未來的智能工廠——為工業(yè)4.0打下技術(shù)基礎(chǔ)

　　工業(yè)4.0通常被認(rèn)為是第四次工業(yè)革命的到來。從本質(zhì)上講，工業(yè)4.0是由機(jī)器、人以及產(chǎn)品組成的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)制造流程的實(shí)時(shí)優(yōu)化。智能制造將為從工廠車間到制造、供應(yīng)商和分銷商的整個(gè)價(jià)值鏈帶來更高的生產(chǎn)效率。

　　流程優(yōu)化和定制、資產(chǎn)跟蹤、預(yù)見性養(yǎng)護(hù)以及實(shí)時(shí)庫存優(yōu)化是工業(yè)4.0的一些主要目標(biāo)。到2020年，歐洲工業(yè)將在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方面投入1200億美元。

　　工廠中電氣化、自動(dòng)化和連通性的快節(jié)奏已經(jīng)為迅速適應(yīng)工業(yè)4.0打下了良好的基礎(chǔ)。為機(jī)器和零部件配備傳感器和網(wǎng)絡(luò)連通性是實(shí)現(xiàn)這一愿景的重要步驟。此外，數(shù)據(jù)分析與軟件平臺(tái)也是關(guān)鍵的因素。

　　德州儀器(TI)模擬業(yè)務(wù)部首席技術(shù)官Ahmad Bahai探討了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在半導(dǎo)體領(lǐng)域的主要屬性，尤其是模擬與嵌入式處理技術(shù)在實(shí)現(xiàn)全新智能制造浪潮方面所發(fā)揮的關(guān)鍵作用。

　　· 嵌入式傳感器：早在半導(dǎo)體技術(shù)出現(xiàn)之前，制造工廠就已經(jīng)開始使用傳感器了。然而，由于嵌入式處理器和微機(jī)電 (MEMS) 技術(shù)的迅速發(fā)展與創(chuàng)新，傳感器與換能器在制造業(yè)中的廣泛使用進(jìn)入了全盛時(shí)期。在大多數(shù)情況下，嵌入式傳感器的部署將作為工業(yè)傳感器的補(bǔ)充。

　　在一個(gè)芯片或封裝內(nèi)集成磁性元件、超聲波和光學(xué)傳感器能夠以增量成本的方式來簡(jiǎn)化對(duì)子系統(tǒng)的診斷和預(yù)測(cè)，并且不會(huì)對(duì)架構(gòu)產(chǎn)生比較大的影響。利用分布式網(wǎng)絡(luò)互連傳感器收集的數(shù)據(jù)來進(jìn)行預(yù)見性養(yǎng)護(hù)是未來智能化工廠在提升效率方面的一個(gè)實(shí)例。在大多數(shù)情況下，嵌入式傳感器是為了與智能模擬前端以及緊密耦合嵌入式信號(hào)處理對(duì)接，能夠非線性和任何其它缺陷進(jìn)行了校正。高效的電源管理以及與智能采樣技術(shù)對(duì)于常開低功耗傳感器的可靠運(yùn)行是十分關(guān)鍵。

　　· 嵌入式處理器：將智能化向系統(tǒng)轉(zhuǎn)移意味著在大量的工業(yè)“設(shè)備”中部署超低功耗安全嵌入式處理器。數(shù)據(jù)的本地處理是實(shí)時(shí)及低功耗嵌入式傳感器模塊的關(guān)鍵所在。在智能感測(cè)節(jié)點(diǎn)中，功耗少于70uA/MHz的超低功耗嵌入式處理器以及大量智能模擬接口是本地信號(hào)和數(shù)據(jù)處理的核心，包括例如FRAM等非易失性存儲(chǔ)器 (NVM) 技術(shù)。用于工業(yè)傳感器的嵌入式處理器會(huì)因?yàn)椴煌募傻凸β式涌凇⒅悄茈娫垂芾砗图蓵r(shí)鐘基準(zhǔn)而千差萬別。此外，硬件與軟件安全特性的結(jié)合也是保密通信以及IP和數(shù)據(jù)篡改保護(hù)的關(guān)鍵。

　　· 網(wǎng)絡(luò)互連：無所不在的連通性是實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。有線與無線連通性的混合使用實(shí)現(xiàn)了工廠車間或倉庫內(nèi)智能機(jī)器和零部件的高度分布式網(wǎng)絡(luò)。在智能工廠中，將IP地址直接分配給機(jī)器和傳感器是不可或缺的。目前，許多應(yīng)用已經(jīng)采用了工業(yè)以太網(wǎng)，而大部分的主要工業(yè)生產(chǎn)商正在考慮使用Wi-Fi®、6LoWPAN、甚至是Bluetooth® Smart等無線技術(shù)。任何一款支持連通性和智能電源管理的嵌入式低功耗MCU都可以由紐扣電池供電運(yùn)行10年。

　　· 隔離：為了實(shí)現(xiàn)保護(hù)、抗噪以及可靠運(yùn)行，隔離技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)應(yīng)用。在很多工業(yè)系統(tǒng)中，穿過隔離隔柵來傳輸用于測(cè)量與控制的高數(shù)據(jù)速率信息和寬帶信號(hào)變得越來越重要。對(duì)于工業(yè)接口而言，高效率和針對(duì)高壓浪涌的魯棒性是必不可少的。而在高帶寬數(shù)據(jù)隔離應(yīng)用中，可編程邏輯控制 (PLC) 背板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)通信和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)也是非常普遍的。此外，跨過隔離隔柵來傳輸數(shù)據(jù)和電能在諸如柵極驅(qū)動(dòng)器和用于高壓器件的工業(yè)傳感器柵極驅(qū)動(dòng)器等應(yīng)用中找到了用武之地。

　　總的來說，智能電源管理和高精度模擬器件是全部上述子系統(tǒng)的常見組件。安全性和可靠性是首要需求，并且對(duì)于車間內(nèi)智能機(jī)器和設(shè)備的部署是必不可少的。其次，在故障情況下保證安全運(yùn)行，并且防止黑客入侵的高可靠性和互連網(wǎng)絡(luò)也是十分關(guān)鍵的。

　　機(jī)器對(duì)機(jī)器 (M2M) 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIOT) 的理念已經(jīng)被提出和討論很多年了。不過。直到最近，由于半導(dǎo)體技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，工業(yè)市場(chǎng)已經(jīng)在智能制造和生產(chǎn)方面有了質(zhì)的飛躍。我們正在迎接“工業(yè)4.0”時(shí)代的真正到來。