智慧工廠的關(guān)鍵技術(shù)和解決方案

為什么全世界都在加速從“制造”邁向“智造”？工業(yè)3.0到工業(yè)4.0有哪些指數(shù)級(jí)的顛覆？工業(yè)5.0又將把制造帶向哪里？

智能制造采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過人、機(jī)、物的全面互聯(lián)，可構(gòu)建起全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價(jià)值鏈的新型工業(yè)生產(chǎn)制造和服務(wù)體系。

那么，作為智能制造的集中體現(xiàn)，一座智慧工廠是如何將物理世界和數(shù)字世界“縫合”起來的？

信息技術(shù)和先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，建立起高度智能化的生產(chǎn)系統(tǒng)；實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)連接以及人工智能算法等應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的即時(shí)收集、分析和處理。構(gòu)建一座高度自動(dòng)化、智能化的工廠，涉及從應(yīng)用層、執(zhí)行層、網(wǎng)絡(luò)層到感知層多個(gè)層面，包括工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、低功耗AI控制器、天線、電感、連接器等多項(xiàng)技術(shù)及應(yīng)用。

與此同時(shí)，“人智”和“機(jī)智”需要更智慧地融合，人與機(jī)器的協(xié)作是另一個(gè)重要層面。打開人與機(jī)器人之間的物理接口，讓機(jī)器人更能夠理解人類在工作中的意圖以及思考，成為未來工業(yè)智能化發(fā)展的重要方向。

在這次的貿(mào)澤電子技術(shù)創(chuàng)新論壇廈門智慧工廠主題論壇，我們與ADI、Silicon Labs、TDK、KYOCERA AVX等眾多行業(yè)知名的供應(yīng)商，從產(chǎn)品策略及組合、技術(shù)應(yīng)用以及行業(yè)趨勢(shì)等多角度，分享智慧工廠升級(jí)中所使用的關(guān)鍵技術(shù)和解決方案，幫助大家深入了解智慧工廠的發(fā)展趨勢(shì)，推動(dòng)傳統(tǒng)制造業(yè)邁向“智能+”時(shí)代。

以下是我們總結(jié)的技術(shù)干貨。

1Analog Devices

邊緣低功耗AI微處理器

賦能智能工廠轉(zhuǎn)型升級(jí)

將人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)引入智能工廠，生產(chǎn)力和效率將得到較大的提高。邊緣AI技術(shù)采用高級(jí)分析來處理和分析從工廠內(nèi)各種來源收集的大量數(shù)據(jù)，有助于做出數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策、優(yōu)化流程、預(yù)測(cè)維護(hù)需求和提高整體效率。在某些情況下，工廠甚至可以實(shí)現(xiàn)完全自主。ADI新推出的MAX7800X系列就是這樣一套可以部署在邊緣端的典型產(chǎn)品。

ADI的邊緣AI MA7800X系列包含兩款產(chǎn)品，MAX78000和MAX78002。該系列產(chǎn)品是帶有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器的超低功耗AI微控制器，支持電池供電的嵌入式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在邊緣通過快速、低功耗的AI推理來制定復(fù)雜決策。與傳統(tǒng)的AI方案相比，快速、低功耗的決策實(shí)施可以使復(fù)雜的AI推理能耗降低到經(jīng)典方案的百分之一以內(nèi)，采用AI技術(shù)的電池供電系統(tǒng)可大幅延長(zhǎng)其運(yùn)行時(shí)間，有助于實(shí)現(xiàn)之前無法實(shí)現(xiàn)的新一代電池供電AI應(yīng)用。

通過集成專用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器，MAX78000可以在本地以低功耗實(shí)時(shí)執(zhí)行AI處理，使機(jī)器能夠“看到”和“聽到”復(fù)雜的形態(tài)。MAX78000還具有低功耗、低延遲、低成本、高集成度優(yōu)勢(shì)。在低功耗方面，MAX78000將硬件CNN加速器與超低功耗雙核微控制器相結(jié)合，相較于經(jīng)典MCU+DSP的方案，可將功耗降低99%以上。與運(yùn)行在低功耗MCU上的純軟件解決方案相比，在配置并加載數(shù)據(jù)后，MAX78000運(yùn)行AI推理的速度可比其快100倍，大幅提高了機(jī)器視覺、語音和面部識(shí)別等應(yīng)用的效率，極大程度地在功耗、速度、成本三個(gè)方面達(dá)成平衡。

