本應用筆記探討了在實施工業4.0所需的基礎設施之前需要解決的各種系統設計障礙，并探討了一些關鍵的系統挑戰。

介紹

自動化行業的每個人都聽說過“工業4.0”的流行語，這是2011年在漢諾威博覽會上首次創造的短語。這種工業概念設想未來的工廠將更加集成化、自動化和靈活。更快、更高效，他們將生產出不斷變化的市場所需的商品。

工業4.0，顧名思義，意味著我們已經經歷了三次工業革命，并且正處于第四次工業革命的風口浪尖（圖1）。1

圖1.回顧最近一段時間，我們可以確定工業自動化發展的四個不同的關鍵時刻。圖形來源是DFKI。

很明顯，制造和過程自動化的第四次革命將在連接系統的骨干上推進：傳感器、執行器、控制系統都通過互聯網協議通過不同類型的網絡連接。一旦所有機器/傳感器數據都在云上，就可以進行有趣的分析，以優化制造、預測故障、安排維護、自動補充庫存，甚至定制成品規格以反映市場動態。

工業4.0的一個有趣的當代例子是通用電氣在紐約斯克內克塔迪的最新美國工廠。這家鈉鎳電池制造工廠在 180，000 平方英尺的制造空間中擁有 10，000 多個傳感器;所有傳感器都連接到高速內部以太網。2正如麻省理工學院技術評論所寫：“[傳感器]監控諸如使用哪些批次的粉末來形成電池核心的陶瓷，使用多高的溫度來烘烤它們，制造每個電池需要多少能量，甚至當地的氣壓。在工廠車間，擁有iPad的員工可以從工廠周圍設置的Wi-Fi節點中提取所有數據。?3

本文從第四次工業革命正在進行這一前提開始。它認為，車間無處不在的連接將帶來生產力和可預測性的提高，這在很大程度上是由不斷改進的軟件和算法驅動的。是的，令人印象深刻且相當容易實現。然而，在我們建立基礎設施和這場革命真正進行之前，有各種系統設計障礙需要解決。本文將探討其中的一些關鍵系統挑戰。

工業 4.0 的系統級設計注意事項

工業4.0愿景的實現很可能跨越十年或二十年，但它已經影響了各種系統設計。自動化顯示了邁向工業 4.0 時必須實施的三個關鍵系統設計方面。

分布式計算與控制

一個已經在進行的關鍵系統級趨勢是計算和控制系統的本地化。需要分布式控制來增加復雜裝配線的靈活性，提供低延遲控制，并減輕主PLC的處理要求。在下一代工廠中，這將變得更加普遍。PLC的尺寸將繼續縮小，并處理越來越多的模擬和數字I/O通道。PLC還必須支持各種I / O協議，包括較新的協議，如IO-Link標準。?

無處不在的傳感器 那么所有不同的傳感器
呢？工業4.0的基本前提是制造數據是共享的，但這意味著必須首先收集越來越多的數據。這種雪崩式的數據源于工廠和過程設施內傳感器系統數量的爆炸式增長，并蔓延到遠程操作中。即使過程參數今天不會影響您的控制算法，仍必須收集其數據以備將來使用。我們可以預見，今天在云上運行的算法的快速和預期的創新最終可能會“重新發明”一個舊的過程參數來預測一個重要的系統故障機制。業內經常用來描述傳感解決方案增長的短語是“普遍傳感”。我們將在下面對此進行更多說明。

經過身份驗證的安全性
最后，通過互聯網協議連接所有傳感器、控制系統和執行器以實現“大”數據分析肯定會增加安全問題。大部分工業安全問題通過軟件防火墻和安全互聯網交換機/網關得到解決。但安全問題不僅限于這些通信門戶，還包括硬件本身。新的縱深防御標準要求終端設備網絡（例如，用于此討論的傳感器和 PLC）經過身份驗證且安全。這種基礎廣泛的軟件和硬件安全性對這些系統的設計有直接的系統級影響。

分布式本地控制：微型PLC的興起 一個更小但功能強大的PLC
可以對過程或裝配線進行本地控制，因此非常有吸引力，因為它可以實現低延遲的分布式控制。但是，微型PLC設計必須應對模擬I/O集成和散熱方面的重大技術挑戰，這些挑戰在Maxim開發的Micro PLC概念驗證設計中得到了成功解決（圖3）。

圖3.這款微型 PLC 概念驗證集成了 32 位微控制器、以太網連接和 25 個 I/O 通道。總面積為 23 立方英寸（406，125 毫米）3).

