無縫通信：工業(yè)4.0的支柱

Thomas Leyrer

想要在當(dāng)今的工業(yè)4.0環(huán)境中獲得競爭優(yōu)勢就必須確保多種先進(jìn)技術(shù)能夠協(xié)同工作，涉及云和邊緣硬件的混合方案可能是最佳解決方案。被稱為工業(yè)4.0的制造業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，匯集了多類技術(shù)，但是競爭優(yōu)勢來自它們能否協(xié)同工作。

在工廠車間，變革性技術(shù)包括新的感測、控制和通信系統(tǒng)。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(dān)當(dāng)新角色，在某些情況下，可以以更加綜合的方式與機(jī)器人近距離工作。

我們已越過了早期采用階段的臨界點，各個組織和企業(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)的人員來說，下一步需要讓這些技術(shù)協(xié)同工作（見圖1）。而要實現(xiàn)這一目標(biāo)需要一個基礎(chǔ)來統(tǒng)一其各種智能功能。

標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對于實現(xiàn)這種統(tǒng)一至關(guān)重要。它們不僅使系統(tǒng)可以更有效地交互操作且為制造商創(chuàng)造長期競爭優(yōu)勢，而且還使迭代學(xué)習(xí)成為可能?；ヂ?lián)的分布式設(shè)備可為人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)提供支持，以發(fā)展和優(yōu)化制造操作。

通信實現(xiàn)控制

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

如此說來，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。成功實現(xiàn)確保工人安全和節(jié)能兩個優(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型的制造。與此同時，工業(yè)通信、感測和控制使人們在注重功耗的同時能夠安全、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)，因為它使單個控制單元可通過網(wǎng)絡(luò)管理多個輸入和輸出（I/O）。工廠中的網(wǎng)絡(luò)控制體系結(jié)構(gòu)包括電機(jī)控制、運動控制、機(jī)器人技術(shù)和經(jīng)典可編程邏輯控制（PLC）之類等應(yīng)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(xiàn)代示例即機(jī)器人抓取或修改傳送帶上的東西。機(jī)器人控制是電機(jī)控制的特殊版本，其通過自己的感測生態(tài)系統(tǒng)控制多軸機(jī)器人手臂。機(jī)器視覺用于定位機(jī)器人手臂，并結(jié)合功能安全性，可使操作員監(jiān)控環(huán)境并確保在機(jī)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(nèi)核可實現(xiàn)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(tǒng)并支持智能功能，可動態(tài)控制和優(yōu)化智能工廠中的生產(chǎn)，同時具有高能效。

Sitara處理器構(gòu)成系統(tǒng)的一部分，具有廣泛的交互作用，但是除非各種控制系統(tǒng)可相互通信，否則這些交互作用無法實現(xiàn)。就像時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）和IO-Link之類規(guī)范出現(xiàn)前，I/O互聯(lián)要穿過不同的模擬路徑，不同的控制系統(tǒng)獨立工作，成為自己獨立的活動孤島。

TSN這套標(biāo)準(zhǔn)屬于完整的實時通信所必需的三個主要組件類別：

● 時間同步

● 計劃和流量成型

● 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(shù)據(jù)包相關(guān)。與其他數(shù)據(jù)包（非實時）相比，某些數(shù)據(jù)包具有更高的優(yōu)先級（實時）。根據(jù)應(yīng)用的不同，可通過數(shù)據(jù)包的類型、到達(dá)時間或帶寬來確定優(yōu)先級，有時會將流量整形與道路交通HOV車道（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，無論是PLC還是機(jī)器人。此外，每個器件都遵循處理和轉(zhuǎn)發(fā)通信數(shù)據(jù)包的相同規(guī)則，并具有冗余以確保容錯能力。

國際電工委員會61131-9T建立了雙向、數(shù)字、點對點IO-Link工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。在短距離內(nèi)有時甚至在不理想的條件下，IO-Link可將數(shù)字傳感器和執(zhí)行器通過有線或無線方式連接到某種類型的工業(yè)現(xiàn)場總線或某種類型的工業(yè)以太網(wǎng)。

