麥肯錫公司（McKinsey）在最近的一份報告當中，將工業4.0定義為「製造業的數位化，幾乎所有產品部件和製造設備中都有嵌入感測器，無所不在的資訊物理系統，以及所有相關資料的分析。」雖然McKinsey的這份報告對工業4.0的分析大部分都重點集中在提高資料獲取/分析以及由此為固定資產以及業務優化帶來的好處，但其中也強調了嵌入式智慧感測器對工業4.0的支持作用。該報告在此基礎之上，重新定義了支持工業4.0的自動化系統的架構。

在各種關於工業4.0的討論中，有時會遺漏一項關鍵觀點：數位工廠不僅僅製造產品，而且實際上也是一個資訊收集和處理實體。這種觀點說明，為了梳理出各層之間的關係以及進行優化，（幾乎）要對所有一切進行檢測、測量和處理。支持這種數位化、智慧化工廠的系統無論在數量上還是複雜性方面都有所不同。例如，工廠車間的感測器數量發生爆炸式成長，而且處理和通訊能力也發生巨大變化；控制系統更多地呈現分散式而非中央式—改變了其通訊、規格及耐用性要求；設計之初就考慮了通訊功能（例如不存在氣隙）的系統在DNA中已經具備了嵌入式安全架構。

本文介紹支援工業4.0的新興系統設計趨勢。

工業4.0就在我們身邊

數位化工廠的例子有很多，都體現了工業4.0的概念，展示了這種超自動化帶來的利益。

西門子（Siemens）公司在德國安貝格的一家工廠2採用的生產方法可視為是工業4.0的精髓。該工廠生產包括Simatic可程式設計邏輯控制器（PLC）在內的各種系統。生產過程的自動化程度很高，機器和電腦負責處理75%的價值鏈。大約1000台Simatic控制器本身管理Simatic設備的生產。

如此高度自動化大大提高了生產力，讓工廠的產出提高了8倍。工廠每年生產接近1500萬台Simatic產品—相當於每秒輸出一台控制單元。這使得生產品質達到了前所未有的99.99885%。

這僅僅是工業4.0在實際應用中的一個例子。本例中雖然沒有明說，但不難看出自動化系統本身架構的變化。從該工廠的描述中，可梳理出系統架構的三大特性：

‧ 使用了1,000台分散式控制器—不是一台中央式、巨型、機櫃大小的PLC

‧ 機器負責處理75%的製造過程，必須通過大量感測器獲得資訊。

‧ 這些感測器必須傳遞豐富的資料—不僅僅是「發熱」或「不發熱」，而是（譬如）電機的準確溫度。

工業4.0在GE的噴氣式發動機上也顯示出了其魅力，該發動機設計不但具有最大的推力，而且具有最大的資料收集能力。GEnx噴氣式發動機包含26個感測器，測量300個參數，取樣速率達到16採樣/秒—使GE能夠在一次普通飛行中處理150M單位的資料3。與前一代噴氣式發動機相比，該發送機的燃油效率提高15%，並且有望通過預測性維護縮短停工時間，使其成為GE Aviation歷史上銷售最快的發動機。

本例又一次說明了利用智慧感測器發送生產過程中（本例中為複雜的噴氣式發動機）的智慧、詳細的性能參數的重要性。McKinsey公司近期的另一份報告中介紹了更多的工業4.0例子4。

工業4.0推動工業感測器設計發展趨勢

工業4.0之路預示著工業感測器設計領域的兩大趨勢：感測器變得越來越小巧、收集/發送的資訊越來越豐富。直接影響這兩項系統級趨勢的因素是收集和分析工廠中不斷成長的資料量的需求—這是工業4.0的關鍵。

其中一個很好的例子是小尺寸、高度整合智慧感測器的應用，這些感測器通過一定的協定發送豐富的資訊，比如IO-Link—工廠自動化系統領域成長最快的感測器通訊協定。

為了收集和發送更詳細的資訊，就需要開發簡單、可靠且高效的通訊協議，例如IO-Link，以滿足工廠車間的應用。

從上世紀80年代以來，工業現場匯流排已經支援智慧設備、較快地安裝、減少接線，並且更容易維護。然而，統一、普遍可接收的現場匯流排的缺失，也引起了混淆、培訓挑戰、高成本以及設備之間相容的問題。IO-Link是第一種開放式、現場匯流排不可知、低成本、點對點串列通訊匯流排協定，用於與感測器及執行器通訊。

這種功能強大的點對點通訊協議基於成熟的3線感測器與執行器連接，已經被採納為國際標準（IEC 61131-9），用於感測器與執行器通訊。理解IO-Link通訊的最好方式是將其理解成感測器領域的USB—非常容易使用和部署，並且能夠提供來自於智慧感測器的智慧資料。

我們看到，自動化系統廠商開發和推廣基於IO-Link的智慧感測器整體方案，以推動其「互聯企業」的願景—Rockwell Automation用來表示新一代數位工廠的術語5。我們接下來看幾個這種新興感測器系統的例子。

圖1所示為微小的IO-Link接近檢測感測器，備有紅外收發器、配套IR LED驅動器、IO-Link收發器以及高能效的降壓轉換器，全部安裝在8.2mm x 31.5mm印刷電路（PC）板上。高度整合的半導體允許我們在如此小的尺寸內構建整個感測器子系統。

接近檢測感測器檢測是否有某個物體接近，所以能夠透過發送表示接近的簡單數位訊號（開/關）來打開去路。然而，在很多情況下，現代化感測器必須檢測和發送更豐富的資訊—例如檢測到的顏色、實測溫度或到某個物體的距離。圖2所示為高精度IO-Link電阻溫度檢測器（RTD）溫度感測器參考設計，用於配合2線、3線或4線PT100 RTD使用。該系統利用整合式RTD至數位轉換器以及最新的IO-Link方案來提供高精度溫度值，解析度高達15位。

圖2 : Maxim的高精度IO-Link電阻溫度檢測器（RTD）溫度感測器參考設計