導(dǎo)讀:工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)涉及數(shù)據(jù)采集、處理、交換和分析,是傳統(tǒng)分布式控制系統(tǒng)(DCS)的演進(jìn)和擴(kuò)展,借助云計(jì)算來(lái)優(yōu)化流程控制以獲得更高程度的自動(dòng)化。
作為泛物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的一個(gè)分支,工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)是指互聯(lián)的傳感器、儀器和設(shè)備與計(jì)算機(jī)工業(yè)應(yīng)用軟件系統(tǒng)一起組成的網(wǎng)絡(luò),用于制造流程的自動(dòng)化和效率提升,以及制造裝備、能源和資產(chǎn)的有效管理及成本降低。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)涉及數(shù)據(jù)采集、處理、交換和分析,是傳統(tǒng)分布式控制系統(tǒng)(DCS)的演進(jìn)和擴(kuò)展,借助云計(jì)算來(lái)優(yōu)化流程控制以獲得更高程度的自動(dòng)化。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)、架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用
IIoT的使能技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)安全、云計(jì)算、邊緣計(jì)算、移動(dòng)技術(shù)、機(jī)器-機(jī)器通信、3D打印、機(jī)器人、工業(yè)大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、RFID技術(shù),以及認(rèn)知計(jì)算等。其中最為重要的五大技術(shù)簡(jiǎn)述如下:
虛擬-物理系統(tǒng)(CPS):這是將傳統(tǒng)分離設(shè)備組網(wǎng)連接起來(lái)的IIoT基礎(chǔ)技術(shù)平臺(tái),將物理流程的動(dòng)態(tài)與數(shù)字化的軟件和通信集成起來(lái),為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供抽象和建模、設(shè)計(jì)及分析功能。
云計(jì)算:隨著互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)技術(shù)和市場(chǎng)的發(fā)展趨于成熟、穩(wěn)定和安全,工業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)和通信也逐漸從傳統(tǒng)的本地服務(wù)器轉(zhuǎn)移到云計(jì)算平臺(tái),工業(yè)流程的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算處理也更多地匯聚在云端進(jìn)行。亞馬遜、微軟、阿里云和華為等公司都針對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)推出了各自的IIoT云平臺(tái),GE、西門(mén)子等傳統(tǒng)工業(yè)巨頭也分別推出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。
邊緣計(jì)算:與云計(jì)算相反,邊緣計(jì)算是一種去中心化的數(shù)據(jù)處理技術(shù),即在邊緣側(cè)和終端設(shè)備上直接進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理,以滿(mǎn)足工業(yè)流程對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理和響應(yīng)的要求。
大數(shù)據(jù)分析:對(duì)工業(yè)流程所產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)及各種數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析,以提煉出有價(jià)值的信息供科學(xué)決策使用。
AI和機(jī)器學(xué)習(xí):將工業(yè)設(shè)備智能化以完成人機(jī)交互,或者機(jī)器與機(jī)器的通信與協(xié)作。機(jī)器學(xué)習(xí)是工業(yè)應(yīng)用AI的重要組成部分,可通過(guò)精準(zhǔn)的算法讓軟件系統(tǒng)更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)工業(yè)運(yùn)營(yíng)結(jié)果。
IIoT系統(tǒng)采用一種分層的模塊化結(jié)構(gòu),從下至上分別包括設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)層和內(nèi)容層。設(shè)備層是指CPS、傳感器和設(shè)備等物理組件;網(wǎng)絡(luò)層包括物理網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)、云計(jì)算和通信協(xié)議等;服務(wù)層包括對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和輸出的應(yīng)用軟件;內(nèi)容層包括用戶(hù)接口設(shè)備,比如屏幕、平板電腦等。