例如，TI的DP83867物理層收發(fā)器可滿足工業(yè)4.0的時間同步需求。但是，它還旨在通過外部變壓器直接與雙絞線介質(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)的實現(xiàn)。

與TSN一起，IO-Link支持使用可實時生成和使用豐富的數(shù)據(jù)集的傳感器和執(zhí)行器，這是智能優(yōu)化制造和支持?jǐn)?shù)字轉(zhuǎn)換所必需的。

統(tǒng)一通信是工業(yè)4.0的支柱

通過TSN和IO-Link執(zhí)行的統(tǒng)一系統(tǒng)通信已實時在將生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字化的領(lǐng)域，實現(xiàn)了許多不同的工業(yè) 4.0功能。

它不僅可在一個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(tǒng)鏈接起來。統(tǒng)一通信并支持預(yù)測性維護(hù)以此提高了機(jī)器的可用性。用戶不僅可以在單個TSN骨干網(wǎng)絡(luò)上運行包括PLC、運動控制和機(jī)器視覺在內(nèi)的多個控制系統(tǒng)，還可為這些系統(tǒng)提供服務(wù)并從中心角度診斷任何問題?，F(xiàn)在各個部分都使用相同的語言，而不是使用具有獨立通信協(xié)議的獨立系統(tǒng)。

另外，通過實時數(shù)據(jù)交換，可實現(xiàn)各個生產(chǎn)區(qū)域之間的可比性或兼容性。數(shù)據(jù)從機(jī)器人控制順暢移動到PLC控制器再到機(jī)床，提高了生產(chǎn)系統(tǒng)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(shù)據(jù)輸入到企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）系統(tǒng)中。而且，盡管ERP系統(tǒng)不能直接控制產(chǎn)品在工廠車間的生產(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，并通過數(shù)據(jù)來告知制造績效以及其如何影響成本和利潤。

確定數(shù)據(jù)去向

數(shù)據(jù)科學(xué)在工業(yè)4.0中也發(fā)揮著重要作用。通過使控制系統(tǒng)相互通信，各個組織可使用更多信息共同工作來做出更明智的決策——根據(jù)業(yè)務(wù)目標(biāo)優(yōu)化生產(chǎn)。由于每個器件和每個I/O都會產(chǎn)生數(shù)據(jù)，因此現(xiàn)在幾乎可以快速分辨系統(tǒng)是否需要維護(hù)以防止中斷。

通用通信集成控制系統(tǒng)，也正在改變?nèi)祟惡蜋C(jī)器在工廠車間的工作方式。盡管先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)已取代部分人類執(zhí)行的任務(wù)，越來越多的數(shù)據(jù)科學(xué)家參與制造過程，并且其他工人可在距離機(jī)器人更近的地方協(xié)同工作。

龐大的數(shù)據(jù)量有時可能會超出可傳送到中心進(jìn)行處理的帶寬。通過基于云的業(yè)務(wù)應(yīng)用擁有一個整體視圖是工業(yè)4.0的標(biāo)志之一，但這并不意味著每條信息都將滲透到云端——實時通信主要只存在于生產(chǎn)車間。即使從長遠(yuǎn)來看，也沒有必要將所有數(shù)據(jù)都發(fā)送到一個中心點。

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(jī)應(yīng)用程序內(nèi)部生成的數(shù)據(jù)具有更高的數(shù)據(jù)速率，且需要本地預(yù)處理，有時甚至需要在電機(jī)控制器內(nèi)部進(jìn)行本地預(yù)分析。并非所有數(shù)據(jù)都要上云端。

結(jié) 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(shù)據(jù)都發(fā)送到云端。另一種是極端相反情況，因為數(shù)據(jù)量非常龐大，無法發(fā)送到云端，因此所有數(shù)據(jù)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(yù)處理功能的組合，可將壓縮數(shù)據(jù)發(fā)送到云端以通過標(biāo)準(zhǔn)化通信進(jìn)行決策。這種方案最能支持分布式機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能在制造車間的實際應(yīng)用，同時也使供應(yīng)鏈?zhǔn)找妗?/p>