最近不論我們身處何方,，關(guān)于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的討論都會(huì)不絕于耳。而且,，對(duì)于不同的行業(yè),，這一趨勢(shì)表現(xiàn)在不同的方面,。例如,，工業(yè)4.0是專為生產(chǎn)設(shè)備發(fā)展出來(lái) 概念,。在電網(wǎng)領(lǐng)域，IIoT表現(xiàn)為智能電網(wǎng),；石油和天然氣行業(yè)的IIoT則體現(xiàn)在井場(chǎng)數(shù)字化。雖然IIoT的不同形式有其特定表述和流程,，但是IIoT所提供的技術(shù)和優(yōu)勢(shì)卻是大致相同,。雖然行業(yè)領(lǐng)先者都渴望利用IIoT，但很難想象到2020年500億臺(tái)設(shè)備連接起來(lái)是何種場(chǎng)景1。專家估計(jì),，在2015年至2025年間部署的這些新網(wǎng)聯(lián)設(shè)備中,，有半數(shù)將來(lái)自工業(yè)領(lǐng)域2。這意味著工程師和科學(xué)家將是工廠,、測(cè)試實(shí)驗(yàn)室,、電網(wǎng)、煉油廠和基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)IIoT的驅(qū)動(dòng)者,。
對(duì)于IIoT,，工程師可以期望獲得三個(gè)主要好處：
? 通過(guò)預(yù)測(cè)性維護(hù)增加正常運(yùn)行時(shí)間
? 通過(guò)邊緣控制提升性能
? 通過(guò)真實(shí)的網(wǎng)聯(lián)數(shù)據(jù)改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造
為了實(shí)現(xiàn)IIoT的這些優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須依賴多項(xiàng)核心技術(shù),。無(wú)論是在構(gòu)建在線監(jiān)控系統(tǒng),、智能制造機(jī)器，還是測(cè)試物理或機(jī)電系統(tǒng),，一個(gè)關(guān)鍵的共性都是對(duì)邊緣智能的需求,。系統(tǒng)越復(fù)雜，就越需要做出實(shí)時(shí)決策,。例如,，在風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)測(cè)試中，采集大量高分辨率模擬波形數(shù)據(jù)的能力對(duì)于理解葉片行為特征至關(guān)重要,。同時(shí),，我們需要處理這些數(shù)據(jù)，為控制系統(tǒng)提供輸入,，使得系統(tǒng)能夠驅(qū)動(dòng)葉片,，以確保測(cè)試在已知條件下進(jìn)行。因此,，專家估計(jì)至少40％的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)將在邊緣側(cè)進(jìn)行存儲(chǔ),、處理、分析和響應(yīng)3,，也就不足為奇了,。為了最大限度地提高性能并減少不必要的數(shù)據(jù)傳輸，用戶必須將決策權(quán)下放到部署在設(shè)備處或附近的邊緣節(jié)點(diǎn),。
圖1.到2019年,，至少有40％的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)將在邊緣進(jìn)行存儲(chǔ)、處理,、分析和響應(yīng),。
多年來(lái)，NI投資了兩個(gè)高質(zhì)量控制和測(cè)量平臺(tái)：CompactRIO和CompactDAQ,。這兩個(gè)平臺(tái)都具有靈活性和模塊化特性,，并具有軟件定義的功能,。內(nèi)置I/O接口和C系列I/O模塊提供高精度I/O和特定測(cè)量信號(hào)調(diào)理，因此用戶可以通過(guò)任何總線連接任何傳感器或設(shè)備,。 CompactRIO提供實(shí)時(shí)處理器和用戶可編程FPGA,，特別適用于高速控制，而CompactDAQ則提供了同類最為出色的軟件API NI-DAQmx,，是數(shù)據(jù)采集的理想選擇,。
