未來的智能工廠——為工業4.0打下技術基礎

工業4.0通常被認為是第四次工業革命的到來。從本質上講，工業4.0是由機器、人以及產品組成的實際網絡，能夠實現整個制造流程的實時優化。智能制造將為從工廠車間到制造、供應商和分銷商的整個價值鏈帶來更高的生產效率。

流程優化和定制、資產跟蹤、預見性養護以及實時庫存優化是工業4.0的一些主要目標。到2020年，歐洲工業將在工業互聯網應用方面投入1200億美元。
工廠中電氣化、自動化和連通性的快節奏已經為迅速適應工業4.0打下了良好的基礎。為機器和零部件配備傳感器和網絡連通性是實現這一愿景的重要步驟。此外，數據分析與軟件平臺也是關鍵的因素。
德州儀器（TI）模擬業務部首席技術官Ahmad Bahai探討了工業互聯網在半導體領域的主要屬性，尤其是模擬與嵌入式處理技術在實現全新智能制造浪潮方面所發揮的關鍵作用。
• 嵌入式傳感器：早在半導體技術出現之前，制造工廠就已經開始使用傳感器了。然而，由于嵌入式處理器和微機電 (MEMS) 技術的迅速發展與創新，傳感器與換能器在制造業中的廣泛使用進入了全盛時期。在大多數情況下，嵌入式傳感器的部署將作為工業傳感器的補充。
在一個芯片或封裝內集成磁性元件、超聲波和光學傳感器能夠以增量成本的方式來簡化對子系統的診斷和預測，并且不會對架構產生比較大的影響。利用分布式網絡互連傳感器收集的數據來進行預見性養護是未來智能化工廠在提升效率方面的一個實例。在大多數情況下，嵌入式傳感器是為了與智能模擬前端以及緊密耦合嵌入式信號處理對接，能夠非線性和任何其它缺陷進行了校正。高效的電源管理以及與智能采樣技術對于常開低功耗傳感器的可靠運行是十分關鍵。
• 嵌入式處理器：將智能化向系統轉移意味著在大量的工業“設備”中部署超低功耗安全嵌入式處理器。數據的本地處理是實時及低功耗嵌入式傳感器模塊的關鍵所在。在智能感測節點中，功耗少于70uA/MHz的超低功耗嵌入式處理器以及大量智能模擬接口是本地信號和數據處理的核心，包括例如FRAM等非易失性存儲器 (NVM) 技術。用于工業傳感器的嵌入式處理器會因為不同的集成低功率接口、智能電源管理和集成時鐘基準而千差萬別。此外，硬件與軟件安全特性的結合也是保密通信以及IP和數據篡改保護的關鍵。
• 網絡互連：無所不在的連通性是實現工業互聯網的基礎。有線與無線連通性的混合使用實現了工廠車間或倉庫內智能機器和零部件的高度分布式網絡。在智能工廠中，將IP地址直接分配給機器和傳感器是不可或缺的。目前，許多應用已經采用了工業以太網，而大部分的主要工業生產商正在考慮使用Wi-Fi®、6LoWPAN、甚至是Bluetooth® Smart等無線技術。任何一款支持連通性和智能電源管理的嵌入式低功耗MCU都可以由紐扣電池供電運行10年。
• 隔離：為了實現保護、抗噪以及可靠運行，隔離技術已經廣泛應用于工業應用。在很多工業系統中，穿過隔離隔柵來傳輸用于測量與控制的高數據速率信息和寬帶信號變得越來越重要。對于工業接口而言，高效率和針對高壓浪涌的魯棒性是必不可少的。而在高帶寬數據隔離應用中，可編程邏輯控制 (PLC) 背板、電機驅動通信和工業互聯網也是非常普遍的。此外，跨過隔離隔柵來傳輸數據和電能在諸如柵極驅動器和用于高壓器件的工業傳感器柵極驅動器等應用中找到了用武之地。
總的來說，智能電源管理和高精度模擬器件是全部上述子系統的常見組件。安全性和可靠性是首要需求，并且對于車間內智能機器和設備的部署是必不可少的。其次，在故障情況下保證安全運行，并且防止黑客入侵的高可靠性和互連網絡也是十分關鍵的。
機器對機器 (M2M) 和工業物聯網 (IIOT) 的理念已經被提出和討論很多年了。不過。直到最近，由于半導體技術的持續發展，工業市場已經在智能制造和生產方面有了質的飛躍。我們正在迎接“工業4.0”時代的真正到來。

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