物联网

作者:ADI公司产品营销工程师Max Liberman和业务开发经理Bob Scannell

在工业制造运营中,被动的设备维修是造成生产能力丧失的一个主要因素,这种维修本来是可以避免的。平均售价仅几美元的零部件,一旦发生故障,维修成本和由此导致的收入损失可能是其售价的好多倍。在最不利的情况下,未检测到的故障可能在系统中引起连锁反应,导致大面积损坏,触发生产停运,造成惨痛损失。传统上,制造商借助预防措施来保持生产现场正常运转。

相比事后维修,预防维护是一大进步,但与其相关的服务合同成本高昂,而且其确保设备连续正常运行的能力也是有限的。考虑让一台200英尺风力涡轮机的叶片转动的转子轴承。紧急维修和现场维护的成本会非常高,甚至可能有危险,因为技术人员需要在高空作业。另外,如果该涡轮机接入到本地市政电网,计划之外的停机可能引起能源生产损失,甚至电力服务中断。

一种新的工业检测技术正在帮助制造商们优化设备,它通过预测维护手段来预料零部件故障。虽然工业检测的形式有很多,但振动检测可能是最有效且最经济的。根据Lindsay Engineering(一家位于美国加州卡马里奥的预测维护产品和服务提供商)的研究,振动检测的投资回报是定期更换齿轮或电机油等措施的投资回报的三倍(参见图1)。

振动分析的优势

振动分析常用于旋转机械中,用以检测可能引起振动变化的轴承松动或磨损、设备未对准、液位偏低等。通常,这种振动的频率介于6 kHz到10 kHz。在更高频率也有一些数据可用,但受限于响应幅度而非常难以测量,并且需要超声等成本高昂的技术。通过测量该频率范围并监控响应的变化,制造商可以安排维护时间,或者在零部件损坏达到一定程度之前的最有利时间关停设备,防止损失引起更大的次生系统故障。

另外还可以利用各种统计公式来预测系统寿命,例如平均无故障时间(MTTF)和平均故障间隔时间(MTBF)。利用这些公式和来自系统的原始数据,客户便可直接处理潜在问题。例如,通过MTTF,您发现某种轴承的失效率较高。您可以利用振动传感器来密切监视该特定机器和轴承,确保失效不会发生。

图1. 旋转机械的典型振动频率范围是6 KHz到10 KHz

实现工业振动检测的最常见方式有两种:一是用传感器系统改造现有设备;二是与第三方服务商签约,按照计划定期执行设备测试。后一种方案的成本可能很高,而且定期检查的效果比不上直接将传感器安装在设备上。利用系统安装方法,制造商可以实现连续监控,但也存在传统上的限制。

当今大部分振动传感器的典型工作带宽低于5 kHz,比检测大多数设备故障所需的频率要低一大截。另外,常规传感器大多基于高压压电技术,需要体积很大的金属罐封装,而且要求频繁校准,不太容易大批量生产。还有一个问题是,其集成度通常较低,需要经过大量外部调理和处理才能提取有用信息。

MEMS方法

业界越来越需要其它能够更早检测到预测维护征兆且成本更低的方法,因此,基于微机电系统(MEMS)的振动传感器正在成为替代常规检测的重要方法。更重要的是,任何替代方案都必须以更高和更宽的频率范围工作,这是早期检测的关健。ADI公司提供一系列宽带宽MEMS传感器(ADXL001、ADIS16220、ADIS16223和ADIS16227),其具有22 kHz谐振带宽和高采样速率,是机器健康检测应用的理想选择。利用这些传感器,系统操作员可以及早发现要失效的设备,避免遭受重大损失。

振动监控错综复杂,准确捕捉振动剖面并正确解读数据更是需要高度复杂的专业知识。对于许多希望实施振动监控的厂商,最佳解决方案远不限于传感器元件。复杂性的很大一部分在于数据分析,对设备的典型时基分析会产生一个包含多种误差源的复杂波形,只有经过FFT分析之后才能获得可以分辨的信息。

多数压电传感器解决方案依赖外部FFT计算和分析。这种方法不仅使得实时通知毫无可能,而且大大增加了设备开发商的设计工作量。像ADI公司的ADIS16227等专业化MEMS传感器降低了这种复杂性,其提供嵌入式频域处理和512点实值FFT,片上存储器能够识别各种振动源并进行归类,监控其随时间的变化情况,并根据可编程的阈值做出反应。

该器件还具有可配置的报警频段和窗选项,支持对全频谱进行分析,并配置6个频段、报警1(警告阈值)和报警2(故障阈值),以便能够更早、更精准地发现问题。

为了确保准确捕捉数据,人们强烈要求实现嵌入式和自主检测。集成度合适的话(即集成传感器分析、存储器和报警功能),传感器系统可以嵌入到离潜在误差源更近的地方,从而更准确地反映机器振动情况,并显著降低接口复杂度,如线缆连接、场外分析和数据捕捉计划等。ADIS16227等器件是完整的数据转换和传感器处理解决方案,用户可通过串行外设接口(SPI)获得经处理的宽带宽传感器数据。这些器件可实现连续监控,并在达到用户设置的报警阈值时提供中断驱动的通知。如果关心功耗,它们还能按照用户制定的计划定期唤醒和记录。

图2. 诸如ADI公司的ADIS16227等MEMS传感器可以在高达22 kHz的频率检测零部件故障,从而提供关于设备故障的早期预警

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告别2017、跨入2018,中国物联网产业的发展依旧延续着其稳健的步伐。物联网产业的生态伙伴,在探索中不时的邂逅惊喜;而政府和企业,已经有越来越多的掌门人,从部署物联网应用中收货果实。IDC以多年的知识积累为基础,发布了《物联网十大预测》,并给出了对于未来1-3年,中国物联网市场发展的见解。希望能够帮助物联网产业合作伙伴,和致力于物联网事业的企业,更好的了解市场发展趋势。