然而，當(dāng)我們開(kāi)始著手實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)時(shí),，新的挑戰(zhàn)不斷涌現(xiàn) - 特別是在系統(tǒng)物理尺寸不斷增大,、傳感器數(shù)量不斷增加的情況下。我們?nèi)砸越Y(jié)構(gòu)測(cè)試為例,，為了全面了解風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的性能,，我們需要為整個(gè)機(jī)構(gòu)配備傳感器，以測(cè)量應(yīng)變,、壓力,、負(fù)載和扭矩。這些傳感器都會(huì)生成模擬信號(hào),，為了獲得最多且最有用的信息,，我們需要進(jìn)行高速、高分辨率測(cè)量,。對(duì)于諸如此類的大規(guī)模應(yīng)用,，我們可能需要在整個(gè)系統(tǒng)中部署數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)傳感器。在采集所有這些數(shù)據(jù)時(shí),，我們還需要能夠?qū)崟r(shí)處理這些數(shù)據(jù),，以便我們可以為控制系統(tǒng)的所有執(zhí)行器提供輸出控制。
嘗試開(kāi)發(fā)此類系統(tǒng)時(shí)會(huì)遇到一些挑戰(zhàn)：
將數(shù)千個(gè)通道和眾多測(cè)量系統(tǒng)同步在一起
同步控制系統(tǒng),，以便在正確的時(shí)間進(jìn)行所有操作
將測(cè)量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)同步在一起
隨著系統(tǒng)不斷擴(kuò)展以及應(yīng)用的測(cè)量和控制系統(tǒng)不斷增加,，這些挑戰(zhàn)進(jìn)一步加劇。測(cè)量系統(tǒng)之間以及控制系統(tǒng)之間的同步并不是一項(xiàng)新挑戰(zhàn),。今天,，我們通常可以通過(guò)基于信號(hào)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),，其中使用了物理布線將公共時(shí)基或信號(hào)路由到分布式節(jié)點(diǎn),。但是，這在距離,、可擴(kuò)展性和噪聲風(fēng)險(xiǎn)方面存在局限性,。另一種選擇是利用基于以太網(wǎng)等通用標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議。以太網(wǎng)提供了高度開(kāi)放性和互操作性,，但沒(méi)有延遲限制或帶寬保證,。為了解決這一挑戰(zhàn),，工程師開(kāi)發(fā)出一個(gè)以太網(wǎng)定制版本，通常稱為硬實(shí)時(shí)以太網(wǎng),。典型的例子包括EtherCAT、PROFINET和EtherNet/IP,。這些以太網(wǎng)定制版本提供了硬實(shí)時(shí)性能和一流的低延遲和控制,。但是，每個(gè)版本都需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的硬件和軟件進(jìn)行修改,，這不僅增加了成本,，而且意味著來(lái)自不同供應(yīng)商的不同設(shè)備不能在同一網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行。
解決這一同步挑戰(zhàn)的新技術(shù)目前正在推向市場(chǎng),，這一技術(shù)稱為時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）,。 TSN是標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的更新版本，不僅具有開(kāi)放性和互操作性,，而且提供與硬實(shí)時(shí)以太網(wǎng)相同的低延遲和帶寬保證,。具體而言，TSN提供三個(gè)關(guān)鍵組件：基于時(shí)間的同步,、流量調(diào)度和系統(tǒng)配置,。同步功能基于IEEE 1588精確時(shí)間協(xié)議配置文件，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提供亞微秒級(jí)同步,。此外,，流量調(diào)度和系統(tǒng)配置提供了確定的數(shù)據(jù)通信，因此用戶可以調(diào)度和優(yōu)先處理網(wǎng)絡(luò)上的時(shí)間敏感數(shù)據(jù)（例如控制信號(hào)）,。
