物联网对制造物品的人来说意味着什么?

关于物联网(IoT)，我们已经听了很多关于大业务和大数据的话题。但是，在制造业自动化中，我们想做什么样的“事情”呢?

实施物联网需要什么?满足工业自动化中物联网特定要求所需的标准、愿景、连接、集成和流程如何?回答第一个问题将为解决第二个问题提供理由。

无论您将其称为工业4.0还是物联网，在制造业中，它实际上都是关于将机器相互连接、与专家系统连接、与管理执行系统连接，以便使用系统架构较低级别的智能设备(按钮、伺服驱动自动补偿、能量监视器、视觉摄像机、加速度计和E-stop按钮)获得比以往更多的可操作信息(参见图1)。

物联网:要做的事情

物联网不仅仅是将工业网络扩展到设备级架构。它不仅仅是将安全、运动、机器对机器智能、自动化维护资源和企业连接分配给迄今为止无法实现的制造智能。从资源管理到智能机器设备再到预测性维护，物联网提供了很多可以做的事情，使制造自动化更加强大。

安全远程连接

物联网为诊断、配方管理、协同工程以及从OEE到序列化的各种数据采集提供了连接。物联网将提供我们现在无法获得的数据，因为我们还没有部署传感器来获取数据，it也不允许这样做。

然而，在很大程度上，传感器今天已经存在。它们之前的成本还不合理。因此，它们还没有出现在rfq中。一个常见的理由是，“为什么要多花100美元买一个会被叉车撞到的智能传感器?”

2014年最大的安全突破是安全虚拟专用网络(VPN)服务器和云服务的增长，以解决IT部门的担忧。2015年的趋势将是将安全服务器无缝集成到控制软件套件中。

网络安全

也许工业自动化用户思维模式的最大转变是从硬连线安全plc和继电器转向网络安全。它只是吓得人们从用螺丝刀拧紧铜线转向咨询软件显示。然而，我们却不假思索地坐上了电传飞机。我们乘坐无人驾驶穿梭列车前往机场航站楼。我们不会去想它，因为我们看不到它，但即使是我们开到终端的汽车也依赖于联网设备，比如防抱死刹车、安全气囊和巡航控制系统。

网络安全可能是提高生产力的最大潜力，同时还具有防止工人试图绕过安全系统的功能。网络安全具有许多优势，包括安装成本、测试和诊断功能。

这个概念很简单。保持控制和线路电源打开，同时确保操作速度，扭矩，方向和位置不会造成伤害。实现与传统的安全实现保持一致，将主控制系统状态与独立控制器上的校验和进行比较。

但是，网络安全要求在安全模式下继续运行，而不是e -stop放弃所有电源。安全模式操作的目的是防止操作人员试图打破门联锁以清除堵塞，或在操作时拆除机器防护装置以节省步骤。相反，夹卷不能转向不安全的方向。机械臂推得不够用力，不够快，也不够远，不足以让维修工人处于危险之中。

物联网从何而来?安全通过确定的工业以太网联网，每一个状态变化，每一个安全模式下的操作实例，都被记录下来，并可以通过互联网转移到管理部门。联锁或光幕可以传达破坏的性质、时间和间隔，以帮助管理层分析根本原因。

安全的运动

在网络安全功能中，安全运动是最强大的。将智能和软件嵌入到伺服/逆变驱动器和硬件(如安全编码器)中，可以实现网络安全，以维持生产线，印刷机，机器人等在安全模式下的运行。这种智能不仅提供了现在熟悉的安全扭矩关闭信息，还提供了安全的限制扭矩、安全的限制速度、安全的位置、安全的限制加速度等更多信息。

现在，生产线上的机器可以继续在安全模式下运行，而在过去，为了清除堵塞、进行维修或补充材料，需要启动E-stop或受控停机。生产力潜力是巨大的。

网络化的紧急停止

说到E-stop, E-stop按钮不再需要硬连接。是的，E-stop按钮现在可以在以太网网络上使用，并且是控制面板的一部分。足够的说。

预见性维护

预测性维护的关键是基于实际机器状况进行监控，而不仅仅是周期或小时。机械干扰是监测机器状态的关键。使用联网传感器，如加速度计，可以检测轴承、轴、联轴器和其他机械设备的频率，表明故障趋势，可以解释和分析，以安排先发制人的维护(见图2)。

过程越关键，成本就越合理。但是，即使是一个简单设备的故障也可能在整个过程中造成灾难性的后果。

频率分析还可以在设备损坏到无法识别之前识别根本原因。如果有润滑、剥落或腐蚀等记录，则可以采取预防性维护措施。

资源管理

想想能源监测——不仅仅是电力，还有水、蒸汽、压缩空气和真空、天然气、温度——你就会意识到提高可持续性的巨大潜力。

将这些监控活动引入单个机器并深入到处理单元(而不仅仅是分支电路或输入功率表)，数据将变得更具可操作性。为什么一个收缩隧道或一个位移比另一个消耗更多的能量?平衡能源成本和吞吐量的最佳线路速度是多少?

