近日,《工業互聯網平臺選型要求》、《工業互聯網平臺 微服務參考框架》和《工業互聯網平臺 開放應用編程接口功能要求》3項工業互聯網平臺領域國家標準正式發布,不難看出在工業經濟向數字經濟轉型過渡的當下,制造業作為全球經濟發展的主導力量,其數字化轉型的受關注程度。要知道工業互聯網已連續六年寫入政府工作報告,自2023年1月以來,25個省級政府工作報告中再次提及工業互聯網,22個省級政府工作報告對工業互聯網2023年規模發展做出政策部署。

圖源:工聯院、中商產業研究院

政策的積極影響也讓市場對工業互聯網領域保持著高度的熱情與專注。工聯院、中商產業研究院整理數據顯示,截止2022年我國工業互聯網產業增加值規模達到4.45萬億元,預計2023年工業互聯網產業增加值規模將達到4.79萬億元。并且,目前已有32家重點工業互聯網平臺工業設備連接總數為8049.60萬臺,工業模型數量合計85.16萬個,工業APP數量29.33萬個,共服務企業765.96萬家次。在政策與市場的雙重加持下,整個工業互聯網發展活力進一步釋放,相關體系建設進程加速,底層關鍵技術也在不斷創新迭代。

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工業傳感器的正確用法:從數據采集到預測性維護

制造業智能化的抓手無疑是數據,而傳感器是網絡互聯數據產生的根源,是工業互聯網的神經末梢,為工業互聯網全生態構建提供最基礎的數據支撐。其通過“望、聞、聽、切”來感知產品、設備和工業環境的各種狀態信息。例如常見的視覺/紅外傳感器,其基于機器視覺充當生產設備賦能工業制造已經得到廣泛應用,通過代替人眼進行識別、非接觸檢測、測量,機器視覺能夠帶來高效低成本的效益。

在這方面,全球優秀的光學解決方案提供商艾邁斯歐司朗推出的新型Mira220圖像傳感器,其擁有高量子效率,堆式芯片設計采用了艾邁斯歐司朗先進的背照技術,將封裝尺寸縮小到僅為5.3mm x 5.3mm,為空間受限的產品制造商提供更大的設計靈活性,由于尺寸極小,可低功耗運行,非常適合無人機、機器人以及移動和可穿戴設備中的主動立體視覺或3D結構光系統。

圖源：艾邁斯歐司朗

Mira220的分辨率+封裝尺寸的優勢能夠適配不同應用對模組整體大小的要求,其近紅外增強性能大大提高系統信噪比和整體功耗效能,使得處理器搭配雙目3D硬件模組為自動化機器視覺等應用提供一個完整的視覺及深度圖的解決方案,縮短了開發過程,從而大大加速了最終應用落地。

除了賦能生產制造外,對設備本身的健康狀況進行監測也是工業互聯網中基于傳感器的另一個重要應用。目前工業制造正變得更高效,但設備本身的維護工作卻仍存巨大挑戰。國際自動化學會ISA曾有數據顯示,全球制造商每年因設備故障停機遭受的損失高達6470億美元。為了防止生產設備出現計劃外的停機,如何更快實現預測性維護是行業當前的重要發展方向。

要實現預測性維護的廣泛落地,需要解決準確預測與有效診斷兩大核心問題,而龐大的高精度實時數據積累采集硬件方案,以及先進的分析技術、設備數字化模型與診斷算法都是剛需,傳感技術的進步以及人工智能技術的引入也為此提供了重要的作用加快發展進程。ADI打造高性能預測性維護方案SMS,其主要由固定于電機散熱片上的數據采集及通訊硬件、基于云端的軟件與算法以及客戶端的應用程序構成,通過與Android或iOS移動應用一起使用,可輕松設置傳感器,提供對部署數據的可見性,其突出優勢除了能對電機的開關機次數、運行時間、轉速、電流、輸出力矩/功率等運行狀態進行實時監測外,還能診斷出行業最多的9種電機異常,讓設備運維變得更智能更方便。

