【導讀】近年來，隨著物聯網、云計算、大數據和人工智能為代表的新一代信息技術與傳統產業加速融合，全球新一輪科技變革和產業革命正蓬勃興起，一系列新的生產方式、組織方式和商業模式不斷涌現，正推動全球工業體系的智能化變革。據中國信息通信研究院近日發布的《工業互聯網產業經濟發展報告(2020年)》預計，2020年工業互聯網將成為國民經濟中增長最為活躍的領域之一，預計全年中國工業互聯網產業經濟規模將達3.1萬億元。
毫無疑問，當前“新基建”熱潮將是促成中國工業互聯網產業發展的重要動能。“有專家將“新基建”七大領域進一步解讀分類為信息網、交通網和能源網，但無論從何種角度來看，在‘新基建’的布局建設中數字化是核心關鍵要素，必將帶動其相關產業的新一輪發展，尤其工業物聯網（IIOT）的加速發展使其成為工業制造數字化轉型中心舞臺的重要角色，連接了設備層和網絡層，為平臺層、軟件層和應用層奠定了堅實的基礎，將全面打通整個工業體系中的關鍵數據流。” ADI中國區工業自動化行業市場經理于常濤（Roger）近日在接受媒體采訪時表示。
以數字化為導向，加速推動傳統工業向新型工業過渡升級
工業領域也一直被認為是物聯網最大的應用場景之一。工業物聯網通過工業資源的網絡互連、數據互通和系統互操作，能夠實現制造原料的靈活配置、制造過程的按需執行、制造工藝的合理優化和制造環境的快速適應，達到資源的高效利用，從而構建服務驅動型的新工業生態體系，其本身則是緊緊圍繞數字化來進行的。伴隨著數字化進程推進，工業物聯網也可以為整個行業帶來兩個方面的根本轉變，包括傳統設備的數字化升級以及在升級的過程中產生出的新產品和新業務模式。
“事實上，工業物聯網在傳統工業的基礎上進行了數字化、網絡化、智能化升級，其中最核心的仍然是數字化，網絡化和智能化則是作為數字化的提升。”于常濤強調道，“工業物聯網背后的產業邏輯也是日趨成熟的傳感器技術、通信技術、信息處理技術三大技術的整合應用，我們可以很好的將其層面結構與ADI產品做關聯，將囊括ADI豐富全面的傳感器系列、有線與無線通信網絡技術以及基于云端軟件算法的研究。”
部署工業物聯網通信網絡，從有線逐漸走向多元結合
工業物聯網的優勢是能夠充分利用傳感器采集的不斷增加的數據做出更好的決策，而在整個工業自動化系統中，能否及時獲取和傳輸數據取決于網絡連接。為應對日益增長的數據量，網絡技術以及制造工藝流程和方法都必須不斷改進。智能、互聯的自動化環境需要數字連接控制系統、工業設備、產線機器人等，以創建和共享信息。這些機器采用的通信方式以及部署的工廠通信網絡是企業的核心，也是推動實現工業物聯網的關鍵。
從傳輸網絡角度來看，通信方式無非是分為有線和無線，到目前為止工業現場還是以有線通信為主，無線通信方式在某些應用場景作為補充，工業以太網開始發揮越來越重要的作用。幾十年的發展歷程導致工業以太網協議和拓撲形式眾多，越來越多的工業自動化技術供應商和制造商都希望能獲得獨立于制造商的開放式通信平臺。因此，未來的工業物聯網應用必須支持各種常見的網絡拓撲，如PROFINET、EtherNet/IP®、EtherCAT®、POWERLINK®等常用工業以太網協議，以及線狀和環狀拓撲和星形拓撲。于常濤詳細介紹道，ADI打造的fido5000系列產品是具有兩個以太網端口的實時以太網、多協議 (REM) 交換芯片，是可編程的 IEEE 802.3 10 Mbps/100 Mbps 以太網互聯網協議版本 6 (IPv6) 和互聯網協議版本 4 (IPv4) 交換機，可虛擬支持任意 2 層或 3 層協議。另外，它可以連接任何主機處理器，這讓開發人員可以使用自己的處理器和他們首選的開發環境。
值得一提的是，fido5000還支持時間敏感型網絡 (TSN)，未來基于TSN的工業以太網應用的需求將能夠滿足運動控制或安全等應用非常苛刻的實時要求。在工業環境中，即使一毫秒的通信延遲也可能會對制造商的產品質量、吞吐量和效率產生負面、成本高昂的影響。而ADI推出的新型ChronousTM系列工業以太網解決方案當中的ADIN1300，進一步致力于解決部署具有低延遲和較小封裝尺寸的工業以太網連接方面的重要挑戰，以確保實時可靠的工業通信，從而縮短工業以太網網絡周期時間。這是一款工業以太網物理層(PHY)產品，以幫助制造商應對關鍵的工業4.0和智能工廠在通信上的挑戰，包括數據集成、同步、終端連接和系統互操作性。
有線通信領域，包括RS-485在內的典型現場總線技術與傳統過程控制和電機控制網絡，ADI基于領先的模擬技術、隔離產品以及處理器等的開發，提供了廣泛的軟件可配置IO、現場儀器儀表、高效伺服驅動系統等方案。“例如ADI最新推出的四通道、軟件可配置輸入/輸出套件AD74413R與AD74412R，將有助于開發現場可配置遠程I/O單元，將傳統的現場設備與網絡連接，實現傳統儀器儀表與高層級以太網網絡的融合。”于常濤舉例說明。
