工業(yè)自動(dòng)化: 便捷且可擴(kuò)展的物聯(lián)網(wǎng)改造

在多年的發(fā)展之路上，工業(yè)用機(jī)械制造設(shè)施經(jīng)過多次精細(xì)調(diào)整和高度優(yōu)化。物聯(lián)網(wǎng)改造不僅有助于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)升級(jí)，還能推動(dòng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，伍爾特電子 (Würth Elektronik)、FEGA & Schmitt 和 IAV 之間的合作便充分證明了這一點(diǎn)。

引入智能自動(dòng)化可顯著改善生產(chǎn)環(huán)境，但傳統(tǒng)制造設(shè)備的缺點(diǎn)在于，它們沒有和現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行通信的接口。那么，應(yīng)該如何解決這個(gè)問題呢？最佳方案就是改造設(shè)備，

也就是采用物聯(lián)網(wǎng)解決方案，以非侵入性方式對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行更新或增加新功能/接口。通過對(duì)設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化改造，企業(yè)將能夠更深入全面地監(jiān)測和優(yōu)化生產(chǎn)過程，并提高生產(chǎn)效率。

三方合作進(jìn)行概念驗(yàn)證

作為開源概念的忠實(shí)擁護(hù)者，伍爾特電子攜手 FEGA & Schmitt 和 IAV，共同實(shí)施了工業(yè)切割機(jī)監(jiān)測功能的概念驗(yàn)證（見圖1）。

圖1 來自 FEGA & Schmitt 的工業(yè)切割機(jī)，配備監(jiān)測功能

（資料來源：伍爾特電子）

FEGA & Schmitt 負(fù)責(zé)項(xiàng)目構(gòu)思，伍爾特電子提供連接和傳感元件，并與 IAV 聯(lián)合開發(fā)云基礎(chǔ)設(shè)施解決方案（見圖2）。IAV 還提供數(shù)據(jù)分析和全面的系統(tǒng)集成服務(wù)。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)改造的概念和各個(gè)合作公司所扮演的角色

（資料來源：IAV）

我們的目標(biāo)是為 FEGA & Schmitt 的客戶開發(fā)一款易于安裝的產(chǎn)品，可根據(jù)電流測量結(jié)果監(jiān)測工業(yè)切割機(jī)、檢測利用率，并提前發(fā)現(xiàn)與切割工具相關(guān)的隱患問題。

在某些情況下，特定的運(yùn)動(dòng)組合會(huì)導(dǎo)致工具斷裂。通過識(shí)別該運(yùn)動(dòng)組合，可進(jìn)行故障預(yù)測，從而大幅減少生產(chǎn)停機(jī)時(shí)間。同時(shí)，電流檢測還有助于測定設(shè)備利用率，將計(jì)劃流程化繁為簡。

在概念驗(yàn)證期間，對(duì)產(chǎn)品安裝有嚴(yán)格要求，既不能干擾客戶的基礎(chǔ)設(shè)施，也不能導(dǎo)致任何生產(chǎn)停機(jī)。

客戶可從成品中獲得全面的系統(tǒng)可用性信息。使用傳感器和人工智能驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)評(píng)估進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)，是 FEGA & Schmitt 產(chǎn)品的一項(xiàng)關(guān)鍵特性和差異化優(yōu)勢(shì)。

利用 FeatherWing 板進(jìn)行原型設(shè)計(jì)

FeatherWing 板是一組具有不同功能的可堆疊原型開發(fā)板。伍爾特電子推出了一系列 FeatherWing 開發(fā)板。這些開源開發(fā)板與 Feather 板的外形尺寸完全兼容，包括傳感器翼板、伍爾特 Pro-Ware 無線連接、Wi-Fi 和各種電源。GitHub 上有一個(gè)涵蓋各種開源電路板的資源庫[1]，包括它們的原理圖、BOM、軟件以及 Azure 和 AWS 的云連接說明。

加速度測量

Sensor FeatherWing 板（見圖3）用于創(chuàng)建初始數(shù)據(jù)點(diǎn)。由于加速度與切割機(jī)刀頭的運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，因此加速度傳感器適用于監(jiān)測刀頭運(yùn)動(dòng)。

圖3 伍爾特Sensor FeatherWing板

（資料來源：伍爾特電子）

伍爾特 Sensor FeatherWing 開發(fā)板搭載四個(gè)傳感器。除了外形尺寸和 Adafruit Feather 板相同外，它還兼容 Sparkfun 的 QWIIC-connect，后者提供標(biāo)準(zhǔn)的 I2C 接口，并兼容 STEMMA QT 和 Grove/Gravity。

