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工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT) 被定義為一組設(shè)備和應(yīng)用，允許大企業(yè)創(chuàng)建從核心到邊緣的端到端連接環(huán)境。其還包括傳統(tǒng)的物理基礎(chǔ)設(shè)施，如集裝箱和物流卡車，以收集數(shù)據(jù)，對事件做出反應(yīng)，并在智能設(shè)備的幫助下做出更明智的決策。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的擴(kuò)展，在消費(fèi)領(lǐng)域有許多應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)用例包括，例如，Amazon Echo等智能家居設(shè)備，使用Alexa語音識別功能遠(yuǎn)程關(guān)燈。
在工業(yè)運(yùn)營中，該技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施復(fù)雜、設(shè)備大型的環(huán)境中得到了大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。相比之下，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可以遠(yuǎn)程管理整個工廠的供暖、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)。這只是一個簡化和改進(jìn)企業(yè)運(yùn)營管理的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)用例。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是如何工作的?
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的一個子類，企業(yè)正在重新定義如何連接、監(jiān)控、分析工業(yè)數(shù)據(jù)并對其采取行動，以降低成本并促進(jìn)增長。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)背后的理念是使用工業(yè)設(shè)施中“啞巴設(shè)備”多年來產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。裝配線上的智能機(jī)器不僅可以更快地捕獲和分析數(shù)據(jù)，且在交流重要信息方面也更快，這有助于更快、更準(zhǔn)確地做出業(yè)務(wù)決策。
信息技術(shù)(IT)和運(yùn)營技術(shù)(OT)的集成推動了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。它是連接設(shè)備和設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)矩陣，通過傳感器技術(shù)收集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，并將其直接集成到作為服務(wù)的平臺中。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將預(yù)示著工業(yè)用例的新時代，有許多經(jīng)濟(jì)擴(kuò)張的機(jī)會。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)從工廠車間收集大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通過連接節(jié)點(diǎn)傳輸，在服務(wù)器上進(jìn)行分析，并在云平臺上將信息轉(zhuǎn)化為可操作的見解。這鼓勵企業(yè)為其特定市場和目標(biāo)受眾做出更好的決策。換言之，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是一個將執(zhí)行器、傳感器、控制器、連接開關(guān)、網(wǎng)關(guān)和工業(yè)個人計算機(jī)(IPC)等邊緣設(shè)備連接到云端的系統(tǒng)。
工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)有什么關(guān)聯(lián)？
工業(yè)4.0是第四次工業(yè)革命的產(chǎn)物。第四次工業(yè)革命的定義是傳統(tǒng)的自動化制造與由智能技術(shù)和自主通信設(shè)備驅(qū)動的工業(yè)流程的集成。
“工業(yè)4.0”一詞，簡稱為I4.0或I4，出現(xiàn)于2011年，是德國政府在過去20年里大力倡導(dǎo)工業(yè)流程數(shù)字化的一項倡議。
正如波士頓咨詢集團(tuán)所述，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)4.0的主要支柱，此外還有增材制造或3D打印、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)、自主機(jī)器人、大數(shù)據(jù)分析、云計算、網(wǎng)絡(luò)安全、橫向和縱向系統(tǒng)集成以及模擬。這是因為機(jī)器之間的自主通信和分散的數(shù)字環(huán)境能夠自動解決以前需要人工干預(yù)的問題。
工業(yè)4.0在更廣泛的范圍內(nèi)涵蓋了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化和企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)4.0背后的驅(qū)動力，沒有它就不會有工業(yè)4.0。換句話說，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)僅限于數(shù)據(jù)檢測、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)處理和特定領(lǐng)域的智能應(yīng)用。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)
典型的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)描述了數(shù)字系統(tǒng)的排列，使它們共同提供傳感器、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲和其他層之間的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)連接。因此，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)必須具備以下幾點(diǎn)：