IDC中国物联网高级市场分析师刘楠认为,"物联网应用在各个垂直行业的发展,阶段各异。从整体来判断,物联网应用正在从概念验证走向规模部署,场景化和规模化已经成为物联网发展的重要趋势。从长远发展的角度来说,物联网将与大数据、人工智能、区块链等新兴技术,呈现出你中有我、我中有你的发展趋势。"

我们从十大预测中挑选出几个重点预测供大家参考。

物联网十大预测之二:

到2020年,10%的试点和投入使用的分布式区块链应用将接入物联网传感器。

物联网应用落地开花,得益于整个物联网生态间的紧密合作。未来合作伙伴之间提供和交换可信数据,尤其是这些数据需要跨域不同的物联网应用场景。在这一背景下,合作伙伴之间需要建立一个安全可靠的方法。而区块链正是在所有合作伙伴之间提高数据传输与交换效率的、行之有效的、全新的解决方案。构建一个标准化的通信规则,通过建设完备的物联网传感器系统,帮助伙伴公司间快速的识别出不同合作伙伴的关键业务行为。物联网解决方案和区块链的整合,能够使企业的IT系统对内和对外都更加安全可靠。

物联网十大预测之四:

到2020年,物联网连接的产品和资产将推动企业实现数字双胞胎,25%的中国 Top 2000 企业将利用来自于数字双胞胎的数据,提高产品创新能力和企业生产效率,从而将提高企业20%的收益。

数字双胞胎可以在早期应用于产品设计;测试期应用于研发和工程中来改进产品原型的制造;最终能够通过工程和服务相结合,利用数据生成的数字双胞胎,对产品进行数字化监控与操作。简而言之,物联网赋能企业的数字双胞胎,可以推动企业实现对"物"的性能、运行和质量的跟踪。

物联网十大预测之六:

到2020年,近50%由企业建设的物联网应用,是以物联网技术为基础,以聚焦于结果的综合分析平台作为支撑。

现阶段,物联网平台发展的主流是提供一个水平(horizontal)的物联网平台,平台商的合作伙伴以平台为基础架构、开发物联网应用。这一类型平台,关注的是连接和终端,也就是"物"的管理。而合作伙伴主要提供各种各样、丰富的物联网应用。

在收集了海量的数据后,未来数据分析将成为新的推动物联网平台发展的因素。因此垂直聚焦的物联网平台将成为下一个市场增长热点,它将针对特定的垂直市场应用场景和商业模式进行建设,将是垂直行业特有的、以数据驱动的平台,满足基于应用场景的开发规范。垂直平台也将逐渐整合,以行业为基础融合当前碎片化的业务导向的物联网平台。

物联网十大预测之八:

5G将更能丰富物联网的应用场景。到2021年,驱动60%的中国 Top 2000 企业投入超过3亿美元,用于部署物联网连接管理解决方案。

5G 使物联网进入了一个全新的时代。4G和新出现的 NB-IoT 和 LTE-M,满足了海量的设备连接到移动网络之上的需求。这些连接是全新的、不同于智能手机和路由器的物联网终端。丰富的连接方式,为不同的应用场景提供了无限的可能。这些不同流量、不同频段的通信服务,能够按照不同客户的需求,为其提供更加个性化的服务。同时, 5G巨大的应用潜力,也提高了企业对于物联网应用的需求,促进了市场发展。为了应对涌现的新兴物联网应用,企业必须采取各种方法进行连接管理,革新甚至颠覆传统管理方式。

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健康监护正在走向可穿戴设备
当我还是个小男孩的时候,妈妈总是不停地叮嘱我要带够零钱,以防在遇到紧急情况时需要打电话。二十年后,移动电话使我们能够随时随地拨打电话。又经过20 年的创新后,语音通话已不再是手机这款智能设备的主要功能,它不仅可以拍摄美丽的照片、播放音频和视频流文件,而且还提供各种各样的服务——现在还逐渐成为我们的私人教练。配备传感器或者连接到穿戴式传感器后,这些设备可用来监控日常活动和个人健康状况。在不断增强的健康意识推动下,人们开始关注测量生命体征参数——如心率、体温、血氧饱和度、血压、活动水平(运动量)和脂肪燃烧量——以及追踪这些参数的日常变化趋势。

现在,装有多个传感器的通用传感器前端可监控这些参数。最大的挑战是最大程度地缩小尺寸并延长电池使用寿命。本文讨论面向迅猛增长的可穿戴电子产品市场的解决方案。

最重要的生命体征信号

没了心跳,我们就会有大麻烦,因此,脉搏或心率至今仍是我们需监控的最重要的参数。除了每分钟心跳次数以外,我们还想检查心脏行为与活动量的关系。心律也非常重要,因为快速变化的心率是心脏疾病的征兆。

心率和心脏活动监护通常是使用心电图(ECG)测量生理电信号来实现。连接到身体上的电极可测量心脏组织中心电的信号的活动。专业的诊断系统便是基于此原理,测量时胸部和四肢最多可连接10 个电极。ECG 可提供一次心跳不同分量(P 波、QRS 波和T 波)的相关详细信息。

