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

介紹

自動化行業(yè)的每個人都聽說過“工業(yè)4.0”的流行語，這是2011年在漢諾威博覽會上首次創(chuàng)造的短語。這種工業(yè)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(chǎn)出不斷變化的市場所需的商品。

工業(yè)4.0，顧名思義，意味著我們已經(jīng)經(jīng)歷了三次工業(yè)革命，并且正處于第四次工業(yè)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(yè)自動化發(fā)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(tǒng)的骨干上推進：傳感器、執(zhí)行器、控制系統(tǒng)都通過互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議通過不同類型的網(wǎng)絡連接。一旦所有機器/傳感器數(shù)據(jù)都在云上，就可以進行有趣的分析，以優(yōu)化制造、預測故障、安排維護、自動補充庫存，甚至定制成品規(guī)格以反映市場動態(tài)。

工業(yè)4.0的一個有趣的當代例子是通用電氣在紐約斯克內(nèi)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(nèi)部以太網(wǎng)。2正如麻省理工學院技術評論所寫：“[傳感器]監(jiān)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?shù)氐臍鈮骸Ｔ诠S車間，擁有iPad的員工可以從工廠周圍設置的Wi-Fi節(jié)點中提取所有數(shù)據(jù)。?3

本文從第四次工業(yè)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(chǎn)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(qū)動的。是的，令人印象深刻且相當容易實現(xiàn)。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(tǒng)設計障礙需要解決。本文將探討其中的一些關鍵系統(tǒng)挑戰(zhàn)。

工業(yè) 4.0 的系統(tǒng)級設計注意事項

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

分布式計算與控制

一個已經(jīng)在進行的關鍵系統(tǒng)級趨勢是計算和控制系統(tǒng)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(xù)縮小，并處理越來越多的模擬和數(shù)字I/O通道。PLC還必須支持各種I / O協(xié)議，包括較新的協(xié)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(yè)4.0的基本前提是制造數(shù)據(jù)是共享的，但這意味著必須首先收集越來越多的數(shù)據(jù)。這種雪崩式的數(shù)據(jù)源于工廠和過程設施內(nèi)傳感器系統(tǒng)數(shù)量的爆炸式增長，并蔓延到遠程操作中。即使過程參數(shù)今天不會影響您的控制算法，仍必須收集其數(shù)據(jù)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(chuàng)新最終可能會“重新發(fā)明”一個舊的過程參數(shù)來預測一個重要的系統(tǒng)故障機制。業(yè)內(nèi)經(jīng)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(jīng)過身份驗證的安全性
最后，通過互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議連接所有傳感器、控制系統(tǒng)和執(zhí)行器以實現(xiàn)“大”數(shù)據(jù)分析肯定會增加安全問題。大部分工業(yè)安全問題通過軟件防火墻和安全互聯(lián)網(wǎng)交換機/網(wǎng)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(wǎng)絡（例如，用于此討論的傳感器和 PLC）經(jīng)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(tǒng)的設計有直接的系統(tǒng)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(xiàn)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(zhàn)，這些挑戰(zhàn)在Maxim開發(fā)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(wǎng)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(wǎng)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(shù)字輸入和 8 個數(shù)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(tǒng)縮小到這種微型尺寸需要我們解決模擬I/O集成挑戰(zhàn)。

實現(xiàn)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(shù)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(shù)據(jù)隔離器（MAX14932），取代了左圖傳統(tǒng)設計中的數(shù)十個分立光耦合器和數(shù)百個電阻和電容。這種緊湊的微型 PLC 解決方案具有與常規(guī) 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(shù)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(wěn)壓器以5V輸出驅(qū)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(shù)據(jù)顯示，在很寬的電壓范圍內(nèi)，效率高于 90%在和負載電流。

該系列穩(wěn)壓器的效率高于 90%（假設背板輸入電壓為 24V，電流驅(qū)動> 1A），與傳統(tǒng)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(nèi)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(nèi)的內(nèi)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(nèi)的反饋（FB）調(diào)節(jié)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(diào)制（PWM）、脈沖頻率調(diào)制（PFM）或非連續(xù)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(xiàn)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(nèi) 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(wǎng)關或PLC。傳感器不再僅僅發(fā)送ON/OFF信號，而是很快將傳輸豐富的數(shù)據(jù)。IO-Link協(xié)議是業(yè)界發(fā)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(zhí)行器連接。?