MAX78000和MAX78002都是基于Arm Cortex-M4F和RISC-V的低功耗處理器，搭載專用的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器執(zhí)行AI推理。相比于MAX78000，MAX78002是一款升級(jí)的AI微控制器，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠在互聯(lián)網(wǎng)邊緣端以超低功耗運(yùn)行，將高能效的AI處理與ADI超低功耗微控制器相結(jié)合。通過其CNN加速器，即使是電池供電的應(yīng)用也可執(zhí)行AI推理。器件支持16M的模型的權(quán)重，不僅可以應(yīng)用于圖像識(shí)別，而且可以進(jìn)行復(fù)雜的視頻分析。

ADI的AI MCU主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：視覺識(shí)別、聽覺識(shí)別、時(shí)間序列處理等三方面。視覺識(shí)別主要包括物體偵測(cè)、面部識(shí)別、動(dòng)植物識(shí)別；聽覺識(shí)別主要包括語音身份驗(yàn)證、振動(dòng)識(shí)別；時(shí)間序列處理主要包括生理信號(hào)監(jiān)測(cè)、工業(yè)信號(hào)監(jiān)測(cè)等。

除了AI專用MCU，ADI還具有廣泛的通用MCU產(chǎn)品，包括：安全MCU、低功耗MCU以及低功耗藍(lán)牙MCU。例如，MAX32660低功耗MCU可用于收集掃地機(jī)器人的傳感器數(shù)據(jù)。由于其低功耗特性，可以延長(zhǎng)掃地機(jī)器人的電池使用時(shí)間，減少充電頻率，提升用戶體驗(yàn)。同時(shí)，其高集成度可以減少掃地機(jī)器人內(nèi)部的組件數(shù)量，從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，降低成本?。

2TDK

適合工業(yè)以太網(wǎng)（SPE）

應(yīng)用的TDK電感器

SPE通過單對(duì)導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)傳輸，打造緊湊且經(jīng)濟(jì)高效的雙向通信的方案?？梢詫?shí)現(xiàn)直達(dá)現(xiàn)場(chǎng)層的一致IP通信。除數(shù)據(jù)傳輸外，單對(duì)以太網(wǎng)技術(shù)可同時(shí)通過PoDL功能為終端設(shè)備供電。這種新的互聯(lián)技術(shù)滿足統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的要求，是工業(yè)4.0和IIoT的基礎(chǔ)。

針對(duì)IEEE 802.3cg標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)單對(duì)以太網(wǎng)（SPE）10BASE-T1L應(yīng)用，TDK開發(fā)了一系列電感器，RCM70CGI-471共模扼流圈具有470μH的電感值，額定電壓80V，額定電流700mA，非常適合這類應(yīng)用。對(duì)于需要電隔離PHY芯片和連接器的設(shè)計(jì)，可選用變壓比為1:1的ICI70CGI系列隔離電感器，具有1.0mH和2.2mH的電感值可供選擇，隔離電壓為2250V DC。

借助PoDL技術(shù)，只需一對(duì)電線即可連接執(zhí)行器和傳感器，并同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)和電力。但系統(tǒng)需使用特殊的差模扼流圈來抑制干擾，PID*系列元件具有不同尺寸版本，以涵蓋符合IEEE 802.3cg標(biāo)準(zhǔn)的所有6個(gè)功率等級(jí)（10-15），飽和電流范圍：360mA至2100mA，可以根據(jù)不同功率和安全要求，選擇不同的產(chǎn)品。

作為工業(yè)的數(shù)據(jù)鏈路，SPE使用一對(duì)雙絞線完成數(shù)據(jù)和電力的傳輸?？蓪?shí)現(xiàn)復(fù)雜工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)方案中的端到端IP通訊，以及供電傳輸，極大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。

