測量和控制系統融合：全新的邊緣節點(diǎn)簡(jiǎn)化了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

　　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，對于不同的行業(yè)，這一趨勢表現在不同的方面。例如，工業(yè)4.0是專(zhuān)為生產(chǎn)設備發(fā)展出來(lái) 概念。在電網(wǎng)領(lǐng)域，IIoT表現為智能電網(wǎng);石油和天然氣行業(yè)的IIoT則體現在井場(chǎng)數字化。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500億臺設備連接起來(lái)是何種場(chǎng)景1。專(zhuān)家估計，在2015年至2025年間部署的這些新網(wǎng)聯(lián)設備中，有半數將來(lái)自工業(yè)領(lǐng)域2。這意味著(zhù)工程師和科學(xué)家將是工廠(chǎng)、測試實(shí)驗室、電網(wǎng)、煉油廠(chǎng)和基礎設施領(lǐng)域實(shí)現IIoT的驅動(dòng)者。

　　對于IIoT，工程師可以期望獲得三個(gè)主要好處：

　　· 通過(guò)預測性維護增加正常運行時(shí)間

　　· 通過(guò)邊緣控制提升性能

　　· 通過(guò)真實(shí)的網(wǎng)聯(lián)數據改進(jìn)產(chǎn)品設計和制造

　　為了實(shí)現IIoT的這些優(yōu)勢，設計團隊必須依賴(lài)多項核心技術(shù)。無(wú)論是在構建在線(xiàn)監控系統、智能制造機器，還是測試物理或機電系統，一個(gè)關(guān)鍵的共性都是對邊緣智能的需求。系統越復雜，就越需要做出實(shí)時(shí)決策。例如，在風(fēng)力渦輪機葉片的結構測試中，采集大量高分辨率模擬波形數據的能力對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據，為控制系統提供輸入，使得系統能夠驅動(dòng)葉片，以確保測試在已知條件下進(jìn)行。因此，專(zhuān)家估計至少40%的物聯(lián)網(wǎng)數據將在邊緣側進(jìn)行存儲、處理、分析和響應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據傳輸，用戶(hù)必須將決策權下放到部署在設備處或附近的邊緣節點(diǎn)。

　　圖1.到2019年，至少有40%的物聯(lián)網(wǎng)數據將在邊緣進(jìn)行存儲、處理、分析和響應

　　多年來(lái)，NI投資了兩個(gè)高質(zhì)量控制和測量平臺：CompactRIO和CompactDAQ。這兩個(gè)平臺都具有靈活性和模塊化特性，并具有軟件定義的功能。內置I/O接口和C系列I/O模塊提供高精度I/O和特定測量信號調理，因此用戶(hù)可以通過(guò)任何總線(xiàn)連接任何傳感器或設備。 CompactRIO提供實(shí)時(shí)處理器和用戶(hù)可編程FPGA，特別適用于高速控制，而CompactDAQ則提供了同類(lèi)最為出色的軟件API NI-DAQmx，是數據采集的理想選擇。

　　然而，當我們開(kāi)始著(zhù)手實(shí)現這些系統時(shí)，新的挑戰不斷涌現 - 特別是在系統物理尺寸不斷增大、傳感器數量不斷增加的情況下。我們仍以結構測試為例，為了全面了解風(fēng)力渦輪機葉片的性能，我們需要為整個(gè)機構配備傳感器，以測量應變、壓力、負載和扭矩。這些傳感器都會(huì )生成模擬信號，為了獲得最多且最有用的信息，我們需要進(jìn)行高速、高分辨率測量。對于諸如此類(lèi)的大規模應用，我們可能需要在整個(gè)系統中部署數百甚至數千個(gè)傳感器。在采集所有這些數據時(shí)，我們還需要能夠實(shí)時(shí)處理這些數據，以便我們可以為控制系統的所有執行器提供輸出控制。