AD8232 单导联ECG 前端

图1. AD8232 单导联ECG 前端

单导联ECG 在体育界的应用越来越普遍,其使用双电极胸带来测量心脏活动。虽然可检测到各种ECG 波形,但大多数系统只测量心率。这些胸带穿戴起来并不舒服,因此,体育和保健行业正在寻找替代方案,例如将电极集成到运动衫上。AD8232 单导联心率监护仪前端(如图1 所示)就是专为此类低功耗可穿戴应用而开发的。该器件内置增益为100 V/V 的仪表放大器和一个高通滤波器,能阻止皮肤上电极的半电池电位产生的失调电压。输出缓冲器和低通滤波器则可抑制肌肉活动产生的高频分量(EMG 信号)。此低功耗前端功耗为170 μA,可与16 位片上计量仪ADuCM350配合使用,进行高性能、单导联ECG 测量。

测量心率的新方法

心率测量的新趋势是光电容积图(PPG),这是一种无需测量生物电 信号就能获得心脏功能信息的光学技术。PPG 主要用于测量血氧 饱和度(SpO2),但也可不进行生物电信号测量就提供心脏功能信 息。借助PPG 技术,心率监护仪可集成到手表或护腕等可穿戴设 备上。由于生理电势法的信号电平极其微弱,所以无法做到这 一点。

在光学系统中,光从皮肤表面投射出来。再由光电传感器测量红细胞吸收的光量。随着心脏跳动,不断变化的血容量使接收到的光量分散开来。在手指或耳垂上进行测量时,由于这些部位有相当多的动脉血,使用红光或红外光源可获得最佳精度。不过,手腕表层很少有动脉存在,腕部穿戴式设备必须通过皮肤表层下面的静脉和毛细血管来检测脉动分量,因此绿光效果会更好。

ADPD142 光学模块(如图2 所示)具备完整的光度测量前端,并集成光电传感器、电流源和LED。该器件专为测量反射光而设计,可用来实现PPG 测量。所有元件都封装在一个小小的模块上。

ADPD142 光学模块

图2. ADPD142 光学模块

使用光学VSM 所面临的挑战

利用腕部穿戴式设备测量PPG 面临的主要挑战来自环境光和运动产生的干扰。阳光产生的直流误差相对而言比较容易消除,但日光灯和节能灯发出的光线都带有可引起交流误差的频率分量。模拟前端使用两种结构来抑制DC 至100 kHz 的干扰信号。模拟信号经过调理后,14 位逐次逼近型数模转换器(ADC)将信号数字化,再通过I2C 接口发送到微处理器进行最终后处理。

同步发送路径与光接收器并行集成在一起。其独立的电流源可驱动两个单独的LED,电流电平最多可编程至250 mA。LED 电流是脉冲电流,脉冲长度在微秒级,因此可保持较低的平均功耗,从而最大程度地延长电池使用寿命。

LED 驱动电路是动态电路且可即时配置,因此不受各种环境条件影响,例如环境光、穿戴者皮肤和头发的色泽或传感器和皮肤之间的汗液,这些都会降低灵敏度。激励LED 配置非常方便,可用于构建自适应系统。所有时序和同步均由模拟前端处理,因此不会增加系统处理器的任何开销。

ADPD142 提供两种版本:ADPD142RG 集成红光LED 和绿光 LED,用于支持光学心率监护;ADPD142RI 集成红光LED 和红 外LED,用于进行血氧饱和度(SpO2)测量。)

运动的影响

运动也会干扰光学系统。当光学心率监护仪用于睡眠研究时,这可能不是问题,但如果在锻炼期间穿戴,运动腕表和护腕将很难消除运动伪像。光学传感器(LED 和光电检测器)和皮肤之间的相对运动会降低光信号的灵敏度。此外,运动的频率分量也可能会被视为心率测量,因此,必须测量该运动并进行补偿。设备与人体相贴越紧密,这种影响就越小,但采用机械方式消除这种影响几乎是不可能的。

我们可使用多种方法来测量运动。其中一种是光学方法,即使用多个LED 波长。共模信号表示运动,而差分信号用来检测心率。不过,最好是使用真正的运动传感器。该传感器不仅可准确测量应用于可穿戴设备的运动,而且还可用于提供其他功能,例如跟踪活动、计算步数或者在检测到特定g 值时启动某个应用。

ADXL362 是一款微功耗、3 轴MEMS(微机电系统)加速度计,非常适合在电池供电型可穿戴应用中检测运动。内置的12 位ADC可将加速度值转换为数字信号,分辨率为1 mg。功耗随采样速率动态变化,当输出数据速率为100 Hz 时功耗仅为1.8 μA,在400 Hz时为3.0 μA。这些较高的数据速率对于用户接口来说非常有用,例如单击/双击检测。

对于在检测到运动时启动某个应用的情况,则无需进行高速采样,因此可将数据速率降至6 Hz,此时平均功耗为300 nA。因而,对于低功耗应用和不易更换电池的植入式设备来说,此传感器非常有吸引力。ADXL362 采用3.0 mm × 3.25 mm 封装。图3 显示了不同电源电压条件下电源电流与输出数据速率之间的关系图。

图3. ADXL362 电源电流与输出数据速率的关系

系统中各传感器的连接

系统的核心是混合信号片上计量仪ADuCM350,它与所有这些传感器相连,并负责运行必要的软件,以及储存、显示或传送结果。该器件集成高性能模拟前端( AFE)和16 MHz ARM® Cortex®-M3处理器内核,如图4 所示。AFE 的灵活性和微处理器丰富的功能组合使此芯片成为便携式应用和可穿戴应用的理想选择。可配置的AFE 支持几乎所有传感器,其可编程波形发生器可使用交流或直流信号为模拟传感器供电。高性能的接收信号链会对传感器信号进行调理,并使用无丢码16 位160 kSPS ADC 将这些信号数字化。其中,后者的积分非线性(INL)/差分非线性(DNL)最大值为±1-LSB,。该接收信号链支持任何类型的输入信号,包括电压、电流、恒电势、光电流和复阻抗。

