最近不論我們身處何方，關於工業物聯網（IIoT）的討論都會不絕於耳。而且，對於不同的行業，這一趨勢表現在不同的方麵。例如
，工業4.0是專為生產設備發展出來 概念。在電網領域
，IIoT表現為智能電網；石油和天然氣行業的IIoT則體現在井場數字化。雖然IIoT的不同形式有其特定表述和流程，但是IIoT所提供的技術和優勢卻是大致相同。雖然行業領先者都渴望利用IIoT，但很難想象到2020年500億台設備連接起來是何種場景1。專家估計，在2015年至2025年間部署的這些新網聯設備中，有半數將來自工業領域2。這意味著工程師和科學家將是工廠
、測試實驗室、電網
、煉油廠和基礎設施領域實現IIoT的驅動者。

對於IIoT，工程師可以期望獲得三個主要好處：

•    通過預測性維護增加正常運行時間

•    通過邊緣控製提升性能

•    通過真實的網聯數據改進產品設計和製造

為了實現IIoT的這些優勢，設計團隊必須依賴多項核心技術。無論是在構建在線監控係統、智(zhi)能(neng)製(zhi)造(zao)機(ji)器(qi)，還(hai)是(shi)測(ce)試(shi)物(wu)理(li)或(huo)機(ji)電(dian)係(xi)統(tong)，一(yi)個(ge)關(guan)鍵(jian)的(de)共(gong)性(xing)都(dou)是(shi)對(dui)邊(bian)緣(yuan)智(zhi)能(neng)的(de)需(xu)求(qiu)。係(xi)統(tong)越(yue)複(fu)雜(za)
，就(jiu)越(yue)需(xu)要(yao)做(zuo)出(chu)實(shi)時(shi)決(jue)策(ce)。例(li)如(ru)

，在(zai)風(feng)力(li)渦(wo)輪(lun)機(ji)葉(ye)片(pian)的(de)結(jie)構(gou)測(ce)試(shi)中(zhong)

，采(cai)集(ji)大(da)量(liang)高(gao)分(fen)辨(bian)率(lv)模(mo)擬(ni)波(bo)形(xing)數(shu)據(ju)的(de)能(neng)力(li)對(dui)於(yu)理(li)解(jie)葉(ye)片(pian)行(xing)為(wei)特(te)征(zheng)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。同(tong)時(shi)
，我(wo)們(men)需(xu)要(yao)處(chu)理(li)這(zhe)些(xie)數(shu)據(ju)，為(wei)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)提(ti)供(gong)輸(shu)入(ru)，使(shi)得(de)係(xi)統(tong)能(neng)夠(gou)驅(qu)動(dong)葉(ye)片(pian)，以(yi)確(que)保(bao)測(ce)試(shi)在(zai)已(yi)知(zhi)條(tiao)件(jian)下(xia)進(jin)行(xing)。因(yin)此(ci)，專(zhuan)家(jia)估(gu)計(ji)至(zhi)少(shao)40％的物聯網數據將在邊緣側進行存儲、處理、分析和響應3，也就不足為奇了。為了最大限度地提高性能並減少不必要的數據傳輸，用戶必須將決策權下放到部署在設備處或附近的邊緣節點。

圖1.到2019年，至少有40％的物聯網數據將在邊緣進行存儲、處理
、分析和響應。

多年來

，NI投資了兩個高質量控製和測量平台：CompactRIO和CompactDAQ。這兩個平台都具有靈活性和模塊化特性
，並具有軟件定義的功能。內置I/O接口和C係列I/O模塊提供高精度I/O和特定測量信號調理
，因此用戶可以通過任何總線連接任何傳感器或設備。 CompactRIO提供實時處理器和用戶可編程FPGA，特別適用於高速控製
，而CompactDAQ則提供了同類最為出色的軟件API NI-DAQmx
，是數據采集的理想選擇。

然而
，當我們開始著手實現這些係統時，新的挑戰不斷湧現 - 特別是在係統物理尺寸不斷增大、chuanganqishuliangbuduanzengjiadeqingkuangxia。womenrengyijiegouceshiweili，weilequanmianlejiefengliwolunjiyepiandexingneng，womenxuyaoweizhenggejigoupeibeichuanganqi，yiceliangyingbian、壓力、負載和扭矩。這些傳感器都會生成模擬信號，為了獲得最多且最有用的信息，我們需要進行高速、gaofenbianlvceliang。duiyuzhurucileidedaguimoyingyong
，womenkenengxuyaozaizhenggexitongzhongbushushubaishenzhishuqiangechuanganqi。zaicaijisuoyouzhexieshujushi，womenhaixuyaonenggoushishichulizhexieshuju，yibianwomenkeyiweikongzhixitongdesuoyouzhixingqitigongshuchukongzhi。

