【導(dǎo)讀】提高生產(chǎn)力和降低運(yùn)營(yíng)成本，是所有企業(yè)/工廠努力追求的目標(biāo)，由此引發(fā)對(duì)增強(qiáng)邊緣智能新技術(shù)的需求暴增。不過(guò)您可能會(huì)好奇，“邊緣是什么意思”？在ADI看來(lái)，“邊緣”是機(jī)器與現(xiàn)實(shí)世界融合或交互之地。
聚焦至工廠自動(dòng)化領(lǐng)域，增強(qiáng)邊緣智能意味著減少工廠停機(jī)時(shí)間，避免生產(chǎn)線停工，每年可為工廠挽回大量生產(chǎn)力損失。事實(shí)上，根據(jù)麥肯錫2018年10月發(fā)表的一篇有關(guān)“數(shù)字化可超越預(yù)測(cè)性維護(hù)提升可靠性”的文章，每年工廠生產(chǎn)線的停工時(shí)間平均為800小時(shí)，或每周平均15小時(shí)，對(duì)公司收入和利潤(rùn)的負(fù)面影響不容忽視。舉個(gè)例子，當(dāng)工廠停止生產(chǎn)時(shí)，汽車制造商每分鐘將損失近22000美元。這意味著每小時(shí)損失130萬(wàn)美元，或每周損失近2000萬(wàn)美元。而增強(qiáng)邊緣智能可為生產(chǎn)線帶來(lái)積極影響，讓生產(chǎn)力提高10%，維護(hù)成本節(jié)省20%。
顯然，增強(qiáng)邊緣智能可提高生產(chǎn)力并降低運(yùn)營(yíng)成本，不過(guò)真正的問(wèn)題是“增強(qiáng)邊緣智能需要什么”？
需要全新的思維方式！
作為一家知名半導(dǎo)體供應(yīng)商，ADI對(duì)“增強(qiáng)邊緣智能”有獨(dú)到見(jiàn)解，并可交付支持智能傳感器和執(zhí)行器、支持軟件可配置IO并提供高級(jí)診斷功能的解決方案。下面具體看看這個(gè)解決方案中的4個(gè)關(guān)鍵要素，以及它們?cè)谠鰪?qiáng)邊緣智能方面提供的核心功能。
智能傳感器技術(shù)：
傳感器無(wú)處不在！日常生活里，傳感器應(yīng)用十分普遍。在制造環(huán)境中，所有制成品都需要一系列傳感器協(xié)同工作，以幫助機(jī)器檢測(cè)物體，確定與物體的距離，配置物體的顏色和組成，以及監(jiān)控物體或液體的溫度和壓力。
調(diào)試新傳感器以替換受損的傳感器，或改裝設(shè)備以便制造不同的產(chǎn)品，這需要耗費(fèi)大量人力，并且由于生產(chǎn)力損失，將造成很大的成本負(fù)擔(dān)。派遣技術(shù)人員到工廠車間更換傳感器，然后重新校準(zhǔn)到正確的制造參數(shù)，這些操作成本會(huì)影響工廠的吞吐量。如果工廠里的每個(gè)傳感器均實(shí)施相同的維護(hù)級(jí)別，所有生產(chǎn)線的最大一筆費(fèi)用就是更換或重新配置傳感器。
IO Link是一項(xiàng)激動(dòng)人心的新技術(shù)，能夠讓工廠車間的機(jī)器均實(shí)現(xiàn)智能檢測(cè)。該新技術(shù)可幫助實(shí)現(xiàn)靈活制造，從而改善工廠吞吐量，提高運(yùn)營(yíng)效率。IO-Link技術(shù)通過(guò)提供與傳感器的雙向信息交換，將傳統(tǒng)的數(shù)字或模擬傳感器轉(zhuǎn)換為智能傳感器。該技術(shù)提高了遠(yuǎn)程調(diào)試傳感器的智能和功能水平，并且通過(guò)隨時(shí)調(diào)整傳感器參數(shù)，能夠?qū)崟r(shí)作出反應(yīng)?，F(xiàn)在，工廠自動(dòng)化機(jī)械具備全新的智能水平，能夠根據(jù)遍布工廠車間的傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況和狀態(tài)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)時(shí)運(yùn)行條件。通過(guò)利用智能傳感器網(wǎng)絡(luò)提供的大量端到端信息，工廠可創(chuàng)建其工廠車間的映射，從而為總體人工智能監(jiān)控解決方案提供更好的實(shí)時(shí)信息，以便能夠快速識(shí)別制造瓶頸、故障點(diǎn)，并提供優(yōu)化整個(gè)工廠車間的全新思路，從而提高運(yùn)營(yíng)效率。
通過(guò)使用協(xié)議棧和IO設(shè)備描述(IODD)文件的通用物理接口，IO-Link技術(shù)支持傳感器互換，進(jìn)而簡(jiǎn)化調(diào)試過(guò)程，提高工廠吞吐量?；诖?，技術(shù)人員能夠快速調(diào)試傳感器，減少工廠停機(jī)時(shí)間，允許隨時(shí)重新配置生產(chǎn)線。
