳性能。我們的數據方案叫做“Predictivity”，截至目前已發(fā)布了24款產(chǎn)品，產(chǎn)生了8億美元的增量收入。我們預計Predictivity在2014年的收入將超過(guò)10億美元” GE在建立其第一款I(lǐng)IoT軟件平臺方面正取得巨大進(jìn)展。 IIoT推動(dòng)系統需求 IIoT推動(dòng)的兩項主要系統趨勢體現在傳感器數量的增加和分布式計算的增長(cháng)。 普適感測。傳感器及其接口的成本持續下降，使得制造商能夠跟蹤更多的變量和數據類(lèi)型。 分布式控制。距離被控制機器較近的運動(dòng)過(guò)程控制器(PLCs)，消除了瓶頸并提高制造產(chǎn)量、增強靈活性。 傳感器無(wú)處不在 您可以找到一些關(guān)于評估傳感器市場(chǎng)增長(cháng)的公開(kāi)報告。BCC Research著(zhù)眼于傳感器在不同應用領(lǐng)域的全球市場(chǎng)研究，包括生物傳感器、化學(xué)傳感器、圖像傳感器、流量傳感器和液位傳感器。另一家公司Emerson更多地關(guān)注過(guò)程現場(chǎng)傳感器。 “2013年的傳感器市場(chǎng)規模為795億美元，預計2015年將超增長(cháng)到953億美元；預計到2020年將達到1543億美元，2015年至2020年的年均復合增長(cháng)率(CAGR)為10.1%�！盉CC Research，美國馬薩諸塞州韋爾斯利，2014年報告。 “普適感測能夠以新的方式幫助生產(chǎn)廠(chǎng)加強現場(chǎng)安全、增強可靠性和提高能源效率，預計規模將在現有的$160億測量市場(chǎng)基礎上增加兩倍以上�！� 關(guān)于傳感器市場(chǎng)的規模和增長(cháng)，研究者的評估不盡相同。但是顯而易見(jiàn)，隨著(zhù)數據分析需求的增長(cháng)，用來(lái)收集數據的傳感器的需求也必將相應增長(cháng)。各種傳感器市場(chǎng)的年均復合增長(cháng)率(CAGR)預計將以?xún)晌粩档乃俣仍鲩L(cháng)，尤其是工業(yè)傳感器。 “普適感測”一詞由Emerson創(chuàng )造并被被上述報告引用，意思是傳感器將無(wú)處不在。該詞也預示著(zhù)傳感器支持或即將支持制造廠(chǎng)、冶煉廠(chǎng)、化工廠(chǎng)以及其他工廠(chǎng)收集關(guān)于被監測過(guò)程的更多數據。這種數據匯聚為客戶(hù)提供了更大的可視性，使運營(yíng)更安全、更可靠，利潤更高。 驚人的傳感器增長(cháng)速度帶來(lái)的一個(gè)副作用就是傳感器還必須能夠傳遞其它信號，而不僅僅是開(kāi)/關(guān)信號。傳感器還必須能夠傳遞其它信號。工業(yè)管理需要實(shí)時(shí)操作數據...這將形成我們在上文中討論的第一個(gè)系統級設計趨勢。 新興IO-Link標準 工業(yè)領(lǐng)域正在經(jīng)歷工廠(chǎng)自動(dòng)化傳感器領(lǐng)域數字IO-Link標準的爆炸式增長(cháng)。IO-Link協(xié)議是第一個(gè)開(kāi)放的、低成本、點(diǎn)對點(diǎn)串行通信標準，基于全球標準化I/O技術(shù)(IEC 61131-9)。該協(xié)議適用于任何位置的PLC和傳感器以及/或執行器之間的通信。這種功能強大的點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議基于成熟的3線(xiàn)連接。理解IO-Link通信的最好方式是將其理解成傳感器領(lǐng)域的USB——非常容易使用和部署，并且能夠提供來(lái)自于智能傳感器的智能數據。 