本應(yīng)用筆記探討了在實(shí)施工業(yè)4.0所需的基礎(chǔ)設(shè)施之前需要解決的各種系統(tǒng)設(shè)計(jì)障礙，并探討了一些關(guān)鍵的系統(tǒng)挑戰(zhàn)。

介紹

自動(dòng)化行業(yè)的每個(gè)人都聽(tīng)說(shuō)過(guò)“工業(yè)4.0”的流行語(yǔ)，這是2011年在漢諾威博覽會(huì)上首次創(chuàng)造的短語(yǔ)。這種工業(yè)概念設(shè)想未來(lái)的工廠將更加集成化、自動(dòng)化和靈活。更快、更高效，他們將生產(chǎn)出不斷變化的市場(chǎng)所需的商品。

工業(yè)4.0，顧名思義，意味著我們已經(jīng)經(jīng)歷了三次工業(yè)革命，并且正處于第四次工業(yè)革命的風(fēng)口浪尖（圖1）。1

圖1.回顧最近一段時(shí)間，我們可以確定工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的四個(gè)不同的關(guān)鍵時(shí)刻。圖形來(lái)源是DFKI。

很明顯，制造和過(guò)程自動(dòng)化的第四次革命將在連接系統(tǒng)的骨干上推進(jìn)：傳感器、執(zhí)行器、控制系統(tǒng)都通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議通過(guò)不同類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)連接。一旦所有機(jī)器/傳感器數(shù)據(jù)都在云上，就可以進(jìn)行有趣的分析，以?xún)?yōu)化制造、預(yù)測(cè)故障、安排維護(hù)、自動(dòng)補(bǔ)充庫(kù)存，甚至定制成品規(guī)格以反映市場(chǎng)動(dòng)態(tài)。

工業(yè)4.0的一個(gè)有趣的當(dāng)代例子是通用電氣在紐約斯克內(nèi)克塔迪的最新美國(guó)工廠。這家鈉鎳電池制造工廠在 180，000 平方英尺的制造空間中擁有 10，000 多個(gè)傳感器;所有傳感器都連接到高速內(nèi)部以太網(wǎng)。2正如麻省理工學(xué)院技術(shù)評(píng)論所寫(xiě)：“[傳感器]監(jiān)控諸如使用哪些批次的粉末來(lái)形成電池核心的陶瓷，使用多高的溫度來(lái)烘烤它們，制造每個(gè)電池需要多少能量，甚至當(dāng)?shù)氐臍鈮骸Ｔ诠S車(chē)間，擁有iPad的員工可以從工廠周?chē)O(shè)置的Wi-Fi節(jié)點(diǎn)中提取所有數(shù)據(jù)。?3

本文從第四次工業(yè)革命正在進(jìn)行這一前提開(kāi)始。它認(rèn)為，車(chē)間無(wú)處不在的連接將帶來(lái)生產(chǎn)力和可預(yù)測(cè)性的提高，這在很大程度上是由不斷改進(jìn)的軟件和算法驅(qū)動(dòng)的。是的，令人印象深刻且相當(dāng)容易實(shí)現(xiàn)。然而，在我們建立基礎(chǔ)設(shè)施和這場(chǎng)革命真正進(jìn)行之前，有各種系統(tǒng)設(shè)計(jì)障礙需要解決。本文將探討其中的一些關(guān)鍵系統(tǒng)挑戰(zhàn)。

工業(yè) 4.0 的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

工業(yè)4.0愿景的實(shí)現(xiàn)很可能跨越十年或二十年，但它已經(jīng)影響了各種系統(tǒng)設(shè)計(jì)。自動(dòng)化顯示了邁向工業(yè) 4.0 時(shí)必須實(shí)施的三個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面。

分布式計(jì)算與控制

一個(gè)已經(jīng)在進(jìn)行的關(guān)鍵系統(tǒng)級(jí)趨勢(shì)是計(jì)算和控制系統(tǒng)的本地化。需要分布式控制來(lái)增加復(fù)雜裝配線的靈活性，提供低延遲控制，并減輕主PLC的處理要求。在下一代工廠中，這將變得更加普遍。PLC的尺寸將繼續(xù)縮小，并處理越來(lái)越多的模擬和數(shù)字I/O通道。PLC還必須支持各種I / O協(xié)議，包括較新的協(xié)議，如IO-Link標(biāo)準(zhǔn)。?

