新連接技術(shù)如何降低工業(yè) 4.0 的壁壘

在過(guò)去的幾十年里，網(wǎng)絡(luò )智能已經(jīng)遍布我們的城市、家庭和辦公室，對從恒溫器到交通信號燈的一切事物實(shí)現了賦能，并隨著(zhù)制造商考慮如何通過(guò)連接技術(shù)和數字化的進(jìn)步或工業(yè) 4.0 來(lái)提高產(chǎn)量而蔓延到工廠(chǎng)車(chē)間。

“大多數人都通過(guò)將邊緣節點(diǎn)或終端連接到互聯(lián)網(wǎng)在家中體驗過(guò)自動(dòng)化”，德州儀器副總裁兼高速數據 (HSD) 部門(mén)總經(jīng)理 Ahmed Salem 說(shuō)道?！巴瑯?，工業(yè) 4.0 涉及將信息技術(shù)的創(chuàng )新與運營(yíng)技術(shù)聯(lián)系起來(lái)，使制造系統變得更加智能和自主?！?/p>

籠式機器人定義了工業(yè) 3.0 時(shí)代，它們傳統上用于重工業(yè)，并且往往只執行有限數量的可重復任務(wù)，而工業(yè) 4.0 涉及足夠智能的機器人，它們可以與人類(lèi)一起安全自主地組裝從汽車(chē)、飛機機翼到智能手機和筆記本電腦的任何東西。 

在速度與可靠性之間找到平衡

現代工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )架構的趨勢是，通過(guò)持續制定行業(yè)標準和協(xié)議（如時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò ) (TSN)、EtherCAT 和 Profinet）來(lái)提高效率、安全性和可持續性。

“在家里，同步或數據丟失問(wèn)題只是令人沮喪而已”，Ahmed 說(shuō)道?！暗诠I(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，可靠性和值得信賴(lài)的通信至關(guān)重要，因為數據丟失的后果可能代價(jià)高昂，甚至是災難性的?！?nbsp;

即使是像發(fā)送控制信號時(shí)意外產(chǎn)生幾毫秒延遲這樣簡(jiǎn)單的事情，也可能導致壓縮天然氣機器不同步，造成永久性損壞。在最壞的情況下，斷開(kāi)連接可能會(huì )導致機械臂失控等危險情況。

由于這些原因，工廠(chǎng)過(guò)去依賴(lài)于經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗證的確定性通信技術(shù)，確保在設定的時(shí)間窗口內發(fā)送所有控制信號。然而，其中大多數技術(shù)都存在速度慢這一缺點(diǎn)，這會(huì )阻礙大量信息的快速流動(dòng)，從而影響多傳感器智能控制系統發(fā)揮作用。

相比之下，以太網(wǎng)長(cháng)期以來(lái)一直提供高級自動(dòng)化所需的帶寬，最大速度為幾十、幾百甚至上千兆比特數量級。例如，EtherCAT 和 Profinet 就是專(zhuān)為應對工業(yè)環(huán)境挑戰而設計的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。使用工業(yè)以太網(wǎng)的新工業(yè)通信裝置比例從 2016 年的 38% 增加到今年的 68%。

此外，TSN 標準的開(kāi)發(fā)使以太網(wǎng)成為控制網(wǎng)絡(luò )的常見(jiàn)選項，因為以太網(wǎng)可通過(guò)高度精確的分布式時(shí)鐘和自動(dòng)確定時(shí)間敏感控制消息優(yōu)先級等功能，確保在指定的時(shí)間窗口內發(fā)送控制信號。

德州儀器的產(chǎn)品組合品類(lèi)豐富，包括上述連接解決方案以及更多有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)解決方案，并經(jīng)過(guò)驗證和測試，符合最高的工業(yè)、汽車(chē)和監管標準。

與傳統基礎設施搭配使用

雖然較新的協(xié)議和 TSN 使以太網(wǎng)適合在工業(yè)控制環(huán)境中使用，但安裝成本仍然是阻礙其得以采用的因素。

以往，以太網(wǎng)設計使用多根雙絞線(xiàn)電纜，最大長(cháng)度可達 100 米。這意味著(zhù)，想要采用以太網(wǎng)的制造商不僅需要更換所有電纜，還將不得不改變使用較早單線(xiàn)對技術(shù)建造的工廠(chǎng)的整個(gè)布局，這涉及到的電纜長(cháng)度長(cháng)達幾公里。

大多數制造商無(wú)法承受停止生產(chǎn)線(xiàn)數周來(lái)更換昂貴基礎設施的成本，因此單線(xiàn)對以太網(wǎng)的開(kāi)發(fā)（可以使用工廠(chǎng)的現有電纜運行）一直是實(shí)現技術(shù)采用的關(guān)鍵。

