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Brandon Treece，NI資深產品市場經理 最近不論我們身處何方，關于工業物聯網（IIoT）的討論都會不絕于耳。而且，對于不同的行業，這一趨勢表現在不同的方面。例如，工業4.0是專為生產設備發展出來 概念。在電網領域，IIoT表現為智能電網；石油和天然氣行業的IIoT則體現在井場數字化。雖然IIoT的不同形式有其特定表述和流程，但是IIoT所提供的技術和優勢卻是大致相同。雖然行業領先者都渴望利用IIoT，但很難想象到2020年500億臺設備連接起來是何種場景1。專家估計，在2015年至2025年間部署的這些新網聯設備中，有半數將來自工業領域2。這意味著工程師和科學家將是工廠、測試實驗室、電網、煉油廠和基礎設施領域實現IIoT的驅動者。 對于IIoT，工程師可以期望獲得三個主要好處： • 通過預測性維護增加正常運行時間 • 通過邊緣控制提升性能 • 通過真實的網聯數據改進產品設計和制造 為了實現IIoT的這些優勢，設計團隊必須依賴多項核心技術。無論是在構建在線監控系統、智能制造機器，還是測試物理或機電系統，一個關鍵的共性都是對邊緣智能的需求。系統越復雜，就越需要做出實時決策。例如，在風力渦輪機葉片的結構測試中，采集大量高分辨率模擬波形數據的能力對于理解葉片行為特征至關重要。同時，我們需要處理這些數據，為控制系統提供輸入，使得系統能夠驅動葉片，以確保測試在已知條件下進行。因此，專家估計至少40％的物聯網數據將在邊緣側進行存儲、處理、分析和響應3，也就不足為奇了。為了最大限度地提高性能并減少不必要的數據傳輸，用戶必須將決策權下放到部署在設備處或附近的邊緣節點。 
圖1.到2019年，至少有40％的物聯網數據將在邊緣進行存儲、處理、分析和響應。 多年來，NI投資了兩個高質量控制和測量平臺：CompactRIO和CompactDAQ。這兩個平臺都具有靈活性和模塊化特性，并具有軟件定義的功能。內置I/O接口和C系列I/O模塊提供高精度I/O和特定測量信號調理，因此用戶可以通過任何總線連接任何傳感器或設備。 CompactRIO提供實時處理器和用戶可編程FPGA，特別適用于高速控制，而CompactDAQ則提供了同類最為出色的軟件API NI-DAQmx，是數據采集的理想選擇。 然而，當我們開始著手實現這些系統時，新的挑戰不斷涌現 - 特別是在系統物理尺寸不斷增大、傳感器數量不斷增加的情況下。我們仍以結構測試為例，為了全面了解風力渦輪機葉片的性能，我們需要為整個機構配備傳感器，以測量應變、壓力、負載和扭矩。這些傳感器都會生成模擬信號，為了獲得最多且最有用的信息，我們需要進行高速、高分辨率測量。對于諸如此類的大規模應用，我們可能需要在整個系統中部署數百甚至數千個傳感器。在采集所有這些數據時，我們還需要能夠實時處理這些數據，以便我們可以為控制系統的所有執行器提供輸出控制。 嘗試開發此類系統時會遇到一些挑戰： • 將數千個通道和眾多測量系統同步在一起 • 同步控制系統，以便在正確的時間進行所有操作 • 將測量系統和控制系統同步在一起 隨著系統不斷擴展以及應用的測量和控制系統不斷增加，這些挑戰進一步加劇。測量系統之間以及控制系統之間的同步并不是一項新挑戰。今天，我們通常可以通過基于信號的方法來實現這一目標，其中使用了物理布線將公共時基或信號路由到分布式節點。但是，這在距離、可擴展性和噪聲風險方面存在局限性。另一種選擇是利用基于以太網等通用標準的協議。以太網提供了高度開放性和互操作性，但沒有延遲限制或帶寬保證。為了解決這一挑戰，工程師開發出一個以太網定制版本，通常稱為硬實時以太網。典型的例子包括EtherCAT、PROFINET和EtherNet/IP。這些以太網定制版本提供了硬實時性能和一流的低延遲和控制。