引入物联网，工业自动化向智能工厂升级

    全球正在掀起智能工厂热潮，它是在传统工业自动化之后的更高层次。比如德国目前正在进行的工业4.0，欧盟多个成员组成的欧盟“智能工厂”研发团队FRAME等。新一代的智能工厂是要采用最先进的创新型传感网络技术和人机交互技术，通过先进的物联网与远程监控技术，实现具有自我意识、自我学习和自我适应能力的智能型自动控制工厂，提高生产线的生产效率及产量，在问题发生前就能预知问题，从而进行改良，让生产线不间断运行，最终弱化工业生产中第一线人的作用，推动实现无人工厂。作为制造大国的中国，这也是今后要重点发展的方向。

“是的，中国正在积极参与智能化工厂的进程中。” ADI负责工业控制的市场经理张松刚表示，“我认为，智能化工厂是将原来自动化工厂的孤立的点通过网络连接起来，实现更有效的管理，引入物联网，并开放一部分资源供产业链上下游共享。这里，首先能提升整个工厂效率是的对供应链上下游的影响，这类资源共享会提升整体效率，降低工厂物流风险。”

而美信工业应用市场专家Suhel Dhanani指出智能化工厂的另一方面也将体现在总厂处理单元与执行器(如阀门、继电器以及控制大量电机的伺服驱动)的连接回路上。?智能化工厂从工厂内的不同设备收集大量输入，处理其数据，然后调节这些设备的参数，从而优化运行并缩短停机时间。此类工厂的另一个方面体现在能够预测各种设备(如电机和阀门)所需的维护类型和时间，并制定维护计划，将停机时间降至最短。

对于智能化工厂，张松刚认为分以下几个方面。首先，他认为智能化是需要双向互动的，网络通讯与智能化传感技术的发展将会促进工业控制的智能化发展。网络通讯技术可以将工业控制整合成一个系统，可以在优化的控制系统中实现智能化，网络将各个分立的子系统及节点连接成大的系统，越来越多的工业控制系统实现了联网并更加智能化。其次，传感技术也在不断地更新与变化中，越来越多的智能技术被用在传感器上，网络技术也已开始与传感器紧密结合。比如这几年非常热的物联网概念，都是工业控制智能化的具体体现。在这当中，软件技术的发展将面临巨大的技术挑战，真正双向的通讯、智能传感及智能通讯，都需要高可靠性的软件来支撑，针对于不同的控制对象也需要更多专业化与定制的软件。此外，针对于工业应用复杂的现场及特定的条件，高温、高可靠性、需要隔离的器件也需要更多的新技术去支撑。“这里相关的最主要的电子技术是马达伺服控制、传感器以及通信技术。ADI都会重点关注。”他补充道。

德州仪器MCU&WCS业务拓展经理吴健鸿也认为智能化工厂将是一个快速增长的领域。他称：“我们已开始注意到工厂正在投资制造自动化的趋势。虽然这种趋势只是刚刚开始，但我们确实看到了需求的存在。自动化控制、计算机视觉、伺服与机械臂都是我们开始看到大型工厂所感兴趣的领域。所有这些自动化都将需要控制与连接。有了IoT，操作人员可以从中央控制室控制和调整生产线，而且即便是在家中，也能实现24小时监控。我们预计工厂自动化和IoT将带来长期经营的效率与成本优势。”

日系厂商ROHM也正在为智能化工厂提供系列方案：“随着FA(工厂自动化)市场在世界范围内的急剧扩大，提高生产能力以及低耗电、小型化设备的开发不断推进，ROHM为这些设备提供各种电子元器件。”该公司负责人表示。他认为，EMS(能源管理系统)对于智能化工厂不可或缺，ROHM针对HEMS、BEMS、FEMS等EMS，在系统层面上提供最佳元器件产品。为了减少CO2排放量，人类正在积极利用自然能源。为了毫无浪费地利用这些能源，需要提高电力系统的效率，ROHM正在开发使系统自身达到更高效率的电源IC、传感器、通信IC、MCU以及电子零部件等产品。“ROHM的强项在于模拟IC、传感器、功率元器件，此外加上集团公司--LAPIS Semiconductor的系统控制技术，在更广泛的技术领域满足客户需求。”

