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工业IoT传感器系统设计指南

时间:2019-02-12 作者:Rich Quinnell 阅读:
传感器是工业控制的基础,但将传感器转变为IIoT系统可能是一项重大挑战。

传感器是工业控制的基础,但将传感器转变为IIoT系统可能是一项重大挑战。

现代工业系统的关键元器件是传感器,它将数据提供给控制器、监视器以及其他支持工厂运转的运营技术(OT)。传感器网络已经使用多年,但互联网的出现为传感器系统的使用带来了巨大的机遇和挑战。随着传感器成为工业物联网(IIoT)的关键部分,设计的机会和挑战也在不断扩大。

传感器在现代工厂中扮演着各种各样的角色。除了为过程控制提供数据外,它们还有助于质量评估、资产跟踪,甚至工人的安全等。强大的云端分析软件和人工智能的出现,也使得可利用传感器数据,通过流程优化和预测性维护来降低生产成本。一旦汇聚到互联网,传感器数据就可以用于从供应管理到生产资源的全球协调等各种用途。

为了满足这些应用的需要,市场上出现了各种各样的传感器,而且还在不断推出新的、改进的版本。照明、温度、运动、位置、存在、视觉、压力、流量和化学成分等等是最常见的传感器类型。几乎每种过程或环境条件都有适合其测量的传感器类型,传感器供应商也很多,有像TE Connectivity那样提供多种传感器组合的公司,也有像Aceinna那样只提供特定传感器类型的专业供应商。

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图1:业界存在各种需要连接到物联网的传感器类型。(图片:Postscapes)

传统上,多种传感器所提供的信息仅用作本地资源,限于单个工厂,甚至某台机器。然而,低成本广域网络的出现为传感器数据的访问打开了大门,现在从全球任何地方都可以访问这些信息。这种便利性为充分利用传感器数据和信息的价值提供了大量选择。其中一个引起立即关注和广泛兴趣的就是预测性维护。运行强大分析算法的远程计算机(在云端某处)可以使用传感器数据来近乎实时地确定机器的健康状况,以便在设备发生故障之前识别出紧急维护需求。但是也出现了许多其他应用,可以将单个工业传感器连接到世界上所有相关资源和利益方。

不幸的是,将传感器连接到互联网并利用数据做一些有用的事并不是那么容易,特别是在处理传统的传感器系统时。工业传感器使用各种协议将数据发送给传统用户。然而,因特网需要数据符合TCP/IP协议,因此至少需要做协议转换。可能也需要集线器或网关来整合和集中数据,尤其是在许多传感器需要联网的情况下。此外,数据也必须有目的地,这就需要使用某种云服务来存储数据以供以后检索,并且通常用于执行数据处理。

当然,连接是双向的,因此将传感器连接到Web,就可以进行远程配置和控制。它还需要确保所发送数据和所接受控制命令的安全(参见EE Times文章:《The Day When the Industrial IoT Gets Hacked(当工业物联网被黑客攻击的那天)》)。对传感器的状态进行认证、配置和监控,是从连接派生出的额外需求。因此,IIoT工业传感器实际上是复杂的硬件和软件组合,横跨从边缘设备到云服务的多个环节。如何建立这种组合因情况而异,所幸的是设计师可以使用的产品和服务也有很多选择。

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图2:将传感器系统引入IIoT需要复杂的硬软件生态系统。(图片:Disruptive Technologies)

对于许多开发人员来说,传统的传感器系统会成为IIoT的候选者。工业设备通常具有数十年的使用寿命,因此有巨量的已安装传感器需要转换成互联网连接。开发人员首先可以添加智能无线模块(例如来自Link Labs的模块),这些模块可以利用现有的传感器接口,并提供必要的协议转换和连接。有多种无线网络可供选择,包括Wi-Fi、蓝牙、LoRaWAN和蜂窝网络等。然后,传统系统的开发人员需要选择能够提供工业服务的云服务和分析软件提供商。

对于新系统的设计,也有多种选择。当然,其中一个就是仍然使用类似传统系统的设计方法,即从裸传感器开始。为保证传感器接口和数据的安全性,必须要添加控制器,并采用无线模块来实现网络连接。与传统系统一样,设计人员也必须选择云服务。

