測量和控制系統(tǒng)融合：全新的邊緣節(jié)點簡化了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

最近不論我們身處何方，關(guān)于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)的討論都會不絕于耳。而且，對于不同的行業(yè)，這一趨勢表現(xiàn)在不同的方面。例如，工業(yè)4.0是專為生產(chǎn)設(shè)備發(fā)展出來 概念。在電網(wǎng)領(lǐng)域，IIoT表現(xiàn)為智能電網(wǎng);石油和天然氣行業(yè)的IIoT則體現(xiàn)在井場數(shù)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(shù)和優(yōu)勢卻是大致相同。雖然行業(yè)領(lǐng)先者都渴望利用IIoT，但很難想象到2020年500億臺設(shè)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(wǎng)聯(lián)設(shè)備中，有半數(shù)將來自工業(yè)領(lǐng)域2。這意味著工程師和科學家將是工廠、測試實驗室、電網(wǎng)、煉油廠和基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)IIoT的驅(qū)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(wǎng)聯(lián)數(shù)據(jù)改進產(chǎn)品設(shè)計和制造

為了實現(xiàn)IIoT的這些優(yōu)勢，設(shè)計團隊必須依賴多項核心技術(shù)。無論是在構(gòu)建在線監(jiān)控系統(tǒng)、智能制造機器，還是測試物理或機電系統(tǒng)，一個關(guān)鍵的共性都是對邊緣智能的需求。系統(tǒng)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(jié)構(gòu)測試中，采集大量高分辨率模擬波形數(shù)據(jù)的能力對于理解葉片行為特征至關(guān)重要。同時，我們需要處理這些數(shù)據(jù)，為控制系統(tǒng)提供輸入，使得系統(tǒng)能夠驅(qū)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(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)將在邊緣側(cè)進行存儲、處理、分析和響應(yīng)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(shù)據(jù)傳輸，用戶必須將決策權(quán)下放到部署在設(shè)備處或附近的邊緣節(jié)點。

圖1.到2019年，至少有40%的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)將在邊緣進行存儲、處理、分析和響應(yīng)。

多年來，NI投資了兩個高質(zhì)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(nèi)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(diào)理，因此用戶可以通過任何總線連接任何傳感器或設(shè)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(shù)據(jù)采集的理想選擇。

然而，當我們開始著手實現(xiàn)這些系統(tǒng)時，新的挑戰(zhàn)不斷涌現(xiàn) - 特別是在系統(tǒng)物理尺寸不斷增大、傳感器數(shù)量不斷增加的情況下。我們?nèi)砸越Y(jié)構(gòu)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(gòu)配備傳感器，以測量應(yīng)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(guī)模應(yīng)用，我們可能需要在整個系統(tǒng)中部署數(shù)百甚至數(shù)千個傳感器。在采集所有這些數(shù)據(jù)時，我們還需要能夠?qū)崟r處理這些數(shù)據(jù)，以便我們可以為控制系統(tǒng)的所有執(zhí)行器提供輸出控制。

嘗試開發(fā)此類系統(tǒng)時會遇到一些挑戰(zhàn)：

·將數(shù)千個通道和眾多測量系統(tǒng)同步在一起

·同步控制系統(tǒng)，以便在正確的時間進行所有操作

·將測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)同步在一起

隨著系統(tǒng)不斷擴展以及應(yīng)用的測量和控制系統(tǒng)不斷增加，這些挑戰(zhàn)進一步加劇。測量系統(tǒng)之間以及控制系統(tǒng)之間的同步并不是一項新挑戰(zhàn)。今天，我們通常可以通過基于信號的方法來實現(xiàn)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(jié)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(wǎng)等通用標準的協(xié)議。以太網(wǎng)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(zhàn)，工程師開發(fā)出一個以太網(wǎng)定制版本，通常稱為硬實時以太網(wǎng)。典型的例子包括EtherCAT、PROFINET和EtherNet/IP。這些以太網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)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(yīng)商的不同設(shè)備不能在同一網(wǎng)絡(luò)上運行。

解決這一同步挑戰(zhàn)的新技術(shù)目前正在推向市場，這一技術(shù)稱為時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)。 TSN是標準以太網(wǎng)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(wǎng)相同的低延遲和帶寬保證。具體而言，TSN提供三個關(guān)鍵組件：基于時間的同步、流量調(diào)度和系統(tǒng)配置。同步功能基于IEEE 1588精確時間協(xié)議配置文件，通過網(wǎng)絡(luò)提供亞微秒級同步。此外，流量調(diào)度和系統(tǒng)配置提供了確定的數(shù)據(jù)通信，因此用戶可以調(diào)度和優(yōu)先處理網(wǎng)絡(luò)上的時間敏感數(shù)據(jù)(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(wǎng)流量的融合。由于TSN是以太網(wǎng)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(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。這意味著測量或控制系統(tǒng)上的單個端口可以執(zhí)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(yè)應(yīng)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(huán)控制要求至關(guān)重要。基于時間的以太網(wǎng)同步還可以免除基于信號的同步所需的布線，與傳統(tǒng)監(jiān)控應(yīng)用和物理系統(tǒng)測試(如結(jié)構(gòu)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(xiàn)更簡單、經(jīng)濟高效的解決方案。

圖2.時間敏感網(wǎng)絡(luò)是標準以太網(wǎng)的更新版，包括基于時間的同步、流量調(diào)度和系統(tǒng)配置。

NI的產(chǎn)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(chǎn)品。 用戶可以將這些新控制器添加到TSN網(wǎng)絡(luò)，并支持數(shù)據(jù)同步和確定性通信，使其成為理想的IIoT邊緣節(jié)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(tǒng)同步挑戰(zhàn)的重要一步。開發(fā)這些系統(tǒng)的工程師還在關(guān)注如何降低整體系統(tǒng)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(tǒng)，因此工具、編程環(huán)境和數(shù)據(jù)采集機制之間彼此獨立。 PLC等控制系統(tǒng)通常采用IEC 61131-3語言編程，可對單點數(shù)據(jù)進行操作。這種類型的數(shù)據(jù)非常適合控制應(yīng)用，但不適合提取信息 - 因此我們需要波形數(shù)據(jù)。同樣，測量系統(tǒng)使用波形數(shù)據(jù)提供所需的信息，但并不適用于發(fā)送單點控制信號或確定地對單點控制信號作出反應(yīng)。

測量和控制系統(tǒng)的這一特性非常直觀明了。過去幾年，測量和控制系統(tǒng)的融合進度非常緩慢。每個系統(tǒng)都增加了新的功能，以便更多的測量系統(tǒng)可以具有一些控制功能，或控制系統(tǒng)具有部分測量功能。隨著最新CompactRIO控制器的發(fā)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(xiàn)確定性控制應(yīng)用之外，新的控制器還可以使用易用且功能強大的NI-DAQmx驅(qū)動程序進行編程，從而實現(xiàn)測量應(yīng)用。 NI-DAQmx不僅僅是一個基本的硬件驅(qū)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(xiàn)強大的定時和同步功能，并執(zhí)行高級控制和監(jiān)測任務(wù)。對于需要同步高通道數(shù)系統(tǒng)、開發(fā)基于決策的記錄儀或自動化實驗室實驗的用戶，數(shù)百個示例、充滿活力的社區(qū)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(cè)采集、處理、記錄和響應(yīng)輸入的數(shù)據(jù)，從而最終降低系統(tǒng)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