Richard Soley 博士是工業互聯網聯盟(IIC)的執行董事，他說，“正如任何新技術或管理手段來臨一樣，選擇一個需要處理問題更少的方式，并邀請合適的專業人士來解決問題是十分重要的。不要忽視那些將最終用戶、供應商和研究人員聚在一起的組織，這樣的地方可以提供可靠的經驗和良好的建議!”
與自動化組件配套的分布式智能設備通過使用數據而不是依賴“云”來提升工藝水平，包括調整生產量、更加有效的使用能源等。
一、將真實的加工制造連接到工業4.0
如果使用了工業4.0技術，一個新的加工制造生產線可以實現多達25種的產品變化，同時將產量提高10%，庫存減少30%。工業4.0架構的應用讓制造商在生產過程中可以獲得更豐厚的投資回報率。
工業4.0是一場工業的革命，目的是將信息技術(IT)的虛擬世界、機器的物理世界以及互聯網合為一體。其中心是將具有IT功能的所有工業領域都整合起來。這些科技提高了靈活度和速度，能夠使產品更具有個性化，生產更高效且規模可擴展，以及在生產控制方面具有更高的可變性。機器與機器之間的通訊和先進的機器智能化，提高了工藝的自動化水平，并帶來了更多的自我監控以及實時數據。開放的基于Web的平臺會增加制造企業的競爭力。
關于IIoT的5個注意事項
博世力士樂公司電氣傳動和控制部門的產品經理Allen Tubbs說道，工業物聯網(IIoT)設備要想創建工業4.0生產制造環境需要注意以下5個方面。
在工業4.0中，對機器工具或一組機器的操作，應該允許使用諸如智能手機或平板電腦這樣的智能設備進行簡單的連接。圖片來源：博世力士樂
1.分布式智能
這里說的分布式智能是指在智能傳動和控制技術網絡的機器設備中，加入盡可能多的智能和控制功能、或者單獨的傳動軸，而不是從一個中央處理單元(CPU)來處理所有的動作。
擁有機器層面的過程數據并決定用它做什么，反映出了人們相信一臺機器可以經過裝備使用過程數據做一些事情并且獨自改善工藝流程，諸如實現調整產量、更加有效率的利用能源等目標，而不是依賴“云”來處理所有這些任務。
聯網的機器可以與更高的生產線級別、工廠級別以及企業級別的網絡進行通訊，從而能夠實現對特定事件或特定產品的實時調節。集成了傳動的伺服馬達和無機柜傳動系統將傳動組件和運動邏輯順序放到了單獨的軸向上。
2.快速連接
那些允許數據在整個企業架構中自由流動的系統，往往需要持續的投資和改進。一家工業4.0工廠車間所產生的大數據和信息流，可能會讓公司的網絡不堪重負。我們該如何改進自動化系統中的硬件和軟件的功能，使這種設計流程更簡單、花費更少的時間以及更加開放?通訊路徑隨著其創建和實施而變得更加流暢。在決定應該使用現場總線的什么功能時，應該看一下生產平臺是否支持例如OPC UA(來自于OPC基金會)這樣的標準。消除不同供應商系統的障礙，而且對通訊和控制平臺采取一種更加開放的方式很重要。
3.開放標準和系統
重點是要思考系統到底“開放”到什么程度，是否支持新興的通訊協議和軟件標準，以及開放的獨立組件如何讓工業4.0成為現實。
開放標準允許基于軟件的解決方案可以更加靈活地集成，并有可能將新的技術移植進現有的自動化架構中。開放的控制和工程軟件也沿著這個方向將自動化和IT軟件程序之間的間隙彌合。一個開放的控制器核心能夠使用常用的高級IT語言(例如Java和C++)來創建自動化應用程序。
一臺機器的操作應該支持與智能手機或平板電腦進行簡單的連接。軟件可以借助控制器與3D模型軟件的連接來加快自動化系統的設計和調試。一個運動控制器可以與模型之間發送指令以及接收反饋，使得機器的功能性在機械設計階段通過運動控制就得到優化。這也讓機器測試和編程可以在調試之前進行。在部件訂貨、組裝機器之前，虛擬機器可以用來進行測試并完善設計。
4.實時數據整合
在工業4.0的工廠里，可能利用實時的機器和工廠性能數據來改變自動化系統和生產工藝的管理方式。不用捕捉并分析數月以來有價值的關于生產率、機器停機時間或者能源消耗的數據，支持工業4.0的平臺能夠將數據整合到常規的工廠管理報告之中。這會讓制造商和機器具備詳細的信息來執行快速的工藝和生產變更，以實現產品滿足特定客戶需求的愿景。
5.自適應性
現實世界中的主動性可以讓生產更加連貫并以需求為導向。科技幫助生產線變得主動。目標就是讓工作站和模塊可以適應個性化的客戶或產品需求。
