作者 / 周萬木 (IHS Markit工業(yè)自動(dòng)化組高級(jí)分析師，上海 200122)

　　摘要：當(dāng)前正進(jìn)入IT與其他領(lǐng)域融合的第四次浪潮，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是其中增長(zhǎng)最快的部分，帶來的機(jī)會(huì)有連接、數(shù)據(jù)采集和計(jì)算等，本文著重探討了連接和采集的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。

　　關(guān)鍵詞：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng);IT;OT;連接;采集

　　1 IT融合的四次浪潮

　　回顧從局域網(wǎng)到互聯(lián)網(wǎng)、再到移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷程中，載體、殺手級(jí)應(yīng)用、使用的主體、速率、數(shù)量級(jí)都在改變。例如，消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的是人與人的連接、人與內(nèi)容的連接;工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的是物與物的連接，即萬物互聯(lián)。

　　互聯(lián)網(wǎng)對(duì)行業(yè)的影響，一個(gè)是在廣度方面——不斷拓展行業(yè)應(yīng)用，從電信到媒體，到消費(fèi)電子，到內(nèi)容，再到制造業(yè)/工業(yè)。另一方面是在深度上發(fā)展，未來將實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，以實(shí)現(xiàn)自我感知、自我識(shí)別、自我判斷。

　　伴隨著互聯(lián)網(wǎng)/ IT(信息技術(shù))在各行各業(yè)的應(yīng)用和融合，主要有四大浪潮。首先是“IT+電信”(如圖1)，這兩個(gè)行業(yè)的融合自然而然，可謂天生一對(duì)，電信技術(shù)也從模擬轉(zhuǎn)到數(shù)字;之后是“IT+消費(fèi)類電子”，典型的產(chǎn)品是手機(jī)從模擬到數(shù)字，從功能機(jī)到智能機(jī)，還有各種平板電腦和可穿戴設(shè)備等;第三次浪潮是“IT+內(nèi)容”，誕生了微博、微信/facebook(臉書)，涌現(xiàn)了很多自媒體、App的應(yīng)用;接下來的第四次浪潮，IT還會(huì)繼續(xù)向其他行業(yè)滲透，更加細(xì)分，滲透到了制造業(yè)，例如工業(yè)、能源、移動(dòng)、物流、政府和健康等領(lǐng)域。

　　2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的增速最快

　　據(jù)IHS Markit 2018年8月的預(yù)測(cè)，2018年將有310億個(gè)連接，其中，通訊業(yè)有168億件設(shè)備，但增速較慢，從2013到2020年只有8.0%的年均增長(zhǎng)率;消費(fèi)類電子有59億件設(shè)備連接，從2013到2020年有13.8%的年均增長(zhǎng)率;商用和工業(yè)用的連接數(shù)有54億件設(shè)備，增長(zhǎng)速度最快，從2013到2020年有25%的年均增長(zhǎng)率。IHS的最新預(yù)測(cè)表明，從2018年到2030年，商用和工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒂?0%的新連接設(shè)備，主要包括樓宇自動(dòng)化、工廠自動(dòng)化、化學(xué)、石油和天然氣等行業(yè)。

　　關(guān)于出貨量的預(yù)測(cè)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的出貨量增加最快，比例最大, 到2025年，工業(yè)和商業(yè)用物聯(lián)網(wǎng)的出貨量將占到一半以上^[1]。

　　具體到工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備，開關(guān)設(shè)備(switchgear)數(shù)量最大(如圖2)。傳感器在制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，再加上連接和傳輸更多數(shù)據(jù)的速度更快、信號(hào)完整性更好，都將成為IIoT(工業(yè)物聯(lián)網(wǎng))的驅(qū)動(dòng)力。

　　過去幾年，許多OT和IT廠商引入了新的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。這些平臺(tái)都有一個(gè)關(guān)鍵的特點(diǎn)：支持跨多臺(tái)/個(gè)機(jī)器、設(shè)備和公司的數(shù)據(jù)整合和通信，從而創(chuàng)建互連的組織和供應(yīng)鏈。

