制造業(yè)正在經(jīng)歷一場變革性的革命，因?yàn)槲覀冋J(rèn)識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化系統(tǒng)——這些系統(tǒng)的范圍從小型、互聯(lián)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)市場研究公司ARC的說法，“向數(shù)字化的轉(zhuǎn)變已經(jīng)出售，至少部分是基于顯著改善或改變業(yè)務(wù)的可能性。大約一半的受訪者看到了新業(yè)務(wù)模式和收入來源的機(jī)會，以及提高業(yè)務(wù)響應(yīng)能力和敏捷性的機(jī)會。

事實(shí)上，制造過程會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。反過來，這些數(shù)據(jù)可以用于一些非常有價(jià)值的目的：預(yù)測故障，優(yōu)化設(shè)備壽命，獲得新的收入來源，甚至優(yōu)化生產(chǎn)過程以更好地滿足市場需求。數(shù)據(jù)采集和分析機(jī)制在這里顯然至關(guān)重要，反饋路徑也同樣重要，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)制造過程。自動化系統(tǒng)必須小巧、堅(jiān)固且高性能，以確保 IIoT 愿景成為現(xiàn)實(shí)。

微小、互聯(lián)的傳感器推動工廠自動化
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智能、互聯(lián)且足夠小，以適合狹窄的組件或微小的閥門和執(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，以清理必須通過標(biāo)準(zhǔn)通信鏈路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

隨著現(xiàn)代制造設(shè)施內(nèi)所有智能互聯(lián)傳感器的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)收集和處理的分布式變得越來越普遍。我們過去看到的大型中央可編程邏輯控制器（PLC）已經(jīng)讓位于越來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的西門子安貝格電子工廠，有多個(gè)分布式PLC控制著高度自動化生產(chǎn)流程的每一步。多年來，PLC已經(jīng)從1970年代的小房間或櫥柜縮小到可以放在手掌中的設(shè)備，大約在2000年。今天的PLC具有比其前代產(chǎn)品高得多的處理和接口能力。

然而，對于較小的系統(tǒng)，處理散熱和在惡劣環(huán)境中運(yùn)行的其他方面也帶來了挑戰(zhàn)。工業(yè)系統(tǒng)必須能夠在55°C至75°C的環(huán)境工作環(huán)境中工作。通常，這些是被動冷卻的，因此在構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)，考慮每個(gè)部分消耗的功率非常重要。例如，考慮具有多個(gè)數(shù)字輸入的控制器。圖1所示為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，由分立器件和光耦合器組成，用于隔離每個(gè)輸入通道。采用 2.2Kohm 輸入電阻和 24V V在，輸入電流為11mA，這意味著每個(gè)輸入通道的功耗為264mW。雖然這個(gè)數(shù)字可能看起來很低，但請記住，現(xiàn)代 PLC 擁有 8、16 甚至 32 個(gè)數(shù)字 IO 通道的情況并不少見。

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/部分的功耗可能會急劇上升?？紤]到只有被動冷卻的系統(tǒng)，隨著PLC尺寸的縮小，僅由設(shè)計(jì)的數(shù)字輸入部分造成的這種功耗水平可能會帶來麻煩。

表 1.

還有另一種選擇可以解決功耗挑戰(zhàn)：用集成IC代替分立邏輯，這將允許可配置的輸入電流限制。考慮一種解決方案，將最大輸入電流設(shè)置為2.5mA。在此級別，您將減少四分之一的功耗?；氐缴厦?2個(gè)通道的示例，您的數(shù)字輸入部分現(xiàn)在的最大功耗將低于2W。而且，單個(gè)IC取代了2個(gè)分立器件通道（有關(guān)該替代控制器架構(gòu)的說明，請參見圖<>）。

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)載是感性的，因此當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電感器會嘗試保持電流流動（見圖3）。必須在電感器兩端使用續(xù)流二極管來抑制反電動勢和/或保護(hù)MOSFET。

圖3.控制系統(tǒng)中的數(shù)字輸出模塊。

市場上一些較新的數(shù)字輸出驅(qū)動器集成了FET開關(guān)，無需外部續(xù)流二極管。內(nèi)部箝位二極管將負(fù)偏移限制在 （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)在集成了更多的信號調(diào)理以及先進(jìn)的通信功能，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。支持 IO-Link 的傳感器會告訴您越過接近限制的確切距離。IO-Link 收發(fā)器越來越小，功耗/熱效率越來越高。

如您所見，隨著我們朝著全面實(shí)現(xiàn)IIoT愿景的方向邁進(jìn)，我們自動化工廠中的底層組件將需要符合重要的解決方案尺寸和能效指南。

審核編輯：郭婷