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未来的智能工厂——为工业4.0打下技术基础

工业4.0通常被认为是第四次工业革命的到来。从本质上讲,工业4.0是由机器、人以及产品组成的实际网络,能够实现整个制造流程的实时优化。智能制造将为从工厂车间到制造、供应商和分销商的整个价值链带来更高的生产效率。


流程优化和定制、资产跟踪、预见性养护以及实时库存优化是工业4.0的一些主要目标。到2020年,欧洲工业将在工业互联网应用方面投入1200亿美金。
工厂中电气化、自动化和连通性的快节奏已经为迅速适应工业4.0打下了良好的基础。为机器和零部件配备传感器和网络连通性是实现这一愿景的重要步骤。此外,数据分析与App平台也是关键的因素。
德州仪器(TI)模拟业务部首席技术官Ahmad Bahai探讨了工业互联网在半导体领域的主要属性,尤其是模拟与嵌入式处理技术在实现全新智能制造浪潮方面所发挥的关键作用。
• 嵌入式传感器:早在半导体技术出现之前,制造工厂就已经开始使用传感器了。然而,由于嵌入式处理器和微机电 (MEMS) 技术的迅速发展与创新,传感器与换能器在制造业中的广泛使用进入了全盛时期。在大多数情况下,嵌入式传感器的部署将作为工业传感器的补充。
在一个芯片或封装内集成磁性元件、超声波和光学传感器能够以增量成本的方式来简化对子系统的诊断和预测,并且不会对架构产生比较大的影响。利用分布式网络互连传感器收集的数据来进行预见性养护是未来智能化工厂在提升效率方面的一个实例。在大多数情况下,嵌入式传感器是为了与智能模拟前端以及紧密耦合嵌入式信号处理对接,能够非线性和任何其它缺陷进行了校正。高效的电源管理以及与智能采样技术对于常开低功耗传感器的可靠运行是十分关键。
• 嵌入式处理器:将智能化向系统转移意味着在大量的工业“设备”中部署超低功耗安全嵌入式处理器。数据的本地处理是实时及低功耗嵌入式传感器模块的关键所在。在智能感测节点中,功耗少于70uA/MHz的超低功耗嵌入式处理器以及大量智能模拟接口是本地信号和数据处理的核心,包括例如FRAM等非易失性存储器 (NVM) 技术。用于工业传感器的嵌入式处理器会因为不同的集成低功率接口、智能电源管理和集成时钟基准而千差万别。此外,硬件与App安全特性的结合也是保密通信以及IP和数据篡改保护的关键。
• 网络互连:无所不在的连通性是实现工业互联网的基础。有线与无线连通性的混合使用实现了工厂车间或仓库内智能机器和零部件的高度分布式网络。在智能工厂中,将IP地址直接分配给机器和传感器是不可或缺的。目前,许多应用已经采用了工业以太网,而大部分的主要工业生产商正在考虑使用Wi-Fi®、6LoWPAN、甚至是Bluetooth® Smart等无线技术。任何一款支撑连通性和智能电源管理的嵌入式低功耗MCU都可以由纽扣电池供电运行10年。
• 隔离:为了实现保护、抗噪以及可靠运行,隔离技术已经广泛应用于工业应用。在很多工业系统中,穿过隔离隔栅来传输用于测量与控制的高数据速率信息和宽带信号变得越来越重要。对于工业接口而言,高效率和针对高压浪涌的鲁棒性是必不可少的。而在高带宽数据隔离应用中,可编程逻辑控制 (PLC) 背板、电机驱动通信和工业互联网也是非常普遍的。此外,跨过隔离隔栅来传输数据和电能在诸如栅极驱动器和用于高压器件的工业传感器栅极驱动器等应用中找到了用武之地。
总的来说,智能电源管理和高精度模拟器件是全部上述子系统的常见组件。安全性和可靠性是首要需求,并且对于车间内智能机器和设备的部署是必不可少的。其次,在故障情况下保证安全运行,并且防止黑客入侵的高可靠性和互连网络也是十分关键的。
机器对机器 (M2M) 和工业物联网 (IIOT) 的理念已经被提出和讨论很多年了。不过。直到最近,由于半导体技术的持续发展,工业市场已经在智能制造和生产方面有了质的飞跃。大家正在迎接“工业4.0”时代的真正到来。

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