自动补偿

将更多的智能推向设备层面不仅仅是在物联网中进行通信。它本质上是为了提高性能，同时消除人为干预的需要。前沿伺服驱动器就是一个很好的例子。

驱动器内的自动补偿使其能够对异常情况做出反应，无需技术人员微调驱动器即可预测平滑干扰。无需调出示波器功能;无需为笔记本电脑充电。

自动配置

这同样适用于用一个具有较新固件版本的组件替换旧组件。在过去，这需要手动重置新组件，这通常需要在PC上加载软件。现在它是自动的，不需要用户的干预。

如今，控制器和设备之间的板载智能和以太网通信意味着控制器可以查询新组件并自动将其固件降级到当前使用的版本。

这意味着不需要技术人员，不需要维护软件，不需要升级软件许可证，不会出现故障，重要的是，不会在架子上堆积灰尘的预配置备件。

智能I/O切片

将智能推向设备级的另一个例子是具有板载现场可编程门阵列的I/O片，允许设备和I/O片之间的直接响应，绕过背板，PLC CPU和系统扫描时间。其结果是响应时间短至1微秒。

这种闻所未闻的速度有实际用途吗?想想更准确地在包装机上发射胶枪，高速注册标记传感，或缩小传感器与流包装上的拒绝站之间的距离。

I/O片是用IEC 61131-3语言编程的，与机器的其余部分在同一个项目中。它们只是在片级别执行。

分布式运动

如今，安装在机器上的集成电机/驱动器通过以太网进行通信并提供板载I/O并不罕见。这个概念已经扩展到机器安装，分布式，密封驱动器运行传统电机，以满足更高的扭矩和速度要求(见图3)。同时，小型驱动器，如用于格式更改的步进驱动器，采用ip67等级的分布式I/O块的形式。

聪明的按钮

就连不起眼的按钮现在也成了一个网络节点。现在的按钮不再是老式的、硬连线的、专用的按钮，而是像输入/输出一样插入同一根工业以太网电缆。它们是多功能和可编程的，具有多色led指示其模式和可移动的图例，使其易于定制。它们具有E-stop按钮和IP65密封。

典型的应用包括输送模块，在这种情况下，长时间运行的电线变得昂贵和复杂。

自主维护

这种机载智能与廉价的固态存储器相结合，带来了另一个巨大的成本节约，可以使机器更高效。使用动画和视频引导操作员和技术人员完成工作指令的好处是有案可查的。

为什么不将这些动画与控制系统中的故障代码联系起来，并引导操作员进行第一级故障排除呢?使用虚拟网络计算(VNC)和Wi-Fi，动画可以在操作员的智能手机或平板电脑上运行，如果需要，它们可以在整个线路上走动，并连接到它们的交互式故障排除帮助(参见图4)。

这就是所谓的自主维护。这意味着维修技术人员可能不需要将机器重新上线，因为经验不足的操作员可以自己处理问题，并且可以克服语言和识字障碍。

当然，如果问题无法解决，控制器会给随叫随到的维修技术人员发短信，告诉他或她已经做了什么，甚至找出有问题的部件并提交新部件的采购订单。故障也将被记录并反馈给管理层、机器制造商和部件供应商。

-请参阅下一页有关工业4.0和工业物联网以及物联网标准的更多信息。

工业4.0与工业物联网:采用统一的方法

我记得几年前一位值得信赖的德国同事告诉我，工业4.0将是一件大事。老实说，我对这种明显的促销信息嗤之以鼻。我对物联网的最初反应是一样的。

毕竟，我们已经有能力在传送带上安装智能光电传感器几十年了。没人愿意多付100美元。但是，当传送带堵塞时，可以浪费时间在传送带上走一走，用肉眼来确定停机的原因。

今天，智能传感器允许您从线路控制器，从在线上任何HMI的状态模型(PackML，又名ISA TR88.00.02在这里也有帮助)中查明问题。你的技术人员带着更换部件，在几分钟内重新调整或更换传感器。

工业4.0和工业物联网的情况也是如此。不同的是心态。

德国在工程、应用技术和先进机械方面享有应有的声誉。它是该国出口经济的基础，是试图将欧盟其他国家拖出持续衰退的经济引擎，也是许多民族自豪感的基础。因此，德国抓住物联网的潜力并专注于工业应用是可以理解的。

