全球正在掀起智能工廠熱潮，它是在傳統(tǒng)工業(yè)自動化之后的更高層次。比如德國目前正在進(jìn)行的工業(yè)4.0，歐盟多個成員組成的歐盟“智能工廠”研發(fā)團(tuán)隊FRAME等。新一代的智能工廠是要采用最先進(jìn)的創(chuàng)新型傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)，通過先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，實現(xiàn)具有自我意識、自我學(xué)習(xí)和自我適應(yīng)能力的智能型自動控制工廠，提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率及產(chǎn)量，在問題發(fā)生前就能預(yù)知問題，從而進(jìn)行改良，讓生產(chǎn)線不間斷運(yùn)行，最終弱化工業(yè)生產(chǎn)中第一線人的作用，推動實現(xiàn)無人工廠。作為制造大國的中國，這也是今后要重點發(fā)展的方向。
“是的，中國正在積極參與智能化工廠的進(jìn)程中?！?ADI負(fù)責(zé)工業(yè)控制的市場經(jīng)理張松剛表示，“我認(rèn)為，智能化工廠是將原來自動化工廠的孤立的點通過網(wǎng)絡(luò)連接起來，實現(xiàn)更有效的管理，引入物聯(lián)網(wǎng)，并開放一部分資源供產(chǎn)業(yè)鏈上下游共享。這里，首先能提升整個工廠效率是的對供應(yīng)鏈上下游的影響，這類資源共享會提升整體效率，降低工廠物流風(fēng)險?！?/font>
而美信工業(yè)應(yīng)用市場專家Suhel Dhanani指出智能化工廠的另一方面也將體現(xiàn)在總廠處理單元與執(zhí)行器(如閥門、繼電器以及控制大量電機(jī)的伺服驅(qū)動)的連接回路上。?智能化工廠從工廠內(nèi)的不同設(shè)備收集大量輸入，處理其數(shù)據(jù)，然后調(diào)節(jié)這些設(shè)備的參數(shù)，從而優(yōu)化運(yùn)行并縮短停機(jī)時間。此類工廠的另一個方面體現(xiàn)在能夠預(yù)測各種設(shè)備(如電機(jī)和閥門)所需的維護(hù)類型和時間，并制定維護(hù)計劃，將停機(jī)時間降至最短。
對于智能化工廠，張松剛認(rèn)為分以下幾個方面。首先，他認(rèn)為智能化是需要雙向互動的，網(wǎng)絡(luò)通訊與智能化傳感技術(shù)的發(fā)展將會促進(jìn)工業(yè)控制的智能化發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)可以將工業(yè)控制整合成一個系統(tǒng)，可以在優(yōu)化的控制系統(tǒng)中實現(xiàn)智能化，網(wǎng)絡(luò)將各個分立的子系統(tǒng)及節(jié)點連接成大的系統(tǒng)，越來越多的工業(yè)控制系統(tǒng)實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)并更加智能化。其次，傳感技術(shù)也在不斷地更新與變化中，越來越多的智能技術(shù)被用在傳感器上，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也已開始與傳感器緊密結(jié)合。比如這幾年非常熱的物聯(lián)網(wǎng)概念，都是工業(yè)控制智能化的具體體現(xiàn)。在這當(dāng)中，軟件技術(shù)的發(fā)展將面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，真正雙向的通訊、智能傳感及智能通訊，都需要高可靠性的軟件來支撐，針對于不同的控制對象也需要更多專業(yè)化與定制的軟件。此外，針對于工業(yè)應(yīng)用復(fù)雜的現(xiàn)場及特定的條件，高溫、高可靠性、需要隔離的器件也需要更多的新技術(shù)去支撐。“這里相關(guān)的最主要的電子技術(shù)是馬達(dá)伺服控制、傳感器以及通信技術(shù)。ADI都會重點關(guān)注?！彼a(bǔ)充道。