在一個制造液壓閥的工廠里，一套新的自適應組裝生產線在每一件被加工件上都使用射頻識別芯片。生產線上的9個智能站會識別出最終產品是如何被裝配的，以及哪些工具設置和操作步驟是必須的。每個相關加工件都帶有藍牙標簽，會自動將信息傳送給裝配站。裝配步驟信息會根據不同的產品以及相關加工件的技術水平不同而顯示出來。該生產線可以生產一批相同尺寸的液壓閥，也可以不需要人工干預就能生產25種不同產品型號。不再需要設定時間或者多余的庫存。這使得生產線的產量增加了10%，庫存減少了30%。
二、讓工業4.0和IIoT在智能工廠里運行
工業4.0和工業物聯網(IIoT)能夠為設備(從傳感器到大規模控制系統)、數據和分析之間提供更好的連接性，Beckhoff自動化的TwinCAT產品專家Daymon Thompson這樣認為。傳感器和系統需要網絡連接來共享數據，分析有助于做出更明智的決策。
物聯網主要包括4個基本元素：實體的設備、與設備之間的雙向連接、數據以及分析。設備可以是小到一個傳感器大到一個大規模控制系統中的任何一種。傳感器和系統需要與更大的網絡進行連接，以共享由傳感器或系統產生的數據。對此數據進行的分析會產生可執行的信息，其結果是讓人們做出精明的決策。
在IIoT的實際應用中， 企業通過將設備或資產連接到云或者本地信息技術(IT)設施上來進行數據的采集和傳送。然后對采集到的數據進行分析，可以發現設備或資產更多的潛在信息，防患于未然。
例如 ，監控機械組件運行溫度的傳感器可以追蹤任何異常狀況或者偏離底線的情況。這使公司可以主動地處理不希望發生的行為，從而在可能造成有害危險的系統故障加劇之前進行預測性維護，否則這些系統故障可能會導致工廠停機以及生產收益損失。這種類型的信息有助于企業新產品的設計、系統性能效率的提高以及實現利潤的最大化。
工業4.0讓加工制造更靈活
在一個生產制造流程，甚至是整個供應鏈中，通過連接性推動更多的新發現和系統優化，這是工業4.0的核心概念之一，這種科技進步也被稱為第四次工業革命。
工業4.0工作組成員、德國國家科學與工程院Acatech，將18世紀蒸汽機的發明和廣泛使用定義為第一次工業革命。第二次革命是20世紀早期在裝配線上使用傳送帶。第三次革命是在20世紀中葉開發出來的微電子學、PC和可編程邏輯控制器(PLC)。第四次革命是將PC和機器連接到互聯網，并啟用信息物理系統(CPS)。
工業4.0要求傳統的生產制造工業實現計算機化。使用物聯網和信息物理系統的概念會幫助實現“智能工廠”的目標，使生產制造具有前所未有的靈活性和非常高的精益生產效率。在生產制造中，一個顯著的特點是重點關注的領域從產品本身擴展到了生產這些產品的工藝上。
制造商需要靈活的生產線來適應快速變化的客戶需求。靈活的機器運行能夠生產很多類型的產品，通過調整批量大小來獲得更高的生產利潤，這使得同一個生產線可以運行更復雜的混合產品以適應客戶不斷變化的需求。
德國廚具制造商Nobilia使用基于PC的控制來支持“批量為1”的自動化生產，在其智能工廠里使用工業4.0的概念，使得該公司每天能夠生產超過2500套定制化的廚房。圖片來源：Beckhoff自動化
從大數據到工業4.0的實施
今天，自動化技術和信息技術可以在同一款軟件上實現，使得機器控制編程可以有多種語言，有助于提供更大范圍的工程工具來完成必要的任務。協議的選擇應該考慮到控制平臺 ，尤其是在工業4.0的連接性。許多傳統的PLC提供現場總線，考慮到與傳感器、伺服系統、以及其他運動控制硬件之間的確定性通訊，機器需要更快的、更靈活的通訊協議，例如EtherCAT。
實現這一層面上連接性的關鍵部分在于一個安全的、容易配置的協議，能夠安全地向企業或云、以及向其他機器發送數據。來自于服務工業環境OPC基金會的OPC統一架構(UA)協議，提供了集成的安全功能、數據加密以及先進的信息建模。
工業4.0正在今天發生。德國一家廚具制造商Nobilia公司已經開始將工業4.0的理念運用到實際生產中，基于PC控制的成功集成為需要高度連接性的智能工廠提供了支持。該公司每天生產超過2500套整體廚房，并且每套櫥柜都是按照每個客戶的特定外觀要求而生產的。“批量為1”的自動化生產需要一個高度靈活的系統，而這通過工業4.0 概念的實施得以實現。
當一個訂單到了工廠里，系統會決定必須用到的材料，完成組件需要的機器，計算如何在工廠里最好地完成個性化的訂單，以及高效地打造個性化的櫥柜。這個例子說明了智能工廠的獨特魅力——高效生產和出眾的靈活性、很少需要工廠人員的干預。
關于智能工廠的3個思考
在決定實施工業4.0之前，要對智能工廠提出的3個問題是：
1.你是否想要自動完成快速的產品轉換，以及對市場需求的響應更好?