“單線(xiàn)對以太網(wǎng)是一種易于采用的以太網(wǎng)版本，無(wú)需從根本上改變您構建制造設施的方式”，以太網(wǎng)聯(lián)盟行業(yè)聯(lián)盟主席 Peter Jones 說(shuō)道?！芭c其期望工廠(chǎng)滿(mǎn)足現代信息技術(shù)的要求，不如去問(wèn)問(wèn)他們需要什么，以及我們能提供什么幫助?！?/p>

作為以太網(wǎng)聯(lián)盟的成員，德州儀器致力于通過(guò)支持單線(xiàn)對、多線(xiàn)對或光纖布線(xiàn)的物理層收發(fā)器系列，幫助開(kāi)發(fā)工業(yè)以太網(wǎng)的多種形式。自動(dòng)化系統設計人員可從這些產(chǎn)品中選擇 10/100Mbps 和 10/100/1000Mbps DP838x 工業(yè)以太網(wǎng)收發(fā)器實(shí)現高速率和低延時(shí)，或選擇 DP83TD510 收發(fā)器實(shí)現 2 公里的電纜長(cháng)度。所有收發(fā)器都能夠抵抗工廠(chǎng)環(huán)境中的高溫和電磁噪聲影響。

制造業(yè)的精益化未來(lái)

建設制造業(yè)的美好未來(lái)是一個(gè)持續過(guò)程。隨著(zhù)復合傳感器變得越來(lái)越經(jīng)濟實(shí)惠，人工智能 (AI) 功能變得越來(lái)越精進(jìn)，人們對更高通信帶寬的需求也在日益增加。但隨著(zhù)這些挑戰的出現，創(chuàng )建更可持續和更高效制造工藝的機遇也相繼而來(lái)。

專(zhuān)為支持邊緣 AI 而設計的處理器（例如德州儀器的 AM6xA 處理器產(chǎn)品系列）可省去與集中式可編程邏輯控制器通信的需求。在本地運行機器視覺(jué)算法不僅可以使機器人與人類(lèi)一起工作，甚至可以使它們向人類(lèi)學(xué)習。例如，通過(guò)調整可以使個(gè)人以更優(yōu)順序執行一系列裝配任務(wù)。

從長(cháng)遠來(lái)看，工業(yè) 4.0 還將涉及對關(guān)鍵系統（包括傳感器、執行器及其連接的通信基礎設施）的持續監控以及預測性分析的部署（可以自動(dòng)預測何時(shí)需要維護或維修工作）。

對于較新的基于視覺(jué)的機器人系統，V3Link 等技術(shù)可實(shí)現低延時(shí)、同步和可擴展的無(wú)壓縮視頻傳輸，有助于避免工廠(chǎng)車(chē)間發(fā)生事故。

改善人與其他機器人之間的協(xié)調需要先進(jìn)的本地處理，并且通常還需要無(wú)線(xiàn)連接，以實(shí)現可靠的室內定位系統（請參閱 Wi-Fi、低功耗藍牙 (BLE) 和 Sub-1Ghz/BLE 等重要選項）。

“關(guān)閉工廠(chǎng)進(jìn)行維護的成本很高”，Ahmed 說(shuō)道?！叭绻贫硕ㄆ诰S護計劃，就必須定期維護，無(wú)論是否需要。相比之下，預測性維護意味著(zhù)您可以?xún)H在需要時(shí)執行維護工作，從而避免不必要的停機和浪費?！?/p>

對于各制造商來(lái)說(shuō)，在安全性、效率和可持續性方面的這些改進(jìn)比可選優(yōu)勢更重要?！斑@些舉措對整個(gè)社會(huì )來(lái)說(shuō)都非常重要，因為我們希望優(yōu)化我們的系統以更好地應對 21 世紀的挑戰，”處理器副總裁兼總經(jīng)理 Roland Sperlich 說(shuō)道。

“在接下來(lái)的 10 年里，我認為我們將開(kāi)始看到傳感器技術(shù)和邊緣 AI 在降低功耗方面發(fā)揮作用，例如，允許我們動(dòng)態(tài)關(guān)閉工廠(chǎng)的某些部分，然后在需要時(shí)快速讓它們恢復生產(chǎn)”，他說(shuō)道，“隨著(zhù)世界各國都需要適應不斷增長(cháng)的人口和超負荷運轉的電網(wǎng)，這些創(chuàng )新對于實(shí)現節能至關(guān)重要，而節能不僅符合客戶(hù)預期，也符合我們所有人的需要?！?/p>