　　實(shí)際上，引入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的最大挑戰(zhàn)是人——從高級(jí)執(zhí)行官到工廠層的操作員。如果人們不相信這些數(shù)據(jù)，或者不相信這些數(shù)據(jù)的使用，項(xiàng)目很可能會(huì)失敗。

　　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的四個(gè)重要部分是：連接、數(shù)據(jù)采集、計(jì)算與創(chuàng)造是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的組成部分。

　　3 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的連接

　　連接是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)組件。5G和專用LTE網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展將有助于解決與設(shè)備連接相關(guān)的問題，特別是與安全、容量和網(wǎng)絡(luò)覆蓋相關(guān)的問題。然而，缺乏通用的連接標(biāo)準(zhǔn)仍然令人擔(dān)憂。在接下來的幾年里，諸如時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)、私有LTE和5G等新技術(shù)帶來了更大帶寬和更低延遲的潛力。

　　IoT的通信連接分兩種：有線和無線^[2]。有線的方式在工廠中還是主流;主要是工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線;具體到垂直行業(yè)來看，工業(yè)自動(dòng)化主要的連接方式還是有線形式，諸如工廠的現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)。

　　無線按照通信距離分為短距離無線通信和遠(yuǎn)距離無線通信。

　　按照網(wǎng)絡(luò)的綜合性能和數(shù)據(jù)傳輸率等，BT(藍(lán)牙)、NB-IoT功耗較低;而Wi-Fi、eMTC、UWB傳輸率會(huì)更高;與NB-IoT相對(duì)應(yīng)的還有LoRa和Sigfox這些非授權(quán)的頻段(如圖4)。

　　目前應(yīng)用更多的是蜂窩通信模塊(2G/3G/4G)，當(dāng)然5G的出現(xiàn)，既覆蓋了短距離又覆蓋了長(zhǎng)距離，可能會(huì)取代目前很多的無線通訊技術(shù)，一統(tǒng)江湖。

　　工業(yè)場(chǎng)景比較復(fù)雜多樣，例如生產(chǎn)過程的監(jiān)管和控制、生產(chǎn)資產(chǎn)的管理和維護(hù)，以及現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)等。不同的場(chǎng)景用到不同的工業(yè)通信產(chǎn)品。全球各自動(dòng)化廠商、研究機(jī)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化組織圍繞設(shè)備聯(lián)網(wǎng)推出了成百上千種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。這些協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量眾多且相對(duì)封閉，使得不同廠商出品的工業(yè)設(shè)備很難互聯(lián)互通，嚴(yán)重制約了設(shè)備互聯(lián)、上云。

　　據(jù)IHS Markit預(yù)測(cè)，工業(yè)以太網(wǎng)的連接數(shù)/安裝量將會(huì)在2021年超過工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線;安全協(xié)議的發(fā)展比較迅速，特別是歐洲廠商在安全方面投入很多設(shè)備;但工業(yè)無線在工廠中的應(yīng)用還是低于預(yù)期，主要是工廠對(duì)實(shí)時(shí)性的要求比較高;設(shè)備的多樣性決定了物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代連接方式的多樣性，例如5G、NB-IoT、有線、工業(yè)以太網(wǎng)、總線、Wi-Fi、Zigbee、藍(lán)牙等通訊方式都可能存在，還可能會(huì)有新的通訊協(xié)議，例如MacBee等。未來有些設(shè)備可能支持一種以上的通訊方式，設(shè)備智能聯(lián)網(wǎng)需要選擇適合的通訊方式。

　　蜂窩技術(shù)與其他技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別是：蜂窩技術(shù)主要由電信運(yùn)營(yíng)商、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商(MNO)或移動(dòng)虛擬網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商(MVNO)通過公共網(wǎng)絡(luò)交付，而其他物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要通過專用網(wǎng)絡(luò)提供(這與LoRaWAN和Sigfox不同)。

