制造業(yè)正在經(jīng)歷一場(chǎng)變革性的革命，因?yàn)槲覀冋J(rèn)識(shí)到可以分析制造流程中固有的數(shù)據(jù)以提高整體效率和生產(chǎn)力。這將需要改變工廠中部署的自動(dòng)化系統(tǒng)——從小型、連接和智能傳感系統(tǒng)到邊緣的分布式控制，再到嵌入式硬件安全，甚至自適應(yīng)制造系統(tǒng)。這篇文章研究了不同的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT） 用例，并探討了系統(tǒng)必須如何發(fā)展才能實(shí)現(xiàn)這一現(xiàn)象。

根據(jù)市場(chǎng)研究公司 ARC 的說(shuō)法，“至少在一定程度上，基于顯著改善或轉(zhuǎn)變業(yè)務(wù)的可能性，數(shù)字化的轉(zhuǎn)變已被推銷(xiāo)。大約一半的受訪者看到了新業(yè)務(wù)模式和收入流的機(jī)會(huì)，以及提高業(yè)務(wù)響應(yīng)能力和敏捷性的機(jī)會(huì)?！?/p>

事實(shí)上，制造過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。反過(guò)來(lái)，這些數(shù)據(jù)可以被分析用于一些非常有價(jià)值的目的：預(yù)測(cè)故障、優(yōu)化設(shè)備壽命、獲得新的收入來(lái)源，甚至優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程以更好地滿足市場(chǎng)需求。數(shù)據(jù)捕獲和分析機(jī)制在這里顯然至關(guān)重要，反饋路徑也很重要，它允許優(yōu)化邊緣設(shè)備和控制器以根據(jù)數(shù)據(jù)分析微調(diào)制造過(guò)程。自動(dòng)化系統(tǒng)必須小巧、堅(jiān)固且高性能，以確保 IIoT 愿景成為現(xiàn)實(shí)。

微型互聯(lián)傳感器推動(dòng)工廠自動(dòng)化

任何數(shù)字工廠的命脈都是從邊緣傳感器和控制器收集的數(shù)據(jù)。這些邊緣傳感器必須是智能的、連接的并且足夠小，以適合狹窄的組件或微型閥門(mén)和執(zhí)行器。除了收集數(shù)據(jù)外，這些傳感器系統(tǒng)還有望執(zhí)行一些實(shí)時(shí)處理，以清理必須通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)通信鏈路傳遞的數(shù)據(jù)。

借助現(xiàn)代制造設(shè)施內(nèi)的所有智能連接傳感器，分布式數(shù)據(jù)收集和處理變得司空見(jiàn)慣。我們過(guò)去常常看到大型中央可編程邏輯控制器 （PLC） 已經(jīng)讓位于越來(lái)越緊湊的分布式控制器，這些控制器在整個(gè)制造流程中呈扇形分布。在展示工業(yè) 4.0 的西門(mén)子安貝格電子工廠，有多個(gè)分布式 PLC 控制著高度自動(dòng)化生產(chǎn)流程的每個(gè)步驟。多年來(lái)，PLC 已經(jīng)從 1970 年代的小房間或柜子的大小縮小到大約 2000 年可以放在手掌中的設(shè)備。今天的 PLC 具有比其前輩更高的處理和接口能力。

然而，對(duì)于較小的系統(tǒng)，處理散熱和在惡劣環(huán)境中運(yùn)行的其他方面的挑戰(zhàn)也隨之而來(lái)。工業(yè)系統(tǒng)必須能夠在 55°C 至 75°C 的環(huán)境操作環(huán)境中工作。通常，這些都是被動(dòng)冷卻的，因此在構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)考慮每個(gè)部分消耗的功率很重要。例如，考慮具有多個(gè)數(shù)字輸入的控制器。圖 1 顯示了一種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括用于每個(gè)輸入通道隔離的分立器件和光耦合器。輸入電阻為2.2Kohm，輸入電壓為24V V IN，輸入電流為11mA，即每個(gè)輸入通道的功耗為264mW。雖然這個(gè)數(shù)字可能看起來(lái)很低，但請(qǐng)記住，現(xiàn)代 PLC 擁有 8、16 甚至 32 個(gè)數(shù)字 IO 通道并不少見(jiàn)。

圖 1. 采用分立元件的傳統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)。

如表 1 所示，PLC 的數(shù)字 IO 模塊/部分消耗的功率可能會(huì)急劇上升。考慮到只有被動(dòng)冷卻的系統(tǒng)，隨著 PLC 尺寸的縮小，設(shè)計(jì)中僅數(shù)字輸入部分的這種功耗水平可能會(huì)帶來(lái)麻煩。

解決電源挑戰(zhàn)還有另一種選擇：用集成 IC 替換分立邏輯，這將允許可配置的輸入電流限制。考慮一種可讓您將最大輸入電流設(shè)置為 2.5mA 的解決方案。在此級(jí)別，您將減少四分之一的功耗。回到我們上面的 32 通道示例，您的數(shù)字輸入部分現(xiàn)在的最大功耗將低于 2W。并且，單個(gè) IC 取代了 8 個(gè)分立器件通道（參見(jiàn)圖 2 中對(duì)這種替代控制器架構(gòu)的描述）。

圖 2. 基于集成 IC 的控制器架構(gòu)。

功能豐富的集成解決方案可以解決解決方案尺寸、功耗和散熱方面的挑戰(zhàn)。驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器的數(shù)字輸出模塊提供了另一個(gè)例子。許多負(fù)載都是電感性的，因此當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，電感器會(huì)嘗試保持電流流動(dòng)（參見(jiàn)圖 3）。必須在電感兩端使用續(xù)流二極管來(lái)抑制反電動(dòng)勢(shì)和/或保護(hù) MOSFET。

圖 3. 控制系統(tǒng)中的數(shù)字輸出模塊。

市場(chǎng)上一些較新的數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器包含一個(gè) FET 開(kāi)關(guān)，無(wú)需外部續(xù)流二極管。內(nèi)部鉗位二極管將負(fù)偏移限制為 （VDD – VCL），并允許續(xù)流電流快速消磁感性負(fù)載，從而釋放大量電路板空間。

與控制器一樣，傳感器設(shè)計(jì)也受益于滿足尺寸和功耗要求的組件。傳感器現(xiàn)在結(jié)合了更多的信號(hào)調(diào)理和先進(jìn)的通信能力——同時(shí)變得更小。許多傳感器現(xiàn)在還支持 IO-Link，這是一種允許傳感器與控制器進(jìn)行數(shù)字通信的通信協(xié)議。啟用 IO-Link 的傳感器會(huì)告訴您已越過(guò)接近限制的確切距離。IO-Link 收發(fā)器變得越來(lái)越小，功率/熱效率也越來(lái)越高。

審核編輯：郭婷