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三颗“芯”,参透工业4.0的财富密码

最新更新时间:2021-07-07
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十年前,三位德国IT专家在汉诺威工业博览会开幕前夕发表了一篇题为《工业4.0:依靠物联网走向第四次工业革命》的文章,畅想制造业的未来;紧接着,德国总理默克尔在汉诺威工业博览会开幕式上致辞时,特别提到了“工业4.0”这个新的概念,很快这个新名词便传遍了全球,很多国家和地区都以此为蓝本制订了自己的智能制造产业升级计划,以期在新一轮的工业革命中抢得先机。

转眼间十年过去了,虽然从严格意义上讲我们还没有达到工业4.0所描绘的理想境界,或者说刚刚摸到它的“门槛”,但是经过十年的探索,人们也逐渐发现,工业4.0真的是一个宝藏,其不断丰富的外延和内涵,让人越品越有滋味。无论处于这个产业链中的哪个环节,只要是置身其中,都会收获颇丰,芯片行业也不例外。

如何理解工业4.0



虽然人们对于工业4.0的概念有不同的解读,但是对其核心要义的理解都是相同,即与前三次工业革命的驱动力不同,第四次工业革命是以信息物理系统(CPS)的应用为特征的,也就是通过网络将整个工业价值链中的人和物都连接在一起,以流动的大数据作为核心资源对生产进行全流程管理,通过这样的数字化转型,既可以提升生产效率,也可以兼顾定制化和灵活性。由此也可以看出,工业4.0不仅是新技术和新产品的升级,也是新的商业模式的孵化器,因此被寄予厚望。


图1:从工业1.0到工业4.0

(图源:趋势科技)


想搭上工业4.0的顺风车,从中“淘金”,先要从信号链入手理解其运转方式,因为这个信号链实际上也就是数据流动和价值流转的路径。

图2:工业4.0中的信号链

(图源:ADI)


一个典型的工业4.0信号链包括节点(Node)、网络连接(Connect)和云端(Cloud)三部分,通常来讲传感器节点获取数据,再经过通信链路上传到云端进行分析处理,最终的决策指令再下发到执行器节点,形成一个自动化实现的闭环。


如今这样的信号链也在发生改变,特别是很多工业应用对于实时性有更高的要求,因此就需要靠近网络边缘端的节点具备更强的数据处理能力,在本地将原始的数据转化为有用的信息,形成更智能的洞察力并及时做出决策,而且这种边缘智能还有利于降低系统整体功耗,减少带宽浪费,这也就促使工业4.0所依托的工业物联网(IIoT)正在从被动的“反应型”向主动的“预测型”和“实时型”转变。


从中也不难得出结论,能够满足这种边缘智能化需求的芯片产品和方案,才能够跟上工业4.0发展的节奏,与工业4.0一起共舞。


我们再具体到一个智能工厂的生产现场(图3),其中有不少可以让工业4.0施展拳脚的应用场景,它们虽然各不相同,但归根结底都具有四个共性特征,围绕着这些特征去打造产品,也就把握住了工业4.0发展的大趋势。


图3:工业4.0在智能工厂中的应用场景

(图源:ADI)


1

灵活性

向更灵活的架构转变,以实现更大的容量、更快的重新配置,这是工业4.0的一个基本特征。特别是基于数字和软件的可配置性,是未来利用AI和数字孪生技术实现虚拟化应用创新的基础。

2

效率

提高效率,是工业革命一以贯之的目标。在工业4.0中效率的提升,一方面体现在降低单位产出的能耗和成本;另一方面则是要利用智能化技术,引入基于状态的机器监控分析,实现所谓的可预测性维护,最大限度地降低设备故障和安全风险。

3

通信

实施工业4.0的核心之一是安全可靠的有线和无线通信,基于以太网的时间敏感网络(TSN)以及各类适用于工业现场的无线通信技术都是发展的重点。

4

安全

不安全的系统,就谈不上“智能”。在工业4.0的自动化系统中对于功能安全的要求将更为严苛,必须满足相关的标准和认证。



从以上的分析中我们可以清楚地看到,一颗符合工业4.0要求的工业之“芯”——这实际上也是过去十年工业IC的演进方向——除了要保持性能、可靠性、鲁棒性等工业产品的“本色”,还要符合灵活性、高效率、互联互通、安全要求等新调性。