1、網(wǎng)絡(luò)邊緣的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備
這些是位于物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)邊緣的網(wǎng)絡(luò)對象的分組。這些位置盡可能靠近數(shù)據(jù)源的位置。這些通常是工業(yè)環(huán)境中的無線執(zhí)行器和傳感器。一個處理單元或小型計算設(shè)備和一組觀察端點(diǎn)集合。邊緣物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可能包括棕地環(huán)境中的傳統(tǒng)設(shè)備、攝像頭、音箱、傳感器以及其他儀表和監(jiān)視器。
在網(wǎng)絡(luò)最偏遠(yuǎn)的邊緣會發(fā)生什么?傳感器從周圍環(huán)境和其所監(jiān)測的物品中獲取數(shù)據(jù)，然后將信息轉(zhuǎn)化為物聯(lián)網(wǎng)平臺可以分析的指標(biāo)和數(shù)字，并將其轉(zhuǎn)化為可操作的見解。執(zhí)行器控制所觀察環(huán)境中發(fā)生的過程。它們改變了產(chǎn)生數(shù)據(jù)的物理環(huán)境。
2、邊緣數(shù)據(jù)管理和初始處理
沒有高質(zhì)量、海量的數(shù)據(jù)，復(fù)雜的分析和人工智能就無法充分發(fā)揮其潛力。即使在傳感器級別，也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
在這方面，邊緣計算提供了最快的答案，因為數(shù)據(jù)是在網(wǎng)絡(luò)的邊緣，在傳感器本身進(jìn)行預(yù)處理的。在這里，可以對數(shù)字和聚合數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。一旦收集了相關(guān)的見解，就可以進(jìn)入下一個階段，而不是發(fā)送所有收集到的信息。這種額外的處理減少了發(fā)送到數(shù)據(jù)中心或云的數(shù)據(jù)量。
3、用于高級處理的云
邊緣設(shè)備的預(yù)處理能力受到限制。雖然已盡可能地接近邊緣，以限制本地計算能力的消耗，但用戶將需要利用云來進(jìn)行更深入和徹底的處理。
而此時，必須選擇是優(yōu)先考慮邊緣設(shè)備的敏捷性和即時性，還是優(yōu)先考慮云計算的高級見解。基于云的解決方案可以執(zhí)行大量的處理。在這里，可以聚合來自不同來源的數(shù)據(jù)，并提供在邊緣無法獲得的見解。
在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的背景下，云將具有：
集線器:除了遙測和設(shè)備控制外，其還提供與現(xiàn)場系統(tǒng)的安全鏈接。如果需要，集線器可以跨多個位置提供與本地系統(tǒng)的遠(yuǎn)程連接。它維護(hù)所有通信元素，例如連接管理、安全通信通道以及設(shè)備驗證和授權(quán)。
存儲:用于存儲處理前后的信息。
分析:有助于數(shù)據(jù)處理和分析。
用戶界面:提供了將分析結(jié)果傳遞給終端用戶的可視化，通常是通過Web瀏覽器界面，也可以通過電子郵件、短信和電話提醒。
4、互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)
在這里，傳感器數(shù)據(jù)被收集并轉(zhuǎn)化為數(shù)字通道，以便在互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行進(jìn)一步處理。在獲得聚合和數(shù)字化的數(shù)據(jù)后，網(wǎng)關(guān)將其通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸，以便在上傳到云端之前可以對其進(jìn)行進(jìn)一步處理。網(wǎng)關(guān)仍然是邊緣數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的一部分。它與執(zhí)行器和傳感器相鄰，并在邊緣執(zhí)行初步數(shù)據(jù)處理。
網(wǎng)關(guān)可以作為硬件或軟件部署:
硬件:硬件網(wǎng)關(guān)是自主設(shè)備。為下游傳感器連接提供了基于有線(模擬和數(shù)字)和無線接口。還提供互聯(lián)網(wǎng)連接，無論是本地的還是通過到路由器的標(biāo)準(zhǔn)鏈接。
軟件:在PC上，可以安裝軟件網(wǎng)關(guān)，而不是連接硬件網(wǎng)關(guān)。軟件在后臺或前臺運(yùn)行，并提供上游和下游通信鏈路作為硬件入口點(diǎn)，PC機(jī)提供物理接口。基于軟件的網(wǎng)關(guān)可以通過用戶界面訪問視覺傳感器設(shè)置和傳感器數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。
5、連接協(xié)議
跨工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)需要協(xié)議。這些協(xié)議最好是符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、定義明確且安全的。協(xié)議規(guī)范可以包含連接和布線的物理特性、建立通信信道的程序以及通過該信道發(fā)送的數(shù)據(jù)格式。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中使用的一些常見協(xié)議包括：
高級消息隊列協(xié)議(AMQP):這是一種連接引導(dǎo)、雙向、多路復(fù)用、緊湊的數(shù)據(jù)編碼消息傳輸協(xié)議。與HTTP不同，AMQP是為面向IIoT的云連接而構(gòu)建的。
MQ遙測傳輸(MQTT):這是一種緊湊的客戶端-服務(wù)器消息傳輸協(xié)議。MQTT因其短消息幀大小和最小的代碼空間而有利于IIoT設(shè)備。
受限應(yīng)用協(xié)議(CoAP):這是一種數(shù)據(jù)報導(dǎo)向的協(xié)議，可以通過傳輸層部署，包括用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)。CoAP是針對IIoT需求開發(fā)的HTTP的壓縮版本。
6、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)在能夠協(xié)調(diào)、監(jiān)控和控制整個價值鏈的操作。這些平臺控制設(shè)備數(shù)據(jù)，并管理邊緣設(shè)備的分析、數(shù)據(jù)可視化和人工智能(AI)任務(wù)，在某些情況下，還可以將傳感器直接傳輸?shù)皆浦胁⒎祷亍?br />
