全球正在掀起智能工廠(chǎng)熱潮，它是在傳統工業(yè)自動(dòng)化之后的更高層次。比如德國目前正在進(jìn)行的工業(yè)4.0，歐盟多個(gè)成員組成的歐盟“智能工廠(chǎng)”研發(fā)團隊FRAME等。新一代的智能工廠(chǎng)是要采用最先進(jìn)的創(chuàng )新型傳感網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和人機交互技術(shù)，通過(guò)先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)與遠程監控技術(shù)，實(shí)現具有自我意識、自我學(xué)習和自我適應能力的智能型自動(dòng)控制工廠(chǎng)，提高生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)效率及產(chǎn)量，在問(wèn)題發(fā)生前就能預知問(wèn)題，從而進(jìn)行改良，讓生產(chǎn)線(xiàn)不間斷運行，最終弱化工業(yè)生產(chǎn)中第一線(xiàn)人的作用，推動(dòng)實(shí)現無(wú)人工廠(chǎng)。作為制造大國的中國，這也是今后要重點(diǎn)發(fā)展的方向。
“是的，中國正在積極參與智能化工廠(chǎng)的進(jìn)程中?！?ADI負責工業(yè)控制的市場(chǎng)經(jīng)理張松剛表示，“我認為，智能化工廠(chǎng)是將原來(lái)自動(dòng)化工廠(chǎng)的孤立的點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接起來(lái)，實(shí)現更有效的管理，引入物聯(lián)網(wǎng)，并開(kāi)放一部分資源供產(chǎn)業(yè)鏈上下游共享。這里，首先能提升整個(gè)工廠(chǎng)效率是的對供應鏈上下游的影響，這類(lèi)資源共享會(huì )提升整體效率，降低工廠(chǎng)物流風(fēng)險?！?/font>
而美信工業(yè)應用市場(chǎng)專(zhuān)家Suhel Dhanani指出智能化工廠(chǎng)的另一方面也將體現在總廠(chǎng)處理單元與執行器(如閥門(mén)、繼電器以及控制大量電機的伺服驅動(dòng))的連接回路上。?智能化工廠(chǎng)從工廠(chǎng)內的不同設備收集大量輸入，處理其數據，然后調節這些設備的參數，從而優(yōu)化運行并縮短停機時(shí)間。此類(lèi)工廠(chǎng)的另一個(gè)方面體現在能夠預測各種設備(如電機和閥門(mén))所需的維護類(lèi)型和時(shí)間，并制定維護計劃，將停機時(shí)間降至最短。
對于智能化工廠(chǎng)，張松剛認為分以下幾個(gè)方面。首先，他認為智能化是需要雙向互動(dòng)的，網(wǎng)絡(luò )通訊與智能化傳感技術(shù)的發(fā)展將會(huì )促進(jìn)工業(yè)控制的智能化發(fā)展。網(wǎng)絡(luò )通訊技術(shù)可以將工業(yè)控制整合成一個(gè)系統，可以在優(yōu)化的控制系統中實(shí)現智能化，網(wǎng)絡(luò )將各個(gè)分立的子系統及節點(diǎn)連接成大的系統，越來(lái)越多的工業(yè)控制系統實(shí)現了聯(lián)網(wǎng)并更加智能化。其次，傳感技術(shù)也在不斷地更新與變化中，越來(lái)越多的智能技術(shù)被用在傳感器上，網(wǎng)絡(luò )技術(shù)也已開(kāi)始與傳感器緊密結合。比如這幾年非常熱的物聯(lián)網(wǎng)概念，都是工業(yè)控制智能化的具體體現。在這當中，軟件技術(shù)的發(fā)展將面臨巨大的技術(shù)挑戰，真正雙向的通訊、智能傳感及智能通訊，都需要高可靠性的軟件來(lái)支撐，針對于不同的控制對象也需要更多專(zhuān)業(yè)化與定制的軟件。此外，針對于工業(yè)應用復雜的現場(chǎng)及特定的條件，高溫、高可靠性、需要隔離的器件也需要更多的新技術(shù)去支撐?！斑@里相關(guān)的最主要的電子技術(shù)是馬達伺服控制、傳感器以及通信技術(shù)。ADI都會(huì )重點(diǎn)關(guān)注?！彼a充道。
