促成更智能、更高效制造的 工業(yè)4.0 關(guān)鍵技術(shù)

由Miro Adzan和Thomas Leyrer共同撰寫

當(dāng)今的終端設(shè)備市場(chǎng)需要更短的產(chǎn)品生命周期、更多的單獨(dú)配置產(chǎn)品及快速適應(yīng)瞬息萬變的消費(fèi)者權(quán)益。在制造車間，關(guān)鍵參數(shù)包括較低的資源利用率，特別是更低的功率、更快的制造時(shí)間和更低的生產(chǎn)停機(jī)時(shí)間。這些要求需要一個(gè)更復(fù)雜、更智能的工廠，利用云，并使用遠(yuǎn)程大數(shù)據(jù)分析功能優(yōu)化并適應(yīng)制造流程，增強(qiáng)在整個(gè)生命周期跟蹤產(chǎn)品的能力。

機(jī)器和生產(chǎn)單元與互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)系實(shí)現(xiàn)了過程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)視圖。機(jī)器與產(chǎn)品的聯(lián)系還提供了產(chǎn)品數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)視圖。由工業(yè)服務(wù)機(jī)器人操作的自動(dòng)化機(jī)器和生產(chǎn)單元處理原材料和生產(chǎn)部件。在生產(chǎn)過程中進(jìn)行產(chǎn)品和機(jī)器質(zhì)量檢查，以進(jìn)一步縮短周期時(shí)間。這種方式減少了人機(jī)互動(dòng)，并在生產(chǎn)過程中聚焦更高價(jià)值的任務(wù)。

創(chuàng)新的突破使得工業(yè)4.0成為現(xiàn)實(shí)。許多意義非凡的技術(shù)是由像德州儀器這樣的工程公司實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于TI來說，解決子系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)至關(guān)重要，這將提高包括效率和靈活性在內(nèi)的智能制造設(shè)計(jì)，同時(shí)提供制造流程的實(shí)時(shí)視圖、連通性和通信。

以下為促成更智能、更高效制造的工業(yè)4.0的一些關(guān)鍵技術(shù)，：

兼容的工業(yè)通信。為了獲得完整制造系統(tǒng)的透明視圖，所有數(shù)據(jù)必須通過具有共同格式的工業(yè)通信技術(shù)提供。您可能聽說過“IT連接到OT”這一短語。這意味著信息技術(shù)（IT）世界使用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）和更高層協(xié)議來實(shí)現(xiàn)安全的Web訪問。操作技術(shù)（OT）世界使用專用的現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)，其通常僅使用以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，而不使用基于軟件的網(wǎng)絡(luò)堆棧組件。這種現(xiàn)場(chǎng)級(jí)和企業(yè)級(jí)之間的不兼容性要求將兼容層定義為工業(yè)4.0框架的一部分。將開放平臺(tái)通信統(tǒng)一架構(gòu)（OPC UA）連接到較高層，并將現(xiàn)場(chǎng)總線連接到較低層的工業(yè)4.0網(wǎng)關(guān)是兼容性問題的短期解決方案。

將通信擴(kuò)展到產(chǎn)品級(jí)需要低功耗通信。射頻識(shí)別RFID是獲得產(chǎn)品和機(jī)器通信的關(guān)鍵技術(shù)。將傳感器部署在產(chǎn)品附近和機(jī)器處時(shí)，電源通過電纜。IO-Link通過雙向數(shù)字通信為基本開/關(guān)狀態(tài)通信的擴(kuò)展建立標(biāo)準(zhǔn)。IO-Link網(wǎng)關(guān)使用工業(yè)以太網(wǎng)或無線LAN直接與OPC UA通信。對(duì)于手動(dòng)操作員的檢查，Bluetooth®低能量連接將數(shù)據(jù)發(fā)送到移動(dòng)終端。

高精度傳感。生產(chǎn)過程的效率很大程度上取決于工業(yè)傳感技術(shù)。小批量的機(jī)床設(shè)置時(shí)間變得更加重要。盡管仍需要在線碰撞避免系統(tǒng)，但工具、工件和夾具之間避免碰撞可進(jìn)行離線模擬。許多材料和工具需要水冷卻，這使得光學(xué)傳感器難以檢測(cè)碰撞。在灰塵和潮濕環(huán)境中工作的掃描儀是必需品。

機(jī)床在其使用壽命期間會(huì)出現(xiàn)故障且生產(chǎn)質(zhì)量也會(huì)降低。機(jī)床的連續(xù)力感測(cè)可在早期指示機(jī)床斷裂情形。機(jī)床質(zhì)量會(huì)影響溫度傳感器和聲學(xué)傳感器的數(shù)據(jù)。預(yù)測(cè)性維護(hù)是一個(gè)潮詞，其描述了盡早更換早期預(yù)示有機(jī)床斷裂情形的概念，而不會(huì)影響生產(chǎn)流程或生產(chǎn)質(zhì)量。

機(jī)床的多軸控制使用閉環(huán)運(yùn)動(dòng)來定位刨槽機(jī)或材料。尺寸和表面的公差具有來自軸、機(jī)床和夾具的機(jī)械方差的額外方差。使用線性編碼器和激光距離傳感器的精確距離測(cè)量用于機(jī)器校準(zhǔn)、運(yùn)動(dòng)控制和質(zhì)量監(jiān)控。

制造過程取決于諸如溫度和濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)。主動(dòng)冷卻和清潔系統(tǒng)對(duì)環(huán)境條件有影響。用于液體和空氣的流量傳感器為機(jī)床的環(huán)境系統(tǒng)提供輸入。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制效率。電機(jī)是生產(chǎn)系統(tǒng)中需要大部分能量的組件。具有閉環(huán)電流、速度和位置控制的變頻驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)功耗有直接影響的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線。通過絕對(duì)編碼器對(duì)隔離和轉(zhuǎn)子位置測(cè)量的高精度電流測(cè)量為每個(gè)控制周期提供控制算法。除了高效的電機(jī)控制算法外，功率級(jí)的效率是功耗的關(guān)鍵因素。氮化鎵（GaN）晶體管的更快的開關(guān)頻率降低了生產(chǎn)單元中的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率。

現(xiàn)代生產(chǎn)單元具有四個(gè)一起工作的主要子系統(tǒng)：定義整個(gè)生產(chǎn)過程的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（CNC）系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)用電動(dòng)機(jī)和致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)、用于其它傳感和控制應(yīng)用的可編程邏輯控制（PLC）系統(tǒng)，以及用于材料處理的服務(wù)機(jī)器人。

嵌入式處理。提高生產(chǎn)系統(tǒng)的效率和靈活性體現(xiàn)在許多方面。工業(yè)通信、工業(yè)傳感和工業(yè)控制構(gòu)成了智能工廠的基礎(chǔ)。本地智能在嵌入式微控制器和微處理器上運(yùn)行。得到的產(chǎn)品和過程數(shù)據(jù)通過無線和有線工業(yè)通信被發(fā)送到用于大數(shù)據(jù)分析的工業(yè)云。

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