在本指南中，我们将探讨IIoT如何影响工业自动化和制造、维护和分析、质量管理以及物流和供应链。我们还将以此为背景来探讨传感及连接领域的问题，特别是无线和有线连接。
IIoT的重点一直在于通信和连接。当然，一些其他技术，如3D打印和其他增材（additive）制造系统，以及人工智能（AI），都将有助于工业物联网的普及。但是，这些技术都将依赖于数据共享，以最大限度地发挥出它们的影响力。
这里的一个重点是如何使现有的工业流程更加智能化、更加具有互联网连接性。这从传感器开始，向上移动到云端，然后返回到执行器（actuator）（见下文图1）。需要注意的几个关键术语：
- 传感器 – 它们用以测量物理特性，例如温度和压力，并且通常能够同时测量多种物理特性。它们通常以模拟方式或者越来越多地以数字格式将数据传递给网关或边缘计算机。
- 执行器 – 它们把来自网关或边缘计算机的控制信息转变为各种类型的运动（例如线性运动、旋转运动）。它们让机械臂、传送带和配料机等运作起来。
- 网关 – 数据的聚合器/分配器，通常将一种网络技术（例如HART或蓝牙）与另一种网络技术（例如工业以太网）相连接。
- 边缘计算 – 一种本地计算资源，它靠近传感器和执行器，可实现最低延迟，并可根据传入的传感器数据实时控制设备。
- 云计算 – 一种场外计算资源，通常由某个第三方提供商进行托管。相关的计算能力和存储量可以根据需要“弹性地”扩展或减少。通常，它会对许多数据集进行分析，可能会使用AI，而且它提供了许多方法供工业流程操作员进行实时监控。
- 雾计算 – 它提供了一种现场计算和存储资源，用于在边缘计算的性能和存储容量限制与云计算资源相对较长的延迟之间取得平衡。
图1：IIoT借助于边缘计算、雾计算和云计算资源把许许多多迥异的传感器和执行器技术连接到一起
工业物联网提供的深度洞察将有助于全面改善制造业，包括能够降低劳动力成本、降低设计工程支出等等。即使在大家都认为人力成本较低的国家，例如亚洲国家，劳动力成本实际上也在上升。通过把机器、传感器和生产线连接起来，并让强大的云计算参与某些决策过程，工业自动化就可以通过物联网而得到进一步发展。随着时间的推移，人力资源可以从低价值工作转移到更具认知趣味的活动中，例如管理和维护制造工厂以及实施这些系统等。
随着越来越多的关于制造流程的信息存储在云端，借助于互连的智能传感器，设计人员将能够把已知的制造挑战纳入到他们的设计中。共享这些数据将有助于推广最佳实践技术和方法，进而提高材料使用效率和改进产品质量。
图2：AGV已经成为某些制造工厂不可或缺的一部分，即让AGV在生产岛（production island）之间操纵工件（资料来源：Siemens Ingenuity for Life community thread（西门子生命社会路线的独创性））
工业物联网还开辟了哪些其他用例？
最终，我们将能够达到这样的程度：客户可以通过网络订购批量大小不同，且符合各种所需定制的产品。这些信息将自动馈入工厂，而且几乎不需要人工干预即可交付所需的产品。这涉及到抛弃线性输送带生产线，转而采用实现各个生产步骤的生产岛（island）（右侧图2）。自动导引车（AGV）用于将工件从一个生产岛移动到另一个生产岛，访问每一个生产岛的次数以及访问的顺序精准取决于客户订单。这种方法已经在一些半导体制造设施中使用1。
也许工业4.0带来的最重要的潜在变化是维护和分析从预防性转变为预测性。也就是说，不再需要计算各个设备可能在何时发生故障并在该时刻之前将其关闭以进行维护，而是由制造设备本身来显示有进行一次维护的需要。
