物联网对工业自动化意味着什么？

我们近几年听到了许多关于物联网（IoT）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，与专家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。

图1  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。

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CONTROL ENGINEERINGChina版权所有，以安排预先性维护（见图1）。

图2 机载密封驱动器现可通过以太网通信并提供板载I/O。

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最佳生产线速度是什么？

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www.cechina.cn，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IEC 61131-3语言编程CONTROL ENGINEERINGChina版权所有，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(见图2)。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-Fiwww.cechina.cn，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（见图3）。

图3  通过VNC和Wi-Fiwww.cechina.cn，动画可在操作员的智能手机或平板电脑上运行，
以提供作业指导或帮助进行故障排除。

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。

工业4.0与工业互联网：殊途同归

我记得一位资历颇深的德国同事在几年前告诉我：工业4.0将是一件了不起的事。坦言讲，当时我嘲笑这明显是促销信息。我对物联网的最初反应亦是如此。

毕竟，早在十几年前，我们就具有能够将智能光电传感器放在输送带上的能力，但是没有人愿为此额外支付100美元。因此，当输送带堵塞时，就只能耗费时间走查生产线，用眼球确定输送带停止的根本原因。

而现在，智能传感器能让您从生产线控制器以及生产线上任何HMI的状态模型中发现问题。技术人员为其提供替换件并在几分钟内重新调节或更换传感器。

工业4.0和工业互联网其实质是相同的，不同之处在于思维。

德国在工程、应用技术和高级机械设备方面一直具有良好信誉，它们是德国出口经济的基础和经济引擎（试图使欧盟其他国家摆脱持久经济衰退）且令民族颇为自豪。因此，德国抓住物联网的潜力并集中于工业应用便成为不言而喻的事。

在德国和整个欧洲，技术专家倾向于将技术销售给其他技术专家。这种做法与美国相反。在美国，技术专家需说服关注季度财报的财务经理增加对科技的投资，以保持竞争力并产生有机增长。我认为这恰是美国物联网支持者倾向于强调大数据而非可联网机器的原因。他们正在将IT解决方案出售给首席财务官。

这是否意味着工业4.0比工业互联网更有可能改变工厂自动化？我确信欧洲工业更相信可联网机器的愿景。因此，信奉这一愿景的机器制造商和技术供应商应该首先瞄准欧洲市场。

欧洲称为工业4.0，别的国家和地区可能也有各自的叫法。无论在这些市场上的名称是什么，其实质都是万变不离其宗。莫让您的机构陷入工业4.0和工业互联网的争论中，其实它们是一回事，即通过以太网/互联网连接机器，实现比以往更高效的运行。

需要注意的是，我们应确保它们所使用的标准相同。

工业物联网的相关标准

以下各段介绍了工业物联网成功实施涉及到的一些标准。

从以太网到互联网

物联网是基于TCP/IP、HTTP、FTP和其他普遍接受的互联网通信标准，包括从基于以太网的工业网络到局域网和互联网。现如今，即使是廉价的控制器预计也会提供网络服务器和一个或更多以太网连接。
工控系统的网络安全

ISA/IEC-62443（ISA 99）对工控系统网络安全措施进行了全面概述。其为复杂的主题，需要主题专家的参与。总之，IT有安全标准，自动化也要有安全标准。

安全VPN服务器和托管云服务现被广泛使用。满足工业自动化特定需求的安全服务正在兴起。安全VPN功能正在内置于自动化软件套件中。具有大量IT资源的广大用户和集成商可通过这些接口连接自己的资源。机器制造商和用户可采用软件即服务解决方案，无需投入额外的IT基础设施。

服务由第三方、控制供应商、机器制造商和集成商提供。安全服务包括整体远程数据采集、监控、数据存储、报告与诊断。

VNC访问

虚拟网络计算是物联网的缩影。VNC是开源共享系统，允许远程访问具有物联网功能的控制器，而不需使用供应商软件包。无需任何许可证和专用通信软件或硬件。您只需要知道控制器的IP地址。

开放式网络安全

如果没有开放的标准，物联网必将失败。物联网无法忍受封闭系统控制工程网版权所有，原因是它将连接万物。网络安全也具有国际标准。openSAFETY协议栈是openSAFETY技术规范符合IEC 61784-3-13的实现，且可获得免费许可。

此外，经测试和证明，openSAFETY可运行在主要工业网络的应用层：Profinet、EtherNet/IP、 Modbus TCP、 SERCOS III、 EtherCAT和POWERLINK。不过，用户可以指定供应商的openSAFETY协议。

专用协议（限于最初设计所面向的网络）不支持物联网。其原因是这些专用协议将限制连接性，并会有效限制第三方访问，以开发主机接口而非从机接口。为实现开放性，安全务必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

此标准被广泛称为OMAC PackML。其描述了一个状态模型、模式和标签命名，最初预期与包装生产线（一般由许多不同供应商借助不同控制平台构成机械设备）通信。

PackML由机械自动化与控制组织（OMAC）开发。其被证明与任何离散控制方案有同等的良好相关性。经过国际自动化学会（ISA）审批流程，OMAC明确采纳了此标准，成为一份ISA技术报告，ISA TR88.00.02。OMAC接下来将启动国际电工委员会（IEC）审批流程。TR88是机器编程及机器对机器和管理数据采集的一项关键标准。

OPC UA

OPC UA（IEC 62541）是OPC基金会所开发的OPC统一架构，以替代最初的OPC（用于过程控制的OLE，OLE表示对象链接与嵌入，基于COM的微软接口）。

OPC UA基于网络服务且与平台无关。PLCopen（代表IEC 61131-3）和OPC基金会之间正在开展合作，致力将OPC UA确定为流行的控制编程标准。预计会遵循OMAC新方案、ISA TR88.00.02 (PackML)。

相比PLC供应商所提供的专用数据采集工具并限于他们的产品，OPC UA是真正的国际标准。OPC通信满足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。