德州儀器MCU&WCS業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理吳健鴻也認(rèn)為智能化工廠將是一個快速增長的領(lǐng)域。他稱：“我們已開始注意到工廠正在投資制造自動化的趨勢。雖然這種趨勢只是剛剛開始，但我們確實看到了需求的存在。自動化控制、計算機(jī)視覺、伺服與機(jī)械臂都是我們開始看到大型工廠所感興趣的領(lǐng)域。所有這些自動化都將需要控制與連接。有了IoT，操作人員可以從中央控制室控制和調(diào)整生產(chǎn)線，而且即便是在家中，也能實現(xiàn)24小時監(jiān)控。我們預(yù)計工廠自動化和IoT將帶來長期經(jīng)營的效率與成本優(yōu)勢?！?/font>
日系廠商ROHM也正在為智能化工廠提供系列方案：“隨著FA(工廠自動化)市場在世界范圍內(nèi)的急劇擴(kuò)大，提高生產(chǎn)能力以及低耗電、小型化設(shè)備的開發(fā)不斷推進(jìn)，ROHM為這些設(shè)備提供各種電子元器件?！痹摴矩?fù)責(zé)人表示。他認(rèn)為，EMS(能源管理系統(tǒng))對于智能化工廠不可或缺，ROHM針對HEMS、BEMS、FEMS等EMS，在系統(tǒng)層面上提供最佳元器件產(chǎn)品。為了減少CO2排放量，人類正在積極利用自然能源。為了毫無浪費(fèi)地利用這些能源，需要提高電力系統(tǒng)的效率，ROHM正在開發(fā)使系統(tǒng)自身達(dá)到更高效率的電源IC、傳感器、通信IC、MCU以及電子零部件等產(chǎn)品。“ROHM的強(qiáng)項在于模擬IC、傳感器、功率元器件，此外加上集團(tuán)公司--LAPIS Semiconductor的系統(tǒng)控制技術(shù)，在更廣泛的技術(shù)領(lǐng)域滿足客戶需求?！?/font>
智能化工廠正在向我們走進(jìn)，在某些應(yīng)用領(lǐng)域會發(fā)展更快一些。“我們認(rèn)為在一些分布式控制，采樣點較多，較分散(較遠(yuǎn))，測試數(shù)據(jù)量比較大的工廠,例如冶煉廠，化工廠，鋼廠等會首先實現(xiàn)智能化。PLC/DCS，現(xiàn)場儀表和現(xiàn)場自動化控制的相關(guān)工廠對智能化的需求明顯。具體體現(xiàn)為系統(tǒng)的自我診斷，自我保護(hù)，實時通訊和冗余備份等功能?！盇DI的張松剛分析道。TI吳健鴻也認(rèn)為，那些具有極大規(guī)模的高產(chǎn)能工廠、主要用于消費(fèi)類產(chǎn)品以及化工廠與煉油廠等某些24小時運(yùn)行的工廠會首先走向智能化。
智能化工廠對于控制器的要求
“目前來看，智能化工廠最重要的技術(shù)之一是馬達(dá)的伺服控制系統(tǒng)?！睆埶蓜偙硎?，“由于智能化聯(lián)網(wǎng)的需求，這些控制器正在轉(zhuǎn)向基于ARM核的控制器?！彼忉專瑐鹘y(tǒng)上基于實時DSP的控制處理器會占主導(dǎo)，但是往后看，DSP的路會越走越窄，因為ARM架構(gòu)中在不斷加入實時控制功能，而ARM的生態(tài)資源更加開放，差異化主要會體現(xiàn)在外圍上，包括集成各種通信功能。在通信連網(wǎng)技術(shù)方面，他認(rèn)為以太網(wǎng)協(xié)議將在工廠中逐步取代傳統(tǒng)的485或Can協(xié)議，因為有更高的帶寬，滿足未來物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)處理的需求，但是這個才剛剛開始，不會太快。ADI目前已將以太網(wǎng)mac集成到控制器中?，F(xiàn)在馬達(dá)伺服器的控制方式是由MCU與FPGA共同完成。對于目前FPGA廠商比較積極地參與這個市場，他認(rèn)為FPGA主要的優(yōu)勢在協(xié)議分析上面，更具有靈活性，但是價格上仍完全沒有競爭力?，F(xiàn)在的MCU已非常便宜。