很多公司和行業(yè)組織都在開(kāi)發(fā)技術(shù)平臺(tái)以支持各種IIoT技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、軟件和設(shè)備,比如IBM的認(rèn)知IoT、REST、OPC等,以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(IIC)的參考架構(gòu)(IIRA)。
雖然連接和數(shù)據(jù)采集對(duì)IIoT來(lái)說(shuō)是必不可少的元素,但這并非最終的目標(biāo)。IIoT當(dāng)前的一個(gè)熱門(mén)應(yīng)用是預(yù)測(cè)性維護(hù),因?yàn)檫@可以應(yīng)用到現(xiàn)有的設(shè)備資產(chǎn)管理系統(tǒng),降低非預(yù)期停機(jī)時(shí)間,從而提高生產(chǎn)效率。工業(yè)大數(shù)據(jù)分析在制造設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)方面扮演著關(guān)鍵角色。
以上簡(jiǎn)要介紹了IIoT的概念、技術(shù)、架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用,下面我們從硬件實(shí)現(xiàn)的角度,分別闡述邊緣計(jì)算和智能感傳感器這兩種工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)。
邊緣計(jì)算
根據(jù)Gartner和IDC的市場(chǎng)預(yù)測(cè),到2022年全球IoT市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1.2萬(wàn)億美元,企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)的一半將來(lái)自云平臺(tái)和數(shù)據(jù)中心以外的地方,其中增長(zhǎng)最快的是移動(dòng)和IoT設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。到2020年投入到邊緣計(jì)算方面的資源將占到IoT整體開(kāi)支的18%,這意味著邊緣計(jì)算將是一個(gè)快速增長(zhǎng)且市場(chǎng)潛力巨大的新興領(lǐng)域,思科和華為等企業(yè)級(jí)系統(tǒng)方案提供商也在邊緣計(jì)算上投入更多技術(shù)和市場(chǎng)資源。
究竟什么是邊緣計(jì)算?到目前為止業(yè)界還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義。按照工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(IIC)的說(shuō)法,邊緣并不是一個(gè)可以明確的物理層,而是一個(gè)因應(yīng)用場(chǎng)景而異的邏輯層概念。但是,邊緣計(jì)算的主要價(jià)值在于可以降低數(shù)據(jù)延遲,因?yàn)檫吘売?jì)算設(shè)備離數(shù)據(jù)源比較近,可以就地計(jì)算、處理和觸發(fā)行動(dòng),而不必先傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行處理,然后再反饋行動(dòng)指令,這對(duì)實(shí)時(shí)性和帶寬要求比較高的應(yīng)用特別重要。
對(duì)于IIoT應(yīng)用,除低延遲的實(shí)時(shí)性要求外,數(shù)據(jù)安全也是制造企業(yè)及IT/OT技術(shù)開(kāi)發(fā)商需要考慮的因素。另外,制造設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)并沒(méi)有特別的變化,全部上傳到云端會(huì)造成很大的寬帶和成本壓力。而邊緣計(jì)算設(shè)備可以在本地處理和存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù),只將動(dòng)態(tài)變化或異常的META信息傳輸?shù)皆贫司涂梢粤恕?/p>
智能傳感器
傳統(tǒng)意義上的傳感器只是感應(yīng)和測(cè)量物理環(huán)境的狀態(tài),比如溫度、濕度、氣壓、振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)等,而所謂的“智能”傳感器不但具有這些基本的感應(yīng)能力,還具有計(jì)算和處理性能,甚至無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能。此外,智能傳感器將傳感器件與微處理器和無(wú)線(xiàn)通信模塊集成在一個(gè)芯片封裝內(nèi),比傳統(tǒng)的傳感器尺寸更小、功耗更低,而性能更高,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字處理和雙向通信等各種領(lǐng)域。微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)是一個(gè)典型的智能傳感器,其內(nèi)置的微處理器可將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)換和傳輸。這類(lèi)器件可以集成更多的功能,不但可以縮小電子設(shè)備的尺寸,而且精確度和靈敏度也有很大的提升。
在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域,智能傳感器可用于工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)(AGV)、自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)、機(jī)器人激光焊接等各種場(chǎng)合。