智慧工廠的關鍵技術和解決方案

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)網技術，通過人、機、物的全面互聯(lián)，可構建起全要素、全產業(yè)鏈、全價值鏈的新型工業(yè)生產制造和服務體系。

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？

信息技術和先進的網絡架構，建立起高度智能化的生產系統(tǒng)；實時網絡連接以及人工智能算法等應用，實現(xiàn)數(shù)據的即時收集、分析和處理。構建一座高度自動化、智能化的工廠，涉及從應用層、執(zhí)行層、網絡層到感知層多個層面，包括工業(yè)物聯(lián)網、低功耗AI控制器、天線、電感、連接器等多項技術及應用。

與此同時，“人智”和“機智”需要更智慧地融合，人與機器的協(xié)作是另一個重要層面。打開人與機器人之間的物理接口，讓機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。

在這次的貿澤電子技術創(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)知名的供應商，從產品策略及組合、技術應用以及行業(yè)趨勢等多角度，分享智慧工廠升級中所使用的關鍵技術和解決方案，幫助大家深入了解智慧工廠的發(fā)展趨勢，推動傳統(tǒng)制造業(yè)邁向“智能+”時代。

以下是我們總結的技術干貨。

1Analog Devices

邊緣低功耗AI微處理器

賦能智能工廠轉型升級

將人工智能和機器學習引入智能工廠，生產力和效率將得到較大的提高。邊緣AI技術采用高級分析來處理和分析從工廠內各種來源收集的大量數(shù)據，有助于做出數(shù)據驅動的決策、優(yōu)化流程、預測維護需求和提高整體效率。在某些情況下，工廠甚至可以實現(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品。

ADI的邊緣AI MA7800X系列包含兩款產品，MAX78000和MAX78002。該系列產品是帶有神經網絡加速器的超低功耗AI微控制器，支持電池供電的嵌入式物聯(lián)網設備在邊緣通過快速、低功耗的AI推理來制定復雜決策。與傳統(tǒng)的AI方案相比，快速、低功耗的決策實施可以使復雜的AI推理能耗降低到經典方案的百分之一以內，采用AI技術的電池供電系統(tǒng)可大幅延長其運行時間，有助于實現(xiàn)之前無法實現(xiàn)的新一代電池供電AI應用。

通過集成專用的神經網絡加速器，MAX78000可以在本地以低功耗實時執(zhí)行AI處理，使機器能夠“看到”和“聽到”復雜的形態(tài)。MAX78000還具有低功耗、低延遲、低成本、高集成度優(yōu)勢。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合，相較于經典MCU+DSP的方案，可將功耗降低99%以上。與運行在低功耗MCU上的純軟件解決方案相比，在配置并加載數(shù)據后，MAX78000運行AI推理的速度可比其快100倍，大幅提高了機器視覺、語音和面部識別等應用的效率，極大程度地在功耗、速度、成本三個方面達成平衡。

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網絡加速器執(zhí)行AI推理。相比于MAX78000，MAX78002是一款升級的AI微控制器，使神經網絡能夠在互聯(lián)網邊緣端以超低功耗運行，將高能效的AI處理與ADI超低功耗微控制器相結合。通過其CNN加速器，即使是電池供電的應用也可執(zhí)行AI推理。器件支持16M的模型的權重，不僅可以應用于圖像識別，而且可以進行復雜的視頻分析。

ADI的AI MCU主要應用領域包括：視覺識別、聽覺識別、時間序列處理等三方面。視覺識別主要包括物體偵測、面部識別、動植物識別；聽覺識別主要包括語音身份驗證、振動識別；時間序列處理主要包括生理信號監(jiān)測、工業(yè)信號監(jiān)測等。

除了AI專用MCU，ADI還具有廣泛的通用MCU產品，包括：安全MCU、低功耗MCU以及低功耗藍牙MCU。例如，MAX32660低功耗MCU可用于收集掃地機器人的傳感器數(shù)據。由于其低功耗特性，可以延長掃地機器人的電池使用時間，減少充電頻率，提升用戶體驗。同時，其高集成度可以減少掃地機器人內部的組件數(shù)量，從而簡化設計，降低成本?。

2TDK

適合工業(yè)以太網（SPE）

應用的TDK電感器

SPE通過單對導線實現(xiàn)以太網傳輸，打造緊湊且經濟高效的雙向通信的方案。可以實現(xiàn)直達現(xiàn)場層的一致IP通信。除數(shù)據傳輸外，單對以太網技術可同時通過PoDL功能為終端設備供電。這種新的互聯(lián)技術滿足統(tǒng)一網絡架構的要求，是工業(yè)4.0和IIoT的基礎。

針對IEEE 802.3cg標準的工業(yè)單對以太網（SPE）10BASE-T1L應用，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，非常適合這類應用。對于需要電隔離PHY芯片和連接器的設計，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，只需一對電線即可連接執(zhí)行器和傳感器，并同時傳輸數(shù)據和電力。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標準的所有6個功率等級（10-15），飽和電流范圍：360mA至2100mA，可以根據不同功率和安全要求，選擇不同的產品。

