工業(yè)4.0與IoT物聯(lián)網(wǎng) 智能制造是關(guān)鍵！

隨著信息技術(shù)與工業(yè)技術(shù)的高度融合，通訊網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動化技術(shù)和軟件系統(tǒng)的深度交織產(chǎn)生了新的價值模型，在制造領(lǐng)域，這種資源、信息、物品和人相互關(guān)聯(lián)，形成虛實(shí)結(jié)合的系統(tǒng)，德國人稱其為“工業(yè)4.0”。互聯(lián)網(wǎng)激活傳統(tǒng)工業(yè)，保持制造業(yè)長期競爭力的必由之路：與前三次工業(yè)革命相比，我們認(rèn)為工業(yè)4.0最大的進(jìn)步在于利用互聯(lián)網(wǎng)激活了傳統(tǒng)工業(yè)過程，使工廠設(shè)備“能說話、能思考”，同時實(shí)現(xiàn)三大功能：最大程度地降低制造業(yè)對勞動力的依賴、將流通成本降到最低、最大程度滿足用戶個性化需求。

從長期來看，工業(yè)4.0對于智能工廠的投入將遠(yuǎn)超過一般工業(yè)，但項(xiàng)目盈利能力也將顯著提高，并且資本投入越大、斜率越陡峭，即投資的邊際回報(bào)率越高。無論在何種經(jīng)濟(jì)體，工業(yè)4.0都將是制造業(yè)發(fā)展不可繞開的必由之路，是未來世界制造業(yè)最大的一波“浪潮”。我們一直以來專注于工業(yè)控制領(lǐng)域，同時深刻感受到這次工業(yè)智能化給制造、生產(chǎn)帶來的改變，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)在不斷的走進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)制造，在我們合作的企業(yè)中，工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時采集(如MES系統(tǒng))算是典型，而在工業(yè)生產(chǎn)信息網(wǎng)絡(luò)中，ZigBee當(dāng)之無愧成為了主角。

圖1 采用ZigBee搭建的生產(chǎn)信息化管理網(wǎng)絡(luò)

MES系統(tǒng)是一套面向制造企業(yè)車間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)，可以為企業(yè)提供包括制造數(shù)據(jù)管理、計(jì)劃排程管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、庫存管理、質(zhì)量管理、工具工裝管理、采購管理、底層數(shù)據(jù)集成分析、上層數(shù)據(jù)集成分解等等管理模塊。它是企業(yè)CIMS信息集成的紐帶，是實(shí)施企業(yè)敏捷制造戰(zhàn)略和實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)敏捷化的基本技術(shù)手段。工廠制造執(zhí)行系統(tǒng)MES是近10年來在國際上迅速發(fā)展、面向車間層的生產(chǎn)管理技術(shù)與實(shí)時信息系統(tǒng)。MES可以為用戶提供一個快速反應(yīng)、有彈性、精細(xì)化的制造業(yè)環(huán)境，幫助企業(yè)減低成本、按期交貨、提高產(chǎn)品的質(zhì)量和提高服務(wù)質(zhì)量。適用于不同行業(yè)(家電、汽車、半導(dǎo)體、通訊、IT、醫(yī)藥)，能夠?qū)我坏拇笈可a(chǎn)和既有多品種小批量生產(chǎn)又有大批量生產(chǎn)的混合型制造企業(yè)提供良好的企業(yè)信息管理。

圖2 應(yīng)用于系統(tǒng)中的ZigBee無線模塊ZM5168

在整個系統(tǒng)中，ZigBee模塊通過健壯的組網(wǎng)透傳協(xié)議，可構(gòu)建多種型態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，讓整個制造系統(tǒng)的各個布局進(jìn)行信息化組網(wǎng)，并可通過網(wǎng)關(guān)接入以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)智能化管理，且在各種復(fù)雜的工廠環(huán)境成熟應(yīng)用。

圖3 用戶MES硬件系統(tǒng)展會

目前德國主要工業(yè)領(lǐng)域中44%的企業(yè)已采用“工業(yè)4.0”相關(guān)的生產(chǎn)和技術(shù)模式。國內(nèi)不斷有越來越多的制造企業(yè)、工廠向該方向進(jìn)軍，這充分說明工業(yè)4.0已經(jīng)從一個概念變成了現(xiàn)實(shí)。

圖4 智能工廠模型

但我們知道，目前ZigBee很多采用類似ZigBeePro、Home Automation、Smart Enengy，但在組網(wǎng)過程中均容易出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)掉線現(xiàn)象，且通信效率較低、支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)量少等，針對這些情況，周立功致遠(yuǎn)電子專門針對對這些參數(shù)有較高要求的應(yīng)用，開發(fā)出了一套工業(yè)應(yīng)用快速組網(wǎng)通訊協(xié)議——FastZigbee，該協(xié)議的主要特點(diǎn)是支持更多節(jié)點(diǎn)數(shù)量，攻克ZigBee節(jié)點(diǎn)掉線現(xiàn)象，使用方便、靈活，而且效率高，適合各種類型的組網(wǎng)功能。同時實(shí)現(xiàn)零門檻的zigbee組網(wǎng)使用。

