智能工廠和離散自動化連接的基礎(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)，使機器能夠運行自我優(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)時間、主動預防機械問題，并簡化相互關(guān)聯(lián)的制造任務。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)控供應鏈預測，并觸發(fā)生產(chǎn)線做出響應，其適應性越來越強。

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行認證。CAT5e和CAT6以及以太網(wǎng)供電(PoE)連接在自動化機器和機器人中越來越普遍。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營商捆綁組件，獲得UL認證。

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，用于實時設(shè)備控制。一些這樣的控制器還利用網(wǎng)絡(luò)進行遠程監(jiān)控、邊緣計算、數(shù)據(jù)計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)計算機甚至包括觸摸屏，可兼作人機界面(HMI)。

HIPERFACE DSL的主要優(yōu)點是其允許通過一根電纜布線電機電源和位置反饋，從而降低復雜性和成本。加上智能HIPERFACE DSL編碼器包括存儲電機信息的內(nèi)部存儲器，因此在初始連接時，伺服驅(qū)動器可以查詢這些信息，以幫助自動化電機調(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了包含線性執(zhí)行器的機械，通常提供與不同制造商的放大器的兼容性，以實現(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。一些智能電機供應商已經(jīng)開始將IO-Link初級產(chǎn)品集成到核心產(chǎn)品中，以支持分散自動化概念的可連接傳感器。當然，可以通過工業(yè)以太網(wǎng)或can總線進行通信的電機不需要作為輔助設(shè)備連接到IO-Link網(wǎng)絡(luò)。

IO-Link還可以對組件上的傳統(tǒng)模擬連接器進行數(shù)字化，以實現(xiàn)雙向通信和更快的調(diào)試時間。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(運營技術(shù))融合中涉及最多的——通常涉及企業(yè)級任務、網(wǎng)關(guān)和其他連接，以便通過標準Web瀏覽器進行系統(tǒng)配置……以及運營調(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)置遠程訪問網(wǎng)絡(luò)、邊緣計算系統(tǒng)以及對相關(guān)機器設(shè)置和數(shù)據(jù)的中央或機上(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施。無論系統(tǒng)采用Raspberry Pi等基本控制，還是復雜的基于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（分別為IaaS、PaaS和SaaS）或云服務也被大量采用以支持多管齊下的IIoT設(shè)計方法（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，當今兩個領(lǐng)先的機器自動化公共云服務提供商是：

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

當然，云服務也有其他功能。推動AWS和Azure應用于工業(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)服務將工程師從底層硬件和軟件的額外設(shè)計工作中解放出來——因為提供商執(zhí)行IT任務。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)計工作，使工程師免于處理編程細節(jié)。

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

所有這些功能都可以促進高級功能，包括分類和提取數(shù)據(jù)的機器學習，以及做出預測，以提示機器和生產(chǎn)調(diào)整。

一個相關(guān)的趨勢是供應商越來越多地使用預先策劃的云門戶。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，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行遠程軟件更新，以及遠程查看組件的Web可視化。

通過AWS GreenGrass Core認證的觸摸屏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)備還可以運行Docker Inc的集裝箱化服務的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，其包含獨立運行應用程序所需的代碼、系統(tǒng)工具、運行時、庫和設(shè)置。在許多機器設(shè)計中，容器被設(shè)計用來與其他系統(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)建應用程序的優(yōu)點包括:

一些HMI和DIN導軌安裝控制器接受Docker的安裝，事實上，一些供應商定期發(fā)布預先構(gòu)建的容器來擴展這些產(chǎn)品的服務。

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)運營改進提供信息。涉及一到數(shù)百臺機器的自動化安裝就是如此。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:

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設(shè)備之間可擴展通信的協(xié)議。任何對MQTT的內(nèi)置設(shè)備支持都是有用的，因為其適用于Amazon AWS物聯(lián)網(wǎng)服務。此外，MQTT(如AMQP)是精簡和標準化的，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上實施。提供最多MQTT支持的HMI應該連接到增值服務，以提供在第三方系統(tǒng)中邊緣處理的數(shù)據(jù)，并通過云服務運行。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）。

互操作性標準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?。運動控制領(lǐng)域最重視OPC UA的標準化通信協(xié)議，并輔以時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)作為分散自動化的獨立于供應商的現(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的機器中。畢竟，現(xiàn)在比以往任何時候都有更多的系統(tǒng)受益于包含智能電機和其他組件的分布式架構(gòu)，這些組件能夠在與其他設(shè)備實時通信的同時處理命令和執(zhí)行任務，如運動和其他。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。這個關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是免費的、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這樣復雜的系統(tǒng)控制，都是如此。

事實上，SQL還與一些控制器HMI一起工作，收集和顯示機器數(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)務運營。

一些供應商設(shè)計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:

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

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