隨著(zhù)智能傳感器的增長(cháng)，IO-Link協(xié)議呈現爆炸式增長(cháng)。Quest TechnoMarketing針對約200家機器制造公司的一份調研結果表明，到2016年，47%，即幾乎二分之一的機器制造商將希望采用IO-Link！這將在未來(lái)三年內使IO-Link的用戶(hù)數量增長(cháng)三倍。 當然，并不是所有的傳感器都直接連接至工廠(chǎng)的PLC，尤其是當您有數以十萬(wàn)計的傳感器分布在全廠(chǎng)以及外部位置時(shí)。為支持不同區域的傳感器之間進(jìn)行通信，可通過(guò)網(wǎng)關(guān)對其進(jìn)行匯聚。 圖4所示是Comtrol公司的IO-Link Master網(wǎng)關(guān)，集IO-Link標準與EtherNet/IP?及Modbus TCP協(xié)議的優(yōu)勢于一身。該IO-Link Master通過(guò)自己處理IO-Link協(xié)議的復雜性，有效減輕了PLC編程人員的工作負擔。結果就是簡(jiǎn)化了EtherNet/IP和Modbus TCP接口，縮短了系統開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低了安裝工作量。 圖4. IO-Link與工業(yè)以太網(wǎng)/現場(chǎng)總線(xiàn)的接口可通過(guò)如圖所示的Comtrol IO-Link Master等網(wǎng)關(guān)實(shí)現。 傳感器也變得越來(lái)越小，圖5所示的傳感器是我們認為世界上最小的IO-Link環(huán)境光傳感器，可以讀取顏色值并通過(guò)IO-Link連接發(fā)送信息。整個(gè)系統只有回形針大小。 圖5. 業(yè)內最小的IO-Link光傳感器集成有6個(gè)傳感器：環(huán)境光(白光)、紅光、綠光、藍光、紅外光和溫度傳感器。該光傳感器使用Maxim IO-Link器件收發(fā)器，帶有集成3.3V/5V線(xiàn)性穩壓器、可配置輸出(推挽式、pnp或npn)、極性反接/短路保護、齊全的故障監測。所有這些功能全部集成在微小的2.5mm x 2.5mm WLP封裝中。該器件也具有64KB片上可編程閃存、4KB片上數據閃存，工作在低至1.8V電壓。 為了理解尺寸有多小以及集成度有多高，可以想象一下該光傳感器具有6個(gè)集成傳感器，每個(gè)集成傳感器均具有各自的片上專(zhuān)用PGA和14位ADC，采用微型2mm x 2mm OTDFN封裝。超低功耗Renesas?微控制器的耗流低至66μA/MHz，提供系統控制。 該IO-Link光傳感器系統的所有元件均經(jīng)過(guò)精挑細選，以確保滿(mǎn)足工業(yè)環(huán)境下的惡劣條件。 利用無(wú)線(xiàn)傳感器實(shí)現分布式控制 在IIOT內廣泛部署無(wú)線(xiàn)傳感器面臨多項關(guān)鍵的設計挑戰，其中部分挑戰包括標準沖突、設備互操作性、工業(yè)安全、可用帶寬以及網(wǎng)絡(luò )安全。 現在有一件事情顯而易見(jiàn)：無(wú)線(xiàn)傳感器僅占工業(yè)市場(chǎng)中非常小的一部分。此項技術(shù)仍然主要集中在北美的制造商，這些制造商為石油、煤炭和天然氣過(guò)程制造傳感器。一旦將能夠解決分布式控制難題，則可以在較寬范圍的自動(dòng)化行業(yè)內采用無(wú)線(xiàn)傳感器。 此外，很清楚的一點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)電標準還沒(méi)有統一。