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企业数字化转型可以使用的高级物联网传感器速览

2022-03-29 22:29 浏览: 2278 次 我要评论(0 条) 字号:

作者 | Zach Prystash
译者 | 王强
策划 | 丁晓昀

过去十年来,很多统计机构和物联网公司都预测物联网市场将稳定增长。展望未来,物联网市场有望迎来更大的增长。据《财富商业洞察》报道,至 2028 年全球物联网市场总值预计可达 18547.6 亿美元。不断增长的需求表明,许多业务部门对物联网解决方案的需求越来越大。越来越多的公司正在整合物联网解决方案来满足他们的业务需求,使市场需求节节攀升。

本文作者在 PSA 工作时,一直都在帮助各种公司达成集成物联网解决方案的复杂业务目标。现在他想分享他在物联网领域的实践经验和观察结果,释放物联网传感器的潜力,并帮助企业选择合适的传感器。

1 传感器在工业物联网市场中扮演怎样的角色?

传感器在物联网生态系统中被称为“物件”。因此在后文中,我们也会经常将它们称为“物件”。物件可以从企业收集信息,例如来自工厂设备的数据,来预测何时开始出现故障;物件可以收集特定区域检测到的外部物体和人员的数据;物件还可以收集描述工作条件的数据,等等。这些数据点收集上来后,就成为了分析公司绩效的基础,有助于公司制定新的业务战略、优化资源、提高生产力和企业安全性等。

Mordor Intelligence 的最新报告证实了制造业对物联网传感器,也称为 m2m(机器对机器)传感器的需求,显示传感器市场预计到 2026 年将以每年 24%的速度增长。要在这个市场上保持竞争力,制造商需要开发更实用、更实惠、可以在各种条件下工作的传感器。因此我们可以看到传感器的可靠性、工作范围、响应时间、性能、耐用性、与其他设备的集成难度以及互通能力方面都出现了不同程度的改进。

2 物联网传感器特性:企业可以使用哪些类型的传感器?

与物联网生态系统的其他组件相比,传感器并不是一件复杂的设备。它可以测量各种信息,例如机器的温度、声音、振动情况等。与普通传感器不同,“智能”传感器不仅可以测量物理量,还可以处理信息、与其他设备通信,并做出决策。此外,它们更快、更准确,甚至可以消耗更少的电力。智能传感器通常会使用以下组件:

  • 传感器本身收集数据

  • 微处理器生成数据输出

  • 无线通信功能将输出发送到指定的网络位置

实施工业 4.0 解决方案的工厂需要使用智能传感器在更复杂的工作条件下提供上述测量结果。例如,它们可以监控移动物体,使用超声波测量自身与工人难以到达的区域之间的距离,并与存在潜在危险的设备连接起来,从而提高工人的安全性。此外,智能传感器现在能够执行很多只有复杂设备才能执行的功能。它们可以代替用于测量电导率的电导计,或用于测量盐浓度的 TDS 计。例如,我们在 PSA 所做的一项工作就是在燃油分配系统中使用智能传感器。

高级物联网传感器可以根据使用条件进行编程。如有必要,工厂可以更新传感器的功能,以适应新的工作环境。

企业中最常见的物联网传感器类型有:

  • 压力传感器可以感知液体和气体中的压力变化,并能测量单位面积的受力

  • 温度传感器可以测量设备或环境温度并检测它的变化趋势

  • 化学传感器可以检测环境中存在的化学物质

  • 运动传感器能够检测物理对象的运动情况

  • 距离传感器可以确定物体与自身之间的距离

  • 水质传感器可以检查水中存在的化学物质、氧气和 PH 值以及电导率

  • 烟雾传感器可以检测房屋内是否存在烟雾

  • 红外(IR)传感器可以测量红外辐射和热量的水平

  • 液位传感器可用于测量某些罐中的液体、粉末和颗粒材料的液位

  • 图像传感器可以捕获图像用于进一步处理和分析

  • 加速度传感器可以测量物体的加速度

  • 陀螺仪传感器可以确定物体的方向,测量其角速度

  • 光学传感器可以通过检测光反射来识别物体

3 可以改善物联网生态系统的传感器技术

如今,传感器解决方案的制造商正专注于物联网领域,因为传感器市场存在这方面的需求。初创公司和老牌公司都可能对开发各种传感器解决方案感兴趣。物联网行业可以从它们的兴趣中受益,因为传感器解决方案会变得更加实用、耐用和便宜。在企业中部署这些传感器是物联网生态系统构建过程的一部分。在 PSA,我们屡屡看到这一框架能够让我们的客户一目了然地监控公司的所有工作流程。