然而,开发人员在创建新系统时无需完全从头开始。现在已经出现了几种平台,它们允许对兼容元器件进行混搭组装,从而可简化传感器、控制器和无线模块的组合。其中一个例子是由Arm、Advantech、Bosch Sensortec、Sensirion和TI联合开发的M2.COM平台。该平台采用标准化的外形和接口,这样,开发人员就可以从众多供应商中选择符合标准的传感器和无线模块,然后简单地将它们连接在一起,安装好平台的IoT软件代理,就可以开发他们的应用方案,设计出的传感器模块即可以兼容各种云平台。

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图3:若采用标准化的模块(例如M2.COM平台提供的模块),组装IIoT传感器系统就比较简单了。(图片:M2.COM

有几个这样的云平台就是专门为满足工业传感器需求而创建的,但提供它们的供应商自己不制造传感器模块。其中包括较小的公司,如Akoom和Kaa IoT Technologies等,更为成熟的玩家则有PTC ThingWorx平台,以及GE的IoT软件和西门子的Mindsphere平台等行业巨头。

开发人员还可以选择不去自己开发智能传感器模块,而是直接从更高级别的模块开始。完全集成的智能传感器内置控制器和无线功能,可从Disruptive Technologies、Episensor和Zenseio等公司购买。Axzon(原RFMicro)采用一种不寻常的方法,即在传感器模块中使用RFID,而无需进行无线频谱管理,但需要使用手持设备进行主动扫描,以便检索数据并将其发送到互联网。M2.COM平台创始成员之一研华(Advantech)也通过其Wzzard系列提供完整的智能传感器模块,包括LoRA和网状网络方式。

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图4:完整的IIoT传感器系统(例如Advantech Wzzard系列的这个产品)将传感器、控制器和无线链路集成到一个坚固的封装中。(图片:研华)

然而,所有这些集成的智能传感器产品都有一个共同之处,即供应商不仅仅提供智能互联传感器,还提供网关和软件,以便采用与云平台服务商兼容的格式安全地将数据传送到云端。如果IIoT传感器系统设计者的传感需求可以由一个可用模块满足,这就可以大大减轻设计人员的硬件工作量。

系统集成仍然很重要,因为需要将智能传感器系统与许多软件服务结合起来,以保证安全性,并从IIoT传感器系统管理和提取可用的信息。为了减轻设计人员的负担,众多公司现在都提供从传感器到云设备管理和分析服务的完整的端到端服务包。有些是较小的产品,如IoTini I2OT系列,主要提供环境传感器以及通用的模拟和数字传感器接口。而QBurst的传感器则专注于监控,而并非工业控制应用。

但在从边缘到云端的IIoT传感器系统市场也有一些大的玩家。这些公司通常提供各种传感器和配置,而且还提供定制设计支持。例如,ABB通过其ABB Ability平台提供端到端和闭环系统。Bosch Sensortec提供多种通用传感器模块,并支持M2.COM开发平台。罗克韦尔自动化的Allen-Bradley部门也利用其IO-Link无线技术,提供了通用传感器以及更专业的压力和图像传感器产品。

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图5:无论是将传统传感器系统连接到互联网还是创建新系统,IIoT传感器系统设计人员都有多种选择。(图片:Versasense)

提供闭环连接的是Versasense。该公司的众多产品包括完整的边缘到云端传感器系统,以及网关设备和云服务。它还提供可以连接到传统传感器的设备,对它们的协议进行转换,以便将它们从工厂网络连接到IIoT。然后,这些传统连接就可以利用云管理和分析服务,这是构成Versasense系列的一部分。

无论怎么实现,收集数据并将其送到云端,然后转化为智能和可用的信息,这本身就具有巨大的潜力,可以帮助优化和降低工业运营成本。开发人员需要从众多可选服务中选择最适合其特定需要的方案。

本文为《电子技术设计》20192月刊杂志文章。

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Rich Quinnell
ASPENCORE全球技术执行主编。Rich Quinnell专注电子技术行业已超过15年,主要报道半导体、嵌入式系统、通信和测试相关话题,为EDN,TMW和许多其他出版物撰稿。 在成为技术记者之前,他曾服务于Matrix Imaging、Cooper LaserSonics和约翰霍普金斯大学应用物理实验室(JHU / APL)等公司,担任嵌入式系统设计师和工程项目经理十多年。 他拥有电气工程和应用物理学位,并在通信、计算机设计和量子电子学方面进行了很多研究工作。
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