传感器将在这种预测性维护的新世界中发挥关键作用。现在，传感器已经能够使用快速傅立叶变换（FFT）来确定电机轴承的状态，以检测制造设备中异常的振动频率2（图3）。通过基于边缘的人工智能分析，再加上能够把振动与其他因素（例如温度、负载、电流消耗和当前活动）结合考虑的传感器，可以彻底改变制造环境中的维护方式。
如果与工业机器的供应商分享这些见解，例如与电机、烤箱和输送机的制造商分享，他们就可以对设备进行改进，从而使所有用户受益。
图3：对振动传感器数据执行FFT运算是检测电机轴承磨损以进行预测性维护的一种方法
通常一批已完工的零件在安装完成前，不会检测到质量问题。而等到出现质量问题时，宝贵的材料和生产时间已经被浪费了。在工业4.0下，传感器和基于云计算的AI将被更多地用来评估不同的数据集，这将有助于检测到目前只能在事件后才确定的异常情况。传感器的高度集成，例如将温度、湿度和振动传感器集成到一片器件中，也将能够让我们获得更多的可用于分析的质量管理数据。
将AI置于边缘设备中，例如置于摄像头之中，将能够为更广泛的应用带来智能感知功能。结合前面描述的岛式制造方法，这种摄像头可以处理对标准工件的各种定制进行视觉检测的需求。
目前，许多企业仍然在利用“揣测需求（best-guess demand）“的方式来开展预测。借助于完全与云端连接的制造工厂，理论上可以按照“依订单规划”（planned-to-order）的方式来处理收到的订单。“即时物料交付”将能够根据当天的订单进行管理，而外发的货物也可以采用相同的方式进行优化。这些方式的供应链优化可以减少进货（goods-inward）中原材料的数量，也可以减少仓库中储存成品的数量。
诸如Ocado这样的企业已经展示了高度自动化的零售品仓库，而同样的原则也适用于许多工业制造设施3,4。它们这里采用4G蜂窝网络，从一个类似于空中交通管制（右侧图4）的控制中心来控制自动机器拣选机。AGV也可以在货物和零件交付的最初和最后一英里发挥作用。诸如Starship Technologies这样的企业一直在尝试机器人递送服务，这有可能为其整合到更广泛的供应链中铺平道路5.
虽然早期的工业传感器依靠分立元件来实现其测量功能，但如今，许多传感器依赖于高度集成的低成本半导体技术。每一面仅有几毫米大小的器件能够在单一硅片中集成压力、振动、温度传感等功能。得益于微机电系统（MEMS）技术，传感器可以由尺寸仅为1μm至100μm的振动元素和悬臂组成。
除了这些微小的传感器，工程师还在其中集成了所有必要的前端滤波和模数转换功能，以提供精确及校准的输出数据。这些紧凑、精密的解决方案使机器人可以高度精准地定位工件，其程度超出了目前所实现的水平。
工业传感器制造商也获得了更大的自由度，使他们能够把比以往更多的功能装入标准的壳体中。这可能包括诸如蓝牙等无线技术，让数据能够通过维护工程师的智能手机来共享，甚至也可以包含一个显示器，以便当安装在设备上时能够简化过程分析（左侧图5）。
保护远程设备也可能是一项安全挑战，尤其是在一切皆联网的时代。“篡改检测传感器”（TDS）不仅可用于检测对远程系统和硬件不请自来的访问，而且还可以确保这种情况下自动擦除任何有用信息（例如加密密钥或访问信息），从而使相关硬件变得无用。
目前，该领域的许多传统设备都基于满足当今需求和方法的现场总线（fieldbus）技术。目前的工业传感器继续支持0-5V、0-10V和4-20mA等模拟输出标准，这需要每个传感器上有一根电缆将其连接回PLC进行处理。无论是有线的还是无线的数字网络技术都提供了将多个传感器连接到单个PLC的多种方法。反过来，在所使用的传感数量增加时，这又提供了更多的自由度及更低的成本。它还可以与其他系统及云端轻松共享。
图5：TE Connectivity的M5800压力传感器自身含有显示器