嚐試開發此類係統時會遇到一些挑戰：

•    將數千個通道和眾多測量係統同步在一起

•    同步控製係統，以便在正確的時間進行所有操作

•    將測量係統和控製係統同步在一起

隨(sui)著(zhe)係(xi)統(tong)不(bu)斷(duan)擴(kuo)展(zhan)以(yi)及(ji)應(ying)用(yong)的(de)測(ce)量(liang)和(he)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)不(bu)斷(duan)增(zeng)加(jia)
，這(zhe)些(xie)挑(tiao)戰(zhan)進(jin)一(yi)步(bu)加(jia)劇(ju)。測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)之(zhi)間(jian)以(yi)及(ji)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)之(zhi)間(jian)的(de)同(tong)步(bu)並(bing)不(bu)是(shi)一(yi)項(xiang)新(xin)挑(tiao)戰(zhan)。今(jin)天(tian)，我(wo)們(men)通(tong)常(chang)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)基(ji)於(yu)信(xin)號(hao)的(de)方(fang)法(fa)來(lai)實(shi)現(xian)這(zhe)一(yi)目(mu)標(biao)，其(qi)中(zhong)使(shi)用(yong)了(le)物(wu)理(li)布(bu)線(xian)將(jiang)公(gong)共(gong)時(shi)基(ji)或(huo)信(xin)號(hao)路(lu)由(you)到(dao)分(fen)布(bu)式(shi)節(jie)點(dian)。但(dan)是(shi)
，這(zhe)在(zai)距(ju)離(li)、可(ke)擴(kuo)展(zhan)性(xing)和(he)噪(zao)聲(sheng)風(feng)險(xian)方(fang)麵(mian)存(cun)在(zai)局(ju)限(xian)性(xing)。另(ling)一(yi)種(zhong)選(xuan)擇(ze)是(shi)利(li)用(yong)基(ji)於(yu)以(yi)太(tai)網(wang)等(deng)通(tong)用(yong)標(biao)準(zhun)的(de)協(xie)議(yi)。以(yi)太(tai)網(wang)提(ti)供(gong)了(le)高(gao)度(du)開(kai)放(fang)性(xing)和(he)互(hu)操(cao)作(zuo)性(xing)，但(dan)沒(mei)有(you)延(yan)遲(chi)限(xian)製(zhi)或(huo)帶(dai)寬(kuan)保(bao)證(zheng)。為(wei)了(le)解(jie)決(jue)這(zhe)一(yi)挑(tiao)戰(zhan)，工(gong)程(cheng)師(shi)開(kai)發(fa)出(chu)一(yi)個(ge)以(yi)太(tai)網(wang)定(ding)製(zhi)版(ban)本(ben)
，通(tong)常(chang)稱(cheng)為(wei)硬(ying)實(shi)時(shi)以(yi)太(tai)網(wang)。典(dian)型(xing)的(de)例(li)子(zi)包(bao)括(kuo)EtherCAT、PROFINET和EtherNet/IP。zhexieyitaiwangdingzhibanbentigongleyingshishixingnengheyiliudediyanchihekongzhi。danshi，meigebanbendouxuyaoduiwangluojichujiagoudeyingjianheruanjianjinxingxiugai
，zhebujinzengjialechengben

，erqieyiweizhelaizibutonggongyingshangdebutongshebeibunengzaitongyiwangluoshangyunxing。

解決這一同步挑戰的新技術目前正在推向市場
，這一技術稱為時間敏感網絡（TSN）。 TSN是標準以太網的更新版本，不僅具有開放性和互操作性，而且提供與硬實時以太網相同的低延遲和帶寬保證。具體而言，TSN提供三個關鍵組件：基於時間的同步、流量調度和係統配置。同步功能基於IEEE 1588精jing確que時shi間jian協xie議yi配pei置zhi文wen件jian
，通tong過guo網wang絡luo提ti供gong亞ya微wei秒miao級ji同tong步bu。此ci外wai，流liu量liang調tiao度du和he係xi統tong配pei置zhi提ti供gong了le確que定ding的de數shu據ju通tong信xin，因yin此ci用yong戶hu可ke以yi調tiao度du和he優you先xian處chu理li網wang絡luo上shang的de時shi間jian敏min感gan數shu據ju（例如控製信號）。