德州儀器MCU&WCS業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理吳健鴻也認為智能化工廠(chǎng)將是一個(gè)快速增長(cháng)的領(lǐng)域。他稱(chēng)：“我們已開(kāi)始注意到工廠(chǎng)正在投資制造自動(dòng)化的趨勢。雖然這種趨勢只是剛剛開(kāi)始，但我們確實(shí)看到了需求的存在。自動(dòng)化控制、計算機視覺(jué)、伺服與機械臂都是我們開(kāi)始看到大型工廠(chǎng)所感興趣的領(lǐng)域。所有這些自動(dòng)化都將需要控制與連接。有了IoT，操作人員可以從中央控制室控制和調整生產(chǎn)線(xiàn)，而且即便是在家中，也能實(shí)現24小時(shí)監控。我們預計工廠(chǎng)自動(dòng)化和IoT將帶來(lái)長(cháng)期經(jīng)營(yíng)的效率與成本優(yōu)勢?！?/font>
日系廠(chǎng)商ROHM也正在為智能化工廠(chǎng)提供系列方案：“隨著(zhù)FA(工廠(chǎng)自動(dòng)化)市場(chǎng)在世界范圍內的急劇擴大，提高生產(chǎn)能力以及低耗電、小型化設備的開(kāi)發(fā)不斷推進(jìn)，ROHM為這些設備提供各種電子元器件?！痹摴矩撠熑吮硎?。他認為，EMS(能源管理系統)對于智能化工廠(chǎng)不可或缺，ROHM針對HEMS、BEMS、FEMS等EMS，在系統層面上提供最佳元器件產(chǎn)品。為了減少CO2排放量，人類(lèi)正在積極利用自然能源。為了毫無(wú)浪費地利用這些能源，需要提高電力系統的效率，ROHM正在開(kāi)發(fā)使系統自身達到更高效率的電源IC、傳感器、通信IC、MCU以及電子零部件等產(chǎn)品?！癛OHM的強項在于模擬IC、傳感器、功率元器件，此外加上集團公司--LAPIS Semiconductor的系統控制技術(shù)，在更廣泛的技術(shù)領(lǐng)域滿(mǎn)足客戶(hù)需求?！?/font>
智能化工廠(chǎng)正在向我們走進(jìn)，在某些應用領(lǐng)域會(huì )發(fā)展更快一些?！拔覀冋J為在一些分布式控制，采樣點(diǎn)較多，較分散(較遠)，測試數據量比較大的工廠(chǎng),例如冶煉廠(chǎng)，化工廠(chǎng)，鋼廠(chǎng)等會(huì )首先實(shí)現智能化。PLC/DCS，現場(chǎng)儀表和現場(chǎng)自動(dòng)化控制的相關(guān)工廠(chǎng)對智能化的需求明顯。具體體現為系統的自我診斷，自我保護，實(shí)時(shí)通訊和冗余備份等功能?！盇DI的張松剛分析道。TI吳健鴻也認為，那些具有極大規模的高產(chǎn)能工廠(chǎng)、主要用于消費類(lèi)產(chǎn)品以及化工廠(chǎng)與煉油廠(chǎng)等某些24小時(shí)運行的工廠(chǎng)會(huì )首先走向智能化。
智能化工廠(chǎng)對于控制器的要求
“目前來(lái)看，智能化工廠(chǎng)最重要的技術(shù)之一是馬達的伺服控制系統?！睆埶蓜偙硎?，“由于智能化聯(lián)網(wǎng)的需求，這些控制器正在轉向基于A(yíng)RM核的控制器?！彼忉?zhuān)瑐鹘y上基于實(shí)時(shí)DSP的控制處理器會(huì )占主導，但是往后看，DSP的路會(huì )越走越窄，因為ARM架構中在不斷加入實(shí)時(shí)控制功能，而ARM的生態(tài)資源更加開(kāi)放，差異化主要會(huì )體現在外圍上，包括集成各種通信功能。在通信連網(wǎng)技術(shù)方面，他認為以太網(wǎng)協(xié)議將在工廠(chǎng)中逐步取代傳統的485或Can協(xié)議，因為有更高的帶寬，滿(mǎn)足未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)大數據處理的需求，但是這個(gè)才剛剛開(kāi)始，不會(huì )太快。ADI目前已將以太網(wǎng)mac集成到控制器中?，F在馬達伺服器的控制方式是由MCU與FPGA共同完成。對于目前FPGA廠(chǎng)商比較積極地參與這個(gè)市場(chǎng)，他認為FPGA主要的優(yōu)勢在協(xié)議分析上面，更具有靈活性，但是價(jià)格上仍完全沒(méi)有競爭力?，F在的MCU已非常便宜。