作為工業(yè)的數(shù)據鏈路，SPE使用一對雙絞線完成數(shù)據和電力的傳輸?？蓪崿F(xiàn)復雜工業(yè)物聯(lián)網方案中的端到端IP通訊，以及供電傳輸，極大降低了系統(tǒng)的復雜性和成本。

3KYOCERA AVX

京瓷全系列電容等產品

助力智慧工廠應用

KYOCERA AVX產品在智能表計和智能跟蹤系統(tǒng)上的應用，面向廣大的智能表計和跟蹤系統(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。通過實時監(jiān)測工廠內各種設備的用電情況，為工業(yè)企業(yè)提供了能源透明化的數(shù)據，為制定科學的能源管理策略提供了實時支持，智能表計可將信息和數(shù)據傳送給供應商，用于客戶計費、系統(tǒng)監(jiān)控和能源管理。

進入AI時代，無線技術的廣泛應用為各種創(chuàng)新帶來了可能。隨著無線連接應用的的增長，對于各種類型天線的需求也日趨旺盛。KYOCERA AVX天線設計用于智能表計，產品系列包括嵌入式、內部、外部和室外天線，可在全球范圍內使用。KYOCERA AVX多種天線組合可幫助用戶為其應用選擇理想的產品，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，有時同一技術在全球不同地區(qū)使用的頻段也有差異，工程師根據終端具體應用進行正確選擇。KYOCERA AVX進行了很全面的產品布局，典型應用還包括物聯(lián)網、汽車、智能家居、蜂窩、車隊和資產跟蹤等。

KYOCERA AVX連接器是另一個值得關注的產品，根據特定應用的要求，進行深度優(yōu)化，形成具有差異化優(yōu)勢的產品。KYOCERA AVX連接器產品高性能的優(yōu)勢，很大程度上歸功于其優(yōu)異的觸點技術。特別是其創(chuàng)新的一體化的互連解決方案，只需要一個連接器接頭與導線直接連接，就能夠實現(xiàn)更簡單、更快速，也更可靠的電氣連接。根據這樣的機械結構，KYOCERA AVX推出了高性價比、操作使用便捷的線對板連接器產品，以及在可靠性方面表現(xiàn)更出色、在規(guī)?；牟季€和端接方面更具效率和成本優(yōu)勢的IDC連接器（絕緣位移連接器），獲得了廣泛的市場認可。

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，用戶可以簡單地將導線插入觸點中（無需剝離），然后將其向下按壓，以提供與PCB的堅固可靠的氣密連接。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，這降低了復雜性和成本，并且由此產生的連接已經經過了不同程度的沖擊、振動和溫度循環(huán)測試。

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

4Silicon Labs

用于工業(yè)自動化安全、低延遲

低功耗的無線連接解決方案

對工業(yè)應用來說，傳統(tǒng)的有線方案限制了機器的靈活性，維護成本高昂，可能會出現(xiàn)線纜的退化和斷裂，且不能與快速移動或旋轉的運動控制解決方案一起使用。針對工業(yè)4.0需要能夠在惡劣環(huán)境中應用的工業(yè)級無線通信。IO-Link Wireless是IO-Link標準的擴展，是高可靠性確定性無線通信標準，用于工廠自動化的控制和監(jiān)控。IO-Link Wireless基于IO Link IEC 61139-9標準，提供工業(yè)可靠性、低延遲、可擴展性和確定性通信并與有線工廠自動化協(xié)議兼容。滿足了工業(yè)4.0的要求，可以輕松實時訪問設備，以進行驅動和數(shù)據收集。并得到了廣泛的應用。

在構建IO-Link Wireless功能設備時，可以根據其應用限制從不同的系統(tǒng)架構中進行選擇。三種常見的方案包括：

SoC是緊湊的實現(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用可以添加專用主機處理器，并使用無線SoC作為協(xié)處理器。

SoM為了縮短硬件開發(fā)時間，可以圍繞完全集成和認證的IO-Link Wireless模塊實施來構建。

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

EFR32FG13、EFR32BG21和EFR32BG24因為其快速RF信道和無線電狀態(tài)切換時間、出色的無線靈敏度和超低功耗模式為IO-Link Wireless提供了優(yōu)質的選擇。從面向未來的角度來看，Silicon Labs SoC通過了物聯(lián)網行業(yè)高級的PSA Level 3安全認證－其Secure Vault（安全設備標識、安全密鑰管理與存儲、防防篡改檢測）緩解了安全漏洞。

IO-Link Wireless為新機器和現(xiàn)有設備的改造提供了經驗證的解決方案，并滿足監(jiān)控用例的延遲和可靠性標準。它簡化了安裝，并支持市場上廣泛可用的IO Link有線傳感器。IO-Link Wireless是使機器和生產線自適應、更快、更靈活的不可或缺的組件。

結語

智能機器人、傳感技術、云計算、無線通信、預測性維護、智能控制和數(shù)據安全等技術，與人類智慧，在智慧工廠中集中體現(xiàn)。但這絕不是簡單的疊加，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。