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作者：伍爾特電子 在多年的發(fā)展之路上，工業(yè)用機械制造設施經(jīng)過(guò)多次精細調整和高度優(yōu)化。物聯(lián)網(wǎng)改造不僅有助于實(shí)現生產(chǎn)升級，還能推動(dòng)數字化轉型，伍爾特電子 (Würth Elektronik)、FEGA & Schmitt 和 IAV 之間的合作便充分證明了這一點(diǎn)。 引入智能自動(dòng)化可顯著(zhù)改善生產(chǎn)環(huán)境，但傳統制造設備的缺點(diǎn)在于，它們沒(méi)有和現代化基礎設施進(jìn)行通信的接口。那么，應該如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？最佳方案就是改造設備， 也就是采用物聯(lián)網(wǎng)解決方案，以非侵入性方式對現有設備進(jìn)行更新或增加新功能/接口。通過(guò)對設備進(jìn)行數字化改造，企業(yè)將能夠更深入全面地監測和優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，并提高生產(chǎn)效率。 三方合作進(jìn)行概念驗證 作為開(kāi)源概念的忠實(shí)擁護者，伍爾特電子攜手 FEGA & Schmitt 和 IAV，共同實(shí)施了工業(yè)切割機監測功能的概念驗證（見(jiàn)圖 1）。 
圖 1來(lái)自 FEGA & Schmitt 的工業(yè)切割機，配備監測功能。（資料來(lái)源：伍爾特電子） FEGA & Schmitt 負責項目構思，伍爾特電子提供連接和傳感元件，并與 IAV 聯(lián)合開(kāi)發(fā)云基礎設施解決方案（見(jiàn)圖 2）。IAV 還提供數據分析和全面的系統集成服務(wù)。
圖 2 物聯(lián)網(wǎng)改造的概念和各個(gè)合作公司所扮演的角色。（資料來(lái)源：IAV） 我們的目標是為 FEGA & Schmitt 的客戶(hù)開(kāi)發(fā)一款易于安裝的產(chǎn)品，可根據電流測量結果監測工業(yè)切割機、檢測利用率，并提前發(fā)現與切割工具相關(guān)的隱患問(wèn)題。 在某些情況下，特定的運動(dòng)組合會(huì )導致工具斷裂。通過(guò)識別該運動(dòng)組合，可進(jìn)行故障預測，從而大幅減少生產(chǎn)停機時(shí)間。同時(shí)，電流檢測還有助于測定設備利用率，將計劃流程化繁為簡(jiǎn)。 在概念驗證期間，對產(chǎn)品安裝有嚴格要求，既不能干擾客戶(hù)的基礎設施，也不能導致任何生產(chǎn)停機。 客戶(hù)可從成品中獲得全面的系統可用性信息。使用傳感器和人工智能驅動(dòng)的數據評估進(jìn)行預測性維護，是 FEGA & Schmitt 產(chǎn)品的一項關(guān)鍵特性和差異化優(yōu)勢。 利用 FeatherWing 板進(jìn)行原型設計 FeatherWing 板是一組具有不同功能的可堆疊原型開(kāi)發(fā)板。伍爾特電子推出了一系列 FeatherWing 開(kāi)發(fā)板。這些開(kāi)源開(kāi)發(fā)板與 Feather 板的外形尺寸完全兼容，包括傳感器翼板、伍爾特 Pro-Ware 無(wú)線(xiàn)連接、Wi-Fi 和各種電源。GitHub 上有一個(gè)涵蓋各種開(kāi)源電路板的資源庫[1]，包括它們的原理圖、BOM、軟件以及 Azure 和 AWS 的云連接說(shuō)明。 加速度測量 Sensor FeatherWing 板（見(jiàn)圖3）用于創(chuàng )建初始數據點(diǎn)。由于加速度與切割機刀頭的運動(dòng)密切相關(guān)，因此加速度傳感器適用于監測刀頭運動(dòng)。
