工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及其連接、采集的市場(chǎng)機會(huì )

作者 / 周萬(wàn)木 (IHS Markit工業(yè)自動(dòng)化組高級分析師，上海 200122)

　　摘要：當前正進(jìn)入IT與其他領(lǐng)域融合的第四次浪潮，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是其中增長(cháng)最快的部分，帶來(lái)的機會(huì )有連接、數據采集和計算等，本文著(zhù)重探討了連接和采集的市場(chǎng)機會(huì )。

　　關(guān)鍵詞：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng);IT;OT;連接;采集

　　1 IT融合的四次浪潮

　　回顧從局域網(wǎng)到互聯(lián)網(wǎng)、再到移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷程中，載體、殺手級應用、使用的主體、速率、數量級都在改變。例如，消費互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現的是人與人的連接、人與內容的連接;工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現的是物與物的連接，即萬(wàn)物互聯(lián)。

　　互聯(lián)網(wǎng)對行業(yè)的影響，一個(gè)是在廣度方面——不斷拓展行業(yè)應用，從電信到媒體，到消費電子，到內容，再到制造業(yè)/工業(yè)。另一方面是在深度上發(fā)展，未來(lái)將實(shí)現數字化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化，以實(shí)現自我感知、自我識別、自我判斷。

　　伴隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)/ IT(信息技術(shù))在各行各業(yè)的應用和融合，主要有四大浪潮。首先是“IT+電信”(如圖1)，這兩個(gè)行業(yè)的融合自然而然，可謂天生一對，電信技術(shù)也從模擬轉到數字;之后是“IT+消費類(lèi)電子”，典型的產(chǎn)品是手機從模擬到數字，從功能機到智能機，還有各種平板電腦和可穿戴設備等;第三次浪潮是“IT+內容”，誕生了微博、微信/facebook(臉書(shū))，涌現了很多自媒體、App的應用;接下來(lái)的第四次浪潮，IT還會(huì )繼續向其他行業(yè)滲透，更加細分，滲透到了制造業(yè)，例如工業(yè)、能源、移動(dòng)、物流、政府和健康等領(lǐng)域。

　　2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的增速最快

　　據IHS Markit 2018年8月的預測，2018年將有310億個(gè)連接，其中，通訊業(yè)有168億件設備，但增速較慢，從2013到2020年只有8.0%的年均增長(cháng)率;消費類(lèi)電子有59億件設備連接，從2013到2020年有13.8%的年均增長(cháng)率;商用和工業(yè)用的連接數有54億件設備，增長(cháng)速度最快，從2013到2020年有25%的年均增長(cháng)率。IHS的最新預測表明，從2018年到2030年，商用和工業(yè)領(lǐng)域將有50%的新連接設備，主要包括樓宇自動(dòng)化、工廠(chǎng)自動(dòng)化、化學(xué)、石油和天然氣等行業(yè)。

　　關(guān)于出貨量的預測，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的出貨量增加最快，比例最大, 到2025年，工業(yè)和商業(yè)用物聯(lián)網(wǎng)的出貨量將占到一半以上^[1]。

　　具體到工業(yè)自動(dòng)化設備，開(kāi)關(guān)設備(switchgear)數量最大(如圖2)。傳感器在制造業(yè)中得到了廣泛的應用，再加上連接和傳輸更多數據的速度更快、信號完整性更好，都將成為IIoT(工業(yè)物聯(lián)網(wǎng))的驅動(dòng)力。

　　過(guò)去幾年，許多OT和IT廠(chǎng)商引入了新的物聯(lián)網(wǎng)平臺。這些平臺都有一個(gè)關(guān)鍵的特點(diǎn)：支持跨多臺/個(gè)機器、設備和公司的數據整合和通信，從而創(chuàng )建互連的組織和供應鏈。

