智能工廠和離散自動(dòng)化連接的基礎(chǔ)知識

　　智能工廠和離散自動(dòng)化連接的基礎(chǔ)知識

　　智能工廠是將允許數(shù)字化的制造或生產(chǎn)的所有方面數(shù)字化的設(shè)施。這種操作通過連接的設(shè)備和系統(tǒng)持續(xù)記錄數(shù)據(jù)，然后傳播這些數(shù)據(jù)，使機(jī)器能夠運(yùn)行自我優(yōu)化程序。此類程序有助于工廠縮短給定最終產(chǎn)品的生產(chǎn)時(shí)間、主動(dòng)預(yù)防機(jī)械問題，并簡化相互關(guān)聯(lián)的制造任務(wù)。構(gòu)建智能工廠的綜合方法利用云工具、人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析來監(jiān)控供應(yīng)鏈預(yù)測，并觸發(fā)生產(chǎn)線做出響應(yīng)，其適應(yīng)性越來越強(qiáng)。

　　支持智能工廠功能的網(wǎng)絡(luò)

　　現(xiàn)在來了解一下智能工廠連接的具體情況。支持智能工廠功能的工業(yè)協(xié)議通常需要物理組件進(jìn)行認(rèn)證。CAT5e和CAT6以及以太網(wǎng)供電(PoE)連接在自動(dòng)化機(jī)器和機(jī)器人中越來越普遍。此外，靈活的CAT5e和CAT6電纜支持CC-Link工業(yè)以太網(wǎng)(IE)網(wǎng)絡(luò)，并為北美市場提供電纜運(yùn)營商捆綁組件，獲得UL認(rèn)證。

　　考慮支持CC-Link IE Field工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)控制器，并允許數(shù)據(jù)交換到1毫秒，用于實(shí)時(shí)設(shè)備控制。一些這樣的控制器還利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、邊緣計(jì)算、數(shù)據(jù)計(jì)算以及硬件和軟件的集成。這些控制器通常都安裝了Windows 10物聯(lián)網(wǎng)，但也可以使用操作系統(tǒng)VxWorks和開放平臺Edgecross來處理和分發(fā)數(shù)據(jù)。一些此類的工業(yè)計(jì)算機(jī)甚至包括觸摸屏，可兼作人機(jī)界面(HMI)。

　　HIPERFACE DSL的主要優(yōu)點(diǎn)是其允許通過一根電纜布線電機(jī)電源和位置反饋，從而降低復(fù)雜性和成本。加上智能HIPERFACE DSL編碼器包括存儲電機(jī)信息的內(nèi)部存儲器，因此在初始連接時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器可以查詢這些信息，以幫助自動(dòng)化電機(jī)調(diào)試。

　　同樣，基于以太網(wǎng)甚至數(shù)字用戶線(DSL)電纜的單電纜解決方案改進(jìn)了包含線性執(zhí)行器的機(jī)械，通常提供與不同制造商的放大器的兼容性，以實(shí)現(xiàn)控制器與執(zhí)行器的快速無縫集成。

　　單電纜IO-Link也被越來越多地用于工業(yè)連接。一些智能電機(jī)供應(yīng)商已經(jīng)開始將IO-Link初級產(chǎn)品集成到核心產(chǎn)品中，以支持分散自動(dòng)化概念的可連接傳感器。當(dāng)然，可以通過工業(yè)以太網(wǎng)或can總線進(jìn)行通信的電機(jī)不需要作為輔助設(shè)備連接到IO-Link網(wǎng)絡(luò)。

　　IO-Link還可以對組件上的傳統(tǒng)模擬連接器進(jìn)行數(shù)字化，以實(shí)現(xiàn)雙向通信和更快的調(diào)試時(shí)間。難怪有些人在控制端采用IO-Link連接，以支持多協(xié)議并與串行接口連接。

　　協(xié)議和云連接服務(wù)于智能工廠功能

　　考慮工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)連接中使用的各種協(xié)議和通信，如SCADA、MES和企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)架構(gòu)。這些是IT/OT(運(yùn)營技術(shù))融合中涉及最多的——通常涉及企業(yè)級任務(wù)、網(wǎng)關(guān)和其他連接，以便通過標(biāo)準(zhǔn)Web瀏覽器進(jìn)行系統(tǒng)配置……以及運(yùn)營調(diào)整和其他管理操作。

　　需要明確的是，全面的SCADA安裝在大數(shù)據(jù)捕獲和處理方面表現(xiàn)出色、歷史數(shù)據(jù)的維護(hù)和使用和分析例程的執(zhí)行。然而，智能工廠解決方案允許更快地設(shè)置遠(yuǎn)程訪問網(wǎng)絡(luò)、邊緣計(jì)算系統(tǒng)以及對相關(guān)機(jī)器設(shè)置和數(shù)據(jù)的中央或機(jī)上(HMI)控制。

