傳感器和處理器融合用于工業(yè)應(yīng)用

工業(yè) 4.0 自 2011 年漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上提出流行語(yǔ)以來(lái)已經(jīng)走過(guò)了漫長(zhǎng)的道路。智能制造之旅仍在繼續(xù)，但近年來(lái)真正有所作為的是物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的起飛和出現(xiàn)人工智能 (AI) 解決方案。

在這里，值得一提的是，通用電氣在 2012 年創(chuàng)造了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)這個(gè)術(shù)語(yǔ)，指的是智能連接的大量工業(yè)設(shè)備，以創(chuàng)建可以監(jiān)控、收集、交換、分析和提供有價(jià)值見(jiàn)解的系統(tǒng)。最終，工業(yè) 4.0 和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的概念開(kāi)始融合，最終形成了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)或 IIoT。

不管叫什么，工業(yè) 4.0 或 IIoT，其根本目標(biāo)是在尖端電子技術(shù)的輔助下實(shí)現(xiàn)繼蒸汽機(jī)、傳送帶和信息技術(shù) (IT) 之后的第四次工業(yè)革命。它將制造和過(guò)程自動(dòng)化提升到一個(gè)全新的水平，未來(lái)的工廠將構(gòu)建連接系統(tǒng)，包括傳感器、執(zhí)行器和控制系統(tǒng)，所有這些系統(tǒng)都通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP) 通過(guò)不同類型的網(wǎng)絡(luò)連接。

加速工業(yè) 4.0 運(yùn)動(dòng)的還有人工智能應(yīng)用程序的集成，例如故障檢測(cè)和分類。物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的結(jié)合正在改變工程師在生產(chǎn)環(huán)境中管理數(shù)據(jù)、傳播信息和做出實(shí)時(shí)決策的方式。使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法和基于機(jī)器人的流程處理可以進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)代制造，從而節(jié)省大量成本和工時(shí)。

工業(yè) 4.0 的實(shí)際體現(xiàn)可以在通用電氣位于紐約斯克內(nèi)克塔迪的工廠中看到。鈉鎳電池的制造工廠在 180,000 平方英尺的制造空間中安裝了 10,000 多個(gè)傳感器。所有這些傳感器都通過(guò)高速以太網(wǎng)連接。

這將我們帶到了工業(yè) 4.0 設(shè)計(jì)的基本組成部分之一：連接傳感器。

傳感器互聯(lián)網(wǎng)

通過(guò)有線或無(wú)線鏈路連接的傳感器構(gòu)成了工業(yè) 4.0 或 IIoT 系統(tǒng)的主干。傳感器傳送到云端的機(jī)器數(shù)據(jù)可以優(yōu)化制造、預(yù)測(cè)故障、安排維護(hù)并自動(dòng)補(bǔ)充庫(kù)存。

工業(yè) 4.0 領(lǐng)域傳感器的新功能是本地化和通信的融合，用于創(chuàng)建精確的室內(nèi)定位系統(tǒng)。這使工廠能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控工具并管理工人對(duì)工具的使用，以提高裝配線上的效率、安全性和質(zhì)量控制。

這些高精度和位置感知系統(tǒng)使用智能無(wú)線傳感器解決方案。以傳感器供應(yīng)商博世與CAB 概念集群 (CCC)合作開(kāi)發(fā)的智能駕駛室為例。它將攝像機(jī)和無(wú)人機(jī)集成到農(nóng)用車輛中，并將它們變成現(xiàn)場(chǎng)連接的控制中心。

該解決方案為農(nóng)民提供了由無(wú)人機(jī)拍攝并隨后在云端處理的作物狀況的詳細(xì)照片。相機(jī)無(wú)人機(jī)還可以執(zhí)行物體識(shí)別，以警告農(nóng)民注意鹿等活體障礙物。此外，農(nóng)民可以執(zhí)行特定功能，例如根據(jù)天氣或土壤條件調(diào)整噴嘴設(shè)置。

