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提高产线效率 边缘运算迈入工业市场
MCU扮演关键要角
[作者 王岫晨]   2022年03月25日 星期五 浏览人次: [13652]

工业自动化发展让大家有目共睹,关键技术包括嵌入式处理器。


透过MCU来赋予边缘运算效能,特别是必须满足工业等级的应用场景。


还可以兼顾降低成本、提高品质、增加灵活性并减少对环境的影响。


工业现代化和智慧制造的转变,引发了自动化、机器人技术和工业物联网(IIoT)等方面的创新。而引入人工智慧、互操作性和安全连接可以实现流程、资源和系统的实时监控、控制与优化。所有这些过程都可以提高生产力、提升安全性并降低成本。


智慧工厂愿景

工业自动化是使用数位逻辑编程和机械化设备来操作机器,并最大程度地减少人工进行决策和手动命令的过程。例如使用机器学习来进行预测性维护或识别生产线上的问题,或者在仓库的固定工作范围内部署自主运行的机器人。而自动化系统也已经用於强化智慧制造和仓储的不同层面,以优化生产线和相关的物流与资源。


若将传统工业自动化的组成视为一座金字塔,其顶端会是监控电脑,它们用於运行工业控制软体,并透过工业联网进行通信。中层则是控制系统,透过PLC等设备来执行自动化相关程序以进行即时运算。至於底层则是现场感测器和执行设备,透过现场总线与控制器介接,并利用点对点连接进行通信。这些层级正在被重新定义,目标是在於实现智慧工厂的愿景。


打开工业自动化大门


图1 : 工业市场需要高水准的创新,来满足不同特定需求。除了需要电源和能源管理技术之外,更不可或缺的是运算效能更高的MCU。(source:schneider.com)
图1 : 工业市场需要高水准的创新,来满足不同特定需求。除了需要电源和能源管理技术之外,更不可或缺的是运算效能更高的MCU。(source:schneider.com)

智慧工厂以工业感测器为核心。透过有线和无线连接技术,以及更高效率的电源转换技术整合到设备中。效率更好的电源控制系统可以明显降低制造系统的能耗,并降低成本和碳排放。PLC也是即时控制系统的一部分。PLC一直都是工业控制系统的重要组成,近年来大幅缩小了尺寸并增加了连接性,来提高工业自动化系统的效能。这使得智慧工厂可以即时监控,并快速重新配置速度,以满足不断变化的生产需求。


工业4.0是工厂自动化的下一阶段,将工厂间的设备连接起来,成为工业物联网(IIoT)的一部分。透过IIoT就能够从云端监控和控制设备。也可以将工业机器人等新设备添加到生产设施中,以提高生产过程的效率。从网路所收集到的感测器数据,可以建立流程数据模型,除了可以优化产线和持续改进,而且还允许进行预测性维护。


另外,将机器学习演算法应用於数据模型,就可以识别机器健康状况的变化。这些数据还可以用於分析可能比预期更早发生故障的系统,进而可以实现预防性维护。这目的可以用於避免导致生产线停止的故障,一旦发生可能会耗费昂贵成本。


而在产线上的工业机器人,可以提高工厂自动化系统的灵活性,常见的两轴和三轴系统可用於提高生产率。精度和可重复性是工业机器人的关键衡量标准。工业机器人使用不同等级的运动控制,例如简单的取放组装只需要在预定的位置上重复进行,至於焊接和精密加工等应用,则需要以准确的方向和速度来进行连续控制。工业机器人可以与机器视觉系统和机器学习密切配合,无需透过演练即可识别机器人手臂的正确定位。机器学习演算法可以协助提高生产过程的准确性和可重复性,进而提高效率。为了这些关键的应用情境,透过MCU可以为工厂中的不同设备,赋予边缘运算的能力。