隨著公司認(rèn)識(shí)到使用通用接口的好處，即壓力、近距離和溫度等各個(gè)傳感器即插即用，更換起來(lái)非常簡(jiǎn)單，IO-Link傳感器的采用率不斷加速提高。ResearchAndMarkets表示，IO-Link市場(chǎng)持續(xù)發(fā)展，預(yù)計(jì)到2023年，將從2018年的30億美元增長(zhǎng)到120億美元，CAGR達(dá)33.56%。
IO Link Hub和軟件可配置IO：
很明顯，IO-Link技術(shù)是催生一系列全新智能傳感器的推動(dòng)因素，除此之外，IO-Link還可以通過(guò)IO-Link Hub解決方案為邊緣賦予智能。這些全新的IO-Link Hub提供一種簡(jiǎn)單的方法，能夠添加模擬和數(shù)字IO擴(kuò)展通道，并集成電磁閥和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等智能執(zhí)行器。
IO-Link Hub通過(guò)簡(jiǎn)單的方式來(lái)擴(kuò)展所需的通道類型和數(shù)量，以支持意外的生產(chǎn)線重新配置。這些IO擴(kuò)展中心解決方案充分利用IO-Link技術(shù)的所有優(yōu)勢(shì)，并簡(jiǎn)化了添加數(shù)字和模擬IO端口的任務(wù)。這些新型產(chǎn)品允許通過(guò)IO-Link Hub調(diào)試傳感器，從而減少工廠停機(jī)時(shí)間。在Omron的NXR系列IO-Link集線器產(chǎn)品系列中可以看到這些解決方案的示例，該產(chǎn)品系列聲稱能夠使設(shè)置和調(diào)試時(shí)間減少90%。
利用軟件可配置數(shù)字和模擬IO解決方案，自動(dòng)化工程師和技術(shù)人員可以輕松地遠(yuǎn)程調(diào)試通用IO端口。這些新型軟件可配置的數(shù)字和模擬IO產(chǎn)品可與IO-Link提供的優(yōu)勢(shì)相媲美，不僅簡(jiǎn)化了工廠的布線工作，還可靈活地將任何數(shù)字或模擬IO傳感器或執(zhí)行器物理連接至任何未分配的數(shù)字和模擬IO端口。此項(xiàng)軟件可配置技術(shù)可提高成本效益和工廠車間的通道密度。
Omron：NXR系列IO-Link控制器和采用MAX14819A、MAX14827A、MAX14912/15的IO-Link I/O集線器
智能執(zhí)行器：
執(zhí)行器用于影響和控制工廠車間里產(chǎn)品的移動(dòng)方向和速度。由于所有應(yīng)用都需要一組獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)控制和電機(jī)驅(qū)動(dòng)特性，因此這些智能執(zhí)行器需要根據(jù)其環(huán)境動(dòng)態(tài)調(diào)整，形成完善的機(jī)電網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)。目前，智能執(zhí)行器不斷發(fā)展以提供自動(dòng)配置功能，能夠自動(dòng)調(diào)整其性能參數(shù)，從而滿足運(yùn)營(yíng)環(huán)境的需求。要想使執(zhí)行器對(duì)環(huán)境建立自我意識(shí)，允許系統(tǒng)優(yōu)化其性能，同時(shí)最大限度提升吞吐量或提高執(zhí)行器的長(zhǎng)期可靠性和運(yùn)行性能，這是第一步。而無(wú)論哪種情況，都會(huì)降低運(yùn)營(yíng)成本和提高效率。
為了實(shí)現(xiàn)該智能運(yùn)動(dòng)組合，需要將兩個(gè)關(guān)鍵要素相集成。
第一個(gè)關(guān)鍵要素，是高能效模擬驅(qū)動(dòng)技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)高壓操作，同時(shí)提供本地環(huán)境的運(yùn)行狀況和狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)優(yōu)化，進(jìn)而在高效率和更快的吞吐量之間達(dá)到平衡。
第二個(gè)關(guān)鍵要素，是能夠提供運(yùn)動(dòng)控制算法，以支持順暢的運(yùn)動(dòng)范圍。這包括能夠檢測(cè)運(yùn)行期間的電機(jī)負(fù)載，以避免生產(chǎn)線故障和最大限度減少功耗。
運(yùn)動(dòng)控制算法提供順暢精確的移動(dòng)，而截?cái)嗨惴▽Ｗ⒂谔岣唠姍C(jī)的能效。此外，要想了解電機(jī)是否朝著正確位置移動(dòng)，檢測(cè)電樞的位置至關(guān)重要。通常，這可以使用磁性檢測(cè)的霍爾傳感器或某些光學(xué)編碼解決方案來(lái)完成。
