被稱(chēng)為“工業(yè)4.0”的制造業(yè)的數字化轉型，匯集了多類(lèi)技術(shù)，但是競爭優(yōu)勢來(lái)自它們能否協(xié)同工作。

 

在工廠(chǎng)車(chē)間，變革性技術(shù)包括新的感測、控制和通信系統。這些技術(shù)還涉及功能安全和電源管理功能，幫助人們更智能地工作并且擔當新角色，在某些情況下，可以以更加綜合的方式與機器人近距離工作。

 

我們已越過(guò)了早期采用階段的臨界點(diǎn)，各個(gè)組織和企業(yè)在各自的業(yè)務(wù)中至少部署了其中一些技術(shù)，而對于那些希望進(jìn)一步采用工業(yè)4.0技術(shù)的人員來(lái)說(shuō)，下一步需要讓這些技術(shù)協(xié)同工作（見(jiàn)圖）。而要實(shí)現這一目標需要一個(gè)基礎來(lái)統一其各種智能功能。 

 

 

這是工廠(chǎng)實(shí)現工業(yè)4.0技術(shù)的示例。

 

標準和規范對于實(shí)現這種統一至關(guān)重要。它們不僅使系統可以更有效地交互操作且為制造商創(chuàng )造長(cháng)期競爭優(yōu)勢，而且還使迭代學(xué)習成為可能?；ヂ?lián)的分布式設備可為人工智能（AI）和機器學(xué)習提供支持，以發(fā)展和優(yōu)化制造操作。

 

通信實(shí)現控制

 

讓制造車(chē)間保持運作的技術(shù)可分為五大類(lèi)：通信、感測、控制、安全和電源。這些類(lèi)別是以前就存在的，但是工業(yè)4.0提出了一種可利用各個(gè)離散領(lǐng)域創(chuàng )新的無(wú)縫通信方案。

 

如此說(shuō)來(lái)，功能安全和電源管理是制造環(huán)境中的關(guān)鍵考慮因素也就不足為奇了。成功實(shí)現確保工人安全和節能兩個(gè)優(yōu)先事項后，便具有了競爭優(yōu)勢。電源管理還與環(huán)境控制有所聯(lián)系，確保溫度和氣候條件有利于特定類(lèi)型的制造。與此同時(shí)，工業(yè)通信、感測和控制使人們在注重功耗的同時(shí)能夠安全、高效地工作。

 

即使技術(shù)進(jìn)步，工業(yè)通信仍然是最基本的技術(shù)，因為它使單個(gè)控制單元可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )管理多個(gè)輸入和輸出（I/O）。工廠(chǎng)中的網(wǎng)絡(luò )控制體系結構包括電機控制、運動(dòng)控制、機器人技術(shù)和經(jīng)典可編程邏輯控制（PLC）之類(lèi)等應用。

 

PLC提供一系列包括測量、溫度和位置的狀態(tài)信息。PLC的現代示例即機器人抓取或修改傳送帶上的東西。機器人控制是電機控制的特殊版本，其通過(guò)自己的感測生態(tài)系統控制多軸機器人手臂。機器視覺(jué)用于定位機器人手臂，并結合功能安全性，可使操作員監控環(huán)境并確保在機器人附近工作人員的安全操作。

 

這樣的安全性和精度水平需要通信和處理能力。例如，德州儀器(TI)的SitaraAM6x處理器系列，具有Arm Cortex-A53和Cortex-R5F內核可實(shí)現千兆位工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )，并包括安全診斷庫。Sitara處理器有助于啟用功能安全系統并支持智能功能，可動(dòng)態(tài)控制和優(yōu)化智能工廠(chǎng)中的生產(chǎn)，同時(shí)具有高能效。

 

Sitara處理器構成系統的一部分，具有廣泛的交互作用，但是除非各種控制系統可相互通信，否則這些交互作用無(wú)法實(shí)現。就像時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )（TSN）和IO-Link之類(lèi)規范出現前，I/O互聯(lián)要穿過(guò)不同的模擬路徑，不同的控制系統獨立工作，成為自己獨立的活動(dòng)孤島。

 

TSN這套標準屬于完整的實(shí)時(shí)通信所必需的三個(gè)主要組件類(lèi)別：

l  時(shí)間同步

l  計劃和流量成型

l  選擇通信路徑、路徑保留和容錯能力

 

流量成型與網(wǎng)絡(luò )中具有不同優(yōu)先級的以太網(wǎng)數據包相關(guān)。與其他數據包（非實(shí)時(shí)）相比，某些數據包具有更高的優(yōu)先級（實(shí)時(shí)）。根據應用的不同，可通過(guò)數據包的類(lèi)型、到達時(shí)間或帶寬來(lái)確定優(yōu)先級，有時(shí)會(huì )將流量整形與道路交通HOV車(chē)道（穿越交叉路口的快速路徑）進(jìn)行比較。

 

TSN的名字很貼切，因其了解網(wǎng)絡(luò )中的所有器件都必須是同步的，無(wú)論是PLC還是機器人。此外，每個(gè)器件都遵循處理和轉發(fā)通信數據包的相同規則，并具有冗余以確保容錯能力。