3KYOCERA AVX

京瓷全系列電容等產(chǎn)品

助力智慧工廠應(yīng)用

KYOCERA AVX產(chǎn)品在智能表計(jì)和智能跟蹤系統(tǒng)上的應(yīng)用，面向廣大的智能表計(jì)和跟蹤系統(tǒng)廠商提供連接器和天線的整體方案。智能電表是一種電子裝置，用于記錄電能、天然氣、水和區(qū)域供暖的消耗量。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工廠內(nèi)各種設(shè)備的用電情況，為工業(yè)企業(yè)提供了能源透明化的數(shù)據(jù)，為制定科學(xué)的能源管理策略提供了實(shí)時(shí)支持，智能表計(jì)可將信息和數(shù)據(jù)傳送給供應(yīng)商，用于客戶計(jì)費(fèi)、系統(tǒng)監(jiān)控和能源管理。

進(jìn)入AI時(shí)代，無線技術(shù)的廣泛應(yīng)用為各種創(chuàng)新帶來了可能。隨著無線連接應(yīng)用的的增長(zhǎng)，對(duì)于各種類型天線的需求也日趨旺盛。KYOCERA AVX天線設(shè)計(jì)用于智能表計(jì)，產(chǎn)品系列包括嵌入式、內(nèi)部、外部和室外天線，可在全球范圍內(nèi)使用。KYOCERA AVX多種天線組合可幫助用戶為其應(yīng)用選擇理想的產(chǎn)品，用于Wi-Fi、BLE、Zigbee、NB-IoT、LTE-M、LoRa、ISM、GNSS、V2X、UWB等不同的協(xié)議頻段。它們使用的頻段不同，有時(shí)同一技術(shù)在全球不同地區(qū)使用的頻段也有差異，工程師根據(jù)終端具體應(yīng)用進(jìn)行正確選擇。KYOCERA AVX進(jìn)行了很全面的產(chǎn)品布局，典型應(yīng)用還包括物聯(lián)網(wǎng)、汽車、智能家居、蜂窩、車隊(duì)和資產(chǎn)跟蹤等。

KYOCERA AVX連接器是另一個(gè)值得關(guān)注的產(chǎn)品，根據(jù)特定應(yīng)用的要求，進(jìn)行深度優(yōu)化，形成具有差異化優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品。KYOCERA AVX連接器產(chǎn)品高性能的優(yōu)勢(shì)，很大程度上歸功于其優(yōu)異的觸點(diǎn)技術(shù)。特別是其創(chuàng)新的一體化的互連解決方案，只需要一個(gè)連接器接頭與導(dǎo)線直接連接，就能夠?qū)崿F(xiàn)更簡(jiǎn)單、更快速，也更可靠的電氣連接。根據(jù)這樣的機(jī)械結(jié)構(gòu)，KYOCERA AVX推出了高性價(jià)比、操作使用便捷的線對(duì)板連接器產(chǎn)品，以及在可靠性方面表現(xiàn)更出色、在規(guī)模化的布線和端接方面更具效率和成本優(yōu)勢(shì)的IDC連接器（絕緣位移連接器），獲得了廣泛的市場(chǎng)認(rèn)可。

例如9176-700系列帶帽IDC連接器具有用戶友好、外形小巧的表面安裝外形，帶有集成端接/固定帽，用戶可以簡(jiǎn)單地將導(dǎo)線插入觸點(diǎn)中（無需剝離），然后將其向下按壓，以提供與PCB的堅(jiān)固可靠的氣密連接。這種快速高效的工藝不需要任何工具或焊料，與焊料和壓接工藝相比，這降低了復(fù)雜性和成本，并且由此產(chǎn)生的連接已經(jīng)經(jīng)過了不同程度的沖擊、振動(dòng)和溫度循環(huán)測(cè)試。

KYOCERA AVX還具有豐富的電容、ESD防護(hù)、晶振產(chǎn)品方案，電容包括：聚合物鉭電容、SMT鋁電解電容、高容值MLCC電容。豐富的產(chǎn)品組合、不同的封裝形式可以廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)領(lǐng)域。