SMS解決方案嵌入了5個高性能的傳感器,包括兩個振動傳感器ADXL1002、兩個溫度傳感器ADT7420以及ADI定制的磁傳感器——ADXL1002具有超低噪聲,支持高寬帶運行,在相位響應、耐沖擊性和恢復性上具有卓越性能;兩個溫度傳感器分別用于檢測環境與電機表面的溫度差異;ADI定制的磁傳感器則通過檢測電機轉子轉動產生的磁場場強,能間接計算出電機的部分電流信號。得益于監測電機運行狀況與SMS云端AI引擎數據分析的準確性,SMS解決方案能夠為客戶提供可靠的狀態數據監測并反饋基于診斷結果的維護建議。

RFID技術為萬物互聯打上“補丁”

工業互聯網的核心是將一個工廠所有的對象通過通信技術實現網絡互聯。為了實現各個組成部分在生產過程中能自行發揮控制作用,需要相應的技術,比如無線射頻識別(RFID)技術。RFID的優勢是能助力生產流程透明和可靠控制,要知道工業環境下并非所有的元件與設備都能夠與機器進行,這與工業互聯網的理念相悖。對此,RFID標簽的出現為這項挑戰帶來了轉機,RFID即使安置在金屬物上也能保證可靠工作。很多情況下,RFID標簽同時還可作為銘牌來使用,所以必須十分堅固和耐用,能夠耐受各種氣候和使用環境條件。

目前市場上提供的RFID標簽具有足夠大的帶寬。通過合適的咨詢和客戶現場的過程分析之后,每個企業都能選擇適合自己的產品,為其生產的儀器裝置安設一個RFID主標簽。在過程鏈中由此帶來了諸多優點:除了實現靈活生產外,在各個不同的加工單元上還能夠實現智能化流程控制和自動采集裝配通道中各個單元的信息。同樣,這個標簽還能進行一些功能擴展,并應用在最終檢驗處、物品出口處和物流鏈中,以及銷售商或技術服務單位等各個環節。

恩智浦一直在關注改領域的發展,前不久宣布推出新款芯片UCODE 9xm,兼具靈活的大容量存儲器及先進的讀/寫性能。UCODE 9xm旨在提高整個系統的可靠性和準確性,使客戶能夠利用更小的標簽天線,對更小的物體進行單獨標記,并將其集成到智能制造過程、供應鏈管理和追蹤應用中。用戶可以憑借該產品靈活地標記多種類型的對象,從而獲得更完整的供應鏈視圖。

據了解,UCODE 9xm具備領先性能,靈敏度較以往恩智浦UCODE存儲器IC提升三倍以上,客戶可選配存儲器,標記的物品更加多樣化,精確呈現供應鏈詳情。RAIN RFID標簽已成為自動化工業流程中的至關重要的組成部分。然而,支持自動化流程所需存儲器的標簽通常讀寫性能會低于存儲容量較低的標簽,造成無法標記所有必要的項目,從而降低了系統效率。UCODE 9xm結合了靈活的大容量存儲器選項與先進的讀寫性能,解決了該問題,同時易于部署,可提高系統整體性能。

另一邊,工業自動化領域的諸多制造商都有推相關的解決方案,例如易福門推出適應中國市場需求的 RFID UHF 緊湊型設備,帶有 IO-link 接口,以提供最佳性能和個性化解決方案。該方案集天線、估算單元和開關信號于一身,能夠減少安裝時間,并且在長達3米的范圍內讀取多達16個標簽,防護等級達IP67,可安裝在金屬或潮濕環境。此外,還配備現場總線接口、數字量輸入/輸出或IO-link接口, 降低布線復雜度。霍尼韋爾則針對專門定制RFID標簽的客戶推出了PX240S RFID打印機,其標簽兼容性十分卓越,最小標簽高度擴大至12.5mm,支持最小16mm的芯片間距,可打印的RFID標簽厚度可達1.5mm,可兼容Impinj、NXP、Alience進口芯片及部分國產芯片,還支持柔性抗金屬標簽的打印。

