描述
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罗克韦尔自动化（中国）有限公司(NYSE:ROK)是全球最大的致力于工业自动化与信息的公司，致力于帮助客户提高生产力，以及世界可持续发展。罗克韦尔自动化总部位于美国威斯康星州密尔沃基市，在80多个国家设有分支机构，现有雇员约22,000人。
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关于工业物联网（IIoT）的讨论都会不绝于耳。而且，对于不同的行业，这一趋势表现在不同的方面。例如，工业4.0是专为生产设备发展出来概念。在电网领域，IIoT表现为智能电网；石油和天然气行业的IIoT则体现在井场数字化。虽然IIoT的不同形式有其特定表述和流程，但是IIoT所提供的技术和优势却是大致相同。虽然行业者都渴望利用IIoT，但很难想象到2020年500亿台设备连接起来是何种场景1。专家估计，在2015年2025年间部署的这些新网联设备中，有半数将来自工业领域2。这意味着工程师和***家将是工厂、测试实验室、电网、炼油厂和基础设施领域实现IIoT的驱动者。
对于IIoT，工程师可以期望获得三个主要好处：
•通过预测性维护增加正常运行时间
•通过边缘控制提升性能
•通过真实的网联数据改进产品设计和制造
为了实现IIoT的这些优势，设计团队必须依赖多项核心技术。无论是在构建在线监控系统、智能制造机器，还是测试物理或机电系统，一个关键的共性都是对边缘智能的需求。系统越复杂，就越需要做出实时决策。例如，在风力涡轮机叶片的结构测试中，采集大量高分辨率模拟波形数据的能力对于理解叶片行为特征重要。同时，我们需要处理这些数据，为控制系统提供输入，使得系统能够驱动叶片，以确保测试在已知条件下进行。因此，专家估计少40％的物联网数据将在边缘侧进行存储、处理、分析和响应3，也就不足为奇了。为了限度地提高性能并减少不必要的数据传输，用户必须将决策权下放到部署在设备处或附近的边缘节点。
多年来，NI了两个高质量控制和测量平台：CompactRIO和CompactDAQ。这两个平台都具有灵活性和模块化特性，并具有软件定义的功能。内置I/O接口和C系列I/O模块提供高精度I/O和特定测量信号调理，因此用户可以通过总线连接传感器或设备。CompactRIO提供实时处理器和用户可编程FPGA，特别适用于高速控制，而CompactDAQ则提供了同类出色的软件API NI-DAQmx，是数据采集的***选择。
然而，当我们开始着手实现这些系统时，新的挑战不断涌现-特别是在系统物理尺寸不断增大、传感器数量不断增加的情况下。我们仍以结构测试为例，为了了解风力涡轮机叶片的性能，我们需要为整个机构配备传感器，以测量应变、压力、负载和扭矩。这些传感器都会生成模拟信号，我们需要进行高速、高分辨率测量。对于诸如此类的大规模应用，我们可能需要在整个系统中部署数百甚数千个传感器。在采集这些数据时，我们还需要能够实时处理这些数据，以便我们可以为控制系统的***执行器提供输出控制。
尝试开发此类系统时会遇到一些挑战：
•将数千个通道和众多测量系统同步在一起
•同步控制系统，以便在正确的时间进行***操作
•将测量系统和控制系统同步在一起
随着系统不断扩展以及应用的测量和控制系统不断增加，这些挑战进一步加剧。测量系统之间以及控制系统之间的同步并不是一项新挑战。今天，我们通常可以通过基于信号的方法来实现这一目标，其中使用了物理布线将公共时基或信号路由到分布式节点。但是，这在距离、可扩展性和噪声风险方面存在局限性。另一种选择是利用基于以太网等通用***的协议。以太网提供了高度开放性和互操作性，但没有延迟限制或带宽保证。为了解决这一挑战，工程师开发出一个以太网定制版本，通常称为硬实时以太网。典型的例子包括EtherCAT、PROFINET和EtherNet/IP。这些以太网定制版本提供了硬实时性能和的低延迟和控制。但是，每个版本都需要对网络基础架构的硬件和软件进行修改，这不***增加了成本，而且意味着来自不同供应商的不同设备不能在同一网络上运行。
解决这一同步挑战的新技术目前正在推向市场，这一技术称为时间敏感网络（TSN）。TSN是以太网的更新版本，具有开放性和互操作性，而且提供与硬实时以太网相同的低延迟和带宽保证。具体而言，TSN提供三个关键组件：基于时间的同步、流量调度和系统配置。同步功能基于IEEE 1588时间协议配置文件，通过网络提供亚微秒级同步。此外，流量调度和系统配置提供了确定的数据通信，因此用户可以调度和优先处理网络上的时间敏感数据（例如控制信号）。
TSN的一个重要特性是时间敏感流量和其他以太网流量的融合。由于TSN是以太网的一项特性，时间同步和确定性通信这两项新功能可支持以太网通信网络。这意味着测量或控制系统上的单个端口可以执行确定性通信，同时还可远程更新用户界面终端并支持文件传输。TSN是许多工业应用的一项新增功能，例如过程和机器控制，其中低通信延迟和小抖动对于满足闭环控制要求关重要。基于时间的以太网同步还可以免除基于信号的同步所需的布线，与传统监控应用和物理系统测试（如结构测试）相比可大幅减少了布线需求，从而能够在不牺牲可靠性的情况下实现更简单、经济的解决方案。
NI的产品也在不断增加对TSN的支持，CompactRIO平台的控制器便是一个典型的产品。用户可以将这些新控制器添加到TSN网络，并支持数据同步和确定性通信，使其成为***的IIoT边缘节点。
TSN的引入是解决整个系统同步挑战的重要一步。开发这些系统的工程师还在关注如何降低整体系统复杂性，同时保持或提高可靠性。由于测量和控制通常是独立的子系统，因此工具、编程环境和数据采集机制之间彼此独立。PLC等控制系统通常采用IEC 61131-3语言编程，可对单点数据进行操作。这种类型的数据非常适合控制应用，但不适合提取信息-因此我们需要波形数据。同样，测量系统使用波形数据提供所需的信息，但并不适用于发送单点控制信号或确定地对单点控制信号作出反应。
测量和控制系统的这一特性非常直观明了。过去几年，测量和控制系统的融合进度非常缓慢。每个系统都增加了新的功能，以便更多的测量系统可以具有一些控制功能，或控制系统具有部分测量功能。随着CompactRIO控制器的发布，我们看到了这种融合有了重大进步。除了利用实时处理器和FPGA来实现确定性控制应用之外，新的控制器还可以使用易用且功能大的NI-DAQmx驱动程序进行编程，从而实现测量应用。NI-DAQmx不是一个基本的硬件驱动程序，不提供了配置和故障分析工具、逐步配置工具，而且提供功能大且直观的API，大幅提高了工作效率和性能。工程师可以使用NI-DAQmx API来编写自定义程序，实现大的定时和同步功能，并执行控制和监测任务。对于需要同步高通道数系统、开发基于决策的记录仪或自动化实验室实验的用户，数百个示例、充满活力的社区和的本地支持可帮助他们快速从概念过渡到部署。通过这种融合，他们可以使用相同的硬件和单个软件工具链，直接在边缘侧采集、处理、记录和响应输入的数据，从而终降低系统成本和复杂性。
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