工业物联网的定义、架构、优势和示例
工业物联网允许企业创建端到端连接的环境，涵盖集装箱和卡车等物理基础设施。
•工业物联网(IIoT)被定义为一组工具和应用程序，允许大公司创建从核心到边缘的端到端连接环境。
•它还包括传统的物理基础设施，如集装箱和物流卡车，以收集数据，对事件做出反应，并在智能设备的帮助下做出更明智的决策。
•本文解释了工业物联网架构及其优势。
工业物联网是什么?
工业物联网(IIoT)是一套工具和应用程序，允许大公司创建从核心到边缘的端到端连接环境。它还包括传统的物理基础设施，如集装箱和物流卡车，以收集数据，对事件做出反应，并在智能设备的帮助下做出更明智的决策。
它是物联网(IoT)的扩展，在消费领域有许多应用。物联网用例包括，例如，使用Alexa语音识别功能的亚马逊Echo等智能家居设备远程关灯。
在工业操作中，该技术在基础设施复杂、设备大型的环境中得到了大规模的商业应用。相比之下，工业物联网可以远程管理整个工厂的供暖、通风和空调(HVAC)系统。这只是一个简化和改进企业运营管理的工业物联网用例。
工业物联网是如何工作的?
工业物联网是物联网的一个子类，企业正在重新定义如何连接、监控、分析工业数据并对其采取行动，以降低成本并促进增长。
通用电气是工业物联网联盟的五家创始人之一，被认为是创造了“工业互联网”一词。
工业物联网背后的理念是利用工业设施中“哑巴设备”多年来产生的数据。装配线上的智能机器不仅在捕获和分析数据方面更快，而且在交流重要信息方面也更快，这有助于做出更快、更精确的业务决策。
信息技术(IT)和运营技术(OT)的融合推动了工业物联网的发展。它是一个连接设备和设备的网络矩阵，通过传感器技术收集数据，分析数据，并将其直接集成到作为服务的平台中。工业物联网将预示着工业用例的新时代，有许多经济扩张的机会。
工业物联网从工厂车间收集大量现场数据，通过连接节点传输，在服务器上进行分析，并在云平台上将信息转换为可操作的见解。这鼓励企业为他们的特定市场和目标受众做出更好的决策。换句话说，工业物联网是一个将执行器、传感器、控制器、连接交换机、网关和工业个人计算机(IPC)等边缘设备连接到云端的系统。
工业4.0和工业物联网:它们有什么关联?
工业4.0是第四次工业革命的产物。第四次工业革命的定义是传统的自动化制造与由智能技术和自主通信设备驱动的工业流程的集成。
“工业4.0”一词，简称为I4.0或I4，出现于2011年，是德国政府在过去20年里大力倡导工业流程数字化的一项倡议。
正如波士顿咨询集团所述，工业物联网是工业4.0的主要支柱，其他还有增材制造或3D打印、增强现实(AR)、自主机器人、大数据分析、云计算、网络安全、水平和垂直系统集成以及模拟。这是因为机器之间的自主通信和分散的数字环境能够自动解决以前需要人工干预的问题。
工业4.0在更广泛的范围内涵盖了工业物联网、数字化和企业可持续发展。工业物联网是工业4.0背后的驱动力，没有它就不会有工业4.0。换句话说，工业物联网仅限于数据检测、数据传输、数据计算、数据处理和特定领域的智能应用。
工业物联网架构
典型的工业物联网体系结构或工业物联网架构描述了数字系统的排列，使它们共同提供传感器、物联网设备、数据存储和其他层之间的网络和数据连接。因此，工业物联网架构必须具备以下几点:
工业物联网架构组件
（1）网络边缘的物联网设备
这些是位于物联网生态系统边缘的网络对象的分组。它们位于尽可能靠近数据源的位置。这些通常是工业环境中的无线执行器和传感器。一个处理单元或小型计算设备和一个观测端点集合。边缘物联网设备可能包括棕地环境中的传统设备、摄像头、麦克风、传感器以及其他仪表和监视器。
在网络最偏远的边缘会发生什么?传感器从周围环境和它们所监测的物品中获取数据。然后，他们将信息转换为物联网平台可以分析的指标和数字，并将其转换为可操作的见解。执行器控制所观察环境中发生的过程。它们修改产生数据的物理环境。
（2）边缘数据管理和初始处理
没有高质量、海量的数据，复杂的分析和人工智能就无法充分发挥其潜力。即使在传感器级别，数据处理也是可能的，如果您需要立即获得信息，这是必要的。