图4. 集成AFE 的Cortex-M3

AFE 可在独立模式下工作,无需Cortex-M3 处理器干预。可编程时序控制器控制测量引擎,测量结果通过DMA 储存到存储器内。开始测量前,可执行校准程序,以校正发送和接收信号链中的失调和漂移误差。对于复阻抗测量,如血糖、体质指数(BMI)或组织鉴别应用,内置DSP 加速器可实现2048 点单频离散傅里叶变换(DFT),而无需M3 处理器干预。这些高性能AFE 功能使ADuCM350 具有其他集成解决方案无可比拟的独特优势。

Cortex 处理器支持多种通讯端口,包括I2S、USB、MIPI 和LCD显示驱动器(静态)。此外,它还包括闪存、SRAM 和EEPROM,并且支持五种不同的电源模式,可最大程度地延长电池使用寿命。

ADuCM350 设计用于超低功耗传感器,性能限制为低速器件。对于要求更高处理能力的应用,可使用工作频率高达80 MHz 的M3内核或者Cortex-M4 处理器内核。

功耗如何?

功耗一直是便携式设备和可穿戴设备中的一个关键因素。本文介绍的设备在设计上要求性能高、尺寸小且功耗低,但在非常小的封装内集成所有一切器件(包括电池)仍然是一个挑战。尽管新的电池技术实现了每mm3 更高的容量,但与电子产品相比,电池仍然体积较大。

能量采集可减小电池尺寸并延长电池使用寿命。能量收集技术有多种,包括热电、压电、电磁和光电等技术。对于可穿戴设备,利用光和热最为合适。传感器通常不会产生大量输出功率,因此每焦耳热量都应当可以被捕获和使用。ADP5090 超低功耗升压调节器(如图5 所示)桥接收集器和电池。此高效开关模式电源可将输入电压从低至100 mV 升高到3 V。冷启动期间,在电池完全放电的情况下,最小输入电压为380 mV,但在正常工作时,如果电池电量没有完全耗尽或者还有一些电能留在超级电容内,任何低至100 mV 的输入信号都可转换为较高的电位并储存下来,以供稍后使用。

该芯片采用微型3 mm × 3 mm 封装,并可进行编程来支持各种不同的能量收集传感器。最大静态电流为250 nA,支持几乎所有电池技术,从锂离子电池到薄膜电池以及超级电容均可。集成式保护电路可确保其安全运行。

图5. ADP5090 能量采集器

结论

本文介绍了一些用于可穿戴和个人健康应用的低功耗产品,但这个快速增长的市场正在快速变化。ADI 公司的技术可以将这些颇具挑战性的难题转变为完善的产品和完整的解决方案。更多惊喜敬请期待。

参考电路 www.analog.com/healthcare

作者:Jan-Hein Broeders

Jan-Hein Broeders是ADI公司负责欧洲、中东和非洲业务的医疗健康业务开发经理。他与医护人员密切合作,将他们现在和将来的需求转化为各种解决方案。Jan-Hein拥有超过20年的半导体行业工作经验。他于2005年加入ADI,担任飞利浦全球现场应用工程师(FAE),自2008年起开始担任目前的职务。他拥有荷兰斯海尔托亨博斯大学的电气工程学士学位。

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随着物联网、云计算等新技术的出现,2017年制造业发生一新变化,工厂机器换人,设备互联化,生产智能化等创新实践给传统产业带来了良好启示。同时给自动行业带来新的机遇和挑战,一些控制厂商利用物联网技术改进他们的产品,同时研发一些新的技术。

那么 2018年的自动化行业将会有哪些趋势?

物联网将降低自动化成本

物联网作为热门概念,近年来对各行业影响正变得更加剧烈。随着技术的进步,一些高性能的物联网产品和驱动芯片不断推出,如处理器、传感器、分析软件、视觉系统、无线通信协议和分布式系统架构等。这些技术产品的出现将使得自动化系统具有更高的价值,自动化厂商用更低的成本集成出更高性能的产品,造福业界。

最近,英特尔推出了一套新的模板化计算机平台 " 计算卡 "(ComputeCard),这张卡只有普通银行卡的大少,却集成了一套完整计算机的所有元素,包括 IntelSoC 处理器、内存、存储、无线、I/O 等等。基于这种计算卡,硬件厂商可以灵活地优化各种智能互联解决方案,比如说交互式冰箱、安全摄像头、物联网网关,而且拥有简化设计、易于维护、用户可升级等优势。

精益自动化和扁平架构到来

自动化系统正在进一步简化,从原来的五层系统模型转变成 2-3 层,系统性能将得到进一步提升同时降低未来的软件维护成本,这也是自动化行业多年来发展的趋势。

在新的系统模型中,控制器使用了适当的协议,如通过 web 服务直接把信息从 0、1 级传递到第 4、5 级。这种趋势正在加速,计算被驱动到更强大的控制器、智能设备和传感器,并带动了工厂级计算机和云托管应用程序。

如今的智能手机已经是一个多核处理功能强大的计算机,可以利用它执行一些本地任务,利用云和具有通信的功能的智能手机,可以寻找餐馆预定或者确定最佳的出行路线。

开放式工业自动化架构

过去一年里已经看到围绕着边缘计算的开放式系统结构的出现,开放式系统与业务系统紧密集成,满足多厂商共同操作的需求。传统的工业自动化架构目前处于非开放阶段,但一些智慧社区控制系统和用户提出了多厂商集成的问题障碍。