無(wú)處不在的傳感器 那么所有不同的傳感器
呢？工業(yè)4.0的基本前提是制造數(shù)據(jù)是共享的，但這意味著必須首先收集越來(lái)越多的數(shù)據(jù)。這種雪崩式的數(shù)據(jù)源于工廠和過(guò)程設(shè)施內(nèi)傳感器系統(tǒng)數(shù)量的爆炸式增長(zhǎng)，并蔓延到遠(yuǎn)程操作中。即使過(guò)程參數(shù)今天不會(huì)影響您的控制算法，仍必須收集其數(shù)據(jù)以備將來(lái)使用。我們可以預(yù)見(jiàn)，今天在云上運(yùn)行的算法的快速和預(yù)期的創(chuàng)新最終可能會(huì)“重新發(fā)明”一個(gè)舊的過(guò)程參數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)一個(gè)重要的系統(tǒng)故障機(jī)制。業(yè)內(nèi)經(jīng)常用來(lái)描述傳感解決方案增長(zhǎng)的短語(yǔ)是“普遍傳感”。我們將在下面對(duì)此進(jìn)行更多說(shuō)明。

經(jīng)過(guò)身份驗(yàn)證的安全性
最后，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議連接所有傳感器、控制系統(tǒng)和執(zhí)行器以實(shí)現(xiàn)“大”數(shù)據(jù)分析肯定會(huì)增加安全問(wèn)題。大部分工業(yè)安全問(wèn)題通過(guò)軟件防火墻和安全互聯(lián)網(wǎng)交換機(jī)/網(wǎng)關(guān)得到解決。但安全問(wèn)題不僅限于這些通信門(mén)戶(hù)，還包括硬件本身。新的縱深防御標(biāo)準(zhǔn)要求終端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)（例如，用于此討論的傳感器和 PLC）經(jīng)過(guò)身份驗(yàn)證且安全。這種基礎(chǔ)廣泛的軟件和硬件安全性對(duì)這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有直接的系統(tǒng)級(jí)影響。

分布式本地控制：微型PLC的興起 一個(gè)更小但功能強(qiáng)大的PLC
可以對(duì)過(guò)程或裝配線進(jìn)行本地控制，因此非常有吸引力，因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)低延遲的分布式控制。但是，微型PLC設(shè)計(jì)必須應(yīng)對(duì)模擬I/O集成和散熱方面的重大技術(shù)挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)在Maxim開(kāi)發(fā)的Micro PLC概念驗(yàn)證設(shè)計(jì)中得到了成功解決（圖3）。

圖3.這款微型 PLC 概念驗(yàn)證集成了 32 位微控制器、以太網(wǎng)連接和 25 個(gè) I/O 通道。總面積為 23 立方英寸（406，125 毫米）3).

這款微型PLC適合您的手掌。它集成了必要的32位微處理器和以太網(wǎng)連接;它處理和連接總共 25 個(gè) I/O 通道。具體而言，它提供：

4 個(gè)模擬輸入和 1 個(gè)模擬輸出通道

8 個(gè)數(shù)字輸入和 8 個(gè)數(shù)字輸出通道

四通道 IO-Link 模塊，可與 4 個(gè)支持 IO-Link 的傳感器連接

成功的模擬集成
我們知道，模擬和分立元件占 PLC I/O 模塊電路板空間的 50% 到 70%。我們還知道，I/O 模塊在任何 PLC 中都需要大量空間。因此，將完整的PLC系統(tǒng)縮小到這種微型尺寸需要我們解決模擬I/O集成挑戰(zhàn)。

實(shí)現(xiàn)這種微小外形的一種方法是使用集成模擬器件，而不是大量甚至數(shù)百個(gè)分立元件。電路板尺寸縮小，功耗下降，可靠性提高。圖4所示為八通道串行器（MAX31911）和四通道數(shù)據(jù)隔離器（MAX14932），取代了左圖傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的數(shù)十個(gè)分立光耦合器和數(shù)百個(gè)電阻和電容。這種緊湊的微型 PLC 解決方案具有與常規(guī) PLC 相同的 I/O 通道容量。

更詳細(xì)的圖像。
圖4.這款雙芯片微型 PLC 概念驗(yàn)證取代了數(shù)百個(gè)分立元件。

散熱和高效功率轉(zhuǎn)換

當(dāng)您將這些眾多通道集成到如此激進(jìn)的外形尺寸中時(shí)，板載 DC-DC 切換器的散熱和功率轉(zhuǎn)換效率成為主要問(wèn)題。更高的電源效率導(dǎo)致更涼爽的運(yùn)行。