　　實(shí)際上，引入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的最大挑戰是人——從高級執行官到工廠(chǎng)層的操作員。如果人們不相信這些數據，或者不相信這些數據的使用，項目很可能會(huì )失敗。

　　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的四個(gè)重要部分是：連接、數據采集、計算與創(chuàng )造是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的組成部分。

　　3 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的連接

　　連接是物聯(lián)網(wǎng)的基礎組件。5G和專(zhuān)用LTE網(wǎng)絡(luò )的不斷發(fā)展將有助于解決與設備連接相關(guān)的問(wèn)題，特別是與安全、容量和網(wǎng)絡(luò )覆蓋相關(guān)的問(wèn)題。然而，缺乏通用的連接標準仍然令人擔憂(yōu)。在接下來(lái)的幾年里，諸如時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )(TSN)、私有LTE和5G等新技術(shù)帶來(lái)了更大帶寬和更低延遲的潛力。

　　IoT的通信連接分兩種：有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)^[2]。有線(xiàn)的方式在工廠(chǎng)中還是主流;主要是工業(yè)以太網(wǎng)和現場(chǎng)總線(xiàn);具體到垂直行業(yè)來(lái)看，工業(yè)自動(dòng)化主要的連接方式還是有線(xiàn)形式，諸如工廠(chǎng)的現場(chǎng)總線(xiàn)和工業(yè)以太網(wǎng)。

　　無(wú)線(xiàn)按照通信距離分為短距離無(wú)線(xiàn)通信和遠距離無(wú)線(xiàn)通信。

　　按照網(wǎng)絡(luò )的綜合性能和數據傳輸率等，BT(藍牙)、NB-IoT功耗較低;而Wi-Fi、eMTC、UWB傳輸率會(huì )更高;與NB-IoT相對應的還有LoRa和Sigfox這些非授權的頻段(如圖4)。

　　目前應用更多的是蜂窩通信模塊(2G/3G/4G)，當然5G的出現，既覆蓋了短距離又覆蓋了長(cháng)距離，可能會(huì )取代目前很多的無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)，一統江湖。

　　工業(yè)場(chǎng)景比較復雜多樣，例如生產(chǎn)過(guò)程的監管和控制、生產(chǎn)資產(chǎn)的管理和維護，以及現場(chǎng)服務(wù)等。不同的場(chǎng)景用到不同的工業(yè)通信產(chǎn)品。全球各自動(dòng)化廠(chǎng)商、研究機構、標準化組織圍繞設備聯(lián)網(wǎng)推出了成百上千種現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。這些協(xié)議標準數量眾多且相對封閉，使得不同廠(chǎng)商出品的工業(yè)設備很難互聯(lián)互通，嚴重制約了設備互聯(lián)、上云。

　　據IHS Markit預測，工業(yè)以太網(wǎng)的連接數/安裝量將會(huì )在2021年超過(guò)工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn);安全協(xié)議的發(fā)展比較迅速，特別是歐洲廠(chǎng)商在安全方面投入很多設備;但工業(yè)無(wú)線(xiàn)在工廠(chǎng)中的應用還是低于預期，主要是工廠(chǎng)對實(shí)時(shí)性的要求比較高;設備的多樣性決定了物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代連接方式的多樣性，例如5G、NB-IoT、有線(xiàn)、工業(yè)以太網(wǎng)、總線(xiàn)、Wi-Fi、Zigbee、藍牙等通訊方式都可能存在，還可能會(huì )有新的通訊協(xié)議，例如MacBee等。未來(lái)有些設備可能支持一種以上的通訊方式，設備智能聯(lián)網(wǎng)需要選擇適合的通訊方式。

　　蜂窩技術(shù)與其他技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵區別是：蜂窩技術(shù)主要由電信運營(yíng)商、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商(MNO)或移動(dòng)虛擬網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商(MVNO)通過(guò)公共網(wǎng)絡(luò )交付，而其他物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要通過(guò)專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )提供(這與LoRaWAN和Sigfox不同)。