博世還聲稱通過(guò)記錄氣缸的運(yùn)動(dòng)、夾具的循環(huán)時(shí)間以及制造過(guò)程中的溫度和壓力水平，提高了其在德國(guó)布萊查赫工廠的 ABS/ESP 制動(dòng)系統(tǒng)制造的生產(chǎn)力。從 RFID 標(biāo)簽收集的數(shù)據(jù)被傳送到以數(shù)字方式映射內(nèi)部貨物流動(dòng)的海量數(shù)據(jù)庫(kù)。

工業(yè)4.0芯片

半導(dǎo)體設(shè)備是工業(yè) 4.0 和 IIoT 設(shè)計(jì)中的另一個(gè)關(guān)鍵要素。這包括用于邊緣計(jì)算的處理器、用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的內(nèi)存、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及用于遙感和云平臺(tái)鏈接的有線或無(wú)線連接芯片。

一個(gè)例子是德州儀器 (TI)的Sitara AM6x處理器系列，它支持用于工廠自動(dòng)化、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的千兆工業(yè)通信子系統(tǒng)。這些處理器是圍繞以太網(wǎng)和單個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流量的融合而構(gòu)建的。它們支持多種協(xié)議，包括時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN)、EtherCAT、Ethernet/IP 和 PROFINET

圖 3：Sitara AM6548 多協(xié)議處理器的框圖，它為 TSN 等工業(yè)連接標(biāo)準(zhǔn)提供千兆位吞吐量。（圖片：德州儀器）

這款支持 TSN 的處理器集成了一個(gè)基于 Arm Cortex-R5F 的雙核微控制器 (MCU) 子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)可以在可選的鎖步模式下運(yùn)行，并支持片上存儲(chǔ)器和外部雙數(shù)據(jù)的糾錯(cuò)碼 (ECC) 保護(hù)。速率（DDR）內(nèi)存。這些特性使處理器能夠提高安全性并降低可編程邏輯控制器 (PLC) 和多軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等應(yīng)用的系統(tǒng)級(jí)復(fù)雜性。

工業(yè) 4.0 平臺(tái)對(duì)配備安全連接和人機(jī)界面 (HMI) 的高性能 PLC 的要求越來(lái)越高。PLC 還必須縮小外形尺寸和處理價(jià)值鏈，同時(shí)增加模擬和數(shù)字 I/O 通道的數(shù)量。這些 PLC 需要支持新的 I/O 協(xié)議，例如IO-Link。

此外，強(qiáng)大的片上系統(tǒng) (SoC) 解決方案的出現(xiàn)促成了數(shù)字孿生的創(chuàng)建，將虛擬世界和物理世界配對(duì)，并創(chuàng)建將工業(yè)制造的所有步驟映射和鏈接在一起的數(shù)據(jù)池。這些網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)創(chuàng)建了物理世界的虛擬副本，從而使監(jiān)控物理過(guò)程的成本更低、效率更高。

未來(lái)工廠

工業(yè) 4.0 承諾通過(guò)端到端傳感器解決方案和服務(wù)在制造領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)復(fù)興。它有助于做出更明智的決策、提高運(yùn)營(yíng)效率、提高產(chǎn)量、提高工程生產(chǎn)力并顯著提高業(yè)務(wù)績(jī)效。

隨著物聯(lián)網(wǎng)傳感器、大數(shù)據(jù)和人工智能應(yīng)用程序的可用性加速，工業(yè) 4.0 的現(xiàn)實(shí)終于開(kāi)始向前發(fā)展。根據(jù) Gartner Inc. 的報(bào)告，2018 年，該領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量超過(guò) 60 億臺(tái)，預(yù)計(jì)到 2022 年這一數(shù)字將增長(zhǎng)到超過(guò) 200 億臺(tái)。

未來(lái)的工廠正在緩慢而穩(wěn)定地成型，擁有更強(qiáng)大的處理節(jié)點(diǎn)、更自動(dòng)化的生產(chǎn)流程以及更智能的數(shù)據(jù)分析工具，能夠近乎實(shí)時(shí)地處理和分析大量工廠數(shù)據(jù)。它正在成為現(xiàn)實(shí)，一次一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器解決方案。

審核編輯 黃昊宇