因此,我们来看一下被认为是物联网市场中最先进的那些传感器解决方案吧。

立体视觉传感器

机器视觉经常用于 EIoT 解决方案,尤其是用于执行产品的质量控制。然而,这些视觉系统不仅复杂且相当昂贵,使得小型公司更难采用它们。

如今,正如 Denso 所展示的那样,上述视觉系统可以被现代物联网传感器所取代。Denso 开发了市面上最小的立体视觉传感器,用来装进汽车帮助防止碰撞事故。这些视觉传感器是在智能相机中实现的,也可用于物体识别、制造流程控制和产品质量保证。工厂可以批量安装这种小型实用的设备来监控大量生产节点。

由 Sick 公司开发的名为 Visionary-T DT 的传感器可以检测最远 160 英尺外的物体。它是一种 3D 视频传感器,使用飞行时间(TOF)技术来检测 3D 物体是否存在。使用该技术开发的解决方案是确保企业安全,和保护对象或区域的一种候选方案。该传感器使用激光技术捕捉图像,让你实时获得高精度的 3D 图片。这些传感器以及摄像头可用于创建高度精确的数字图像,从而提供最佳的预测结果。这种传感器也很容易用在机器人操作的仓库中,还可以用来控制各种场所的访问权限。

电力传感器

用于测量电流的复杂设备也可以用紧凑型传感器代替。德州仪器于 2020 年发布了一些精度极高的电流测量传感器。它们是第一批利用霍尔效应的电流传感器,无论温度条件如何,都能实现最低的漂移和极高的精度。这些 m2m 传感器可以在 -40 到 257 华氏度的复杂条件下进行测量。工业电机驱动器、太阳能逆变器、储能设备和电源等高压系统可以轻松配备此类传感器,从而提供足够的精度和安全的监测条件。

倾角传感器

对于非常重视垂直倾斜角度的采矿、建筑和汽车行业,EIoT 市场也提供了一些创新。Pepperl+Fuchs Vertrieb 开发了 F199 倾角传感器,该传感器可以测量角度,分辨率小于 0.01°,绝对精度为±0.15°。

对于动态倾角测量需求,村田制造开发了一种新型 MEMS 惯性传感器,SCHA63T。它是一个单封装、六自由度(6DoF)组件。这让它可以提供所有测量轴的设置,从而大大简化了制造流程。此外,这种传感器支持 GNSS 定位。该设备可以在机器动态和位置传感方面提供厘米级精度,并有助于确保安全、稳健和经过验证的设计活动。

物体检测传感器

在监控企业中的危险区域,尤其是不应存在外部人员或物体的区域时,公司通常使用包括摄像头、麦克风或 GPS 在内的物联网解决方案来保障安全。

由 Mimiq 开发的 Mimic Go 传感器可以使用加速度计、磁力计、有关当前温度的数据以及可以识别该区域中某些特定物体的运动传感器来检测环境的变化。借助它,你可以获得有关对象性质的信息,并检测对生产流程的潜在威胁。一旦检测到异物,传感器就会立即向生产操作员发送信号。将该传感器与其他物联网组件连接起来可以更轻松地识别外来物体,并立即解决相应的问题。

无电池传感器

去年另一个令人印象深刻的突破是 Everactive 开发的无电池传感器。它们被部署在了 Hershey 公司的工厂,其有效性得到了证明。该公司估计,由于无电池传感器功耗极低,部署两个月后他们能够节省数千美元的蒸汽系统成本。这些物联网传感器的功能满足了大多数工业测量要求,提供温度、湿度、光、振动、加速度、声学、压力,甚至各种气体测量能力。此外,与电池供电的传感器相比,无电池的 m2m 传感器可以更大规模地部署。

听起来像是一个产业级的突破,对吧?也许这种无电池技术将成为未来 EIoT 的基础——无电池 EIoT。

物联网传感器芯片

EIoT 使用的传感器配备了新一代芯片,因此变得更加先进。例如,高通发布了 7 款新芯片,可以满足各行业公司的需求,为他们提供了可视化监控资产的新机遇。其中一些芯片支持超高分辨率相机,以及平移、倾斜和缩放活动。

名为 Qualcomm QCS8250 的高端芯片可以集成在一个传感器中,然后这个传感器能够启动在仓库之类的地方操作的机器人。这里最令人印象深刻的是,执行这些操作需要的设备体积是如此之小。

高级芯片能够支持控制智能相机、视频协作和人工智能中心的资源密集型物联网应用。它们可以通过一个用于超直观人工智能和机器学习的新型神经处理单元来做到这一点。

4 如何为企业选择物联网传感器?