传感器通常通过极长的电缆进行连接，而且有可能是非常重视安全性的系统的一部分。工业环境往往也很苛刻，这既包括自然环境方面的因素，例如温度、水分和湿度等，也包括开关电路、焊接工具和电机所产生的电气干扰。因此，连接器和电缆不仅需要在电气方面非常可靠，而且还需要能够很好地承受湿气、化学品以及可能的高压液体清洁过程。
连接器还必须具备意外断开保护，这种断开可能是由振动导致，也可能是对连接电缆施加的意外拉力所造成。许多已经十分成熟的连接技术，例如以太网和USB，都是针对家庭或办公环境而设计的，当发生意外断开连接时充其量只是让人感到挫折。而工业化连接器需要采用锁定机制来防止发生这些情况，以增加工业标准连接器的保持力，或者实施“入口保护”（ingress protection）（称为IP等级）来阻止灰尘和液体的进入（右侧图6）。
除了坚固耐用的USB或RJ45工业以太网连接器之外，还有一系列标准化的工业多针连接器。这些连接器的设计通常支持把数字信号和模拟信号与电源一起传输至所附带的传感器。很重要的是，应当了解此类M8、M12、迷你型I/O和D-Sub连接器能够应用于什么场合，以确保硬件与现有系统相兼容。
图6：工业应用通常需要更稳健的连接器，它应当能够防止灰尘和湿气进入
鉴于AGV已经在生产环境中使用，无线连接日益成为工业工程师需要解决的主题。与有线连接一样，诸如4G蜂窝网络和IEEE 802.11 WLAN等许多技术一直是由消费类应用和办公室需求来推动的。此外，即将推出的5G标准目前正在分配带宽，它也被视为关键的IIoT推动因素。无线的、低功耗的资产标签可以从物品交付到工厂，到整个在厂期间，再到离开工厂的全过程追踪物品，甚至可以为制造设备提供资产管理能力，因此，此类标签也应当加以考虑。
在这方面，将需要创新性的天线解决方案，这些解决方案不仅在其无线电功能方面应当是最佳的，而且还应当能够承受恶劣的环境条件。就最简单的形式而言，采用单个元件天线也是一种方法（图7），具体方式可以是芯片天线，也可以设计到柔性印刷电路（FPC）之中。然而，使用“多输入多输出”（MiMo）天线的无线电解决方案正在成为无线连接的基本要素。
无论采用何种方法，许多工程师在处理其应用的RF问题时都需要支持和指导。定制天线通常是最好的方法，这能够让设计人员考虑所使用的材料、环境以及安装天线的物体。
敏感电子设备还需要防止电磁干扰（EMI）。它们可能需要采用冲压成型的（stamped）单件式或两件式构造方法进行板级屏蔽，以便限制来自相邻设备的干扰所造成的影响，同时也减少该电子系统本身所产生的干扰。
图7：定制天线解决方案可以集成到FPC中或应用于3D模具中，以满足应用的具体需求
小结
就像之前的工业革命一样，工业4.0也不是什么突然而然的变化。相反，它是一个逐步发展的过程，向着新型、更有效的工业制造方法一步步演进。IIoT经常很难一锤子定音，因为许多想法在性质上仍然是概念性的。然而，随着该行业意识到现有的持续改进流程正处于收益递减的转折点上，这种情况正在发生变化。全自动仓库已经在每天运营，执行订单履行工作，而AGV已经在某些城市的街道上漫步。我们需要仔细衡量向公众推广此类技术时可能存在的不可预见的挑战。
实现IIoT的最佳方法是公开讨论潜在的想法，即使它们还没有完全成型，或者它们仍然包含着当前尚无法解决的挑战。在这些情况下，供应商和合作伙伴通常可以利用经验和技术来支持他们的客户。这既可以像提供一个合适的连接器那样简单，也可以像针对天线选择和设计提供深入咨询，或甚至像寻找解决EMI挑战的最佳方法那样复杂。
参考资料
- 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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