物聯(lián)網(wǎng)傳感器助力工業(yè)4.0現(xiàn)實(shí)發(fā)展

自從2011年在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上創(chuàng)造這個(gè)流行語以來，工業(yè)4.0已經(jīng)走了很長(zhǎng)一段路。向智能制造的旅程仍在繼續(xù)，但近年來真正有所作為的是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的起飛和問世人工智能(AI)解決方案。

在這里，值得一提的是，2012年，通用電氣(General Electric)創(chuàng)造了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”一詞，意為智能連接多種工業(yè)設(shè)備，以創(chuàng)建可監(jiān)視，收集，交換，分析和提供有價(jià)值的見解的系統(tǒng)。最終，工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的概念開始融合，最終達(dá)到了工業(yè)IoT或IIoT。

無論是所謂的工業(yè)4.0還是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，其根本目標(biāo)都是在蒸汽機(jī)，傳送帶和信息技術(shù)(IT)借助尖端電子技術(shù)的幫助下實(shí)現(xiàn)第四次工業(yè)革命。它將制造和過程自動(dòng)化提升到一個(gè)全新的水平，明天的工廠將建立包括傳感器，執(zhí)行器和控制系統(tǒng)的連接系統(tǒng)，所有這些系統(tǒng)都通過Internet協(xié)議(IP)通過不同類型的網(wǎng)絡(luò)鏈接在一起。

圖1：工業(yè)4.0標(biāo)志著數(shù)字化轉(zhuǎn)型的新高度。

諸如故障檢測(cè)和分類之類的AI應(yīng)用程序的集成也推動(dòng)了工業(yè)4.0的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的結(jié)合改變了工程師在生產(chǎn)環(huán)境中管理數(shù)據(jù)，傳播信息和做出實(shí)時(shí)決策的方式。機(jī)器學(xué)習(xí)算法和基于機(jī)器人的過程處理的使用可以進(jìn)一步節(jié)省成本和工時(shí)，從而進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)代制造。

在紐約斯克內(nèi)克塔迪的通用電氣工廠可以看到工業(yè)4.0的實(shí)際體現(xiàn)。鈉鎳電池制造工廠已安裝了10,000多個(gè)傳感器，分布在180,000平方英尺的制造空間中。所有這些傳感器都通過高速以太網(wǎng)連接。

這使我們進(jìn)入了工業(yè)4.0設(shè)計(jì)的基本組成部分之一：相連的傳感器。

傳感器互聯(lián)網(wǎng)

通過有線或無線鏈路連接的傳感器構(gòu)成了Industry 4.0或IIoT系統(tǒng)的骨干。傳感器傳送到云的機(jī)器數(shù)據(jù)可以優(yōu)化制造，預(yù)測(cè)故障，安排維護(hù)計(jì)劃并自動(dòng)補(bǔ)充庫存。

工業(yè)4.0領(lǐng)域傳感器的新功能是本地化和通信的融合，以創(chuàng)建精確的室內(nèi)定位系統(tǒng)。這使工廠可以實(shí)時(shí)監(jiān)控工具并管理工人的使用情況，以提高裝配線的效率，安全性和質(zhì)量控制。

這些高精度和位置感知系統(tǒng)使用智能無線傳感器解決方案。以智能駕駛室為例，傳感器供應(yīng)商博世與CAB Concept Cluster(CCC)合作開發(fā)了智能駕駛室 。它在農(nóng)用車輛中集成了攝像頭和無人機(jī)，并將它們變成了現(xiàn)場(chǎng)連接的控制中心。

圖2：除了智能制造之外，“工業(yè)4.0”倡議正在擴(kuò)展到其他領(lǐng)域，例如互聯(lián)農(nóng)業(yè)。圖片：CAB Concept Cluster)

該解決方案為農(nóng)民提供了由攝像機(jī)無人機(jī)拍攝并隨后在云中進(jìn)行處理的作物狀況的詳細(xì)圖片。攝像機(jī)無人機(jī)還可以執(zhí)行物體識(shí)別，以警告農(nóng)民有關(guān)鹿等活動(dòng)障礙的信息。此外，農(nóng)民可以執(zhí)行特定功能，例如根據(jù)天氣或土壤條件調(diào)整噴嘴設(shè)置。