自 1980 年代以來，工業(yè)現(xiàn)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(xiàn)場總線也造成了混亂、培訓挑戰(zhàn)、高成本和設備之間的兼容性問題。IO-Link 協(xié)議是第一個用于與傳感器和執(zhí)行器通信的開放式、現(xiàn)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(xié)議標準化了世界各地工業(yè)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(xiàn)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(xù)小型化，有助于在整個工廠內(nèi)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(huán)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(tǒng)在微型 PCB 上集成了六個傳感器——環(huán)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(yè)標準的Maxim IO-Link器件收發(fā)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(tǒng)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(xié)議向連接到云或PLC的傳感器集線器提供有用的數(shù)據(jù)。?

今天的工業(yè)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(wěn)壓器，而不是傳統(tǒng)的LDO。圖9所示的MAX17550/MAX17551 DC/DC穩(wěn)壓器等產(chǎn)品即使在驅(qū)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(wěn)壓器設計用于驅(qū)動傳感器系統(tǒng)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(diào)查。他們的結果發(fā)現(xiàn)，只有28%的受訪者認為安全性是整個企業(yè)的五大戰(zhàn)略優(yōu)先事項之一。然而，幾乎60%的人承認網(wǎng)絡威脅使他們的控制系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)面臨風險。5

只有28%的受訪者優(yōu)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(jīng)在推動對安全性日益增長的需求。大多數(shù)安全問題都圍繞著對更好的防火墻、入侵檢測系統(tǒng)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(xiàn)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(fā)生任何此類違規(guī)行為時，根據(jù)從這些設備收集的數(shù)據(jù)做出關鍵決策的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將受到嚴重損害。因此，確保這些系統(tǒng)經(jīng)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(yè)4.0的潛力。

我們對工業(yè)4.0安全系統(tǒng)的關注必須從將數(shù)據(jù)發(fā)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(fā)送有關油箱中油位或管道中壓力的虛假數(shù)據(jù)，則基于該數(shù)據(jù)采取（或未采取）的操作可能會產(chǎn)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(shù)據(jù)受損造成的災難性后果較小。如果數(shù)據(jù)受到損害，則使用傳感器數(shù)據(jù)預測維護需求的大數(shù)據(jù)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(yè)效率——工業(yè) 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(jiān)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(shù)據(jù)之前對其進行身份驗證。

幸運的是，幾年前就為醫(yī)療和消費產(chǎn)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(xié)議的防篡改設備來實現(xiàn)。

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(xié)議基于授權設備之間的質(zhì)詢和響應交換，將在接受和讀取傳感器數(shù)據(jù)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(wǎng)絡并假裝成傳感器，甚至無法用受感染的系統(tǒng)替換傳感器系統(tǒng)。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(xiàn)場傳感器系統(tǒng)進行身份驗證。頁面數(shù)據(jù)（32 字節(jié)）和密鑰（2 字節(jié)）對于傳感器和主機都是已知的。傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)將產(chǎn)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(yè) 4.0...描述互聯(lián)制造運營的現(xiàn)代方式，其中來自不同分布式 PLC、傳感器和其他現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)被聚合，以利用分析和優(yōu)化軟件的優(yōu)勢。工業(yè) 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(yōu)化制造資產(chǎn)。制造數(shù)據(jù)也可以集成到公司的ERP和CRM軟件中，以有效地規(guī)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(shù)。

但是，當您開始互連所有不同的制造系統(tǒng)時，需要考慮一些重要的系統(tǒng)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(jīng)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(yè)系統(tǒng)挑戰(zhàn)。這些新的集成技術不僅允許您縮小傳感器系統(tǒng)和PLC，而且還提供了一種經(jīng)濟高效地在現(xiàn)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(yè)4.0的過渡，毫無疑問，我們將在我們的工廠系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)并解決其他系統(tǒng)設計考慮因素。我們一定會使用最新技術來實現(xiàn)所需的功率、性能和通信配置文件。

審核編輯：郭婷