但是，每個版本都需要對網絡基礎架構的硬件和軟件進行修改，這不僅增加了成本，而且意味著來自不同供應商的不同設備不能在同一網絡上運行。 解決這一同步挑戰的新技術目前正在推向市場，這一技術稱為時間敏感網絡（TSN）。 TSN是標準以太網的更新版本，不僅具有開放性和互操作性，而且提供與硬實時以太網相同的低延遲和帶寬保證。具體而言，TSN提供三個關鍵組件：基于時間的同步、流量調度和系統配置。同步功能基于IEEE 1588精確時間協議配置文件，通過網絡提供亞微秒級同步。此外，流量調度和系統配置提供了確定的數據通信，因此用戶可以調度和優先處理網絡上的時間敏感數據（例如控制信號）。 TSN的一個重要特性是時間敏感流量和其他以太網流量的融合。由于TSN是以太網標準的一項特性，時間同步和確定性通信這兩項新功能可支持所有以太網通信網絡。這意味著測量或控制系統上的單個端口可以執行確定性通信，同時還可遠程更新用戶界面終端并支持文件傳輸。TSN是許多工業應用的一項新增功能，例如過程和機器控制，其中低通信延遲和最小抖動對于滿足閉環控制要求至關重要。基于時間的以太網同步還可以免除基于信號的同步所需的布線，與傳統監控應用和物理系統測試（如結構測試）相比可大幅減少了布線需求，從而能夠在不犧牲可靠性的情況下實現更簡單、經濟高效的解決方案。
圖2.時間敏感網絡是標準以太網的更新版，包括基于時間的同步、流量調度和系統配置。 NI的產品也在不斷增加對TSN的支持，CompactRIO平臺的最新控制器便是一個典型的產品。 用戶可以將這些新控制器添加到TSN網絡，并支持數據同步和確定性通信，使其成為理想的IIoT邊緣節點。
圖3.最新的CompactRIO控制器支持TSN，支持同步和確定性通信。 TSN的引入是解決整個系統同步挑戰的重要一步。開發這些系統的工程師還在關注如何降低整體系統復雜性，同時保持或提高可靠性。由于測量和控制通常是獨立的子系統，因此工具、編程環境和數據采集機制之間彼此獨立。 PLC等控制系統通常采用IEC 61131-3語言編程，可對單點數據進行操作。這種類型的數據非常適合控制應用，但不適合提取信息 - 因此我們需要波形數據。同樣，測量系統使用波形數據提供所需的信息，但并不適用于發送單點控制信號或確定地對單點控制信號作出反應。 測量和控制系統的這一特性非常直觀明了。過去幾年，測量和控制系統的融合進度非常緩慢。每個系統都增加了新的功能，以便更多的測量系統可以具有一些控制功能，或控制系統具有部分測量功能。隨著最新CompactRIO控制器的發布，我們看到了這種融合有了重大進步。除了利用實時處理器和FPGA來實現確定性控制應用之外，新的控制器還可以使用易用且功能強大的NI-DAQmx驅動程序進行編程，從而實現測量應用。 NI-DAQmx不僅僅是一個基本的硬件驅動程序，不僅提供了配置和故障分析工具、逐步配置工具，而且提供功能強大且直觀的API，大幅提高了工作效率和性能。工程師可以使用NI-DAQmx API來編寫自定義程序，實現強大的定時和同步功能，并執行高級控制和監測任務。對于需要同步高通道數系統、開發基于決策的記錄儀或自動化實驗室實驗的用戶，數百個示例、充滿活力的社區和一流的本地支持可幫助他們快速從概念過渡到部署。通過這種融合，他們可以使用相同的硬件和單個軟件工具鏈，直接在邊緣側采集、處理、記錄和響應輸入的數據，從而最終降低系統成本和復雜性。 參考文獻 • 1Cisco, The Internet of Things: How the Next Evolution of the Internet Is Changing Everything, 2011 • 2IHS Markit, IoT Trend Watch 2017, 2017 • 3IDC FutureScape: Worldwide Internet of Things 2017 Predictions |
