【測(cè)量和控制系統(tǒng)融合：全新的邊緣節(jié)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(duì)于不同的行業(yè)，這一趨勢(shì)表現(xiàn)在不同的方面。例如，工業(yè)4.0是專為生產(chǎn)設(shè)備發(fā)展出來概念。在電網(wǎng)領(lǐng)域，IIoT表現(xiàn)為智能電網(wǎng);石油和天然氣行業(yè)的IIoT則體現(xiàn)在井場(chǎng)數(shù)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(shì)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(tái)設(shè)備連接起來是何種場(chǎng)景1。專家估計(jì)，在2015年至2025年間部署的這些新網(wǎng)聯(lián)設(shè)備中，有半數(shù)將來自工業(yè)領(lǐng)域2。這意味著工程師和科學(xué)家將是工廠、測(cè)試實(shí)驗(yàn)室、電網(wǎng)、煉油廠和基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)IIoT的驅(qū)動(dòng)者。

對(duì)于IIoT，工程師可以期望獲得三個(gè)主要好處：

●通過預(yù)測(cè)性維護(hù)增加正常運(yùn)行時(shí)間

●通過邊緣控制提升性能

●通過真實(shí)的網(wǎng)聯(lián)數(shù)據(jù)改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造

為了實(shí)現(xiàn)IIoT的這些優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須依賴多項(xiàng)核心技術(shù)。無論是在構(gòu)建在線監(jiān)控系統(tǒng)、智能制造機(jī)器，還是測(cè)試物理或機(jī)電系統(tǒng)，一個(gè)關(guān)鍵的共性都是對(duì)邊緣智能的需求。系統(tǒng)越復(fù)雜，就越需要做出實(shí)時(shí)決策。例如，在風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)測(cè)試中，采集大量高分辨率模擬波形數(shù)據(jù)的能力對(duì)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(shù)據(jù)，為控制系統(tǒng)提供輸入，使得系統(tǒng)能夠驅(qū)動(dòng)葉片，以確保測(cè)試在已知條件下進(jìn)行。因此，專家估計(jì)至少40%的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)將在邊緣側(cè)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、分析和響應(yīng)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(shù)據(jù)傳輸，用戶必須將決策權(quán)下放到部署在設(shè)備處或附近的邊緣節(jié)點(diǎn)。

圖1.到2019年，至少有40%的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)將在邊緣進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、分析和響應(yīng)。

多年來，NI投資了兩個(gè)高質(zhì)量控制和測(cè)量平臺(tái)：CompactRIO和CompactDAQ。這兩個(gè)平臺(tái)都具有靈活性和模塊化特性，并具有軟件定義的功能。內(nèi)置I/O接口和C系列I/O模塊提供高精度I/O和特定測(cè)量信號(hào)調(diào)理，因此用戶可以通過任何總線連接任何傳感器或設(shè)備。CompactRIO提供實(shí)時(shí)處理器和用戶可編程FPGA，特別適用于高速控制，而CompactDAQ則提供了同類最為出色的軟件APINI-DAQmx，是數(shù)據(jù)采集的理想選擇。

然而，當(dāng)我們開始著手實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)時(shí)，新的挑戰(zhàn)不斷涌現(xiàn)-特別是在系統(tǒng)物理尺寸不斷增大、傳感器數(shù)量不斷增加的情況下。我們?nèi)砸越Y(jié)構(gòu)測(cè)試為例，為了全面了解風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的性能，我們需要為整個(gè)機(jī)構(gòu)配備傳感器，以測(cè)量應(yīng)變、壓力、負(fù)載和扭矩。這些傳感器都會(huì)生成模擬信號(hào)，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(cè)量。對(duì)于諸如此類的大規(guī)模應(yīng)用，我們可能需要在整個(gè)系統(tǒng)中部署數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)傳感器。在采集所有這些數(shù)據(jù)時(shí)，我們還需要能夠?qū)崟r(shí)處理這些數(shù)據(jù)，以便我們可以為控制系統(tǒng)的所有執(zhí)行器提供輸出控制。

嘗試開發(fā)此類系統(tǒng)時(shí)會(huì)遇到一些挑戰(zhàn)：

●將數(shù)千個(gè)通道和眾多測(cè)量系統(tǒng)同步在一起

●同步控制系統(tǒng)，以便在正確的時(shí)間進(jìn)行所有操作

●將測(cè)量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)同步在一起

隨著系統(tǒng)不斷擴(kuò)展以及應(yīng)用的測(cè)量和控制系統(tǒng)不斷增加，這些挑戰(zhàn)進(jìn)一步加劇。測(cè)量系統(tǒng)之間以及控制系統(tǒng)之間的同步并不是一項(xiàng)新挑戰(zhàn)。今天，我們通?？梢酝ㄟ^基于信號(hào)的方法來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，其中使用了物理布線將公共時(shí)基或信號(hào)路由到分布式節(jié)點(diǎn)。但是，這在距離、可擴(kuò)展性和噪聲風(fēng)險(xiǎn)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(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議。以太網(wǎng)提供了高度開放性和互操作性，但沒有延遲限制或帶寬保證。為了解決這一挑戰(zhàn)，工程師開發(fā)出一個(gè)以太網(wǎng)定制版本，通常稱為硬實(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(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的硬件和軟件進(jìn)行修改，這不僅增加了成本，而且意味著來自不同供應(yīng)商的不同設(shè)備不能在同一網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行。

