促成更智能、更高效制造的 工業(yè)4.0 關(guān)鍵技術(shù) - 全文

由Miro Adzan和Thomas Leyrer共同撰寫

當(dāng)今的終端設(shè)備市場需要更短的產(chǎn)品生命周期、更多的單獨(dú)配置產(chǎn)品及快速適應(yīng)瞬息萬變的消費(fèi)者權(quán)益。在制造車間，關(guān)鍵參數(shù)包括較低的資源利用率，特別是更低的功率、更快的制造時(shí)間和更低的生產(chǎn)停機(jī)時(shí)間。這些要求需要一個(gè)更復(fù)雜、更智能的工廠，利用云，并使用遠(yuǎn)程大數(shù)據(jù)分析功能優(yōu)化并適應(yīng)制造流程，增強(qiáng)在整個(gè)生命周期跟蹤產(chǎn)品的能力。

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機(jī)器和生產(chǎn)單元與互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)系實(shí)現(xiàn)了過程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)視圖。機(jī)器與產(chǎn)品的聯(lián)系還提供了產(chǎn)品數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)視圖。由工業(yè)服務(wù)機(jī)器人操作的自動化機(jī)器和生產(chǎn)單元處理原材料和生產(chǎn)部件。在生產(chǎn)過程中進(jìn)行產(chǎn)品和機(jī)器質(zhì)量檢查，以進(jìn)一步縮短周期時(shí)間。這種方式減少了人機(jī)互動，并在生產(chǎn)過程中聚焦更高價(jià)值的任務(wù)。

創(chuàng)新的突破使得工業(yè)4.0成為現(xiàn)實(shí)。許多意義非凡的技術(shù)是由像德州儀器這樣的工程公司實(shí)現(xiàn)的。對于TI來說，解決子系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)至關(guān)重要，這將提高包括效率和靈活性在內(nèi)的智能制造設(shè)計(jì)，同時(shí)提供制造流程的實(shí)時(shí)視圖、連通性和通信。

以下為促成更智能、更高效制造的工業(yè)4.0的一些關(guān)鍵技術(shù)，：

兼容的工業(yè)通信。為了獲得完整制造系統(tǒng)的透明視圖，所有數(shù)據(jù)必須通過具有共同格式的工業(yè)通信技術(shù)提供。您可能聽說過“IT連接到OT”這一短語。這意味著信息技術(shù)（IT）世界使用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）和更高層協(xié)議來實(shí)現(xiàn)安全的Web訪問。操作技術(shù)（OT）世界使用專用的現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)，其通常僅使用以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，而不使用基于軟件的網(wǎng)絡(luò)堆棧組件。這種現(xiàn)場級和企業(yè)級之間的不兼容性要求將兼容層定義為工業(yè)4.0框架的一部分。將開放平臺通信統(tǒng)一架構(gòu)（OPC UA）連接到較高層，并將現(xiàn)場總線連接到較低層的工業(yè)4.0網(wǎng)關(guān)是兼容性問題的短期解決方案。

將通信擴(kuò)展到產(chǎn)品級需要低功耗通信。射頻識別RFID是獲得產(chǎn)品和機(jī)器通信的關(guān)鍵技術(shù)。將傳感器部署在產(chǎn)品附近和機(jī)器處時(shí)，電源通過電纜。IO-Link通過雙向數(shù)字通信為基本開/關(guān)狀態(tài)通信的擴(kuò)展建立標(biāo)準(zhǔn)。IO-Link網(wǎng)關(guān)使用工業(yè)以太網(wǎng)或無線LAN直接與OPC UA通信。對于手動操作員的檢查，Bluetooth?低能量連接將數(shù)據(jù)發(fā)送到移動終端。

高精度傳感。生產(chǎn)過程的效率很大程度上取決于工業(yè)傳感技術(shù)。小批量的機(jī)床設(shè)置時(shí)間變得更加重要。盡管仍需要在線碰撞避免系統(tǒng)，但工具、工件和夾具之間避免碰撞可進(jìn)行離線模擬。許多材料和工具需要水冷卻，這使得光學(xué)傳感器難以檢測碰撞。在灰塵和潮濕環(huán)境中工作的掃描儀是必需品。

