制造業和其他工業環境開始從工業物聯網（IIoT）技術中獲得生產力優勢。各行各業正在使用這些自適應解決方案來優化資源利用率，減少計劃外停機時間，并使其制造流程適應不斷變化的市場需求。許多組織現在問的不是是否實施IIoT框架，而是如何最好地實施一個。這篇博文提供了一些方向。

為了最大限度地提高運營效率和吞吐量，位于德國安貝格的西門子電子工廠實現了公司 Simatic 可編程邏輯控制器 （PLC） 的自動化生產。根據IHS在2018年發布的一項案例研究，該工廠的自動化程度如此之高，以至于“......產品使用獨特的條形碼控制自己的制造過程，與生產機器人溝通和共享需求。然后，單個PLC可以采取糾正措施以避免生產過程中的損壞，并自動補充組件以滿足交貨期限。機器自行處理75%的價值鏈。1

這家西門子工廠每天生成 15-17 萬個數據點，從溫度曲線等信息到回流速度、焊接速度、焊接量和供應商組件的數據。事實上，來自自動化設施的數據為提高效率和生產力而進行的分析提供了命脈。通過這種自動化和大數據分析水平，組織在減少缺陷和質量改進方面正在經歷巨大的影響。關于西門子工廠，IHS研究報告說：“由于采用了這一工藝，質量得到了大幅提高。500 年，該生產設施的缺陷率為每百萬分之 1989 （dpm），而現在只有 11 dpm。安貝格工廠實現了從設計到生產的一致性，在整個價值鏈中實現了近乎無縫的監控，生產質量率為99.9989%。此外，“通過使用通過其智能機器收集的數據，西門子還能夠提高制造過程和能源效率措施的透明度，從而將能源成本降低12%。

西門子案例研究只是眾多案例研究之一，它說明了為什么現在是關注如何構建工廠硬件以支持IIoT實施階段的好時機。

今天的工廠金字塔
可視化今天的工廠網絡，人們可以想象一個金字塔，其中包含一系列收集信息并運行生產機器的邊緣設備。控制層越來越多地分布在整個工廠中，位于該邊緣層之上。

金字塔的最頂端是管理層，智能算法在這里優化機器吞吐量，預測潛在故障，并實現自適應制造流程。此過程可能發生在私有云或公共云中;但是，我們可能會發現，至少就目前而言，許多工廠和工廠對將數據存儲在內部服務器上的概念更加滿意。

正在實施IIoT技術的行業正在經歷兩個與硬件相關的關鍵因素。一個在于智能連接傳感器數量的增加，這些傳感器正在收集為大數據分析提供關鍵數據。其次，嵌入在邊緣設備中的智能正在穩步遷移。

這個例子說明了許多工廠內部發生的情況：

更智能的傳感器正在將更豐富的數據集傳達給云

在機器級別對振動數據進行一級分析

在將數據發送到控制器之前，收集并關聯多個溫度點

執行器具有改變機器性能和特性的智能

這種新的網絡結構為工廠網絡的“邊緣”帶來了更多的功能和智能。這些新的邊緣設備架構要求組件具有高性能，這些組件必須足夠小，以適合現有的工廠設備，并且足夠堅固以承受制造中的惡劣環境。這種不斷變化的邊緣架構會影響各種系統的設計。

擴大智能傳感器的使用 在物聯網實施中，大量傳感器
收集數據，對其進行預處理，并將其發送到IO集線器和/或分布式控制器。多年來，這些傳感器的功能不斷增加，同時尺寸不斷縮小。

例如，讓我們看一下無處不在的安全光幕光電設備，這些設備用于保護在可能造成傷害的移動機械（如壓力機、復卷機和碼垛機）附近工作的人員。安全光幕可用作機械屏障和其他形式的傳統機器防護的替代品。通過減少對物理防護裝置和屏障的需求，安全光幕可以提高其防護設備的可維護性。在1960年代，這些系統相當大。今天的光幕要小得多，功能也更多。憑借他們的智能，他們可以精確地檢測哪些光束被破壞。隨著這些設備變得越來越小，我們可以將它們部署在各種小型子組件中，并使用光幕突破的確切位置信息來優化子組件設計。

更智能、更互聯的傳感器架構由不同的半導體技術實現。傳感器越來越多地由微處理器供電。此外，它們集成了復雜的串行收發器，并且需要復雜的電源子系統。

小型工業控制器做得更多
處理工廠和制造工廠收集的所有數據的PLC越來越小，通道密度也越來越高。IO通道的數量從單個數字輸入模塊中的8個增加到32個的情況并不少見。至于縮小的外形尺寸，我們現在看到了微型PLC，緊湊型PLC，納米PLC等的興起。隨著控制器越來越多地分布在工廠車間，它們必須足夠小，以適合子裝配線，或者在某些情況下，甚至可以安裝在復雜的機器上。這些小尺寸和更高的通道數得益于更小、集成度更高、更可靠的組件。

讓我們討論一個示例，該示例展示了先進的半導體技術如何幫助實現更小的PLC架構。典型的系統具有許多電源子系統，并且由于現代微處理器/DSP需要多個穩壓良好的電源軌，因此電源子系統的數量和復雜性正在上升。圖 4 說明了漸進式集成如何減小電源子系統的尺寸。

早期的電源子系統是離散的，控制器芯片外部有許多組件。集成FET和補償元件將電源解決方案的尺寸減半。集成了磁性元件的功率模塊的出現使電源解決方案的尺寸再次減半。如今，最新一代的功率模塊采用創新的封裝技術，可以更大幅度地減小負載電流子集的尺寸。

圖4.隨著時間的推移，工業系統中電源解決方案的尺寸大幅減小。

IIoT 架構的未來是什么樣子
下一代 IIoT 解決方案旨在提高生產力、提供自適應制造，并提供機器級健康和狀態信息，以做出關鍵任務的實時決策。進一步解鎖工業融合的另一個要素需要提高可以收集和上傳到云的實時數據的可用性、質量和數量。可以想象，啟用這些功能需要更小的占用空間和更高的效率。Maxim的新型Go-IO IIoT參考設計提供17個軟件可配置的IO，包括隔離式數字輸入、數字輸出、IO-Link主站和帶集成電源的隔離式RS-485，占位面積不到<>立方英寸。Go-IO 參考設計專為快速原型設計和開發可配置的工業控制系統而設計，是實現自適應制造所需的底層技術的一個例子。

審核編輯：郭婷