智慧工厂的三大挑战与五大解决方案

随着生产设备的逐渐增多、生产过程日益复杂、人力成本快速上升以及系统管理的要求越来越高等因素，通过智能化手段进行设备的控制管理成为数字化工厂发展的主要趋势。尤其是在电子制造等领域，近几年自动化和信息化实现了快速增长。

2019年3月20日，在慕尼黑上海电子展期间，ST意法半导体、Renesas瑞萨和Cypress赛普拉斯、ADI亚德诺半导体、Qualcomm高通及Broadcom博通等工业控制器件的重要供应商齐聚智慧工厂科技园，展示了各自特色的解决方案。

为了更好地认识智慧工厂产业现状，详细了解智慧工厂落地过程中的难点与问题，我们走进了ADI展台，与ADI中国区业务拓展总监王翔做了深入交流。

ADI中国区业务拓展总监王翔

近年来，在工业4.0革命性趋势的推动下，智能化转型升级成为重要诉求。但工业演化不是一个简单的过程，往往面临着各种各样挑战。例如，在工厂环境的边缘端，我们需要考虑的一个问题是，如何精准的将现实世界转换成数字世界，而这也是ADI本次参展所要解决的问题。

在边缘节点方面，工业3.0时期已经高度自动化了，但是工业4.0要求更灵活、更高的生产力，工厂需要配备灵活的生产线，工业协议之间互相不通成为重要障碍。而如何解决这个问题，让所有的机器说相同的语言，这就是智慧工厂面临的首要挑战。

此外，工业设备状态无法实时反馈，这也是智慧工厂面临的另一个挑战。举个例子，工厂一台机器出故障，整个生产线就会停下来，对于工厂而言，损失很大。假设机器能够像人一样，可以随时体检，那么就可以避免设备的宕机，延长设备的使用寿命，这也是ADI在本次展会展出的另一款解决方案，即无线状态监控解决方案。

那么，在检测设备状态过程中，数据又该如何上传呢？

王翔表示，机器设备检测的数据与普通数据不同，它需要原封不动、高准确性上传，也就是说数据信息不能出现差错。要知道，在复杂的工业环境中，干扰很严重，要想保证数据高可靠、完整上传的难度很大。而ADI此次带来的SmartMesh网络则可以很好的解决该问题。

为了智慧工厂所面临的三大挑战，在此次展会中ADI也展示了具体的解决方案：

首先，第一款方案是无线状态监控解决方案，该方案基于1602的加速度计，通过ADI 4050的超低功耗的处理器，再结合SmartMesh无线网络进行现场振动数据检测。

根据ADI工业系统应用工程师王帆介绍，这个检测过程主要是监控现场的电机、轴承等振动状态数据（并不只局限于振动状态，电流、流量、温度，这些都是状态监控的一种），数据检测完后，会进行无线传输。客户可以将这些数据保存在他们公司的服务器上或者直接在云端做数据分析。同时，ADI加速计还有一个优势，它跟压电传感器相比，体积可以做到很小，其次还可以支持多轴（三轴），另外还可以支持较好的低频信号采集，它的直流信号采集效果比较好。

根据介绍，SmartMesh® 嵌入式无线传感器网络可实现 >99.999%的数据可靠性和 >10 年的电池寿命，使得在最具挑战性的环境中部署无线传感器网络变得实际可行。SmartMesh 网络由高度可扩展的自成形多跃点节点网格和网络管理器构成，这些节点称为智能微尘，用于收集和中继数据，网络管理器用于监控和管理网络性能和安全，并与主机应用程序交换数据。

ADI展示的另一款解决方案则是ADI基于Ether CAT现场总线的双伺服电机控制模型，这款平台的主要特点是可以通过Ethernet工业以太网控制。

据王帆介绍，ADI的fido 5200多协议芯片，主要支持包括Ether CAT在内的主要工业以太网协议。目前在国内ADI主要推Ether CAT协议，其原理图、源代码都是可以直接提供给客户，这是一个方案级的开发。里面用的4008处理器，是ADI专用于电机控制的RAM处理器，当它达到240兆主频时，可以迟滞三轴电机驱动。当然，目前主要支持两轴电机驱动，外加以太网的协议处理，配合处理器去实现它的功能。

“此外，它还有一个IO同步功能，比如说目前的方案指令发送周期都是1毫秒，实际到电机控制则需要10k，这会产生一个时间差。如果IO可以同步，其两个之间的时间可以缩短至100微秒，跟电流周期做到完全一致，所有电机装置上的IO状态的反馈、控制都可以做到高实时性。“王帆补充道。

在这个过程中，还有一个问题需要考虑，那就是平台电池功能如何实现。对此，王帆表示：“通过ADI fido和处理器内部的部分特殊单元，可以做一个始终同步，包括电流采样、位置反馈、指令下传等功能全部在同步周期内实现，这需要软硬件共同配合。在这方面，我们也基于LTC的电源模块开发出一些芯片级电源方案，帮助客户简化开发过程。这个电源涉及的变压器等产品，我们都会找相应的供应商来开发，我们主要为他们提供一些电源指标即可。”

另外，ADI也展示了基于AD4111的PLC/DCS系统模拟输入解决方案。据ADI工程师现场介绍，AD4111集成了低噪声、快速建立、24位Σ-Δ型模数转换器(ADC)和模拟前端，支持全差分或单端、双极性±10 V电压输入和单端20 mA输入，用于工业自动化应用的可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)模块。

在最后，ADI还展示了一款iCoupler隔离和HDMI收发器技术的工业视频隔离系统。据ADI现场工作人员介绍，这款系统上有ADI最新推出的支持1.1G BPS带宽的高速LVDS隔离器。主要针对一些需要做安规隔离的应用，如医疗行业中的内窥镜应用，它就可以用1.1G的LVDS，将HDMI信号通过转换电路，转换为可支持的LVDS信号，然后在输出终点将信号恢复过来。对比可以发现，这种信号经过隔离后投放出来的信号与未隔离播放的高清信号一样，基本没有受损，它的可靠性、实时性基本能满足应用的需求。

在这个过程中，ADI的iCoupler技术提供了很好的安规隔离功能，可以很好的满足工业及医疗等领域对漏电严格控制的需求。

我们可以看到，目前智慧工厂虽然落地难度很大，但很多解决方案已经先后涌现出来了。国内制造业正处于“工业1.0”到“工业3.0”并存的现状，完全进入工业4.0还需要很长的过渡期。在这过程中，还有很多基础工作还待完成，比如先实施一些企业的数字化，在设备、产品设计和物料供应等方面作出努力，才能真正实现传统行业到智能制造转型。

智慧工厂是处于不断发展、变化的状态，目前难以断定智慧工厂未来会达到一个怎样的高度，但可以肯定的是，智慧工厂将来会朝着更便捷、高效、智能的方向发展，对智慧工厂本身的生产体系来说，人员会更少，制造效率会更高，组织起来更便捷。