TSN的一個(gè)重要特性是時(shí)間敏感流量和其他以太網(wǎng)流量的融合,。由于TSN是以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的一項(xiàng)特性，時(shí)間同步和確定性通信這兩項(xiàng)新功能可支持所有以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò),。這意味著測(cè)量或控制系統(tǒng)上的單個(gè)端口可以執(zhí)行確定性通信,，同時(shí)還可遠(yuǎn)程更新用戶界面終端并支持文件傳輸。TSN是許多工業(yè)應(yīng)用的一項(xiàng)新增功能,，例如過(guò)程和機(jī)器控制,，其中低通信延遲和最小抖動(dòng)對(duì)于滿足閉環(huán)控制要求至關(guān)重要?；跁r(shí)間的以太網(wǎng)同步還可以免除基于信號(hào)的同步所需的布線,，與傳統(tǒng)監(jiān)控應(yīng)用和物理系統(tǒng)測(cè)試（如結(jié)構(gòu)測(cè)試）相比可大幅減少了布線需求，從而能夠在不犧牲可靠性的情況下實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單,、經(jīng)濟(jì)高效的解決方案,。
圖2.時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)是標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的更新版，包括基于時(shí)間的同步,、流量調(diào)度和系統(tǒng)配置,。
NI的產(chǎn)品也在不斷增加對(duì)TSN的支持,，CompactRIO平臺(tái)的最新控制器便是一個(gè)典型的產(chǎn)品。 用戶可以將這些新控制器添加到TSN網(wǎng)絡(luò),，并支持?jǐn)?shù)據(jù)同步和確定性通信,，使其成為理想的IIoT邊緣節(jié)點(diǎn)。
圖3.最新的CompactRIO控制器支持TSN,，支持同步和確定性通信,。
TSN的引入是解決整個(gè)系統(tǒng)同步挑戰(zhàn)的重要一步。開(kāi)發(fā)這些系統(tǒng)的工程師還在關(guān)注如何降低整體系統(tǒng)復(fù)雜性,，同時(shí)保持或提高可靠性,。由于測(cè)量和控制通常是獨(dú)立的子系統(tǒng)，因此工具,、編程環(huán)境和數(shù)據(jù)采集機(jī)制之間彼此獨(dú)立,。 PLC等控制系統(tǒng)通常采用IEC 61131-3語(yǔ)言編程，可對(duì)單點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作,。這種類型的數(shù)據(jù)非常適合控制應(yīng)用,，但不適合提取信息 - 因此我們需要波形數(shù)據(jù)。同樣,，測(cè)量系統(tǒng)使用波形數(shù)據(jù)提供所需的信息,，但并不適用于發(fā)送單點(diǎn)控制信號(hào)或確定地對(duì)單點(diǎn)控制信號(hào)作出反應(yīng)。
測(cè)量和控制系統(tǒng)的這一特性非常直觀明了,。過(guò)去幾年,，測(cè)量和控制系統(tǒng)的融合進(jìn)度非常緩慢。每個(gè)系統(tǒng)都增加了新的功能,，以便更多的測(cè)量系統(tǒng)可以具有一些控制功能,，或控制系統(tǒng)具有部分測(cè)量功能。隨著最新CompactRIO控制器的發(fā)布,，我們看到了這種融合有了重大進(jìn)步,。除了利用實(shí)時(shí)處理器和FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)確定性控制應(yīng)用之外，新的控制器還可以使用易用且功能強(qiáng)大的NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行編程,，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量應(yīng)用,。 NI-DAQmx不僅僅是一個(gè)基本的硬件驅(qū)動(dòng)程序，不僅提供了配置和故障分析工具,、逐步配置工具,，而且提供功能強(qiáng)大且直觀的API，大幅提高了工作效率和性能,。工程師可以使用NI-DAQmx API來(lái)編寫(xiě)自定義程序,，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的定時(shí)和同步功能，并執(zhí)行高級(jí)控制和監(jiān)測(cè)任務(wù),。對(duì)于需要同步高通道數(shù)系統(tǒng),、開(kāi)發(fā)基于決策的記錄儀或自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的用戶,，數(shù)百個(gè)示例、充滿活力的社區(qū)和一流的本地支持可幫助他們快速?gòu)母拍钸^(guò)渡到部署,。通過(guò)這種融合,，他們可以使用相同的硬件和單個(gè)軟件工具鏈，直接在邊緣側(cè)采集,、處理,、記錄和響應(yīng)輸入的數(shù)據(jù)，從而最終降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜性,。