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物聯(lián)網(wǎng)，即IoT，是在當(dāng)前許多行業(yè)中非常吸引眼球的時髦詞。在極力尋求在其傳統(tǒng)業(yè)務(wù)中增加高利潤軟件組件的自動化公司中，物聯(lián)網(wǎng)的一個變體——工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)——十分流行。Maxim Integrated是一家半導(dǎo)體公司，其器件支持大量自動化設(shè)備；在關(guān)于自動化系統(tǒng)架構(gòu)如何向支持IIoT演變方面，公司具有獨特的視角。 本文通過IIoT的系統(tǒng)架構(gòu)，重點討論成功部署IIoT支持系統(tǒng)必須解決的設(shè)計挑戰(zhàn)。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(biāo)準(zhǔn)等方面不斷增長的需求。 通過IIoT實現(xiàn)工業(yè)4.0的途徑 西門子將工業(yè)革命劃分為三個不同的階段：第一次工業(yè)革命起始于借助于水和蒸汽動力的機械生產(chǎn)設(shè)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)革命即自動化時代的來臨，以工廠首次采用可編程邏輯控制器(PLC)為標(biāo)志。現(xiàn)在，西門子以及德國政府相信：一次新的革命——工業(yè)4.0時代已經(jīng)到來，將以全自動化方式生產(chǎn)定制組件(圖1)。 圖1. 通過IIoT實現(xiàn)工業(yè)4.0的途徑。圖片來源于DFKI (2011)。 在工業(yè)4.0時代，從項目開始到產(chǎn)品交付的生產(chǎn)過程將基于被生產(chǎn)部件與組裝線機器之間的通信。德國正在大力推動這種IIoT運動，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)正在致力于一項類似的倡議：“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”。 由于可以在制造過程中捕獲和處理數(shù)量龐大的數(shù)據(jù)，制造業(yè)是最能從IoT獲益的領(lǐng)域。并且能夠?qū)λ袛?shù)據(jù)進行分析和可視化處理，有助于優(yōu)化運營和成本，因此數(shù)據(jù)是IIoT的基礎(chǔ)。在制造領(lǐng)域，智能傳感器、分布式控制以及復(fù)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)專家和市場分析師是這樣定義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通過使用傳感器、先進的分析和智能決策的制定，將深刻影響現(xiàn)場資產(chǎn)與企業(yè)的連接和通信。” “領(lǐng)先的O&G公司正在通過采用傳感器、數(shù)據(jù)管理、先進的分析和自動化來釋放其生產(chǎn)力、降低運營成本并優(yōu)化資產(chǎn)來構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)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(yù)期方式進行工作，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觀察工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。 圖2. 支持IIoT的自動化系統(tǒng)堆棧。 堆棧的底層是工廠或過程車間內(nèi)的設(shè)備(系統(tǒng))。這些設(shè)備可以是現(xiàn)場傳感器、控制器、個人電腦，并且所有這些硬件系統(tǒng)可能包括(或不包括)硬件安全特性。這些終端設(shè)備必須具有有用的數(shù)據(jù)來進行通信，通常連接至通信集線器、網(wǎng)關(guān)和交換機，從而能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)作為大數(shù)據(jù)存放在云端(或內(nèi)聯(lián)網(wǎng))。 