工控大家讲真知,如何有效的实施IIoT与工业4.0?

关于工业物联网和工业4.0可以帮助制造企业实现智能工厂的宣传已经足够多，如何实施才是大家更关心的问题。本文中，来自不同领域的自动化专家从各自的角度给你提供了建议，帮助你了解下一次实施自动化项目以及控制系统和仪表的安装启用时，会因为这些框架而产生哪些变化以及如何应对。

Richard Soley 博士是工业互联网联盟(IIC)的执行董事，他说，“正如任何新技术或管理手段来临一样，选择一个需要处理问题更少的方式，并邀请合适的专业人士来解决问题是十分重要的。不要忽视那些将最终用户、供应商和研究人员聚在一起的组织，这样的地方可以提供可靠的经验和良好的建议!”



■ 与自动化组件配套的分布式智能设备通过使用数据而不是依赖“云”来提升工艺水平，包括调整生产量、更加有效的使用能源等。图片来源：博世力士乐
一、将真实的加工制造连接到工业4.0

如果使用了工业4.0技术，一个新的加工制造生产线可以实现多达25种的产品变化，同时将产量提高10%，库存减少30%。工业4.0架构的应用让制造商在生产过程中可以获得更丰厚的投资回报率。

工业4.0是一场工业的革命，目的是将信息技术(IT)的虚拟世界、机器的物理世界以及互联网合为一体。其中心是将具有IT功能的所有工业领域都整合起来。这些科技提高了灵活度和速度，能够使产品更具有个性化，生产更高效且规模可扩展，以及在生产控制方面具有更高的可变性。机器与机器之间的通讯和先进的机器智能化，提高了工艺的自动化水平，并带来了更多的自我监控以及实时数据。开放的基于Web的平台会增加制造企业的竞争力。

关于IIoT的5个注意事项

博世力士乐公司电气传动和控制部门的产品经理Allen Tubbs说道，工业物联网（IIoT）设备要想创建工业4.0生产制造环境需要注意以下5个方面。



■ 在工业4.0中，对机器工具或一组机器的操作，应该允许使用诸如智能手机或平板电脑这样的智能设备进行简单的连接。图片来源：博世力士乐

1.分布式智能

这里说的分布式智能是指在智能传动和控制技术网络的机器设备中，加入尽可能多的智能和控制功能、或者单独的传动轴，而不是从一个中央处理单元（CPU）来处理所有的动作。

拥有机器层面的过程数据并决定用它做什么，反映出了人们相信一台机器可以经过装备使用过程数据做一些事情并且独自改善工艺流程，诸如实现调整产量、更加有效率的利用能源等目标，而不是依赖“云”来处理所有这些任务。

联网的机器可以与更高的生产线级别、工厂级别以及企业级别的网络进行通讯，从而能够实现对特定事件或特定产品的实时调节。集成了传动的伺服马达和无机柜传动系统将传动组件和运动逻辑顺序放到了单独的轴向上。

2.快速连接

那些允许数据在整个企业架构中自由流动的系统，往往需要持续的投资和改进。一家工业4.0工厂车间所产生的大数据和信息流，可能会让公司的网络不堪重负。我们该如何改进自动化系统中的硬件和软件的功能，使这种设计流程更简单、花费更少的时间以及更加开放？通讯路径随着其创建和实施而变得更加流畅。在决定应该使用现场总线的什么功能时，应该看一下生产平台是否支持例如OPC UA（来自于OPC基金会）这样的标准。消除不同供应商系统的障碍，而且对通讯和控制平台采取一种更加开放的方式很重要。

3.开放标准和系统

重点是要思考系统到底“开放”到什么程度，是否支持新兴的通讯协议和软件标准，以及开放的独立组件如何让工业4.0成为现实。

开放标准允许基于软件的解决方案可以更加灵活地集成，并有可能将新的技术移植进现有的自动化架构中。开放的控制和工程软件也沿着这个方向将自动化和IT软件程序之间的间隙弥合。一个开放的控制器核心能够使用常用的高级IT语言（例如Java和C++）来创建自动化应用程序。

一台机器的操作应该支持与智能手机或平板电脑进行简单的连接。软件可以借助控制器与3D模型软件的连接来加快自动化系统的设计和调试。一个运动控制器可以与模型之间发送指令以及接收反馈，使得机器的功能性在机械设计阶段通过运动控制就得到优化。这也让机器测试和编程可以在调试之前进行。在部件订货、组装机器之前，虚拟机器可以用来进行测试并完善设计。

