麥肯錫公司（McKinsey）在最近的一份報告當中，將工業(yè)4.0定義為「制造業(yè)的數(shù)位化，幾乎所有產品部件和制造設備中都有嵌入感測器，無所不在的資訊物理系統(tǒng)，以及所有相關資料的分析。」雖然McKinsey的這份報告對工業(yè)4.0的分析大部分都重點集中在提高資料獲取/分析以及由此為固定資產以及業(yè)務優(yōu)化帶來的好處，但其中也強調了嵌入式智慧感測器對工業(yè)4.0的支持作用。該報告在此基礎之上，重新定義了支持工業(yè)4.0的自動化系統(tǒng)的架構。
在各種關于工業(yè)4.0的討論中，有時會遺漏一項關鍵觀點：數(shù)位工廠不僅僅制造產品，而且實際上也是一個資訊收集和處理實體。這種觀點說明，為了梳理出各層之間的關系以及進行優(yōu)化，（幾乎）要對所有一切進行檢測、測量和處理。支持這種數(shù)位化、智慧化工廠的系統(tǒng)無論在數(shù)量上還是復雜性方面都有所不同。例如，工廠車間的感測器數(shù)量發(fā)生爆炸式成長，而且處理和通訊能力也發(fā)生巨大變化；控制系統(tǒng)更多地呈現(xiàn)分散式而非中央式—改變了其通訊、規(guī)格及耐用性要求；設計之初就考慮了通訊功能（例如不存在氣隙）的系統(tǒng)在DNA中已經具備了嵌入式安全架構。
本文介紹支援工業(yè)4.0的新興系統(tǒng)設計趨勢。
工業(yè)4.0就在我們身邊
數(shù)位化工廠的例子有很多，都體現(xiàn)了工業(yè)4.0的概念，展示了這種超自動化帶來的利益。
西門子（Siemens）公司在德國安貝格的一家工廠2采用的生產方法可視為是工業(yè)4.0的精髓。該工廠生產包括Simatic可程式設計邏輯控制器（PLC）在內的各種系統(tǒng)。生產過程的自動化程度很高，機器和電腦負責處理75%的價值鏈。大約1000臺Simatic控制器本身管理Simatic設備的生產。
如此高度自動化大大提高了生產力，讓工廠的產出提高了8倍。工廠每年生產接近1500萬臺Simatic產品—相當于每秒輸出一臺控制單元。這使得生產品質達到了前所未有的99.99885%。
這僅僅是工業(yè)4.0在實際應用中的一個例子。本例中雖然沒有明說，但不難看出自動化系統(tǒng)本身架構的變化。從該工廠的描述中，可梳理出系統(tǒng)架構的三大特性：
? 使用了1,000臺分散式控制器—不是一臺中央式、巨型、機柜大小的PLC
? 機器負責處理75%的制造過程，必須通過大量感測器獲得資訊。
? 這些感測器必須傳遞豐富的資料—不僅僅是「發(fā)熱」或「不發(fā)熱」，而是（譬如）電機的準確溫度。
工業(yè)4.0在GE的噴氣式發(fā)動機上也顯示出了其魅力，該發(fā)動機設計不但具有最大的推力，而且具有最大的資料收集能力。 GEnx噴氣式發(fā)動機包含26個感測器，測量300個參數(shù)，取樣速率達到16采樣/秒—使GE能夠在一次普通飛行中處理150M單位的資料3。與前一代噴氣式發(fā)動機相比，該發(fā)送機的燃油效率提高15%，并且有望通過預測性維護縮短停工時間，使其成為GE Aviation歷史上銷售最快的發(fā)動機。
本例又一次說明了利用智慧感測器發(fā)送生產過程中（本例中為復雜的噴氣式發(fā)動機）的智慧、詳細的性能參數(shù)的重要性。 McKinsey公司近期的另一份報告中介紹了更多的工業(yè)4.0例子4。
工業(yè)4.0推動工業(yè)感測器設計發(fā)展趨勢
工業(yè)4.0之路預示著工業(yè)感測器設計領域的兩大趨勢：感測器變得越來越小巧、收集/發(fā)送的資訊越來越豐富。直接影響這兩項系統(tǒng)級趨勢的因素是收集和分析工廠中不斷成長的資料量的需求—這是工業(yè)4.0的關鍵。
其中一個很好的例子是小尺寸、高度整合智慧感測器的應用，這些感測器通過一定的協(xié)定發(fā)送豐富的資訊，比如IO-Link—工廠自動化系統(tǒng)領域成長最快的感測器通訊協(xié)定。
為了收集和發(fā)送更詳細的資訊，就需要開發(fā)簡單、可靠且高效的通訊協(xié)議，例如IO-Link，以滿足工廠車間的應用。
從上世紀80年代以來，工業(yè)現(xiàn)場匯流排已經支援智慧設備、較快地安裝、減少接線，并且更容易維護。然而，統(tǒng)一、普遍可接收的現(xiàn)場匯流排的缺失，也引起了混淆、培訓挑戰(zhàn)、高成本以及設備之間相容的問題。 IO-Link是第一種開放式、現(xiàn)場匯流排不可知、低成本、點對點串列通訊匯流排協(xié)定，用于與感測器及執(zhí)行器通訊。
這種功能強大的點對點通訊協(xié)議基于成熟的3線感測器與執(zhí)行器連接，已經被采納為國際標準（IEC 61131-9），用于感測器與執(zhí)行器通訊。理解IO-Link通訊的最好方式是將其理解成感測器領域的USB—非常容易使用和部署，并且能夠提供來自于智慧感測器的智慧資料。
我們看到，自動化系統(tǒng)廠商開發(fā)和推廣基于IO-Link的智慧感測器整體方案，以推動其「互聯(lián)企業(yè)」的愿景—Rockwell Automation用來表示新一代數(shù)位工廠的術語5。我們接下來看幾個這種新興感測器系統(tǒng)的例子。
圖1所示為微小的IO-Link接近檢測感測器，備有紅外收發(fā)器、配套IR LED驅動器、IO-Link收發(fā)器以及高能效的降壓轉換器，全部安裝在8.2mm x 31.5mm印刷電路（PC）板上。高度整合的半導體允許我們在如此小的尺寸內構建整個感測器子系統(tǒng)。
接近檢測感測器檢測是否有某個物體接近，所以能夠透過發(fā)送表示接近的簡單數(shù)位訊號（開/關）來打開去路。然而，在很多情況下，現(xiàn)代化感測器必須檢測和發(fā)送更豐富的資訊—例如檢測到的顏色、實測溫度或到某個物體的距離。圖2所示為高精度IO-Link電阻溫度檢測器（RTD）溫度感測器參考設計，用于配合2線、3線或4線PT100 RTD使用。該系統(tǒng)利用整合式RTD至數(shù)位轉換器以及最新的IO-Link方案來提供高精度溫度值，解析度高達15位。
| 圖2 : Maxim的高精度IO-Link電阻溫度檢測器（RTD）溫度感測器參考設計 |
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