傳統(tǒng)zigbee協(xié)議：了解zigbee協(xié)議、基于第三方庫編程開發(fā)、測試網(wǎng)絡(luò)健壯性及穩(wěn)定性并反復(fù)調(diào)試、規(guī)劃應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)、啟動等待組網(wǎng)、實(shí)現(xiàn)zigbee通訊;

FastZigbee協(xié)議：黑匣子，軟件配置，布網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)zigbee組網(wǎng)通訊。

圖5 傳統(tǒng)Zigbee與FastZigbee

傳統(tǒng)的zigbee通訊協(xié)議節(jié)點(diǎn)類型分為3種：協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點(diǎn)。用戶自行開發(fā)需從ZigBee的底層通訊機(jī)制到用戶API全方位的了解掌握，并且由于無線協(xié)議的復(fù)雜性和無線實(shí)驗(yàn)平臺環(huán)境搭建的高額成本，導(dǎo)致超過50%的用戶存在ZigBee通訊的隱性問題。

圖6 FastZigBee組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

下面我們來看看，zigbee目前使用最多的網(wǎng)絡(luò)通訊，如點(diǎn)對點(diǎn)通訊、主從模式(一點(diǎn)對多點(diǎn))通訊、組網(wǎng)通訊。這三種通訊是目前zigbee使用最普遍，也是相對簡單的網(wǎng)絡(luò)。

傳統(tǒng)zigbee通訊協(xié)議，應(yīng)對這些網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行角色分配，設(shè)置相對麻煩，組網(wǎng)時間慢，通訊效率不高等確定，且應(yīng)用不靈活。

而Fastzigbee則能輕松應(yīng)對這些網(wǎng)絡(luò)，給予客戶極致的用戶體驗(yàn)，同時FastZigBee也同樣滿足ZigBee的布網(wǎng)規(guī)范。

1、如圖 7所示，只需將A、B兩點(diǎn)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址相互指向，即可實(shí)現(xiàn)A、B兩點(diǎn)之間數(shù)據(jù)透傳。設(shè)置可使用配套的FastZigbee配置軟件，打開串口-獲取信息-修改配置，即可輕松完成配置。

圖 7 點(diǎn)對點(diǎn)通訊示意圖

2、如圖 8所示，主從模式(一點(diǎn)對多點(diǎn))通訊，只需將B、C、D等從機(jī)節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址指向主節(jié)點(diǎn)A，同時A設(shè)置成廣播，或者用一條切換目標(biāo)地址(無須重啟)指令，即可實(shí)現(xiàn)A-B、C、D等節(jié)點(diǎn)的多點(diǎn)數(shù)據(jù)透傳。同理設(shè)置只用使用配套的FastZigbee配置軟件即可。

圖 8 主從模式(一點(diǎn)對多點(diǎn))通訊示意圖

3、如圖 9所示，當(dāng)主從節(jié)點(diǎn)的距離無法直接通訊時，只需將兩點(diǎn)距離中一個節(jié)點(diǎn)(如C點(diǎn))設(shè)置成路由模式，則能完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，其他所有設(shè)置均和第2點(diǎn)的設(shè)置一樣。

圖 9 組網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

4、由以上三種基本網(wǎng)絡(luò)，拓展出更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，如下圖10所示，多級組網(wǎng)通訊。FastZigbee協(xié)議應(yīng)對該網(wǎng)絡(luò)同樣也是得心應(yīng)手，使用方式完全和第3點(diǎn)的設(shè)置一樣，只需將鏈路中無法達(dá)到的距離中間，找個節(jié)點(diǎn)，設(shè)置成路由模式即可。FastZigbee最大支持10級路由轉(zhuǎn)發(fā)，單級路由最大2.5KM，能夠滿足絕大部分的網(wǎng)絡(luò)。

圖 10 多級組網(wǎng)通訊示意圖

FastZigBee已在眾多的MES系統(tǒng)硬件中運(yùn)用，為智能制造提供穩(wěn)定可靠的組網(wǎng)通訊方案，周立功致遠(yuǎn)電子也將不斷向智能工廠提供新的血液，從中國制造到中國智造，這是工業(yè)4.0的大時代!將大數(shù)據(jù)、云計(jì)算科技與移動互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，中國的企業(yè)可以緊貼市場，與用戶建立一種新型的互動關(guān)系，并且深入洞悉用戶的需求。新一代IT技術(shù)還能幫助全產(chǎn)業(yè)整合和跨工業(yè)、服務(wù)業(yè)部門的整合，發(fā)揮中國產(chǎn)業(yè)的“團(tuán)隊(duì)優(yōu)勢”。周立功致遠(yuǎn)電子也將推出更多的工業(yè)4.0配件，支持中國特色“工業(yè)4.0”的形成和執(zhí)行，幫助中國各行各業(yè)創(chuàng)新升級，進(jìn)而推動中國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型。