从工厂车间到云端的智能自主连接。
物联网 (IoT) 有望彻底改变企业的经营和竞争方式。这一革命带来的最大影响可能将来自于物联网 (IoT) 内部——工厂将利用边缘分析驱动的分布式智能自主控制系统进化为智能工厂。如今的标准闭环控制系统可以提供比人类操作员快得多的响应速度和更高的准确性，而启用了边缘分析和雾计算的全新控制系统将显著改进生产效率。在更多传感器的支持下，这种系统通过使用数据分析，在本地和全球工厂控制策略中发现趋势和自主进行连续纠正及优化改进，从而提升效率、降低运营开支、减少停工时间并提高资产利用率。这一革命的进展可能比您想象的还要深入得多。
工业 IoT 简介
工业物联网起始于工厂车间安装相连的传感器和致动器来帮助管理各类工业流程。实时测量温度、压力和传输速度，并将这些信息提供给集中式过程控制器，这显著改善了运行效率、安全性和可靠性。连接性是这些早期工业 IoT 安装的主要元素。
随着传感器和控制器数目的增加，数据量也随之增长。留下这些数据很有好处，可以用于发掘趋势。系统管理员可以使用这些趋势来进一步“精校”流程，以改进效率并发现可能造成计划外停工甚至系统故障的老化和磨损影响。云技术的发展为分析和存储这一海量数据提供了一个有用的机制。管理员可以使用复杂的数据分析确定趋势并采取措施。这些分析以及它们所提供的效率提升愈发成为管理工业流程的重要方面，被认为是制造商的重要知识产权，甚至可以带来显著的竞争优势。推动这种情况发生的，是近年来传感器成本 2 倍多的下降和存储成本的迅速降低，以及过去十年间数据处理成本高达 60 倍的下降和带宽成本高达 40 倍的下降。
下图显示了相连的工厂车间如何被整合到云端，以及相关的网络基础设施和协议如何覆盖在熟悉的工厂元素之上。该图还显示了数据如何从传感器和系统“边缘”的传感器融合系统向上流经网关、企业，并进入基于存储和数据中心处理的的云端。数据也会反向流动，让致动器能够采取妥善的措施来改进流程和控制活动。（尽管我们将这一结构用于工厂车间的案例，但类似的方法可以用于智能建筑、能源网，甚至现代医院中）。
图 1：智能工厂车间的工业 IoT 部署示例（图片由 Altera 的 Niladri Roy 提供）
自主操作提高效率
基于数年甚至数十年经验建立的智能数据分析，对于创建可提升操作效率的基于规则的系统具有极高的重要性。这是经验真正展现其价值的地方。然而，如果“控制回路”中是一名人类系统管理员，您就会失去对传感器数据作出快速响应的能力。而人类操作员也无法应对生成的大量数据。我们需要一种比人类系统操作员更快、更准确的自主控制。我们最好通过一个案例来了解自主操作的概念，以及它如何能显著提高基于 IIoT 的工厂的效率。资产监控是个众所周知的概念，可以很好地展现自主操作是如何提升效率的。
资产监控
传感器不仅能跟踪工厂车间中的各类流程，还能监控生产流程中使用的设备。机械磨损可以是资产监控的一个重要部分，而简单的在线小时数和材料处理量可以提供非常重要的信息。 然而，更重要的是对于输出质量和生产参数变化的响应进行数据收集。当有马达或电泵的介入时，发热、振动甚至电磁通量的测量能为发现趋势和预测磨损提供有用的数据。当这些类型的分析能移动到离传感器更近的地方——比如位于马达或流程控制器之中，并采用传感器融合算法结合数据采集，资产的自主控制就能实现。在此类系统中，磨损和疲劳信息可以用于修改控制算法以提升操作效率，而无需通过“中央控制”来管理这些低水平的决定。当磨损变得值得重视时（比如达到预定义的“触发水平”时），自主控制器可以将情况报告给中心控制以采取预防性措施。
但即便是自主控制器，也会将重要的传感器数据发送到云端，以用于大数据分析。整个工厂或多个工厂在一长段时间内的测量数据可以为磨损和与之相关故障（预测）提供非常有价值的见解。这些信息的重要性可能会致使第三方对其进行收集和分析，并向工厂所有者提供建议或预测。结合多个工厂和多种操作类型的传感器数据，大数据分析就能在丰富的数据中进行筛选并创建新的模型。这些模型可能导致新的触发点或新的融合算法被编写到自主控制器中，以进一步提升效率。这些第三方甚至可能会从他们的算法改进所节省的成本中收取分成！
计算和连接的更高要求
以上给出的简单例子证明了更多智能工业 IoT 系统的潜力及其对于智能工厂的效率和盈利能力可能带来的显著提升。有效应用此类系统所需的“大数据”需要更多传感器和致动器的支持，因此也需要更加稳健的计算和通信基础设施。更多的传感器和制动系意味着更大的数据流，以及对于高速通信的更高需求。这也意味着需要更多的数据数据汇总以将数据流量与更高性能的网络相结合，并需要更多的处理能力和存储空间。数据流量的安全通信和保护远程更新免遭黑客攻击也引起了更多的担忧。最后，无线传感器、中继器和汇率节点使用量的增加也需要更高的计算和通信能力。
Altera 解决方案
工业 IoT 的实施将需要很高的计算能力和显著提升的通信带宽，以创建智能和自主的通信系统，为预计急剧增加的传感器和致动器部署提供所需的支持。 这些新能力的交付必须不影响与智能工厂安装相关的标准“身材”所要求的有限的电路板空间和低功耗预算。当需要更高的计算能力和带宽，又要满足有限的电路板空间和功耗预算时，Altera 解决方案优势明显。
Altera Cyclone V SoC 具有在单一设备中运行控制器 (PLC)、HMI、网关和安全云连接的性能和高速连接，而整个 PLC 电路板功耗不到 3 瓦。这是因为与传统处理器相比，Altera SoC FPGA 可以使用平行操作，以更低的功耗预算获取高得多的性能，在硬件中实现高性能运算和 HMI 功能。Altera SoC FPGA 还可以利用现成的知识产权 (IP) 内核和芯片上的硬件处理器系统 (HPS) 运行标准协议，从而整合多个工业以太网协议，甚至骨干网连接的高性能接口。下图 2 显示了一个 Altera SoC 上实现的单芯片 PLC 的细节。
图 2：Altera Soc 实现单芯片 LPC
Altera MAX10 非易失性现场可编程门数组 (FPGA) 无需外部配置存储器，最大限度地减少了电路板空间，以适应小型输入/输出模块应用。当片上用户闪存可用于代码或数据记录存储，而且片上模拟-数字转换器 (ADC) 通常可以消除对于常见工业模拟接口上使用的外部设备的需求，进一步减少电路板空间是可能的。
您可以在本文末尾给出的参考文献中找到 Altera 解决方案优势的更多详细信息。
在实施中占得先机
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结论
工业 IoT 智能工厂实施的持续发展将需要智能和自主的连接及控制，才能跟上传感器和致动器不断增加的部署。Altera 解决方案提供高效实施这种新型智能工厂系统所需的计算性能、高带宽、低功耗和小电路板空间。
参考文献
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