实施当今工业物联网架构需要什么

制造业和其他工业环境开始从工业物联网（IIoT）技术中获得生产力优势。各行各业正在使用这些自适应解决方案来优化资源利用率，减少计划外停机时间，并使其制造流程适应不断变化的市场需求。许多组织现在问的不是是否实施IIoT框架，而是如何最好地实施一个。这篇博文提供了一些方向。

为了最大限度地提高运营效率和吞吐量，位于德国安贝格的西门子电子工厂实现了公司 Simatic 可编程逻辑控制器 （PLC） 的自动化生产。根据IHS在2018年发布的一项案例研究，该工厂的自动化程度如此之高，以至于“......产品使用独特的条形码控制自己的制造过程，与生产机器人沟通和共享需求。然后，单个PLC可以采取纠正措施以避免生产过程中的损坏，并自动补充组件以满足交货期限。机器自行处理75%的价值链。1

这家西门子工厂每天生成 15-17 万个数据点，从温度曲线等信息到回流速度、焊接速度、焊接量和供应商组件的数据。事实上，来自自动化设施的数据为提高效率和生产力而进行的分析提供了命脉。通过这种自动化和大数据分析水平，组织在减少缺陷和质量改进方面正在经历巨大的影响。关于西门子工厂，IHS研究报告说：“由于采用了这一工艺，质量得到了大幅提高。500 年，该生产设施的缺陷率为每百万分之 1989 （dpm），而现在只有 11 dpm。安贝格工厂实现了从设计到生产的一致性，在整个价值链中实现了近乎无缝的监控，生产质量率为99.9989%。此外，“通过使用通过其智能机器收集的数据，西门子还能够提高制造过程和能源效率措施的透明度，从而将能源成本降低12%。

西门子案例研究只是众多案例研究之一，它说明了为什么现在是关注如何构建工厂硬件以支持IIoT实施阶段的好时机。

今天的工厂金字塔
可视化今天的工厂网络，人们可以想象一个金字塔，其中包含一系列收集信息并运行生产机器的边缘设备。控制层越来越多地分布在整个工厂中，位于该边缘层之上。

金字塔的最顶端是管理层，智能算法在这里优化机器吞吐量，预测潜在故障，并实现自适应制造流程。此过程可能发生在私有云或公共云中;但是，我们可能会发现，至少就目前而言，许多工厂和工厂对将数据存储在内部服务器上的概念更加满意。

正在实施IIoT技术的行业正在经历两个与硬件相关的关键因素。一个在于智能连接传感器数量的增加，这些传感器正在收集为大数据分析提供关键数据。其次，嵌入在边缘设备中的智能正在稳步迁移。

这个例子说明了许多工厂内部发生的情况：

更智能的传感器正在将更丰富的数据集传达给云

在机器级别对振动数据进行一级分析

在将数据发送到控制器之前，收集并关联多个温度点

执行器具有改变机器性能和特性的智能

这种新的网络结构为工厂网络的“边缘”带来了更多的功能和智能。这些新的边缘设备架构要求组件具有高性能，这些组件必须足够小，以适合现有的工厂设备，并且足够坚固以承受制造中的恶劣环境。这种不断变化的边缘架构会影响各种系统的设计。

扩大智能传感器的使用 在物联网实施中，大量传感器
收集数据，对其进行预处理，并将其发送到IO集线器和/或分布式控制器。多年来，这些传感器的功能不断增加，同时尺寸不断缩小。

例如，让我们看一下无处不在的安全光幕光电设备，这些设备用于保护在可能造成伤害的移动机械（如压力机、复卷机和码垛机）附近工作的人员。安全光幕可用作机械屏障和其他形式的传统机器防护的替代品。通过减少对物理防护装置和屏障的需求，安全光幕可以提高其防护设备的可维护性。在1960年代，这些系统相当大。今天的光幕要小得多，功能也更多。凭借他们的智能，他们可以精确地检测哪些光束被破坏。随着这些设备变得越来越小，我们可以将它们部署在各种小型子组件中，并使用光幕突破的确切位置信息来优化子组件设计。

更智能、更互联的传感器架构由不同的半导体技术实现。传感器越来越多地由微处理器供电。此外，它们集成了复杂的串行收发器，并且需要复杂的电源子系统。

小型工业控制器做得更多
处理工厂和制造工厂收集的所有数据的PLC越来越小，通道密度也越来越高。IO通道的数量从单个数字输入模块中的8个增加到32个的情况并不少见。至于缩小的外形尺寸，我们现在看到了微型PLC，紧凑型PLC，纳米PLC等的兴起。随着控制器越来越多地分布在工厂车间，它们必须足够小，以适合子装配线，或者在某些情况下，甚至可以安装在复杂的机器上。这些小尺寸和更高的通道数得益于更小、集成度更高、更可靠的组件。

让我们讨论一个示例，该示例展示了先进的半导体技术如何帮助实现更小的PLC架构。典型的系统具有许多电源子系统，并且由于现代微处理器/DSP需要多个稳压良好的电源轨，因此电源子系统的数量和复杂性正在上升。图 4 说明了渐进式集成如何减小电源子系统的尺寸。

早期的电源子系统是离散的，控制器芯片外部有许多组件。集成FET和补偿元件将电源解决方案的尺寸减半。集成了磁性元件的功率模块的出现使电源解决方案的尺寸再次减半。如今，最新一代的功率模块采用创新的封装技术，可以更大幅度地减小负载电流子集的尺寸。

图4.随着时间的推移，工业系统中电源解决方案的尺寸大幅减小。

IIoT 架构的未来是什么样子
下一代 IIoT 解决方案旨在提高生产力、提供自适应制造，并提供机器级健康和状态信息，以做出关键任务的实时决策。进一步解锁工业融合的另一个要素需要提高可以收集和上传到云的实时数据的可用性、质量和数量。可以想象，启用这些功能需要更小的占用空间和更高的效率。Maxim的新型Go-IO IIoT参考设计提供17个软件可配置的IO，包括隔离式数字输入、数字输出、IO-Link主站和带集成电源的隔离式RS-485，占位面积不到<>立方英寸。Go-IO 参考设计专为快速原型设计和开发可配置的工业控制系统而设计，是实现自适应制造所需的底层技术的一个例子。

审核编辑：郭婷