可視化當(dāng)今的工廠網(wǎng)絡(luò)，人們可以想象一個(gè)金字塔，其中包含一系列收集信息和運(yùn)行生產(chǎn)機(jī)器的邊緣設(shè)備。越來(lái)越多地分布在工廠中的控制層位于該邊緣層之上。

金字塔的最頂端是管理層——這是智能算法優(yōu)化機(jī)器吞吐量、預(yù)測(cè)潛在故障并啟用自適應(yīng)制造流程的地方。這個(gè)過(guò)程可以發(fā)生在私有云或公共云中；但是，我們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，至少目前，許多工廠和工廠更愿意將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)部服務(wù)器上的概念。

正在實(shí)施 IIoT 技術(shù)的行業(yè)正在經(jīng)歷兩個(gè)與硬件相關(guān)的關(guān)鍵因素。一是智能互聯(lián)傳感器數(shù)量的增加，這些傳感器正在收集為大數(shù)據(jù)分析提供支持的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。其次，嵌入在邊緣設(shè)備中的智能正在穩(wěn)步遷移。

這個(gè)例子說(shuō)明了許多工廠內(nèi)部發(fā)生的事情：

更智能的傳感器正在向云傳輸更豐富的數(shù)據(jù)集

振動(dòng)數(shù)據(jù)的第一級(jí)分析正在機(jī)器級(jí)進(jìn)行

在將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制器之前收集并關(guān)聯(lián)多個(gè)溫度點(diǎn)

執(zhí)行器具有改變機(jī)器性能和特性的智能

這種新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在工廠網(wǎng)絡(luò)的“邊緣”帶來(lái)了更多的能力和智能。這些新的邊緣設(shè)備架構(gòu)集要求組件具有高性能，這些組件必須足夠小以適應(yīng)現(xiàn)有的工廠設(shè)備，并且足夠堅(jiān)固以承受制造過(guò)程中的惡劣環(huán)境。這種不斷變化的邊緣架構(gòu)會(huì)影響各種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

擴(kuò)展智能傳感器

的使用 在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)施中，大量傳感器收集數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，并將其發(fā)送到 IO 集線器和/或分布式控制器。多年來(lái)，這些傳感器的功能不斷增加，而尺寸卻在縮小。

例如，讓我們看一下無(wú)處不在的安全光幕——光電設(shè)備，用于保護(hù)在可能造成傷害的移動(dòng)機(jī)械附近工作的人員，例如壓力機(jī)、卷繞機(jī)和碼垛機(jī)。安全光幕可用作機(jī)械屏障和其他形式的傳統(tǒng)機(jī)器防護(hù)的替代品。通過(guò)減少對(duì)物理防護(hù)裝置和屏障的需求，安全光幕可以提高它們所保護(hù)設(shè)備的可維護(hù)性。在 1960 年代，這些系統(tǒng)相當(dāng)大。今天的光幕更小，功能更多。憑借他們的智能，他們可以準(zhǔn)確地檢測(cè)出哪些光束被破壞。隨著這些設(shè)備越來(lái)越小，

不同的半導(dǎo)體技術(shù)支持更智能的連接傳感器架構(gòu)。如圖 3 所示，傳感器越來(lái)越多地由微處理器驅(qū)動(dòng)。此外，它們還包含復(fù)雜的串行收發(fā)器，并且需要復(fù)雜的電源子系統(tǒng)。

圖 1. 智能互聯(lián)傳感器需要復(fù)雜的構(gòu)建塊。

小型工業(yè)控制器做得更多

PLC 處理工廠和制造工廠收集的所有數(shù)據(jù)變得越來(lái)越小，通道密度也在增加。IO 通道的數(shù)量從單個(gè)數(shù)字輸入模塊中的 8 個(gè)變?yōu)?32 個(gè)并不罕見(jiàn)。至于縮小的外形尺寸，我們現(xiàn)在看到微型 PLC、緊湊型 PLC、納米 PLC 等的興起。控制器越來(lái)越多地分布在工廠車間，它們必須足夠小才能安裝在子裝配線上，或者在某些情況下，甚至可以安裝在復(fù)雜的機(jī)器上。這些小尺寸和更多通道數(shù)得益于更小、更集成和更可靠的組件。

讓我們討論一個(gè)例子，展示先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)如何幫助實(shí)現(xiàn)更小的 PLC 架構(gòu)。一個(gè)典型的系統(tǒng)具有許多電源子系統(tǒng)，并且由于現(xiàn)代微處理器/DSP 需要多個(gè)良好調(diào)節(jié)的電源軌，電源子系統(tǒng)的數(shù)量和復(fù)雜性正在上升。圖 4 說(shuō)明了漸進(jìn)式集成如何減小電源子系統(tǒng)的尺寸。

早期的電源子系統(tǒng)是分立的，在控制器芯片之外有許多組件。集成 FET 和補(bǔ)償元件使電源解決方案的尺寸減半。甚至集成了磁性元件的電源模塊的出現(xiàn)使電源解決方案的尺寸再次減半。如今，最新一代的電源模塊采用創(chuàng)新的封裝技術(shù)，可以更顯著地減小負(fù)載電流子集的尺寸。

圖 2. 隨著時(shí)間的推移，工業(yè)系統(tǒng)中電源解決方案的尺寸大幅縮小。

IIoT 架構(gòu)的未來(lái)是什么樣子

下一代 IIoT 解決方案旨在提高生產(chǎn)力、提供自適應(yīng)制造并提供機(jī)器級(jí)健康和狀態(tài)信息，以做出關(guān)鍵任務(wù)的實(shí)時(shí)決策。進(jìn)一步解鎖工業(yè)融合的另一個(gè)要素需要提高可收集并上傳到云的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的可用性、質(zhì)量和數(shù)量。您可以想象，啟用這些功能需要更小的空間和更高的效率。Maxim的新Go-IO IIoT參考設(shè)計(jì)提供 17 個(gè)軟件可配置 IO，包括隔離式數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、IO-Link 主站和帶集成電源的隔離式 RS-485，占地面積不到 1 立方英寸。Go-IO 參考設(shè)計(jì)專為可配置工業(yè)控制系統(tǒng)的快速原型設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)而設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)制造所需的基礎(chǔ)技術(shù)的一個(gè)示例。

作者：Suhel Dhanani，Jeff DeAngelis

審核編輯：郭婷