在本指南中，我們將探討IIoT如何影響工業自動化和製造、維護和分析、品質管制以及物流和供應鏈。我們還將以此為背景來探討感測及連接領域的問題，特別是無線和有線連接。
IIoT的重點一直在於通信和連接。當然，一些其他技術，如3D列印和其他增材（additive）製造系統，以及人工智慧（AI），都將有助於工業物聯網的普及。但是，這些技術都將仰賴資料共用，以最大化發揮它們的影響力。
這裡的一個重點是如何讓現有的工業流程更智慧化、更具有互聯網連線性。從感測器開始，向上移動到雲端，然後返回到執行器（actuator）（見下文圖1）。需要注意的幾個關鍵術語：
- 感測器 – 用以測量物理特性，例如溫度和壓力，通常能同時測量多種物理特性。它們通常以類比方式或越來越多以數位格式將資料傳遞給閘道或邊緣電腦。
- 執行器 – 把來自閘道或邊緣電腦的控制資訊轉變為各種類型的運動（例如線性運動、旋轉運動）。它們讓機械臂、傳送帶和配料機等運作起來。
- 閘道– 資料的聚合器/分配器，通常將一種網路技術（例如HART或藍牙）與另一種網路技術（例如工業乙太網）相連接。
- 邊緣計算 – 一種本地計算資源，它靠近感測器和執行器，可實現最低延遲，並可根據傳入的感測器資料即時控制設備。
- 雲端計算 – 一種運程外計算資源，通常由某個協力廠商提供商進行託管。相關的計算能力和儲存量可以根據需要“彈性地”擴展或減少。通常，它會對許多資料集進行分析，可能會使用AI，而且它提供了許多方法供工業流程操作員進行即時監控。
- 霧計算 – 它提供了一種現場計算和儲存資源，用於在邊緣計算的性能和儲存容量限制與雲端計算資源相對較長的延遲之間取得平衡。
圖1：IIoT藉助於邊緣計算、霧計算和雲端計算資源把許許多多迥異的感測器和執行器技術連接到一起
工業物聯網提供的深度洞察將有助於全面改善製造業，包括能夠降低勞動力成本、降低設計工程支出等等。即使在大家都認為人力成本較低的國家，如亞洲國家，勞動力成本實際上也在上升。透過把機器、感測器和生產線連接起來，並讓強大的雲端計算參與某些決策過程，工業自動化就可以通過物聯網而得到進一步發展。隨著時間的推移，人力資源可以從低價值工作轉移到更具認知趣味的活動中，例如管理和維護製造工廠以及實施這些系統等。
隨著越來越多關於製造流程的資訊儲存在雲端，藉助於互連的智慧感測器，設計人員將能夠把已知的製造挑戰納入到他們的設計中。共用這些資料將有助於推廣最佳實踐技術和方法，進而提高材料使用效率和改進產品品質。
圖2：AGV已經成為某些製造工廠不可或缺的一部分，即讓AGV在生產島（production island）之間操縱工件（資料來源： Siemens Ingenuity for Life community thread (西門子生命社會路線的獨創性）
工業物聯網還開闢了哪些其他案例？
最終，我們將能夠達到這樣的程度：客戶可以透過網路訂購批量大小不同，且符合各種所需定制的產品。這些資訊將自動回饋給工廠，而且幾乎不需要人工干預即可交付所需的產品。這涉及到拋棄線性輸送帶生產線，轉而採用實現各個生產步驟的生產島（island）（右側圖2）。自動導引車（AGV）用於將工件從一個生產島移動到另一個生產島，訪問每一個生產島的次數以及訪問的順序精准取決於客戶訂單。這種方法已經在一些半導體製造設施中使用1。
也許工業4.0所帶來最重要的潛在變化是將維護和分析從預防性轉變為預測性。也就是說，將不再需要計算各個設備，可能在何時發生故障，並在該時刻之前將其關閉以進行維護；而是由製造設備本身來顯示是否有進行一次維護的需要。
感測器將在這種預測性維護的新世界中發揮關鍵作用。現在，感測器已經能夠使用快速傅立葉轉換（FFT）來確定電機軸承的狀態，以檢測製造設備中異常的振動頻率2 （圖3）。透過基於邊緣的人工智慧分析，再加上能夠把振動與其他因素（例如溫度、負載、電流消耗和當前活動）結合考慮的感測器，可以徹底改變製造環境中的維護方式。