　　這意味著(zhù)，使用蜂窩式物聯(lián)網(wǎng)或機器對機器(M2M)連接的組織傳統上為所使用的流量向MNO支付費用(預付或合同基礎上)，這與消費者支付移動(dòng)語(yǔ)音和數據的方式基本相同。這種類(lèi)型的經(jīng)常性費用在很大程度上不適用于其他技術(shù)，這些技術(shù)是由企業(yè)自己?jiǎn)为毑渴鸬?，通常與一系列合作伙伴(如模塊供應商、系統集成商和平臺供應商)合作。

　　4 數據采集

　　4.1 固定和移動(dòng)資產(chǎn)的數據采集

　　這里的目標是訪(fǎng)問(wèn)連接設備的數據并移動(dòng)或存儲這些數據。隨著(zhù)傳感器數據的加入，網(wǎng)絡(luò )管理和規劃的重要性對于成功的物聯(lián)網(wǎng)解決方案至關(guān)重要。在此階段，與機器的嵌入式傳感器和I/O Link傳感器連接相關(guān)的標準將改進(jìn)數據收集和傳輸過(guò)程。同時(shí)，IIoT網(wǎng)關(guān)作為網(wǎng)橋和IIoT設備與云之間的通信協(xié)議轉換器的作用將擴大，以支持邊緣分析/數據處理以增加智能。

　　工業(yè)設備/工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品分為固定的和移動(dòng)的自動(dòng)化產(chǎn)品和設備(如圖5);固定設備包括離散自動(dòng)化產(chǎn)品、encoder(編碼器)、工業(yè)機器人、電機驅動(dòng)產(chǎn)品、伺服運動(dòng)控制、電機和發(fā)電機、流程控制產(chǎn)品、風(fēng)機泵壓縮機和傳感器、開(kāi)關(guān)設備等。

　　移動(dòng)設備主要指AVG(自動(dòng)導引小車(chē))、抓手、叉車(chē)、掃描器、無(wú)人機、服務(wù)機器人等。

　　控制部分：包括工業(yè)軟件，如MES(制造企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程執行管理系統)、CRM(客戶(hù)關(guān)系管理)、PLM(產(chǎn)品生命周期管理)等生產(chǎn)線(xiàn)管理系統及仿真系統、控制優(yōu)化軟件等;控制系統主要是離散控制系統(DCS)、數據采集與監視控制(SCADA)和可編程邏輯控制器(PLC)，某些情況下也會(huì )用到單片機或工業(yè)計算機(IPC)實(shí)現控制。

　　傳動(dòng)部分：工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品主要包括運動(dòng)控制系統，如伺服系統和計算機數字控制(CNC)等產(chǎn)品;變頻傳動(dòng)，如變頻器等用來(lái)驅動(dòng)電機實(shí)現速度和功率變換的設備。

　　執行器：風(fēng)機泵壓塑機、電機、發(fā)電機。

　　工業(yè)網(wǎng)絡(luò )，包括工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)云、工業(yè)大數據、工控網(wǎng)絡(luò )安全等和下一代工控系統息息相關(guān)的技術(shù)。

　　以及其他的產(chǎn)品，如智能控制閥、接觸器等較為零散的產(chǎn)品。

　　4.2 IIoT的機會(huì )在于對傳統設備的重新定義和轉型升級

　　IHS Markit認為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展并不會(huì )直接拉動(dòng)這些傳統設備的銷(xiāo)量上升，但會(huì )產(chǎn)生一些新的機會(huì )，就像蘋(píng)果公司重新定義手機一樣。在工業(yè)領(lǐng)域，一些新興的廠(chǎng)商有可能會(huì )重新定義電機、變頻器等傳統產(chǎn)品，甚至重新定義產(chǎn)品模式和服務(wù)模式，對傳統的公司產(chǎn)生沖擊。

　　那么，怎樣進(jìn)行重新定義呢?