经过十年的打磨,符合工业4.0要求的工业之“芯”越来越多,我们今天就来认识几颗由Analog Devices Inc.(ADI)出品的有代表性的产品。


高性能ADC:为PLC和DCS而打造


作为沟通现实物理世界和虚拟数字世界的桥梁,数模转换器(ADC)在工业应用中是不可或缺的,ADI为适应智能工厂中可编程逻辑控制器(PLC)与分布式控制系统(DCS)模块的要求,推出AD411x系列ADC


图4:AD4111模数转化器框图

(图源:ADI)

这款具有集成模拟前端的24位ADC的主要性能优势包括:

  • 集成了关键的模拟和数字信号调理模块,可针对所用的模拟输入通道配置8种独立设置。对于完全稳定的数据,其最大通道扫描速率为6.21kSPS(161μs)。

  • 采用ADI公司专有的iPassives™技术集成无源元件,实现了高精度,出厂时已进行校准,降低了系统设计难度。

  • 具有嵌入式2.5V、低漂移(5ppm/°C)带隙内部基准电压源(带输出基准电压缓冲器),减少了外部元件数量。

  • 数字滤波器支持灵活的设置,包括以27.27SPS输出数据速率实现50Hz和60Hz同时抑制。用户可根据应用中每个通道的需求选择不同的滤波器设置。自动通道序列器支持ADC转接每个使能的通道。

  • 支持+/-10V的标称输入电压范围,同时在满足性能规格下输入电压范围可达+/-20V,增加了超范围裕量。可接受-0.5至24mA的电流,同时仍满足性能规格,可以实现接近0mA的可靠测量,并提供超过20mA的超范围裕量。

  • 具有独特的电压输入开路检测功能,支持采用5V或3.3V单电源的系统级诊断,在外部传感器或信号源与系统输入断开时实现脱线检测。

  • 采用单电源供电,适用于电气隔离应用。额定工作温度范围为-40°C至+105°C。

可见,AD411x既具有智能工厂应用所需的高性能、高精度特性,也具有适应工业环境的可靠性和鲁棒性,还兼具灵活性,是在为工业4.0应用选料时一颗不容错过的器件。


可配置I/O:实现更大的灵活性


在工厂自动化中PLC和DCS模块的设计中,根据最终客户差异化的要求去定义和配置不同的产品,是一项艰巨的任务。而工业4.0的出现,使得制造商的需求发生了根本性的变化:他们不再是需要那种基于可预测的需求而设计的适应大批量生产的固定系统,而是需要能够快速重新配置的智能灵活的系统,快速响应市场的变化以及满足用户定制化的需求。

传统的工业控制系统采用一组复杂的通道模块、模拟和数字信号转换器以及与操作端的机器、仪器和传感器进行通信的单独有线输入/输出(I/O),对其进行重新设计和定义,需要工作强度极大的手动配置,成本非常高。

为了应对这一挑战,ADI推出了软件可配置的I/O,利用这个器件,制造商可用一个可软件定义的平台来代替多个固定功能I/O模块,或者满足那些在每次安装时都要动态变化I/O配置的多客户应用的需求。对于传统上依赖于带多个I/O模块的控制柜且每个通道类型需采用指定布线的系统,软件可配置的I/O可以让最终用户可以仅使用一种类型的模块即可满足多种要求,配置工作可以在控制室通过远程编程实现,硬件的需求随之减少,从而也有助于降低物流、制造和支持成本。

由于无需进行大规模的重新布线,即可快速、轻松地实现远程系统重构,这种方案极大地提高了制造商和工业运营商的实现速度和灵活性,并使其能够在不大量增加成本和停机时间的情况下对原有系统进行更改。

该方案一个代表性的产品就是ADI的AD74413R,该器件包括一个16位Σ-ΔADC和四个可配置的13位数模转换器(DAC),可提供四个可配置的I/O通道。每个通道均采用通过时钟高达24MHz的SPI总线写入配置寄存器的方式来配置,这些可配置的模式包括电压输出、电流输出、电压输入、外部供电的电流输入、环路供电的电流输入、外部RTD测量、数字输入逻辑和环路供电的数字输入。


图5:AD74413R软件可配置I/O框图

(图源:ADI)