圖5

所示為

MAX17505

DC-DC同步開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器以5V輸出驅(qū)動(dòng)不同負(fù)載電流的功率效率曲線。

圖5.效率與負(fù)載電流的關(guān)系。數(shù)據(jù)顯示，在很寬的電壓范圍內(nèi)，效率高于 90%在和負(fù)載電流。

該系列穩(wěn)壓器的效率高于 90%（假設(shè)背板輸入電壓為 24V，電流驅(qū)動(dòng)> 1A），與傳統(tǒng)解決方案相比，運(yùn)行溫度低 30% 至 50%。這意味著顯著降低溫升，因此更容易將更多的I/O模塊封裝到更小的微型PLC中。

關(guān)于MAX17505高效、高電壓、同步整流降壓轉(zhuǎn)換器，我們可以說(shuō)很多（圖6）。該器件采用雙路集成 MOSFET，可在 4.5V 至 60V 輸入范圍內(nèi)工作，并提供高達(dá) 1.7A 和 0.9V 至 90%V 的電流在輸出電壓。輸出電壓范圍內(nèi)的內(nèi)置補(bǔ)償功能免除了增設(shè)外部元件的需要。-40°C至+125°C范圍內(nèi)的反饋（FB）調(diào)節(jié)精度為±1.1%。該下變頻器采用緊湊型 （4mm x 4mm） TQFN 無(wú)鉛 （Pb） 封裝，帶裸焊盤(pán)。提供仿真模型。

圖6.MAX17505是高效率、高電壓、同步整流降壓轉(zhuǎn)換器，具有雙路集成MOSFET，工作在4.5V至60V輸入電壓，提供高達(dá)1.7A和0.9V至90%V的電流在輸出電壓。

MAX17505采用峰值電流模式控制架構(gòu)，具有MODE功能，以多種控制方案工作器件：脈寬調(diào)制（PWM）、脈沖頻率調(diào)制（PFM）或非連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）。PWM 操作可在所有負(fù)載下提供恒定頻率操作，在對(duì)開(kāi)關(guān)頻率敏感的應(yīng)用中非常有用。PFM 操作可禁用負(fù)電感器電流，并在輕負(fù)載時(shí)額外跳脈沖以實(shí)現(xiàn)高效率。MAX17505具有DCM，具有恒定頻率工作特性，負(fù)載比PFM模式輕，在輕負(fù)載時(shí)不跳脈沖，僅禁用負(fù)電感電流。DCM 操作提供介于 PWM 和 PFM 模式之間的效率性能。低電阻片內(nèi) MOSFET 可確保滿載時(shí)的高效率并簡(jiǎn)化布局。

采用 IO-Link 通信標(biāo)準(zhǔn)的普遍檢測(cè)

在未來(lái)的工廠中，傳感器將無(wú)處不在，并通過(guò)不同的接口直接連接到網(wǎng)關(guān)或PLC。傳感器不再僅僅發(fā)送ON/OFF信號(hào)，而是很快將傳輸豐富的數(shù)據(jù)。IO-Link協(xié)議是業(yè)界發(fā)展最快的傳感器通信技術(shù)之一，在何時(shí)何地變得如此重要。雖然 IO-Link 是 IEC 標(biāo)準(zhǔn)，但它基于已建立的 3 線傳感器和執(zhí)行器連接。?

自 1980 年代以來(lái)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線允許更智能的設(shè)備、更快的安裝、更少的布線和更輕松的維護(hù)。然而，缺乏單一的、普遍接受的現(xiàn)場(chǎng)總線也造成了混亂、培訓(xùn)挑戰(zhàn)、高成本和設(shè)備之間的兼容性問(wèn)題。IO-Link 協(xié)議是第一個(gè)用于與傳感器和執(zhí)行器通信的開(kāi)放式、現(xiàn)場(chǎng)總線診斷、低成本、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行通信標(biāo)準(zhǔn)。它已被采用為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（IEC 61131-9）。4

IO-Link協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化了世界各地工業(yè)設(shè)備之間的互操作性。該標(biāo)準(zhǔn)可以直接存在于PLC上，也可以集成到所有標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線中。這種靈活性很快使其成為與智能設(shè)備（如Maxim Integrated的Santa Cruz光學(xué)傳感器MAXREFDES23#）進(jìn)行通用通信的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)（圖7）。

