传感器和处理器融合用于工业应用

工业 4.0 自 2011 年汉诺威博览会上创造这个流行词以来已经走过了漫长的道路。智能制造的旅程仍在继续，但近年来真正产生影响的是物联网 (IoT) 的起飞和问世人工智能 (AI) 解决方案。

在这里，值得一提的是，通用电气在 2012 年创造了工业互联网一词，指的是智能连接的众多工业设备，以创建可以监控、收集、交换、分析和提供有价值的见解的系统。最终，工业 4.0 和工业互联网的概念开始融合，最终形成工业物联网或 IIoT。

不管叫什么，工业 4.0 或 IIoT，其根本目标是在尖端电子技术的辅助下实现继蒸汽机、传送带和信息技术 (IT) 之后的第四次工业革命。它将制造和过程自动化提升到一个全新的水平，未来的工厂将构建由传感器、执行器和控制系统组成的互联系统，所有这些系统都通过互联网协议 (IP) 通过不同类型的网络连接起来。

图 1：工业 4.0 标志着数字化转型的下一个层次。 （图片：德州仪器）

加速工业 4.0 运动的是人工智能应用程序的集成，例如故障检测和分类。物联网和人工智能技术的结合正在改变工程师在生产环境中管理数据、传播信息和做出实时决策的方式。使用机器学习算法和基于机器人的流程处理可以进一步优化现代制造，并节省大量成本和工时。

在纽约斯克内克塔迪的通用电气工厂可以看到工业 4.0 的实际表现。钠镍电池制造工厂安装了 10,000 多个传感器，分布在 180,000 平方英尺的制造空间中。所有这些传感器都通过高速以太网连接。

这将我们带到了工业 4.0 设计的基本构建块之一：连接的传感器。

传感器互联网

通过有线或无线链路连接的传感器构成了工业 4.0 或 IIoT 系统的支柱。传感器向云端提供的机器数据可以优化制造、预测故障、安排维护和自动补充库存。

工业 4.0 领域传感器的新功能是定位和通信的融合，以创建精确的室内定位系统。这使工厂可以实时监控工具并管理工人的使用情况，以提高装配线上的效率、安全性和质量控制。

这些高精度和位置感知系统使用智能无线传感器解决方案。以传感器供应商博世与 CAB 概念集群 (CCC) 合作开发的智能驾驶室为例 .它将摄像头和无人机集成到农用车辆中，并将它们变成现场连接的控制中心。

图 2：除了智能制造，工业 4.0 计划正在扩展到互联农业等其他领域。 （图片：CAB 概念集群）

该解决方案为农民提供了由无人机拍摄并随后在云端处理的作物状况的详细图片。摄像无人机还可以执行物体识别，以警告农民注意鹿等活体障碍物。此外，农民可以执行特定功能，例如根据天气或土壤条件调整喷嘴设置。

博世还声称通过记录气缸的运动、夹具的循环时间以及制造过程中的温度和压力水平，提高了其在德国 Blaichach 工厂的 ABS/ESP 制动系统制造的生产率。从 RFID 标签收集的数据被传送到海量数据库，这些数据库对货物的内部流动进行数字化映射。

工业4.0芯片

半导体设备是工业 4.0 和 IIoT 设计的另一个关键要素。这包括用于边缘计算的处理器、用于数据存储的内存、数据转换器以及用于遥感和云平台链接的有线或无线连接芯片。

一个例子是 Sitara AM6x 德州仪器 (TI) 的处理器系列，可为工厂自动化、电机驱动器和电网基础设施提供千兆工业通信子系统。这些处理器围绕以太网和实时数据流量在单个网络上的融合而构建。并且它们支持多种协议，包括时间敏感网络 (TSN)、EtherCAT、Ethernet/IP 和 PROFINET

图 3：Sitara AM6548 多协议处理器的框图，为 TSN 等工业连接标准提供千兆吞吐量。 （图片：德州仪器）

这款支持 TSN 的处理器集成了一个基于 Arm Cortex-R5F 的双核微控制器 (MCU) 子系统，该子系统可以在可选的锁步模式下运行，并支持对片上存储器和外部双数据的纠错码 (ECC) 保护。速率 (DDR) 内存。这些功能使处理器能够为可编程逻辑控制器 (PLC) 和多轴电机驱动器等应用提高安全性并降低系统级复杂性。

工业 4.0 平台对高性能 PLC 的要求越来越高，并辅以安全连接和人机界面 (HMI)。 PLC 还必须缩小外形尺寸和过程价值链，同时增加模拟和数字 I/O 通道的数量。这些 PLC 需要支持新的 I/O 协议，例如 IO-Link .

此外，强大的片上系统 (SoC) 解决方案的出现使得数字孪生的创建成为可能，这些孪生将虚拟世界和物理世界配对，并创建将工业制造的所有步骤映射和链接在一起的数据池。这些网络物理系统创建了物理世界的虚拟副本，从而降低了监控物理过程的成本和效率。

未来工厂

工业 4.0 有望通过端到端传感器解决方案和服务在制造车间复兴。它有助于做出更明智的决策、提高运营效率、提高产量、提高工程生产力并显着推动业务绩效。

随着物联网传感器、大数据和人工智能应用程序可用性的加速，工业 4.0 的现实终于开始向前发展。根据 Gartner Inc. 的一份报告，2018 年，该领域有超过 60 亿台物联网设备，预计到 2022 年这一数字将增长到超过 200 亿。

随着更强大的处理节点、更自动化的生产流程以及能够近乎实时地处理和分析大量工厂数据的更智能的数据分析工具，未来的工厂正在缓慢而稳定地形成。它正在成为现实，一次一个物联网传感器解决方案。

>> 本文最初发表于我们的姊妹网站电子产品：“物联网传感器将工业 4.0 带入商业焦点。”