工业物联网的创新从概念到现实要如何实现?

标签:物联网

访客:5757  发表于:2016-11-07 17:22:36

物联网(IoT)已派生工业物联网(IIoT)概念,包括诸如工业自动化、安防监控、和楼宇自动化等领域增加的互通互联。对于制造业应用,IIoT具有巨大的潜力变革生产,通过为我们提供智能工厂和通用及灵活的量产。通过使用嵌入设备和物件的传感器和驱动器,经由有线或无线网络连接,能提高生产力,实现自制实时的控制和调节,且增强供应链,这些能力是前所未有的。

IIoT关键的演进趋势高度依赖半导体厂商的创新技术和方案。这些将有助于确保从概念设计过渡到现实世界工作的实施。


工业物联网的创新从概念到现实要如何实现?

图1:IIoT的构建模块

物联网就在当下,并且已经有一段时间了(虽然有不同的名称,如M2M和嵌入式互通互联)。由于面向消费者的物联网显示迅速发展的增长和采用,制造业和服务业正设法利用和开拓这种现象,以推动生产力进入他们的制造系统。进入IIoT - 物联网的一个非常重要且快速增长的子集,推进业务中运算技术和信息技术越来越紧密的联系。最终,IIoT将大大扩展组成物联网的“物”的数量。

如果您不能测量它,您就无法改善它

出自Peter Drucker的名言“如果您不能测量它,您就无法改善它”是IIoT哲学的核心。推动的趋势是更多的测量,快速和全面的分析和对数据的反应,及更快的改进过程,所有这些都将推动更高的价值到全球业务。但为了测量更多,我们必须能感测更多 – 更多的参数,更准确和更频繁。

传感器是IIoT的基本核心。覆盖软件到现有的技术可带来增量收益,但想要真正向前一步,我们需要整合更多的参数。我们感测的每一新参数带来重要的机会和使系统更智能。传感器是“眼、耳和手”,能扩展IIoT和它的能力。

传统的传感器不断发展,我们可以更胜以往地测量温度,光照,位置,液位,湿度,压力和许多其他参数。但是,即使它们变得更小、更便宜、更嵌入式,这些传感器都是专用的,因此,功能和适应性有限。基于视觉的感测消除这些限制,一旦一台机器能真正“看到”,那么几乎任何事情都是可能的。

随着视觉传感、可编程性带来灵活性,使单一的视觉系统能感知缺失(或错位)的组件,或检测到一个微妙的颜色变化,表明过程失控漂移。IIoT将继续增加更多的基本传感器来测量基本面,但基于视觉传感的趋势 - 静态图像和视频 – 使更智能的系统更灵活、更有价值。

当生产线和工厂重新配置为从一个产品转移到另一个,或构建一个复杂产品的变体,视觉系统不需要手动复位或重新配置。它们只需要从一个控制程序简单的更改到下一个,系统就准备好运行 - 节省成本、时间和人力,并消除了我们人类犯错误的机会。

“工业网络数据”

在许多方面,数据是这场变革的关键。传感器通过检查、平衡和冗余提供我们可以信任的数据,而后处理提供有价值的信息和能力来控制我们的工厂和流程,并改善它们。

人类输入信息到系统的日子已经过去了,它太慢、昂贵、不一致且容易出错。甚至条码扫描也在被淘汰。IIoT现在需要数据,而且需要很多!

实时传感可以以惊人的速度产生数据。“大数据” 的特点通常是“3V” ,即大量(Volume)、多种多样(Variety)和快速(Velocity),不能由旧的关系数据库管理或分析。大数据是基于云推动传统计算的边界,因为实时分析大数据集需要平台可以存储在分布式集群的大数据集,往往结合和处理来自多个源的数据。

机器可以学习,而且它们可以理解。当挖掘数据时,软件会寻找数据中的模式和趋势,并供人类使用。机器学习遵循类似的挖掘过程,但得到的信息是直接从机器到机器,使过程实时调整和改进,以保持密切跟踪过程。

云可要处理庞大的数据量和速度,也带来其他好处。它消除了在全球组织的障碍。例如,在中国智能工厂的问题可带来在欧洲一个类似工厂即时和先发制人的流程改进。

云扩展了可用信息到组织外-到母公司、远程员工、甚至供应商和客户。此外,日常移动设备越来越多的连接能力提供即时信息流的机会。无论是通知供应商批量缺陷,让客户知道他们的产品何时将完成或只是安抚非在现场的生产经理现场一切都好,这自动信息流可驱动真实价值到业务及其与外部世界的关系。在智能工厂里,机器们一起通信和解决问题。

实现未来

IIoT最大的挑战和潜在的绊脚石之一是电源。IIoT的分布式性质和需要将传感器置于行动之处使可靠的供电成为挑战。更何况与为这么多的IIoT传感器供电相关的不断上涨的能源成本。

成功的传感器,尤其是用于IIoT的,有四个基本属性。它们需要自供电、收集数据、广播它们的状态,并有连接的能力。这是蓝图,而能量收集无线传感器正是推动IIoT所需要的。

从根本上说,这种新一代的传感器需要能够测量多个物理参数,如温度、湿度、压力和距离,和传达数据而不使用直接电源。例如,安森美半导体最近推出了一个无电池、无微控制器的无线传感器系列。


工业物联网的创新从概念到现实要如何实现?

