从以水和蒸汽为代表的第一次工业革命,到以智能制造为主导的第四次工业革命,世界制造业正经历着新一轮的产业整合与升级换代。作为智能制造技术的主要特征,信息化、自动化和智能化正将人类从单调、程序化的工作中解放出来,把精力集中在创新和增值业务上。下面,我们将深入探讨智能制造技术出现的历史原因、核心特征、愿景、以及它会给未来工业界和人类生活带来哪些深刻影响?

何为智能制造?

2011年,汉诺威工业博览会,德国率先提出“工业4.0”概念,后由德国学术界和产业界共同推动并上升为国家级战略。“工业4.0”项目分为两大主题:一是“智能工厂”,重点研究智能化生产系统及过程,以及网络化分布式生产设施的实现;二是“智能制造”,主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。

工业4.0的愿景是“信息物理融合生产系统”,其中充斥传感器的“智能产品”告诉机器它们应该被如何加工,流程在一个分散地、??榛南低持薪凶晕夜芾?。智能嵌入式设备开始以点对点或者通过物联网—“云”—物联网的方式进行无线互连以协同工作,这是对生产力的再一次革命。

尽管工业4.0目前更多是愿景,而非现实,但它具有潜在的深远影响。随着人们不断想出实现它的创新方式,这一概念也在不断发展。然而,有些事情已经明确:

传感器将涉及生产过程的每一阶段,提供原始数据以及控制系统所需的反馈。

工业控制系统将变得更加复杂并广泛分布,带来更灵活的、细粒度的控制。

射频技术将在无线Mesh网络中与分布式控制??榘蠖ㄔ谝黄?,为系统带来实时重配置功能,而这种方式不可能在硬连线、集中控制系统中实现。

可编程逻辑会变得越来越重要,因为不可能预料到所有环境变化,而这些变化是控制系统需要动态响应的。

智能连接的嵌入式设备将无处不在,它们的设计和编程会变得更具挑战性。

中国科技部则在2012年3月印发的《智能制造科技发展“十二五”专项规划》中,对“智能制造”给出了官方定义:智能制造是面向产品全生命周期,实现泛在感知条件下的信息化制造,是在现代传感技术、网络技术、自动化技术、拟人化智能技术等先进技术的基础上,通过智能化的感知、人机交互、决策和执行技术,实现设计过程智能化、制造过程智能化和制造装备智能化,是信息技术和智能技术与制造装备和过程的深度融合与集成。

“的确是这样,随着机器对机器(M2M)通信遍布于厂房,原来刚性的、集中化的工厂控制系统开始让位于高度??榛?、高度可配置的分散式智能控制系统。”美信(Maxim Integrated)公司中小客户市场产品线营销总监李益明说,这是一场制造业中所有参与者与资源的高度社会化技术互动,主要围绕制造资源网络进行。这些网络独立自主,能在不同情况下实现自我管理、自我配置,还装备了分散安装的传感器,并融入了相关规划及管理系统

而在ADI公司亚太区电机与电源控制行业市场部专员于常涛看来,工业4.0是绿色工业革命,因为“一系列生产函数的发生,必然是以从自然要素投入为特征到以绿色要素投入为特征的跃迁,并普及至整个社会”。所以,第四次工业革命的核心特征将是高效节能、网络化与??榛??;痪浠八?,就是用自动控制、网络与计算,将人、机器设备和信息连接在一起,并整合到一个数字化企业平台中,在经过数据采集、分析、优化后实现更具效率的生产方式。

“我们认为在一些分布式控制、采样点较多、较分散(较远)、测试数据量比较大的工厂,例如冶炼厂、化工厂、钢厂等会首先实现智能化。PLC/DCS、现场仪表和现场自动化控制的相关工厂对智能化的需求明显,具体体现为系统的自我诊断、自我?;?、实时通讯和冗余备份等功能。”他说。

他预测称,就智能工业未来的发展趋势而言,首先,互联网、大数据、云计算、物联网等新技术将给工业生产带来的革命性变化;其次,虚拟与实际的界限被消除,所有生产程序均可提前在计算机中仿真模拟,从而在虚拟世界中就完成生产的分析与优化;最后,人工将在很大程度上被机器智能取代。

整合物联网服务

智能制造的一大特点是“网络化”,即如果我们成功把基于物联网的服务整合进工业4.0,将极大地扩展这种潜力。这也同步开启了将大量由不同自动化系统生成的数据移至云端的趋势,以便进行高级数据分析,用于机器诊断、预防性维护以及工业过程优化。随着自动化系统及其相关的传感器/传感器网关连接至云端,半导体器件的用量将会大幅增多,将有不同的器件用于实现连通性,这包括传统的现场总线、以太网、以及无线射频方式。