在工業環境中，低功耗、穩定可靠的無線傳感器網絡由于部署與維護的便利性正在成為更多工業應用場景的網絡連接補充選項，ADI提供的2.4GHz頻段的SmartMesh IP網絡就是其中的卓越代表。這個網絡最大的特點是實現了達到99.999%的高數據傳輸可靠性Mesh網絡，并且功耗極低。同時，SmartMesh還是一個時間同步網絡，可以做到各個節點的時間精確同步，便于很多需要同步的場合。由于其高可靠性，非常適合于對網路傳輸可靠性要求很高且希望免維護使用的工業應用場合。對于SmartMesh IP，ADI不僅提供高性能的芯片和產品化的模組，甚至可以為客戶提供全套解決方案。SmartMesh網絡目前已經被應用于全球數據中心、工業自動化、風力發電、輸油管線、交通運輸等領域。
工業設備智能化升級，從準確“問診”產線狀態入手
無論是工業以太網還是無線傳感器網絡，其最大的價值便是工業應用的落地，其中包括激增的高質量傳感器、可靠連接和數據分析的，不斷提高的智能節點自動化程度對傳感器進行精密數據捕捉與位置跟蹤要求也與日俱增。傳感器在工業現場可分很多種類型，例如大家熟知的溫度、壓力、流量、液位監測等，若干年前就已廣泛應用。近些年越來越多被提及的設備狀態監測CBM（Condition Based Monitoring）則引入了以振動監測為核心的技術，把旋轉設備的振動狀態采集分析以進行產品性能、生產效率與附加值的進一步提升，這是最具現實經濟意義也最容易落地的應用。
例如參與工業設備維護的人都知道設備發出的振動是很重要的信息，通過振動可以判斷設備健康從而可以將維護成本大大降低。設備狀態監測系統得以實現，依賴于ADI在工業應用中推出的多個系列高性能MEMS加速度計產品。于常濤表示：“ADXL100x系列單軸加速度計針對工業狀態監控應用而優化，測量帶寬高達50 kHz，g值范圍高達±100 g，并且擁有超低的噪聲性能，旋轉機械中發生的主要故障都在ADXL100x系列狀態監控加速度計的測量范圍以內。而集成的模塊產品ADcmXL3021還將高性能振動檢測和各種信號處理功能相結合，可以跟蹤許多機器平臺上的振動信號，可簡化狀態監測系統中的智能傳感器節點開發周期。”
ADI團隊不僅致力于將人類對振動的解讀用于工業設備監測，還從設備的聲音中實現檢測異常行為并進行診斷。ADI的OtoSense體系結構就是一種設備健康監測系統，支持我們所說的計算機聽覺，讓計算機能夠理解設備發出的聲音和振動主要指標，能夠在問題變得嚴重之前確定工廠機器或汽車發動機中的潛在問題。值得一提的是，為進一步加強基于狀態監測的預測性維護解決方案，ADI還收購了專門從事電機和發電機預測性維護的公司Test Motors，將ADIf原有的工業狀態監測解決方案技術，以及OtoSense的人工智能平臺傳感解譯軟件與Test Motors的監控功能相結合，創建更優化的解決方案，通過捕獲更廣泛的潛在故障為機器提供更先進、全面的健康狀況監測。
集成化與定制化解決方案，高效助力工業物聯網應用落地
“新基建”部署正在加速，如何抓住“新基建”下工業物聯網落地的機遇？近年來，隨著產品研發節奏與上市時間的縮短，客戶對于半導體元器件供應商的要求也越來越多，他們不再滿足于只提供相應元器件，而希望更高級別的支持方式，ADI在過往若干年也是按照這個邏輯在努力。例如基于傳統優勢產品，ADI不光可以提供芯片本身，還把芯片集成到基于我們對于客戶系統的理解做的系統級解決方案中，大大縮短了客戶的研發風險和研發時間。
于常濤表示前面的工業狀態監測模塊ADcmXL3021就為ADI的系統化設計支持提供了充分的詮釋。它采用了三顆在振動監測中應用廣泛的加速度計ADXL1002，同時還用了一個低功耗的MCU，再加上一個很好、很完整的經過測試和驗證過的機械結構進行模塊化封裝而成。作為一個系統化的解決方案，它完美的解決了客戶的應用落地的焦慮：選擇合適的傳感器芯片，要有相應的軟件算法的支持，同時一定要考慮機械結構的設計。ADcmXL3021內部三顆ADXL1002可以在X、Y、Z三軸檢測三個方向的振動，低功耗MCU集成了一些FFT的算法，可以傳輸一些時域或者頻域的數據，也可以傳輸一些原始的數據波形。其整個機械結構設計也非常小巧，并且經過完整的產品級的認證和驗證。這都是ADI當前為客戶提供定制化與模塊化解決方案支持時的普遍做法。
“如今，或許我們無法訪問的工業信息和洞察數據孤島還仍然存在，但隨著‘新基建’政策的加速推動，工業物聯網部署日益普及，傳統工業轉型升級的挑戰將轉向如何高效采集設備運行數據，在數據傳輸過程中確保其安全性，以及如何利用這些數據來充分提升商業價值。”于常濤強調道，“ADI公司擁有深厚的工業領域專業知識、技術經驗和廣泛的產品解決方案，將有效幫助您加速傳統工業向未來智能工廠的數字化升級過渡。”
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