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29 May 2020, 6:45

半导体制造商正在推动工业传感器领域的发展

工业 4.0 对电子行业产生了深远的影响。在影响范围更为广泛的第四次工业革命中,一部分是将数字化理念引进制造业领域。因此,半导体感应设备产生的收入增加,加上传感器技术的持续进步以及 5G、人工智能和机器学习的出现,半导体制造商有望通过 IIoT 更大规模地实施工业 4.0 而继续受益。

这一点得到了许多驱动因素的支持,例如智能手表、可穿戴设备等消费品的持续发展,但是最终的复合增长领域将来自于工业市场,例如医疗、医疗保健、汽车和保险、制造和能源公用事业管理。 2026 年,预计工业传感市场的增长率将达到 7%。来源:Global Market Insights, Inc.

工业 4.0 最初是由德国政府在 2011 年作为一项高科技战略而制定,当时物联网 (IoT) 概念也处于萌芽阶段。如今,工业 4.0 的基本理念已在全球范围内得到普及,为工业 4.0 和物联网 (IIoT) 的工业应用奠定了坚实的基础。

工业 4.0 的两个基本理念是互连和信息透明。IIoT 是互连的核心。而互连的基本前提是能够通过监控、控制和分析应用,以数字方式将制造和生产资产连接在一起。互连意味着任何工业自动化项目或工艺设备都可以实时提供有关其运行状态和性能的数据。互连也是一种双向通信,允许自动或通过人工干预控制机器和工厂。在整个生产设施中收集数据会创建大量数据点,汇总后将能轻松生成运行效率 (OE) 和整体设备效率 (OEE) 的关键生产管理指标。

维持任何工厂或生产流程高效、有效地运行需要依赖可靠的机器。不幸的是,任何机械设备通常都有随着时间推移而磨损或失效的零件。对于线性生产流程而言,一台机器发生故障可能会导致整座工厂停产,因此多年以来,为了确保生产设备持续运行,正式的维护、维修和操作 (MRO) 制度变得必不可少。IIoT 使得预防性维护的例行实施成为可能,为工厂管理层提供潜在设备故障的早期警告,并能够在实施效果最好时安排维护干预。

运行和维护所需的关键数据来自生产资产上部署的传感器。这正是半导体制造商大展身手的地方,他们开发的传感器可通过特征分析检测性能水平的常见关键指标。传感器可以检测振动、温度、湿度、声音以及其他各种环境因素。其中许多可用于确定资产的运行寿命,但是更重要的是,可以在问题发生前出发警告,避免意外停机造成的巨大损失。 

此外,摄像头传感器等检查传感器也可作为图像识别系统的输入用于检查,例如瓶子上粘贴的品牌标签是否超出合理的位置公差。

STMicroelectronics 通过发布用于 IIoT 应用的 STWIN 原型设计评估板 (193-9794) ,帮助客户评估预防性维护实施的情况。这最终使用户能够监控关键工业资产的状况,受益匪浅。

来自 STMicroelectronics 的 STWIN

如今有各种不同的传感器技术得以应用,从用于检测温度的简单离散热敏电阻器,到用于检测加速力的复杂微机电 (MEMS) 传感器,不一而足。现在,绝大多数传感器输出都被处理成传感器内的数字域,然后通过有线或无线网络传输到主机控制和监控系统。

有关 MEMS 和预防性维护的更多信息,请参阅我们对 STMicroelectronics 的独家采访,以及 DesignSpark 会员 Redstone 撰写的这篇有趣的文章。

技术创新将推动工业 5.0 的发展

在许多制造机构完成工业 4.0 部署之前,业内已经开始讨论工业 5.0。工业 5.0 有望将人重新引入生产循环,这是工业 4.0 的一个明显的遗漏之处。

工业 4.0 的实施过程中不乏挑战。全球各地的工厂占地已经到了很高的水平,因此许多制造部门必须将越来越多的电子设备系统硬塞到现有的控制柜中。在大多数情况下,这些控制柜已经基本塞满,因此将更多的技术集成到空间有限的机柜需要更多的创新。成熟的工业自动化设备制造商需要使 PLC 和控制卡的功能更密集、更节能、更纤薄。值得庆幸的是,半导体行业提供了创新解决方案,以实现更高水平的功能集成,例如,用四通道模数转换器 (ADC) 搭配低噪声独立直流/直流转换器代替之前的单通道 ADC。智能电源管理 IC 的使用,加上通过宽带隙处理技术提高电源转换效率,减少了需要消散的废热量,从而进一步减小系统的整体尺寸。

就工业 5.0 而言,半导体行业仍然需要继续创新。工业 5.0 的一个特点是,对于某些工艺来说,机器人将与熟练工人在一起工作。对于协作机器人的使用以及它们与附近人类的互动方式,人们已经进行了大量研究。工业机器人周围通常设置安全屏障以防止事故发生;然而如需达到高效生产,机器人需要在人类旁边工作,如此一来对感应提出了更高的要求。

从工业 4.0 及其对 IIoT 的应用中汲取的另一个经验教训与传输的数据量、延迟和云计算功能有关。许多传感器不包含任何控制元件;它们以一定的频率将数据发送到生产管理系统。数百个(可能数千个)传感器数据汇集在一个站点中,这可能会对数据带宽提出很高的要求。此外,从接收传感器数据到采取行动,这还涉及到各种通信节点、云和控件,由此导致的延迟可能相当可观,而无法对某些特定任务使用基于云的控制。新型传感器不仅需要感应,还需要推断控制操作。同样,本地网关聚合器也可以给予一定程度的下放自主权,以控制预定义范围内的特定任务。

半导体行业正在把低功耗微控制器作为解决方案,这些微控制器包含感应元件和足够的计算资源,可以运行任务特定的人工智能算法。这些设备包含了针对边缘推理进行优化的计算机硬件体系结构。传感器变得更加智能,并且能够预测。例如,工人的手是否可能位于协作机器人的预期运动路径上。另一个例子是使用机器学习算法侦听安装在电机壳体内的音频传感器的输出,以检测轴承磨损的早期迹象。如需进一步了解与传感器、数据收集和解决方案相关的机器学习技术,请访问 STMicroelectronics。

不断创新

自 20 世纪 70 年代中期首款基于硅的传感器问世以来,工业感应市场发生了巨大变化。创新技术继续满足第四次和第五次工业革命以及不断发展的物联网的需求。而如今,物联网不仅包括工厂,还涵盖了许多其他领域。智能城市、智能家居和智能建筑的出现也需要传感器技术。工业 5.0 的许多传感器创新已经在其他技术导向型市场中得到应用,汽车行业就是一个很好的例子。高级驾驶辅助系统 (ADAS) 在新车型中的快速部署,以及电动汽车、半自动和全自动汽车的发展,都与工业系统一样对传感器应用有着巨大的需求。

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快速变化的环境与技术发展使得工业 4.0 的互连理念得以逐步实现,除此以外还衍生出更高层次的理念。这种根据从传感器收集的数据采取行动的能力渗透到我们生活的方方面面,从消费品和可穿戴设备到医疗保健和工业。第四次(和第五次)工业革命基本理念的实现归功于工业自动化的日益普及。因此,半导体制造商在工业传感领域中的重要性只会不断提升。

Favourite things are Family, Music and Judo. Also, I have the ability to retain and quote useless facts, something that pleases me but can annoy others. My engineering hero - Isambard Kingdom Brunel

29 May 2020, 6:45