4.实时数据整合

在工业4.0的工厂里，可能利用实时的机器和工厂性能数据来改变自动化系统和生产工艺的管理方式。不用捕捉并分析数月以来有价值的关于生产率、机器停机时间或者能源消耗的数据，支持工业4.0的平台能够将数据整合到常规的工厂管理报告之中。这会让制造商和机器具备详细的信息来执行快速的工艺和生产变更，以实现产品满足特定客户需求的愿景。

5.自适应性

现实世界中的主动性可以让生产更加连贯并以需求为导向。科技帮助生产线变得主动。目标就是让工作站和模块可以适应个性化的客户或产品需求。

在一个制造液压阀的工厂里，一套新的自适应组装生产线在每一件被加工件上都使用射频识别芯片。生产线上的9个智能站会识别出最终产品是如何被装配的，以及哪些工具设置和操作步骤是必须的。每个相关加工件都带有蓝牙标签，会自动将信息传送给装配站。装配步骤信息会根据不同的产品以及相关加工件的技术水平不同而显示出来。该生产线可以生产一批相同尺寸的液压阀，也可以不需要人工干预就能生产25种不同产品型号。不再需要设定时间或者多余的库存。这使得生产线的产量增加了10%，库存减少了30%。
二、让工业4.0和IIoT在智能工厂里运行

工业4.0和工业物联网(IIoT)能够为设备（从传感器到大规模控制系统）、数据和分析之间提供更好的连接性，Beckhoff自动化的TwinCAT产品专家Daymon Thompson这样认为。传感器和系统需要网络连接来共享数据，分析有助于做出更明智的决策。

物联网主要包括4个基本元素：实体的设备、与设备之间的双向连接、数据以及分析。设备可以是小到一个传感器大到一个大规模控制系统中的任何一种。传感器和系统需要与更大的网络进行连接，以共享由传感器或系统产生的数据。对此数据进行的分析会产生可执行的信息，其结果是让人们做出精明的决策。

在IIoT的实际应用中， 企业通过将设备或资产连接到云或者本地信息技术(IT)设施上来进行数据的采集和传送。然后对采集到的数据进行分析，可以发现设备或资产更多的潜在信息，防患于未然。

例如 ，监控机械组件运行温度的传感器可以追踪任何异常状况或者偏离底线的情况。这使公司可以主动地处理不希望发生的行为，从而在可能造成有害危险的系统故障加剧之前进行预测性维护，否则这些系统故障可能会导致工厂停机以及生产收益损失。这种类型的信息有助于企业新产品的设计、系统性能效率的提高以及实现利润的最大化。

工业4.0让加工制造更灵活

在一个生产制造流程，甚至是整个供应链中，通过连接性推动更多的新发现和系统优化，这是工业4.0的核心概念之一，这种科技进步也被称为第四次工业革命。

工业4.0工作组成员、德国国家科学与工程院Acatech，将18世纪蒸汽机的发明和广泛使用定义为第一次工业革命。第二次革命是20世纪早期在装配线上使用传送带。第三次革命是在20世纪中叶开发出来的微电子学、PC和可编程逻辑控制器(PLC)。第四次革命是将PC和机器连接到互联网，并启用信息物理系统（CPS）。

工业4.0要求传统的生产制造工业实现计算机化。使用物联网和信息物理系统的概念会帮助实现“智能工厂”的目标，使生产制造具有前所未有的灵活性和非常高的精益生产效率。在生产制造中，一个显著的特点是重点关注的领域从产品本身扩展到了生产这些产品的工艺上。

制造商需要灵活的生产线来适应快速变化的客户需求。灵活的机器运行能够生产很多类型的产品，通过调整批量大小来获得更高的生产利润，这使得同一个生产线可以运行更复杂的混合产品以适应客户不断变化的需求。



■ 德国厨具制造商Nobilia使用基于PC的控制来支持“批量为1”的自动化生产，在其智能工厂里使用工业4.0的概念，使得该公司每天能够生产超过2500套定制化的厨房。图片来源：Beckhoff自动化

从大数据到工业4.0的实施

今天，自动化技术和信息技术可以在同一款软件上实现，使得机器控制编程可以有多种语言，有助于提供更大范围的工程工具来完成必要的任务。协议的选择应该考虑到控制平台 ，尤其是在工业4.0的连接性。许多传统的PLC提供现场总线，考虑到与传感器、伺服系统、以及其他运动控制硬件之间的确定性通讯，机器需要更快的、更灵活的通讯协议，例如EtherCAT。