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)(IIRA)可以作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域開發(fā)復(fù)雜系統(tǒng)的參考。一般來說，IIRA的框架提倡企業(yè)使用系統(tǒng)的方法設(shè)計框架，其中包括反饋和迭代。此外，該報告建議為特定的商業(yè)部門定制工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計，如能源、醫(yī)療保健、交通和政府使用。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)具有以下優(yōu)勢：
1、提高效率
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)最大的優(yōu)勢是其能夠幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)自動化，從而最大限度地提高運(yùn)營效率。此外，物理設(shè)備可以通過傳感器與軟件解決方案相連接，從而持續(xù)監(jiān)測性能。這使企業(yè)能夠更好地了解特定設(shè)備和整個車隊的運(yùn)營效率。此外，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策和對所有生產(chǎn)流程的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
2、增加產(chǎn)量
通過提高設(shè)備使用率，具有物聯(lián)網(wǎng)制造流程的組織可能會提高其生產(chǎn)力。如前所述，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供持續(xù)的數(shù)據(jù)流，可以深入了解設(shè)備運(yùn)行情況。這可以提高設(shè)備的整體效率，最大限度地提高機(jī)器在運(yùn)行時間內(nèi)的性能。此外，使用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備也提高了人力資本的使用率。智能設(shè)備可用于執(zhí)行瑣碎、重復(fù)和危險的活動，從而將員工解放出來從事其他更具有戰(zhàn)略意義的生產(chǎn)相關(guān)工作。
3、減少錯誤
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的使用迫使企業(yè)自動化生產(chǎn)操作。從工業(yè)運(yùn)營中消除人為因素可以消除導(dǎo)致有缺陷的產(chǎn)品退出裝配線的低效率。隨著質(zhì)量缺陷的減少，企業(yè)的盈利能力會因客戶滿意度和品牌認(rèn)知度的提高而有所提高。
4、預(yù)測維護(hù)需求
預(yù)測性維護(hù)是一種通過分析生產(chǎn)數(shù)據(jù)來發(fā)現(xiàn)模式和預(yù)測即將發(fā)生的問題來避免資產(chǎn)故障的策略。
將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器集成到工業(yè)設(shè)備中，可以發(fā)出基于狀態(tài)的管理通知。這些傳感器記錄工作區(qū)域的溫度、濕度和其他環(huán)境變量，以及材料的組成和運(yùn)輸因素已經(jīng)或可能對運(yùn)輸產(chǎn)生的影響。所有這些數(shù)據(jù)對于預(yù)測性維護(hù)都很有用。因此，可以避免資產(chǎn)故障、減少費(fèi)用，并最大限度地減少機(jī)器停機(jī)時間。
5、確保工人安全
智能制造可實(shí)現(xiàn)更高的安全性，所有工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器協(xié)作監(jiān)控員工和工作場所的安全。綜合安全系統(tǒng)可以保護(hù)工作場所、生產(chǎn)線和人員。一旦發(fā)生事故，可以通知整個設(shè)施，可以停止活動，高級管理人員可以進(jìn)行調(diào)解以解決問題。這一事件也可能產(chǎn)生有用的信息，可用于避免今后再次發(fā)生此類事件。
6、節(jié)約能源成本
工業(yè)運(yùn)營是全球電力供應(yīng)的主要來源，這不利于可持續(xù)發(fā)展和整體底線。使用傳感器和小設(shè)備持續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)可能會發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致浪費(fèi)的低效率。這不僅包括監(jiān)控設(shè)備，還包括綜合業(yè)務(wù)，如調(diào)節(jié)設(shè)備的溫度、用水、濕度和照明。此外，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，傳感器消耗的能源更少，這無疑是一個福音。
7、改善現(xiàn)場服務(wù)和客戶體驗
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可以幫助改善現(xiàn)場服務(wù)的提供。它由時間、上下文和技術(shù)人員參與特定服務(wù)操作等方面決定。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)還允許實(shí)時數(shù)據(jù)可見性。這意味著原始設(shè)備制造商(OEM)、終端消費(fèi)者和任何其他相關(guān)方都會了解出現(xiàn)的風(fēng)險和困難，從而獲得積極的體驗。
如今工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是大企業(yè)的主要產(chǎn)品，也是微軟和亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(AWS)等主要云供應(yīng)商提供的關(guān)鍵產(chǎn)品之一。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將高級數(shù)據(jù)分析和云的能力擴(kuò)展到工業(yè)應(yīng)用，如設(shè)備維護(hù)、工廠運(yùn)營、供應(yīng)鏈管理和人員安全。來自工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)甚至可以幫助在數(shù)字環(huán)境中模擬和測試產(chǎn)品，將數(shù)字系統(tǒng)與物理系統(tǒng)完美融合，以指數(shù)方式提高工業(yè)成果。
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