　　這意味著，使用蜂窩式物聯(lián)網(wǎng)或機(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M)連接的組織傳統(tǒng)上為所使用的流量向MNO支付費(fèi)用(預(yù)付或合同基礎(chǔ)上)，這與消費(fèi)者支付移動(dòng)語音和數(shù)據(jù)的方式基本相同。這種類型的經(jīng)常性費(fèi)用在很大程度上不適用于其他技術(shù)，這些技術(shù)是由企業(yè)自己?jiǎn)为?dú)部署的，通常與一系列合作伙伴(如模塊供應(yīng)商、系統(tǒng)集成商和平臺(tái)供應(yīng)商)合作。

　　4 數(shù)據(jù)采集

　　4.1 固定和移動(dòng)資產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集

　　這里的目標(biāo)是訪問連接設(shè)備的數(shù)據(jù)并移動(dòng)或存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)。隨著傳感器數(shù)據(jù)的加入，網(wǎng)絡(luò)管理和規(guī)劃的重要性對(duì)于成功的物聯(lián)網(wǎng)解決方案至關(guān)重要。在此階段，與機(jī)器的嵌入式傳感器和I/O Link傳感器連接相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)將改進(jìn)數(shù)據(jù)收集和傳輸過程。同時(shí)，IIoT網(wǎng)關(guān)作為網(wǎng)橋和IIoT設(shè)備與云之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器的作用將擴(kuò)大，以支持邊緣分析/數(shù)據(jù)處理以增加智能。

　　工業(yè)設(shè)備/工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品分為固定的和移動(dòng)的自動(dòng)化產(chǎn)品和設(shè)備(如圖5);固定設(shè)備包括離散自動(dòng)化產(chǎn)品、encoder(編碼器)、工業(yè)機(jī)器人、電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品、伺服運(yùn)動(dòng)控制、電機(jī)和發(fā)電機(jī)、流程控制產(chǎn)品、風(fēng)機(jī)泵壓縮機(jī)和傳感器、開關(guān)設(shè)備等。

　　移動(dòng)設(shè)備主要指AVG(自動(dòng)導(dǎo)引小車)、抓手、叉車、掃描器、無人機(jī)、服務(wù)機(jī)器人等。

　　控制部分：包括工業(yè)軟件，如MES(制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng))、CRM(客戶關(guān)系管理)、PLM(產(chǎn)品生命周期管理)等生產(chǎn)線管理系統(tǒng)及仿真系統(tǒng)、控制優(yōu)化軟件等;控制系統(tǒng)主要是離散控制系統(tǒng)(DCS)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(SCADA)和可編程邏輯控制器(PLC)，某些情況下也會(huì)用到單片機(jī)或工業(yè)計(jì)算機(jī)(IPC)實(shí)現(xiàn)控制。

　　傳動(dòng)部分：工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品主要包括運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，如伺服系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC)等產(chǎn)品;變頻傳動(dòng)，如變頻器等用來驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)速度和功率變換的設(shè)備。

　　執(zhí)行器：風(fēng)機(jī)泵壓塑機(jī)、電機(jī)、發(fā)電機(jī)。

　　工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，包括工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)云、工業(yè)大數(shù)據(jù)、工控網(wǎng)絡(luò)安全等和下一代工控系統(tǒng)息息相關(guān)的技術(shù)。

　　以及其他的產(chǎn)品，如智能控制閥、接觸器等較為零散的產(chǎn)品。

　　4.2 IIoT的機(jī)會(huì)在于對(duì)傳統(tǒng)設(shè)備的重新定義和轉(zhuǎn)型升級(jí)

　　IHS Markit認(rèn)為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展并不會(huì)直接拉動(dòng)這些傳統(tǒng)設(shè)備的銷量上升，但會(huì)產(chǎn)生一些新的機(jī)會(huì)，就像蘋果公司重新定義手機(jī)一樣。在工業(yè)領(lǐng)域，一些新興的廠商有可能會(huì)重新定義電機(jī)、變頻器等傳統(tǒng)產(chǎn)品，甚至重新定義產(chǎn)品模式和服務(wù)模式，對(duì)傳統(tǒng)的公司產(chǎn)生沖擊。

　　那么，怎樣進(jìn)行重新定義呢?