实现这一层面上连接性的关键部分在于一个安全的、容易配置的协议，能够安全地向企业或云、以及向其他机器发送数据。来自于服务工业环境OPC基金会的OPC统一架构(UA)协议，提供了集成的安全功能、数据加密以及先进的信息建模。

工业4.0正在今天发生。德国一家厨具制造商Nobilia公司已经开始将工业4.0的理念运用到实际生产中，基于PC控制的成功集成为需要高度连接性的智能工厂提供了支持。该公司每天生产超过2500套整体厨房，并且每套橱柜都是按照每个客户的特定外观要求而生产的。“批量为1”的自动化生产需要一个高度灵活的系统，而这通过工业4.0 概念的实施得以实现。

当一个订单到了工厂里，系统会决定必须用到的材料，完成组件需要的机器，计算如何在工厂里最好地完成个性化的订单，以及高效地打造个性化的橱柜。这个例子说明了智能工厂的独特魅力——高效生产和出众的灵活性、很少需要工厂人员的干预。

关于智能工厂的3个思考

在决定实施工业4.0之前，要对智能工厂提出的3个问题是：

1.你是否想要自动完成快速的产品转换，以及对市场需求的响应更好？

2.你是否想通过识别出可以进行持续改进的区域来提升你的设备综合效率（OEE）以及生产总产量？

3.你是否想要根除浪费，例如能源、原材料和闲置时间？

在确定和完善真实世界里智能工厂的目标之后，采用基于PC控制的硬件和软件有助于帮助你早日成功。
三、为什么要部署工业物联网？

一家炼油厂在其用于监控阀门的工业物联网(IIoT)中使用无线声学变送器来提高对法规的遵守，并通过及时的检测和维修故障阀门，使得每年减少了3百万美元的损失，据艾默生过程管理的无线业务副总裁Bob Karschnia说，项目在5个月之内就收回了成本。

IIoT因为在工业世界里普遍使用了联网的传感器而比商业的物联网(IoT)更加先进，这些传感器就是物联网里面的“物”。数以亿计的联网的有线及无线压力、液位、流量、温度、震动、声波、位置、分析仪表以及其他传感器被用于工业领域，而且每年以数百万台的速度增加，为工厂提供了更多的监控、分析和优化。

连接到更高级别的软件平台上的传感器，有现场的，也有非现场的。现场的连接一般是通过本地内部网创建了一个IIoT。互联网一般用于进行非现场连接，通过基于云技术的存储。更高级别的软件从事控制和监控、资产管理以及特定的数据分析。在远程数据分析中心，专家通过对大数据进行分析来寻找问题和解决方案。

IIoT通过将传感器连接到分析和其他系统中，来自动提高性能、安全性、可靠性和能源效率，具体方式为：

1.从传感器上采集数据比以往经济有效得多，因为传感器很多都是电池供电和无线通讯的。

2.使用大数据分析和其他技术将这些数据翻译成可以理解的信息。

3.将这些可操作的信息在正确的时间呈献给正确的人员，要么是工厂人员，要么是远程专家。

4.如果工作人员采取了正确的操作，将带来性能上的提升。

在密西西比州维克斯堡的Ergon炼油厂里应用了IIoT技术，连接了震动、声波、液位和位置等传感器的设施通过一个有线的现场总线网络（基金会现场总线）和一个无线网络（WirelessHART）连接到一套资产管理系统。无线网络通过由无线仪表和接入点组成的无线Mesh网络将仪表与工厂控制和监控系统连接起来。

传感器数据被发送给具有为阀门和智能仪表进行特定数据分析应用功能的资产管理软件。通过软件分析传感器数据并将其转换为可操作的信息。控制室内的操作员在人机界面(HMI)上浏览这些信息，移动的工人们可以通过连接到全厂WiFi网络上的手持式工业PC浏览信息。资本支出减少了。无线方式消减了传感器安装成本，增加了产量和经营收益，并通过无线储罐监控降低了成本。

资产管理软件和报警管理软件可以进行持续的调整并消减调试成本。在难以到达的位置安装自动震动监测(之前是人工巡检)，提高了安全水平，通过无线蒸汽疏水阀的检测，节省了能耗。 Ergon工厂的无线架构（用于数据采集、分析和发布）使得添加无线传感器和任何改进都变得很容易。

另一个使用IIoT的案例是在一家炼油厂里使用无线声波变送器，通过及时的检测和维修故障的阀门，提高了合规性，并且将碳氢化合物的损失减少了300万美元。该项目在5个月内就收回了成本；按照使用超过20年计算，估计每年的投资回报率为271%。