这种新的 " 开放 " 的思维方式旨在创造更灵敏、高效、灵活的制造业,紧密整合客户、供应商、制造商和分销物流生态系统。

为了提高生产的性能和灵活性,制造现场的 I/O(输入/输出)设备包括传感器、执行器、分析器、驱动器、视觉、视频、和机器人等都需要连接通信。在这种环境下创建卓越的集成工业自动化系统需要完全开放的通信源代码、数据定义、框架和应用程序交换标准。

例如,工业 4.0 的思想主张整合制造业工厂和其它业务功能,包括进货物流、客户服务、出货物流。工业 4.0 发展的背景是廉价劳动力的红利不再存在,企业欲取得行业竞争优势和灵活性只能利用以自动化为核心的先进技术,成功过渡智能化生产模式。德国推出了工业 4.0 战略后引发了全球的呼应,包括中国制定的 " 中国制造 2025",日本工业价值链促进会,印度制造等等。

一些知名的企业已经开始应用工业 4.0 概念来提高过程自动化的效益,包括了 ABB、巴斯夫、拜耳、比尔芬格-博格、E+H、赢创、FESTO、科隆、朗盛、西门子、和弗劳恩霍夫化工技术研究所。

在 2015 年发布的那慕尔过程传感器 4.0 路线图描述了智能网络传感器作为工业 4.0 进程架构的基础部分,这些传感器将与控制系统和自动化系统进行通信,甚至可以直接与业务系统进行对话。

自动化厂商必需接受便携式应用

自动化行业面临着一个极具挑战性的问题,必需改变缺乏兼容多厂商的便携移动应用。如果只是开放自动化架构而没有开放的生态系统,便携式创新应用将被扼杀。

在过去的技术中,为特定控制器应用程序通常不能运行在另一个品牌的控制器,要使用只能花费时间重写程序。埃克森美孚首席工程师 DonBartusiak 指出,每一次从不同厂买一台电脑都要重写所有文件、电子表格和报告,在今天的工业环境里,非便携式应用意味着时间和资料的浪费。

IEC-61131-3 标准和 PLCopen 标准提供了两个基本框架的支持,多厂商的便携式应用。控制器之间的结构化文本程序的交换最新的方法是用 PLCopenXML 交换标准,进入 2018,新的挑战将让供应商采用这些交换标准。

厂商需要热情地接受这些标准,或者新的工业控制应用开放式架构的互换性和可重用性标准。这将填补传统的计算机行业解决方案的空白,传统的供应商已经展示和销售物联网软件产品。有一个这样的例子,基于 Node-Red 开源可视化编程已经被供应商用于数据采集和控制的一些平台,包括 RaspberryPi。

信息技术(IT)和运营技术(OT)融合

IT 和 OT 技术的逐步融合将不断增加,处理实时事务的业务系统正在发展,以满足实时同步制造业务的需求。一些创新的供应商已经提供了实现连接企业的愿景的产品方案。强大的自动化控制器通过 OPCUA Web 服务和其他物联网传输机制直接与企业业务系统对接,使生产环节成为业务信息的一部份。

一些行业标准将被应用,包括 OPCUA、B2MML、PLCopen、OPCUA 和数据库接口,在许多行业应用中实现这些功能只需要制造执行系统(MES)作出很小改变。

此外,还有今天的系统集成商推出的新品种。这些集成商通过知识、经验和技术,帮助企业汇聚 IT 和 OT,协助客户创建解决方案。通过定义业务挑战、风险评估,找出业务流程或技术能力差距。他们能够设计、测试和实施系统,以提供使用最新的 IT 和 OT 概念和技术的结果。

边缘自动化设备将蓬勃发展

如今,物联网我技术正在迅速崛起,包括高功率/低成本通信技术,使新的智能节点实现网络边缘操作,以提高制造性能和效率。这将是一个新的增长趋势。

例如,ABB 开发了一种紧凑型传感器,该传感器连接到低压异步电动机上,无需布线。智能传感器使用车载算法把电机的健康信息(通过智能手机和互联网)传输到一个安全的服务器,以部署其它智能服务。

还有,艾默生罗斯蒙特 708 无线声波变送器使用超声波声学事件检测,并通过精确的交流声水平和温度数据实现阀门的可视性。此外,监控传输设备的数据可以通过无线网络传输,实现事件状态和泄漏检测。

基于边缘/云的大数据分析

在广泛的物联网发展推动下,新一代云服务和工具来创建分析开始为自动化提供服务。过去,用于完成先进的过程控制(APC)、优化和预测分析的软件大部分难以实现并且很昂贵,但这种情况正在改变。在广泛的物联网应用驱动下,这些基于云的工具与集成设计环境平台正在逐步推出,为用户和行业专家创建和部署经济分析。

这些平台显着降低了实施成本,并有助于扩大应用分析的范围,非常类似于 Excel 电子表格授权用户更有效地使用计算机。除了提高效率和生产力,更多的分析可以更好地告知决策者,如何改善和完善制造工艺。这些新例子包括谷歌分析和测量协议、微软 Azure 和 AWS 物联网平台。

历史数据已经证明了他们的价值,在过程中的行业离散的应用程序,但最大的限制因素是初始成本和持续生命周期软件维护。然而,商业云服务的使用提供了一种经济手段,为许多公司利用历史数据和适用于适当的分析。一些主要厂家正在收集工厂数据,使用 OPC、OPCUA 和其他网关,并提供数据的标准云应用程序,如亚马逊 Web 服务(AWS)和微软 Azure 云服务,这种方法效率和灵活性更高。

