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

自從2011年在漢諾威工業(yè)博覽會上創(chuàng)造這個流行語以來，工業(yè)4.0已經(jīng)走了很長一段路。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)，其根本目標都是在蒸汽機，傳送帶和信息技術(shù)(IT)借助尖端電子技術(shù)的幫助下實現(xiàn)第四次工業(yè)革命。它將制造和過程自動化提升到一個全新的水平，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標志著數(shù)字化轉(zhuǎn)型的新高度。

諸如故障檢測和分類之類的AI應(yīng)用程序的集成也推動了工業(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)，傳播信息和做出實時決策的方式。機器學習算法和基于機器人的過程處理的使用可以進一步節(jié)省成本和工時，從而進一步優(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的實際體現(xiàn)。鈉鎳電池制造工廠已安裝了10,000多個傳感器，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。

這使我們進入了工業(yè)4.0設(shè)計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器數(shù)據(jù)可以優(yōu)化制造，預(yù)測故障，安排維護計劃并自動補充庫存。

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)。這使工廠可以實時監(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，并將它們變成了現(xiàn)場連接的控制中心。

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)民提供了由攝像機無人機拍攝并隨后在云中進行處理的作物狀況的詳細圖片。攝像機無人機還可以執(zhí)行物體識別，以警告農(nóng)民有關(guān)鹿等活動障礙的信息。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動，夾具的周期時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制動系統(tǒng)制造的生產(chǎn)率。從RFID標簽收集的數(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)計中的另一個關(guān)鍵要素。其中包括用于邊緣計算的處理器，用于數(shù)據(jù)存儲的存儲器，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及用于遙感和云平臺鏈接的有線或無線連接芯片。

一個示例是德州儀器(TI)的 Sitara AM6x處理器系列，該系列支持用于工廠自動化，電機驅(qū)動器和網(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網(wǎng)絡(luò)上的以太網(wǎng)和實時數(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)連接標準(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行，并支持針對片上存儲器和外部雙數(shù)據(jù)的錯誤校正碼(ECC)保護。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)和多軸電機驅(qū)動器等應(yīng)用程序的系統(tǒng)級復(fù)雜性。

工業(yè)4.0平臺對高性能PLC的要求越來越高，并輔以安全連接和人機界面(HMI)。PLC也必須縮小外形尺寸和過程價值鏈，同時增加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，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)場復(fù)興。它促進了更明智的決策，提高了運營效率，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)實終于開始向前發(fā)展。根據(jù)Gartner Inc.的報告，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)計將增長到200億以上。

未來的工廠將通過功能更強大的處理節(jié)點，更自動化的生產(chǎn)流程以及能夠近乎實時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，一次提供一個物聯(lián)網(wǎng)傳感器解決方案。