圖7.圣克魯斯光學(xué)光傳感器的參考設(shè)計(jì)框圖。

IO-Link技術(shù)以及傳感器的持續(xù)小型化，有助于在整個(gè)工廠內(nèi)部署超小型、高能效傳感器。圖 8 顯示了圣克魯斯 IO-Link 顏色傳感器。

圖8.MAXREFDES23# 是一款微型 IO-Link 光傳感器，集成了六個(gè)傳感器：環(huán)境光（透明）、紅色、綠色、藍(lán)色、紅外線和溫度。所有這些都在6.5mm x 25mm的微型印刷電路板（PCB）上。

作為世界上最小的 IO-Link 光傳感器之一，Santa Cruz MAXREFDES23# 系統(tǒng)在微型 PCB 上集成了六個(gè)傳感器——環(huán)境光（透明）、紅色、綠色、藍(lán)色、紅外和溫度。Santa Cruz設(shè)計(jì)包括一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的Maxim IO-Link器件收發(fā)器（MAX14821）;瑞薩電子超低功耗、16位微控制器（RL78），采用Technologie Management Gruppe Technologie and Engineering （TMG TE） IO-Link器件堆棧;以及Maxim集成MAX44008光傳感器（圖7和圖8）。此次合作使圣克魯斯成為符合 IO-Link 版本 1.1/1.0 標(biāo)準(zhǔn)的光傳感器參考設(shè)計(jì)。像Santa Cruz這樣的緊湊型傳感系統(tǒng)使得部署許多廣泛的傳感器變得簡(jiǎn)單方便，這些傳感器通過(guò)IO-Link協(xié)議向連接到云或PLC的傳感器集線器提供有用的數(shù)據(jù)。?

今天的工業(yè)傳感器（如Santa Cruz）必須具有超高能效，因?yàn)樗鼈凅w積小且封閉，以確保安全。這些傳感器設(shè)計(jì)中，越來(lái)越多的人將使用高效DC-DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，而不是傳統(tǒng)的LDO。圖9所示的MAX17550/MAX17551 DC/DC穩(wěn)壓器等產(chǎn)品即使在驅(qū)動(dòng)25mA和50mA小負(fù)載電流時(shí)也能提供>90%的效率。

圖9.MAX17550/MAX17551高效DC-DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)傳感器系統(tǒng)應(yīng)用的低負(fù)載電流。

對(duì)嵌入式硬件安全的需求

眾所周知，IC供應(yīng)商并不總是認(rèn)為安全性至關(guān)重要。考慮一下最近由Unisys“與Ponemon Institute合作”贊助的對(duì)13個(gè)國(guó)家的599名全球IT和IT安全高管的調(diào)查。他們的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只有28%的受訪者認(rèn)為安全性是整個(gè)企業(yè)的五大戰(zhàn)略?xún)?yōu)先事項(xiàng)之一。然而，幾乎60%的人承認(rèn)網(wǎng)絡(luò)威脅使他們的控制系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)面臨風(fēng)險(xiǎn)。5

只有28%的受訪者優(yōu)先考慮安全性。這應(yīng)該會(huì)讓讀者感到不安，因?yàn)槲覀冎婪植际娇刂坪蜔o(wú)處不在的連接已經(jīng)在推動(dòng)對(duì)安全性日益增長(zhǎng)的需求。大多數(shù)安全問(wèn)題都圍繞著對(duì)更好的防火墻、入侵檢測(cè)系統(tǒng)和安全交換架構(gòu)的需求。但同樣重要的是需要可靠的硬件，尤其是I/O模塊和遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)傳感器。這些設(shè)備可以被克隆或欺騙，尤其是在它們周?chē)鷰缀鯖](méi)有物理安全性的情況下。當(dāng)發(fā)生任何此類(lèi)違規(guī)行為時(shí)，根據(jù)從這些設(shè)備收集的數(shù)據(jù)做出關(guān)鍵決策的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將受到嚴(yán)重?fù)p害。因此，確保這些系統(tǒng)經(jīng)過(guò)身份驗(yàn)證和保護(hù)至關(guān)重要。最終，如果沒(méi)有安全的嵌入式硬件，我們將無(wú)法充分體驗(yàn)工業(yè)4.0的潛力。

