麦肯锡公司（McKinsey）在最近的一份报告当中，将工业4.0定义为「制造业的数位化，几乎所有产品部件和制造设备中都有嵌入感测器，无所不在的资讯物理系统，以及所有相关资料的分析。」虽然McKinsey的这份报告对工业4.0的分析大部分都重点集中在提高资料获取/分析以及由此为固定资产以及业务优化带来的好处，但其中也强调了嵌入式智慧感测器对工业4.0的支持作用。该报告在此基础之上，重新定义了支持工业4.0的自动化系统的架构。

在各种关于工业4.0的讨论中，有时会遗漏一项关键观点：数位工厂不仅仅制造产品，而且实际上也是一个资讯收集和处理实体。这种观点说明，为了梳理出各层之间的关系以及进行优化，（几乎）要对所有一切进行检测、测量和处理。支持这种数位化、智慧化工厂的系统无论在数量上还是复杂性方面都有所不同。例如，工厂车间的感测器数量发生爆炸式成长，而且处理和通讯能力也发生巨大变化；控制系统更多地呈现分散式而非中央式—改变了其通讯、规格及耐用性要求；设计之初就考虑了通讯功能（例如不存在气隙）的系统在DNA中已经具备了嵌入式安全架构。

本文介绍支援工业4.0的新兴系统设计趋势。

工业4.0就在我们身边

数位化工厂的例子有很多，都体现了工业4.0的概念，展示了这种超自动化带来的利益。

西门子（Siemens）公司在德国安贝格的一家工厂2采用的生产方法可视为是工业4.0的精髓。该工厂生产包括Simatic可程式设计逻辑控制器（PLC）在内的各种系统。生产过程的自动化程度很高，机器和电脑负责处理75%的价值链。大约1000台Simatic控制器本身管理Simatic设备的生产。

如此高度自动化大大提高了生产力，让工厂的产出提高了8倍。工厂每年生产接近1500万台Simatic产品—相当于每秒输出一台控制单元。这使得生产品质达到了前所未有的99.99885%。

这仅仅是工业4.0在实际应用中的一个例子。本例中虽然没有明说，但不难看出自动化系统本身架构的变化。从该工厂的描述中，可梳理出系统架构的三大特性：

‧ 使用了1,000台分散式控制器—不是一台中央式、巨型、机柜大小的PLC

‧ 机器负责处理75%的制造过程，必须通过大量感测器获得资讯。

‧ 这些感测器必须传递丰富的资料—不仅仅是「发热」或「不发热」，而是（譬如）电机的准确温度。

工业4.0在GE的喷气式发动机上也显示出了其魅力，该发动机设计不但具有最大的推力，而且具有最大的资料收集能力。 GEnx喷气式发动机包含26个感测器，测量300个参数，取样速率达到16采样/秒—使GE能够在一次普通飞行中处理150M单位的资料3。与前一代喷气式发动机相比，该发送机的燃油效率提高15%，并且有望通过预测性维护缩短停工时间，使其成为GE Aviation历史上销售最快的发动机。

本例又一次说明了利用智慧感测器发送生产过程中（本例中为复杂的喷气式发动机）的智慧、详细的性能参数的重要性。 McKinsey公司近期的另一份报告中介绍了更多的工业4.0例子4。

工业4.0推动工业感测器设计发展趋势

工业4.0之路预示着工业感测器设计领域的两大趋势：感测器变得越来越小巧、收集/发送的资讯越来越丰富。直接影响这两项系统级趋势的因素是收集和分析工厂中不断成长的资料量的需求—这是工业4.0的关键。

其中一个很好的例子是小尺寸、高度整合智慧感测器的应用，这些感测器通过一定的协定发送丰富的资讯，比如IO-Link—工厂自动化系统领域成长最快的感测器通讯协定。

为了收集和发送更详细的资讯，就需要开发简单、可靠且高效的通讯协议，例如IO-Link，以满足工厂车间的应用。

从上世纪80年代以来，工业现场汇流排已经支援智慧设备、较快地安装、减少接线，并且更容易维护。然而，统一、普遍可接收的现场汇流排的缺失，也引起了混淆、培训挑战、高成本以及设备之间相容的问题。 IO-Link是第一种开放式、现场汇流排不可知、低成本、点对点串列通讯汇流排协定，用于与感测器及执行器通讯。

这种功能强大的点对点通讯协议基于成熟的3线感测器与执行器连接，已经被采纳为国际标准（IEC 61131-9），用于感测器与执行器通讯。理解IO-Link通讯的最好方式是将其理解成感测器领域的USB—非常容易使用和部署，并且能够提供来自于智慧感测器的智慧资料。

我们看到，自动化系统厂商开发和推广基于IO-Link的智慧感测器整体方案，以推动其「互联企业」的愿景—Rockwell Automation用来表示新一代数位工厂的术语5。我们接下来看几个这种新兴感测器系统的例子。

图1所示为微小的IO-Link接近检测感测器，备有红外收发器、配套IR LED驱动器、IO-Link收发器以及高能效的降压转换器，全部安装在8.2mm x 31.5mm印刷电路（PC）板上。高度整合的半导体允许我们在如此小的尺寸内构建整个感测器子系统。

接近检测感测器检测是否有某个物体接近，所以能够透过发送表示接近的简单数位讯号（开/关）来打开去路。然而，在很多情况下，现代化感测器必须检测和发送更丰富的资讯—例如检测到的颜色、实测温度或到某个物体的距离。图2所示为高精度IO-Link电阻温度检测器（RTD）温度感测器参考设计，用于配合2线、3线或4线PT100 RTD使用。该系统利用整合式RTD至数位转换器以及最新的IO-Link方案来提供高精度温度值，解析度高达15位。

图2 : Maxim的高精度IO-Link电阻温度检测器（RTD）温度感测器参考设计