今天IIoT就在我们身边。低成本的无线传感器和自带的分析功能可以极大地提高工厂的绩效和投资回报率，并增加安全性。



■ 通过松下的Toughbook就可以远程无线访问DeltaV软件。在实施IIoT的Ergon精炼厂，移动办公的工作人员可以在遍布全厂的WiFi网络中，通过手持式工业PC查看传感器的状态和其他数据。传感器的数据经过软件的分析被转化为可操作的信息。图片来源：艾默生
四、基于平台的工具克服了IIoT的复杂性

更加智能的基于平台的方式可以解决工业物联网(IIoT)在启用时给系统带来的复杂性挑战，美国国家仪器NI公司的市场部副总裁Ray Almgren解释道，IIoT系统的特点是自适应、规模可扩展、安全以及连续改进和维护。

这个世界很久以来都是由要么联网的要么智能的设备所构成，而非两者兼备。联网的系统例如电话线和电灯开关，它们可以传送信息，可是几乎没有任何智能。智能系统例如引擎控制单元和温控装置在车上具有智能处理能力，可是无法与闭合回路以外进行通讯。现在，人们使用将这两个概念联姻的系统和设备，就变成了物联网(IoT)里面的既智能又联网了：传统意义上不相干的两个系统发生了碰撞。

特别是在工业和消费者领域里，这种连接性增加了对传统设计和制造测试系统的需求量。曾经一度流行的诸如固定功能、黑盒子仪表和交钥匙数据记录软件，已经不能满足现代企业需要的各种标准、协议和功能性方面要求。这些系统要求软件满足例如在节点上配置原型、灵活性以及决策制定这些关键需求。今天，在建立一套系统的时候，使用一个基于平台的方式作为基础，能够适应甚至预测变化的系统需求。一套基于平台的方式可以让公司和制造商在IIoT的时代里加快生产、创新和探索。

联网的IIoT系统需要灵活性来演进和适应。开发和部署IIoT系统意味着会有数十年的大规模投资。满足未来需求的唯一方法是部署一个足够灵活的、能够演变和适应的系统网络。

基于平台的方式提供了一种灵活的硬件架构，可以部署在许多不同的应用场合中，消除了硬件的复杂性，并让每一个新的问题基本上都成为软件方面的挑战。系统设计师选择的平台应该基于一个对信息技术(IT)友好的操作系统(OS)，这样它们可以安全地进行供给和配置，进而来正确地认证和授权用户维护系统的整体性，并让系统最大程度地可用。



■ 为了适应不断变化的需求，IIoT的设备需要一个开放的、集成硬件和软件的平台以及一个能够兼容新技术的实时网络。智能的自动测试设备使测试工程师能够预测，通过一个基于模块化硬件和可扩展软件的开放式平台，将技术的进步整合到测试系统。图片来源：美国国家仪器NI

一种基于平台的方式在消费者IoT上帮助用户减少了上市的时间和成本。被称为第五代或者5G的网络可以改变生活并且释放巨大的经济上的机会；5G的研究人员需要采取一种基于平台的方式快速设计，更快推出原型概念，加快进入市场，并且部署和释放IoT的潜能。

集成的硬件和软件将帮助制造商推进IoT的发展。世界范围内的制造商都在积极投身于创造智能的小工具、机器人、无人机以及可穿戴设备。创新不再是数百万美元级别企业的垄断。 取而代之的是在自家车库和与伙伴合作的工作场所打拼的制造者们。它们在网络上分享发明来激发其他制造者的创新。

无线连接和云计算的普及也进一步助推了IIoT的发展。在这个互联的世界，为现有和新的设备提供了更多的功能性和洞察力。集成的硬件和软件平台会让制造者在促进IIoT发展的方向上继续前进，就像移动应用的开放平台推动了新的智能手机经济的繁荣一样。

越来越多的公司和制造者正在采用一种更加智能的、基于平台的方式来解决IIoT带来的复杂性挑战。最终，这会让具有自适应、规模可扩展、安全以及持续改进和维护的IIoT系统成为可能。
五、基于数据的工业物联网

如果没有数据，就没有大数据、云和分析功能，也没有区别于物联网(IoT)的工业物联网(IIoT)；PI北美组织的副总监Carl Henning说，IIoT中的“物”造就了IoT中的“物”。IIoT需要开放的标准，以太网和软件标准可以为控制和制定决策所需要的信息提供数据。