我們對(duì)工業(yè)4.0安全系統(tǒng)的關(guān)注必須從將數(shù)據(jù)發(fā)送到云或PLC的可信傳感器開(kāi)始。遠(yuǎn)程安全漏洞的影響是深遠(yuǎn)的。例如，如果受損傳感器發(fā)送有關(guān)油箱中油位或管道中壓力的虛假數(shù)據(jù)，則基于該數(shù)據(jù)采取（或未采取）的操作可能會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性后果。我是不是太戲劇化了？一點(diǎn)也不。但不可否認(rèn)的是，傳感器數(shù)據(jù)受損造成的災(zāi)難性后果較小。如果數(shù)據(jù)受到損害，則使用傳感器數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)維護(hù)需求的大數(shù)據(jù)分析程序可能會(huì)完全被拋棄。這關(guān)系到正常運(yùn)行時(shí)間、可預(yù)測(cè)的維護(hù)和整體行業(yè)效率——工業(yè) 4.0 的基石。

并非所有傳感器的物理安全性都可能并不總是可行的，特別是當(dāng)傳感器非常遙遠(yuǎn)時(shí)，例如用于監(jiān)測(cè)石油和天然氣田的傳感器。無(wú)法訪問(wèn)使其容易受到物理攻擊，因此必須在接受所有這些傳感器的數(shù)據(jù)之前對(duì)其進(jìn)行身份驗(yàn)證。

幸運(yùn)的是，幾年前就為醫(yī)療和消費(fèi)產(chǎn)品（如打印機(jī)墨盒）制定了身份驗(yàn)證方案。如今，身份驗(yàn)證非常基于標(biāo)準(zhǔn)，必須使用遵守身份驗(yàn)證協(xié)議的防篡改設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。

基于對(duì)稱(chēng) SHA 256 算法的基于硬件的身份驗(yàn)證方案的簡(jiǎn)單概念框圖如圖 11 所示。SHA-256協(xié)議基于授權(quán)設(shè)備之間的質(zhì)詢(xún)和響應(yīng)交換，將在接受和讀取傳感器數(shù)據(jù)之前對(duì)傳感器進(jìn)行身份驗(yàn)證。SHA-256身份驗(yàn)證使攻擊者無(wú)法連接到網(wǎng)絡(luò)并假裝成傳感器，甚至無(wú)法用受感染的系統(tǒng)替換傳感器系統(tǒng)。6

圖 11.基于SHA-256的身份驗(yàn)證，通過(guò)HART或任何其他通信標(biāo)準(zhǔn)對(duì)遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)傳感器系統(tǒng)進(jìn)行身份驗(yàn)證。頁(yè)面數(shù)據(jù)（32 字節(jié)）和密鑰（2 字節(jié)）對(duì)于傳感器和主機(jī)都是已知的。傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)將產(chǎn)生較小的開(kāi)銷(xiāo)。HART是HART通信基金會(huì)的注冊(cè)商標(biāo)。無(wú)線變送器的圖像由艾默生過(guò)程管理提供。?

總結(jié)

工業(yè) 4.0...描述互聯(lián)制造運(yùn)營(yíng)的現(xiàn)代方式，其中來(lái)自不同分布式 PLC、傳感器和其他現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)被聚合，以利用分析和優(yōu)化軟件的優(yōu)勢(shì)。工業(yè) 4.0 有望在正常運(yùn)行時(shí)間、定期維護(hù)、電源效率和更高效地利用所有資源方面優(yōu)化制造資產(chǎn)。制造數(shù)據(jù)也可以集成到公司的ERP和CRM軟件中，以有效地規(guī)劃制造流程，甚至可以使用客戶(hù)的信息來(lái)更改裝配線和工藝參數(shù)。

但是，當(dāng)您開(kāi)始互連所有不同的制造系統(tǒng)時(shí)，需要考慮一些重要的系統(tǒng)設(shè)計(jì)因素。我們?cè)诒疚闹杏懻摿似渲械囊恍┳⒁馐马?xiàng)。我們已經(jīng)展示了如何使用新的硅技術(shù)，特別是在模擬/混合信號(hào)領(lǐng)域，來(lái)解決其中一些工業(yè)系統(tǒng)挑戰(zhàn)。這些新的集成技術(shù)不僅允許您縮小傳感器系統(tǒng)和PLC，而且還提供了一種經(jīng)濟(jì)高效地在現(xiàn)場(chǎng)一些關(guān)鍵IO設(shè)備中增加嵌入式安全性的方法。

隨著我們開(kāi)始工業(yè)4.0的過(guò)渡，毫無(wú)疑問(wèn)，我們將在我們的工廠系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)并解決其他系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮因素。我們一定會(huì)使用最新技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的功率、性能和通信配置文件。

審核編輯：郭婷