實施當(dāng)今工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)需要什么

制造業(yè)和其他工業(yè)環(huán)境開始從工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）技術(shù)中獲得生產(chǎn)力優(yōu)勢。各行各業(yè)正在使用這些自適應(yīng)解決方案來優(yōu)化資源利用率，減少計劃外停機時間，并使其制造流程適應(yīng)不斷變化的市場需求。許多組織現(xiàn)在問的不是是否實施IIoT框架，而是如何最好地實施一個。這篇博文提供了一些方向。

為了最大限度地提高運營效率和吞吐量，位于德國安貝格的西門子電子工廠實現(xiàn)了公司 Simatic 可編程邏輯控制器 （PLC） 的自動化生產(chǎn)。根據(jù)IHS在2018年發(fā)布的一項案例研究，該工廠的自動化程度如此之高，以至于“......產(chǎn)品使用獨特的條形碼控制自己的制造過程，與生產(chǎn)機器人溝通和共享需求。然后，單個PLC可以采取糾正措施以避免生產(chǎn)過程中的損壞，并自動補充組件以滿足交貨期限。機器自行處理75%的價值鏈。1

這家西門子工廠每天生成 15-17 萬個數(shù)據(jù)點，從溫度曲線等信息到回流速度、焊接速度、焊接量和供應(yīng)商組件的數(shù)據(jù)。事實上，來自自動化設(shè)施的數(shù)據(jù)為提高效率和生產(chǎn)力而進行的分析提供了命脈。通過這種自動化和大數(shù)據(jù)分析水平，組織在減少缺陷和質(zhì)量改進方面正在經(jīng)歷巨大的影響。關(guān)于西門子工廠，IHS研究報告說：“由于采用了這一工藝，質(zhì)量得到了大幅提高。500 年，該生產(chǎn)設(shè)施的缺陷率為每百萬分之 1989 （dpm），而現(xiàn)在只有 11 dpm。安貝格工廠實現(xiàn)了從設(shè)計到生產(chǎn)的一致性，在整個價值鏈中實現(xiàn)了近乎無縫的監(jiān)控，生產(chǎn)質(zhì)量率為99.9989%。此外，“通過使用通過其智能機器收集的數(shù)據(jù)，西門子還能夠提高制造過程和能源效率措施的透明度，從而將能源成本降低12%。

西門子案例研究只是眾多案例研究之一，它說明了為什么現(xiàn)在是關(guān)注如何構(gòu)建工廠硬件以支持IIoT實施階段的好時機。

今天的工廠金字塔
可視化今天的工廠網(wǎng)絡(luò)，人們可以想象一個金字塔，其中包含一系列收集信息并運行生產(chǎn)機器的邊緣設(shè)備?？刂茖釉絹碓蕉嗟胤植荚谡麄€工廠中，位于該邊緣層之上。

金字塔的最頂端是管理層，智能算法在這里優(yōu)化機器吞吐量，預(yù)測潛在故障，并實現(xiàn)自適應(yīng)制造流程。此過程可能發(fā)生在私有云或公共云中;但是，我們可能會發(fā)現(xiàn)，至少就目前而言，許多工廠和工廠對將數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)部服務(wù)器上的概念更加滿意。

正在實施IIoT技術(shù)的行業(yè)正在經(jīng)歷兩個與硬件相關(guān)的關(guān)鍵因素。一個在于智能連接傳感器數(shù)量的增加，這些傳感器正在收集為大數(shù)據(jù)分析提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。其次，嵌入在邊緣設(shè)備中的智能正在穩(wěn)步遷移。

這個例子說明了許多工廠內(nèi)部發(fā)生的情況：

更智能的傳感器正在將更豐富的數(shù)據(jù)集傳達(dá)給云

在機器級別對振動數(shù)據(jù)進行一級分析

在將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制器之前，收集并關(guān)聯(lián)多個溫度點

執(zhí)行器具有改變機器性能和特性的智能

這種新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為工廠網(wǎng)絡(luò)的“邊緣”帶來了更多的功能和智能。這些新的邊緣設(shè)備架構(gòu)要求組件具有高性能，這些組件必須足夠小，以適合現(xiàn)有的工廠設(shè)備，并且足夠堅固以承受制造中的惡劣環(huán)境。這種不斷變化的邊緣架構(gòu)會影響各種系統(tǒng)的設(shè)計。

