新連接技術如何降低工業(yè)4.0的壁壘

在過去的幾十年里，網(wǎng)絡智能已經(jīng)遍布我們的城市、家庭和辦公室，對從恒溫器到交通信號燈的一切事物實現(xiàn)了賦能，并隨著制造商考慮如何通過連接技術和數(shù)字化的進步或工業(yè) 4.0 來提高產(chǎn)量而蔓延到工廠車間。

“大多數(shù)人都通過將邊緣節(jié)點或終端連接到互聯(lián)網(wǎng)在家中體驗過自動化”，德州儀器副總裁兼高速數(shù)據(jù) (HSD) 部門總經(jīng)理 Ahmed Salem 說道?！巴瑯?，工業(yè) 4.0 涉及將信息技術的創(chuàng)新與運營技術聯(lián)系起來，使制造系統(tǒng)變得更加智能和自主?！?/p>

籠式機器人定義了工業(yè) 3.0 時代，它們傳統(tǒng)上用于重工業(yè)，并且往往只執(zhí)行有限數(shù)量的可重復任務，而工業(yè) 4.0 涉及足夠智能的機器人，它們可以與人類一起安全自主地組裝從汽車、飛機機翼到智能手機和筆記本電腦的任何東西。 

在速度與可靠性之間找到平衡

現(xiàn)代工廠網(wǎng)絡架構的趨勢是，通過持續(xù)制定行業(yè)標準和協(xié)議（如時間敏感網(wǎng)絡 (TSN)、EtherCAT 和 Profinet）來提高效率、安全性和可持續(xù)性。

“在家里，同步或數(shù)據(jù)丟失問題只是令人沮喪而已”，Ahmed 說道。“但在工業(yè)自動化領域，可靠性和值得信賴的通信至關重要，因為數(shù)據(jù)丟失的后果可能代價高昂，甚至是災難性的。”

即使是像發(fā)送控制信號時意外產(chǎn)生幾毫秒延遲這樣簡單的事情，也可能導致壓縮天然氣機器不同步，造成永久性損壞。在最壞的情況下，斷開連接可能會導致機械臂失控等危險情況。

由于這些原因，工廠過去依賴于經(jīng)過實踐驗證的確定性通信技術，確保在設定的時間窗口內(nèi)發(fā)送所有控制信號。然而，其中大多數(shù)技術都存在速度慢這一缺點，這會阻礙大量信息的快速流動，從而影響多傳感器智能控制系統(tǒng)發(fā)揮作用。

相比之下，以太網(wǎng)長期以來一直提供高級自動化所需的帶寬，最大速度為幾十、幾百甚至上千兆比特數(shù)量級。例如，EtherCAT 和 Profinet 就是專為應對工業(yè)環(huán)境挑戰(zhàn)而設計的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。使用工業(yè)以太網(wǎng)的新工業(yè)通信裝置比例從 2016 年的 38% 增加到今年的 68%。

此外，TSN 標準的開發(fā)使以太網(wǎng)成為控制網(wǎng)絡的常見選項，因為以太網(wǎng)可通過高度精確的分布式時鐘和自動確定時間敏感控制消息優(yōu)先級等功能，確保在指定的時間窗口內(nèi)發(fā)送控制信號。

德州儀器的產(chǎn)品組合品類豐富，包括上述連接解決方案以及更多有線或無線解決方案，并經(jīng)過驗證和測試，符合最高的工業(yè)、汽車和監(jiān)管標準。

 與傳統(tǒng)基礎設施搭配使用

雖然較新的協(xié)議和 TSN 使以太網(wǎng)適合在工業(yè)控制環(huán)境中使用，但安裝成本仍然是阻礙其得以采用的因素。

以往，以太網(wǎng)設計使用多根雙絞線電纜，最大長度可達 100 米。這意味著，想要采用以太網(wǎng)的制造商不僅需要更換所有電纜，還將不得不改變使用較早單線對技術建造的工廠的整個布局，這涉及到的電纜長度長達幾公里。