由于工业环境的特殊性,AD74413R在设计时还特别加强了稳健性和可靠性。比如AD74413R片内线路保护装置,螺丝端子连接到比AVDD引脚更高的电位时不会将电源输入IC;可使用额外的TVS二极管承受I/O端子上的高浪涌;同时将循环冗余校验(CRC)内置在SPI接口中。此外,多个诊断功能可监测电源电压、基准电压、裸片温度(报警或关断)和螺丝端子,并针对大多数常见故障场景提供警报,以确保AD74413R正常运行。

灵活的软件可配置的I/O通道、内置诊断和报警特性、可靠的架构——这些特性都使得AD74413R能够充分满足工业4.0系统的设计要求,十分值得关注。


低噪声MEMS:让传感节点更智能


上文曾经提到过,工业4.0提高效率的一个关键举措,就是要实现基于状态的监控(CbM)的可预测性维护。

传统维护一般是预防性或纠正性的维护,通常会占用很大一部分生产成本。而在工业4.0的体系中,人们可以利用传感器实时监控设备的状态,并通过IIoT完成数据的传输和分析,及时掌握设备的“健康”状况。在这种预测性维护框架内,只有在出现某些早期预警症状时,操作者才需要进行干预,与传统的基于固定时间表的系统型维护系统相比,能够有效控制维护成本。此外,这也有助于尽早发现问题,合理安排停机检修时间,避免意外停机,让生产管理更为有序。

在机器设备维护中,振动是一个需要监测的关键物理量,因为振动频谱能够反映出旋转机器(马达、发电机等)工作状态中的很多信息,滚珠轴承故障、轴偏差、不平衡、过度松散等都会导致异常的振动且对应的频谱各不相同,据此就可以准确地分析判断出机器这些“特有症状”的根源。

比如,滚珠轴承发生故障时,每次滚珠碰触到开裂处,或者触碰到内环或外环的缺陷位置,就会发生撞击,引起振动,甚至导致旋转轴轻微移位。撞击发生的频率由转动速度,以及滚珠的数量和直径决定,很多表现为低能量谱分量和相对较高的频率(通常大于5kHz)而且总是远远超过基本的旋转频率。

以往对于振动的测量,通常采用的是压电式加速度计,这类传感器具有良好的线性度、SNR、高温工作性能和高带宽(典型范围为3Hz至30kHz,甚至高达数百kHz),技术也比较成熟。不过近年来,随着MEMS技术的发展,为人们提供了一种新的技术路径,与压电式传感器相比,MEMS器件不仅可以在低频率下提供更好的响应,而且体积小巧,适于大批量生产,也有利于集成智能分析电路,为传感器节点提供更多的边缘智能。

不过,以往MEMS传感器的一个弱点阻碍了其在工业振动监测领域的广泛应用,那就是其噪声特性不佳,使得MEMS的可靠性、高质量和可重复性的特性得不到充分发挥。

通过技术创新,ADI的ADXL100x低噪声、高带宽加速度计打破了人们对于MEMS器件固有的认识,这些单轴加速度计在较宽的频率范围内具有25μg/√Hz至125μg/√Hz的超低噪声密度,其高频范围的噪声性能与现有压电传感器技术已经不相上下。


图6:ADXL100x系列MEMS加速度计框图

(图源:ADI)

ADXL100x系列MEMS加速度计具有集成的全静电自检(ST)功能和超范围(OR)指示特性。当发生超过指定g值范围约2倍的严重超量程事件时,该电路可报警,还可以在持续发生超量程事件时运用某种内部时钟智能禁用机制保护传感器元件——在智能测量和监控系统的开发中,这项功能非常关键,这种智能化的能力是传统压电加速计所不具备的特性。

这些器件的额定工业温度范围为-40°C至+125°C,还具有稳定和可重复的灵敏度,不受高达10,000g外部冲击的影响。它们采用3.3V至5.25V单电源供电,功耗低,有助于无线传感产品的设计。这些特性都令其可以在更广阔的工业4.0应用中大显身手。

总之,工业4.0作为人类发展历史上又一次重要的技术升级,对于制造业产业链的影响是全方位的。作为芯片行业,如何顺势而为,打造未来智能制造所需的芯片,是帮助工业客户实现更大价值的关键所在,也是芯片厂商在工业4.0中淘金的“财富密码”。从本文介绍的三款ADI的工业IC中,你是不是已经参透到了其中的奥妙?

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