比如ADI近期推出的ADuCM360低功耗精密模擬微控制器非常適合工業(yè)智能傳感器應用。ADuCM360是完全集成的3.9kSPS、24位數據采集系統，在單芯片上集成雙核高性能多通道Σ-Δ型模數轉換器(ADC)、32位ARM Cortex-M3處理器和Flash/EE存儲器。該MCU具備業(yè)界最高的精度模擬轉換，每mW功耗處理能力具有優(yōu)勢。
吳健鴻分析道，從連接角度來(lái)看，工業(yè)自動(dòng)化上我們所看到的典型接口有：RS485、CAN、以太網(wǎng)，除此之外，我們還看到有Ethercat等其它標準。TI的Sitara已經(jīng)獲得可滿(mǎn)足所有這些不同類(lèi)型接口需求的參考設計。從OS角度看，大部分大規模系統可能會(huì )運行Linux，但在嵌入式系統領(lǐng)域就不存在主導市場(chǎng)的特別OS。就MCU而言，有時(shí)我們也推薦SAFEOS等TI自己的RTOS。
張松剛補充，在傳統4-20mA通信接口標準的基礎上，目前遵循HART協(xié)議的4-20mA正逐漸成為新一代標準。ADI為此推出了AD5700 HART調制器。另外無(wú)線(xiàn)傳輸也逐步被更多客戶(hù)采用。例如433mMHz、800—900MHz和2.4GHz的無(wú)線(xiàn)收發(fā)器。ADI為此推出了ADucRF101、ADF7242、ADF7023等無(wú)線(xiàn)收發(fā)器。
傳感器與能量采集
傳感器是智能化工廠(chǎng)最重要的節點(diǎn)。美信工業(yè)應用市場(chǎng)專(zhuān)家Suhel Dhanani指出，智能化工廠(chǎng)將與無(wú)處不在的傳感器相結合，實(shí)現連通性。這樣的工廠(chǎng)將擁有大量傳感器，監測從原材料等級到成品質(zhì)量的整個(gè)過(guò)程。這些傳感器將是智能的，既具有一定程度的分布式智能性，也連接至總廠(chǎng)的分布式控制系統(DCS)或可編程邏輯控制器(PLC)。美信擁有從傳感器采集原始信號并對其進(jìn)行調理的產(chǎn)品，使其能夠被本地或中央處理器所識別和處理。這些產(chǎn)品包括模擬開(kāi)關(guān)、放大器、ADC、集成熱電偶/RTD調理器、電壓基準、DAC、輸出調理器，也包括HART調制解調器。預計這些模擬以及數字輸入和輸出通道的密度將持續增加，美信已經(jīng)率先開(kāi)發(fā)了集成產(chǎn)品，例如數字輸入串行器、數字輸出驅動(dòng)器和集成調理器，允許實(shí)現多個(gè)通道應用，而封裝尺寸不到上一代產(chǎn)品的一半。此外，他指出，“傳感器也必須通過(guò)諸如IO Link或RS 485/Profibus等協(xié)議進(jìn)行通信。大多數系統故障都發(fā)生在這一接口級。美信能夠為器件提供業(yè)內領(lǐng)先的最高等級ESD和故障保護——是其它廠(chǎng)家保護等級的2倍以上。這些器件為接口的可靠性樹(shù)立了新標桿，在傳感器數據非常關(guān)鍵的場(chǎng)合是不可缺少的?！彼a充道。
吳健鴻表示，TI新一代的電感傳感技術(shù)應用范圍從簡(jiǎn)單的按鈕、旋鈕及開(kāi)關(guān)到高分辨率心率監視器、渦輪流量計以及高速電機／齒輪控制器，無(wú)所不包。由于其廣泛的用途，LDC可用于眾多不同市場(chǎng)，包括汽車(chē)、大型家用電器、消費類(lèi)電子產(chǎn)品、移動(dòng)設備、計算、工業(yè)以及醫療等。TI推出的業(yè)界首款電感數字轉換器(LDC)可將線(xiàn)圈及彈簧用作電感傳感器，與現有傳感解決方案相比，可在更低系統成本下實(shí)現更高分辨率、可靠性及靈活性。
ADI方面，張松剛表示，工業(yè)用傳感器一直是ADI MEMS產(chǎn)品的關(guān)注重點(diǎn)，針對工廠(chǎng)里常用的泵、軸、風(fēng)機、電機等，ADI推出了一系列振動(dòng)檢測傳感器，比如高分辨率的ADXL203系列，寬帶寬的ADXL001，三軸數字化的ADIS16223，還有帶FFT分析的ADIS16227/ADIS16228，以及帶有無(wú)線(xiàn)傳輸功能的ADIS16229/ADIS16000。通過(guò)分析這些轉動(dòng)和振動(dòng)機械的振動(dòng)波形，就可以預判機器是否有螺絲松動(dòng)、器件老化等問(wèn)題，這樣可以避免人工的周期檢測和突然停機造成的安全隱患以及經(jīng)濟損失?！皩τ谶@種工業(yè)應用場(chǎng)合而言，產(chǎn)品的魯棒性是ADI主要考慮的重點(diǎn)，比如這些傳感器都可耐受幾千個(gè)g的沖擊，工作溫度范圍均可支持-40C到85C，甚至是-55C到125C?！?/font>