這款微型PLC適合您的手掌。它集成了必要的32位微處理器和以太網連接;它處理和連接總共 25 個 I/O 通道。具體而言，它提供：

4 個模擬輸入和 1 個模擬輸出通道

8 個數字輸入和 8 個數字輸出通道

四通道 IO-Link 模塊，可與 4 個支持 IO-Link 的傳感器連接

成功的模擬集成
我們知道，模擬和分立元件占 PLC I/O 模塊電路板空間的 50% 到 70%。我們還知道，I/O 模塊在任何 PLC 中都需要大量空間。因此，將完整的PLC系統縮小到這種微型尺寸需要我們解決模擬I/O集成挑戰。

實現這種微小外形的一種方法是使用集成模擬器件，而不是大量甚至數百個分立元件。電路板尺寸縮小，功耗下降，可靠性提高。圖4所示為八通道串行器（MAX31911）和四通道數據隔離器（MAX14932），取代了左圖傳統設計中的數十個分立光耦合器和數百個電阻和電容。這種緊湊的微型 PLC 解決方案具有與常規 PLC 相同的 I/O 通道容量。

更詳細的圖像。
圖4.這款雙芯片微型 PLC 概念驗證取代了數百個分立元件。

散熱和高效功率轉換

當您將這些眾多通道集成到如此激進的外形尺寸中時，板載 DC-DC 切換器的散熱和功率轉換效率成為主要問題。更高的電源效率導致更涼爽的運行。

圖5

所示為

MAX17505

DC-DC同步開關穩壓器以5V輸出驅動不同負載電流的功率效率曲線。

圖5.效率與負載電流的關系。數據顯示，在很寬的電壓范圍內，效率高于 90%在和負載電流。

該系列穩壓器的效率高于 90%（假設背板輸入電壓為 24V，電流驅動> 1A），與傳統解決方案相比，運行溫度低 30% 至 50%。這意味著顯著降低溫升，因此更容易將更多的I/O模塊封裝到更小的微型PLC中。

關于MAX17505高效、高電壓、同步整流降壓轉換器，我們可以說很多（圖6）。該器件采用雙路集成 MOSFET，可在 4.5V 至 60V 輸入范圍內工作，并提供高達 1.7A 和 0.9V 至 90%V 的電流在輸出電壓。輸出電壓范圍內的內置補償功能免除了增設外部元件的需要。-40°C至+125°C范圍內的反饋（FB）調節精度為±1.1%。該下變頻器采用緊湊型 （4mm x 4mm） TQFN 無鉛 （Pb） 封裝，帶裸焊盤。提供仿真模型。

圖6.MAX17505是高效率、高電壓、同步整流降壓轉換器，具有雙路集成MOSFET，工作在4.5V至60V輸入電壓，提供高達1.7A和0.9V至90%V的電流在輸出電壓。

MAX17505采用峰值電流模式控制架構，具有MODE功能，以多種控制方案工作器件：脈寬調制（PWM）、脈沖頻率調制（PFM）或非連續導通模式（DCM）。PWM 操作可在所有負載下提供恒定頻率操作，在對開關頻率敏感的應用中非常有用。PFM 操作可禁用負電感器電流，并在輕負載時額外跳脈沖以實現高效率。MAX17505具有DCM，具有恒定頻率工作特性，負載比PFM模式輕，在輕負載時不跳脈沖，僅禁用負電感電流。DCM 操作提供介于 PWM 和 PFM 模式之間的效率性能。低電阻片內 MOSFET 可確保滿載時的高效率并簡化布局。

采用 IO-Link 通信標準的普遍檢測

在未來的工廠中，傳感器將無處不在，并通過不同的接口直接連接到網關或PLC。傳感器不再僅僅發送ON/OFF信號，而是很快將傳輸豐富的數據。IO-Link協議是業界發展最快的傳感器通信技術之一，在何時何地變得如此重要。雖然 IO-Link 是 IEC 標準，但它基于已建立的 3 線傳感器和執行器連接。?

自 1980 年代以來，工業現場總線允許更智能的設備、更快的安裝、更少的布線和更輕松的維護。然而，缺乏單一的、普遍接受的現場總線也造成了混亂、培訓挑戰、高成本和設備之間的兼容性問題。IO-Link 協議是第一個用于與傳感器和執行器通信的開放式、現場總線診斷、低成本、點對點串行通信標準。它已被采用為國際標準（IEC 61131-9）。4

IO-Link協議標準化了世界各地工業設備之間的互操作性。該標準可以直接存在于PLC上，也可以集成到所有標準現場總線中。這種靈活性很快使其成為與智能設備（如Maxim Integrated的Santa Cruz光學傳感器MAXREFDES23#）進行通用通信的事實標準（圖7）。

圖7.圣克魯斯光學光傳感器的參考設計框圖。

IO-Link技術以及傳感器的持續小型化，有助于在整個工廠內部署超小型、高能效傳感器。圖 8 顯示了圣克魯斯 IO-Link 顏色傳感器。

圖8.MAXREFDES23# 是一款微型 IO-Link 光傳感器，集成了六個傳感器：環境光（透明）、紅色、綠色、藍色、紅外線和溫度。所有這些都在6.5mm x 25mm的微型印刷電路板（PCB）上。

作為世界上最小的 IO-Link 光傳感器之一，Santa Cruz MAXREFDES23# 系統在微型 PCB 上集成了六個傳感器——環境光（透明）、紅色、綠色、藍色、紅外和溫度。Santa Cruz設計包括一個行業標準的Maxim IO-Link器件收發器（MAX14821）;瑞薩電子超低功耗、16位微控制器（RL78），采用Technologie Management Gruppe Technologie and Engineering （TMG TE） IO-Link器件堆棧;以及Maxim集成MAX44008光傳感器（圖7和圖8）。此次合作使圣克魯斯成為符合 IO-Link 版本 1.1/1.0 標準的光傳感器參考設計。像Santa Cruz這樣的緊湊型傳感系統使得部署許多廣泛的傳感器變得簡單方便，這些傳感器通過IO-Link協議向連接到云或PLC的傳感器集線器提供有用的數據。?