图2:能量收集无线传感

这种技术创造了更多的传感可能性和连接以前无法连接的。这些超薄、高性价比的器件可用于空间受限的地方或传统传感器无法触及的区域,这些地方或区域有许多IIoT应用。生物传感器数据的获得和处理中类似的进步将推动物联网在医疗保健行业的增长。

真正的突破是,这些传感器通过能量收集(EH)获得自己的动力。EH对未来承诺很多。这原则不是新的,和很多大型可再生能源倡议有共通之处,如风力发电或利用潮汐发电。能搜寻和积累免费的环境能量使传感器自主工作。来源是多方面的,包括明显的太阳能和风力发电,而越来越多的其他领域,如动能、热梯度、体温,甚至是声能均在探索中。

实体描述

为了使IIoT达到其全部潜力,我们必须用信息做些事。需要完成反馈循环和二进制数据需要转化为物理动作。简单的开关或“反馈”控制易于通过半导体开关的应用来实现,但许多工业控制更精密,需要比例控制或仔细(有时需要快速)定位。这可能意味着从一个风扇到控制环境或冷却设备的一个关键部分,通过一个电机或伺服系统调整阀门,或一个精密的步进电机以定位机器人手臂,完成一个精密的任务。

随着IIoT的迅速发展,这些执行器和控制器正看到类似的进步。电机控制的分立方案正在迅速消失,新的、先进的集成电源模块正在取代它们的位置。提供完整的系统,包括功率段、驱动器、保护和控制逻辑在单个模块,这些新的、高度集成的方案更轻、更小,更便宜和更简单的实现。

宽广的挑战

集成制造过程中所需的传感技术的广度有其自身的挑战。建立一个充满传感器和致动器的智能工厂所需的广泛专知超出了许多工程师所具备专知的广度,这是我们看到的领先元件供应商的价值所在。

全集成的硬件和软件开发环境是至关重要的,以促进特定功能的定制,用于终端产品。模块化使得这些平台可扩展到新的IoT/IIoT功能和设备,基于新的嵌入式方案,支持快速采用。开源支持也很重要,因为一个广泛的生态系统和互操作性是使物联网成功的关键。

以极重要的视觉能力为例。从硬件的角度来看,这需要视频处理技巧来实现;更不要说图像处理软件做一些有用的数据流。为加速这一领域的设计周期,安森美半导体通过工具如MatrixCamTM视频开发套件(VDK)与客户工程师共享其知识。同样,最近推出的EH无线传感器物联网开发套件,使传感器数据能移至云用于应用程序开发。这些都是许多例子中的一小部分,公司通过开发套件或参考设计,分享他们的专业知识,这极大地有助于IIoT的快速增长。


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图3:EH无线传感器物联网开发套件

串在一起

传感器、数据和致动器都是IIoT的重要元素。但是,如果没有一种方法来通信、共享数据和问题、接收和执行指令,那就没有IIoT。

考虑到IIoT的要求,并不是所有的标准和协议都是令人满意的。适用于智能手机PAN或单一供应商标准的技术是不可能成功的。相反,IIoT平台支持一系列广泛的标准,包括Thread、SIGFOX、EnOcean、M-BUS、KNX、ZigBee?和专有的协议是重要的。采用软件定义的无线电方法使一个单一的平台支持多种协议。ZigBee和Thread有很强的互补性,在这些协议背后的行业组织联盟应推动在智能家居领域的广泛采用。Thread是一个基于IP(IPv6)的网络协议,建基于开放标准用于低功耗802.15.4网状网络,可以很容易地和安全地将数百台设备彼此连接和直接连接到云。安全性和互操作性是Thread的两个关键增值能力。

相反,SIGFOX支持广域网,为部署在一个大区域的固定或移动的智能对象或传感器提供相对低带宽通信。示例应用包括在全国范围内跟踪集装箱或车辆,并与地理上分散的资产如智能城市设备或石油泵和管道进行通信。

总结

IIoT为工业自动化带来令人兴奋的未来,在那里,正迎来真正的自动工厂和制造流程。能远程识别、监控和控制网络的每一个别器件提供了无与伦比的机会,尤其是在工业应用领域。对IIoT的成功至关重要的是以一种灵活和高能效的方式有效地啮合和连接传感、计算和控制技术。

发生在IIoT领域的快速发展和创新在管理效率、降低运营成本和更灵活、自学、流程方面推动明显的商业利益。领先的半导体公司处于使这IIoT的未来成为可能的最前沿,具有广泛的能力和技术。

不久,智能工厂将向世界各地的移动设备发送消息,说“有一个问题被解决了,一切都如期进行。”欢迎来到工业物联网的全新的世界!

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