TSN的一個重要特性是時間敏感流量和其他以太網流量的融合。由於TSNshiyitaiwangbiaozhundeyixiangtexing
，shijiantongbuhequedingxingtongxinzheliangxiangxingongnengkezhichisuoyouyitaiwangtongxinwangluo。zheyiweizhecelianghuokongzhixitongshangdedangeduankoukeyizhixingquedingxingtongxin，tongshihaikeyuanchenggengxinyonghujiemianzhongduanbingzhichiwenjianchuanshu。TSN是shi許xu多duo工gong業ye應ying用yong的de一yi項xiang新xin增zeng功gong能neng
，例li如ru過guo程cheng和he機ji器qi控kong製zhi，其qi中zhong低di通tong信xin延yan遲chi和he最zui小xiao抖dou動dong對dui於yu滿man足zu閉bi環huan控kong製zhi要yao求qiu至zhi關guan重zhong要yao。基ji於yu時shi間jian的de以yi太tai網wang同tong步bu還hai可ke以yi免mian除chu基ji於yu信xin號hao的de同tong步bu所suo需xu的de布bu線xian，與yu傳chuan統tong監jian控kong應ying用yong和he物wu理li係xi統tong測ce試shi（如結構測試）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現更簡單、經濟高效的解決方案。

圖2.時間敏感網絡是標準以太網的更新版，包括基於時間的同步

、流量調度和係統配置。

NI的產品也在不斷增加對TSN的支持，CompactRIO平台的最新控製器便是一個典型的產品。 用戶可以將這些新控製器添加到TSN網絡，並支持數據同步和確定性通信，使其成為理想的IIoT邊緣節點。

圖3.最新的CompactRIO控製器支持TSN
，支持同步和確定性通信。

TSN的de引yin入ru是shi解jie決jue整zheng個ge係xi統tong同tong步bu挑tiao戰zhan的de重zhong要yao一yi步bu。開kai發fa這zhe些xie係xi統tong的de工gong程cheng師shi還hai在zai關guan注zhu如ru何he降jiang低di整zheng體ti係xi統tong複fu雜za性xing，同tong時shi保bao持chi或huo提ti高gao可ke靠kao性xing。由you於yu測ce量liang和he控kong製zhi通tong常chang是shi獨du立li的de子zi係xi統tong
，因yin此ci工gong具ju、編程環境和數據采集機製之間彼此獨立。 PLC等控製係統通常采用IEC 61131-3語言編程
，可對單點數據進行操作。這種類型的數據非常適合控製應用，但不適合提取信息 - 因yin此ci我wo們men需xu要yao波bo形xing數shu據ju。同tong樣yang，測ce量liang係xi統tong使shi用yong波bo形xing數shu據ju提ti供gong所suo需xu的de信xin息xi

，但dan並bing不bu適shi用yong於yu發fa送song單dan點dian控kong製zhi信xin號hao或huo確que定ding地di對dui單dan點dian控kong製zhi信xin號hao作zuo出chu反fan應ying。

測(ce)量(liang)和(he)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)這(zhe)一(yi)特(te)性(xing)非(fei)常(chang)直(zhi)觀(guan)明(ming)了(le)。過(guo)去(qu)幾(ji)年(nian)
，測(ce)量(liang)和(he)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)融(rong)合(he)進(jin)度(du)非(fei)常(chang)緩(huan)慢(man)。每(mei)個(ge)係(xi)統(tong)都(dou)增(zeng)加(jia)了(le)新(xin)的(de)功(gong)能(neng)，以(yi)便(bian)更(geng)多(duo)的(de)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)可(ke)以(yi)具(ju)有(you)一(yi)些(xie)控(kong)製(zhi)功(gong)能(neng)，或(huo)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)具(ju)有(you)部(bu)分(fen)測(ce)量(liang)功(gong)能(neng)。隨(sui)著(zhe)最(zui)新(xin)CompactRIO控製器的發布，我們看到了這種融合有了重大進步。除了利用實時處理器和FPGA來實現確定性控製應用之外，新的控製器還可以使用易用且功能強大的NI-DAQmx驅動程序進行編程，從而實現測量應用。 NI-DAQmx不僅僅是一個基本的硬件驅動程序，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-DAQmx API來編寫自定義程序，實現強大的定時和同步功能，並執行高級控製和監測任務。對於需要同步高通道數係統
、開發基於決策的記錄儀或自動化實驗室實驗的用戶
，數百個示例、充chong滿man活huo力li的de社she區qu和he一yi流liu的de本ben地di支zhi持chi可ke幫bang助zhu他ta們men快kuai速su從cong概gai念nian過guo渡du到dao部bu署shu。通tong過guo這zhe種zhong融rong合he
，他ta們men可ke以yi使shi用yong相xiang同tong的de硬ying件jian和he單dan個ge軟ruan件jian工gong具ju鏈lian，直zhi接jie在zai邊bian緣yuan側ce采cai集ji
、處理

、記錄和響應輸入的數據，從而最終降低係統成本和複雜性。

參考文獻

•    1Cisco, The Internet of Things: How the Next Evolution of the Internet Is Changing Everything, 2011

•    2IHS Markit, IoT Trend Watch 2017, 2017

•    3IDC FutureScape: Worldwide Internet of Things 2017 Predictions