传感器和处理器融合用于工业应用

工业 4.0 自 2011 年汉诺威工业博览会上提出流行语以来已经走过了漫长的道路。智能制造之旅仍在继续，但近年来真正有所作为的是物联网 (IoT) 的起飞和出现人工智能 (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这个术语，指的是智能连接的大量工业设备，以创建可以监控、收集、交换、分析和提供有价值见解的系统。最终，工业 4.0 和工业互联网的概念开始融合，最终形成了工业物联网或 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，未来的工厂将构建连接系统，包括传感器、执行器和控制系统，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。

加速工业 4.0 运动的还有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，从而节省大量成本和工时。

工业 4.0 的实际体现可以在通用电气位于纽约斯克内克塔迪的工厂中看到。钠镍电池的制造工厂在 180,000 平方英尺的制造空间中安装了 10,000 多个传感器。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 设计的基本组成部分之一：连接传感器。

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 系统的主干。传感器传送到云端的机器数据可以优化制造、预测故障、安排维护并自动补充库存。

工业 4.0 领域传感器的新功能是本地化和通信的融合，用于创建精确的室内定位系统。这使工厂能够实时监控工具并管理工人对工具的使用，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。它将摄像机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。

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照片。相机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，提高了其在德国布莱查赫工厂的 ABS/ESP 制动系统制造的生产力。从 RFID 标签收集的数据被传送到以数字方式映射内部货物流动的海量数据库。

工业4.0芯片

半导体设备是工业 4.0 和 IIoT 设计中的另一个关键要素。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。

一个例子是德州仪器 (TI)的Sitara AM6x处理器系列，它支持用于工厂自动化、电机驱动和电网基础设施的千兆工业通信子系统。这些处理器是围绕以太网和单个网络上的实时数据流量的融合而构建的。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，它为 TSN 等工业连接标准提供千兆位吞吐量。（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。这些特性使处理器能够提高安全性并降低可编程逻辑控制器 (PLC) 和多轴电机驱动器等应用的系统级复杂性。

工业 4.0 平台对配备安全连接和人机界面 (HMI) 的高性能 PLC 的要求越来越高。PLC 还必须缩小外形尺寸和处理价值链，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) 解决方案的出现促成了数字孪生的创建，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，从而使监控物理过程的成本更低、效率更高。

未来工厂

工业 4.0 承诺通过端到端传感器解决方案和服务在制造领域实现复兴。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提高业务绩效。

随着物联网传感器、大数据和人工智能应用程序的可用性加速，工业 4.0 的现实终于开始向前发展。根据 Gartner Inc. 的报告，2018 年，该领域的物联网设备数量超过 60 亿台，预计到 2022 年这一数字将增长到超过 200 亿台。

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

审核编辑 黄昊宇