麥肯錫公司（McKinsey）在最近的一份報(bào)告當(dāng)中，將工業(yè)4.0定義為「製造業(yè)的數(shù)位化，幾乎所有產(chǎn)品部件和製造設(shè)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(guān)資料的分析。」雖然McKinsey的這份報(bào)告對工業(yè)4.0的分析大部分都重點(diǎn)集中在提高資料獲取/分析以及由此為固定資產(chǎn)以及業(yè)務(wù)優(yōu)化帶來的好處，但其中也強(qiáng)調(diào)了嵌入式智慧感測器對工業(yè)4.0的支持作用。該報(bào)告在此基礎(chǔ)之上，重新定義了支持工業(yè)4.0的自動化系統(tǒng)的架構(gòu)。
在各種關(guān)於工業(yè)4.0的討論中，有時(shí)會遺漏一項(xiàng)關(guān)鍵觀點(diǎn)：數(shù)位工廠不僅僅製造產(chǎn)品，而且實(shí)際上也是一個(gè)資訊收集和處理實(shí)體。這種觀點(diǎn)說明，為了梳理出各層之間的關(guān)係以及進(jìn)行優(yōu)化，（幾乎）要對所有一切進(jìn)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)量上還是複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(shè)計(jì)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(jīng)具備了嵌入式安全架構(gòu)。
本文介紹支援工業(yè)4.0的新興系統(tǒng)設(shè)計(jì)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採用的生產(chǎn)方法可視為是工業(yè)4.0的精髓。該工廠生產(chǎn)包括Simatic可程式設(shè)計(jì)邏輯控制器（PLC）在內(nèi)的各種系統(tǒng)。生產(chǎn)過程的自動化程度很高，機(jī)器和電腦負(fù)責(zé)處理75%的價(jià)值鏈。大約1000臺Simatic控制器本身管理Simatic設(shè)備的生產(chǎn)。
如此高度自動化大大提高了生產(chǎn)力，讓工廠的產(chǎn)出提高了8倍。工廠每年生產(chǎn)接近1500萬臺Simatic產(chǎn)品—相當(dāng)於每秒輸出一臺控制單元。這使得生產(chǎn)品質(zhì)達(dá)到了前所未有的99.99885%。
這僅僅是工業(yè)4.0在實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)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(gòu)的變化。從該工廠的描述中，可梳理出系統(tǒng)架構(gòu)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(jī)櫃大小的PLC
? 機(jī)器負(fù)責(zé)處理75%的製造過程，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(jī)的準(zhǔn)確溫度。
工業(yè)4.0在GE的噴氣式發(fā)動機(jī)上也顯示出了其魅力，該發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)包含26個(gè)感測器，測量300個(gè)參數(shù)，取樣速率達(dá)到16採樣/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(jī)相比，該發(fā)送機(jī)的燃油效率提高15%，並且有望通過預(yù)測性維護(hù)縮短停工時(shí)間，使其成為GE Aviation歷史上銷售最快的發(fā)動機(jī)。
本例又一次說明了利用智慧感測器發(fā)送生產(chǎn)過程中（本例中為複雜的噴氣式發(fā)動機(jī)）的智慧、詳細(xì)的性能參數(shù)的重要性。McKinsey公司近期的另一份報(bào)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(shè)計(jì)發(fā)展趨勢
工業(yè)4.0之路預(yù)示著工業(yè)感測器設(shè)計(jì)領(lǐng)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(xiàng)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(guān)鍵。
其中一個(gè)很好的例子是小尺寸、高度整合智慧感測器的應(yīng)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(lǐng)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(xì)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(yīng)用。
從上世紀(jì)80年代以來，工業(yè)現(xiàn)場匯流排已經(jīng)支援智慧設(shè)備、較快地安裝、減少接線，並且更容易維護(hù)。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(xùn)挑戰(zhàn)、高成本以及設(shè)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(diǎn)對點(diǎn)串列通訊匯流排協(xié)定，用於與感測器及執(zhí)行器通訊。
這種功能強(qiáng)大的點(diǎn)對點(diǎn)通訊協(xié)議基於成熟的3線感測器與執(zhí)行器連接，已經(jīng)被採納為國際標(biāo)準(zhǔn)（IEC 61131-9），用於感測器與執(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(lǐng)域的USB—非常容易使用和部署，並且能夠提供來自於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)和推廣基於IO-Link的智慧感測器整體方案，以推動其「互聯(lián)企業(yè)」的願景—Rockwell Automation用來表示新一代數(shù)位工廠的術(shù)語5。我們接下來看幾個(gè)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(qū)動器、IO-Link收發(fā)器以及高能效的降壓轉(zhuǎn)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(dǎo)體允許我們在如此小的尺寸內(nèi)構(gòu)建整個(gè)感測器子系統(tǒng)。
接近檢測感測器檢測是否有某個(gè)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(guān)）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(shí)測溫度或到某個(gè)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(shè)計(jì)，用於配合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(zhuǎn)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(dá)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(shè)計(jì) |
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