智能传感器将无处不在

智能传感器和控制设备 " 即插即用 ",它使用嵌入式智能页不需要外部软件。采用 IO-Link 技术的智能传感器成本大幅下降,并在获得迅速采用。也有使用工业和相关协议的以太网传感器,使得自动化数据直接与业务系统通信。如今,已经可以看到那些通常在商业应用的蓝牙传感器也被用于工业。

E+H 公司去年推出的 fmr10 和 fmr20 雷达液位计,通过雷达传送来测量储罐液位,fmr10 有 4-20mA 输出,标配蓝牙配置。APP 软件 smartblue 应用程序运行在任何支持蓝牙的智能手机或平板电脑,通过 APP 实时查看测量数据。蓝牙无线连接还有密码保护功功能,防止不相关人员连接和执行不安全操作等风险。

无线网络将会更便宜

随着物联网的发展,将促使出现更低成本的无线传感器。目前,无线点安装尚处于起步阶段,这已经限制了部署的应用程序的数量。考虑到巨大的连接数量,未来无线网络将会越来越便宜。目前比较突出的工业无线标准有 ISA100.11,IEC62591(无线 HART)、IEC62601(在中国发展的 WIA-PA)、ZigBee 和 802.11。

协作机器人将变得更实惠

近年来,协作机器人取得了爆发式的发展,业内数据统计表明,协作机器人市场销售量正在快速增长。这些新推出的协作机器人具有轻巧、廉价的特点,结合了先进的视觉技术,为工作提供更多感知功能。目前,协作机器人平均价值已经大幅下降到 40000 美元以下,满足大规模应用的需求。近年来,全球机器人采用率正在加速上升,中国现在是世界上最大的机器人采购国。

随着这些自动化趋势的发展,用户和自动化供应商将面临着新的风险和机会。新技术的投入使用具有一定的风险,要花时间去实践和证明效果,这是一个过程也是一种挑战。其次,如果不采用新技术,有可能在未来的市场环境中输给那些使用了新技术而变得强大的对手们。企业要考虑未来是否能适应消费者需求变化,企业面临着挑战,技术趋势一时间很难确定什么是有价值的,应该什么时候投资。能够接受这些转变,企业才将能在未来超过他们的竞争者。

本文来源:2018年全球工业自动化行业十大趋势盘点

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作者:Mark Cantrell,ADI公司应用工程部

工作场所中的除颤器

这些除颤器实际上会提供语音和图形方式的指导,使得一个从来没有用过这种机器的用户能够正确地使用监护仪和导联开关。机器随后会做出判断,决定施加多少电能在病人身上,同时避免新手操作人员伤害到自己或痛苦的病人。当EMT到达现场后,就能接上除颤器并下载储存的数据,以便带回医院供医生查看分析。

医疗保健何去何从

这个故事说明了技术的成功之处,以及面临的挑战。医疗设备将不再限于临床应用,而是越来越多地走进人们的日常生活。这些设备包括:健康辅助装置(如手机中的卡路里计算器应用程序或跑步机上的心率监护仪)、维持生命的药物输液泵、长期生命体征监控记录、紧急治疗设备(如除颤器)。为了让医疗监护和用药走进家庭,这些设备将具备以下特性:

1. 便携:小巧且功耗低,甚至上了年纪的病人都不会认为它们是累赘。

2. 智能:利用提供的监护信息能够确认配置正确,可以完成目标任务,或者提醒立刻关注。

3. 安全:它们必须设计为具有等同于医院中使用的较老产品型号的安全性,同时又能够让人无需接受培训即可使用。

4. 连接:可轻松编程、更新和读出数据。这些设备必须能够与非医疗设备实现接口(如商用联网计算机),以便与远程医疗机构通信。

安全性

医疗保健设备的革新要求更加关注安全性,而且关注程度丝毫不亚于现在医院里使用的电子设备。安全性包括很多方面;设备必须能够自我诊断连接是否正确,以及病人状况如何。设备必须能够阻止使用不当或恶意篡改。出于隐私方面的要求,必须以安全的方式保存和传输病人资料。还要求具有电气安全性,因此与非医疗通信设备或其它家用电器连接时,高压或泄漏电流不会流入人体。电气安全性在很大程度上都通过隔离来保证。隔离阻断主电源或其它医疗设备(如除颤器等产生高电压的设备)到设备电源的电气路径。本文的其余部分将说明如何实现医疗设备连接的安全隔离,重点讨论那些用于非临床环境下的情况。在医疗应用中,病人特别容易受到电子设备的影响。在皮肤这一保护层之下的人体富含由血液和细胞质组成的盐水。盐水是良好的电导体,而皮肤在干燥的时候则是良好的绝缘体。试图监控人体内部情况的医疗设备,其大面积的电极和导电胶会降低皮肤阻抗。于是,这些电子设备的任何非预期信号容易产生电流,流经病人身体,破坏神经系统并影响心脏等器官的肌肉。设计具有电气安全性的电子设备时,这些重要的电气安全性要求便是IEC60601医疗安全标准中的一部分。甚至像运动器械上的心率仪等看上去非常普通的应用,也必须符合隔离规范,以保证安全性。那些性命攸关的设备则必须符合更严格的标准。

保护设备不受有害电源影响并控制接地

电子设备中最主要的非预期信号来源是电网。医疗应用必须能够阻隔50 Hz至60 Hz线路上的交流泄漏、雷击导致的瞬变、开关噪声以及线路故障条件。这一点并非仅针对医疗设备;但是医疗设备在这方面的要求更严格,并且泄漏水平取决于设备与病人相连的方式。