比如ADI近期推出的ADuCM360低功耗精密模擬微控制器非常適合工業(yè)智能傳感器應(yīng)用。ADuCM360是完全集成的3.9kSPS、24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在單芯片上集成雙核高性能多通道Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、32位ARM Cortex-M3處理器和Flash/EE存儲器。該MCU具備業(yè)界最高的精度模擬轉(zhuǎn)換，每mW功耗處理能力具有優(yōu)勢。
吳健鴻分析道，從連接角度來看，工業(yè)自動化上我們所看到的典型接口有：RS485、CAN、以太網(wǎng)，除此之外，我們還看到有Ethercat等其它標(biāo)準(zhǔn)。TI的Sitara已經(jīng)獲得可滿足所有這些不同類型接口需求的參考設(shè)計。從OS角度看，大部分大規(guī)模系統(tǒng)可能會運(yùn)行Linux，但在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域就不存在主導(dǎo)市場的特別OS。就MCU而言，有時我們也推薦SAFEOS等TI自己的RTOS。
張松剛補(bǔ)充，在傳統(tǒng)4-20mA通信接口標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，目前遵循HART協(xié)議的4-20mA正逐漸成為新一代標(biāo)準(zhǔn)。ADI為此推出了AD5700 HART調(diào)制器。另外無線傳輸也逐步被更多客戶采用。例如433mMHz、800—900MHz和2.4GHz的無線收發(fā)器。ADI為此推出了ADucRF101、ADF7242、ADF7023等無線收發(fā)器。
傳感器與能量采集
傳感器是智能化工廠最重要的節(jié)點。美信工業(yè)應(yīng)用市場專家Suhel Dhanani指出，智能化工廠將與無處不在的傳感器相結(jié)合，實現(xiàn)連通性。這樣的工廠將擁有大量傳感器，監(jiān)測從原材料等級到成品質(zhì)量的整個過程。這些傳感器將是智能的，既具有一定程度的分布式智能性，也連接至總廠的分布式控制系統(tǒng)(DCS)或可編程邏輯控制器(PLC)。美信擁有從傳感器采集原始信號并對其進(jìn)行調(diào)理的產(chǎn)品，使其能夠被本地或中央處理器所識別和處理。這些產(chǎn)品包括模擬開關(guān)、放大器、ADC、集成熱電偶/RTD調(diào)理器、電壓基準(zhǔn)、DAC、輸出調(diào)理器，也包括HART調(diào)制解調(diào)器。預(yù)計這些模擬以及數(shù)字輸入和輸出通道的密度將持續(xù)增加，美信已經(jīng)率先開發(fā)了集成產(chǎn)品，例如數(shù)字輸入串行器、數(shù)字輸出驅(qū)動器和集成調(diào)理器，允許實現(xiàn)多個通道應(yīng)用，而封裝尺寸不到上一代產(chǎn)品的一半。此外，他指出，“傳感器也必須通過諸如IO Link或RS 485/Profibus等協(xié)議進(jìn)行通信。大多數(shù)系統(tǒng)故障都發(fā)生在這一接口級。美信能夠為器件提供業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的最高等級ESD和故障保護(hù)——是其它廠家保護(hù)等級的2倍以上。這些器件為接口的可靠性樹立了新標(biāo)桿，在傳感器數(shù)據(jù)非常關(guān)鍵的場合是不可缺少的。”他補(bǔ)充道。
吳健鴻表示，TI新一代的電感傳感技術(shù)應(yīng)用范圍從簡單的按鈕、旋鈕及開關(guān)到高分辨率心率監(jiān)視器、渦輪流量計以及高速電機(jī)／齒輪控制器，無所不包。由于其廣泛的用途，LDC可用于眾多不同市場，包括汽車、大型家用電器、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、移動設(shè)備、計算、工業(yè)以及醫(yī)療等。TI推出的業(yè)界首款電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器(LDC)可將線圈及彈簧用作電感傳感器，與現(xiàn)有傳感解決方案相比，可在更低系統(tǒng)成本下實現(xiàn)更高分辨率、可靠性及靈活性。