圖 3 伍爾特 Sensor FeatherWing 板。 （資料來(lái)源：伍爾特電子） 伍爾特 Sensor FeatherWing 開(kāi)發(fā)板搭載四個(gè)傳感器。除了外形尺寸和 Adafruit Feather 板相同外，它還兼容 Sparkfun 的 QWIIC-connect，后者提供標準的 I2C 接口，并兼容 STEMMA QT 和 Grove/Gravity。 通過(guò) LTE-M/NB-IoT 實(shí)現連接 可以通過(guò)兩種不同的方法構建網(wǎng)關(guān)/云連接。使用支持 LTE 連接的工業(yè)微型電腦——樹(shù)莓派 (Raspberry Pi)，在整個(gè)模型生成階段將大量數據發(fā)送到云端進(jìn)行頻譜分析。在創(chuàng )建模型后，將連接切換至伍爾特 Adrastea-I LTE-M/NB-IoT 模塊，可顯著(zhù)減少網(wǎng)絡(luò )流量，從而降低成本。這兩種方法都已在云連接生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行了測試。 使用 Thyone-I Wireless 2.4GHz 專(zhuān)有射頻模塊，將該節點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接到云端。為安全起見(jiàn)，云連接網(wǎng)關(guān)使用 TLS 協(xié)議，而節點(diǎn)采用類(lèi)似方法，一端為安全元件（來(lái)自 Microchip Technologies 的 ATECC608A-TNGTLS），另一端為云密鑰庫。通信參與者、節點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和云之間的所有連接都受到加密保護。 具體實(shí)施 振動(dòng)測量。在這種情況下，MEMS 三軸加速度傳感器 WSEN-ITDS 用于檢測切割機臂的運動(dòng)（見(jiàn)圖 4）。
圖 4 使用加速度計測量振動(dòng)。（資料來(lái)源：伍爾特電子） 電流測量。電流測量必須以非侵入性方式進(jìn)行，即不能干擾受監測的設備。為此，我們使用了 WAGO 鉗式電流互感器 855-4101/400-001 和 SparkFun ACS723 霍爾傳感器分線(xiàn)盒（見(jiàn)圖 5）。使用霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：受檢測的電路和讀取傳感器的電路相互隔離。
圖 5 使用霍爾傳感器測量電流。（資料來(lái)源：伍爾特電子） 連接方案。在概念驗證過(guò)程中，我們采用了兩種連接方案。在最初的數據采集階段，由于需要大量數據來(lái)驗證設備行為，因此使用了兼容 Linux 版工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)樹(shù)莓派的網(wǎng)關(guān)。對于云端，則使用 Node-Red 和 Grafana 創(chuàng )建了用于實(shí)時(shí)數據監測的可視化界面。此外，還對時(shí)間流數據進(jìn)行了分析，并通過(guò)機器學(xué)習來(lái)識別趨勢和模式，并自動(dòng)識別和標記相似的過(guò)程模式（見(jiàn)圖 6）。作為過(guò)程統計的基礎，這些數據可用于各種業(yè)務(wù)用例，包括過(guò)程監測、質(zhì)量保證和預測性維護等。
圖 6 利用機器學(xué)習分析數據以識別模式。自動(dòng)識別并標記相似的過(guò)程模式。（資料來(lái)源：IAV） 真實(shí)環(huán)境測試 在實(shí)際測試過(guò)程中遇到了諸多挑戰，如：因制造車(chē)間中的距離和各種射頻源導致的數據丟失、可堆疊板和電源的持續移動(dòng)，或移動(dòng)不足等。 加速度傳感器安裝在切割機臂上，附近沒(méi)有任何電源。解決方案是用太陽(yáng)能電池板給電池充電。各相電流傳感單元由鉗式電流互感器和霍爾傳感器組成。該組合中的兩個(gè)傳感器由伍爾特電子進(jìn)行校準。 這個(gè)用例表明，使用開(kāi)源標準進(jìn)行原型開(kāi)發(fā)可獲得出色的靈活性，有助于加快方案實(shí)施。 作者簡(jiǎn)介 Adithya Madanahalli，物聯(lián)網(wǎng)工程師，任職于伍爾特電子的無(wú)線(xiàn)連接和傳感器業(yè)務(wù)部門(mén)。 Miroslav Adamov，物聯(lián)網(wǎng)解決方案高級架構師，曾任職于伍爾特電子。 Jan Gieseler 博士，數據科學(xué)家，任職于 IAV 柏林總部。 Bernd Grimm，FEGA & Schmitt 工業(yè)與設施項目管理負責人。 Eduard Richter，FEGA & Schmitt 大客戶(hù)技術(shù)經(jīng)理。 |