而ROHM正在開(kāi)發(fā)最新技術(shù)的“CIGS圖像傳感器”，針對工業(yè)自動(dòng)化級相機。其具有以下特點(diǎn)：
① 從可見(jiàn)光到近紅外光的寬波段范圍內可高靈敏地感光，比硅PD感光范圍寬的1200nm以?xún)鹊膶挷ǘ戊`敏度；
② 層疊CIGS薄膜PD，放置于最表層，實(shí)現大的開(kāi)口率；
③ 實(shí)現高效的全局快門(mén)功能，由于儲存時(shí)間可變，因此可實(shí)現更高的動(dòng)態(tài)范圍。
此外，ROHM負責人表示，ROHM備有工廠(chǎng)自動(dòng)化EMS(能源管理系統)不可或缺的、收集環(huán)境和電量等信息的豐富的傳感器IC，特別是能量采集技術(shù)——EnOcean(易能森)的能量采集技術(shù)。這種技術(shù)具有收集存在于自然界的非常小的能量(動(dòng)作、光、溫度差等)將之轉換為電力，并利用這種電力無(wú)線(xiàn)傳輸信息的功能。從產(chǎn)生成為電力源的動(dòng)作到無(wú)線(xiàn)通信傳輸的全過(guò)程僅0.01秒即可完成，無(wú)需電源與電線(xiàn)即可提供低功耗的無(wú)線(xiàn)傳感器解決方案。該技術(shù)的特點(diǎn)之一是使用了這種技術(shù)的產(chǎn)品無(wú)需保養?！傲_姆是"EnOcean Alliance"(易能森聯(lián)盟)的骨干成員發(fā)起者。今后，羅姆將站在EnOcean Alliance的發(fā)起者的立場(chǎng)上，與其他成員企業(yè)緊密合作。另外，還將提供羅姆擁有的各種傳感器技術(shù)、低功耗技術(shù)，致力于無(wú)線(xiàn)無(wú)源傳感器網(wǎng)絡(luò )的不斷發(fā)展與壯大?！彼硎?。
針對能量收集，張松剛解釋?zhuān)澳芰渴占唧w體現為對現場(chǎng)光能，熱能，機械能和電磁能的采集。所采集的能量轉換為電能用以支持現場(chǎng)應用?！彼硎?，針對能量收集應用，AD5090是ADI新近推出的電源管理芯片，它能高效實(shí)現現場(chǎng)能源的收集和轉換。
哪一種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)最合適
目前有多種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)都可用于智能化工廠(chǎng)。雖然張松剛認為目前自動(dòng)化工廠(chǎng)仍以有線(xiàn)的485與CAN為主，因為高可靠性最重要。不過(guò)，無(wú)線(xiàn)通信方式是物聯(lián)網(wǎng)上主要采用的技術(shù)。談到哪一種無(wú)線(xiàn)技術(shù)最適合于智能化工廠(chǎng)？TI的吳健鴻分析道：“IoT市場(chǎng)不存在主導性無(wú)線(xiàn)技術(shù)，不同的使用案例環(huán)境需要不同類(lèi)型的解決方案。例如，如果IoT與IP直接相連，最常用的就是以太網(wǎng)或WLAN。對于需要遠距離連接和能夠穿墻的工業(yè)類(lèi)應用而言，1GHz以下頻段的專(zhuān)有無(wú)線(xiàn)連接可能會(huì )是更好的選項。而如果IoT需要連接至移動(dòng)設備，BLE與WiFi則將是不錯的選擇。鑒于這種情況，我們會(huì )花大量的時(shí)間與客戶(hù)直接溝通，共同討論其系統需求，向他們推薦某些最適合其需求的技術(shù)。與其他只重視某一項技術(shù)的IC公司不同，TI擁有所有不同類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)解決方案，這可為用戶(hù)提供一個(gè)充分利用最佳技術(shù)滿(mǎn)足其需求的選項。這比只鉆研某項可能、只能在一種情況下工作的技術(shù)更為重要?！?/font>