ADI方面，張松剛表示，工業(yè)用傳感器一直是ADI MEMS產(chǎn)品的關(guān)注重點，針對工廠里常用的泵、軸、風(fēng)機(jī)、電機(jī)等，ADI推出了一系列振動檢測傳感器，比如高分辨率的ADXL203系列，寬帶寬的ADXL001，三軸數(shù)字化的ADIS16223，還有帶FFT分析的ADIS16227/ADIS16228，以及帶有無線傳輸功能的ADIS16229/ADIS16000。通過分析這些轉(zhuǎn)動和振動機(jī)械的振動波形，就可以預(yù)判機(jī)器是否有螺絲松動、器件老化等問題，這樣可以避免人工的周期檢測和突然停機(jī)造成的安全隱患以及經(jīng)濟(jì)損失。“對于這種工業(yè)應(yīng)用場合而言，產(chǎn)品的魯棒性是ADI主要考慮的重點，比如這些傳感器都可耐受幾千個g的沖擊，工作溫度范圍均可支持-40C到85C，甚至是-55C到125C?！?/font>
而ROHM正在開發(fā)最新技術(shù)的“CIGS圖像傳感器”，針對工業(yè)自動化級相機(jī)。其具有以下特點：
① 從可見光到近紅外光的寬波段范圍內(nèi)可高靈敏地感光，比硅PD感光范圍寬的1200nm以內(nèi)的寬波段靈敏度；
② 層疊CIGS薄膜PD，放置于最表層，實現(xiàn)大的開口率；
③ 實現(xiàn)高效的全局快門功能，由于儲存時間可變，因此可實現(xiàn)更高的動態(tài)范圍。
此外，ROHM負(fù)責(zé)人表示，ROHM備有工廠自動化EMS(能源管理系統(tǒng))不可或缺的、收集環(huán)境和電量等信息的豐富的傳感器IC，特別是能量采集技術(shù)——EnOcean(易能森)的能量采集技術(shù)。這種技術(shù)具有收集存在于自然界的非常小的能量(動作、光、溫度差等)將之轉(zhuǎn)換為電力，并利用這種電力無線傳輸信息的功能。從產(chǎn)生成為電力源的動作到無線通信傳輸?shù)娜^程僅0.01秒即可完成，無需電源與電線即可提供低功耗的無線傳感器解決方案。該技術(shù)的特點之一是使用了這種技術(shù)的產(chǎn)品無需保養(yǎng)?！傲_姆是"EnOcean Alliance"(易能森聯(lián)盟)的骨干成員發(fā)起者。今后，羅姆將站在EnOcean Alliance的發(fā)起者的立場上，與其他成員企業(yè)緊密合作。另外，還將提供羅姆擁有的各種傳感器技術(shù)、低功耗技術(shù)，致力于無線無源傳感器網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展與壯大?！彼硎尽?/font>
針對能量收集，張松剛解釋，“能量收集具體體現(xiàn)為對現(xiàn)場光能，熱能，機(jī)械能和電磁能的采集。所采集的能量轉(zhuǎn)換為電能用以支持現(xiàn)場應(yīng)用。”他表示，針對能量收集應(yīng)用，AD5090是ADI新近推出的電源管理芯片，它能高效實現(xiàn)現(xiàn)場能源的收集和轉(zhuǎn)換。
哪一種無線通信技術(shù)最合適
目前有多種無線通信技術(shù)都可用于智能化工廠。雖然張松剛認(rèn)為目前自動化工廠仍以有線的485與CAN為主，因為高可靠性最重要。不過，無線通信方式是物聯(lián)網(wǎng)上主要采用的技術(shù)。談到哪一種無線技術(shù)最適合于智能化工廠？TI的吳健鴻分析道：“IoT市場不存在主導(dǎo)性無線技術(shù)，不同的使用案例環(huán)境需要不同類型的解決方案。例如，如果IoT與IP直接相連，最常用的就是以太網(wǎng)或WLAN。對于需要遠(yuǎn)距離連接和能夠穿墻的工業(yè)類應(yīng)用而言，1GHz以下頻段的專有無線連接可能會是更好的選項。而如果IoT需要連接至移動設(shè)備，BLE與WiFi則將是不錯的選擇。鑒于這種情況，我們會花大量的時間與客戶直接溝通，共同討論其系統(tǒng)需求，向他們推薦某些最適合其需求的技術(shù)。與其他只重視某一項技術(shù)的IC公司不同，TI擁有所有不同類型的無線解決方案，這可為用戶提供一個充分利用最佳技術(shù)滿足其需求的選項。這比只鉆研某項可能、只能在一種情況下工作的技術(shù)更為重要?！?/font>