一旦數(shù)據(jù)存放在“那里”后，即可開發(fā)不同的分析和優(yōu)化軟件，從而針對無數(shù)的各種各樣的任務(wù)優(yōu)化制造資產(chǎn)：系統(tǒng)正常運行時間、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(shù)據(jù)整合到制造商的ERP和CRM軟件內(nèi)部。生產(chǎn)經(jīng)營不僅能夠更有效地規(guī)劃和估算制造過程，甚至能夠利用用戶信息實時改變組裝線和過程參數(shù)。 圖2中底部的兩個堆棧影響系統(tǒng)硬件的設(shè)計，頂層影響軟件開發(fā)和集成。 傳感器在IIoT中的關(guān)鍵作用 IIoT已經(jīng)不僅僅是一個時髦詞。工廠已經(jīng)開始使用大量聯(lián)網(wǎng)的傳感器，并且通過將其連接至功能強大的計算機，開始形成新一代“智能”工廠的基本骨骼。一旦所有工業(yè)數(shù)據(jù)(即“物”，IoT中的“T”)最終互連在一起(即“網(wǎng)”，“I”)，那么即可利用復(fù)雜的軟件來優(yōu)化所有過程。 GE最新的美國工廠就是體驗真正IIoT的好地方，該工廠位于紐約州北部，耗資1.7億美元，大約1年前開始運營。該工廠為手機通信塔供電等應(yīng)用生產(chǎn)先進的鈉鎳電池。該工廠擁有的傳感器超過10,000個，分布于180,000平方英尺的廠房內(nèi)；所有傳感器都連接至內(nèi)部高速以太網(wǎng)。傳感器監(jiān)測各種過程，例如使用哪個批次電池粉來形成電池核心的陶瓷？烘烤溫度是多少？制造每節(jié)電池所需的能量是多少？甚至當(dāng)?shù)氐目諝鈮毫κ嵌嗌伲吭诠S車間，員工利用iPad?即可通過遍布全廠的Wi-Fi?節(jié)點獲得所有數(shù)據(jù)。” 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的空客工廠中應(yīng)用IIoT。在最近的NI week展會上7，空客展示了其如何將RFID標(biāo)簽安裝到汽車零件和工具等物體上。然后即可利用特殊的眼鏡(類似于Google Glass?頭戴式顯示屏)在最遠(yuǎn)100米距離處自動讀取這些標(biāo)簽，空客由此即可實時跟蹤和可視化生產(chǎn)過程。據(jù)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，以及英國的A400M機翼裝配線。 盡管截至目前空客項目僅限于使用RFID實現(xiàn)數(shù)字化跟蹤和監(jiān)測，以提高工業(yè)運營效率，但其概念也可擴展至其它分析類型。 IIoT展望 我們需要非常清楚的了解為什么每個人都希望實現(xiàn)IIoT。最重要的原因是系統(tǒng)優(yōu)化，以及優(yōu)化通常帶來的利益。這些利益可分為三種主要類型：資產(chǎn)、過程和業(yè)務(wù)優(yōu)化，并將按此順序逐一實現(xiàn)。優(yōu)化一臺電機要比優(yōu)化整個鉆探操作更容易，而后者又比優(yōu)化大型企業(yè)的許多生產(chǎn)線要容易。 但優(yōu)化所有這一切是工業(yè)IoT的終極夢想。請參見圖3。 圖3. IIoT的利益。所有工廠/過程數(shù)據(jù)均在線上(云端)。 所以軟件分析有助于資產(chǎn)優(yōu)化，然后是過程優(yōu)化，最終實現(xiàn)業(yè)務(wù)優(yōu)化。 資產(chǎn)優(yōu)化 第一級分析和互動發(fā)生在前沿。首先從傳感器收集數(shù)據(jù)，可能是渦輪傳感器、電機編碼器或振動特征信號。然后在本地對數(shù)據(jù)進行處理，幫助操作者掌握如何調(diào)節(jié)參數(shù)以實現(xiàn)最高效率，或洞悉故障隱患的早期征兆。 過程優(yōu)化 第二級分析發(fā)生在控制室。在此處，來自于多個終端設(shè)備甚至多條生產(chǎn)線的傳感器數(shù)據(jù)匯聚在一起，以制定更加明智的決策，從而對工廠效率和多種過程產(chǎn)生積極影響。例如，利用更為準(zhǔn)確的傳感器數(shù)據(jù)，控制室就能夠做出更加明智的決策：何時使終端設(shè)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共識是：更多的數(shù)據(jù)以及智能的數(shù)據(jù)使用。