以下兩個(gè)新示例展現(xiàn)了下一代智能執(zhí)行器的價(jià)值：PD42-1-1243-IOLINK和最近發(fā)布的機(jī)械手末端工具(EoAT)夾具參考設(shè)計(jì)TMCM-1617-GRIP-REF。這兩個(gè)解決方案演示了融合ADI的智能運(yùn)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)器和IO-Link通信技術(shù)后所獲得的強(qiáng)大性能。這些全新的智能執(zhí)行器允許工業(yè)自動(dòng)化工程師通過(guò)IO-Link通信接口訪問(wèn)50%以上的配置和性能參數(shù)，從而簡(jiǎn)化調(diào)試，提高工廠生產(chǎn)力。最后，這些智能執(zhí)行器可動(dòng)態(tài)調(diào)整，以適應(yīng)運(yùn)行環(huán)境變化和人工智能技術(shù)衍生的高級(jí)生產(chǎn)力解決方案的實(shí)施。這種根據(jù)運(yùn)營(yíng)環(huán)境塑造執(zhí)行器性能的能力，將是智能運(yùn)動(dòng)控制的未來(lái)。
智能執(zhí)行器——PD42-1243-IOLINK步進(jìn)電機(jī)和EoAT夾具(TMCM-1617-GRIP REF)
診斷和實(shí)時(shí)決策：
更高級(jí)別的診斷功能可不斷提供更豐富的數(shù)據(jù)集，以改善基于邊緣的實(shí)時(shí)決策，從而提高工廠車間的生產(chǎn)力和運(yùn)營(yíng)完整性。根據(jù)MarketsandMarkets在2019年1月發(fā)表的名為《制造市場(chǎng)的人工智能》的報(bào)告預(yù)計(jì)，到2025年，這些制造領(lǐng)域強(qiáng)大的人工智能算法平臺(tái)收入將從2018年的10億美元增加至超過(guò)170億美元，或CAGR接近50%。在這段時(shí)間里，由于為實(shí)施智能工廠所做的快速投資，機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)計(jì)將是人工智能領(lǐng)域增長(zhǎng)率最高的部分。這一增長(zhǎng)背后的推動(dòng)力源自IIoT支持設(shè)備網(wǎng)絡(luò)生成的大量運(yùn)行狀況和狀態(tài)信息、提供預(yù)測(cè)性分析的算法、監(jiān)控產(chǎn)品質(zhì)量以及評(píng)估機(jī)器狀態(tài)和運(yùn)行狀況的機(jī)器視覺(jué)攝像頭。
在IC級(jí)別，將會(huì)監(jiān)控、收集越來(lái)越多的信息，并通過(guò)SPI總線與微處理器進(jìn)行通信。這些IC數(shù)據(jù)報(bào)文的數(shù)量繼續(xù)成倍增加，因?yàn)樗鼈償y帶關(guān)鍵信息，如設(shè)備的溫度狀態(tài)、過(guò)壓、過(guò)流、開(kāi)路檢測(cè)、短路檢測(cè)、溫度過(guò)高警告、熱關(guān)斷和CRC?，F(xiàn)在如果后退一步，在工廠車間的各種設(shè)備中大幅增加能夠提供診斷信息的半導(dǎo)體芯片數(shù)量，那么將可以實(shí)現(xiàn)工廠車間的診斷映射，以預(yù)測(cè)、識(shí)別和診斷生產(chǎn)線故障。
展望未來(lái)
有一點(diǎn)是明確的，通過(guò)實(shí)施這種“全新思維方式”，智能工廠可利用這些新功能來(lái)提高吞吐量和生產(chǎn)力。隨著這些新技術(shù)不斷成熟，下一代人工智能算法將利用這些解決方案生成更高質(zhì)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生更多效益。因此，這些具有自我意識(shí)的新機(jī)器將自動(dòng)實(shí)施人工智能生成的解決方案，使生產(chǎn)線保持正常運(yùn)行，直到需要技術(shù)人員維修或保養(yǎng)。這個(gè)具有自我意識(shí)的機(jī)器時(shí)代，勢(shì)必會(huì)激發(fā)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的“新變革”。
關(guān)于ADI公司
ADI是全球領(lǐng)先的高性能模擬技術(shù)公司，致力于解決最艱巨的工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。憑借杰出的檢測(cè)、測(cè)量、電源、連接和解譯技術(shù)，搭建連接現(xiàn)實(shí)世界和數(shù)字世界的智能化橋梁，從而幫助客戶重新認(rèn)識(shí)周圍的世界。詳情請(qǐng)瀏覽ADI官網(wǎng)www.analog.com/cn。
作者：ADI工業(yè)和醫(yī)療健康事業(yè)部工業(yè)通信和運(yùn)動(dòng)控制副總裁Jeff DeAngelis
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