他進(jìn)一步解釋，比如智能工廠的遠(yuǎn)距離控制是一個眾多不同使用案例環(huán)境所需的技術(shù)整合，一般來說TI根據(jù)客戶的系統(tǒng)要求及工作環(huán)境與客戶合作，提出能夠充分滿足其需求的最佳解決方案。他詳細(xì)分析如下：如果應(yīng)用只需要簡單的傳感器和簡單的控制命令，我們會看到大量解決方案都建立在具有以太網(wǎng)功能的標(biāo)準(zhǔn)可編程邏輯控制器(PLC)基礎(chǔ)之上。數(shù)據(jù)將通過以太網(wǎng)發(fā)送至云端或服務(wù)器，然后將控制數(shù)據(jù)發(fā)回PLC實現(xiàn)控制。但對于更高級的系統(tǒng)而言，我們可能看到的是使用網(wǎng)關(guān)和集中器從成千上萬的設(shè)備中采集信息，然后再通過這些網(wǎng)關(guān)和集中器把信息發(fā)還給服務(wù)器。在較小規(guī)模的系統(tǒng)中，客戶仍然主要使用RS485與CAN等有線連接，然后通過以太網(wǎng)連接至服務(wù)器／云。對較大型的系統(tǒng)，客戶可使用1GHz專網(wǎng)、ZigBee、以太網(wǎng)、Ethercat以及電力線通信等不同連接。TI一般會根據(jù)客戶的系統(tǒng)需求與客戶合作，確認(rèn)可滿足其需求的最佳產(chǎn)品，包括基于Tiva(M4)的以太網(wǎng)MCU、基于ARM A8并支持Ethercat的Sitara、基于TMS320C2000的電力線通信，或者TI CC系列1GHz以下以及Zigbee產(chǎn)品。
而ROHM負(fù)責(zé)人則表示，目前正在與清華大學(xué)合作新的窄帶電力線載波方案，通過電力線就能將信息傳遞到所有覆蓋電線的地方，與傳統(tǒng)PLC方案相比，羅姆能夠?qū)崿F(xiàn)傳送距離更長，抗干擾性更強(qiáng)的特點，使得物聯(lián)網(wǎng)傳輸信息量小，可靠性要求高的要求得到了充分的保證。當(dāng)然，他補(bǔ)充，除電力線載波外，他們還備有特定小功率無線通信模塊、IEEE802.15.4/ZigBee/低功耗藍(lán)牙等進(jìn)行信息通信的通信IC，可以根據(jù)目的和通信領(lǐng)域進(jìn)行選擇。
智能化工廠的安全問題
美信工業(yè)應(yīng)用市場經(jīng)理John Mossman提醒大家開放的智能化工廠將會帶來安全問題。他分析道：“通過將工廠網(wǎng)絡(luò)與云端相連接，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)。這種連接是一把雙刃劍，優(yōu)點是能夠從任何可訪問互聯(lián)網(wǎng)的位置監(jiān)測和控制工廠，但同時也為攻擊、惡意軟件、知識產(chǎn)權(quán)(IP)盜竊提供了方便之門。目前使用基于軟件的安全方案，但最終需要基于嵌入式硬件的安全方案，實現(xiàn)金融行業(yè)級別的保護(hù)水平?！?/font>
至少說到通信技術(shù)的選擇，他也從安全方面來表達(dá)了自己的觀點?！瓣P(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的另一種假設(shè)是所有“物體”通過無線方式進(jìn)行通信。我認(rèn)為有些非關(guān)鍵和運(yùn)動緩慢的工業(yè)過程可承受短時間缺失的無線連接，這些應(yīng)用比較適合采用無線方式。但快速、對時間要求嚴(yán)格及高度危險的過程不能承受無線鏈路固有的連接問題，所以這些過程將仍然保留有線方式，同時又能夠作為物體與云端通信?！?/font>
John Mossman表示，在全球范圍內(nèi)主要制造商使用的PLC、DCS以及其它智能工廠自動化設(shè)備中，都廣泛集成了美信的眾多產(chǎn)品，得益于先進(jìn)的模擬集成，可有效提升性能、實現(xiàn)較低溫度工作以及降低系統(tǒng)復(fù)雜度。
