数字工厂的智能传感器

传感器像人的五官一样，是获取信息的重要工具。它在工业生产、国防建设和科学技术领域发挥着巨大的作用。但与飞速发展的计算机相比较，作为“五官”的传感器远远赶不上作为“大脑”的计算机的发展速度。

随着测控系统自动化、智能化的发展，要求传感器准确度高、可靠性高、稳定性好，而且具备一定的数据处理能力，并能够自检、自校、自补偿。传统的传感器已不能满足这样的要求。另外，为制造高性能的传感器，光靠改进材料工艺也很困难，需要利用计算机技术与传感器技术相结合，弥补其性能的不足，计算机技术使传感器技术发生了巨大的变革，微处理器(或微计算机)和传感器相结合，产生功能强大的智能传感器。

智能传感器不仅可以记录测量变量，还可以对信号进行处理。它通常具有微处理器或控制器，如有需要，它通常还具有用于与更高级别的系统进行通信的标准化接口。随着信息技术的发展，智能传感器的功能在逐步增强，利用人工神经网、人工智能、信息处理技术(如传感器信息融合技术、模糊理论等)，使传感器具有更高级的智能，具有分析、判断、自适应、自学习的功能，可以实时完成对对象的图象识别、特征检测、多维检测等复杂任务。

在典型的低功耗移动系统设计中，主机微控制器在正常有源模式下所用功耗占系统总功耗的绝大部分。因此，开发人员会寻找一切机会让微控制器在低功耗休眠模式下运行，并将处理器的唤醒时间控制在仅仅足够让处理器完成传感器数据处理或通信等任务的程度内。但是，随着用户对始终开启检测和更长电池续航时间的需求越来越高，这种方式变得难以为继。如今，研究人员可以将机器学习技术集成到类似于LSM6DSOX等的传感器中，便可以实现在没有有源微控制器的情况下进行分析。这种解决方案不但可以执行更加复杂的任务，同时也节省了电力和计算能力。

智能传感器通常会提高生产的灵活性。由于可以进行预测性维护，因此停机时间也更短，从而降低了安装、配置和维护的成本。此外，它还可以减少产品质量检验的次数，不再需要从生产线中取出产品进行实验室测试。

在一项详细分析中，安永（EY）研究了智能传感器在2019年对德国，奥地利和瑞士三个国家中对九个行业利润的影响。结果表明，即使实施程度不是那么的高，但是各行各业的公司都有从智能传感器的引入中受益。到2030年，在智能传感器渗透率的最高点，预计利润率（EBITDA）将增长11％至34％。

硬传感器和软传感器相互补充

"由于存在较长的停机时间等限制，对于化学工厂的安全监视和控制存在的重要变量很难进行在线测量，这些限制可能导致重大隐患的出现，例如产生有毒副产品和安全问题。"德国弗劳恩霍夫工厂运行和自动化研究所的科学家Marcus K?gler报告说，而使用“软”传感器可以成功克服这些挑战。

软传感器是一种软件模型，基于实时过程数据预测过程值，可以使用算法同时处理数百个测量值，并且可以预测无法直接测量的参数。这些无法直接测量的变量用物理设备测量非常困难，且受到可靠性和成本的限制。这种模型弥补了传统实验室测量需要较长时间的不足，结果的产生从几小时减少到了几分钟。归根结底，它们是智能传感器的必不可少的补充，因为它们可用于化学生产或燃烧过程中，其硬件同类产品可能会失效。未来也可能会越来越多地使用软传感器，但目前它们仍是研究的主题。

智能传感器的网络协作

智能传感器的一个重要挑战是在共享网络中智能可靠地采取行动并做出反应。这还包括自我观察，以便识别何时测量的数据不正确或不合理。但是，网络中的这种通信需要接口的跨制造商标准化，这是一个很大的挑战。

在iVeSPA（飞机制造中的集成验证，传感器和定位）联合项目的子项目中，学界和业界的合作伙伴（Advanced Realtime Trackin，Agilion，空中客车，西门子，TWT，Fraunhofer IFF和ZAL）合作解决了该问题。为了从过程中直接实时记录的数据中获取相关信息，联合小组开发了移动式“ AirBOX”，它将传感器互连以形成一个灵活的网络。传输的数据量仍然很小，几乎不会影响本地无线电网络。对于传感器网络，可以从40种传感器类型中选择并连接多达6个智能传感器，这些传感器将自动识别并预先配置。同时也可以将多个AirBOX连接在一起以形成网络。

这就是术语“行业分析（IA）”起作用的地方。除了数据准备和管理，数据分析和可视化分析之外，它还包括机器学习以及模拟这一极为重要的领域。数据分析，工业4.0和物联网的结合提供了更高的效率和更高水平的自动化和实时分析，以提高利用率、可用性和透明度。因此，IA是行业优化的一种新形式。但是，尽管业内估计有十分之九的传感器是智能的，但估计已收集的数据中有97％不再使用，因此目前很少使用IA。

传感器需要智能连接

在智能传感器中，TCP/IP以及以太网在实时性方面很快就达到了极限。。IO-Link在这里可以作为智能接口提供。IO-Link传输模拟和数字信号，并可以与上面的控制器交换设备参数。

IO-Link（IEC61131-9）是一种开放式标准串行通信协议，允许从支持IO-Link的传感器和设备进行双向交换数据，并连接到主站。IO-Link主站可以通过各种网络，现场总线或背板总线传输此数据，使数据可通过工业信息系统（PLC，HMI等）进行即时操作或用于长期分析。每个IO-Link传感器都有一个描述设备及其IO-Link功能的IODD（IO设备描述）文件。

IO-link已确立自己作为“最后一米”的通信协议，因为它使微控制器的这种潜力得以充分利用。它可以轻松在线识别设备，以及配置和修改参数。它还可用于传输测量和开关信号，启用诊断功能并提供出色的过程透明性。为此，不再需要复杂的传感器系统和封闭的现场总线环境。

通过这些功能，IO-link可以使用重要的增值功能。这些措施包括预防性维护，更换传感器后的简单重启程序以及（如有必要）整个工厂的详细概述。同时，它通过将数据提供给更高级别来满足现场级别和工业4.0施加的IT网络之间的垂直连接的要求。IO-link标准为与现场设备进行双向通信提供了基础。

Roland Berger在2017年对智能传感器进行了详细研究。当时预测，从2015年到2020年，它们的销量将翻一番，达到300亿个。目前，由于市场需求旺盛，智能传感器的销量每年增长17％。

然而，由于市场竞争的加剧和对廉价产品需求的增长，制造商同时也面临着不断增加的成本压力。每个传感器单元的价格平均每年下降8％。在2010年至2020年之间，传感器单元的价格预计减半。

罗兰·贝格（Roland Berger）合伙人迈克尔·亚历山大（Michael Alexander）估计，未来三到五年：“智能传感器是一个巨大的增长市场，增长潜力约为1500亿美元。物联网，人工智能以及云和边缘计算这些领域对于中更高性能的要求是关键的市场驱动力。

在汽车领域，传感器的应用领域也在发生变化：这主要是由于目前汽车行业朝着新的出行服务，电动驱动器和自动驾驶的发展，在汽车行业将实现最高的绝对增长率。

文：DR. BARBARA STUMPP；编译：德国工业智库

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