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完成工业4.0的基本系统推敲

宣布时间:2015年05月18日 11:05    宣布者:chengong
要害词: 工业4.0
作者: Suhel Dhanani

自动化行业,人人都听到一个时髦的词语:工业4.0。该工业看法预示着未来工厂的高度集成、自动化和无邪性;工厂将快速、高效出货,知足市场需求。

显着,第四次制造和历程自动化革命将发生在系统互连的主干单元:传感器、推行器、控制系统等所有经由历程互联网协定毗连到不合类型的群集。一旦所无机械/传感器数据位于云端,便能够推行意义深远的剖析,临盆优化、误差意料、制订掩护妄图、自动填补库存,以致定制事实产物目的,以知足市场的静态变换。

我们以为以后正在发生着第四次工业革命,注解工厂车间无处不在的连通性将推动赓续刷新的软件和算法,年夜年夜前进临盆力和意料才干。这着实着实令人印象深刻、着实可行。可是,在基础行动措施到位和这场革命真正迸发之前,我们必须处置赏罚赏罚浩概略系设计难题。本文重点议论辩说部门要害的系统设计寻衅。

工业4.0的系统级设计重视事项

工业4.0的完成很能够须要10年以致20年的时间,但曾经在影响着五花八门的系统设计。图1所示的自动化历程注解,当我们迈向工业4.0时,必须完成三方面要害设计。

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图1. 工业4.0正在推动三方面的基础工业系统请求:漫衍式盘算和控制、普适感测、认证和安然系统。

漫衍式盘算和控制——曾经起步的一个要害趋势是盘算和控制系统的当地化。为前进严重年夜组装线的无邪性,减小控制延迟并减缓主PLC的处置赏罚赏罚压力,请求漫衍式控制。下一代工厂中,这将变得愈来愈普及。PLC的尺寸将一连镌汰,处置赏罚赏罚I/O通道数目赓续增添,网罗模拟和数字。PLC将不克不及不支持种种不合的I/O协定,网罗新协定,例如IO-Link尺度。

无所不在的传感器——若那里置赏罚各个传感器?工业4.0的基本条件是共享制造数据,但这意味着必须首先群集赓续增添的数据量。海量数据来自于传感器系统数目标爆炸式增添,网罗工厂及历程装备内,并普遍于所有远端操作。纵然历程参数不影响用户现在的控制算法,但也必须群集其数据,以供未来应用。可以预期,当今云端运转算法的快速、爆炸式创新事实能够“再创”古老的历程参数,以意料主要的系统误差机理。工业领域经常应用于形貌感测妄图快速增添的一个词叫“普适感测”。

认证安然——最后,经由历程互联网协定将所有传感器、控制系统和推行器毗连在一起,以支持“年夜”数据剖析,毫无疑问会增添安然性方面的担忧。相当多的装备是经由历程软件防 火 墙和安然交流机/网关处置赏罚赏罚工业安然性的,但安然效果不只局限于这些通讯出口,也触及到硬件自己。纵深进攻新尺度请求终端装备群集(例如本例中议论辩说的传感器和PLC)经由安然认证。这类普遍的软件和硬件安然对系统设计具有直接的系统级影响。

漫衍式治理、当地控制:微型PLC的兴起

尺寸小、功效强年夜的PLC支持低延迟、漫衍式控制,可完成历程或组装线的当地控制,以是异常具有吸引力。但微型PLC设计必须处置赏罚赏罚模拟I/O整合及散热方面的严严重年夜手艺难题;Maxim开发的微型PLC看法验证设计告成处置赏罚赏罚了这些难题(图2)。

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图2. 这款微型PLC看法验证设计集成32位微控制器、以太网毗连和25路I/O通道。总面积为406,125 mm3(23 in3)。

这款可放在掌中的微型PLC集成了须要的32位微控制器和以太网毗连,处置赏罚赏罚和毗连总共25路I/O通道。详细网罗:

●4路模拟IN和1路模拟OUT通道

●8路数字IN和8路数字OUT通道

●一个4通道IO-Link模块,毗连4个支持IO-Link的传感器

告成的模拟整合

我们知道,模拟和分立元件占领了PLC I/O模块电路板空间的50%至70%;我们也知道,任何PLC中的I/O模块都请求年夜量空间。以是,为了缩减所有PLC系统的尺寸,就请求我们处置赏罚赏罚模拟I/O的整合寻衅。

完成微型尺寸的措施之一是应用集成模拟器件,而不是年夜量以致数百个分立元件。电路板尺寸减小、功耗降低、可靠性前进。图3所示为八通道串行器(MAX31911)和四通道数据隔离器(MAX14932),取代了传统设计(左图)中的数十个分立式光耦和数以百计的电阻电容。这款紧凑的微型PLC妄图的I/O通道容量与浅易PLC类似。

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图3. 两个芯片的微型PLC看法验证设计取代了数以百计的分立式元件。

应用IO-Link通讯尺度完成普适感测

未来的工厂,传感器将无处不在,经由历程不合的接口毗连至网关或直接毗连至PLC。传感器将不再仅仅是发送开/关旌旗暗记,很快将发送富厚的数据。这正是IO-Link协定的用武之地,该协定是工业领域增添最快的传感器通讯手艺。虽然IO-Link是一项IEC尺度,但基于业已确立的3线传感器和推行器毗连。