在这方面，边缘计算提供了最快的答案，因为数据是在网络的边缘，在传感器本身进行预处理的。在这里，您可以对您的数字和聚合数据进行分析。一旦收集了相关的见解，就可以进入下一个阶段，而不是发送所有收集到的信息。这种额外的处理减少了发送到数据中心或云的数据量。
（3）用于高级处理的云
边缘设备的预处理能力受到限制。虽然您应该努力尽可能地接近边缘，以限制本地计算能力的消耗，但用户将需要利用云来进行更深入和彻底的处理。
在这一点上，企业必须选择是优先考虑边缘设备的敏捷性和即时性，还是优先考虑云计算的高级见解。基于云的解决方案可以执行大量的处理。在这里，可以聚合来自不同来源的数据，并提供在边缘无法获得的见解。
在工业物联网架构的背景下，云计算将具有:
•集线器:除了遥测和设备控制外，还提供与现场系统的安全链接。如果需要，该中心可以跨多个位置提供与内部系统的远程连接。它维护通信的所有元素，例如连接管理、安全通信通道以及设备验证和授权。
•存储:用于存储处理前后的信息。
•分析:它有助于数据处理和分析。
•用户界面:它为将分析结果传递给最终用户提供了可视化，通常通过Web浏览器界面，也通过电子邮件、短信和/或电话提醒。
（4）互联网网关
在这里，传感器数据被收集并转化为数字通道，以便在互联网网关进行进一步处理。在获得聚合和数字化的数据后，网关将其通过互联网传输，以便在上传到云端之前可以对其进行进一步处理。网关仍然是边缘数据收集系统的一部分。它们与执行器和传感器相邻，并在边缘执行初步数据处理。
网关可以作为硬件或软件部署:
•硬件:硬件网关是自主设备。为下游传感器连接提供了基于有线(模拟和数字)和无线接口。它们还提供互联网连接，无论是本地的还是通过到路由器的标准链接。
•软件:在个人电脑上，可能会安装软件网关，而不是连接硬件网关。软件在后台或前台运行，并提供上游和下游通信链路作为硬件入口点，PC机提供物理接口。基于软件的网关可以通过用户界面访问可视化传感器设置和传感器数据表示。
（5）连接的协议
跨工业物联网系统传输数据需要协议。这些协议最好是符合行业标准、定义良好且安全的。协议规范可以包含连接和布线的物理属性、建立通信信道的程序以及通过该信道发送的数据的格式。
工业物联网架构中使用的一些常见协议包括:
•高级消息队列协议(AMQP):这是一种连接引导、双向、多路复用、紧凑的数据编码消息传输协议。与HTTP不同，AMQP是为面向iiot的云连接而构建的。
•MQ遥测传输(MQTT):这是一个紧凑的客户端-服务器消息传输协议。MQTT因其短消息帧大小和最小的代码空间而有利于IIoT设备。
•约束应用协议(CoAP):这是一种数据报主导的协议，可以通过传输层部署，包括用户数据报协议(UDP)。CoAP是针对IIoT需求开发的HTTP的压缩版本。
（6）工业物联网平台
工业物联网系统现在能够协调、监控和控制整个价值链的操作。这些平台控制设备数据，并管理边缘设备的分析、数据可视化和人工智能(AI)任务，在某些情况下，还可以将传感器直接传输到云中并返回。
工业互联网参考架构(IIRA)可以作为工业物联网领域开发复杂系统的参考。一般来说，IIRA的框架提倡企业使用系统的方法设计框架，其中包括反馈和迭代。此外，该报告建议为特定的商业部门定制工业物联网设计，如能源、医疗保健、交通和政府使用。
工业物联网的好处
工业物联网具有以下优势:
（1）提高效率
工业物联网最大的好处是它能够帮助企业实现自动化，从而最大限度地提高运营效率。此外，物理设备可以通过传感器与软件解决方案相连接，从而持续监测性能。这使企业能够更好地了解特定设备和整个车队的运行效率。此外，工业物联网实现了数据驱动的决策和所有生产流程的远程监控。
（2）增加生产
通过提高设备使用率，具有物联网制造流程的组织可能会提高他们的生产力。如前所述，网络设备提供持续的数据流，提供对设备运行的洞察。这使您能够提高设备的总效率，最大限度地提高机器在运行时间内的性能。此外，使用工业物联网设备提高了人力资本的利用率。智能设备可以被用来执行低级、重复和危险的活动，从而将员工解放出来从事其他更具有战略意义的生产相关工作。
（3）减少了错误的发生
