工業的4.O未來是什麼？塑造智能工廠未來的最佳新技術

由Miro Adzan和Thomas Leyrer共同撰寫

當今的終端設備市場需要更短的產品生命周期、更多的單獨配置產品及快速適應瞬息萬變的消費者權益。在製造車間，關鍵參數包括較低的資源利用率，特別是更低的功率、更快的製造時間和更低的生產停機時間。這些要求需要一個更複雜、更智能的工廠，利用雲，並使用遠程大數據分析功能優化並適應製造流程，增強在整個生命周期跟蹤產品的能力。

機器和生產單元與互聯網的聯繫實現了過程數據的實時視圖。機器與產品的聯繫還提供了產品數據的實時視圖。由工業服務機器人操作的自動化機器和生產單元處理原材料和生產部件。在生產過程中進行產品和機器質量檢查，以進一步縮短周期時間。這種方式減少了人機互動，並在生產過程中聚焦更高價值的任務。

創新的突破使得工業4.0成為現實。許多意義非凡的技術是由像德州儀器這樣的工程公司實現的。對於TI來說，解決子系統設計挑戰至關重要，這將提高包括效率和靈活性在內的智能製造設計，同時提供製造流程的實時視圖、連通性和通信。

以下為促成更智能、更高效製造的工業4.0的一些關鍵技術，：

• 兼容的工業通信。為了獲得完整製造系統的透明視圖，所有數據必須通過具有共同格式的工業通信技術提供。您可能聽說過「IT連接到OT」這一短語。這意味著信息技術（IT）世界使用互聯網協議（IP）和更高層協議來實現安全的Web訪問。操作技術（OT）世界使用專用的現場匯流排和工業乙太網，其通常僅使用乙太網標準，而不使用基於軟體的網路堆棧組件。這種現場級和企業級之間的不兼容性要求將兼容層定義為工業4.0框架的一部分。將開放平台通信統一架構（OPC UA）連接到較高層，並將現場匯流排連接到較低層的工業4.0網關是兼容性問題的短期解決方案。

將通信擴展到產品級需要低功耗通信。射頻識別RFID是獲得產品和機器通信的關鍵技術。將感測器部署在產品附近和機器處時，電源通過電纜。IO-Link通過雙向數字通信為基本開/關狀態通信的擴展建立標準。IO-Link網關使用工業乙太網或無線LAN直接與OPC UA通信。對於手動操作員的檢查，Bluetooth?低能量連接將數據發送到移動終端。

• 高精度感測。生產過程的效率很大程度上取決於工業感測技術。小批量的機床設置時間變得更加重要。儘管仍需要在線碰撞避免系統，但工具、工件和夾具之間避免碰撞可進行離線模擬。許多材料和工具需要水冷卻，這使得光學感測器難以檢測碰撞。在灰塵和潮濕環境中工作的掃描儀是必需品。

機床在其使用壽命期間會出現故障且生產質量也會降低。機床的連續力感測可在早期指示機床斷裂情形。機床質量會影響溫度感測器和聲學感測器的數據。預測性維護是一個潮詞，其描述了儘早更換早期預示有機床斷裂情形的概念，而不會影響生產流程或生產質量。

機床的多軸控制使用閉環運動來定位刨槽機或材料。尺寸和表面的公差具有來自軸、機床和夾具的機械方差的額外方差。使用線性編碼器和激光距離感測器的精確距離測量用於機器校準、運動控制和質量監控。

製造過程取決於諸如溫度和濕度等環境數據。主動冷卻和清潔系統對環境條件有影響。用於液體和空氣的流量感測器為機床的環境系統提供輸入。

• 電機驅動和控制效率。電機是生產系統中需要大部分能量的組件。具有閉環電流、速度和位置控制的變頻驅動器實現了對功耗有直接影響的動態轉矩曲線。通過絕對編碼器對隔離和轉子位置測量的高精度電流測量為每個控制周期提供控制演算法。除了高效的電機控制演算法外，功率級的效率是功耗的關鍵因素。氮化鎵（GaN）晶體管的更快的開關頻率降低了生產單元中的電動機驅動系統的功率。

現代生產單元具有四個一起工作的主要子系統：定義整個生產過程的計算機數字控制（CNC）系統、驅動生產用電動機和致動器的運動控制子系統、用於其它感測和控制應用的可編程邏輯控制（PLC）系統，以及用於材料處理的服務機器人。

• 嵌入式處理。提高生產系統的效率和靈活性體現在許多方面。工業通信、工業感測和工業控制構成了智能工廠的基礎。本地智能在嵌入式微控制器和微處理器上運行。得到的產品和過程數據通過無線和有線工業通信被發送到用於大數據分析的工業雲。
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