今天的工業傳感器（如Santa Cruz）必須具有超高能效，因為它們體積小且封閉，以確保安全。這些傳感器設計中，越來越多的人將使用高效DC-DC開關穩壓器，而不是傳統的LDO。圖9所示的MAX17550/MAX17551 DC/DC穩壓器等產品即使在驅動25mA和50mA小負載電流時也能提供>90%的效率。

圖9.MAX17550/MAX17551高效DC-DC開關穩壓器設計用于驅動傳感器系統應用的低負載電流。

對嵌入式硬件安全的需求

眾所周知，IC供應商并不總是認為安全性至關重要。考慮一下最近由Unisys“與Ponemon Institute合作”贊助的對13個國家的599名全球IT和IT安全高管的調查。他們的結果發現，只有28%的受訪者認為安全性是整個企業的五大戰略優先事項之一。然而，幾乎60%的人承認網絡威脅使他們的控制系統和SCADA系統面臨風險。5

只有28%的受訪者優先考慮安全性。這應該會讓讀者感到不安，因為我們知道分布式控制和無處不在的連接已經在推動對安全性日益增長的需求。大多數安全問題都圍繞著對更好的防火墻、入侵檢測系統和安全交換架構的需求。但同樣重要的是需要可靠的硬件，尤其是I/O模塊和遠程現場傳感器。這些設備可以被克隆或欺騙，尤其是在它們周圍幾乎沒有物理安全性的情況下。當發生任何此類違規行為時，根據從這些設備收集的數據做出關鍵決策的工業互聯網將受到嚴重損害。因此，確保這些系統經過身份驗證和保護至關重要。最終，如果沒有安全的嵌入式硬件，我們將無法充分體驗工業4.0的潛力。

我們對工業4.0安全系統的關注必須從將數據發送到云或PLC的可信傳感器開始。遠程安全漏洞的影響是深遠的。例如，如果受損傳感器發送有關油箱中油位或管道中壓力的虛假數據，則基于該數據采取（或未采取）的操作可能會產生災難性后果。我是不是太戲劇化了？一點也不。但不可否認的是，傳感器數據受損造成的災難性后果較小。如果數據受到損害，則使用傳感器數據預測維護需求的大數據分析程序可能會完全被拋棄。這關系到正常運行時間、可預測的維護和整體行業效率——工業 4.0 的基石。

并非所有傳感器的物理安全性都可能并不總是可行的，特別是當傳感器非常遙遠時，例如用于監測石油和天然氣田的傳感器。無法訪問使其容易受到物理攻擊，因此必須在接受所有這些傳感器的數據之前對其進行身份驗證。

幸運的是，幾年前就為醫療和消費產品（如打印機墨盒）制定了身份驗證方案。如今，身份驗證非常基于標準，必須使用遵守身份驗證協議的防篡改設備來實現。

基于對稱 SHA 256 算法的基于硬件的身份驗證方案的簡單概念框圖如圖 11 所示。SHA-256協議基于授權設備之間的質詢和響應交換，將在接受和讀取傳感器數據之前對傳感器進行身份驗證。SHA-256身份驗證使攻擊者無法連接到網絡并假裝成傳感器，甚至無法用受感染的系統替換傳感器系統。6

圖 11.基于SHA-256的身份驗證，通過HART或任何其他通信標準對遠程現場傳感器系統進行身份驗證。頁面數據（32 字節）和密鑰（2 字節）對于傳感器和主機都是已知的。傳輸的字節數將產生較小的開銷。HART是HART通信基金會的注冊商標。無線變送器的圖像由艾默生過程管理提供。?

總結

工業 4.0...描述互聯制造運營的現代方式，其中來自不同分布式 PLC、傳感器和其他現場設備的數據被聚合，以利用分析和優化軟件的優勢。工業 4.0 有望在正常運行時間、定期維護、電源效率和更高效地利用所有資源方面優化制造資產。制造數據也可以集成到公司的ERP和CRM軟件中，以有效地規劃制造流程，甚至可以使用客戶的信息來更改裝配線和工藝參數。

但是，當您開始互連所有不同的制造系統時，需要考慮一些重要的系統設計因素。我們在本文中討論了其中的一些注意事項。我們已經展示了如何使用新的硅技術，特別是在模擬/混合信號領域，來解決其中一些工業系統挑戰。這些新的集成技術不僅允許您縮小傳感器系統和PLC，而且還提供了一種經濟高效地在現場一些關鍵IO設備中增加嵌入式安全性的方法。

隨著我們開始工業4.0的過渡，毫無疑問，我們將在我們的工廠系統中發現并解決其他系統設計考慮因素。我們一定會使用最新技術來實現所需的功率、性能和通信配置文件。

審核編輯：郭婷