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物聯網，即IoT，是在當前許多行業中非常吸引眼球的時髦詞。在極力尋求在其傳統業務中增加高利潤軟件組件的自動化公司中，物聯網的一個變體——工業物聯網(IIoT)——十分流行。Maxim Integrated是一家半導體公司，其器件支持大量自動化設備；在關于自動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IIoT的系統架構，重點討論成功部署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的需求。 通過IIoT實現工業4.0的途徑 西門子將工業革命劃分為三個不同的階段：第一次工業革命起始于借助于水和蒸汽動力的機械生產設備的推出；第二次工業革命起始于電力的引入；第三次工業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)為標志。現在，西門子以及德國政府相信：一次新的革命——工業4.0時代已經到來，將以全自動化方式生產定制組件(圖1)。 圖1. 通過IIoT實現工業4.0的途徑。圖片來源于DFKI (2011)。 在工業4.0時代，從項目開始到產品交付的生產過程將基于被生產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，以充分發揮其在工業領域的制造和嵌入式軟件技術方面的優勢。在美國，通用電氣(GE)正在致力于一項類似的倡議：“工業互聯網”。 由于可以在制造過程中捕獲和處理數量龐大的數據，制造業是最能從IoT獲益的領域。并且能夠對所有數據進行分析和可視化處理，有助于優化運營和成本，因此數據是IIoT的基礎。在制造領域，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？ 工業專家和市場分析師是這樣定義IIoT的： “工業物聯網(IIoT)是影響世界互連方式以及優化機器的新一輪創新浪潮。IIoT通過使用傳感器、先進的分析和智能決策的制定，將深刻影響現場資產與企業的連接和通信。” “領先的O&G公司正在通過采用傳感器、數據管理、先進的分析和自動化來釋放其生產力、降低運營成本并優化資產來構建基礎設施。” “工業互聯網是一種智能機器互連網絡，網絡中的機器按照其預期方式進行工作，必將像消費者互聯網改變我們的生活方式一樣使我們的業務發生天翻地覆的變化”。 另一種定義IIoT的方式是以層級形式來觀察工業網絡，如圖2所示。 圖2. 支持IIoT的自動化系統堆棧。 堆棧的底層是工廠或過程車間內的設備(系統)。這些設備可以是現場傳感器、控制器、個人電腦，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進行通信，通常連接至通信集線器、網關和交換機，從而能夠將這些數據作為大數據存放在云端(或內聯網)。 一旦數據存放在“那里”后，即可開發不同的分析和優化軟件，從而針對無數的各種各樣的任務優化制造資產：系統正常運行時間、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支持將該數據整合到制造商的ERP和CRM軟件內部。生產經營不僅能夠更有效地規劃和估算制造過程，甚至能夠利用用戶信息實時改變組裝線和過程參數。 圖2中底部的兩個堆棧影響系統硬件的設計，頂層影響軟件開發和集成。 傳感器在IIoT中的關鍵作用 IIoT已經不僅僅是一個時髦詞。工廠已經開始使用大量聯網的傳感器，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。一旦所有工業數據(即“物”，IoT中的“T”)最終互連在一起(即“網”，“I”)，那么即可利用復雜的軟件來優化所有過程。 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用生產先進的鈉鎳電池。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；所有傳感器都連接至內部高速以太網。傳感器監測各種過程，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？在工廠車間，員工利用iPad?即可通過遍布全廠的Wi-Fi?節點獲得所有數據。” 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的空客工廠中應用IIoT。在最近的NI week展會上7，空客展示了其如何將RFID標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100米距離處自動讀取這些標簽，空客由此即可實時跟蹤和可視化生產過程。據空客消息，這種可視化技術已經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實現數字化跟蹤和監測，以提高工業運營效率，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IIoT。最重要的原因是系統優化，以及優化通常帶來的利益。這些利益可分為三種主要類型：資產、過程和業務優化，并將按此順序逐一實現。優化一臺電機要比優化整個鉆探操作更容易，而后者又比優化大型企業的許多生產線要容易。 但優化所有這一切是工業IoT的終極夢想。請參見圖3。 圖3. IIoT的利益。所有工廠/過程數據均在線上(云端)。 所以軟件分析有助于資產優化，然后是過程優化，最終實現業務優化。 資產優化 第一級分析和互動發生在前沿。首先從傳感器收集數據，可能是渦輪傳感器、電機編碼器或振動特征信號。然后在本地對數據進行處理，幫助操作者掌握如何調節參數以實現最高效率，或洞悉故障隱患的早期征兆。 過程優化 第二級分析發生在控制室。在此處，來自于多個終端設備甚至多條生產線的傳感器數據匯聚在一起，以制定更加明智的決策，從而對工廠效率和多種過程產生積極影響。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：何時使終端設備處于空閑或休眠狀態。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。 業務優化 從該議題演化出的一個共識是：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使用和過程操作都很熟悉。但IIoT的預期不僅僅是前兩級的數據收集和分析的增長，而是也能夠將過程數據與企業數據進行整合，從而支持目前為止尚未實現的真正令人關注、更為智能的管理決策。 例如，試想一下可以將生產線設置為制造更多處于市場爆炸期的產品，或者設置為繞開市場價值逐漸縮小的組件。甚至將運營數據與財務數據相結合，為CFO辦公室提供更深入的洞察力。 IIoT尚處于萌芽期，沒有強制性的平臺標準。目前是IIoT的“野蠻生長”階段，也恰恰是培養和推動平臺標準接受度的絕佳時機。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數據的設備，在理解數據方面最有經驗。他們只需要開發出處理、分析以及顯示數據的軟件能力。所以，談到工業自動化和IIoT，這些自動化公司已經做好主宰新興IIoT的準備。 GE是這一領域最具進攻性的參與者。數年之前，GE公司的CEO兼總裁杰夫?伊梅爾特就從Cisco挖來了比爾?榮，并且立即提供10億美金讓其重構公司的企業軟件和分析方法。