大多數(shù)制造商無法承受停止生產(chǎn)線數(shù)周來更換昂貴基礎設施的成本，因此單線對以太網(wǎng)的開發(fā)（可以使用工廠的現(xiàn)有電纜運行）一直是實現(xiàn)技術采用的關鍵。

“單線對以太網(wǎng)是一種易于采用的以太網(wǎng)版本，無需從根本上改變您構建制造設施的方式”，以太網(wǎng)聯(lián)盟行業(yè)聯(lián)盟主席 Peter Jones 說道?！芭c其期望工廠滿足現(xiàn)代信息技術的要求，不如去問問他們需要什么，以及我們能提供什么幫助?！?/p>

作為以太網(wǎng)聯(lián)盟的成員，德州儀器致力于通過支持單線對、多線對或光纖布線的物理層收發(fā)器系列，幫助開發(fā)工業(yè)以太網(wǎng)的多種形式。自動化系統(tǒng)設計人員可從這些產(chǎn)品中選擇 10/100Mbps 和 10/100/1000Mbps DP838x 工業(yè)以太網(wǎng)收發(fā)器實現(xiàn)高速率和低延時，或選擇 DP83TD510 收發(fā)器實現(xiàn) 2 公里的電纜長度。所有收發(fā)器都能夠抵抗工廠環(huán)境中的高溫和電磁噪聲影響。

制造業(yè)的精益化未來

建設制造業(yè)的美好未來是一個持續(xù)過程。隨著復合傳感器變得越來越經(jīng)濟實惠，人工智能 (AI) 功能變得越來越精進，人們對更高通信帶寬的需求也在日益增加。但隨著這些挑戰(zhàn)的出現(xiàn)，創(chuàng)建更可持續(xù)和更高效制造工藝的機遇也相繼而來。

專為支持邊緣 AI 而設計的處理器（例如德州儀器的 AM6xA 處理器產(chǎn)品系列）可省去與集中式可編程邏輯控制器通信的需求。在本地運行機器視覺算法不僅可以使機器人與人類一起工作，甚至可以使它們向人類學習。例如，通過調(diào)整可以使個人以更優(yōu)順序執(zhí)行一系列裝配任務。

從長遠來看，工業(yè) 4.0 還將涉及對關鍵系統(tǒng)（包括傳感器、執(zhí)行器及其連接的通信基礎設施）的持續(xù)監(jiān)控以及預測性分析的部署（可以自動預測何時需要維護或維修工作）。

對于較新的基于視覺的機器人系統(tǒng)，V3Link 等技術可實現(xiàn)低延時、同步和可擴展的無壓縮視頻傳輸，有助于避免工廠車間發(fā)生事故。

改善人與其他機器人之間的協(xié)調(diào)需要先進的本地處理，并且通常還需要無線連接，以實現(xiàn)可靠的室內(nèi)定位系統(tǒng)（請參閱 Wi-Fi、低功耗藍牙 (BLE) 和 Sub-1Ghz/BLE 等重要選項）。

“關閉工廠進行維護的成本很高”，Ahmed 說道?！叭绻贫硕ㄆ诰S護計劃，就必須定期維護，無論是否需要。相比之下，預測性維護意味著您可以僅在需要時執(zhí)行維護工作，從而避免不必要的停機和浪費?！?/p>

對于各制造商來說，在安全性、效率和可持續(xù)性方面的這些改進比可選優(yōu)勢更重要?！斑@些舉措對整個社會來說都非常重要，因為我們希望優(yōu)化我們的系統(tǒng)以更好地應對 21 世紀的挑戰(zhàn)，”處理器副總裁兼總經(jīng)理 Roland Sperlich 說道。

“在接下來的 10 年里，我認為我們將開始看到傳感器技術和邊緣 AI 在降低功耗方面發(fā)揮作用，例如，允許我們動態(tài)關閉工廠的某些部分，然后在需要時快速讓它們恢復生產(chǎn)”，他說道，“隨著世界各國都需要適應不斷增長的人口和超負荷運轉的電網(wǎng)，這些創(chuàng)新對于實現(xiàn)節(jié)能至關重要，而節(jié)能不僅符合客戶預期，也符合我們所有人的需要。”