通過連接機器和工具，工業物聯網 (IIoT) 使制造公司能夠實時提高生產的可見性。IIoT 設備收集的大量數據使您能夠優化生產、提高產品和服務的質量、應用預測性維護、自動化供應鏈等等。IIoT 和工業 4.0 之間的聯系非常密切，因為 IIoT 基礎設施使工業現實變得完全數字化和智能化。盡管過去兩年經濟環境艱難，但對 IIoT 的投資呈現出積極趨勢，預計未來幾年將進一步增長。

能源效率在工業世界中發揮著重要作用。“綠色工廠”的目標不僅是為了滿足環境和可持續性的需求，而且是為了提高行業的盈利能力。不斷上漲的能源成本及其對環境的影響使能源效率成為工業 4.0 的主要目標之一。

電源管理和能源效率

電源管理系統的任務是實時監控進行工業活動所需的能源，提供與配電參數相關的有用信息并識別模式和趨勢。電源管理的主要目標是確保能源供應，尤其是其可用性、可靠性和質量。

另一方面，能源效率更關注與降低成本相關的方面，公司可以通過減少能源損失和減少對環境的影響來實現。現已進入所有主要工業領域的工業 4.0 不能忽視能源效率。這種聯系是如此緊密，以至于今天，我們更恰當地談論能源 4.0，在這種背景下，智能電網允許管理不同的能源（包括可再生能源）及其分配。另一方面，在日益分散的市場中整合不同的能源來源需要能夠保證能源消耗的質量、可持續性和效率的管理技術——數字化可以再次幫助實現這些目標。

IIoT 對智能工廠的好處

IIoT 極大地促進了該行業向智能工廠現實的轉變，帶來了以下好處：

更高的效率：傳感器持續監控系統并收集有用的數據，以確定機器的正確運行、流程的進度和能源消耗。這樣可以更好地了解資源的使用方式以及是否可以找到更有效的使用方式。

提高安全性：某些生產活動，例如裝配、零件成型、檢查和機械控制，可能對操作員的健康構成嚴重風險。遠程管理數據采集并將最危險的活動委托給機器人和智能機械的能力使公司能夠保證更好地保護工人和維護人員的安全。

減少停機時間：預測性維護允許您估計故障發生前的剩余時間。通過提前計劃適當的干預措施，可以降低計劃外停機的風險和相關成本，從而確保業務具有更大的彈性。

能源供需平衡：符合 ISO 50001 標準允許行業為自己配備能源管理系統，以不斷提高能源效率。通過 ISO 50001 認證，公司能夠了解內部能源消耗，并可以監控和減少其能源需求。

能源效率趨勢

我們已經看到能源效率如何成為 IIoT 應用的主要目標，以及這如何有助于全面實現工業 4.0 設想的計劃。現在將審查能源效率的主要趨勢，重點關注技術內容和所提供的好處。

傳感器

由于傳感器是任何 IIoT 應用的基本元素，因此它們本身非常節能是很重要的。數百或數千個傳感器可用于單個 IIoT 應用，因此幾個百分點的效率提升具有相當大的意義。此外，由于這些傳感器中的大多數都是由電池供電的，因此必須盡可能地延長它們的自主性。圖1顯示了電表的框圖，取自 NXP Semiconductors 的參考設計。所有所需組件（MCU、通信收發器、顯示器等）的選擇必須優先考慮能夠支持具有極低靜態電流的低功耗工作模式的低功耗組件。因此，通過對物聯網設備進行適當和準確的設計，可以提高傳感器的能效。

圖 1：電表框圖。。（來源：恩智浦半導體）

邊緣計算

任何 IIoT 應用程序的主要困境之一是在云上執行的處理和本地處理之間找到正確的折衷方案。第一種的優點是計算能力要求低，但需要更高的帶寬和更長的傳輸時間，從而增加了電流消耗。然而，高性能微控制器的可用性，以及實時運行人工智能算法（如深度學習）的能力，正在推動許多應用程序向邊緣計算過渡。

智能電網集成

無需人工干預，智能電網即可監控電力需求的局部變化并自動做出反應。它需要電網與消費者之間的實時雙向通信，允許消費者根據個人偏好（如定價和/或環境問題）調整其能源消耗。通過與蜂窩塔或其他類似基礎設施進行通信，智能電網會發送重要的統計數據，例如即時用電量、累積功耗、最大需求等。

數字孿生

術語“數字孿生”是指物理資源的虛擬副本，由對象、進程、系統或設備表示。數字孿生用于各種目的，特別是優化生產和預測性維護。因此，與工業 4.0 范式相比，這種方法是最先進的。

混合現實設備允許您創建工業機械的虛擬復制品、查看它們并將它們準確地放置在目標位置、評估正確的尺寸并預測安裝階段的任何問題。通過數字孿生，還可以在不停止生產的情況下進行模擬和壓力測試。

能量收集

連接到 IIoT 的設備數量一直在增長。云中的機器學習、能量收集技術和超低功率無線電傳輸相結合，創建了一個靈活的基礎設施，用于監控不需要硬接線電源或通信連接的工業廠房、設備和建筑物。

小而簡單的傳感器可以利用能量收集從環境中提取能量并將其轉換為即用型電源。這些傳感器的操作不需要電池，因為它們由環境的熱量、光或運動供電。如今，溫度、濕度和運動傳感器以及執行器幾乎可以安裝在任何地方。傳感器可以相互通信，也可以與控制器或網關通信，這些控制器或網關可以連接到云端，從而實現智能工廠概念。

電源轉換效率

在工業廠房中，有許多使用電源或電源轉換系統的設備。幾年來，趨勢一直是幾乎完全使用能夠提供高效率值的開關電源，但代價是不可忽略的射頻發射。在某些應用中，線性轉換器（效率較低但幾乎為零電磁輻射）仍然是可取的。在 AC/DC 轉換器中，有必要引入功率因數校正級來提高信號質量，從而提高轉換效率。隨著寬帶隙半導體的引入，例如碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)，現在可以獲得進一步的效率改進。由于其優越的物理特性，

智能機器人

在工業中，機器人用于執行以前由人類完成的重復性工作。在這一領域，最新且引人入勝的創新之一是計算機視覺，尤其是立體視覺。立體相機模擬人類的典型視覺能力，使機器人不僅可以感知周圍環境，還可以感知圖像各個點的深度或距離。這允許在抓握和釋放各種類型的物體時具有更高的運動精度和精度。

結論

工業部門消耗了全球大部分能源，因此也是溫室氣體排放的最大貢獻者之一。對環境的更大責任正在刺激人們尋找能夠降低能源消耗、提高生產效率和尊重環境的新解決方案。IIoT 和工業 4.0 提供了多種機會來支持這些努力。技術的整體使用，以及通過智能和高效的方法和應用優化的生產流程，可以幫助改進生產流程并降低能源消耗。

審核編輯 黃昊宇