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工业物联网助力智能工业(二) 数据传输技术引瞩目

未知 2019-07-11 10:53

  物联网是由传感设备、终端、信息处理中心和用户组成的网络。现在物联网技术已经从实验室阶段走向实际应用,比如智能电网、机场安保和物流等领域已经出现了它的身影。而工业是物联网应用的重要领域。具有环境感知能力的各类终端、基于泛在技术的计算模式、移动通信等不断融入到工业生产的各个环节,可大幅提高制造效率、改善产品质量、降低产品成本和资源消耗将传统工业提升到智能工业的新阶段。工业物联网主要包括环保检测及能源管理、工业安全生产管理、制造业供应链管理和生产过程工艺优化等领域。本文主要分析工业物联网的关键技术与难点,及其发展现状。

  数据传输技术引瞩目

  工业物联网开启了将大量由不同自动化系统生成的数据移至云端的趋势,以便进行高级数据分析,用于机器诊断、预防性维护以及工业过程优化。随着自动化系统,及其相关的传感器/传感器网关连接至云端,半导体器件的用量将会大幅增多。将有不同的器件用于实现连通性,这包括传统的现场总线、以太网,以及无线射频方式。

  各种各样的机器和设备正变得越来越智能化,并且需要网络连接。对此,Vitesse公司技术与战略副总裁和首席技术官MartinNuss博士认为,这种连接最终都会通过以太网技术来实现。他说,这给Vitesse这样提供标准化的低功耗、窄带到中等带宽容量和工业级温度范围以太网解决方案的半导体公司带来了机会。

  MartinNuss博士表示,物联网络正在经历快速的成长与蜕变,并且像先于他们的运营商网络一样,正在向千兆位以太网(GE)迁移。目前针对工业物联网不同的应用场景,Vitesse都有相应的产品。例如在高能效以太网方面,EcoEthernet2.0通过支持多种EEEPHY,在带有活跃链接的闲置时期内显著地降低了功耗,与全数据速率的1000BASE-T相比,可实现能耗降低高达85%;在安全性方面,Intellisec是一种Layer-2IEEE802.1AEMACSec加密技术,提供了一种低成本、低功耗和易于扩展的网络级安全机制;另外,同步对于物联网网络去确保所连接的设备在进行数据采集和系统控制时具有精确的时钟至关重要的。Vitesse的VeriTime是业界事实精确度最高的IEEE1588v2 Precision Time Protocol高精度时间同步协议的实现产品,可用于纳秒级精度的网络授时和同步,它是一种经过现场验证的、可满足物联网网络确定性要求的时间同步解决方案。

  以太网中的确定性是工业物联网的关键要求。这些系统需要具有可预测性和一致性,更重要的是它们需要同步,因此关键是授时。MartinNuss博士举例说,在诸如高速包装这样的高速生产线中,你会发现数百个电机需要紧密地同步。对于任何高速生产线通常都如此,各种事件需要亚微秒级的精确同步。即使有一个电机不同步,整条生产线系统都会进入灾难。

  他同时强调,IEEE1588精密时间协议(1588或PTP)对于实现高确定性以太网非常关键。如果不知道时间,就不能确认一个数据包是否已被准时交付。为了实现1588时间同步,需要发送带时间戳的数据包,以及一个大的主时钟来将一个时间戳放置到1588数据包中,该1588数据包也是一个以太网数据包。由于数据包通过网络传输,主从时钟之间的双向握手通讯协议确定了时间。

  另外,MartinNuss博士认为功率效率在工业物联网中也非常关键。因为更低的功率,通常意味着更低的成本。在许多工业应用中都需要密封罩,以便它们可以在诸如高热、湿气、灰尘或甚至水下等恶劣的环境条件下运行。拥有更高能效的芯片可以降低成本,并且可以更容易地为这些环境构建解决方案。

  对于低功耗这一点,凌力尔特公司Dust Networks产品部总裁JoyWeisss也非常认同,她表示,凌力尔特始终处于为低功耗而优化的电源管理产品开发前沿,其中包括利用收集的能量作为电源。其在工业物联网中一个成功的例子是,随着工业过程市场上无线传感器及仪表联网的兴起,Dust Networks的Smart Mesh Wireless HART无线网格网络成为了大多数生产WirelessHART传感器和网关的主要仪表制造商的首选。

  在无线传输方面,ADI针对物联网新近推出了AD9361无线收发模拟前端。AD9361是一款高性能、高度集成的RFAgile Transceiver捷变收发器。该器件的可编程性和宽带能力使其成为多种收发器应用的理想选择。该器件集RF前端与灵活的混合信号基带部分为一体,集成频率合成器,为处理器提供可配置数字接口,从而简化设计导入。AD9361工作频率范围为70MHz至6.0GHz,涵盖大部分特许执照和免执照频段,支持的通道带宽范围为不到200kHz至56MHz。该器件可以用于smallcell/Femtocell等微基站的设计。便于安装调试以实现工厂自动化。

  对于智能化工厂的产品主要在工业组网上。ADI可提供从4~20mA、RS-232、RS-485、CAN、LVDS等多种工业通讯协议的芯片,可以支持隔离与非隔离、工业温度范围、含DC-DC隔离电源等技术;还有一些支持短距离无线通讯技术,提供高性能的、可涵盖不同频段的射频芯片;另外对于工业以太网技术,ADI也在新的处理器中加以考虑。这些芯片都给工业组网带来很大的便利。例如,ADM2582/2587带隔离电源的集成RS-485接口芯片,ADM3052/3053带隔离电源的CAN接口芯片,等可方便用于工业网络。

  当然,在工业物联网的数据传输过程中,不仅包括以太网、无线射频等技术,也包括通过新型传感器接口标准(如IO-Link),以及广泛布设的现场总线标准所进行的连通。MaximIntegrated工业应用市场专家SuhelDhanani表示,Maxim提供独特的方案,能够很好地应对工业物联网面临的连通性和嵌入式安全方面的关键挑战。我们拥有最大的可靠收发器PHY产品线,支持各种现场总线标准(如Profibus),以及发展迅猛的传感器标准(如IO-Link)。他说,我们的IO-Link方案具有先发优势,在数字传感器这一持续增长的领域拥有较广的市场接受度。我们还提供面向数字I/O卡的接口产品,允许采用一个集成器件应对8通道I/O;此外,还有完备的模拟信号调理器产品线,这类器件在传感器和模拟I/O模块中的布设数量呈上升趋势。

  他还指出,在嵌入式安全领域,Maxim在POS金融终端和ATM设备相关的嵌入式安全方面拥有领先优势。这一技术也被应用于需要在硬件层面进行保护的工业系统。这些产品的范围从低成本认证引擎到能够进行工业标准加密算法处理的先进的安全微处理器。

  随着系统供应商将工业数据移至云端,使用工业物联网以优化控制、实现差异化诊断对可靠通信、精确测量以及嵌入式安全产品的需求将增大。Maxim在上述三个应用均投入了巨大的精力,该公司正在开发新一代、支持多通道的集成I/OLink器件;精度更高、功耗更低的数据转换器;具有最新工业标准认证/加密算法的防篡改嵌入式安全产品。

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