工業物聯網(IIoT)和工業4.0的政策驅動下，智能工廠已經從概念層面深入到落地層面，但就目前而言僅有極少數的一部分企業能夠實現簡單化的智能工廠整體基礎設施配套，為改變我國制造業整體落后的局面，提升智能高精工藝技術發展和產業整體效能以及實現自主創新發展之路任重而道遠，在此背景下，智能工廠的普及應用是全產業聚焦和關心的熱點。

智能工廠如何實施?需要哪些技術支撐?現階段需要考慮解決哪些難題?

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工業物聯網(IIoT)設備要想實現智能工廠最基本的智能聯網通信功能和工業4.0生產制造環境下的可持續性策略它需要考慮：

1. 如何達到快速連接

智能工廠車間所產生的大數據和信息流，可能會讓企業自身網絡不堪重負。企業更多需要考慮的是硬件布線策略和軟件通信如何設計優化來實現改進自動化系統的高效連接功能，使這種設計流程更簡單、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用場景中實現場地連接部署的標準化和可復制性。

2. 及時數據處理

在智能工廠里，智能生產設備機器終端與智能傳感器以及質量安檢控制系統的實時數據同步處理和性能數據分析需要及時的數據轉化信號聯動和及時交互來提升自動化流線生產效率和保證安全的生產工藝管理。智能工廠對及時數據處理在數據的獲取、回傳信號指令的過程中有更高的快速響應需求，基于此智能工廠才能實現高效的生產加工流程管控和安全供應鏈管理。

3. 了解和升級智能流水線設備網

在工業自動化系統的基礎上升級傳統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，傳統工控采用PLC、單片機等電腦一體化統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多端交互的生產場景下，傳統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多線程、多業務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備將組建成一套標準化的智能流水線設備網，在智能傳動和智能控制技術的機器設備網絡中，加入盡可能多的智能、控制功能改善其傳統從一個中央處理單元(CPU)來處理所有的加工流線動作。

4. 智能工廠如何實現智能終端集群互聯?

智能工廠環境下，智能化流水線設備集群如何物聯組網，企業開發者研發打造擁有自主的物聯網組網管理系統不是最佳選擇路徑，高昂的研發成本和耗時長而未知的技術交付周期讓企業頻頻遇難，對接外部物聯網平臺的方式可以解決工業物聯網(IIoT)賦能智能工廠的環境下給企業帶來的復雜性挑戰。

5. 智能工廠：IIoT生態系統設計技術實現

下面例舉實戰下的智能工廠的IIoT生態系統的設計和實現方法，該方法基于西門子Simatic IoT2040，它是一種智能工業網關，連接到MODBUS傳感器，將數據發布到萬物互聯(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送反射回發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和室外的各種應用。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

通過向模塊發送數據幀然后監聽響應來讀取數據。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。您發送到SRF485WPR的數據幀如圖3所示。

圖2.超聲波游俠地址

圖3.數據框表單

• 中斷 -定義為兩個連續命令請求之間的時間延遲。
• 命令 -通過發送此信息，Ultrasonic Ranger會回復它的響應。
• 地址H，M，L -它是模塊的24位地址。
• 數據 -如果命令不需要，則是您希望發送到模塊的數據，零(0x00)。
• CheckSum -它是所有先前字節總和的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，讓我們考慮應該發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.數據格式

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

(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，并應插入Simatic。Yocto Linux可以從西門子網站下載。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。

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圖6. Simatic IoT2040上的SD卡安裝

Simatic有兩個名為X1P1LAN和X2P1LAN的以太網端口。第一個以太網端口即。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，請將以太網電纜的一端連接到計算機，將以太網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讀取數據，使用Python。默認情況下，Python安裝在Yocto Linux上。一些能夠串行發送數據幀的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。

要在Simatic上安裝pip，應編輯/ 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，更新包數據庫：

opkg update 

現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，我們現在可以安裝python庫：

pip install pyserial 
pip install microgear 
pip install serial 

創建Python文件

安裝了所有必需的庫后，我們現在開始編寫一個Python代碼，用于讀取Ultrasonic Ranger中的數據。為此，創建一個名為ranger的Python文件，如下所述:

nano ranger.py 

使文件可執行，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) 物聯網平臺(NETPIE)

NETPIE是基于物聯網云平臺服務，通過推動從應用程序開發人員或設備制造商手中連接物聯網設備的復雜性，以最無縫和透明的方式將物聯網設備(“事物”)互連在一起到云端。在NETPIE上，創建應用程序并生成設備密鑰。“board”是為此演示創建的應用程序ID，如圖7所示：

圖7.在NETPIE上創建應用程序ID

創建數據源，如圖8所示：

圖8.創建數據源

這是結果：

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圖9.顯示Ranger在NETPIE上檢測到的目標距離

結論

該方法討論了使用Siemens Simatic IoT2040作為從SRF485WPR接收數據的網關設備。通過Simatic IoT2040，處理行業中的生產數據變得更加高效，從而開辟了工業物聯網(IIoT)應用的道路。