智能传感器在工业4.0时代能发挥什么作用

自200多年前产业革命肇兴以来，人类社会中新技术、新发明层出不穷，不断地改变着人类的生活方式。在经历3次工业革命之后，人类文明发展到历自200多年前产业革命肇兴以来，人类社会中新技术、新发明层出不穷，不断地改变着人类的生活方式。在经历3次工业革命之后，人类文明发展到历史空前的高度。如今，随着网络与智能化的突飞猛进，第四次工业革命又悄然而至。在这种背景下，美国等西方国家制造业回流的趋势已经显现，制造业最为发达的德国也在推行所谓的“工业4.0”运动。作为制造业第一大国的中国，已经感受到“工业4.0”带来的挑战。那么究竟什么是工业4.0呢?

“工业4.0”概念包含了由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。在这种模式中，传统的行业界限将消失，并会产生各种新的活动领域和合作形式。创造新价值的过程正在发生改变，产业链分工将被重组。

“工业4.0”旨在通过充分利用信息通信技术和网络空间虚拟系统相结合的手段，推进信息技术与制造业深度融合，促使工业领域的设备、生产与系统以网络化的形式向互联网迈进，将制造业向智能化转型。“工业4.0”之所以备受瞩目，就在于它形成一个智能网络，使人与人、人与机器、机器与机器以及服务与服务之间能够互联互通，实现横向、纵向的全价值链集成。生产的每一领域都被赋予了“智慧”。

在这些互联互通的过程中，通讯协议处在了至关重要的位置上。在历史上，曾经出现了若干种现场通讯协议，但大多数协议存在一些固有问题，大大限制了现代工业对实时性，高动态性的需求。

在现代自动化生产中，Ethernet技术逐渐取代第一代现场总线已经成为一种趋势。因此，德国米铱公司将实时Ethernet技术集成到众多位移传感器和控制器中。不同于传统总线系统，Ethernet通讯协议安装更为简单快捷。

源于Ethernet更高的带宽和实时通讯功能，采用这种技术的传感器可以实现高速数据传输，方便测量数据的读取和分析，且允许随时随地对传感器进行设置。与传统模拟量信号输出不同，Ethernet通讯不受由于输出电路接地不良，插头电阻质量问题带来的噪音影响，源于其采用数字量数据传输，即使很长的传感器电缆也不会导致信号衰减。

此外，现代制造过程要求更加高速，更加自动化。因此要求传感器满足更加快速和动态的测量。作为高精密测量领域的领导者，德国米铱公司正在致力于提供更多可以满足未来工业需求的精密传感器和测量系统。

近些年来，EtherCAT通讯协议已经成为市场中的标准通讯协议，可以为自动化生产提供更加可靠的实时性。基于此，德国米铱公司已经开发出了若干系列传感器和测量系统，采用EtherCAT协议，使它们可以无缝集成到现有的控制系统和自动化网络内什么是EtherCAT?

EtherCAT完全兼容Ethernet，是真正意义上开放的通讯标准。不仅如此，EtherCAT技术还克服了其他Ethernet协议通讯方式所固有的限制。Ethernet数据包不再需要在每次连接时，都完成接收，译码和复制的过程。替代这种传统方式的Ethernet框架被称为“飞速写入”模式。最新开发出的FMMU(现场总线记忆管理)单元，被集成到每一个从属节点中，读取发送给它的数据。于此同时，电文不会停止，而是继续传送给下一个设备或传感器。与此类似，输入数据录入的同时，电文会继续传输。这意味着通讯仅会存在几个纳秒的延迟。

在主机端，可以采用经济型标准网络接口卡(NIC)，或者任何便携Ethernet控制器都可以作为硬件接口使用。这种接口可以满足数据通过直接内存访问(DMA)方式传输到PC端。也就是说，网络访问不再占用CPU资源。

EtherCAT可以提供更高的网络性能。源于从属节点中的FMMU单元和主机中的直接内存访问技术，整个通讯过程都发生在硬件中，从而不受协议堆栈运行时间，CPU性能和软件运行的限制。

在工业自动化环境中，精确的同步功能至关重要。对于需要坐标同步移动和多传感器测量时，同步功能更为重要。为了实现精确同步，就需要实现精准的时钟校准。完全同步通讯中，同步质量会受到通讯错误的直接影响。时钟校准必须考虑由于通讯系统错误导致的延迟。

而使用EtherCAT协议通讯时，数据交换完全基于主机和从机硬件时钟。每一个时钟可以简单而精准地决定其他时钟的运行时间偏移，原因是通讯过程使用了符合逻辑和全双工的Ethernet环形物理结构。分布式时钟可以基于这种时间偏移被调节，这意味着整个通讯网络可以基于远小于1微秒的时间节拍。

EtherCAT控制器

过去的很多年，德国米铱公司一直致力于为客户提供具备主站从站同步功能的精密位移传感器。此外，EtherCAT还能为客户提供真正的实时测量，可以满足高速处理和自动化生产的需要。

所有德国米铱公司新推出的激光传感器，光学传感器和控制器都采用了EtherCAT通讯协议，可以被集成到现有的EtherCAT/Ethernet网络中。例如，德国米铱公司推出的高性能，可灵活编程的通用型控制器CSP2008，可以对6通道输入输出信号进行实时数据处理(频率高达100kHz)。该控制器特别适合厚度，高度，圆度，平面度以及共面度测量，满足多个位移传感器的测量信号被同步和实时处理的要求。该控制器可以被用于处理最多六个通道的数字量或模拟量输入信号，其中两路内部，四路外部信号，通过可插拔的EtherCAT模块进行收集。EtherCAT还可以被作为外部接口，用来连接更多传感器和I/O模块。

EtherCAT激光位移传感器

激光位移传感器也配有Ethernet接口，可以被接入到EtherCAT网络中。举例来讲，德国米铱公司推出的optoNCDT2300系列激光位移传感器是市场中处于领先地位的，独立激光位移传感器，不需要额外的控制器就可以提供高速测量，测量频率高达50kHz，而分辨率可达到全量程的0.0015%。因此传感器特别适合高速动态测量任务，如振动测量，不均匀以及快速变化表面的轮廓扫描。

目前市面上也存在很多激光位移传感器声称可以达到类似的测量范围和分辨率，但是optoNCDT2300是唯一一款可以实现50kHz测量频率，且集成控制器的激光位移传感器。与众多市场上常见的传感器不同，optoNCDT2300可以在不对数据进行数学平均的情况下，实现高测量速度和分辨率。

该系列传感器还使用了德国米铱公司独有的高级实时表面补光技术，适合对特殊被测表面进行测量时，需要实时自动补光的情况。