工業 4.0 自 2011 年漢諾威工業博覽會上提出流行語以來已經走過了漫長的道路。智能制造之旅仍在繼續，但近年來真正有所作為的是物聯網 (IoT) 的起飛和出現人工智能 (AI) 解決方案。

在這里，值得一提的是，通用電氣在 2012 年創造了工業互聯網這個術語，指的是智能連接的大量工業設備，以創建可以監控、收集、交換、分析和提供有價值見解的系統。最終，工業 4.0 和工業互聯網的概念開始融合，最終形成了工業物聯網或 IIoT。

不管叫什么，工業 4.0 或 IIoT，其根本目標是在尖端電子技術的輔助下實現繼蒸汽機、傳送帶和信息技術 (IT) 之后的第四次工業革命。它將制造和過程自動化提升到一個全新的水平，未來的工廠將構建連接系統，包括傳感器、執行器和控制系統，所有這些系統都通過互聯網協議 (IP) 通過不同類型的網絡連接。

加速工業 4.0 運動的還有人工智能應用程序的集成，例如故障檢測和分類。物聯網和人工智能技術的結合正在改變工程師在生產環境中管理數據、傳播信息和做出實時決策的方式。使用機器學習算法和基于機器人的流程處理可以進一步優化現代制造，從而節省大量成本和工時。

工業 4.0 的實際體現可以在通用電氣位于紐約斯克內克塔迪的工廠中看到。鈉鎳電池的制造工廠在 180,000 平方英尺的制造空間中安裝了 10,000 多個傳感器。所有這些傳感器都通過高速以太網連接。

這將我們帶到了工業 4.0 設計的基本組成部分之一：連接傳感器。

傳感器互聯網

通過有線或無線鏈路連接的傳感器構成了工業 4.0 或 IIoT 系統的主干。傳感器傳送到云端的機器數據可以優化制造、預測故障、安排維護并自動補充庫存。

工業 4.0 領域傳感器的新功能是本地化和通信的融合，用于創建精確的室內定位系統。這使工廠能夠實時監控工具并管理工人對工具的使用，以提高裝配線上的效率、安全性和質量控制。

這些高精度和位置感知系統使用智能無線傳感器解決方案。以傳感器供應商博世與CAB 概念集群 (CCC)合作開發的智能駕駛室為例。它將攝像機和無人機集成到農用車輛中，并將它們變成現場連接的控制中心。

該解決方案為農民提供了由無人機拍攝并隨后在云端處理的作物狀況的詳細照片。相機無人機還可以執行物體識別，以警告農民注意鹿等活體障礙物。此外，農民可以執行特定功能，例如根據天氣或土壤條件調整噴嘴設置。

博世還聲稱通過記錄氣缸的運動、夾具的循環時間以及制造過程中的溫度和壓力水平，提高了其在德國布萊查赫工廠的 ABS/ESP 制動系統制造的生產力。從 RFID 標簽收集的數據被傳送到以數字方式映射內部貨物流動的海量數據庫。

工業4.0芯片

半導體設備是工業 4.0 和 IIoT 設計中的另一個關鍵要素。這包括用于邊緣計算的處理器、用于數據存儲的內存、數據轉換器以及用于遙感和云平臺鏈接的有線或無線連接芯片。

一個例子是德州儀器 (TI)的Sitara AM6x處理器系列，它支持用于工廠自動化、電機驅動和電網基礎設施的千兆工業通信子系統。這些處理器是圍繞以太網和單個網絡上的實時數據流量的融合而構建的。它們支持多種協議，包括時間敏感網絡 (TSN)、EtherCAT、Ethernet/IP 和 PROFINET

圖 3：Sitara AM6548 多協議處理器的框圖，它為 TSN 等工業連接標準提供千兆位吞吐量。（圖片：德州儀器）

這款支持 TSN 的處理器集成了一個基于 Arm Cortex-R5F 的雙核微控制器 (MCU) 子系統，該子系統可以在可選的鎖步模式下運行，并支持片上存儲器和外部雙數據的糾錯碼 (ECC) 保護。速率（DDR）內存。這些特性使處理器能夠提高安全性并降低可編程邏輯控制器 (PLC) 和多軸電機驅動器等應用的系統級復雜性。

工業 4.0 平臺對配備安全連接和人機界面 (HMI) 的高性能 PLC 的要求越來越高。PLC 還必須縮小外形尺寸和處理價值鏈，同時增加模擬和數字 I/O 通道的數量。這些 PLC 需要支持新的 I/O 協議，例如IO-Link。

此外，強大的片上系統 (SoC) 解決方案的出現促成了數字孿生的創建，將虛擬世界和物理世界配對，并創建將工業制造的所有步驟映射和鏈接在一起的數據池。這些網絡物理系統創建了物理世界的虛擬副本，從而使監控物理過程的成本更低、效率更高。

未來工廠

工業 4.0 承諾通過端到端傳感器解決方案和服務在制造領域實現復興。它有助于做出更明智的決策、提高運營效率、提高產量、提高工程生產力并顯著提高業務績效。

隨著物聯網傳感器、大數據和人工智能應用程序的可用性加速，工業 4.0 的現實終于開始向前發展。根據 Gartner Inc. 的報告，2018 年，該領域的物聯網設備數量超過 60 億臺，預計到 2022 年這一數字將增長到超過 200 億臺。

未來的工廠正在緩慢而穩定地成型，擁有更強大的處理節點、更自動化的生產流程以及更智能的數據分析工具，能夠近乎實時地處理和分析大量工廠數據。它正在成為現實，一次一個物聯網傳感器解決方案。

審核編輯 黃昊宇