制造業正在經歷一場變革性的革命，因為我們認識到可以分析制造流程中固有的數據以提高整體效率和生產力。這將需要改變工廠中部署的自動化系統——從小型、連接和智能傳感系統到邊緣的分布式控制，再到嵌入式硬件安全，甚至自適應制造系統。這篇文章研究了不同的工業物聯網 （IIoT） 用例，并探討了系統必須如何發展才能實現這一現象。

根據市場研究公司 ARC 的說法，“至少在一定程度上，基于顯著改善或轉變業務的可能性，數字化的轉變已被推銷。大約一半的受訪者看到了新業務模式和收入流的機會，以及提高業務響應能力和敏捷性的機會。”

事實上，制造過程會產生大量數據。反過來，這些數據可以被分析用于一些非常有價值的目的：預測故障、優化設備壽命、獲得新的收入來源，甚至優化生產過程以更好地滿足市場需求。數據捕獲和分析機制在這里顯然至關重要，反饋路徑也很重要，它允許優化邊緣設備和控制器以根據數據分析微調制造過程。自動化系統必須小巧、堅固且高性能，以確保 IIoT 愿景成為現實。

微型互聯傳感器推動工廠自動化

任何數字工廠的命脈都是從邊緣傳感器和控制器收集的數據。這些邊緣傳感器必須是智能的、連接的并且足夠小，以適合狹窄的組件或微型閥門和執行器。除了收集數據外，這些傳感器系統還有望執行一些實時處理，以清理必須通過標準通信鏈路傳遞的數據。

借助現代制造設施內的所有智能連接傳感器，分布式數據收集和處理變得司空見慣。我們過去常常看到大型中央可編程邏輯控制器 （PLC） 已經讓位于越來越緊湊的分布式控制器，這些控制器在整個制造流程中呈扇形分布。在展示工業 4.0 的西門子安貝格電子工廠，有多個分布式 PLC 控制著高度自動化生產流程的每個步驟。多年來，PLC 已經從 1970 年代的小房間或柜子的大小縮小到大約 2000 年可以放在手掌中的設備。今天的 PLC 具有比其前輩更高的處理和接口能力。

然而，對于較小的系統，處理散熱和在惡劣環境中運行的其他方面的挑戰也隨之而來。工業系統必須能夠在 55°C 至 75°C 的環境操作環境中工作。通常，這些都是被動冷卻的，因此在構建系統時考慮每個部分消耗的功率很重要。例如，考慮具有多個數字輸入的控制器。圖 1 顯示了一種傳統設計，包括用于每個輸入通道隔離的分立器件和光耦合器。輸入電阻為2.2Kohm，輸入電壓為24V V IN，輸入電流為11mA，即每個輸入通道的功耗為264mW。雖然這個數字可能看起來很低，但請記住，現代 PLC 擁有 8、16 甚至 32 個數字 IO 通道并不少見。

圖 1. 采用分立元件的傳統控制器設計。

如表 1 所示，PLC 的數字 IO 模塊/部分消耗的功率可能會急劇上升。考慮到只有被動冷卻的系統，隨著 PLC 尺寸的縮小，設計中僅數字輸入部分的這種功耗水平可能會帶來麻煩。

解決電源挑戰還有另一種選擇：用集成 IC 替換分立邏輯，這將允許可配置的輸入電流限制。考慮一種可讓您將最大輸入電流設置為 2.5mA 的解決方案。在此級別，您將減少四分之一的功耗。回到我們上面的 32 通道示例，您的數字輸入部分現在的最大功耗將低于 2W。并且，單個 IC 取代了 8 個分立器件通道（參見圖 2 中對這種替代控制器架構的描述）。

圖 2. 基于集成 IC 的控制器架構。

功能豐富的集成解決方案可以解決解決方案尺寸、功耗和散熱方面的挑戰。驅動執行器的數字輸出模塊提供了另一個例子。許多負載都是電感性的，因此當開關打開時，電感器會嘗試保持電流流動（參見圖 3）。必須在電感兩端使用續流二極管來抑制反電動勢和/或保護 MOSFET。

圖 3. 控制系統中的數字輸出模塊。

市場上一些較新的數字輸出驅動器包含一個 FET 開關，無需外部續流二極管。內部鉗位二極管將負偏移限制為 （VDD – VCL），并允許續流電流快速消磁感性負載，從而釋放大量電路板空間。

與控制器一樣，傳感器設計也受益于滿足尺寸和功耗要求的組件。傳感器現在結合了更多的信號調理和先進的通信能力——同時變得更小。許多傳感器現在還支持 IO-Link，這是一種允許傳感器與控制器進行數字通信的通信協議。啟用 IO-Link 的傳感器會告訴您已越過接近限制的確切距離。IO-Link 收發器變得越來越小，功率/熱效率也越來越高。

審核編輯：郭婷