工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)和工業(yè)4.0的政策驅(qū)動下，智能工廠已經(jīng)從概念層面深入到落地層面，但就目前而言僅有極少數(shù)的一部分企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)簡單化的智能工廠整體基礎(chǔ)設(shè)施配套，為改變我國制造業(yè)整體落后的局面，提升智能高精工藝技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)整體效能以及實現(xiàn)自主創(chuàng)新發(fā)展之路任重而道遠，在此背景下，智能工廠的普及應(yīng)用是全產(chǎn)業(yè)聚焦和關(guān)心的熱點。

智能工廠如何實施?需要哪些技術(shù)支撐?現(xiàn)階段需要考慮解決哪些難題?

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)設(shè)備要想實現(xiàn)智能工廠最基本的智能聯(lián)網(wǎng)通信功能和工業(yè)4.0生產(chǎn)制造環(huán)境下的可持續(xù)性策略它需要考慮：

1. 如何達到快速連接

智能工廠車間所產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)和信息流，可能會讓企業(yè)自身網(wǎng)絡(luò)不堪重負。企業(yè)更多需要考慮的是硬件布線策略和軟件通信如何設(shè)計優(yōu)化來實現(xiàn)改進自動化系統(tǒng)的高效連接功能，使這種設(shè)計流程更簡單、同時建立流程檔案以便管理智能工廠局部多元化連接策略的版本迭代控制以及在相同應(yīng)用場景中實現(xiàn)場地連接部署的標準化和可復制性。

2. 及時數(shù)據(jù)處理

在智能工廠里，智能生產(chǎn)設(shè)備機器終端與智能傳感器以及質(zhì)量安檢控制系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)同步處理和性能數(shù)據(jù)分析需要及時的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化信號聯(lián)動和及時交互來提升自動化流線生產(chǎn)效率和保證安全的生產(chǎn)工藝管理。智能工廠對及時數(shù)據(jù)處理在數(shù)據(jù)的獲取、回傳信號指令的過程中有更高的快速響應(yīng)需求，基于此智能工廠才能實現(xiàn)高效的生產(chǎn)加工流程管控和安全供應(yīng)鏈管理。

3. 了解和升級智能流水線設(shè)備網(wǎng)

在工業(yè)自動化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上升級傳統(tǒng)機械化電動化流水線走向智能化流水線是工廠走向智能化工廠的一個標志，傳統(tǒng)工控采用PLC、單片機等電腦一體化統(tǒng)一管理模式在智能工廠下將逐漸暴露諸多弊端，尤其在多負載、高精度、M2M多端交互的生產(chǎn)場景下，傳統(tǒng)工控無法滿足這些需求，采用多元化擁有獨立智能處理和決策的智能模塊集群實現(xiàn)多線程、多業(yè)務(wù)模式下的負載脫離和高精度工藝管理將能有效解決這些弊端，智能傳感器、智能傳動組件、智能控制器、智能機器人等智能電子器件和智能設(shè)備將組建成一套標準化的智能流水線設(shè)備網(wǎng)，在智能傳動和智能控制技術(shù)的機器設(shè)備網(wǎng)絡(luò)中，加入盡可能多的智能、控制功能改善其傳統(tǒng)從一個中央處理單元(CPU)來處理所有的加工流線動作。

4. 智能工廠如何實現(xiàn)智能終端集群互聯(lián)?

智能工廠環(huán)境下，智能化流水線設(shè)備集群如何物聯(lián)組網(wǎng)，企業(yè)開發(fā)者研發(fā)打造擁有自主的物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)管理系統(tǒng)不是最佳選擇路徑，高昂的研發(fā)成本和耗時長而未知的技術(shù)交付周期讓企業(yè)頻頻遇難，對接外部物聯(lián)網(wǎng)平臺的方式可以解決工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)賦能智能工廠的環(huán)境下給企業(yè)帶來的復雜性挑戰(zhàn)。

5. 智能工廠：IIoT生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)實現(xiàn)

下面例舉實戰(zhàn)下的智能工廠的IIoT生態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方法，該方法基于西門子Simatic IoT2040，它是一種智能工業(yè)網(wǎng)關(guān)，連接到MODBUS傳感器，將數(shù)據(jù)發(fā)布到萬物互聯(lián)(NETPIE)平臺上。

(1) 要求

西門子Simatic IoT2040

超聲波游俠(SRF485WPR)

電源(Ranger為12V DC，Simatic為24V DC)

Python 3

(2) 超聲波游俠

超聲波游俠用于通過在擊中目標之后發(fā)送反射回發(fā)射器的聲音信號來檢測目標物體的距離。超聲波傳感器用于室內(nèi)和室外的各種應(yīng)用。超聲波傳感器帶有10個引腳，用于電源和RS485輸出信號，如圖1所示。

圖1.超聲波游俠

(3) 超聲波游俠RS485通訊

通過向模塊發(fā)送數(shù)據(jù)幀然后監(jiān)聽響應(yīng)來讀取數(shù)據(jù)。每個超聲波游俠都有一個獨特的24位地址寫在模塊的正面，如圖2所示。您發(fā)送到SRF485WPR的數(shù)據(jù)幀如圖3所示。