在德国和整个欧洲，技术人员倾向于向其他技术人员出售技术。在美国，技术专家需要说服专注于季度业绩的财务经理，让他们相信，为了保持竞争力和实现有机增长，需要增加技术投资。我相信这就是为什么美国的物联网支持者倾向于强调大数据而不是连接机器的原因。他们向首席财务官出售IT解决方案。

这是否意味着4.0在工厂自动化中比工业物联网更有可能实现?我已经确信，欧洲工业集体相信互联机器的愿景。因此，也许机器制造商和技术供应商也认为应该首先瞄准欧洲市场。

在欧洲，称之为4.0，当技术成熟时，下一步是与欧洲客户的海外子公司接触。在那里，不管他们在市场上怎么称呼这项技术。不要让你的组织陷入4.0和工业物联网之间的争论中——它们是同一个“东西”——一种基于以太网/互联网的策略，用于连接机器，以提供比以前更有效的操作。

让我们确保它们使用相同的标准。

工业物联网标准

以下段落解释了物联网成功所需的标准及其原因。

以太网到互联网

物联网的基础是TCP/IP、HTTP、FTP和其他普遍接受的互联网通信标准在基于以太网的工业网络到内部网和互联网之间的连续性。今天，即使是低成本的控制器也需要提供Web服务器和一个或多个以太网连接。

网络安全

ISA/IEC-62443 (ISA 99)提供了工业控制系统网络安全措施的全面概述。这是一个需要主题专家的复杂主题。可以说，正如IT有安全标准一样，自动化也有安全标准。

安全的VPN服务器和托管云服务现在广泛可用。现在出现的是满足工业自动化特定需求的安全服务。安全VPN功能也被内置到自动化软件套件中。拥有大量IT资源的大用户和集成商可以跨这些接口应用他们自己的解决方案。机器制造商和用户可以采购软件即服务解决方案，而无需投资额外的IT基础设施。

服务可从第三方、控制供应商本身以及机器制造商和集成商处获得。安全服务包括交钥匙远程数据采集、监控、数据存储、报告和诊断。

底线很简单:安全问题——从Stuxnet到索尼的例子——是真实存在的，但对策是存在的。

VNC访问

虚拟网络计算是物联网的缩影。VNC是一个开源共享系统，允许远程访问支持物联网的控制器，而无需供应商的软件套件。不需要许可证，不需要专用的通信软件或硬件。您需要的只是控制器的IP地址。

开放式网络安全

没有标准，物联网将会失败。物联网不能容忍封闭的系统，因为它是关于连接一切的。与普遍的看法相反，网络安全确实有一个国际标准。openSAFETY协议栈是根据IEC 61784-3-13的openSAFETY规范的实现，并且是免费许可的。

此外，openSAFETY已经过测试并证明可以在主要工业网络的应用层上运行:Profinet、EtherNet/IP、Modbus TCP、SERCOS III、EtherCAT和POWERLINK。然而，它将由控制用户从他们的供应商指定openSAFETY。

专有安全协议(仅限于其最初设计的网络)不支持物联网，因为它们限制了连接。它们还可以有效地限制第三方访问以开发主接口，而不仅仅是从接口。为了开放，安全必须允许任何自动化供应商开发兼容的控制器和设备。

ISA TR88.00.02

更广为人知的是OMAC PackML，该标准描述了状态模型、模式和标签命名约定，最初旨在与包装线进行通信，通常包括使用不同控制平台的来自许多不同供应商的机器。

由机器自动化与控制组织(OMAC)， PackML已被证明同样适用于任何离散控制方案。OMAC专门通过了国际自动化学会审核过程成为ISA技术报告，ISA TR88.00.02。OMAC接下来将启动国际电工委员会(IEC)审查过程。

TR88是机器编程、机器对机器和管理数据采集的关键标准。

OPC UA

OPC UA (IEC 62541)代表OPC统一体系结构，由OPC基金会取代原来的OPC (OLE表示过程控制，OLE表示对象链接和嵌入，一种基于COM的以微软为中心的接口)。

OPC UA基于Web服务，与平台无关。PLCopen(代表IEC 61131-3)和OPC基金会之间正在进行合作，将OPC UA映射到流行的控制编程标准。预计OMAC倡议ISA TR88.00.02 (PackML)将紧随其后。

这既是游戏规则的改变者，也是工业物联网从业者的必需品。与PLC供应商提供的专有数据采集工具和限于其产品相比，OPC UA是一个真正的国际标准。OPC通信适合以太网和互联网之间以及工厂和管理系统之间的数据处理需求。

John Kowal是佐治亚州罗斯威尔B&R工业自动化公司的业务开发总监。

贝加莱工业自动化是一家相2015年2月26日的会员

本文发表在应用自动化补充的控制工程和设备工程。

-参见下文增刊中的其他文章。

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