加速智能化進程,MCU助力工控性能升級

在工業領域,自動化,智能化發展進程少不了MCU技術的支持。例如工業控制、人機交互和工業以太網等應用都離不開MCU,以工控的主要應用場景——工業機器人為例,為了實現工業機器人所需的復雜運動,工業機器人單機就將至少使用十余顆MCU產品,對電機的位置、方向、速度和扭矩進行高精度控制時,MCU則執行電機控制所需的復雜、高速運算。

隨著工業控制市場的持續向好,催漲MCU需求。根據Prismark統計,2020年全球工業控制的市場規模為2310億美元,預計至2023年全球工業控制的市場規模將達到2600億美元,年復合增長率約為3%。根據賽迪顧問的數據,2020年中國工業控制市場規模達到2321億元,同比增長13.1%。2021年市場規模約達到2600億元。面對龐大的市場需求,全球各大主要的半導體企業都積極參與其中,分別在各項關鍵功能和性能上提出有效的解決方案。例如深耕工業領域的意法半導體近日推出兩款主要用于工業控制領域的MCU,分別是適用于工業類應用中有更高性能要求和信息安全要求的STM32H5,和具有超高性價比的工業級通用MPU產品STM32MP13。

圖源：意法半導體

其中STM32H5 MCU基于Cortex-M33內核,主頻高達250MHz,從STM32F4 (Cortex-M4@180MHz)到STM32H5,性能提升20%左右。此外,STM32H5中增加了FMAC與Cordic兩個數學加速器,還增加了開關模式電源的選項,能夠在 250MHz 運行過程中做到66微安,實現優化成本/性能之間的平衡。另一款STM32MP13內置Cortex-A7,最高主頻可以達到1GHz,DRAM支持533MHz時鐘,最寬的結溫范圍是-40至+125度。STM32MP13具有三大特點:易用、安全、低功耗。

另一邊,全球半導體解決方案供應商瑞薩電子也在近日宣布了面向電機控制應用領域發布三個全新MCU產品群,其中超過35種來自于RX和RA家族的新產品。這些新款MCU擴充了瑞薩包括多種MCU與MPU、模擬和電源解決方案、傳感器、通信設備、信號調節器等的卓越電機控制產品組合。

圖源：瑞薩電子

其中RA4T1產品群可提供100 MHz性能,以及高達256KB的閃存和40KB的SRAM;全新RA6T3產品群工作頻率為200MHz,同時提供256KB的閃存和40KB的SRAM。兩個全新產品群均以電機控制應用為目標應用,具備一系列卓越特性與功能,包括用于加速的三角函數單元(TFU)、帶有集成PGA的先進ADC,以及包括CAN FD在內的多種通信接口選擇。瑞薩靈活配置軟件包(FSP)均可支持這些新產品,可輕松移植其它RA產品的設計。另外的RX26T產品群具有高達512KB的閃存和64KB的SRAM。它們不僅可支持5V電源,提供高抗噪能力和控制精度,而且還能夠提供TFU、片上定時和中斷控制功能。據悉使用熱門產品RX24T MCU的用戶,可輕松將其設計擴展至全新的RX26T產品,以充分發揮現有設計軟件的優勢,同時實現性能與控制效率的雙重提升。

隨著技術的進步,基于大規模智能化設備的工業互聯網正在加速整個制造業轉型升級進程。目前工業互聯網已經全面融入45個國民經濟大類,跨行業跨領域平臺達28家,標識解析體系全面建成,安全技術服務體系日益完善。在此背景下,為進一步助力工業互聯網行業的創新發展,2023慕尼黑上海電子展將憑借行業的先進技術與產品,以新產品發布、新技術演示為目的,助推工業互聯網走向縱深。

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