设备和病人之间的连接亦须隔离,以防病人使用多个医疗设备时,设备使用其它的连接作为另一条回路,导致意料外的电流走向。此外,如果病人能够接触连接了大楼安全接地的任意设备(如家用电器或金属床架),电流必须无法通过那条路径。针对病人的绝缘需要用到两个独立的绝缘系统,或经证明等同于两个系统的单一系统。这称为双重病人保护隔离,或简称2MOPP。

难点在于提供针对通信和家庭医疗设备电源的安全性。下面将重点讨论通信接口。

电子设备如何达到隔离要求

典型的家用医疗保健电子设备需要与其它医疗设备或现有的家用电子设施进行通信。它要能够符合隐私与安全要求,保证信息不被拦截或破坏。它应当符合IEC60601规范中的泄漏和安全要求。通常电气连接需要提供双重病人保护,具有4 kV额定耐受电压以及极低的容性泄漏和防除颤额定性能。

方法:满足电气安全性要求的方法有几种。

射频通信

第一种方法是通过射频链路(如低功耗蓝牙或ZigBee标准)通信,这样可完全避免电气连接。一款具有非导电性外壳的电池供电医疗设备即可满足所有的隔离要求。蓝牙的优势是大部分笔记本电脑和智能手机都提供这种功能,因此设备能够对接,实现数据记录或远程控制。ZigBee接口需要额外的接口硬件才能实现与非医疗联网设备的交互,如家用型笔记本电脑。这种方式非常适合数据速率较低并且不方便连接电线的监护仪。

射频通信的弊端是这种类型的链路容易受到射频源的干扰,并且容易遭受恶意篡改。由于信号在空中传播,医疗隐私法要求对数据进行加密以防数据拦截;这对于简单的设备而言将消耗大量的应用资源。建立这类连接还要求具备一定的知识,对于老年病人而言并不是很简单。虽然射频通信符合所有的安全规范,但它的稳定性使其不太适合性命攸关的应用。然而,无线技术具备的移动性使其成为未来的首选通信方式。

采用这种方式的应用包括内置监护仪的贴片,以及自动记录数据的血糖仪。这些设备不需要始终保持连接以确保用户的安全。

机械式联锁

有线接口最适合对数据完整性和稳定性有所要求的场合。

数据能够以高速度传输,并且几乎不存在误差,同时连接还能提供电源。常用的接口为USB、RS-232以及RS-485。有线接口足够稳定可靠,可用于数据记录、提供维持生命应用中的关键控制信息、以及设备的编程更新。USB是家用电子产品唯一的标准接口,如PC和手机。但这种接口必须符合IEC60601的严格隔离要求。普遍的做法是将设备设计为非隔离式接口仅在设备不与病人接触时才能使用。例如,USB端口可放置在盖板下,盖板可在设备工作时阻隔USB连接器。这类设计的优势是价格低,但缺点是不能实时监控,以及不适合那些无法轻易去除设备与病人之间连接的应用。因此,这种方式非常适合不需要持续连接病人的设备,但不太适用于像输液泵等这类进入病人体内且必须在临床环境下使用的设备。

而现场部署的除颤器则采用另一种方式的机械式联锁。这些设备可直接与其外壳联网,一旦除颤器被放置在壁式外壳中,它便联网并充电。设备会执行周期性自检、检查电池状况并通过网络汇报状态数据。使用除颤器时,必须将其从墙壁上取下来,这样会断开网络和电源。机械式联锁的最后一种类型是可移除存储器元件。与数码相机中的SD卡类似,数据写入存储卡,然后将存储卡取出放入另一个读卡器中。最后数据将被传送到需要的地方。这是最费力的方法,因为可能不会要求病人去做这些事情。

隔离接口

实现通信最可靠的方式是使用有线隔离接口。它具有有线接口的稳定性;还能通过内置的隔离式DC-DC转换器提供电源。它支持高速上传和下载,并且能在设备连接病人的同时使用。有线接口不需要对数据加密,降低了处理器开销。软件维护也能在设备工作的同时完成。该接口还可通过设置,在高数据速率下实现实时远程监控,比如病人需要进行常规随访时,医生可以远程获得ECG。这些接口的隔离传统上依赖光耦合器之类器件,存在速度限制且集成能力较差。在新型应用中,医用级数字隔离器正在取代光耦合器,不存在这些限制。

本文“机械式联锁”部分提到的通信接口可通过合适的数字隔离器实现隔离。多年以来,RS-232和RS-485一直是隔离式医疗通信的主要接口类型。它们兼容ADI的ADuM2201等产品,符合IEC60601标准中有关2MOPP医疗额定性能的规定。遗憾的是,这些接口并不为非医疗电子设备所采用。这使得USB成为使用最广泛的接口。ADI公司的ADuM4160现已实现USB隔离,同样具有2MOPP的防除颤保护功能。它可设计用于输液泵、除颤器、无创式血糖仪以及多种临床用病人监护仪。它可以直接与非医用级的PC对接,因此可以进行实时监控,同时其连接依然具有完整的防去颤能力,符合相关的泄漏规范。甚至在使用无线通信的系统中,亦提供了USB端口用于软件维护和电池充电等重要操作。由于总是存在需要连接USB的情况,因此出于安全考虑进行了端口隔离。有线接口的不足之处是移动性较差。

