开启工业4.0时代：物联网为工业自动化带来了什么？

我们近几年听到了许多关于物联网的讯息，它们往往是以大企业和大数据为中心，在消费领域探讨的更多。时至今日，物联网究竟对制造业产生了哪些影响？实现物联网需要具备哪些条件？在工业自动化中，满足物联网的特定要求所需的标准、连接性、集成和流程又是什么？

在制造业中，无论称为工业4.0或物联网，其本质均是机器的连接，包括将机器与机器互联，与技术人员系统互联以及与管理执行系统互联等。从而通过系统架构级别较低的智能设备(按钮、伺服驱动器自动补偿、能量监测器、全景摄像机、加速计和急停按钮等)获得比以往更可行的信息。

物联网不仅是将工业网络扩展到设备级架构，还包括将安全、运动、机器对机器智能、自动维护资源和企业连接性融入到目前难以企及的制造智能。从资源管理到智能机器设备再到预见性维护，物联网的快速发展，为制造自动化也带来了很多积极的影响。

安全的远程连接

物联网希望实现万物互联，以便进行诊断、配方管理、协作工程和各种数据采集(从OEE到序列化)。物联网能够获取更多当前尚未获取的数据。原因可能是我们之前没有部署用于获取数据的传感器而且IT也不允许这样做。

现实是这种智能传感器已经存在，只不过企业还没有意识到把钱花在这个地方的好处。常见的疑问比如说，“为何额外花100美元购买一个有可能不小心就被叉车撞坏的智能传感器呢？”

在2014年，安全方面的重大突破是安全虚拟私有网络(VPN)服务器和云服务。2015年的趋势是实现安全服务器与控制软件套件的无缝集成。

网络安全

工业自动化用户思维的最大转变可能是从硬连接的安全PLC和继电器转移到网络安全性。这意味着从普通工人用螺丝刀紧铜线到咨询软件显示的过渡。而现实中，我们的生活早已改变。我们会毫不犹豫的乘坐电子导航系统的航班。我们乘坐无人驾驶的区间列车抵达航站楼。即使开往航站楼的汽车都与网络设备息息相关(例如：防抱死制动、安全气囊弹出和恒速操纵器等)，我们没有担心它们的安全性，是因为我们看不到。

网络安全对于提高生产力大有帮助，能够有效防止工人试图绕过安全系统操作。在安装费用、测试和诊断能力方面，网络安全也有许多优势。既要保持控制和线路功率又要确保工作速度、转矩、方向和位置不会引起危害。在实施过程中还要符合传统安全实施方案(即：将主控系统状态与独立控制器上的校验做比较)。

与E- stop急停按钮将所有电源切断不同，网络安全允许系统在安全模式下连续运行。安全模式运行旨在防止操作员误操作，试图通过打开门联锁装置来清除堵塞，或在无机器防护装置的情况下操作。相反，它要确保轧辊不能以非安全方向旋转，或者机器人手臂无法快速用力，以保护维修工人的安全。

物联网对于工业安全有何促进呢？安全系统通过确定性工业以太网联网。同时，安全模式下的每个状态变化、每个操作实例均被记录下来并通过互联网传送给管理人员。联锁装置或光幕可传达破损程度、时间和间隔，以帮助管理人员分析根本原因。

安全的运动控制

在网络安全功能中，安全运动控制功能最为强大。通过嵌入到伺服机构/变频驱动(配有安全编码器等硬件)中的智能软件，网络安全系统可保持生产线、印刷机、机器人及其他设备的正常运行(在安全模式下)。这种智能不仅能够提供现在熟悉的安全扭矩关闭信息，还能够提供安全的受限转矩、受限速度、位置和受限加速度等更多信息。

现在，生产线上的机器可在安全模式下继续运行。而在过去，急停按钮或受控关闭将会开启，以清除堵塞信息，进行修复或补充材料。现在的紧急停机按钮也不再需要硬接线，它可以通过以太网连接并且成为控制面板的一部分。

预见性维护

预见性维护的关键是根据机器实际状态而非根据固定的周期进行监控。此外，监控机器状态的关键是机械扰动。利用加速度计等网络化传感器可检测轴承、主轴、联轴器和其他机械设备的频率，预测发生故障的趋势，以安排预先性维护。

通过联网的传感器进行状态监控，来预测可能出现的机器故障。

过程越关键，维护的成本越大。简单设备的故障可能会使某一过程出现灾难性结果。频率分析还可促使在设备受损前找出根本原因。如可记录润滑、剥落或腐蚀等状况，则可采取预防性维护措施。

资源管理

能源监测，不仅是电力监测，还包括水、蒸汽、压缩空气和真空、天然气、温度等，可以帮助您认识到提高可持续性的巨大潜力。

将这些监测数据带入到单独的机器和过程单元(不仅是分支电路或输入电表)，将使数据变得更可行。为何一个收缩炉或轮班比另一收缩炉或轮班耗能多？权衡能源成本和生产量之后的生产线速度是什么？

自动补偿

将更多智能推向设备级而不仅是在物联网通信。这样有助于提高性能并省去人为干预。先进的伺服驱动器就是一个好例子。

驱动器内的自动补偿能够响应异常情况，预先消除干扰，无需技术人员对驱动器进行微调。无需引入示波器功能，也不用再插入笔记本电脑。

自动配置

将较旧组件替换为具有更新固件版本的组件亦是如此。在过去，这一过程需要手动重置新组件，通常需将软件加载到PC。现可自动完成，无需用户干预。

板载智能及控制器和设备之间的以太网通信意味着控制器可查询新组件并将其固件自动降级为正在使用的版本。

这意味着不需要任何技术员，无需维护软件，无需升级软件许可证，无故障显示，也不用预先将备用组件放置在架子上等着落满灰尘。

智能I/O切片

将智能推向设备级的另一实例是使用带有板载FPGA的I/O切片，允许设备和I/O切片之间直接响应，从而绕过背板、PLC的CPU和系统扫描。结果是响应时间短至1微秒。

这种前所未闻的超快速度是否有实际用途？考虑如下的应用，是否会吸引你：让喷胶枪向装箱机更准确地打胶，更快速的商标打印，以及大幅缩短枕式包装机上传感器和回收站之间的距离。

与项目中机器的其他部分相同，I/O切片也用IEC61131-3语言编程，不过它们仅在切片级执行。

分布式运动控制

具有以太网通信和板载I/O功能的机载集成式电机/驱动器早已屡见不鲜。如今，这一概念已扩展到机载分布式密封驱动器，以帮助传统的电机达到更高的转矩和速度要求。此外，小型驱动器(例如：格式转换所用的步进电机)可以采用IP67分布式I/O模块。

自主维护

这种板载智能结合廉价固态存储器可以大幅节约成本，促使机器更高效。根据作业指导书，操作员和技术人员利用动画和视频走查的益处是有据可依的。

为何不将这些动画与控制系统中的故障代码相关联，并使操作员按第一梯队的故障排除进行走查？通过虚拟网络计算(VNC)和Wi-Fi，动画可在操作员的智能手机或平板电脑上运行，并在需要的情况下走查整条生产线，并连接到交互式故障排除辅助工具。

这一过程称为“自主维护”。其意味着维护技术员无需取回生产线上的机器，因为即使是缺乏经验的操作员也可自行处理问题，并可克服语言和读写障碍。

当然，如果问题无法解决，则控制器将向值班的维护技术员发送信息，针对他或她所执行的操作提供建议，识别存在故障的部件并提交订购单，采购一个新部件。与此同时，故障也会被好好记录下来，并上报管理部门、机器制造商和组件供应商。