如果與工業機器的供應商分享這些見解，例如與電機、烤箱和輸送機的製造商分享，他們就可以對設備進行改進，從而使所有用戶受益。
圖3：對振動感測器資料執行FFT運算是檢測電機軸承磨損以進行預測性維護的一種方法
通常一批已完工的零件在安裝完成前，不會檢測到品質問題。而等到出現品質問題時，寶貴的材料和生產時間已經被浪費了。在工業4.0下，感測器和基於雲端計算的AI將被更多地用來評估不同的資料集，這將有助於檢測到目前只能在事件後才確定的異常情況。感測器的高度集成，例如將溫度、濕度和振動感測器集成到一個裝置中，也將能夠讓我們獲得更多可用於分析的品質管制資料。
將AI置於邊緣設備中，例如置於攝影鏡頭之中，將能夠為更廣泛的應用帶來智慧感知功能。結合前面描述的島式製造方法，這種攝影鏡頭可以處理對標準工件的各種定制進行視覺檢測的需求。
目前，許多企業仍然在利用“揣測需求（best-guess demand）“的方式來開展預測。藉助於完全與雲端連接的製造工廠，理論上可以按照“依訂單規劃”（planned-to-order）的方式來處理收到的訂單。“即時物料交付”將能夠根據當天的訂單進行管理，而外發的貨物也可以採用相同的方式進行優化。這些方式的供應鏈優化可以減少進貨（goods-inward）中原物料的數量，也可以減少倉庫中儲存成品的數量。
諸如Ocado這樣的企業已經展示了高度自動化的零售品倉庫，而同樣的原則也適用於許多工業製造設施3,4。它們這裡採用4G蜂窩網路，從一個類似於空中交通管制（右側圖4）的控制中心來控制自動機器揀選機。AGV也可以在貨物和零件交付的最初和最後一英里發揮作用。諸如Starship Technologies這樣的企業一直在嘗試機器人遞送服務，這有可能為其整合到更廣泛的供應鏈中鋪平道路5.
雖然早期的工業感測器依靠分立元件來實現其測量功能，但如今，許多感測器仰賴高度集成的低成本半導體技術。每一面僅有幾毫米大小的元件能夠在單一矽片中集成壓力、振動、溫度感測等功能。得益於微機電系統（MEMS）技術，感測器可以由尺寸僅為1μm至100μm的振動元素和懸臂組成。
除了這些微小的感測器，工程師還在其中集成了所有必要的前端濾波和模數轉換功能，以提供精確及校準的輸出資料。這些緊湊、精密的解決方案使機器人可以高度精准地定位工件，其程度超出了目前所實現的水準。
工業感測器製造商也獲得了更大的自由度，使他們能夠把比以往更多的功能裝入標準的殼體中。這可能包括藍牙等無線技術，讓資料能夠透過維護工程師的智慧手機來共用，甚至也可以包含一個顯示器，以便安裝在設備上時能夠簡化過程分析（左側圖5）。
在一切皆聯網的時代，保護遠端設備也可能是一項安全挑戰。“篡改檢測感測器”（TDS）不僅可用於檢測對遠端系統和硬體不請自來的訪問，還可以確保這種情況下自動擦除任何有用資訊（例如加密金鑰或訪問資訊），從而使相關硬體變得無用。
目前，該領域的許多傳統設備都採用基於滿足當今需求和方法的現場匯流排（fieldbus）技術。目前的工業感測器支持0-5V、0-10V和4-20mA等類比輸出標準，這需要每個感測器上有一根電纜將其連接回PLC進行處理。無論是有線的還是無線的數位網路技術都提供了將多個感測器連接到單個PLC的多種方法。反過來，在所使用的感測數量增加時，這又提供了更多的自由度及更低的成本。它還可以與其他系統及雲端輕鬆共用。
圖5：TE Connectivity的M5800壓力感測器自身含有顯示器
感測器通常透過極長的電纜進行連接，而且有可能是非常重視安全性的系統的一部分。工業環境往往也很苛刻，這既包括自然環境方面的因素，例如溫度、水份和濕度等，也包括開關電路、焊接工具和電機所產生的電氣干擾。因此，連接器和電纜不僅需要在電氣方面非常可靠，亦需要能很好地承受濕氣、化學品以及可能的高壓液體清潔過程。