除颤器隔离

图1中的除颤器具有几个不同的接口,并使用了多种隔离技术,因此它是检查隔离式通信接口的极佳示例。设备必须使用ECG监控病人的心脏活动,以便决定是否进行除颤。ECG数据路径必须与除颤器的高压部分相隔离,以便在病人身上施加电击时不会熔断敏感的ECG电子器件。可通过隔离栅极驱动器和数字隔离器在内部实现隔离。设备还可集成以太网接口,当设备闲置在墙上时进行状态监控;以太网采用机械式联锁,因此当除颤器从墙上取下时便无法使用。类似地,电池充电系统也接在墙上并进行联锁。最后一个需要进行隔离的功能是通信端口,它允许下载ECG和除颤数据,供医生查看分析。该连接一般会隔离USB接口,因此无需将设备与病人断开即可获取数据。

典型急救除颤器

图1. 典型急救除颤器

结论

医疗监护仪和提供治疗的设备正在打破临床环境与提供医疗保健之间的必然关系。这些设备使生活质量大为提高,允许人们在家接受高质量的治疗和监护。完整的移动监护和治疗给药系统可实时分析人体需求并进行精确的实时给药。例如,胰岛素输液泵能模仿人体的胰岛素反应,针对非卧床病人实现更佳的疾病管理。通过新技术,还可让暂时无法到达医院或诊所的病人将他们的监控数据上传到几小时路程以外的医院。心脏监护仪可在病人出现症状之前检测到发病情况。

信息必须在医疗设备、医师以及设备维护公司之间实现双向传递。诸如剂量等工作参数必须传送给设备。设备的固件应当始终保持最新版本。使用多种方法保持电气安全性。本文中的所有方法针对高度安全可靠的家用或临床医疗保健设备均有效。可根据特定应用的相关需求做出选择。

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随着智慧城市快速发展的推进,对于经济的发展和演进也起到了重要的作用,近些年,数字经济的概念开始被更多的提及,对于智慧城市的发展来说,不单是改变了人们生产方式和生活方式,同时也在云计算、大数据等技术的促进下进一步加快了社会治理、城市供给等方面的发展。

当前国内智慧城市发展

我国的智慧城市发展近些年受到了国家政策层面的搭理支持,像广东、贵州、济南等城市相继在智慧城市发展问题上进行了大胆的尝试和探索,并且已经取得了前期的重大突破。

2013年,国家智慧城市试点名单的出炉,将国内大部分省份都覆盖,表明智慧城市建设开始推向全国。2014年,青海省也出台了相应的智慧城市发展战略纲要。国内各省、直辖市陆续都开启了智慧城市建设的步伐,主要围绕政务、交通、医疗、旅游、物流、教育等基础设施和基本公共服务体系的建设内容。到2015年年底,智慧城市建设的理念和方案在全国80%地级以上城市得到了落实,不少县级城市和部分乡镇也开始酝酿本地区的智慧城市规划与建设。

国内的智慧城市发展正在呈现以点带面的发展趋势,东部大城市经济基础较好,其功能、规模和结构具有更强的包容性和灵活性;能较早捕捉到智慧城市建设的相关理念与愿景,并能敏锐感知到智慧城市作为一种新型城市建设和治理模式对未来城市经济发展、社会转型所具有的深远意义。

智慧城市建设的目标是创造一个适宜乐居的城市生活环境。一个城市共同体是由不同的子共同体系统组成,各个子共同体的组成要素、结构不同,其各自的目标、诉求也不尽相同。规章制度为智慧城市建设的有效开展和持续推进提供了法理依据和制度保障。当前国内智慧城市建设主要涉及政务、金融、交通、医疗、教育、旅游、物流、社区治理等领域。

智慧城市所面临的“数字鸿沟”

当前智慧城市在不同发展水平的城市当中,由于基础设施建设水平参差不齐以及各地经济高低不一等问题的困扰,使得智慧城市很难在一些三四线城市当中拥有一个准确的定位和理解,导致最终的实施效果甚微,城乡间的差距也随之扩大。

智慧城市建设应包括项目规划、筹资、建设、运营、监控、评估、反馈等一系列流程。目前,国内智慧城市建设流程中环节的缺失主要涉及监控不到位、绩效评价指标不完善等问题。监控应贯穿智慧城市建设各领域的全部流程,涉及项目规划的民主科学性、筹资的合法透明性、建设过程的规范有序性、评估指标的统一合理性等。

在不同行业间,由于信息化水平的参差不齐,跨行业信息交流与共享也存在同样的问题。同时,由于社会结构与市场等要素的细分导致专门化程度过高,各领域、各行业相互独立,严重制约了信息资源的有效整合,很难形成合力构建一体化的服务平台建设。公共服务与公众诉求之间、单一企业与行业内部其他企业之间、同一个领域内各主体之间等均未形成有效的统一信息系统。

智慧城市建设是一项长久性的复杂系统工程,群体“数字鸿沟”影响着智慧城市建设的实践环节与价值目标。一方面,需要在一定的战略高度综合考虑和统筹规划智慧城市建设的宏观方向,结合各地区自身的经济文化水平、居民诉求、信息技术基础和人才储备情况,缩小区域、城乡间智慧城市建设的战略定位差距;同时各地区也要着眼实际,积极开发一些适用于老年人、低受教育程度群体、残障人士等群体的智能型产品与服务,关注和保障弱势群体的诉求和利益。

对于智慧城市的长远发展来看,鼓励企业、技术人才、城市居民等多元利益相关者参与到智慧城市的建设过程中,加快和提高信息技术的自主研发能力和水平,通过依托技术创新培育新兴产业和中小企业,发挥企业对新兴技术和市场需求敏锐感知的独特优势,建设网格化的筹资渠道,为智慧城市建设提供经济和技术基础。

智慧城市建设的源泉与活力来源于完善的市场经济运行机制,而发挥资源配置的决定性作用是要创造健康良好的市场运行环境.

本文来源:深度解析智慧城市如何依托数字经济

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