機(jī)床在其使用壽命期間會出現(xiàn)故障且生產(chǎn)質(zhì)量也會降低。機(jī)床的連續(xù)力感測可在早期指示機(jī)床斷裂情形。機(jī)床質(zhì)量會影響溫度傳感器和聲學(xué)傳感器的數(shù)據(jù)。預(yù)測性維護(hù)是一個(gè)潮詞，其描述了盡早更換早期預(yù)示有機(jī)床斷裂情形的概念，而不會影響生產(chǎn)流程或生產(chǎn)質(zhì)量。

機(jī)床的多軸控制使用閉環(huán)運(yùn)動來定位刨槽機(jī)或材料。尺寸和表面的公差具有來自軸、機(jī)床和夾具的機(jī)械方差的額外方差。使用線性編碼器和激光距離傳感器的精確距離測量用于機(jī)器校準(zhǔn)、運(yùn)動控制和質(zhì)量監(jiān)控。

制造過程取決于諸如溫度和濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)。主動冷卻和清潔系統(tǒng)對環(huán)境條件有影響。用于液體和空氣的流量傳感器為機(jī)床的環(huán)境系統(tǒng)提供輸入。

電機(jī)驅(qū)動和控制效率。電機(jī)是生產(chǎn)系統(tǒng)中需要大部分能量的組件。具有閉環(huán)電流、速度和位置控制的變頻驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)了對功耗有直接影響的動態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線。通過絕對編碼器對隔離和轉(zhuǎn)子位置測量的高精度電流測量為每個(gè)控制周期提供控制算法。除了高效的電機(jī)控制算法外，功率級的效率是功耗的關(guān)鍵因素。氮化鎵（GaN）晶體管的更快的開關(guān)頻率降低了生產(chǎn)單元中的電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的功率。

現(xiàn)代生產(chǎn)單元具有四個(gè)一起工作的主要子系統(tǒng)：定義整個(gè)生產(chǎn)過程的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（CNC）系統(tǒng)、驅(qū)動生產(chǎn)用電動機(jī)和致動器的運(yùn)動控制子系統(tǒng)、用于其它傳感和控制應(yīng)用的可編程邏輯控制（PLC）系統(tǒng)，以及用于材料處理的服務(wù)機(jī)器人。

嵌入式處理。提高生產(chǎn)系統(tǒng)的效率和靈活性體現(xiàn)在許多方面。工業(yè)通信、工業(yè)傳感和工業(yè)控制構(gòu)成了智能工廠的基礎(chǔ)。本地智能在嵌入式微控制器和微處理器上運(yùn)行。得到的產(chǎn)品和過程數(shù)據(jù)通過無線和有線工業(yè)通信被發(fā)送到用于大數(shù)據(jù)分析的工業(yè)云。

工業(yè)4.0演示墻

我們展示了幾個(gè)工業(yè)演示，幫助利用TI半導(dǎo)體解決方案實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0和未來智能工廠。請蒞臨2016年德國慕尼黑電子展（electronica 2016）的TI展位（A4展廳，219展位）和德國紐倫堡自動化展的TI展位（展位＃6-441）親睹它們的風(fēng)采。針對我們計(jì)劃展示的內(nèi)容，您可先睹為快。

TI的工業(yè)4.0演示墻將采用最新的TI參考設(shè)計(jì)和創(chuàng)新，通過EtherCAT網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信功能。我們的傳感器通信采用IO-Link等有線技術(shù)和藍(lán)牙?低功耗等無線技術(shù)。TI的GaN技術(shù)與具有電流感測功能的48 V 3相GaN基逆變器一起展示，有助于提高變速電機(jī)驅(qū)動器的效率。

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TI演示墻突顯工業(yè)電機(jī)驅(qū)動控制的創(chuàng)新。

以下是TI工業(yè)4.0演示墻上每個(gè)參考設(shè)計(jì)的更多詳細(xì)信息，可在TI.com.cn上下載。

工廠自動化和控制：

通過BLE連通性驅(qū)動的現(xiàn)場變送器參考設(shè)計(jì)：該現(xiàn)場變送器設(shè)計(jì)測量濕度和溫度。它使用Bluetooth?低能量報(bào)告測量值。該設(shè)計(jì)的回路電源為4至20 mA電流，回路上的電流值根據(jù)濕度值變化。

IO-Link傳感器變送器參考設(shè)計(jì)：該參考設(shè)計(jì)為IO-Link傳感器變送器提供了快速原型開發(fā)平臺。由于其模塊化設(shè)計(jì)，可輕松切割不同的區(qū)段，允許任何模擬或數(shù)字傳感器實(shí)現(xiàn)快速簡易連接。