智能化工厂正在向我们走进，在某些应用领域会发展更快一些。“我们认为在一些分布式控制，采样点较多，较分散(较远)，测试数据量比较大的工厂,例如冶炼厂，化工厂，钢厂等会首先实现智能化。PLC/DCS，现场仪表和现场自动化控制的相关工厂对智能化的需求明显。具体体现为系统的自我诊断，自我保护，实时通讯和冗余备份等功能。”ADI的张松刚分析道。TI吴健鸿也认为，那些具有极大规模的高产能工厂、主要用于消费类产品以及化工厂与炼油厂等某些24小时运行的工厂会首先走向智能化。

智能化工厂对于控制器的要求

“目前来看，智能化工厂最重要的技术之一是马达的伺服控制系统。”张松刚表示，“由于智能化联网的需求，这些控制器正在转向基于ARM核的控制器。”他解释，传统上基于实时DSP的控制处理器会占主导，但是往后看，DSP的路会越走越窄，因为ARM架构中在不断加入实时控制功能，而ARM的生态资源更加开放，差异化主要会体现在外围上，包括集成各种通信功能。在通信连网技术方面，他认为以太网协议将在工厂中逐步取代传统的485或Can协议，因为有更高的带宽，满足未来物联网大数据处理的需求，但是这个才刚刚开始，不会太快。ADI目前已将以太网mac集成到控制器中。现在马达伺服器的控制方式是由MCU与FPGA共同完成。对于目前FPGA厂商比较积极地参与这个市场，他认为FPGA主要的优势在协议分析上面，更具有灵活性，但是价格上仍完全没有竞争力。现在的MCU已非常便宜。

比如ADI近期推出的ADuCM360低功耗精密模拟微控制器非常适合工业智能传感器应用。ADuCM360是完全集成的3.9kSPS、24位数据采集系统，在单芯片上集成双核高性能多通道Σ-Δ型模数转换器(ADC)、32位ARM Cortex-M3处理器和Flash/EE存储器。该MCU具备业界最高的精度模拟转换，每mW功耗处理能力具有优势。

吴健鸿分析道，从连接角度来看，工业自动化上我们所看到的典型接口有：RS485、CAN、以太网，除此之外，我们还看到有Ethercat等其它标准。TI的Sitara已经获得可满足所有这些不同类型接口需求的参考设计。从OS角度看，大部分大规模系统可能会运行Linux，但在嵌入式系统领域就不存在主导市场的特别OS。就MCU而言，有时我们也推荐SAFEOS等TI自己的RTOS。

张松刚补充，在传统4-20mA通信接口标准的基础上，目前遵循HART协议的4-20mA正逐渐成为新一代标准。ADI为此推出了AD5700 HART调制器。另外无线传输也逐步被更多客户采用。例如433mMHz、800—900MHz和2.4GHz的无线收发器。ADI为此推出了ADucRF101、ADF7242、ADF7023等无线收发器。