于常涛指出,网络通讯技术可以将工业控制整合成一个优化的智能系统,也可以很容易将各个分立的子系统及节点连接成大系统,使得越来越多的工业控制系统实现联网并更加网络化与智能化。但他也同时提醒业界说,在工业联网技术领域当中,软件技术的发展面临巨大挑战,因为真正双向的通信、智能传感及智能通信,都需要高可靠性的软件来支撑,针对不同的控制对象也需要更多专业化与定制的软件。另外,针对于工业应用复杂的现场及特定的条件,高温、高可靠性、需要隔离的器件也需要更多的新技术去支撑。

“我相信未来工业物联网会有明确的行业或企业标准,智能组网、低功耗、高集成化会是主要发展方向。同时,统一的软件协议栈也是工业物联网的未来发展重点。”根据ADI给出的市场规划,以智能能源和智能电网为代表的“智能化”产业,和以工业自动化为代表的“物联网”产业,将是其未来重点投资的领域。

无线传输方面,ADI针对物联网新近推出了AD9361无线收发模拟前端。这是一款高性能、高度集成的RF Agile Transceiver捷变收发器,集RF前端与混合信号基带部分为一体,集成频率合成器,为处理器提供可配置数字接口,从而简化了设计导入。AD9361工作频率范围为70MHz至6.0GHz,涵盖大部分特许执照和免执照频段,支持的通道带宽范围从小于200kHz至56MHz,可用于small cell/Femtocell等微基站的设计,便于安装调试以实现工厂自动化。

ADI对于智能化工厂的产品主要在工业组网上。ADI可提供从4-20mA、RS-232、RS-485、CAN、LVDS等多种工业通讯协议的芯片,可以支持隔离与非隔离、工业温度范围、含DC-DC隔离电源等技术;还有一些支持短距离无线通讯技术,提供高性能的、可涵盖不同频段的射频芯片;另外对于工业以太网技术,ADI也在新的处理器中加以考虑。这些芯片都给工业组网带来很大的便利。例如,ADM2582/2587—带隔离电源的集成RS-485接口芯片,ADM3052/3053—带隔离电源的CAN接口芯片,等可方便用于工业网络。

“目前为止,一个很好理解的事实是,工业以太网正成为工厂自动化的主流技术。”Altera亚太区工业业务部市场开发首席经理江允贵说,“然而,没有引起同样重视的是,这一通信技术需要在供应商系统中实现,不同的方案会造成系统成本、产品外形以及功耗指标会有很大的不同。”他列举的某些影响工业以太网系统设计的因素包括嵌入式通信协议、工业以太网标准的快速发展,以及向千兆以太网的发展等。

与现场总线协议相似,目前市场上有很多类型的工业以太网协议。但这些标准并没有在市场上合并,驱动系统供应商必须能够支持6 到8个标准,才能将其产品销售到全球不同的工厂中。而驱动和I/O??榈牧砹礁龇⒄骨魇圃蚴峭ㄐ殴δ艿纳疃惹度?、以及向千兆以太网发展。这些变化要求半导体厂商能够提供从??榈狡骷?,再到芯片集成功能,并在产品生命周期内同时具备硬件和软件可编程能力。

当然,在工业物联网的数据传输过程中,不仅包括以太网、无线射频等技术,也包括通过新型传感器接口标准(如IO-Link),以及广泛布设的现场总线标准所进行的连通。尽管网络化带来了实时连接、通讯和控制等优势,但这种连接是一把双刃剑,优点是能够从任何可访问互联网的位置监测和控制工厂,但同时也为攻击、恶意软件、知识产权(IP)盗窃提供了方便之门。因此选择一种成熟、安全、平价的加密方案十分重要,特别是对那些价格敏感、数量庞大的物联网终端加密。

美信方面称,随着系统供应商将工业数据移至云端,使用工业物联网以优化控制、实现差异化诊断,导致对可靠通信、精确测量以及嵌入式安全产品的需求将增大。公司在上述三个应用领域均投入了巨大的精力,有独特的方案能够很好地应对工业物联网面临的连通性和嵌入式安全方面的关键挑战。例如业界最大的可靠收发器PHY产品线,支持各种现场总线标准(如Profibus),以及发展迅猛的传感器标准(如IO-Link)。

李益明说,“美信的IO-Link方案具有先发优势,在数字传感器这一持续增长的领域拥有较广的市场接受度。我们还提供面向数字I/O卡的接口产品,允许采用一个集成器件应对8通道I/O;此外,还有完备的模拟信号调理器产品线,这类器件在传感器和模拟I/O??橹械牟忌枋砍噬仙魇?。”而新一代、支持多通道的集成I/O Link器件;精度更高、功耗更低的数据转换器;具有最新工业标准认证/加密算法的防篡改嵌入式安全产品的开发,则正在有条不紊的进行中。