2.你是否想通過識別出可以進行持續改進的區域來提升你的設備綜合效率(OEE)以及生產總產量?
3.你是否想要根除浪費，例如能源、原材料和閑置時間?
在確定和完善真實世界里智能工廠的目標之后，采用基于PC控制的硬件和軟件有助于幫助你早日成功。
三、為什么要部署工業物聯網?
一家煉油廠在其用于監控閥門的工業物聯網(IIoT)中使用無線聲學變送器來提高對法規的遵守，并通過及時的檢測和維修故障閥門，使得每年減少了3百萬美元的損失，據艾默生過程管理的無線業務副總裁Bob Karschnia說，項目在5個月之內就收回了成本。
IIoT因為在工業世界里普遍使用了聯網的傳感器而比商業的物聯網(IoT)更加先進，這些傳感器就是物聯網里面的“物”。數以億計的聯網的有線及無線壓力、液位、流量、溫度、震動、聲波、位置、分析儀表以及其他傳感器被用于工業領域，而且每年以數百萬臺的速度增加，為工廠提供了更多的監控、分析和優化。
連接到更高級別的軟件平臺上的傳感器，有現場的，也有非現場的。現場的連接一般是通過本地內部網創建了一個IIoT。互聯網一般用于進行非現場連接，通過基于云技術的存儲。更高級別的軟件從事控制和監控、資產管理以及特定的數據分析。在遠程數據分析中心，專家通過對大數據進行分析來尋找問題和解決方案。
IIoT通過將傳感器連接到分析和其他系統中，來自動提高性能、安全性、可靠性和能源效率，具體方式為：
1.從傳感器上采集數據比以往經濟有效得多，因為傳感器很多都是電池供電和無線通訊的。
2.使用大數據分析和其他技術將這些數據翻譯成可以理解的信息。
3.將這些可操作的信息在正確的時間呈獻給正確的人員，要么是工廠人員，要么是遠程專家。
4.如果工作人員采取了正確的操作，將帶來性能上的提升。
在密西西比州維克斯堡的Ergon煉油廠里應用了IIoT技術，連接了震動、聲波、液位和位置等傳感器的設施通過一個有線的現場總線網絡(基金會現場總線)和一個無線網絡(WirelessHART)連接到一套資產管理系統。無線網絡通過由無線儀表和接入點組成的無線Mesh網絡將儀表與工廠控制和監控系統連接起來。
傳感器數據被發送給具有為閥門和智能儀表進行特定數據分析應用功能的資產管理軟件。通過軟件分析傳感器數據并將其轉換為可操作的信息。控制室內的操作員在人機界面(HMI)上瀏覽這些信息，移動的工人們可以通過連接到全廠WiFi網絡上的手持式工業PC瀏覽信息。資本支出減少了。無線方式消減了傳感器安裝成本，增加了產量和經營收益，并通過無線儲罐監控降低了成本。
資產管理軟件和報警管理軟件可以進行持續的調整并消減調試成本。在難以到達的位置安裝自動震動監測(之前是人工巡檢)，提高了安全水平，通過無線蒸汽疏水閥的檢測，節省了能耗。 Ergon工廠的無線架構(用于數據采集、分析和發布)使得添加無線傳感器和任何改進都變得很容易。
另一個使用IIoT的案例是在一家煉油廠里使用無線聲波變送器，通過及時的檢測和維修故障的閥門，提高了合規性，并且將碳氫化合物的損失減少了300萬美元。該項目在5個月內就收回了成本;按照使用超過20年計算，估計每年的投資回報率為271%。
今天IIoT就在我們身邊。低成本的無線傳感器和自帶的分析功能可以極大地提高工廠的績效和投資回報率，并增加安全性。
四、基于平臺的工具克服了IIoT的復雜性
更加智能的基于平臺的方式可以解決工業物聯網(IIoT)在啟用時給系統帶來的復雜性挑戰，美國國家儀器NI公司的市場部副總裁Ray Almgren解釋道，IIoT系統的特點是自適應、規模可擴展、安全以及連續改進和維護。
