近日,工业和信息化部官网发布的《工业互联网创新发展行动计划(2021-2023年)》)指出,未来三年将是我国工业互联网的快速成长期,工信部将着力解决工业互联网发展中的深层次难点、痛点问题,推动产业数字化,带动数字产业化。工业互联网融合应用不同于互联网创新应用,工业互联网的主战场在实体经济,面向工业、立足工业、服务工业。本文以ADI行业领先的产品与技术解决方案为例,阐述如何突出工业互联网的核心优势,促进制造业向数据驱动型创新体系和发展模式转变,持续拓展产业发展新空间,推动工业互联网应用创新。

 

软硬件赋能,工业互联网创新应用持续深化

开展工业互联网基础软硬件研发,推动新一代信息技术与工业互联网的融合技术研究,强化对工业装备、工业控制系统、工业软件的带动提升,将进一步壮大工业互联网的技术产业创新生态、拓展创新发展新空间。其中,数字化产品需要更为广泛的普及,工业5G芯片/模组/网关、智能传感器、边缘计算芯片等新型数字化元器件随着技术成熟度的不断提升,将带动设备、产线智能改造成本持续下降,可视化、低代码开发工具不断优化,工业软件开发运用难度也将逐渐降低,工业互联网系统解决方案供应商方案输出能力得到有力深化,覆盖领域持续拓展,生产各环节数字化水平不断提升。

 

在工业互联联网的过程中,基于状态的监控(CbM)是一种越来越重要的策略并有可能最先落地实践,随着使用Python和MATLAB的开源开发平台的出现,CbM的应用也越来越广泛。ADI最近发布了一个新的硬件开发工具包CN0549,用于以振动为中心的基于状态的监测。该套件能够与现有的硬件处理器接口,包括与Arduino外形尺寸兼容的FPGA和基于微控制器的单元兼容,因此具有较好的设计可移植性。

 

作为一个由三部分组成的工具包,CN0549为硬件设计师、软件工程师和算法开发人员提供了一个部署基于振动状态监测的快速开发平台,该工具包提供了所需的HDL和软件,并具有开源许可,允许通过ADI的传感器工具箱和pyadi iio将数据迁移到MATLAB和Python。

 

CN0549硬件平台示例连接到DE10Nano,SMA接口连接到MEMS传感器

 

基于IEPE接口,CN0549 CBM平台采用的振动传感器技术采用2线制标准,由电流源驱动,确定的参考电压通常在10 V和30 V之间。来自传感器的信号被施加在参考电压上,对信号进行调制,这种调制信号提供了时域和频域的实时数据,可以利用信号处理技术来开发相干数据算法。确保数据完整性的一个关键因素是将MEMS传感器连接起来以监控设备。ADI专门设计了一个安装板来解决这个问题,允许传感器和被监测设备之间有一个可重复的接口。

 

CN0549系统的简化框图,显示了与24位AD7768-1精密ADC接口的IEPEADXL1002 MEMS传感器。

 

振动监测只是预防性维护状态监测策略中应用的一种方法,物联网传感器技术和工业自动化的普及还将意味着人类的体力劳动更少,在系统监控和管理方面需要不断发展的技能。制造商则需要更灵活的系统来快速轻松地适应不断变化的要求,而不能再依赖为批量市场产品和可预测需求设计的固定的大规模系统。ADI新推出的AD74412R和AD74413R具有可重构的模块通道,可以快速、轻松地实现远程设计灵活的控制系统,同时无需进行大规模的重新布线。这极大地提高了制造商和工业运营商的实现速度和灵活性,并使其能够在不大量增加成本和停机时间的情况下进行更改。

 

部署更为高速可靠的工业互联网通信网络

此外,在工业互联网新一轮的快速发展周期内,企业产线建设的升级优化,扁平化、柔性化、有线无线互补并进的趋势更加明朗,工业现场总线向工业以太网方向演进,时间敏感网络(TSN)、确定性网络、边缘计算等技术加速发展。工业互联网的优势是能够充分利用传感器采集的不断增加的数据做出更好的决策,而在整个工业自动化系统中,能否及时获取和传输数据取决于网络连接。因此,为应对日益增长的数据量,网络技术以及制造工艺流程和方法都必须不断改进。智能、互联的自动化环境需要数字连接控制系统、工业设备、产线机器人等,以创建和共享信息。这些机器采用的通信方式以及部署的工厂通信网络是企业的核心,也是推动实现工业互联网的关键。

 

可以预见,未来的工业互联网应用必须支持各种常见的网络拓扑,如PROFINET、EtherNet/IP®、EtherCAT®、POWERLINK®等常用工业以太网协议,以及线状和环状拓扑和星形拓扑。ADI打造的fido5000系列产品是具有两个以太网端口的实时以太网、多协议 (REM) 交换芯片,是可编程的 IEEE 802.3 10 Mbps/100 Mbps 以太网互联网协议版本 6 (IPv6) 和互联网协议版本 4 (IPv4) 交换机,可虚拟支持任意 2 层或 3 层协议。另外,它可以连接任何主机处理器,这让开发人员可以使用自己的处理器和他们首选的开发环境。

 

 

值得一提的是,fido5000还支持时间敏感型网络 (TSN),未来基于TSN的工业以太网应用的需求将能够满足运动控制或安全等应用非常苛刻的实时要求。在工业环境中,即使一毫秒的通信延迟也可能会对制造商的产品质量、吞吐量和效率产生负面、成本高昂的影响。而ADI推出的新型Chronous™系列工业以太网解决方案ADIN1300,进一步致力于解决部署具有低延迟和较小封装尺寸的工业以太网连接方面的重要挑战,以确保实时可靠的工业通信,从而缩短工业以太网网络周期时间。这是一款工业以太网物理层(PHY)产品,以帮助制造商应对关键的工业4.0和智能工厂在通信上的挑战,包括数据集成、同步、终端连接和系统互操作性。

 

本文小结

我国工业互联网在历经三年起步期后,已经打下了良好的发展基础。“十四五”时期,将是工业互联网立足我国制造业转型升级内生动力,发挥5G、互联网、大数据、人工智能等新一代信息技术引领作用,实现并跑领跑的关键阶段。ADI专注于工业互联网领域产品研发与技术创新突破,能够为工业客户提供在感知、测量、解读、通信、网络安全和边缘计算等各个环节中的产品和解决方案,与行业一起探索更快实现工业 4.0 的途径。