智能工廠和離散自動化連接的基礎知識

　　智能工廠是將允許數字化的制造或生產的所有方面數字化的設施。這種操作通過連接的設備和系統持續記錄數據，然后傳播這些數據，使機器能夠運行自我優化程序。此類程序有助于工廠縮短給定最終產品的生產時間、主動預防機械問題，并簡化相互關聯的制造任務。構建智能工廠的綜合方法利用云工具、人工智能、工業物聯網和大數據分析來監控供應鏈預測，并觸發生產線做出響應，其適應性越來越強。

　　支持智能工廠功能的網絡

　　現在來了解一下智能工廠連接的具體情況。支持智能工廠功能的工業協議通常需要物理組件進行認證。CAT5e和CAT6以及以太網供電(PoE)連接在自動化機器和機器人中越來越普遍。此外，靈活的CAT5e和CAT6電纜支持CC-Link工業以太網(IE)網絡，并為北美市場提供電纜運營商捆綁組件，獲得UL認證。

　　考慮支持CC-Link IE Field工業網絡的工業控制器，并允許數據交換到1毫秒，用于實時設備控制。一些這樣的控制器還利用網絡進行遠程監控、邊緣計算、數據計算以及硬件和軟件的集成。這些控制器通常都安裝了Windows 10物聯網，但也可以使用操作系統VxWorks和開放平臺Edgecross來處理和分發數據。一些此類的工業計算機甚至包括觸摸屏，可兼作人機界面(HMI)。

　　HIPERFACE DSL的主要優點是其允許通過一根電纜布線電機電源和位置反饋，從而降低復雜性和成本。加上智能HIPERFACE DSL編碼器包括存儲電機信息的內部存儲器，因此在初始連接時，伺服驅動器可以查詢這些信息，以幫助自動化電機調試。

　　同樣，基于以太網甚至數字用戶線(DSL)電纜的單電纜解決方案改進了包含線性執行器的機械，通常提供與不同制造商的放大器的兼容性，以實現控制器與執行器的快速無縫集成。

　　單電纜IO-Link也被越來越多地用于工業連接。一些智能電機供應商已經開始將IO-Link初級產品集成到核心產品中，以支持分散自動化概念的可連接傳感器。當然，可以通過工業以太網或can總線進行通信的電機不需要作為輔助設備連接到IO-Link網絡。

　　IO-Link還可以對組件上的傳統模擬連接器進行數字化，以實現雙向通信和更快的調試時間。難怪有些人在控制端采用IO-Link連接，以支持多協議并與串行接口連接。

　　協議和云連接服務于智能工廠功能

　　考慮工業物聯網連接中使用的各種協議和通信，如SCADA、MES和企業資源規劃(ERP)架構。這些是IT/OT(運營技術)融合中涉及最多的——通常涉及企業級任務、網關和其他連接，以便通過標準Web瀏覽器進行系統配置……以及運營調整和其他管理操作。

　　需要明確的是，全面的SCADA安裝在大數據捕獲和處理方面表現出色、歷史數據的維護和使用和分析例程的執行。然而，智能工廠解決方案允許更快地設置遠程訪問網絡、邊緣計算系統以及對相關機器設置和數據的中央或機上(HMI)控制。

　　許多IIoT安裝中使用的是結構化查詢語言(SQL)，允許將數據和事件日志同步到MySQL和MS SQL數據庫服務器的編程。這樣做的好處是IT人員訪問比依賴于控制的替代方法更容易實施。無論系統采用Raspberry Pi等基本控制，還是復雜的基于PC的物聯網數據庫接口(通常需要額外的硬件和軟件)，都是如此。

　　此外，基礎設施、平臺和軟件即服務(分別為IaaS、PaaS和SaaS)或云服務也被大量采用以支持多管齊下的IIoT設計方法(涉及軟件、硬件和連接)。其中包括Alibaba Cloud、Tencent Cloud、Google Cloud、IBM Cloud和Oracle Cloud.。然而，在美國，當今兩個領先的機器自動化公共云服務提供商是：

　　Amazon Web Services Inc.與AWS云軟件和服務

　　Microsoft Azure IoT Edge云軟件和服務

　　此類云服務主要支持數據庫的使用——通過Amazon簡單存儲服務或S3存儲桶以及Amazon DynamoDB托管數據庫服務等產品、在線和本地應用程序以及按需計算能力。與后者相關的是AWS Lambda服務，允許Python、Node.js、Java和C#編程在該服務的服務器上運行。HMI讓最終用戶充分利用這些工業物聯網功能。

　　當然，云服務也有其他功能。推動AWS和Azure應用于工業物聯網的部分原因是，越來越多的工程師已經習慣于在這些平臺上構建自己的基礎設施。畢竟，基于云的數據服務將工程師從底層硬件和軟件的額外設計工作中解放出來——因為提供商執行IT任務。AWS和Azure還允許使用抽象數據流和通信的軟件——通過具有吸引人的GUI的開發環境簡化一些設計工作，使工程師免于處理編程細節。