　　物聯(lián)網(wǎng)時(shí)期的產(chǎn)品架構包括三部分(如圖6)。

　　第一部分是產(chǎn)品本身：主要包括軟件和硬件。電子部分有嵌入式軟件和非嵌入式軟件，是嵌入在控制器、通信和傳感裝置中的采集、控制和通信軟件。

　　第二部分是連接，一是連接云，二是與外界其他產(chǎn)品和信息源的連接。

　　第三部分是產(chǎn)品云，包括應用程序、分析/處理引擎、應用平臺、產(chǎn)品數據庫信息。

　　4.3 傳感器和處理器的機會(huì )

　　數據采集主要是在傳統的設備上加裝傳感器/MEMS(微機電系統)和傳感器，讓傳統的設備更加自動(dòng)化、智能化、數字化，以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化。所以設備上云、加裝傳感器主要推動(dòng)了傳感器、處理器的市場(chǎng)發(fā)展。

　　據IHS Markit分析(如圖7)，從2016年到2025年，相關(guān)IC的綜合年均增長(cháng)率為9.6%，其中， 2018年IoT連接IC的市場(chǎng)為124億，年均增長(cháng)率11.4%;2018年IoT傳感器為175億，年均增長(cháng)率5.5%;2018年處理器芯片為72億，年均增長(cháng)率14.4%。

　　另外一個(gè)增長(cháng)動(dòng)力來(lái)自于各種傳感器/MEMS的價(jià)格下降。由于消費電子大量使用傳感器/MEMS，例如加速度傳感器、壓力傳感器、磁傳感器、6軸慣性傳感器、陀螺儀等，這些傳感器最近幾年在消費電子產(chǎn)品方面出貨量非常大，價(jià)格下降得非常明顯，性能由于經(jīng)過(guò)消費電子的大量應用檢驗，性?xún)r(jià)比較高。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域相關(guān)傳感器、處理器等硬件的成本不斷下降，大大促進(jìn)了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)濟可行性。

　　工業(yè)的應用場(chǎng)景非常多，細分市場(chǎng)分散，工業(yè)上使用的傳感器種類(lèi)非常多：比如慣性傳感器、加速度、磁傳感器、振動(dòng)傳感器等。

　　舉一個(gè)振動(dòng)傳感器的例子;在非常傳統的電機系統上加裝振動(dòng)傳感器和發(fā)射器，以采集電機的工作/振動(dòng)狀態(tài)數據，形成大數據分析，可以做預測性維護和狀態(tài)檢測，可進(jìn)行遠程維護和遠程診斷

　　關(guān)于圖像傳感器，筆者曾經(jīng)在軸承行業(yè)做過(guò)調研，傳統的軸承生產(chǎn)過(guò)程中，對產(chǎn)品的檢測是首件檢測、尾件檢測、中間抽檢。而每一批產(chǎn)品，都要手工檢測。傳統的生產(chǎn)批量大，這種模式效率低一些可以忍受;如果每種產(chǎn)品批次很少，用傳統接觸式檢測的效率低，每次檢測調整周期長(cháng)?，F在工業(yè)對于非接觸式檢測，也就是通過(guò)圖像識別檢測的需求特別旺盛。如果可以實(shí)現非接觸式圖像檢測，一方面可以提高生產(chǎn)設備的柔性，實(shí)現件件檢測，提高質(zhì)量水平;還可以通過(guò)檢測實(shí)現動(dòng)態(tài)刀具補償，降低產(chǎn)品的偏差。

　　參考文獻：

　　[1]周萬(wàn)木.制造業(yè)在轉型：進(jìn)入一個(gè)全新的數字世界.電子產(chǎn)品世界,2017(11):6-14

　　[2]何暉.IoT的連接芯片機會(huì )及NB-IoT特點(diǎn). 電子產(chǎn)品世界,2018(11):4-8

本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第3期第9頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處