我們對數(shù)據(jù)如何正面影響資產(chǎn)使用和過程操作都很熟悉。但IIoT的預(yù)期不僅僅是前兩級的數(shù)據(jù)收集和分析的增長，而是也能夠?qū)⑦^程數(shù)據(jù)與企業(yè)數(shù)據(jù)進行整合，從而支持目前為止尚未實現(xiàn)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)線設(shè)置為制造更多處于市場爆炸期的產(chǎn)品，或者設(shè)置為繞開市場價值逐漸縮小的組件。甚至將運營數(shù)據(jù)與財務(wù)數(shù)據(jù)相結(jié)合，為CFO辦公室提供更深入的洞察力。 IIoT尚處于萌芽期，沒有強制性的平臺標(biāo)準(zhǔn)。目前是IIoT的“野蠻生長”階段，也恰恰是培養(yǎng)和推動平臺標(biāo)準(zhǔn)接受度的絕佳時機。這也正是我們所看到的自動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%的運營利潤率。自動化公司制造生成工業(yè)數(shù)據(jù)的設(shè)備，在理解數(shù)據(jù)方面最有經(jīng)驗。他們只需要開發(fā)出處理、分析以及顯示數(shù)據(jù)的軟件能力。所以，談到工業(yè)自動化和IIoT，這些自動化公司已經(jīng)做好主宰新興IIoT的準(zhǔn)備。 GE是這一領(lǐng)域最具進攻性的參與者。數(shù)年之前，GE公司的CEO兼總裁杰夫?伊梅爾特就從Cisco挖來了比爾?榮，并且立即提供10億美金讓其重構(gòu)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(gòu)。在為期24個月的時間內(nèi)，這支隊伍構(gòu)建了一個新的，稱為Predix的軟件平臺；去年年底，GE開始部署該平臺。GE最近公布的關(guān)于其軟件業(yè)務(wù)的財務(wù)數(shù)字非常引人注目。 在寫給股東的信中，伊梅爾特寫到： “我們深信，每個工業(yè)企業(yè)都將變?yōu)檐浖髽I(yè)...。我們的客戶希望我們的資產(chǎn)運營時不發(fā)生計劃外停工，并具有最佳性能。我們的數(shù)據(jù)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(yù)計Predictivity在2014年的收入將超過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展。 IIoT推動系統(tǒng)需求 IIoT推動的兩項主要系統(tǒng)趨勢體現(xiàn)在傳感器數(shù)量的增加和分布式計算的增長。 普適感測。傳感器及其接口的成本持續(xù)下降，使得制造商能夠跟蹤更多的變量和數(shù)據(jù)類型。 分布式控制。距離被控制機器較近的運動過程控制器(PLCs)，消除了瓶頸并提高制造產(chǎn)量、增強靈活性。 傳感器無處不在 您可以找到一些關(guān)于評估傳感器市場增長的公開報告。BCC Research著眼于傳感器在不同應(yīng)用領(lǐng)域的全球市場研究，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)注過程現(xiàn)場傳感器。 “2013年的傳感器市場規(guī)模為795億美元，預(yù)計2015年將超增長到953億美元；預(yù)計到2020年將達到1543億美元，2015年至2020年的年均復(fù)合增長率(CAGR)為10.1%。”BCC 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)廠加強現(xiàn)場安全、增強可靠性和提高能源效率，預(yù)計規(guī)模將在現(xiàn)有的$160億測量市場基礎(chǔ)上增加兩倍以上。” 關(guān)于傳感器市場的規(guī)模和增長，研究者的評估不盡相同。但是顯而易見，隨著數(shù)據(jù)分析需求的增長，用來收集數(shù)據(jù)的傳感器的需求也必將相應(yīng)增長。各種傳感器市場的年均復(fù)合增長率(CAGR)預(yù)計將以兩位數(shù)的速度增長，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，意思是傳感器將無處不在。