　　物聯(lián)網(wǎng)時(shí)期的產(chǎn)品架構(gòu)包括三部分(如圖6)。

　　第一部分是產(chǎn)品本身：主要包括軟件和硬件。電子部分有嵌入式軟件和非嵌入式軟件，是嵌入在控制器、通信和傳感裝置中的采集、控制和通信軟件。

　　第二部分是連接，一是連接云，二是與外界其他產(chǎn)品和信息源的連接。

　　第三部分是產(chǎn)品云，包括應(yīng)用程序、分析/處理引擎、應(yīng)用平臺(tái)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫信息。

　　4.3 傳感器和處理器的機(jī)會(huì)

　　數(shù)據(jù)采集主要是在傳統(tǒng)的設(shè)備上加裝傳感器/MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))和傳感器，讓傳統(tǒng)的設(shè)備更加自動(dòng)化、智能化、數(shù)字化，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。所以設(shè)備上云、加裝傳感器主要推動(dòng)了傳感器、處理器的市場(chǎng)發(fā)展。

　　據(jù)IHS Markit分析(如圖7)，從2016年到2025年，相關(guān)IC的綜合年均增長(zhǎng)率為9.6%，其中， 2018年IoT連接IC的市場(chǎng)為124億，年均增長(zhǎng)率11.4%;2018年IoT傳感器為175億，年均增長(zhǎng)率5.5%;2018年處理器芯片為72億，年均增長(zhǎng)率14.4%。

　　另外一個(gè)增長(zhǎng)動(dòng)力來自于各種傳感器/MEMS的價(jià)格下降。由于消費(fèi)電子大量使用傳感器/MEMS，例如加速度傳感器、壓力傳感器、磁傳感器、6軸慣性傳感器、陀螺儀等，這些傳感器最近幾年在消費(fèi)電子產(chǎn)品方面出貨量非常大，價(jià)格下降得非常明顯，性能由于經(jīng)過消費(fèi)電子的大量應(yīng)用檢驗(yàn)，性價(jià)比較高。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域相關(guān)傳感器、處理器等硬件的成本不斷下降，大大促進(jìn)了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)可行性。

　　工業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景非常多，細(xì)分市場(chǎng)分散，工業(yè)上使用的傳感器種類非常多：比如慣性傳感器、加速度、磁傳感器、振動(dòng)傳感器等。

　　舉一個(gè)振動(dòng)傳感器的例子;在非常傳統(tǒng)的電機(jī)系統(tǒng)上加裝振動(dòng)傳感器和發(fā)射器，以采集電機(jī)的工作/振動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，形成大數(shù)據(jù)分析，可以做預(yù)測(cè)性維護(hù)和狀態(tài)檢測(cè)，可進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)和遠(yuǎn)程診斷

　　關(guān)于圖像傳感器，筆者曾經(jīng)在軸承行業(yè)做過調(diào)研，傳統(tǒng)的軸承生產(chǎn)過程中，對(duì)產(chǎn)品的檢測(cè)是首件檢測(cè)、尾件檢測(cè)、中間抽檢。而每一批產(chǎn)品，都要手工檢測(cè)。傳統(tǒng)的生產(chǎn)批量大，這種模式效率低一些可以忍受;如果每種產(chǎn)品批次很少，用傳統(tǒng)接觸式檢測(cè)的效率低，每次檢測(cè)調(diào)整周期長(zhǎng)?，F(xiàn)在工業(yè)對(duì)于非接觸式檢測(cè)，也就是通過圖像識(shí)別檢測(cè)的需求特別旺盛。如果可以實(shí)現(xiàn)非接觸式圖像檢測(cè)，一方面可以提高生產(chǎn)設(shè)備的柔性，實(shí)現(xiàn)件件檢測(cè)，提高質(zhì)量水平;還可以通過檢測(cè)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)刀具補(bǔ)償，降低產(chǎn)品的偏差。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]周萬木.制造業(yè)在轉(zhuǎn)型：進(jìn)入一個(gè)全新的數(shù)字世界.電子產(chǎn)品世界,2017(11):6-14

　　[2]何暉.IoT的連接芯片機(jī)會(huì)及NB-IoT特點(diǎn). 電子產(chǎn)品世界,2018(11):4-8

本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第3期第9頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處