單芯片，回路供電4-20mA RTD傳感器變送器參考設(shè)計(jì)；該設(shè)計(jì)中的內(nèi)置處理器支持使用補(bǔ)償算法，提高系統(tǒng)性能。該參考設(shè)計(jì)非常適合空間受限的應(yīng)用，并以低功率性能在高環(huán)境溫度下運(yùn)行。

用于具有模擬4-20mA輸出的傳感器的IO-Link適配器參考設(shè)計(jì)：該設(shè)計(jì)評估工業(yè)環(huán)境中傳感器的二進(jìn)制或模擬4-20mA輸出信號，并通過IO-Link將結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)到PLC。所有這些都適用于與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)M12連接器兼容的6mm寬PCB。

隔離回路供電熱電偶變送器參考設(shè)計(jì)：本參考設(shè)計(jì)系統(tǒng)解決方案為4至20 mA隔離電流回路應(yīng)用提供精確的K型熱電偶測量。該解決方案可幫助設(shè)計(jì)人員快速原型化并開發(fā)用于過程控制和工廠自動化的最終產(chǎn)品。

工業(yè)電機(jī)驅(qū)動：

增強(qiáng)隔離的參考設(shè)計(jì)：具有電流、電壓和溫度保護(hù)的三相逆變器。實(shí)現(xiàn)提供卓越增強(qiáng)隔離能力和開關(guān)損耗減少的功率級。

符合EMC標(biāo)準(zhǔn)的單芯片解析器到數(shù)字轉(zhuǎn)換器（RDC）參考設(shè)計(jì)：與傳統(tǒng)RDC解決方案相比，該解決方案降低了系統(tǒng)成本，并減小了電路板空間，且提供片上保護(hù)和診斷功能，以提高抗短路能力并通過檢測外部故障條件增強(qiáng)安全性。

用于無刷電機(jī)的48-V 10-A三相高頻氮化鎵（GaN）基逆變器參考設(shè)計(jì)：TI將LMG5200半橋GaN功率模塊與更快、更精確的電流感測放大器相結(jié)合，創(chuàng)建了一個(gè)可實(shí)現(xiàn)更高效、更小電機(jī)設(shè)計(jì)的參考設(shè)計(jì)。

采用48V三相逆變器的基于分流的在線相電流檢測：基于在線相位分流的電流測量允許連續(xù)相電流測量，以獲得更佳的驅(qū)動性能和高AC共模抑制，允許從低-高PWM頻率，并在未校準(zhǔn)的情況下在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的高增益和偏移精度條件下進(jìn)行精確的電流檢測。

具有多協(xié)議以太網(wǎng)功能的符合EMC協(xié)議的EtherCAT從站：該參考設(shè)計(jì)為多協(xié)議以太網(wǎng)功能提供了極大的靈活性，包括一個(gè)雙端口EtherCAT從站，帶有用于PROFIBUS和多協(xié)議RT以太網(wǎng)的HW選項(xiàng)。它還包括一個(gè)成本優(yōu)化的電源管理集成電路，為整個(gè)板提供電源，設(shè)計(jì)符合IEC61000-4-2，4-4和4-5 EMC抗擾性。

今年，TI正考慮從展會現(xiàn)場直播，您可看到展位的“實(shí)時(shí)情況”。通過此網(wǎng)站上可觀看現(xiàn)場播報(bào)。請于今天下午4-5點(diǎn)（CET）在我的網(wǎng)絡(luò)研討會（my webinar session）上注冊，其中，演講時(shí)間為20分鐘，問答時(shí)間為40分鐘。

通過TI提高智能工廠的效率、有效性和靈活性：了解TI技術(shù)如何利用TI EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的解決方案實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0和未來的智能工廠。仔細(xì)觀察使用有線技術(shù)和無線技術(shù)的傳感器通信。

其他信息：

·?????????? 新白皮書：通過TI的Avner Goren和Miro Adzan的預(yù)測性維護(hù)，讓工廠變得更智能、更高效。

有關(guān)工業(yè)4.0的更多信息和參考設(shè)計(jì)。

TI工廠自動化與控制和電機(jī)驅(qū)動的產(chǎn)品和子系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè)知識。

閱讀博客“智能工廠自動化系統(tǒng)中的控制級設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)”。