該詞也預(yù)示著傳感器支持或即將支持制造廠、冶煉廠、化工廠以及其他工廠收集關(guān)于被監(jiān)測過程的更多數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)匯聚為客戶提供了更大的可視性，使運營更安全、更可靠，利潤更高。 驚人的傳感器增長速度帶來的一個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/關(guān)信號。傳感器還必須能夠傳遞其它信號。工業(yè)管理需要實時操作數(shù)據(jù)...這將形成我們在上文中討論的第一個系統(tǒng)級設(shè)計趨勢。 新興IO-Link標(biāo)準(zhǔn) 工業(yè)領(lǐng)域正在經(jīng)歷工廠自動化傳感器領(lǐng)域數(shù)字IO-Link標(biāo)準(zhǔn)的爆炸式增長。IO-Link協(xié)議是第一個開放的、低成本、點對點串行通信標(biāo)準(zhǔn)，基于全球標(biāo)準(zhǔn)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(zhí)行器之間的通信。這種功能強大的點對點協(xié)議基于成熟的3線連接。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，并且能夠提供來自于智能傳感器的智能數(shù)據(jù)。 隨著智能傳感器的增長，IO-Link協(xié)議呈現(xiàn)爆炸式增長。Quest TechnoMarketing針對約200家機器制造公司的一份調(diào)研結(jié)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！這將在未來三年內(nèi)使IO-Link的用戶數(shù)量增長三倍。 當(dāng)然，并不是所有的傳感器都直接連接至工廠的PLC，尤其是當(dāng)您有數(shù)以十萬計的傳感器分布在全廠以及外部位置時。為支持不同區(qū)域的傳感器之間進行通信，可通過網(wǎng)關(guān)對其進行匯聚。 圖4所示是Comtrol公司的IO-Link Master網(wǎng)關(guān)，集IO-Link標(biāo)準(zhǔn)與EtherNet/IP?及Modbus TCP協(xié)議的優(yōu)勢于一身。該IO-Link Master通過自己處理IO-Link協(xié)議的復(fù)雜性，有效減輕了PLC編程人員的工作負(fù)擔(dān)。結(jié)果就是簡化了EtherNet/IP和Modbus TCP接口，縮短了系統(tǒng)開發(fā)時間，降低了安裝工作量。 圖4. IO-Link與工業(yè)以太網(wǎng)/現(xiàn)場總線的接口可通過如圖所示的Comtrol IO-Link Master等網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)。 傳感器也變得越來越小，圖5所示的傳感器是我們認(rèn)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IO-Link連接發(fā)送信息。整個系統(tǒng)只有回形針大小。 圖5. 業(yè)內(nèi)最小的IO-Link光傳感器集成有6個傳感器：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線性穩(wěn)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(jiān)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(shù)據(jù)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個集成傳感器，每個集成傳感器均具有各自的片上專用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(tǒng)控制。 該IO-Link光傳感器系統(tǒng)的所有元件均經(jīng)過精挑細(xì)選，以確保滿足工業(yè)環(huán)境下的惡劣條件。 利用無線傳感器實現(xiàn)分布式控制 在IIOT內(nèi)廣泛部署無線傳感器面臨多項關(guān)鍵的設(shè)計挑戰(zhàn)，其中部分挑戰(zhàn)包括標(biāo)準(zhǔn)沖突、設(shè)備互操作性、工業(yè)安全、可用帶寬以及網(wǎng)絡(luò)安全。 