每个人看起来都对IIoT的云和分析功能感到兴奋，可是如果没有数据，就不会有云或分析功能。是谁把“工业”这个词放在了“物联网”的前面？事实上，Henning认为，IIoT不是IoT的一个子集，两者的“物”有太多不同，就像两种方式之间的许多方面一样。物联网中的“物”是面包机、咖啡机和冰箱；IIoT中的“物”是可编程逻辑控制器（PLC）、输入/输出（I/O）模块、传动和视觉系统。

或许IIoT应该被称为工业数据互联网。IIoT的数据来自于：开关和按钮、传感器和执行机构、以及传动和视觉系统。IIoT的应用扩展到了控制器（例如PLC）、分布式控制系统（DCS）、以及可编程自动化控制器(PAC)。将来自于不同设备的数据整合起来创建行动。从这一点上，数据被转变为信息，通过OPC统一结构(UA)用来与人机界面(HMI)、数据历史站以及分析程序包进行通讯。



■ 工业物联网并不与物联网重叠，也不是物联网的子集，工业物联网中的“物”与物联网中的“物”并不相同。图片来源：PI美国组织

根据CONTROL ENGINEERING的一项最新研究显示，大多数用户觉得互操作性和开放标准是IIoT最重要的特性。当被问到工业4.0（IIoT是其中一部分）时，大多数人认为最有用的特性是实时功能。

工业4.0小组很看好Profinet和OPC UA， 视其为合适的开放标准，将OPC UA称为一个“工业4.0的推荐标准”。

Profinet 是一种开放标准的、实时的、周期时间最短达到31.25微妙的确定性以太网。开放标准在以太网之下扩展到了现有的现场总线，例如Profibus和DeviceNet。不是所有的设备都具有RJ45连接头。在简单的开关和执行机构上加入以太网太昂贵了，而且有数亿个这样的设备已经被安装。拆除并更换对于大多数开关和执行机构来说都不可行。Profinet标准能够兼容非以太网设备。
六、优化布线是提升工业物联网性能的基石

通过将信息、自动化、以及运行在工业物联网上的生产系统之间不断融合，物联网正在积极地影响着未来的工业自动化，Softing 有限公司市场部副总裁Mark Knebusch指出。随着以太网速度越来越快，电缆系统的集成更加重要，而电缆的认证有助于提升工业网络的性能。

随着工业物联网的不断发展，将会有越来越多的工业自动化设备连接到网络中。预计未来10年会有超过600亿台设备连接到物联网，工业以太网的重要性变得更加明显。

对于工厂的专业人士来说，持续不断的信息、自动化和生产技术的汇聚最终会带来更加有效率的通讯，这会减少人工成本并提高供应链的管理水平。随着工业对物联网概念的接纳，运行速度更快的机器对于更多带宽的需求是必然的。

拥有各种工业协议的以太网媒介将是未来工业物联网的主要形式。为了适应IIoT的需要，越来越多的工厂管理者们用以太网全面取代了现场总线。随着更多的设备联网、更多的信息被传送，对网络电缆将提出更高的要求，因为如果调试被延迟或数据传输不可靠，会产生更严重的不利影响。

电缆标准

管理电缆标准的主要组织包括电信产业协会（TIA）、国际标准化组织（ISO）、以及国际电工技术委员会（IEC），每一家都致力于实现更快的速度。

不断提高的网络频率意味着阻抗、串扰、以及其他更加关键的参数。在选择供应商和电缆安装工人的时候需要更多的关注。

TIA 568布线标准的演化反应了网速的提升需求。Cat-5e的电缆（100MHz）是常见的，Cat-6（250MHz）和Cat-6A（500MHz）正越来越多的被用于工业应用场合。将被广泛用于数据中心应用场合的Cat-8的电缆（2000MHz） 目前正在起草中，预计最终会成为一个新标准。

增加的网络需求

确保电缆系统能够胜任在工厂自动化架构内所有设备和控制系统的集成和运行，对于提升业绩来说是最重要的。借鉴商业电缆安装工人的经验，工业应用在连接更多设备时可以减少一些问题。在IIoT导致的更重的网络负荷和压力前，建议对所有电缆进行认证。认证一种电缆需要先进的适应快速变化的标准测试仪。每一项测试可以采集将近20万个测量数据，包括阻抗、串扰、回波损耗以及传播延迟。

IoT正在影响未来的工业自动化。随着以太网速度的提高，电缆系统变得更加重要。经过认证的电缆可以帮助IIoT实现更有效的优化。（作者：Mark T. Hoske）