連接器還必須具備意外斷開保護，這種斷開可能是由振動導致，也可能是對連接電纜施加的意外拉力所造成。許多已經十分成熟的連接技術，例如乙太網和USB，都是針對家庭或辦公環境而設計的，當發生意外斷開連接時充其量只是讓人感到挫折。而工業化連接器需要採用鎖定機制來防止發生這些情況，以增加工業標準連接器的保持力，或者實施“入口保護”（ingress protection）（稱為IP等級）來阻止灰塵和液體的進入（右側圖6）。
除了堅固耐用的USB或RJ45工業乙太網連接器之外，還有一系列標準化的工業多針連接器。這些連接器的設計通常支援把數位信號和類比信號與電源一起傳輸至所附帶的感測器。很重要的是，應當瞭解此類M8、M12、迷你型I/O和D-Sub連接器能夠應用於什麼場合，以確保硬體與現有系統相相容。
圖6：工業應用通常需要更穩健的連接器，它應當能夠防止灰塵和濕氣進入
鑑於AGV已經在生產環境中使用，無線連接日益成為工業工程師需要解決的主題。與有線連接一樣，諸如4G蜂窩網路和IEEE 802.11 WLAN等許多技術一直是由消費類應用和辦公室需求來推動的。此外，即將推出的5G標準目前正在分配頻寬，它也被視為關鍵的IIoT推動因素。無線的、低功耗的資產標籤可以從物品交付到工廠，到整個在廠期間，再到離開工廠的全過程追蹤物品，甚至可以為製造設備提供資產管理能力，因此，此類標籤也應當加以考慮。
在這方面，將需要創新性的天線解決方案，這些解決方案不僅在無線電功能方面應當是最佳的，也相對能承受惡劣的環境條件。就最簡單的形式而言，採用單個元件天線也是一種方法（圖7），具體方式可以是晶片天線，也可以設計到柔性印刷電路（FPC）之中。然而，使用“多輸入多輸出”（MiMo）天線的無線電解決方案正在成為無線連接的基本要素。
無論採用何種方法，許多工程師在處理其應用的RF問題時都需要支援和指導。定制天線通常是最好的方法，這能夠讓設計人員考慮所使用的材料、環境以及安裝天線的物體。
敏感電子設備還需要防止電磁干擾（EMI）。它們可能需要採用衝壓成型的（stamped）單件式或兩件式構造方法進行板級遮罩，以便限制來自相鄰設備的干擾所造成的影響，同時也減少該電子系統本身所產生的干擾。
圖7：定制天線解決方案可以集成到FPC中或應用於3D模具中，以滿足應用的具體需求
小結
就像之前的工業革命一樣，工業4.0也不是什麼突然的變化。相反，它是一個逐步發展的過程，向著新型、更有效的工業製造方法一步步演進。IIoT經常很難確定，因為許多想法在性質上仍然是概念性的。然而，隨著該行業意識到現有的持續改進流程正處於收益遞減的轉捩點上，這種情況正在發生變化。全自動倉庫已經在每天營運，執行訂單履行工作，而AGV已經在某些城市的街道上漫步。我們需要仔細衡量向公眾推廣此類技術時可能存在的不可預見的挑戰。
實現IIoT的最佳方法是公開討論潛在的想法，即使它們還沒有完全成型，或者它們仍然包含著當前尚無法解決的挑戰。在這些情況下，供應商和合作夥伴通常可以利用經驗和技術來支援他們的客戶。這既可以像提供一個合適的連接器那樣簡單，也可以像針對天線選擇和設計提供深入諮詢，或甚至像尋找解決EMI挑戰的最佳方法那樣複雜。
參考資料
- https://www.infineon.com/cms/en/discoveries/robots-unleashed/
- https://www.weg.net/wegmotorscan/en
- https://www.youtube.com/watch?v=XJqsdprXF5c
- https://www.youtube.com/watch?v=4DKrcpa8Z_E
- https://www.computerweekly.com/news/252451801/Robotic-delivery-service-hits-the-streets-of-Milton-Keynes
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