應(yīng)用于工業(yè)4.0革命中的傳感器技術(shù)介紹

從大約1760年到1840年，由蒸汽和水力推動的工業(yè)活動激增，使人們離開農(nóng)場并進(jìn)入工廠。第一次工業(yè)革命最終讓位于第二次浪潮，其特點(diǎn)是裝配線和大規(guī)模生產(chǎn)，其中貨物制造比以往任何時(shí)候都更快，更便宜，并且電力的現(xiàn)成供應(yīng)推動了努力。第三次“革命”，基于電子和IT系統(tǒng)的進(jìn)步，在上個世紀(jì)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了自動化生產(chǎn)。今天，我們處于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，物理系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信的交匯點(diǎn)，將智能機(jī)器結(jié)合到真正智能的分布式系統(tǒng)中。將這些元素組合在一起形成第四階段 - 通常稱為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）或工業(yè)4.0--通過將機(jī)器和設(shè)備連接在一起來創(chuàng)建更智能，更具競爭力的工廠，以提高我們制造設(shè)施的生產(chǎn)率，效率和運(yùn)營。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的前端和中心是通過企業(yè)云收集，傳遞和分析傳感器數(shù)據(jù)。云技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和連接的進(jìn)步使傳感器數(shù)據(jù)能夠從工業(yè)廣域網(wǎng)（WAN）傳輸?shù)皆?。持續(xù)監(jiān)控和快速處理大量數(shù)據(jù)，使業(yè)界能夠執(zhí)行預(yù)測性和預(yù)防性維護(hù)，以及提供流更新，警報(bào)，配置設(shè)置更改和命令指令。正在開發(fā)許多傳感器以幫助應(yīng)對IIoT的挑戰(zhàn)，包括與電機(jī)，工業(yè)流程和云通信相關(guān)的挑戰(zhàn)。本文將介紹一些示例傳感器，并討論傳感器的進(jìn)步如何推動名為工業(yè)4.0的革命。

網(wǎng)絡(luò)靈活性

挑戰(zhàn)圍繞從設(shè)備傳播到云端并再次傳播的大量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)過載是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，因?yàn)楸仨氃赪AN中處理的數(shù)據(jù)包數(shù)量將成為網(wǎng)絡(luò)瓶頸的明顯來源。因此，雖然傳感器已經(jīng)到位以收集數(shù)據(jù)，但是將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆浦械呐f方法將無法工作。為了將數(shù)據(jù)帶回企業(yè)，網(wǎng)絡(luò)必須具有靈活性，以挑選和選擇相關(guān)的數(shù)據(jù)，并且需要減少網(wǎng)絡(luò)處理的數(shù)據(jù)包的數(shù)量。

安全也將成為首要任務(wù);一旦產(chǎn)品本身參與通信，惡意攻擊的可能性就會更大。

但是，機(jī)會很多。根據(jù)研究公司市場和市場，今天的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（IWSN）由溫度，壓力，流量，水平，化學(xué)和氣體，運(yùn)動和位置，以及圖像傳感器等傳感器組成，所有這些傳感器都可以被監(jiān)控，控制，和遠(yuǎn)程麻煩。應(yīng)用可以在各種行業(yè)中找到，包括采礦，食品和飲料，醫(yī)療和保健，以及電力和公用事業(yè)。 2013年市場和市場估值為4.0123億美元的IWSN系統(tǒng)市場預(yù)計(jì)到2020年將達(dá)到9.4442億美元，復(fù)合年增長率達(dá)到12.96％。

支持云的傳感器網(wǎng)絡(luò)允許多個IWSN互操作同時(shí)適用于許多應(yīng)用。該云虛擬化傳感器，并以比使用臨時(shí)方法更低的價(jià)格向客戶提供傳感即服務(wù)。

與20世紀(jì)80年代后期的CIM（計(jì)算機(jī)集成制造）時(shí)代不同，工業(yè)4.0的目標(biāo)不是將人們完全從工廠中驅(qū)逐出去。相反，工廠工作將變得更加靈活，以匹配流程的靈活性。靈活性對生產(chǎn)線也至關(guān)重要，因?yàn)樗腥藛T和所有機(jī)器都將聯(lián)網(wǎng)。對于從單個工作單元到最終裝配的生產(chǎn)過程中的每個步驟，工人們也將更加了解情況。

認(rèn)識到人類在監(jiān)督整個生產(chǎn)系統(tǒng)和充當(dāng)創(chuàng)造性問題解決者方面發(fā)揮著重要作用，工業(yè)4.0旨在將人和先進(jìn)的機(jī)器融合在一起。 Omron HVC-P人臉識別模塊（圖1）采用10個OKAO Vision圖像傳感算法，其中一個新模塊體現(xiàn)了即時(shí)傳感器反饋的大部分優(yōu)勢和云的實(shí)時(shí)性。人體視覺組件（HVC）模塊將相機(jī)，處理器和外部接口集成到一塊PCB上。該設(shè)備使用UART接口向其看到的人員或人員提供數(shù)據(jù)。在人員和機(jī)器交互的情況下，此數(shù)據(jù)捕獲很重要。

圖1：Omron B5T001001G HVC-P人臉識別模塊提供識別和監(jiān)控人機(jī)交互的算法。

包括十個不同的功能是面部檢測和識別，性別，年齡，表情和面部姿勢，注視和眨眼估計(jì)，以及手和人體檢測。目標(biāo)應(yīng)用包括工業(yè)設(shè)備，機(jī)器人和樓宇自動化。

用于MAG3110的SparkFun Electronics SEN-12670評估板（圖2）可以訪問飛思卡爾MAG3110節(jié)能三軸數(shù)字磁力計(jì)。該板將MAG3110的所有引腳分解為標(biāo)準(zhǔn)的0.1“接頭，并提供必要的濾波電容。小型飛思卡爾器件可與3軸加速度計(jì)配合使用，用于獨(dú)立于方向的電子羅盤，可提供準(zhǔn)確的航向信息。

圖2：MAG3110的SparkFun評估板。

MAG3110測量帶有輸出的磁場數(shù)據(jù)速率（ODR）高達(dá)80 Hz。輸出數(shù)據(jù)速率對應(yīng)于從12.5毫秒到幾秒的采樣間隔.Xtrinsic MAG3110磁力計(jì)，MMA8451Q加速度計(jì)和eCompass軟件的組合可實(shí)現(xiàn)完整的補(bǔ)償電子羅盤解決方案。當(dāng)eCompass子系統(tǒng)與GPS或其他位置感知子系統(tǒng)耦合時(shí)，可以執(zhí)行與方向相關(guān)的基于位置的資產(chǎn)分析。加固設(shè)備僅測量2 mm x 2 mm x 0.85 mm，間距為0.4 mm。

歐姆龍的E3FA系列光電傳感器（圖3）為不間斷的工業(yè)檢測應(yīng)用提供了簡便性。該系列通常安裝在從食品和飲料到紡織品，陶瓷和磚生產(chǎn)的工業(yè)工廠中，具有各種型號，包括直通和徑向版本的對射式，反向反射型和漫反射型。直接版本還提供背景抑制，有限反射檢測和特殊應(yīng)用的透明物體檢測類型。該系列具有堅(jiān)固耐用的防水外殼，高抗光性，高EMC保護(hù)，易于安裝?？梢詮倪h(yuǎn)距離和廣角觀察傳感器的LED狀態(tài)指示燈。

圖3：Omron E3FA系列光電傳感器的電纜連接。