這個世界很久以來都是由要么聯網的要么智能的設備所構成，而非兩者兼備。聯網的系統例如電話線和電燈開關，它們可以傳送信息，可是幾乎沒有任何智能。智能系統例如引擎控制單元和溫控裝置在車上具有智能處理能力，可是無法與閉合回路以外進行通訊。現在，人們使用將這兩個概念聯姻的系統和設備，就變成了物聯網(IoT)里面的既智能又聯網了：傳統意義上不相干的兩個系統發生了碰撞。
特別是在工業和消費者領域里，這種連接性增加了對傳統設計和制造測試系統的需求量。曾經一度流行的諸如固定功能、黑盒子儀表和交鑰匙數據記錄軟件，已經不能滿足現代企業需要的各種標準、協議和功能性方面要求。這些系統要求軟件滿足例如在節點上配置原型、靈活性以及決策制定這些關鍵需求。今天，在建立一套系統的時候，使用一個基于平臺的方式作為基礎，能夠適應甚至預測變化的系統需求。一套基于平臺的方式可以讓公司和制造商在IIoT的時代里加快生產、創新和探索。
聯網的IIoT系統需要靈活性來演進和適應。開發和部署IIoT系統意味著會有數十年的大規模投資。滿足未來需求的唯一方法是部署一個足夠靈活的、能夠演變和適應的系統網絡。
基于平臺的方式提供了一種靈活的硬件架構，可以部署在許多不同的應用場合中，消除了硬件的復雜性，并讓每一個新的問題基本上都成為軟件方面的挑戰。系統設計師選擇的平臺應該基于一個對信息技術(IT)友好的操作系統(OS)，這樣它們可以安全地進行供給和配置，進而來正確地認證和授權用戶維護系統的整體性，并讓系統最大程度地可用。
為了適應不斷變化的需求，IIoT的設備需要一個開放的、集成硬件和軟件的平臺以及一個能夠兼容新技術的實時網絡。智能的自動測試設備使測試工程師能夠預測，通過一個基于模塊化硬件和可擴展軟件的開放式平臺，將技術的進步整合到測試系統。
一種基于平臺的方式在消費者IoT上幫助用戶減少了上市的時間和成本。被稱為第五代或者5G的網絡可以改變生活并且釋放巨大的經濟上的機會;5G的研究人員需要采取一種基于平臺的方式快速設計，更快推出原型概念，加快進入市場，并且部署和釋放IoT的潛能。
集成的硬件和軟件將幫助制造商推進IoT的發展。世界范圍內的制造商都在積極投身于創造智能的小工具、機器人、無人機以及可穿戴設備。創新不再是數百萬美元級別企業的壟斷。 取而代之的是在自家車庫和與伙伴合作的工作場所打拼的制造者們。它們在網絡上分享發明來激發其他制造者的創新。
無線連接和云計算的普及也進一步助推了IIoT的發展。在這個互聯的世界，為現有和新的設備提供了更多的功能性和洞察力。集成的硬件和軟件平臺會讓制造者在促進IIoT發展的方向上繼續前進，就像移動應用的開放平臺推動了新的智能手機經濟的繁榮一樣。
越來越多的公司和制造者正在采用一種更加智能的、基于平臺的方式來解決IIoT帶來的復雜性挑戰。最終，這會讓具有自適應、規模可擴展、安全以及持續改進和維護的IIoT系統成為可能。
五、基于數據的工業物聯網
如果沒有數據，就沒有大數據、云和分析功能，也沒有區別于物聯網(IoT)的工業物聯網(IIoT);PI北美組織的副總監Carl Henning說，IIoT中的“物”造就了IoT中的“物”。IIoT需要開放的標準，以太網和軟件標準可以為控制和制定決策所需要的信息提供數據。
每個人看起來都對IIoT的云和分析功能感到興奮，可是如果沒有數據，就不會有云或分析功能。是誰把“工業”這個詞放在了“物聯網”的前面?事實上，Henning認為，IIoT不是IoT的一個子集，兩者的“物”有太多不同，就像兩種方式之間的許多方面一樣。物聯網中的“物”是面包機、咖啡機和冰箱;IIoT中的“物”是可編程邏輯控制器(PLC)、輸入/輸出(I/O)模塊、傳動和視覺系統。