通過 LTE-M/NB-IoT 實(shí)現(xiàn)連接

可以通過兩種不同的方法構(gòu)建網(wǎng)關(guān)/云連接。使用支持 LTE 連接的工業(yè)微型電腦——樹莓派 (Raspberry Pi)，在整個(gè)模型生成階段將大量數(shù)據(jù)發(fā)送到云端進(jìn)行頻譜分析。在創(chuàng)建模型后，將連接切換至伍爾特 Adrastea-I LTE-M/NB-IoT 模塊，可顯著減少網(wǎng)絡(luò)流量，從而降低成本。這兩種方法都已在云連接生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行了測試。

使用 Thyone-I Wireless 2.4GHz 專有射頻模塊，將該節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)關(guān)連接到云端。為安全起見，云連接網(wǎng)關(guān)使用 TLS 協(xié)議，而節(jié)點(diǎn)采用類似方法，一端為安全元件（來自 Microchip Technologies 的 ATECC608A-TNGTLS），另一端為云密鑰庫。通信參與者、節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和云之間的所有連接都受到加密保護(hù)。

具體實(shí)施

振動(dòng)測量。在這種情況下，MEMS 三軸加速度傳感器 WSEN-ITDS 用于檢測切割機(jī)臂的運(yùn)動(dòng)（見圖4）。

圖4 使用加速度計(jì)測量振動(dòng)

（資料來源：伍爾特電子）

電流測量。電流測量必須以非侵入性方式進(jìn)行，即不能干擾受監(jiān)測的設(shè)備。為此，我們使用了 WAGO 鉗式電流互感器 855-4101/400-001 和 SparkFun ACS723 霍爾傳感器分線盒（見圖 5）。使用霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：受檢測的電路和讀取傳感器的電路相互隔離。

圖5 使用霍爾傳感器測量電流

（資料來源：伍爾特電子）

連接方案。在概念驗(yàn)證過程中，我們采用了兩種連接方案。在最初的數(shù)據(jù)采集階段，由于需要大量數(shù)據(jù)來驗(yàn)證設(shè)備行為，因此使用了兼容 Linux 版工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)樹莓派的網(wǎng)關(guān)。對(duì)于云端，則使用 Node-Red 和 Grafana 創(chuàng)建了用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測的可視化界面。此外，還對(duì)時(shí)間流數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)來識(shí)別趨勢(shì)和模式，并自動(dòng)識(shí)別和標(biāo)記相似的過程模式（見圖 6）。作為過程統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)，這些數(shù)據(jù)可用于各種業(yè)務(wù)用例，包括過程監(jiān)測、質(zhì)量保證和預(yù)測性維護(hù)等。

圖6 利用機(jī)器學(xué)習(xí)分析數(shù)據(jù)以識(shí)別模式。自動(dòng)識(shí)別并標(biāo)記相似的過程模式

（資料來源：IAV）

真實(shí)環(huán)境測試

在實(shí)際測試過程中遇到了諸多挑戰(zhàn)，如：因制造車間中的距離和各種射頻源導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失、可堆疊板和電源的持續(xù)移動(dòng)，或移動(dòng)不足等。

加速度傳感器安裝在切割機(jī)臂上，附近沒有任何電源。解決方案是用太陽能電池板給電池充電。各相電流傳感單元由鉗式電流互感器和霍爾傳感器組成。該組合中的兩個(gè)傳感器由伍爾特電子進(jìn)行校準(zhǔn)。

這個(gè)用例表明，使用開源標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行原型開發(fā)可獲得出色的靈活性，有助于加快方案實(shí)施。

作者簡介

Adithya Madanahalli，物聯(lián)網(wǎng)工程師，任職于伍爾特電子的無線連接和傳感器業(yè)務(wù)部門。

Miroslav Adamov，物聯(lián)網(wǎng)解決方案高級(jí)架構(gòu)師，曾任職于伍爾特電子。

Jan Gieseler 博士，數(shù)據(jù)科學(xué)家，任職于 IAV 柏林總部。

Bernd Grimm，F(xiàn)EGA & Schmitt 工業(yè)與設(shè)施項(xiàng)目管理負(fù)責(zé)人。

Eduard Richter，F(xiàn)EGA & Schmitt 大客戶技術(shù)經(jīng)理。