工業(yè)自動化 便捷且可擴展的物聯(lián)網(wǎng)改造

在多年的發(fā)展之路上，工業(yè)用機械制造設施經(jīng)過多次精細調(diào)整和高度優(yōu)化。物聯(lián)網(wǎng)改造不僅有助于實現(xiàn)生產(chǎn)升級，還能推動數(shù)字化轉型，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。

引入智能自動化可顯著改善生產(chǎn)環(huán)境，但傳統(tǒng)制造設備的缺點在于，它們沒有和現(xiàn)代化基礎設施進行通信的接口。那么，應該如何解決這個問題呢？最佳方案就是改造設備，

也就是采用物聯(lián)網(wǎng)解決方案，以非侵入性方式對現(xiàn)有設備進行更新或增加新功能/接口。通過對設備進行數(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。

三方合作進行概念驗證

作為開源概念的忠實擁護者，伍爾特電子攜手 FEGA & Schmitt 和 IAV，共同實施了工業(yè)切割機監(jiān)測功能的概念驗證（見圖 1）。

圖 1來自 FEGA & Schmitt 的工業(yè)切割機，配備監(jiān)測功能。（資料來源：伍爾特電子）

FEGA & Schmitt 負責項目構思，伍爾特電子提供連接和傳感元件，并與 IAV 聯(lián)合開發(fā)云基礎設施解決方案（見圖 2）。IAV 還提供數(shù)據(jù)分析和全面的系統(tǒng)集成服務。

圖 2 物聯(lián)網(wǎng)改造的概念和各個合作公司所扮演的角色。（資料來源：IAV）

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

在某些情況下，特定的運動組合會導致工具斷裂。通過識別該運動組合，可進行故障預測，從而大幅減少生產(chǎn)停機時間。同時，電流檢測還有助于測定設備利用率，將計劃流程化繁為簡。

在概念驗證期間，對產(chǎn)品安裝有嚴格要求，既不能干擾客戶的基礎設施，也不能導致任何生產(chǎn)停機。

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)動的數(shù)據(jù)評估進行預測性維護，是 FEGA & Schmitt 產(chǎn)品的一項關鍵特性和差異化優(yōu)勢。

利用 FeatherWing 板進行原型設計

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。由于加速度與切割機刀頭的運動密切相關，因此加速度傳感器適用于監(jiān)測刀頭運動。

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，后者提供標準的 I2C 接口，并兼容 STEMMA QT 和 Grove/Gravity。

通過 LTE-M/NB-IoT 實現(xiàn)連接

可以通過兩種不同的方法構建網(wǎng)關/云連接。使用支持 LTE 連接的工業(yè)微型電腦——樹莓派 (Raspberry Pi)，在整個模型生成階段將大量數(shù)據(jù)發(fā)送到云端進行頻譜分析。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)境中進行了測試。 使用 Thyone-I Wireless 2.4GHz 專有射頻模塊，將該節(jié)點通過網(wǎng)關連接到云端。為安全起見，云連接網(wǎng)關使用 TLS 協(xié)議，而節(jié)點采用類似方法，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、網(wǎng)關和云之間的所有連接都受到加密保護。

具體實施

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

圖 4 使用加速度計測量振動。（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行，即不能干擾受監(jiān)測的設備。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)來驗證設備行為，因此使用了兼容 Linux 版工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)樹莓派的網(wǎng)關。對于云端，則使用 Node-Red 和 Grafana 創(chuàng)建了用于實時數(shù)據(jù)監(jiān)測的可視化界面。此外，還對時間流數(shù)據(jù)進行了分析，并通過機器學習來識別趨勢和模式，并自動識別和標記相似的過程模式（見圖 6）。作為過程統(tǒng)計的基礎，這些數(shù)據(jù)可用于各種業(yè)務用例，包括過程監(jiān)測、質(zhì)量保證和預測性維護等。

圖 6 利用機器學習分析數(shù)據(jù)以識別模式。自動識別并標記相似的過程模式。（資料來源：IAV）

真實環(huán)境測試

在實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致的數(shù)據(jù)丟失、可堆疊板和電源的持續(xù)移動，或移動不足等。

加速度傳感器安裝在切割機臂上，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。該組合中的兩個傳感器由伍爾特電子進行校準。

這個用例表明，使用開源標準進行原型開發(fā)可獲得出色的靈活性，有助于加快方案實施。