或許IIoT應該被稱為工業數據互聯網。IIoT的數據來自于：開關和按鈕、傳感器和執行機構、以及傳動和視覺系統。IIoT的應用擴展到了控制器(例如PLC)、分布式控制系統(DCS)、以及可編程自動化控制器(PAC)。將來自于不同設備的數據整合起來創建行動。從這一點上，數據被轉變為信息，通過OPC統一結構(UA)用來與人機界面(HMI)、數據歷史站以及分析程序包進行通訊。
工業物聯網并不與物聯網重疊，也不是物聯網的子集，工業物聯網中的“物”與物聯網中的“物”并不相同。圖片來源：PI美國組織
根據CONTROL ENGINEERING的一項最新研究顯示，大多數用戶覺得互操作性和開放標準是IIoT最重要的特性。當被問到工業4.0(IIoT是其中一部分)時，大多數人認為最有用的特性是實時功能。
工業4.0小組很看好Profinet和OPC UA， 視其為合適的開放標準，將OPC UA稱為一個“工業4.0的推薦標準”。
Profinet 是一種開放標準的、實時的、周期時間最短達到31.25微妙的確定性以太網。開放標準在以太網之下擴展到了現有的現場總線，例如Profibus和DeviceNet。不是所有的設備都具有RJ45連接頭。在簡單的開關和執行機構上加入以太網太昂貴了，而且有數億個這樣的設備已經被安裝。拆除并更換對于大多數開關和執行機構來說都不可行。Profinet標準能夠兼容非以太網設備。
六、優化布線是提升工業物聯網性能的基石
通過將信息、自動化、以及運行在工業物聯網上的生產系統之間不斷融合，物聯網正在積極地影響著未來的工業自動化，Softing 有限公司市場部副總裁Mark Knebusch指出。隨著以太網速度越來越快，電纜系統的集成更加重要，而電纜的認證有助于提升工業網絡的性能。
隨著工業物聯網的不斷發展，將會有越來越多的工業自動化設備連接到網絡中。預計未來10年會有超過600億臺設備連接到物聯網，工業以太網的重要性變得更加明顯。
對于工廠的專業人士來說，持續不斷的信息、自動化和生產技術的匯聚最終會帶來更加有效率的通訊，這會減少人工成本并提高供應鏈的管理水平。隨著工業對物聯網概念的接納，運行速度更快的機器對于更多帶寬的需求是必然的。
擁有各種工業協議的以太網媒介將是未來工業物聯網的主要形式。為了適應IIoT的需要，越來越多的工廠管理者們用以太網全面取代了現場總線。隨著更多的設備聯網、更多的信息被傳送，對網絡電纜將提出更高的要求，因為如果調試被延遲或數據傳輸不可靠，會產生更嚴重的不利影響。
電纜標準
管理電纜標準的主要組織包括電信產業協會(TIA)、國際標準化組織(ISO)、以及國際電工技術委員會(IEC)，每一家都致力于實現更快的速度。
不斷提高的網絡頻率意味著阻抗、串擾、以及其他更加關鍵的參數。在選擇供應商和電纜安裝工人的時候需要更多的關注。
TIA 568布線標準的演化反應了網速的提升需求。Cat-5e的電纜(100MHz)是常見的，Cat-6(250MHz)和Cat-6A(500MHz)正越來越多的被用于工業應用場合。將被廣泛用于數據中心應用場合的Cat-8的電纜(2000MHz) 目前正在起草中，預計最終會成為一個新標準。
增加的網絡需求
確保電纜系統能夠勝任在工廠自動化架構內所有設備和控制系統的集成和運行，對于提升業績來說是最重要的。借鑒商業電纜安裝工人的經驗，工業應用在連接更多設備時可以減少一些問題。在IIoT導致的更重的網絡負荷和壓力前，建議對所有電纜進行認證。認證一種電纜需要先進的適應快速變化的標準測試儀。每一項測試可以采集將近20萬個測量數據，包括阻抗、串擾、回波損耗以及傳播延遲。
IoT正在影響未來的工業自動化。隨著以太網速度的提高，電纜系統變得更加重要。經過認證的電纜可以幫助IIoT實現更有效的優化。