 

國際電工委員會(huì )61131-9T建立了雙向、數字、點(diǎn)對點(diǎn)IO-Link工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò )標準。在短距離內有時(shí)甚至在不理想的條件下，IO-Link可將數字傳感器和執行器通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)方式連接到某種類(lèi)型的工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)或某種類(lèi)型的工業(yè)以太網(wǎng)。

 

例如，TI的DP83867物理層收發(fā)器可滿(mǎn)足工業(yè)4.0的時(shí)間同步需求。但是，它還旨在通過(guò)外部變壓器直接與雙絞線(xiàn)介質(zhì)連接，從而在惡劣環(huán)境中促進(jìn)10-/100-/1,000-Mb/s以太網(wǎng)局域網(wǎng)的實(shí)現。

 

與TSN一起，IO-Link支持使用可實(shí)時(shí)生成和使用豐富的數據集的傳感器和執行器，這是智能優(yōu)化制造和支持數字轉換所必需的。

 

統一通信是工業(yè)4.0的支柱

 

通過(guò)TSN和IO-Link執行的統一系統通信已實(shí)時(shí)在將生產(chǎn)系統數字化的領(lǐng)域，實(shí)現了許多不同的工業(yè) 4.0功能。

 

它不僅可在一個(gè)裝配站上快速地完成更多工作，甚至可將這些裝配站的控制系統鏈接起來(lái)。統一通信并支持預測性維護以此提高了機器的可用性。用戶(hù)不僅可以在單個(gè)TSN骨干網(wǎng)絡(luò )上運行包括PLC、運動(dòng)控制和機器視覺(jué)在內的多個(gè)控制系統，還可為這些系統提供服務(wù)并從中心角度診斷任何問(wèn)題?，F在各個(gè)部分都使用相同的語(yǔ)言，而不是使用具有獨立通信協(xié)議的獨立系統。

 

另外，通過(guò)實(shí)時(shí)數據交換，可實(shí)現各個(gè)生產(chǎn)區域之間的可比性或兼容性。數據從機器人控制順暢移動(dòng)到PLC控制器再到機床，提高了生產(chǎn)系統的整體效率。

 

此外，工業(yè)4.0提供了完全的透明度，因為它將生產(chǎn)數據輸入到企業(yè)資源規劃（ERP）系統中。而且，盡管ERP系統不能直接控制產(chǎn)品在工廠(chǎng)車(chē)間的生產(chǎn)速度，但是更多的商業(yè)智能的存在使制造商可做出更明智的決策，并通過(guò)數據來(lái)告知制造績(jì)效以及其如何影響成本和利潤。

 

確定數據去向

 

數據科學(xué)在工業(yè)4.0中也發(fā)揮著(zhù)重要作用。通過(guò)使控制系統相互通信，各個(gè)組織可使用更多信息共同工作來(lái)做出更明智的決策——根據業(yè)務(wù)目標優(yōu)化生產(chǎn)。由于每個(gè)器件和每個(gè)I/O都會(huì )產(chǎn)生數據，因此現在幾乎可以快速分辨系統是否需要維護以防止中斷。

 

通用通信集成控制系統，也正在改變人類(lèi)和機器在工廠(chǎng)車(chē)間的工作方式。盡管先進(jìn)的機器人技術(shù)已取代部分人類(lèi)執行的任務(wù)，越來(lái)越多的數據科學(xué)家參與制造過(guò)程，并且其他工人可在距離機器人更近的地方協(xié)同工作。

 

龐大的數據量有時(shí)可能會(huì )超出可傳送到中心進(jìn)行處理的帶寬。通過(guò)基于云的業(yè)務(wù)應用擁有一個(gè)整體視圖是工業(yè)4.0的標志之一，但這并不意味著(zhù)每條信息都將滲透到云端——實(shí)時(shí)通信主要只存在于生產(chǎn)車(chē)間。即使從長(cháng)遠來(lái)看，也沒(méi)有必要將所有數據都發(fā)送到一個(gè)中心點(diǎn)。

 

相反，我們旨在為生產(chǎn)環(huán)境中的器件添加更多智能元素。電機應用程序內部生成的數據具有更高的數據速率，且需要本地預處理，有時(shí)甚至需要在電機控制器內部進(jìn)行本地預分析。并非所有數據都要上云端。

 

結論

 

最終，工業(yè)4.0具有三種潛在的情況。一種是因為帶寬可用，數據都發(fā)送到云端。另一種是極端相反情況，因為數據量非常龐大，無(wú)法發(fā)送到云端，因此所有數據都在邊緣進(jìn)行處理并做出決策。

 

第三種（很可能是最佳選擇）是一種混合解決方案：嵌入在邊緣硬件中的預處理功能的組合，可將壓縮數據發(fā)送到云端以通過(guò)標準化通信進(jìn)行決策。這種方案最能支持分布式機器學(xué)習和人工智能在制造車(chē)間的實(shí)際應用，同時(shí)也使供應鏈收益。