4Silicon Labs

用于工業(yè)自動(dòng)化安全、低延遲

低功耗的無線連接解決方案

對(duì)工業(yè)應(yīng)用來說，傳統(tǒng)的有線方案限制了機(jī)器的靈活性，維護(hù)成本高昂，可能會(huì)出現(xiàn)線纜的退化和斷裂，且不能與快速移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)控制解決方案一起使用。針對(duì)工業(yè)4.0需要能夠在惡劣環(huán)境中應(yīng)用的工業(yè)級(jí)無線通信。IO-Link Wireless是IO-Link標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展，是高可靠性確定性無線通信標(biāo)準(zhǔn)，用于工廠自動(dòng)化的控制和監(jiān)控。IO-Link Wireless基于IO Link IEC 61139-9標(biāo)準(zhǔn)，提供工業(yè)可靠性、低延遲、可擴(kuò)展性和確定性通信并與有線工廠自動(dòng)化協(xié)議兼容。滿足了工業(yè)4.0的要求，可以輕松實(shí)時(shí)訪問設(shè)備，以進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)收集。并得到了廣泛的應(yīng)用。

在構(gòu)建IO-Link Wireless功能設(shè)備時(shí)，可以根據(jù)其應(yīng)用限制從不同的系統(tǒng)架構(gòu)中進(jìn)行選擇。三種常見的方案包括：

SoC是緊湊的實(shí)現(xiàn)方式，即使是更高層的IO-Link Wireless協(xié)議功能也在SoC上執(zhí)行，從而形成單芯片方案。

無線協(xié)處理器要求更高的應(yīng)用可以添加專用主機(jī)處理器，并使用無線SoC作為協(xié)處理器。

SoM為了縮短硬件開發(fā)時(shí)間，可以圍繞完全集成和認(rèn)證的IO-Link Wireless模塊實(shí)施來構(gòu)建。

Silicon Labs提供了全面的SoC方案，支持IO-Link Wireless未來應(yīng)用的需求。SoC中提供的硬件和軟件安全功能，安全引導(dǎo)、安全調(diào)試接口、加密通信和安全密鑰存儲(chǔ)，這些功能解決了安全痛點(diǎn)。AI/ML加速器支持W-Devices中的節(jié)能處理，實(shí)現(xiàn)邊緣的更多本地計(jì)算，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)流量，并從后端卸載資源。

EFR32FG13、EFR32BG21和EFR32BG24因?yàn)槠淇焖?a href="http://www.wenjunhu.com/tongxin/rf/" target="_blank">RF信道和無線電狀態(tài)切換時(shí)間、出色的無線靈敏度和超低功耗模式為IO-Link Wireless提供了優(yōu)質(zhì)的選擇。從面向未來的角度來看，Silicon Labs SoC通過了物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)高級(jí)的PSA Level 3安全認(rèn)證－其Secure Vault（安全設(shè)備標(biāo)識(shí)、安全密鑰管理與存儲(chǔ)、防防篡改檢測(cè)）緩解了安全漏洞。

IO-Link Wireless為新機(jī)器和現(xiàn)有設(shè)備的改造提供了經(jīng)驗(yàn)證的解決方案，并滿足監(jiān)控用例的延遲和可靠性標(biāo)準(zhǔn)。它簡(jiǎn)化了安裝，并支持市場(chǎng)上廣泛可用的IO Link有線傳感器。IO-Link Wireless是使機(jī)器和生產(chǎn)線自適應(yīng)、更快、更靈活的不可或缺的組件。

結(jié)語

智能機(jī)器人、傳感技術(shù)、云計(jì)算、無線通信、預(yù)測(cè)性維護(hù)、智能控制和數(shù)據(jù)安全等技術(shù)，與人類智慧，在智慧工廠中集中體現(xiàn)。但這絕不是簡(jiǎn)單的疊加，而是需要更有智慧地融合協(xié)作，也是智能制造未來發(fā)展的新階段。