　　許多IIoT安裝中使用的是結(jié)構(gòu)化查詢語言(SQL)，允許將數(shù)據(jù)和事件日志同步到MySQL和MS SQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的編程。這樣做的好處是IT人員訪問比依賴于控制的替代方法更容易實(shí)施。無論系統(tǒng)采用Raspberry Pi等基本控制，還是復(fù)雜的基于PC的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫接口(通常需要額外的硬件和軟件)，都是如此。

　　此外，基礎(chǔ)設(shè)施、平臺和軟件即服務(wù)(分別為IaaS、PaaS和SaaS)或云服務(wù)也被大量采用以支持多管齊下的IIoT設(shè)計(jì)方法(涉及軟件、硬件和連接)。其中包括Alibaba Cloud、Tencent Cloud、Google Cloud、IBM Cloud和Oracle Cloud.。然而，在美國，當(dāng)今兩個(gè)領(lǐng)先的機(jī)器自動(dòng)化公共云服務(wù)提供商是：

　　Amazon Web Services Inc.與AWS云軟件和服務(wù)

　　Microsoft Azure IoT Edge云軟件和服務(wù)

　　此類云服務(wù)主要支持?jǐn)?shù)據(jù)庫的使用——通過Amazon簡單存儲服務(wù)或S3存儲桶以及Amazon DynamoDB托管數(shù)據(jù)庫服務(wù)等產(chǎn)品、在線和本地應(yīng)用程序以及按需計(jì)算能力。與后者相關(guān)的是AWS Lambda服務(wù)，允許Python、Node.js、Java和C#編程在該服務(wù)的服務(wù)器上運(yùn)行。HMI讓最終用戶充分利用這些工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)功能。

　　當(dāng)然，云服務(wù)也有其他功能。推動(dòng)AWS和Azure應(yīng)用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的部分原因是，越來越多的工程師已經(jīng)習(xí)慣于在這些平臺上構(gòu)建自己的基礎(chǔ)設(shè)施。畢竟，基于云的數(shù)據(jù)服務(wù)將工程師從底層硬件和軟件的額外設(shè)計(jì)工作中解放出來——因?yàn)樘峁┥虉?zhí)行IT任務(wù)。AWS和Azure還允許使用抽象數(shù)據(jù)流和通信的軟件——通過具有吸引人的GUI的開發(fā)環(huán)境簡化一些設(shè)計(jì)工作，使工程師免于處理編程細(xì)節(jié)。

　　云服務(wù)還通過運(yùn)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的虛擬機(jī)促進(jìn)了高級工程……設(shè)計(jì)工程師對這些虛擬機(jī)進(jìn)行控制。更重要的是，云服務(wù)可以在采用發(fā)布-訂閱原則的協(xié)議上容納各種通信服務(wù)，成為所有這些服務(wù)的主服務(wù)。這樣就不需要在系統(tǒng)設(shè)置期間進(jìn)行耗時(shí)的尋址。

　　所有這些功能都可以促進(jìn)高級功能，包括分類和提取數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)，以及做出預(yù)測，以提示機(jī)器和生產(chǎn)調(diào)整。

　　一個(gè)相關(guān)的趨勢是供應(yīng)商越來越多地使用預(yù)先策劃的云門戶。這些門戶網(wǎng)站是連接用戶控制器和觸摸屏HMI的在線服務(wù)，為工程師提供了一種開始使用IIoT的簡單方法。然后工程師可以根據(jù)趨勢定制HMI屏幕和儀表板，并使用云門戶管理的規(guī)則引擎配置HMI電子郵件通知。函數(shù)列表還在繼續(xù)。一些安排允許對組件進(jìn)行遠(yuǎn)程軟件更新，以及遠(yuǎn)程查看組件的Web可視化。

　　通過AWS GreenGrass Core認(rèn)證的觸摸屏HMIs和控制器基本上利用AWS，包括AWS Lambda和Things Graph，讓連接的邊緣設(shè)備，如傳感器和執(zhí)行器，在本地處理其生成的數(shù)據(jù)，并使用云進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、存儲和分析。借助AWS IoT Greengrass，連接的設(shè)備還可以運(yùn)行Docker Inc的集裝箱化服務(wù)的Docker容器。

　　回想一下，在工業(yè)編程的上下文中，容器是一段可執(zhí)行軟件，其包含獨(dú)立運(yùn)行應(yīng)用程序所需的代碼、系統(tǒng)工具、運(yùn)行時(shí)、庫和設(shè)置。在許多機(jī)器設(shè)計(jì)中，容器被設(shè)計(jì)用來與其他系統(tǒng)通信和同步數(shù)據(jù)，或者執(zhí)行各種預(yù)測——即使在與互聯(lián)網(wǎng)斷開連接的情況下也是如此。在容器中構(gòu)建應(yīng)用程序的優(yōu)點(diǎn)包括:

　　易于部署到設(shè)備上

　　軟件的可移植性，允許在不同的平臺上使用

　　通過為工程師的應(yīng)用程序提供沙箱來提高安全性

　　一些HMI和DIN導(dǎo)軌安裝控制器接受Docker的安裝，事實(shí)上，一些供應(yīng)商定期發(fā)布預(yù)先構(gòu)建的容器來擴(kuò)展這些產(chǎn)品的服務(wù)。

　　在任何HMI連接到云端的地方，其都可能以某種IIoT的能力為企業(yè)分析和持續(xù)運(yùn)營改進(jìn)提供信息。涉及一到數(shù)百臺機(jī)器的自動(dòng)化安裝就是如此。支持IIoT功能(包括各種形式的數(shù)據(jù)通信和與邊緣設(shè)備的HMI連接)的協(xié)議包括:

　　開放平臺通信統(tǒng)一架構(gòu)(OPC UA)

　　具象狀態(tài)傳輸或(REST)及其應(yīng)用程序編程接口(API)

　　高級消息隊(duì)列協(xié)議(AMQP)

　　消息隊(duì)列遙測傳輸或MQTT

　　MQTT是許多物聯(lián)網(wǎng)連接結(jié)構(gòu)的核心，是一種支持傳感器和移動(dòng)設(shè)備之間可擴(kuò)展通信的協(xié)議。任何對MQTT的內(nèi)置設(shè)備支持都是有用的，因?yàn)槠溥m用于Amazon AWS物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。此外，MQTT(如AMQP)是精簡和標(biāo)準(zhǔn)化的，MQTT可以在處理現(xiàn)場和云系統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān)HMI上實(shí)施。提供最多MQTT支持的HMI應(yīng)該連接到增值服務(wù)，以提供在第三方系統(tǒng)中邊緣處理的數(shù)據(jù)，并通過云服務(wù)運(yùn)行。此類HMI可以作為MQTT發(fā)布者(并向代理發(fā)送消息)或訂閱者(并從代理請求消息)或代理(并管理數(shù)據(jù)和與發(fā)布者或訂閱者的連接)。

　　互操作性標(biāo)準(zhǔn)OPC UA對于充分利用連接HMI技術(shù)的前景也是不可或缺的。OPC UA在其規(guī)范定義中包含了發(fā)布-訂閱通信，因此可以以替代MQTT將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫�。運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域最重視OPC UA的標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議，并輔以時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)作為分散自動(dòng)化的獨(dú)立于供應(yīng)商的現(xiàn)場總線。帶有TSN的OPC UA甚至可以使額外的PLC變得不必要——例如，在使用集成伺服電機(jī)的機(jī)器中。畢竟，現(xiàn)在比以往任何時(shí)候都有更多的系統(tǒng)受益于包含智能電機(jī)和其他組件的分布式架構(gòu)，這些組件能夠在與其他設(shè)備實(shí)時(shí)通信的同時(shí)處理命令和執(zhí)行任務(wù)，如運(yùn)動(dòng)和其他。在某些情況下，后者可以包括作為邊緣網(wǎng)關(guān)的HMI，以處理某些軸的流程邏輯，以及與ERP系統(tǒng)和云的連接。

　　HMI如何使用MySQL數(shù)據(jù)庫連接的示例

　　在許多工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安裝中使用的是前面提到的SQL。這個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是免費(fèi)的、開源的，并得到廣泛支持。其還很安全，因此可以安全地集成到控制器HMI和面板PC中。SQL的一個(gè)好處是IT人員訪問比依賴于控件的替代方法(通常需要額外的硬件和軟件)更容易實(shí)現(xiàn)。無論是像Raspberry Pi這樣簡單的系統(tǒng)控制，還是像具有IoT數(shù)據(jù)庫接口的PAC這樣復(fù)雜的系統(tǒng)控制，都是如此。

　　事實(shí)上，SQL還與一些控制器HMI一起工作，收集和顯示機(jī)器數(shù)據(jù)，以便于監(jiān)視和分析。例如，將此類HMI連接到MySQL數(shù)據(jù)庫，可以在靈活且可信的數(shù)據(jù)庫中收集、組織和存儲數(shù)據(jù)，從而方便訪問和優(yōu)化業(yè)務(wù)運(yùn)營。

　　一些供應(yīng)商設(shè)計(jì)軟件可以幫助工程師通過智能HMI使用MySQL，并將數(shù)據(jù)放在Excel電子表格中(或其他常用軟件的文件中的表格數(shù)據(jù))，以:

　　在HMI界面顯示信息

　　將數(shù)據(jù)和事件日志同步到本地網(wǎng)絡(luò)上的遠(yuǎn)程MySQL服務(wù)器

　　管理服務(wù)器上的數(shù)據(jù)

　　然后，工程師可以使用MySQL和MS Excel來收集、分析和響應(yīng)數(shù)據(jù)，以做出更明智的決策和優(yōu)化運(yùn)營。