實(shí)際上，這可能會(huì )成為另一場(chǎng)現場(chǎng)總線(xiàn)/工業(yè)以太網(wǎng)標準的戰爭，沒(méi)有某一項標準會(huì )大獲全勝、脫穎而出。Control Engineering的一項研究16表明，現在普遍存在多種不同的無(wú)線(xiàn)電標準。 利用MicroPLC實(shí)現分布式控制 IIoT要求本地、分布式控制�？紤]到工廠(chǎng)/過(guò)程中的傳感器數量眾多，不可能將每個(gè)傳感器都連接至中央PLC，而是將許多分布式MicroPLC靠近受控制的線(xiàn)路，然后每個(gè)MicroPLC驅動(dòng)子組件。這意味著(zhù)我們需要功能強大但尺寸又非常小、能源效率高的PLC系統架構。 當今PLC面臨的最大問(wèn)題卻沒(méi)有人真正意識到：充分利用電路板上有限的空間。大多數工程師仍然認為數字技術(shù)提供了節省空間的最佳機會(huì )，然而數字芯片一般僅占據很小一部分，大約為PLC模塊中15%至20%的電路板空間(圖6)。 圖6. MicroPLC中的系統集成挑戰顯而易見(jiàn)，系統電路板上的模擬和數字元件都清晰可見(jiàn)。 在PLC模塊中，模擬器件占據了高達85%的可用電路板空間，而且并不像數字芯片那樣成規模。因此，為了節約PCB空間，需要更高層次的模擬整合，同時(shí)實(shí)現要求的功能�？s小尺寸的方法之一是使用集成模擬器件，代替大量甚至數百個(gè)分立式元件。電路板尺寸減小、功耗降低、可靠性提高。 實(shí)際例子如何？I/O模塊是分布于下一代IIoT工廠(chǎng)和車(chē)間的PLC和無(wú)數傳感器及執行器之間的基本鏈路。隨著(zhù)制造商在工廠(chǎng)車(chē)間增加更多傳感器，設備設計師必須進(jìn)一步提高通道密度，甚至不斷壓縮MicroPLC中的可用空間。 現在，MAX31911等多通道串行器可對傳感器的24V數字輸出進(jìn)行電平轉換、調理和串行化處理，產(chǎn)生PLC微控制器能夠接受的5V CMOS兼容信號。這種方法減少了隔離通道的數量，大幅降低了功耗、器件數量以及PCB總體尺寸。 對32通道數字輸入模塊的估算結果表明，多片集成器件可將器件數量減少70%，方案總尺寸減小63% (圖7)。 圖7. 一個(gè)32通道的PLC I/O模塊集成了一個(gè)8:1數字輸入串行器(MAX 31911)、集成數字隔離器(MAX14932)，將器件數量減少70%、方案尺寸減小63%。 模擬整合是開(kāi)發(fā)小尺寸PLC的唯一途徑，使其能夠遍布于整個(gè)工廠(chǎng)。德國總理安格拉?默克爾最近參觀(guān)的Siemens?安貝克工廠(chǎng)就是一個(gè)真實(shí)示例。該工廠(chǎng)由1,000臺Siemens制造的Simatic PLC控制，是下一代數字工廠(chǎng)的代表。 總結 IIoT下一代兩項重要系統要求可廣義上分別為： 傳感器數量快速增長(cháng)，意味著(zhù)尺寸更小、更智能、更多連接的傳感器。該要求正在導致IO-Link和無(wú)線(xiàn)協(xié)議的增長(cháng)，也造成網(wǎng)關(guān)數量的爆發(fā)；網(wǎng)關(guān)將多個(gè)傳感器的數據匯聚至現場(chǎng)總線(xiàn)/工業(yè)以太網(wǎng)鏈路。 分布式控制，生產(chǎn)線(xiàn)能夠采用低延遲、靈活的系統控制。這將導致高I/O密度的增長(cháng)，緊湊型(或微型)PLC安裝在靠近被控制線(xiàn)路的位置。這些系統具有自身的設計挑戰，包括尺寸、散熱以及模擬/混合信號整合。 為滿(mǎn)足這些系統要求，需要在器件(IC)級以及系統架構級進(jìn)行創(chuàng )新。這些較新的系統是實(shí)現IIoT愿景的關(guān)鍵。 |