工业物联网的使用迫使企业自动化生产操作。从工业操作中消除人为因素可以消除导致有缺陷的产品退出装配线的低效率。随着质量缺陷的减少，由于客户满意度和品牌认知度的提高，公司的盈利能力也有所提高。
（4）预测维护需求
预测性维护是一种通过分析生产数据来发现模式和预测即将发生的问题来避免资产故障的策略。
将工业物联网传感器集成到工业设备中，可以实现基于状态的管理通知。这些传感器记录工作区域的温度、湿度和其他环境变量，以及材料的组成和运输因素已经或可能对运输的影响。所有这些数据对于预测性维护都很有用。因此，企业可以避免资产故障，减少费用，并最大限度地减少机器停机时间。
（5）确保工人安全
智能制造实现了更高的安全性，所有工业物联网传感器协作监控员工和工作场所的安全。综合安全系统可以保护工作楼层、生产线和人员。一旦发生事故，可以通知整个设施，活动可以停止，高级管理人员可以调解解决情况。这一事件也可能产生有用的信息，可用于避免今后再次发生此类事件。
（6）节约能源成本
工业生产是全球电力供应的主要来源，这不利于可持续发展和整体底线。使用传感器和小工具持续监控您的系统可能会发现导致浪费的低效。这不仅包括监控您的设备，还包括您的综合业务，如调节设备的温度、用水、湿度和照明。此外，随着物联网技术的进步，传感器消耗的能源更少，这对你的底线是一个福音。
（7）改善现场服务和客户体验
工业物联网可以帮助改善现场服务的交付。它由时间、上下文和技术人员参与特定服务操作等方面决定。工业物联网还允许实时数据可见性。这意味着原始设备制造商(OEM)、最终消费者和任何其他相关方都被告知出现的风险和困难，从而产生积极的体验。
工业物联网的例子
从零售业到制造业，大多数著名的行业和公司都以某种方式使用了工业物联网。以下是一些显著的工业物联网例子，这些例子已经带来了积极的商业成果:
（1）百事公司使用工业物联网进行资产跟踪
运输、车队和包装中的嵌入式工业物联网组件可能有助于从头到尾跟踪库存。它还应通过跟踪库存水平来维持供需平衡。百事公司就是利用这种工业物联网用例的一个例子。它采用了大量的技术来适应市场需求，管理库存系统的可见性，并自动调整补充规则。
（2）宝马使用工业物联网创建其产品的数字双胞胎
数字双胞胎是一种工业物联网应用，其中使用复杂的传感器集合来构建产品或生产环境的精确模拟，直至最后的细节和物理特征。宝马采用工业物联网、人工智能(AI)和沉浸式技术来构建工厂整个生产流程的数字副本。这使得组织能够在现实环境中开发、评估和优化产品，而不会产生相关的费用或风险。
（3）L&T使用工业物联网进行远程监控并节省成本
能源和公用事业部门使用大型运营基础设施，有时处于不适合人工操作的危险条件下。在这些情况下，工业物联网设备可以在没有操作员在场的情况下收集和传输关键的操作数据。例如，Larsen&Toubro(L&T)正在印度古吉拉特邦部署一个远程监控的绿色氢气站。使用工业物联网，L&T可以降低运营和能源费用，并获得对能源工厂功能的相关见解。
（4）一家爱尔兰酒厂使用工业物联网进行环境监测
食品和饮料行业在很大程度上依赖于在理想环境条件下生产和储存产品的能力。工业物联网系统可以监测环境变化，在产品退化发生之前警告楼层经理。生产酒精饮料的酿酒厂是工业物联网的理想例子，因为它们在微妙的环境条件下运行。蒸馏工厂供应商Frilli公司最近为一家爱尔兰饮料品牌部署了工业物联网技术，以提供自动化、效率和统一的工艺流程。
（5）空客利用博世工业物联网平台打造智能工厂
空客试图通过将工业物联网传感器集成到制造车间的机器和设备中，并为员工提供可穿戴设备(如工业智能眼镜)来消除故障。该过程中的一个错误可能会花费组织数百万美元来纠正。在与博世(Bosch)合作推出“未来工厂”后，空客正在利用数字智能优化运营并提高生产率。
结语
工业物联网现在是大公司的主要产品，也是微软和亚马逊网络服务(AWS)等主要云供应商提供的关键产品之一。工业物联网将高级数据分析和云的能力扩展到工业应用，如设备维护、工厂运营、供应链管理和人员安全。来自工业物联网平台的数据甚至可以帮助在数字环境中模拟和测试产品，将数字系统与物理系统完美融合，以指数方式提高工业成果。