圖2.超聲波游俠地址

圖3.數(shù)據(jù)框表單

中斷 -定義為兩個連續(xù)命令請求之間的時間延遲。

命令 -通過發(fā)送此信息，Ultrasonic Ranger會回復它的響應(yīng)。

地址H，M，L -它是模塊的24位地址。

數(shù)據(jù) -如果命令不需要，則是您希望發(fā)送到模塊的數(shù)據(jù)，零(0x00)。

CheckSum -它是所有先前字節(jié)總和的1的恭維(按位否定)(不計算中斷)。

(4) 命令

圖4.超聲波游俠命令列表

(5) 檢查總和計算

例如，讓我們考慮應(yīng)該發(fā)送到超聲波游俠的幀在圖5中表示。校驗和是針對整個幀計算的，不包括中斷，如下所述：

圖5.數(shù)據(jù)格式

該檢查總和計算為?(0x51 + 0x01 + 0x89 + 0xAB + 0x00)的低字節(jié)。

添加所有項將導致0x51 + 0x01 + 0x89 + 0xAB + 0x00 = 0x0186。

0x0186的按位表示法是0xFE79。

我們使用0x79的低字節(jié)

(6) 連接

準備Siemens Simatic IoT2040

Siemens Simatic IoT2040基于Yocto Linux工作，需要安裝在SD卡上，并應(yīng)插入Simatic。Yocto Linux可以從西門子網(wǎng)站下載。下載圖像后，將SD卡插入Linux計算機的SD卡插槽，然后按照以下說明操作。

在Linux計算機上，打開終端(ctrl + alt + t)并使用以下命令轉(zhuǎn)到下載Yocto Linux zip文件的位置：cd Downloads。在這種情況下，zip文件位于下載中。

使用以下命令解壓縮文件夾：

sudo unzip Example_Image_V2.2.0.zip

通過運行以下命令驗證SD卡的位置：

df -h

通過運行以下命令卸載SD卡。將“mmcblk0”替換為計算機顯示的SD卡位置：

unmount / dev / mmcblk0

使用以下命令將Yocto Linux映像刻錄到SD卡上：

sudo dd bs = 1M if = name_of_image = SD card_location

將映像安裝到SD卡上后，將SD卡放入Simatic的SD卡插槽中，如圖6所示。

圖6. Simatic IoT2040上的SD卡安裝

Simatic有兩個名為X1P1LAN和X2P1LAN的以太網(wǎng)端口。第一個以太網(wǎng)端口即。X1P1LAN的默認DHCP地址為192.168.200.1。使用Secure Shell(SSH)，您可以從Linux計算機與Simatic進行通信。為此，請將以太網(wǎng)電纜的一端連接到計算機，將以太網(wǎng)電纜的另一端連接到Simatic的X1P1LAN端口。通過SSH登錄Simatic。

ssh root@192.168.200.1

(7) 在Simatic上安裝Pip

為了使用Simatic從Ultrasonic Ranger讀取數(shù)據(jù)，使用Python。默認情況下，Python安裝在Yocto Linux上。一些能夠串行發(fā)送數(shù)據(jù)幀的Python庫需要安裝在Simatic上。為此目的，使用pip。Pip是一個用于安裝和管理Python庫的包管理系統(tǒng)。

要在Simatic上安裝pip，應(yīng)編輯/ etc / opk /opkg.conf文件，并為存儲庫添加以下行：

src iotdk-all http://iotdk.intel.com/repos/2.0/iotdk/all src iotdk-i586 http://iotdk.intel.com/repos/2.0/iotdk/i586 src iotdk-quark http://iotdk.intel.com/repos/2.0/iotdk/quark src iotdk-x86 http://iotdk.intel.com/repos/2.0/iotdk/x86

接下來，應(yīng)編輯/ etc / opkg /arch.conf文件并插入以下行：

arch i586 12 arch quark 13 arch x86 14

接下來，更新包數(shù)據(jù)庫：

opkg update

現(xiàn)在我們可以安裝一些有用的包：

opkg install ca-certificates python-json python-io python -re python-xmlrpc python-ctypes openssh-sshd curl - insecure -L“ https://bootstrap.pypa.io/get-pip.py ”> get-pip.py python get-pip.py

配置pip后，我們現(xiàn)在可以安裝python庫：

pip install pyserial pip install microgear pip install serial

創(chuàng)建Python文件

安裝了所有必需的庫后，我們現(xiàn)在開始編寫一個Python代碼，用于讀取Ultrasonic Ranger中的數(shù)據(jù)。為此，創(chuàng)建一個名為ranger的Python文件，如下所述:

nano ranger.py

使文件可執(zhí)行，如下所述：

chmod + x ranger.py

使用以下命令運行該文件：

./ ranger.py

完整的源代碼：https://gitlab.com/muthineni/NETPIE-Python

(8) 物聯(lián)網(wǎng)平臺(NETPIE)

NETPIE是基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺服務(wù)，通過推動從應(yīng)用程序開發(fā)人員或設(shè)備制造商手中連接物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的復雜性，以最無縫和透明的方式將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(“事物”)互連在一起到云端。在NETPIE上，創(chuàng)建應(yīng)用程序并生成設(shè)備密鑰?！癰oard”是為此演示創(chuàng)建的應(yīng)用程序ID，如圖7所示：

圖7.在NETPIE上創(chuàng)建應(yīng)用程序ID

創(chuàng)建數(shù)據(jù)源，如圖8所示：

圖8.創(chuàng)建數(shù)據(jù)源

這是結(jié)果：

圖9.顯示Ranger在NETPIE上檢測到的目標距離

結(jié)論

該方法討論了使用Siemens Simatic IoT2040作為從SRF485WPR接收數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備。通過Simatic IoT2040，處理行業(yè)中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)變得更加高效，從而開辟了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)應(yīng)用的道路。