擴大智能傳感器的使用 在物聯(lián)網(wǎng)實施中，大量傳感器
收集數(shù)據(jù)，對其進行預(yù)處理，并將其發(fā)送到IO集線器和/或分布式控制器。多年來，這些傳感器的功能不斷增加，同時尺寸不斷縮小。

例如，讓我們看一下無處不在的安全光幕光電設(shè)備，這些設(shè)備用于保護在可能造成傷害的移動機械（如壓力機、復(fù)卷機和碼垛機）附近工作的人員。安全光幕可用作機械屏障和其他形式的傳統(tǒng)機器防護的替代品。通過減少對物理防護裝置和屏障的需求，安全光幕可以提高其防護設(shè)備的可維護性。在1960年代，這些系統(tǒng)相當(dāng)大。今天的光幕要小得多，功能也更多。憑借他們的智能，他們可以精確地檢測哪些光束被破壞。隨著這些設(shè)備變得越來越小，我們可以將它們部署在各種小型子組件中，并使用光幕突破的確切位置信息來優(yōu)化子組件設(shè)計。

更智能、更互聯(lián)的傳感器架構(gòu)由不同的半導(dǎo)體技術(shù)實現(xiàn)。傳感器越來越多地由微處理器供電。此外，它們集成了復(fù)雜的串行收發(fā)器，并且需要復(fù)雜的電源子系統(tǒng)。

小型工業(yè)控制器做得更多
處理工廠和制造工廠收集的所有數(shù)據(jù)的PLC越來越小，通道密度也越來越高。IO通道的數(shù)量從單個數(shù)字輸入模塊中的8個增加到32個的情況并不少見。至于縮小的外形尺寸，我們現(xiàn)在看到了微型PLC，緊湊型PLC，納米PLC等的興起。隨著控制器越來越多地分布在工廠車間，它們必須足夠小，以適合子裝配線，或者在某些情況下，甚至可以安裝在復(fù)雜的機器上。這些小尺寸和更高的通道數(shù)得益于更小、集成度更高、更可靠的組件。

讓我們討論一個示例，該示例展示了先進的半導(dǎo)體技術(shù)如何幫助實現(xiàn)更小的PLC架構(gòu)。典型的系統(tǒng)具有許多電源子系統(tǒng)，并且由于現(xiàn)代微處理器/DSP需要多個穩(wěn)壓良好的電源軌，因此電源子系統(tǒng)的數(shù)量和復(fù)雜性正在上升。圖 4 說明了漸進式集成如何減小電源子系統(tǒng)的尺寸。

早期的電源子系統(tǒng)是離散的，控制器芯片外部有許多組件。集成FET和補償元件將電源解決方案的尺寸減半。集成了磁性元件的功率模塊的出現(xiàn)使電源解決方案的尺寸再次減半。如今，最新一代的功率模塊采用創(chuàng)新的封裝技術(shù)，可以更大幅度地減小負(fù)載電流子集的尺寸。

圖4.隨著時間的推移，工業(yè)系統(tǒng)中電源解決方案的尺寸大幅減小。

IIoT 架構(gòu)的未來是什么樣子
下一代 IIoT 解決方案旨在提高生產(chǎn)力、提供自適應(yīng)制造，并提供機器級健康和狀態(tài)信息，以做出關(guān)鍵任務(wù)的實時決策。進一步解鎖工業(yè)融合的另一個要素需要提高可以收集和上傳到云的實時數(shù)據(jù)的可用性、質(zhì)量和數(shù)量?？梢韵胂?，啟用這些功能需要更小的占用空間和更高的效率。Maxim的新型Go-IO IIoT參考設(shè)計提供17個軟件可配置的IO，包括隔離式數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、IO-Link主站和帶集成電源的隔離式RS-485，占位面積不到<>立方英寸。Go-IO 參考設(shè)計專為快速原型設(shè)計和開發(fā)可配置的工業(yè)控制系統(tǒng)而設(shè)計，是實現(xiàn)自適應(yīng)制造所需的底層技術(shù)的一個例子。

審核編輯：郭婷