即使在确定其业务需求之后,公司选择合适物联网传感器的过程也可能并不像看起来那么简单。将传统工厂变成工业 4.0 企业,不仅要考虑传感器本身的优势,还要考虑更多实际的东西。制造公司应该为大量机器配备传感器,这些传感器在不同的条件下工作,执行不同的功能,并具有不同的折旧水平。物联网产品应该能帮助提高企业的效率。

物联网传感器会影响公司业务目标的实现吗?这里并没有直接联系,但我们可以在物联网传感器和业务目标之间建立以下链条:

因此,如果一家公司想要建立稳健的业务战略,就应该分析传感器收集的大量数据。如果它不能正确地收集数据,那么相比以尽可能高的精度收集数据的情况,这种策略就不是最优的,并且不会有多大用。

要确定工厂中 m2m 传感器应具备的品质,你可以先问自己以下问题:

  • 传感器消耗多少功率?

  • 安装方便吗?

  • 它在形式和功能上的通用性如何?

  • 它要花多少钱?

在选择工业用传感器时,请注意其物理可靠性。应该了解它们是否足够灵活,能否在各种环境中执行自身功能。这意味着传感器在各种条件下,例如温度差异很大的场所也能正常工作。还要注意物联网传感器平台应该是多功能的,因为它为传感器提供了全局互操作性。最重要的是,请确保你要正确应用设备。

部署传感器后,你可以针对物理障碍物和电磁干扰提供相应的保护,确保你的无线网络具有远距离覆盖和跳频扩频(FHSS)抗干扰能力。

接下来,确定制造流程所需的传感器精度水平。例如,如果目标是监测温度以确保工厂员工的舒适工作条件,那么出现零点几度的误差也不是什么大问题。而在生化实验室中,即使是最小的温度变化对流程也是至关重要的。

作为物联网生态系统的一部分,传感器可以传输对公司具有重要战略意义的关键数据。这意味着你应该注意其安全性,因为黑客可以通过一个传感器访问整个系统。因此,在将传感器引入你的物联网生态系统之前,请检查其安全性和用于传输数据的加密标准。为了提供额外的安全性,你可以向解决方案添加一层身份验证。

此外,了解传感器可以工作多长时间也很重要。可以的话,请了解设备的性能是如何随时间变化的,以及这些变化是否取决于工作环境。你还可以使用最新的电池技术(如固态电池)来延长设备的使用寿命。仅在数据传输活动期间工作的传感器通常需要较少的功率。在这些情况下,传感器可以使用电池供电超过 10 年时间。

最后一个关键点是你需要将其纳入你的预算。传感器可能是一种相对便宜的设备,但如果要在整个企业中部署物联网生态系统,你可能需要超过一百个这样的设备。因此,公司应该准备好在这些“物件”上花费大量资金,具体取决于正在实施的 EIoT 解决方案的类型。

此外,还要考虑传感器是否可以重复使用、使用时需要哪些基础设施以及维护传感器运行条件的难易程度。

无论你做什么,都不要选择未经公司基础设施测试的解决方案。

5 总结

由于物联网的快速发展,包括传感器在内的设备变得越来越便宜,整个生态系统也变得更加智能。

这些结果让企业能够针对其制造流程中更具体的需求获得解决方案,并在复杂条件下测量信息。例如,它们可以监控物体的运动,使用超声波测量自身与工人难以触及的物体之间的距离,并连接到具有潜在危险的设备上提供数据收集能力。一些复杂、笨重的测量设备可以用现代小型传感器代替,这些传感器可以快速传输数据。

企业要选择任何物联网解决方案(包括传感器)部署物联网生态系统之前,PSA 建议你找出当前制造流程中存在的所有缺陷,并找到解决方案来解决这些问题。

在这个阶段,考虑到选择最佳传感器必须要考虑的众多标准,可靠的物联网合作伙伴可以很好地帮助企业识别所有细节,并为整体物联网生态系统制定部署计划。

作者介绍:

Zach Prystash 在制定 EIoT 领域的上市战略方面拥有丰富经验,经手过工业自动化、医疗保健和金融科技项目。他利用自己的背景和知识帮助客户发展战略,并帮助他们联系专注于构建 EIoT 未来的专家。匹兹堡将自己定位为全球技术中心后,Prystash 先生一直密切关注不断变化的趋势脉搏,努力成为领导者和推动力。

原文链接:

https://www.infoq.com/articles/iot-sensors-enterprise/

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