現(xiàn)在有一件事情顯而易見：無線傳感器僅占工業(yè)市場中非常小的一部分。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化行業(yè)內(nèi)采用無線傳感器。 此外，很清楚的一點是無線電標(biāo)準(zhǔn)還沒有統(tǒng)一。實際上，這可能會成為另一場現(xiàn)場總線/工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的戰(zhàn)爭，沒有某一項標(biāo)準(zhǔn)會大獲全勝、脫穎而出。Control Engineering的一項研究16表明，現(xiàn)在普遍存在多種不同的無線電標(biāo)準(zhǔn)。 利用MicroPLC實現(xiàn)分布式控制 IIoT要求本地、分布式控制。考慮到工廠/過程中的傳感器數(shù)量眾多，不可能將每個傳感器都連接至中央PLC，而是將許多分布式MicroPLC靠近受控制的線路，然后每個MicroPLC驅(qū)動子組件。這意味著我們需要功能強大但尺寸又非常小、能源效率高的PLC系統(tǒng)架構(gòu)。 當(dāng)今PLC面臨的最大問題卻沒有人真正意識到：充分利用電路板上有限的空間。大多數(shù)工程師仍然認(rèn)為數(shù)字技術(shù)提供了節(jié)省空間的最佳機會，然而數(shù)字芯片一般僅占據(jù)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(tǒng)集成挑戰(zhàn)顯而易見，系統(tǒng)電路板上的模擬和數(shù)字元件都清晰可見。 在PLC模塊中，模擬器件占據(jù)了高達85%的可用電路板空間，而且并不像數(shù)字芯片那樣成規(guī)模。因此，為了節(jié)約PCB空間，需要更高層次的模擬整合，同時實現(xiàn)要求的功能。縮小尺寸的方法之一是使用集成模擬器件，代替大量甚至數(shù)百個分立式元件。電路板尺寸減小、功耗降低、可靠性提高。 實際例子如何？I/O模塊是分布于下一代IIoT工廠和車間的PLC和無數(shù)傳感器及執(zhí)行器之間的基本鏈路。隨著制造商在工廠車間增加更多傳感器，設(shè)備設(shè)計師必須進一步提高通道密度，甚至不斷壓縮MicroPLC中的可用空間。 現(xiàn)在，MAX31911等多通道串行器可對傳感器的24V數(shù)字輸出進行電平轉(zhuǎn)換、調(diào)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(shù)量，大幅降低了功耗、器件數(shù)量以及PCB總體尺寸。 對32通道數(shù)字輸入模塊的估算結(jié)果表明，多片集成器件可將器件數(shù)量減少70%，方案總尺寸減小63% (圖7)。 圖7. 一個32通道的PLC I/O模塊集成了一個8:1數(shù)字輸入串行器(MAX 31911)、集成數(shù)字隔離器(MAX14932)，將器件數(shù)量減少70%、方案尺寸減小63%。 模擬整合是開發(fā)小尺寸PLC的唯一途徑，使其能夠遍布于整個工廠。德國總理安格拉?默克爾最近參觀的Siemens?安貝克工廠就是一個真實示例。該工廠由1,000臺Siemens制造的Simatic PLC控制，是下一代數(shù)字工廠的代表。 總結(jié) IIoT下一代兩項重要系統(tǒng)要求可廣義上分別為： 傳感器數(shù)量快速增長，意味著尺寸更小、更智能、更多連接的傳感器。該要求正在導(dǎo)致IO-Link和無線協(xié)議的增長，也造成網(wǎng)關(guān)數(shù)量的爆發(fā)；網(wǎng)關(guān)將多個傳感器的數(shù)據(jù)匯聚至現(xiàn)場總線/工業(yè)以太網(wǎng)鏈路。 分布式控制，生產(chǎn)線能夠采用低延遲、靈活的系統(tǒng)控制。這將導(dǎo)致高I/O密度的增長，緊湊型(或微型)PLC安裝在靠近被控制線路的位置。這些系統(tǒng)具有自身的設(shè)計挑戰(zhàn)，包括尺寸、散熱以及模擬/混合信號整合。 為滿足這些系統(tǒng)要求，需要在器件(IC)級以及系統(tǒng)架構(gòu)級進行創(chuàng)新。這些較新的系統(tǒng)是實現(xiàn)IIoT愿景的關(guān)鍵。 |