解决工业产品关键问题

随着系统复杂性不断增加,降低系统成本和节省电路板空间变得势在必行。TI的元件提供了高精度类比整合能力,可节省电路板空间、最大限度地降低供应链复杂性,并降低总体成本,而不会影响系统性能。在未来,自动化和智慧系统的成败取决於边缘创新。TI的处理器支援高速AI,并可降低系统功耗和成本。晶片也整合了包括硬体加速、机器视觉和深度学习、高速I/O,以及功能安全和保障技术等。而随着近年来可再生能源和节能产品与系统的趋势正在成形,TI的MCU和处理器也具备独特处理和控制功能,透过节能架构和先进的电源拓扑,大幅度地提高效能。


有监於延长电池寿命是工业产品的一个关键问题,尤其是随着这些产品变得更加复杂和高度互联。开发人员必须在产品的整个生命周期内,尽可能地减少功耗,这通常意味着必须减少处理单元中的功耗。TI多样化的MCU产品组合,具有即时控制功能和高精度整合能力,并针对工业应用进行了优化,这些MCU可以满足任何设计和预算的需求。而基於Arm架构的32位元MCU能提供可扩展的高性能和节能设备组合,满足工业系统需求,并为设计带来功能安全、电源效率、实时控制、高级网路、分析和安全等功能。


透过创新满足工业需求


图2 : 工业自动化市场中,不可或缺的是运算效能更高的MCU。(source:atriainnovation.com)
图2 : 工业自动化市场中,不可或缺的是运算效能更高的MCU。(source:atriainnovation.com)

工业市场涵盖了广泛的应用,其中许多应用正服务於成熟的产业中。与物联网相关的新技术和服务的引入,正加速推动这些产业的新成长。智慧化工业也正在推动机器、工厂和工作场所变得更有效率。在工业自动化市场上,ST长期一直都是相关的元件供应商,这些元件过去一直在家用电器、家庭和楼宇自动化等领域表现强劲,而现在应用到工业市场上,表现一样非常亮眼。


事实上,工业市场的应用中,需要非常高水准的创新,来提供满足不同特定需求的解决方案。例如,从家用电器中的微瓦级到工厂电机中的兆瓦级功率产品,以及可以覆盖一系列数据速率,以及从??米到数十公里距离远的连接解决方案,这些背後除了需要电源和能源管理技术之外,更不可或缺的是运算效能更高的MCU。


工业市场发展的关键技术包括嵌入式处理器,例如人工智慧功能、有线和无线连接、安全和保护、创新电力技术、云和边缘计算以及大数据分析。背後的关键技术都有赖於MCU来赋予更高的效能,特别是需要能满足工业等级的应用场景。工厂自动化或工业自动化是透过工厂设备的连接性能,来提高控制系统的效率和可靠性。而反过来又可以降低成本、提高品质、增加灵活性并减少对环境的影响。


近年来,工业市场的自动化发展让大家有目共睹。然而工业半导体元件与一般消费级别的晶片必须有所不同,以ST为例,从技术(包括SiC和GaN)以及垂直整合制造能力等方面都进行了大量投资,以满足工业市场的更高需求。ST过往在消费市场的MCU产品拥有非常高的市场占有率,而近年来也增加了工业等级MCU产品线,也就是STM32系列的一部分,这系列MCU在工厂自动化应用中,为客户提供了极具吸引力的附加价值。


此外,MCU往往还会搭配许多不同感测元件。ST的工业感测器系列产品(例如加速度计、倾角计、磁性感测器、压力感测器、接近感测器和温度感测器),这些许多不同的感测器使用寿命都在10年之久,能满足工业市场动辄多达数十年的供货保证期限,并且还在继续成长,进而有机会开拓新的应用市场。30多年在工业市场的持续投资和经验,使ST能够开发出一系列的工业技术与产品,并为客户提供针对不同应用的定制解决方案。ST认为,对於要求严苛的工业应用,没有一个满足所有应用的万能产品,但供应商必须要有能力为所有工业市场提供解决方案来满足不同需求。


结语

2022年全球仍面对疫情的严峻、供应链供需失衡等问题、通膨与成本上升,是制造产业的最大困扰。基於数据分析的营运决策、全球化与在地生产的供应链管理、提升生产效率、品管与降低成本,也将成为智慧自动化与工业数位转型的共同认知。而在其中,半导体元件也将扮演着重要的角色,成为自动化产线的最大助力。


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