传感器与能量采集

传感器是智能化工厂最重要的节点。美信工业应用市场专家Suhel Dhanani指出，智能化工厂将与无处不在的传感器相结合，实现连通性。这样的工厂将拥有大量传感器，监测从原材料等级到成品质量的整个过程。这些传感器将是智能的，既具有一定程度的分布式智能性，也连接至总厂的分布式控制系统(DCS)或可编程逻辑控制器(PLC)。美信拥有从传感器采集原始信号并对其进行调理的产品，使其能够被本地或中央处理器所识别和处理。这些产品包括模拟开关、放大器、ADC、集成热电偶/RTD调理器、电压基准、DAC、输出调理器，也包括HART调制解调器。预计这些模拟以及数字输入和输出通道的密度将持续增加，美信已经率先开发了集成产品，例如数字输入串行器、数字输出驱动器和集成调理器，允许实现多个通道应用，而封装尺寸不到上一代产品的一半。此外，他指出，“传感器也必须通过诸如IO Link或RS 485/Profibus等协议进行通信。大多数系统故障都发生在这一接口级。美信能够为器件提供业内领先的最高等级ESD和故障保护——是其它厂家保护等级的2倍以上。这些器件为接口的可靠性树立了新标杆，在传感器数据非常关键的场合是不可缺少的。”他补充道。

吴健鸿表示，TI新一代的电感传感技术应用范围从简单的按钮、旋钮及开关到高分辨率心率监视器、涡轮流量计以及高速电机／齿轮控制器，无所不包。由于其广泛的用途，LDC可用于众多不同市场，包括汽车、大型家用电器、消费类电子产品、移动设备、计算、工业以及医疗等。TI推出的业界首款电感数字转换器(LDC)可将线圈及弹簧用作电感传感器，与现有传感解决方案相比，可在更低系统成本下实现更高分辨率、可靠性及灵活性。

ADI方面，张松刚表示，工业用传感器一直是ADI MEMS产品的关注重点，针对工厂里常用的泵、轴、风机、电机等，ADI推出了一系列振动检测传感器，比如高分辨率的ADXL203系列，宽带宽的ADXL001，三轴数字化的ADIS16223，还有带FFT分析的ADIS16227/ADIS16228，以及带有无线传输功能的ADIS16229/ADIS16000。通过分析这些转动和振动机械的振动波形，就可以预判机器是否有螺丝松动、器件老化等问题，这样可以避免人工的周期检测和突然停机造成的安全隐患以及经济损失。“对于这种工业应用场合而言，产品的鲁棒性是ADI主要考虑的重点，比如这些传感器都可耐受几千个g的冲击，工作温度范围均可支持-40C到85C，甚至是-55C到125C。”

而ROHM正在开发最新技术的“CIGS图像传感器”，针对工业自动化级相机。其具有以下特点：

① 从可见光到近红外光的宽波段范围内可高灵敏地感光，比硅PD感光范围宽的1200nm以内的宽波段灵敏度；

② 层叠CIGS薄膜PD，放置于最表层，实现大的开口率；

③ 实现高效的全局快门功能，由于储存时间可变，因此可实现更高的动态范围。

此外，ROHM负责人表示，ROHM备有工厂自动化EMS(能源管理系统)不可或缺的、收集环境和电量等信息的丰富的传感器IC，特别是能量采集技术——EnOcean(易能森)的能量采集技术。这种技术具有收集存在于自然界的非常小的能量(动作、光、温度差等)将之转换为电力，并利用这种电力无线传输信息的功能。从产生成为电力源的动作到无线通信传输的全过程仅0.01秒即可完成，无需电源与电线即可提供低功耗的无线传感器解决方案。该技术的特点之一是使用了这种技术的产品无需保养。“罗姆是"EnOcean Alliance"(易能森联盟)的骨干成员发起者。今后，罗姆将站在EnOcean Alliance的发起者的立场上，与其他成员企业紧密合作。另外，还将提供罗姆拥有的各种传感器技术、低功耗技术，致力于无线无源传感器网络的不断发展与壮大。”他表示。

针对能量收集，张松刚解释，“能量收集具体体现为对现场光能，热能，机械能和电磁能的采集。所采集的能量转换为电能用以支持现场应用。”他表示，针对能量收集应用，AD5090是ADI新近推出的电源管理芯片，它能高效实现现场能源的收集和转换。