　　嘗試開(kāi)發(fā)此類(lèi)系統時(shí)會(huì )遇到一些挑戰：

　　· 將數千個(gè)通道和眾多測量系統同步在一起

　　· 同步控制系統，以便在正確的時(shí)間進(jìn)行所有操作

　　· 將測量系統和控制系統同步在一起

　　隨著(zhù)系統不斷擴展以及應用的測量和控制系統不斷增加，這些挑戰進(jìn)一步加劇。測量系統之間以及控制系統之間的同步并不是一項新挑戰。今天，我們通?？梢酝ㄟ^(guò)基于信號的方法來(lái)實(shí)現這一目標，其中使用了物理布線(xiàn)將公共時(shí)基或信號路由到分布式節點(diǎn)。但是，這在距離、可擴展性和噪聲風(fēng)險方面存在局限性。另一種選擇是利用基于以太網(wǎng)等通用標準的協(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，工程師開(kāi)發(fā)出一個(gè)以太網(wǎng)定制版本，通常稱(chēng)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)版本都需要對網(wǎng)絡(luò )基礎架構的硬件和軟件進(jìn)行修改，這不僅增加了成本，而且意味著(zhù)來(lái)自不同供應商的不同設備不能在同一網(wǎng)絡(luò )上運行。

　　解決這一同步挑戰的新技術(shù)目前正在推向市場(chǎng)，這一技術(shù)稱(chēng)為時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )(TSN)。 TSN是標準以太網(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、流量調度和系統配置。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 )提供亞微秒級同步。此外，流量調度和系統配置提供了確定的數據通信，因此用戶(hù)可以調度和優(yōu)先處理網(wǎng)絡(luò )上的時(shí)間敏感數據(例如控制信號)。

　　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)標準的一項特性，時(shí)間同步和確定性通信這兩項新功能可支持所有以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò )。這意味著(zhù)測量或控制系統上的單個(gè)端口可以執行確定性通信，同時(shí)還可遠程更新用戶(hù)界面終端并支持文件傳輸。TSN是許多工業(yè)應用的一項新增功能，例如過(guò)程和機器控制，其中低通信延遲和最小抖動(dòng)對于滿(mǎn)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的同步所需的布線(xiàn)，與傳統監控應用和物理系統測試(如結構測試)相比可大幅減少了布線(xiàn)需求，從而能夠在不犧牲可靠性的情況下實(shí)現更簡(jiǎn)單、經(jīng)濟高效的解決方案。

　　圖2.時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )是標準以太網(wǎng)的更新版，包括基于時(shí)間的同步、流量調度和系統配置

　　NI的產(chǎn)品也在不斷增加對TSN的支持，CompactRIO平臺的最新控制器便是一個(gè)典型的產(chǎn)品。 用戶(hù)可以將這些新控制器添加到TSN網(wǎng)絡(luò )，并支持數據同步和確定性通信，使其成為理想的IIoT邊緣節點(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)系統同步挑戰的重要一步。開(kāi)發(fā)這些系統的工程師還在關(guān)注如何降低整體系統復雜性，同時(shí)保持或提高可靠性。由于測量和控制通常是獨立的子系統，因此工具、編程環(huán)境和數據采集機制之間彼此獨立。 PLC等控制系統通常采用IEC 61131-3語(yǔ)言編程，可對單點(diǎn)數據進(jìn)行操作。這種類(lèi)型的數據非常適合控制應用，但不適合提取信息 - 因此我們需要波形數據。同樣，測量系統使用波形數據提供所需的信息，但并不適用于發(fā)送單點(diǎn)控制信號或確定地對單點(diǎn)控制信號作出反應。

　　測量和控制系統的這一特性非常直觀(guān)明了。過(guò)去幾年，測量和控制系統的融合進(jìn)度非常緩慢。每個(gè)系統都增加了新的功能，以便更多的測量系統可以具有一些控制功能，或控制系統具有部分測量功能。隨著(zhù)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)現確定性控制應用之外，新的控制器還可以使用易用且功能強大的NI-DAQmx驅動(dòng)程序進(jìn)行編程，從而實(shí)現測量應用。 NI-DAQmx不僅僅是一個(gè)基本的硬件驅動(dòng)程序，不僅提供了配置和故障分析工具、逐步配置工具，而且提供功能強大且直觀(guān)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)現強大的定時(shí)和同步功能，并執行高級控制和監測任務(wù)。對于需要同步高通道數系統、開(kāi)發(fā)基于決策的記錄儀或自動(dòng)化實(shí)驗室實(shí)驗的用戶(hù)，數百個(gè)示例、充滿(mǎn)活力的社區和一流的本地支持可幫助他們快速從概念過(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，直接在邊緣側采集、處理、記錄和響應輸入的數據，從而最終降低系統成本和復雜性。

　　參考文獻

　　· 1Cisco, The Internet of Things: How the Next Evolution of the Internet Is Changing Everything, 2011

　　· 2IHS Markit, IoT Trend Watch 2017, 2017

　　· 3IDC FutureScape: Worldwide Internet of Things 2017 Predictions