他進(jìn)一步解釋?zhuān)热缰悄芄S(chǎng)的遠距離控制是一個(gè)眾多不同使用案例環(huán)境所需的技術(shù)整合，一般來(lái)說(shuō)TI根據客戶(hù)的系統要求及工作環(huán)境與客戶(hù)合作，提出能夠充分滿(mǎn)足其需求的最佳解決方案。他詳細分析如下：如果應用只需要簡(jiǎn)單的傳感器和簡(jiǎn)單的控制命令，我們會(huì )看到大量解決方案都建立在具有以太網(wǎng)功能的標準可編程邏輯控制器(PLC)基礎之上。數據將通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送至云端或服務(wù)器，然后將控制數據發(fā)回PLC實(shí)現控制。但對于更高級的系統而言，我們可能看到的是使用網(wǎng)關(guān)和集中器從成千上萬(wàn)的設備中采集信息，然后再通過(guò)這些網(wǎng)關(guān)和集中器把信息發(fā)還給服務(wù)器。在較小規模的系統中，客戶(hù)仍然主要使用RS485與CAN等有線(xiàn)連接，然后通過(guò)以太網(wǎng)連接至服務(wù)器／云。對較大型的系統，客戶(hù)可使用1GHz專(zhuān)網(wǎng)、ZigBee、以太網(wǎng)、Ethercat以及電力線(xiàn)通信等不同連接。TI一般會(huì )根據客戶(hù)的系統需求與客戶(hù)合作，確認可滿(mǎn)足其需求的最佳產(chǎn)品，包括基于Tiva(M4)的以太網(wǎng)MCU、基于A(yíng)RM A8并支持Ethercat的Sitara、基于TMS320C2000的電力線(xiàn)通信，或者TI CC系列1GHz以下以及Zigbee產(chǎn)品。
而ROHM負責人則表示，目前正在與清華大學(xué)合作新的窄帶電力線(xiàn)載波方案，通過(guò)電力線(xiàn)就能將信息傳遞到所有覆蓋電線(xiàn)的地方，與傳統PLC方案相比，羅姆能夠實(shí)現傳送距離更長(cháng)，抗干擾性更強的特點(diǎn)，使得物聯(lián)網(wǎng)傳輸信息量小，可靠性要求高的要求得到了充分的保證。當然，他補充，除電力線(xiàn)載波外，他們還備有特定小功率無(wú)線(xiàn)通信模塊、IEEE802.15.4/ZigBee/低功耗藍牙等進(jìn)行信息通信的通信IC，可以根據目的和通信領(lǐng)域進(jìn)行選擇。
智能化工廠(chǎng)的安全問(wèn)題
美信工業(yè)應用市場(chǎng)經(jīng)理John Mossman提醒大家開(kāi)放的智能化工廠(chǎng)將會(huì )帶來(lái)安全問(wèn)題。他分析道：“通過(guò)將工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )與云端相連接，實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)(IoT)。這種連接是一把雙刃劍，優(yōu)點(diǎn)是能夠從任何可訪(fǎng)問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)的位置監測和控制工廠(chǎng)，但同時(shí)也為攻擊、惡意軟件、知識產(chǎn)權(IP)盜竊提供了方便之門(mén)。目前使用基于軟件的安全方案，但最終需要基于嵌入式硬件的安全方案，實(shí)現金融行業(yè)級別的保護水平?！?/font>
至少說(shuō)到通信技術(shù)的選擇，他也從安全方面來(lái)表達了自己的觀(guān)點(diǎn)?！瓣P(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的另一種假設是所有“物體”通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行通信。我認為有些非關(guān)鍵和運動(dòng)緩慢的工業(yè)過(guò)程可承受短時(shí)間缺失的無(wú)線(xiàn)連接，這些應用比較適合采用無(wú)線(xiàn)方式。但快速、對時(shí)間要求嚴格及高度危險的過(guò)程不能承受無(wú)線(xiàn)鏈路固有的連接問(wèn)題，所以這些過(guò)程將仍然保留有線(xiàn)方式，同時(shí)又能夠作為物體與云端通信?！?/font>
John Mossman表示，在全球范圍內主要制造商使用的PLC、DCS以及其它智能工廠(chǎng)自動(dòng)化設備中，都廣泛集成了美信的眾多產(chǎn)品，得益于先進(jìn)的模擬集成，可有效提升性能、實(shí)現較低溫度工作以及降低系統復雜度。
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