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個月的時間內，這支隊伍構建了一個新的，稱為Predix的軟件平臺；去年年底，GE開始部署該平臺。GE最近公布的關于其軟件業務的財務數字非常引人注目。 在寫給股東的信中，伊梅爾特寫到： “我們深信，每個工業企業都將變為軟件企業...。我們的客戶希望我們的資產運營時不發生計劃外停工，并具有最佳性能。我們的數據方案叫做“Predictivity”，截至目前已發布了24款產品，產生了8億美元的增量收入。我們預計Predictivity在2014年的收入將超過10億美元” GE在建立其第一款IIoT軟件平臺方面正取得巨大進展。 IIoT推動系統需求 IIoT推動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。 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量、增強靈活性。 傳感器無處不在 您可以找到一些關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用領域的全球市場研究，包括生物傳感器、化學傳感器、圖像傳感器、流量傳感器和液位傳感器。另一家公司Emerson更多地關注過程現場傳感器。 “2013年的傳感器市場規模為795億美元，預計2015年將超增長到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廠加強現場安全、增強可靠性和提高能源效率，預計規模將在現有的$160億測量市場基礎上增加兩倍以上。” 關于傳感器市場的規模和增長，研究者的評估不盡相同。但是顯而易見，隨著數據分析需求的增長，用來收集數據的傳感器的需求也必將相應增長。各種傳感器市場的年均復合增長率(CAGR)預計將以兩位數的速度增長，尤其是工業傳感器。 “普適感測”一詞由Emerson創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于被監測過程的更多數據。這種數據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/關信號。傳感器還必須能夠傳遞其它信號。工業管理需要實時操作數據...這將形成我們在上文中討論的第一個系統級設計趨勢。 新興IO-Link標準 工業領域正在經歷工廠自動化傳感器領域數字IO-Link標準的爆炸式增長。IO-Link協議是第一個開放的、低成本、點對點串行通信標準，基于全球標準化I/O技術(IEC 61131-9)。該協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。這種功能強大的點對點協議基于成熟的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據。 隨著智能傳感器的增長，IO-Link協議呈現爆炸式增長。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！這將在未來三年內使IO-Link的用戶數量增長三倍。 當然，并不是所有的傳感器都直接連接至工廠的PLC，尤其是當您有數以十萬計的傳感器分布在全廠以及外部位置時。為支持不同區域的傳感器之間進行通信，可通過網關對其進行匯聚。 圖4所示是Comtrol公司的IO-Link Master網關，集IO-Link標準與EtherNet/IP?及Modbus TCP協議的優勢于一身。該IO-Link Master通過自己處理IO-Link協議的復雜性，有效減輕了PLC編程人員的工作負擔。結果就是簡化了EtherNet/IP和Modbus TCP接口，縮短了系統開發時間，降低了安裝工作量。 圖4. IO-Link與工業以太網/現場總線的接口可通過如圖所示的Comtrol IO-Link Master等網關實現。 傳感器也變得越來越小，圖5所示的傳感器是我們認為世界上最小的IO-Link環境光傳感器，可以讀取顏色值并通過IO-Link連接發送信息。整個系統只有回形針大小。 圖5. 業內最小的IO-Link光傳感器集成有6個傳感器：環境光(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器件收發器，帶有集成3.3V/5V線性穩壓器、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，提供系統控制。 該IO-Link光傳感器系統的所有元件均經過精挑細選，以確保滿足工業環境下的惡劣條件。 利用無線傳感器實現分布式控制 在IIOT內廣泛部署無線傳感器面臨多項關鍵的設計挑戰，其中部分挑戰包括標準沖突、設備互操作性、工業安全、可用帶寬以及網絡安全。 現在有一件事情顯而易見：無線傳感器僅占工業市場中非常小的一部分。此項技術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內采用無線傳感器。 此外，很清楚的一點是無線電標準還沒有統一。實際上，這可能會成為另一場現場總線/工業以太網標準的戰爭，沒有某一項標準會大獲全勝、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線電標準。 利用MicroPLC實現分布式控制 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系統架構。 當今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。大多數工程師仍然認為數字技術提供了節省空間的最佳機會，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，系統電路板上的模擬和數字元件都清晰可見。 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，同時實現要求的功能。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和無數傳感器及執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，設備設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。 現在，MAX31911等多通道串行器可對傳感器的24V數字輸出進行電平轉換、調理和串行化處理，產生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32通道的PLC I/O模塊集成了一個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%。 模擬整合是開發小尺寸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，是下一代數字工廠的代表。 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，意味著尺寸更小、更智能、更多連接的傳感器。該要求正在導致IO-Link和無線協議的增長，也造成網關數量的爆發；網關將多個傳感器的數據匯聚至現場總線/工業以太網鏈路。 分布式控制，生產線能夠采用低延遲、靈活的系統控制。這將導致高I/O密度的增長，緊湊型(或微型)PLC安裝在靠近被控制線路的位置。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。 為滿足這些系統要求，需要在器件(IC)級以及系統架構級進行創新。這些較新的系統是實現IIoT愿景的關鍵。 |