解決這一同步挑戰(zhàn)的新技術(shù)目前正在推向市場(chǎng)，這一技術(shù)稱為時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)。TSN是標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的更新版本，不僅具有開放性和互操作性，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(diào)度和系統(tǒng)配置。同步功能基于IEEE1588精確時(shí)間協(xié)議配置文件，通過網(wǎng)絡(luò)提供亞微秒級(jí)同步。此外，流量調(diào)度和系統(tǒng)配置提供了確定的數(shù)據(jù)通信，因此用戶可以調(diào)度和優(yōu)先處理網(wǎng)絡(luò)上的時(shí)間敏感數(shù)據(jù)(例如控制信號(hào))。

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(biāo)準(zhǔn)的一項(xiàng)特性，時(shí)間同步和確定性通信這兩項(xiàng)新功能可支持所有以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。這意味著測(cè)量或控制系統(tǒng)上的單個(gè)端口可以執(zhí)行確定性通信，同時(shí)還可遠(yuǎn)程更新用戶界面終端并支持文件傳輸。TSN是許多工業(yè)應(yīng)用的一項(xiàng)新增功能，例如過程和機(jī)器控制，其中低通信延遲和最小抖動(dòng)對(duì)于滿足閉環(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(hào)的同步所需的布線，與傳統(tǒng)監(jiān)控應(yīng)用和物理系統(tǒng)測(cè)試(如結(jié)構(gòu)測(cè)試)相比可大幅減少了布線需求，從而能夠在不犧牲可靠性的情況下實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。

圖2.時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)是標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的更新版，包括基于時(shí)間的同步、流量調(diào)度和系統(tǒng)配置。

NI的產(chǎn)品也在不斷增加對(duì)TSN的支持，CompactRIO平臺(tái)的最新控制器便是一個(gè)典型的產(chǎn)品。用戶可以將這些新控制器添加到TSN網(wǎng)絡(luò)，并支持?jǐn)?shù)據(jù)同步和確定性通信，使其成為理想的IIoT邊緣節(jié)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(tǒng)同步挑戰(zhàn)的重要一步。開發(fā)這些系統(tǒng)的工程師還在關(guān)注如何降低整體系統(tǒng)復(fù)雜性，同時(shí)保持或提高可靠性。由于測(cè)量和控制通常是獨(dú)立的子系統(tǒng)，因此工具、編程環(huán)境和數(shù)據(jù)采集機(jī)制之間彼此獨(dú)立。PLC等控制系統(tǒng)通常采用IEC61131-3語言編程，可對(duì)單點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。這種類型的數(shù)據(jù)非常適合控制應(yīng)用，但不適合提取信息-因此我們需要波形數(shù)據(jù)。同樣，測(cè)量系統(tǒng)使用波形數(shù)據(jù)提供所需的信息，但并不適用于發(fā)送單點(diǎn)控制信號(hào)或確定地對(duì)單點(diǎn)控制信號(hào)作出反應(yīng)。

測(cè)量和控制系統(tǒng)的這一特性非常直觀明了。過去幾年，測(cè)量和控制系統(tǒng)的融合進(jìn)度非常緩慢。每個(gè)系統(tǒng)都增加了新的功能，以便更多的測(cè)量系統(tǒng)可以具有一些控制功能，或控制系統(tǒng)具有部分測(cè)量功能。隨著最新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來實(shí)現(xiàn)確定性控制應(yīng)用之外，新的控制器還可以使用易用且功能強(qiáng)大的NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行編程，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量應(yīng)用。NI-DAQmx不僅僅是一個(gè)基本的硬件驅(qū)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(qiáng)大且直觀的API，大幅提高了工作效率和性能。工程師可以使用NI-DAQmxAPI來編寫自定義程序，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的定時(shí)和同步功能，并執(zhí)行高級(jí)控制和監(jiān)測(cè)任務(wù)。對(duì)于需要同步高通道數(shù)系統(tǒng)、開發(fā)基于決策的記錄儀或自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的用戶，數(shù)百個(gè)示例、充滿活力的社區(qū)和一流的本地支持可幫助他們快速從概念過渡到部署。通過這種融合，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(cè)采集、處理、記錄和響應(yīng)輸入的數(shù)據(jù)，從而最終降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。