　　云服務還通過運行操作系統和應用程序的虛擬機促進了高級工程……設計工程師對這些虛擬機進行控制。更重要的是，云服務可以在采用發布-訂閱原則的協議上容納各種通信服務，成為所有這些服務的主服務。這樣就不需要在系統設置期間進行耗時的尋址。

　　所有這些功能都可以促進高級功能，包括分類和提取數據的機器學習，以及做出預測，以提示機器和生產調整。

　　一個相關的趨勢是供應商越來越多地使用預先策劃的云門戶。這些門戶網站是連接用戶控制器和觸摸屏HMI的在線服務，為工程師提供了一種開始使用IIoT的簡單方法。然后工程師可以根據趨勢定制HMI屏幕和儀表板，并使用云門戶管理的規則引擎配置HMI電子郵件通知。函數列表還在繼續。一些安排允許對組件進行遠程軟件更新，以及遠程查看組件的Web可視化。

　　通過AWS GreenGrass Core認證的觸摸屏HMIs和控制器基本上利用AWS，包括AWS Lambda和Things Graph，讓連接的邊緣設備，如傳感器和執行器，在本地處理其生成的數據，并使用云進行數據管理、存儲和分析。借助AWS IoT Greengrass，連接的設備還可以運行Docker Inc的集裝箱化服務的Docker容器。

　　回想一下，在工業編程的上下文中，容器是一段可執行軟件，其包含獨立運行應用程序所需的代碼、系統工具、運行時、庫和設置。在許多機器設計中，容器被設計用來與其他系統通信和同步數據，或者執行各種預測——即使在與互聯網斷開連接的情況下也是如此。在容器中構建應用程序的優點包括:

　　易于部署到設備上

　　軟件的可移植性，允許在不同的平臺上使用

　　通過為工程師的應用程序提供沙箱來提高安全性

　　一些HMI和DIN導軌安裝控制器接受Docker的安裝，事實上，一些供應商定期發布預先構建的容器來擴展這些產品的服務。

　　在任何HMI連接到云端的地方，其都可能以某種IIoT的能力為企業分析和持續運營改進提供信息。涉及一到數百臺機器的自動化安裝就是如此。支持IIoT功能(包括各種形式的數據通信和與邊緣設備的HMI連接)的協議包括:

　　開放平臺通信統一架構(OPC UA)

　　具象狀態傳輸或(REST)及其應用程序編程接口(API)

　　高級消息隊列協議(AMQP)

　　消息隊列遙測傳輸或MQTT

　　MQTT是許多物聯網連接結構的核心，是一種支持傳感器和移動設備之間可擴展通信的協議。任何對MQTT的內置設備支持都是有用的，因為其適用于Amazon AWS物聯網服務。此外，MQTT(如AMQP)是精簡和標準化的，MQTT可以在處理現場和云系統的現場設備數據的網關HMI上實施。提供最多MQTT支持的HMI應該連接到增值服務，以提供在第三方系統中邊緣處理的數據，并通過云服務運行。此類HMI可以作為MQTT發布者(并向代理發送消息)或訂閱者(并從代理請求消息)或代理(并管理數據和與發布者或訂閱者的連接)。

　　互操作性標準OPC UA對于充分利用連接HMI技術的前景也是不可或缺的。OPC UA在其規范定義中包含了發布-訂閱通信，因此可以以替代MQTT將數據傳輸到云端。運動控制領域最重視OPC UA的標準化通信協議，并輔以時間敏感網絡(TSN)作為分散自動化的獨立于供應商的現場總線。帶有TSN的OPC UA甚至可以使額外的PLC變得不必要——例如，在使用集成伺服電機的機器中。畢竟，現在比以往任何時候都有更多的系統受益于包含智能電機和其他組件的分布式架構，這些組件能夠在與其他設備實時通信的同時處理命令和執行任務，如運動和其他。在某些情況下，后者可以包括作為邊緣網關的HMI，以處理某些軸的流程邏輯，以及與ERP系統和云的連接。

　　HMI如何使用MySQL數據庫連接的示例

　　在許多工業物聯網安裝中使用的是前面提到的SQL。這個關系數據庫管理系統是免費的、開源的，并得到廣泛支持。其還很安全，因此可以安全地集成到控制器HMI和面板PC中。SQL的一個好處是IT人員訪問比依賴于控件的替代方法(通常需要額外的硬件和軟件)更容易實現。無論是像Raspberry Pi這樣簡單的系統控制，還是像具有IoT數據庫接口的PAC這樣復雜的系統控制，都是如此。

　　事實上，SQL還與一些控制器HMI一起工作，收集和顯示機器數據，以便于監視和分析。例如，將此類HMI連接到MySQL數據庫，可以在靈活且可信的數據庫中收集、組織和存儲數據，從而方便訪問和優化業務運營。

　　一些供應商設計軟件可以幫助工程師通過智能HMI使用MySQL，并將數據放在Excel電子表格中(或其他常用軟件的文件中的表格數據)，以:

　　在HMI界面顯示信息

　　將數據和事件日志同步到本地網絡上的遠程MySQL服務器

　　管理服務器上的數據

　　然后，工程師可以使用MySQL和MS Excel來收集、分析和響應數據，以做出更明智的決策和優化運營。