从上世纪80年月以来,工业现场总线曾经支持智能装备、较快地装配、增添接线,而且更容易掩护。可是,唯一、普遍可吸收的现场总线的缺掉落,也惹起了混淆、培训寻衅、高资源和装备之间兼容的效果。IO-Link协定是第一个开放、具有现场总线特点、低资源、点对点串行通讯尺度,普遍用于传感器和推行器通讯,已被接纳为国际尺度(IEC 61131-9)。

IO-Link协定全球规模内工业装备尺度化,完成相互之间的互操作性。该尺度既可直接应用于PLC,也可集成至所有尺度现场总线。这类无邪性使其很快成为智能器件通讯的现实尺度,例如Maxim的Santa Cruz光传感器MAXREFDES23# (图4)。

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图4. Santa Cruz光传感器参考设计方框图。

IO-Link手艺,和传感器的赓续小型化,推动了全工厂内超小尺寸、节能传感器的设计。图5所示为Santa Cruz IO-Link色彩传感器。

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图5. MAXREFDES23#为眇小尺寸IO-Link光传感器,集成了6个传感器:情形光(白光)、红光、绿光、蓝光、红外光和温度传感器。所有集成到尺寸为6.5mm x 25mm的眇小印刷电路板(PCB)上。

嵌入式硬件安然性推敲

IC厂商经常忽视安然性的主要职位,这也曾经不是神秘。请参考比来Unisys“与Ponemon Institute联手”在13个国家提议的对599名IT及IT安然主管的调研申报。效果注解,只需28%的受访者以为安然是其公司内前5项优先战略之一;可是,类似人群中有靠近60%的人认可群集威逼使其控制系统及SCADA系统处于风险当中。

只需28%的受访者以为安然异常主要。这不由令人以为担忧,由于我们知道漫衍式控制和无所不在的连通性曾经提升了对安然性的看重。年夜多数安然效果都围绕更好的防 火 墙、入侵检测系统和安然交流架构睁开。但异常主要的是可信托硬件的需求,特殊是I/O模块和远端现场传感器。这些装备能够被克隆或诱骗,特殊当周围的物理安然措施较少时。当发生此类任何破损时,就会严重风险凭证从这些装备群集的数据制订要害决议妄图的工业互联网。以是,确保这些系统经由认证、安然相当主要。归根结底,假定没有安然的嵌入式硬件,我们将不克不及享用工业4.0带来的巨年夜潜力。

我们看重工业4.0的安然系统就必须首先从关注向云端或PLC发送数据的可信托传感器。远端安然破绽的影响是值得关注的效果。例如,假定受损的传感器发送捏造的油罐液面或管道压力数据,那么据此接纳的措施(或许不接纳措施)将能够组成灾难性效果。这岂非是耸人听闻吗?完全不是。但确切有多数灾难性效果是由于受损的传感器数据组成的。假定数据受损,可完全抛开应用传感器数据意料掩护需求的年夜数据剖析法式模范模范。此处短长攸关的要害是正常运转和全体工业效力——工业4.0的基石。

着实不是所有传感器的物理安然都能时间保证,特殊当传感器被用于异常偏僻有数的职位来监测石油和自然气现场时,如图6中所示。职位偏僻有数使其很容易遭到物理进击,以是在吸收传感器数据之前对其阻拦安然认证就相当主要。

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图6.远端传感器特殊容易遭到物理进击或安然破损,安然认证措施可防止捏造职位及不准确的状态信息。

庆幸的是,我们早在几年前就培植了医疗和耗材(例如打印机墨盒)的安然认证措施。现在,安然认证曾经成为标配,而且必须应用遵守安然认证协定的防修改器件完成。

图7所示的简化看法方框图为接纳对称SHA 256算法的硬件安然认证妄图。SHA-256协定基于安然认证器件之间的质询-应对交流,在吸收和读取传感器数据之前,对传感器阻拦安然认证。SHA-256安然认证使进击者不克不及毗连至群集来冒充传感器以致应用受损系统取代传感器系统。

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图7. 基于SHA-256的安然认证,用于接纳HART或其它任何通讯尺度的远端现场传感器。传感器和主机均已知页数据(32字节)和密钥(2字节)。传输字节数目方面有较小的开支。

总结

工业4.0是形貌互连互通制造业的现代化妄图,其中将不合的漫衍式PLC、传感器及其它现场装备的数据会聚在一起,充实验展剖析和优化软件的优势。工业4.0有望优化制造资产,网罗正常运转、制订掩护妄图、电源效力,和更高效地应用所有资源。制造数据也可集成到企业的ERP和CRM软件中,从而高效地妄图制造历程,以致应用客户的信息来改变组装线和历程参数。

可是,当您着手互连所有分另外制造系统时,须要推敲异常主要的系统设计因素,我们在本文中曾经议论辩说了其中几项。我们简介了若何应用新兴硅手艺,特殊是模拟/混淆旌旗暗记域,处置赏罚赏罚此类工业系统寻衅。这些新集成手艺不只允许您镌汰传感器系统和PLC的尺寸,也供应了在现场的要害I/O装备中高性价比增添嵌入式安然的蹊径。
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