博世還聲稱通過記錄氣缸的運(yùn)動(dòng)，夾具的周期時(shí)間以及制造過程中的溫度和壓力水平，提高了其在德國布萊卡赫工廠的ABS / ESP制動(dòng)系統(tǒng)制造的生產(chǎn)率。從RFID標(biāo)簽收集的數(shù)據(jù)將傳遞到海量數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫以數(shù)字方式繪制內(nèi)部貨物流圖。

工業(yè)4.0芯片

半導(dǎo)體器件是工業(yè)4.0和IIoT設(shè)計(jì)中的另一個(gè)關(guān)鍵要素。其中包括用于邊緣計(jì)算的處理器，用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及用于遙感和云平臺(tái)鏈接的有線或無線連接芯片。

一個(gè)示例是德州儀器(TI)的 Sitara AM6x處理器系列，該系列支持用于工廠自動(dòng)化，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和網(wǎng)格基礎(chǔ)設(shè)施的千兆位工業(yè)通信子系統(tǒng)。這些處理器圍繞單個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的以太網(wǎng)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流量的融合而構(gòu)建。它們支持多種協(xié)議，包括時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)，EtherCAT，以太網(wǎng)/ IP和PROFINET

圖3：Sitara AM6548多協(xié)議處理器的框圖，該處理器為工業(yè)連接標(biāo)準(zhǔn)(如TSN)提供千兆位吞吐量。

這款支持TSN的處理器集成了基于Arm Cortex-R5F的雙核微控制器(MCU)子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)可在可選的鎖步模式下運(yùn)行，并支持針對(duì)片上存儲(chǔ)器和外部雙數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤校正碼(ECC)保護(hù)。速率(DDR)內(nèi)存。這些功能使處理器能夠提高安全性，并降低可編程邏輯控制器(PLC)和多軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等應(yīng)用程序的系統(tǒng)級(jí)復(fù)雜性。

工業(yè)4.0平臺(tái)對(duì)高性能PLC的要求越來越高，并輔以安全連接和人機(jī)界面(HMI)。PLC也必須縮小外形尺寸和過程價(jià)值鏈，同時(shí)增加I / O通道(模擬和數(shù)字)的數(shù)量。這些PLC將需要支持新的I / O協(xié)議，例如 IO-Link。

此外，功能強(qiáng)大的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案的出現(xiàn)使數(shù)字孿生的創(chuàng)建成為可能，數(shù)字孿生將虛擬世界和物理世界配對(duì)，并創(chuàng)建了將工業(yè)制造的所有步驟映射并鏈接在一起的數(shù)據(jù)池。這些網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)創(chuàng)建了物理世界的虛擬副本，從而使監(jiān)視物理過程的成本更低，效率更高。

未來工廠

在工業(yè)4.0的愿景中，通過端到端傳感器解決方案和服務(wù)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)興。它促進(jìn)了更明智的決策，提高了運(yùn)營效率，提高了產(chǎn)量，提高了工程效率并極大地提高了業(yè)務(wù)績(jī)效。

隨著物聯(lián)網(wǎng)傳感器，大數(shù)據(jù)和AI應(yīng)用程序可用性的加速，工業(yè)4.0的現(xiàn)實(shí)終于開始向前發(fā)展。根據(jù)Gartner Inc.的報(bào)告，2018年，該領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備超過60億，到2022年，這一數(shù)字預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)到200億以上。

未來的工廠將通過功能更強(qiáng)大的處理節(jié)點(diǎn)，更自動(dòng)化的生產(chǎn)流程以及能夠近乎實(shí)時(shí)地處理和分析大量工廠數(shù)據(jù)的更智能的數(shù)據(jù)分析工具，在穩(wěn)步穩(wěn)定地發(fā)展。成為現(xiàn)實(shí)，一次提供一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器解決方案。