哪一种无线通信技术最合适

目前有多种无线通信技术都可用于智能化工厂。虽然张松刚认为目前自动化工厂仍以有线的485与CAN为主，因为高可靠性最重要。不过，无线通信方式是物联网上主要采用的技术。谈到哪一种无线技术最适合于智能化工厂？TI的吴健鸿分析道：“IoT市场不存在主导性无线技术，不同的使用案例环境需要不同类型的解决方案。例如，如果IoT与IP直接相连，最常用的就是以太网或WLAN。对于需要远距离连接和能够穿墙的工业类应用而言，1GHz以下频段的专有无线连接可能会是更好的选项。而如果IoT需要连接至移动设备，BLE与WiFi则将是不错的选择。鉴于这种情况，我们会花大量的时间与客户直接沟通，共同讨论其系统需求，向他们推荐某些最适合其需求的技术。与其他只重视某一项技术的IC公司不同，TI拥有所有不同类型的无线解决方案，这可为用户提供一个充分利用最佳技术满足其需求的选项。这比只钻研某项可能、只能在一种情况下工作的技术更为重要。”

他进一步解释，比如智能工厂的远距离控制是一个众多不同使用案例环境所需的技术整合，一般来说TI根据客户的系统要求及工作环境与客户合作，提出能够充分满足其需求的最佳解决方案。他详细分析如下：如果应用只需要简单的传感器和简单的控制命令，我们会看到大量解决方案都建立在具有以太网功能的标准可编程逻辑控制器(PLC)基础之上。数据将通过以太网发送至云端或服务器，然后将控制数据发回PLC实现控制。但对于更高级的系统而言，我们可能看到的是使用网关和集中器从成千上万的设备中采集信息，然后再通过这些网关和集中器把信息发还给服务器。在较小规模的系统中，客户仍然主要使用RS485与CAN等有线连接，然后通过以太网连接至服务器／云。对较大型的系统，客户可使用1GHz专网、ZigBee、以太网、Ethercat以及电力线通信等不同连接。TI一般会根据客户的系统需求与客户合作，确认可满足其需求的最佳产品，包括基于Tiva(M4)的以太网MCU、基于ARM A8并支持Ethercat的Sitara、基于TMS320C2000的电力线通信，或者TI CC系列1GHz以下以及Zigbee产品。

而ROHM负责人则表示，目前正在与清华大学合作新的窄带电力线载波方案，通过电力线就能将信息传递到所有覆盖电线的地方，与传统PLC方案相比，罗姆能够实现传送距离更长，抗干扰性更强的特点，使得物联网传输信息量小，可靠性要求高的要求得到了充分的保证。当然，他补充，除电力线载波外，他们还备有特定小功率无线通信模块、IEEE802.15.4/ZigBee/低功耗蓝牙等进行信息通信的通信IC，可以根据目的和通信领域进行选择。

智能化工厂的安全问题

美信工业应用市场经理John Mossman提醒大家开放的智能化工厂将会带来安全问题。他分析道：“通过将工厂网络与云端相连接，实现物联网(IoT)。这种连接是一把双刃剑，优点是能够从任何可访问互联网的位置监测和控制工厂，但同时也为攻击、恶意软件、知识产权(IP)盗窃提供了方便之门。目前使用基于软件的安全方案，但最终需要基于嵌入式硬件的安全方案，实现金融行业级别的保护水平。”

至少说到通信技术的选择，他也从安全方面来表达了自己的观点。“关于物联网的另一种假设是所有“物体”通过无线方式进行通信。我认为有些非关键和运动缓慢的工业过程可承受短时间缺失的无线连接，这些应用比较适合采用无线方式。但快速、对时间要求严格及高度危险的过程不能承受无线链路固有的连接问题，所以这些过程将仍然保留有线方式，同时又能够作为物体与云端通信。”

John Mossman表示，在全球范围内主要制造商使用的PLC、DCS以及其它智能工厂自动化设备中，都广泛集成了美信的众多产品，得益于先进的模拟集成，可有效提升性能、实现较低温度工作以及降低系统复杂度。