智能制造需要支持大量传感器数据的输入输出,因此超小型PLC或micro-PLC有望成为智能制造的核心,以超低功耗和小封装提供高性能的支持。美信最具代表性的方案来自其16位高精度4通道微型PLC方案,包括两路低噪缓冲器(MAX9633)、16位4通道ADC(MAX1301)、 超高精度电压参考(MAX6126)等。系统典型功耗低于500mW,面积比一张信用卡还要小,可被用于任何需要高精度模数转换的应用,特别是工业自动化。

此外,在嵌入式安全领域,目前使用基于软件的安全方案,但最终需要基于嵌入式硬件的安全方案,实现金融行业级别的?;に?。Maxim将自身在POS金融终端和ATM设备中采用的嵌入式安全方案,应用于需要在硬件层面进行?;さ墓ひ迪低?,产品范围从低成本认证引擎到能够进行工业标准加密算法处理的先进的安全微处理器。

智能机器人时代来临

2013年,中国市场共销售工业机器人36,500台,超过日本成为年度购买工业机器人数量最多的国家。更有预测称,2015年中国智能制造装备业产值可达一万亿元,其中工业机器人在我国人力成本上升、用工荒等因素推动下,将迎来25%至30%的快速增长期。预计到2020年,机器人及系统产值约一千亿元,将带动三千亿元零部件市场。毫无疑问,机器人产业发展正在进入黄金时代。

但相关数据也显示,2013年我国自主品牌工业机器人还是以中低端的三轴、四轴机器人为主,高端的六关节轴机器人占比重不足6%;外资品牌销售的工业机器人中,多关节型机器人占全国工业机器人销量的比重达到62%,自主品牌的产品还远远不能满足国民经济的发展要求。

尽管工业机器人在电气化时代就已得到大规模普及,但在智能制造时代,被贴上“智能”标签的它们仍被视作未来的技术制高点和经济增长点。和我们以前熟知的机器人相比,智能机器人最大的不同是什么?有业内人士对此回答称,以前的机器人只是一个机器,强调的是速度、负载、可操作性,今天的机器人更强调交互、灵巧、安全和智能,正在进行着由机器向人的进化。下一步,传统的机器人要在柔性、双臂、人机协作等方面发展。

这些趋势在2014工博会上得到了体现。ABB公司日前就首发了世界上首台真正实现人机协作的机器人“YuMi”,它小而精致,双臂灵巧,配备了力传感技术,并以软性材料包裹。当双臂伸出去感应到有人在时,手臂就自动缩回去或者改变方向。“YuMi在英文中是‘你和我’协同工作的意思,它完全可以和工人和谐相处,并肩作战。”ABB方面称,从机械手表的精密部件到手机、平板电脑以及台式电脑零件的处理,YuMi都能轻松应对。

另一大机器人巨头库卡公司也首次在中国推出世界第一款7轴灵敏型工业机器人“LBRiiwa”,能够与人无隔离共同工作。它可以毫不费力地把最大负载为90吨、长度为30米的重物,通过平移或者旋转,安全放置到指定位置,其货物放置定位的精准度可达1毫米,且符合工业卡车要求的所有安全标准。

于常涛认为,既然智能制造被定义为是一种由智能机器和人类共同组成的人机一体化智能系统。那么,“智能”将是这个时代机器人区别于以往产品的重要标志,包括自我学习能力和精准控制能力。以机器人电机控制为例,它需要高性能处理器、安全隔离、模拟信号处理、传感器检测、软件算法等一系列关键技术。

混合信号控制处理器ADSP-CM40x是ADI面向高精度、伺服闭环控制、电机驱动、太阳能光伏(PV)逆变器和其他嵌入式工业应用推出的一款代表性产品。它搭载了一枚240-MHz浮点ARM Cortex-M4处理器内核,并集成了精度高达13位的行业唯一一款嵌入式双通道16位模数转换器,转换速度高达380纳秒。同时,片内sinc滤波器实现模式,使其可以直接与用于采样电阻式电流检测系统架构中的隔离式Σ-Δ型调制器(AD7400A/AD7401A)接口,节省了成本和资源。

“伺服驱动系统的性能同用户最终所构建的运动控制系统的性能和所能提供的精度密切相关。多数情况下,最终的用途可以是一个高精度数控机床系统、运动控制系统或机器人系统,这些系统要求能够精确控制位置及电机的扭矩。”于常涛说,ADI针对电机控制提供了门类齐全的产品组合,包括模数/数模转换器、放大器、嵌入式处理器、iCoupler数字隔离器和电源管理器件,这些高性能的器件和增加系统集成度有助于实现更新型的拓扑结构设计,为实现系统差异化设计带来价值。

“运行稳定,故障率低;小体积,低功耗;算法先进,易于使用。这几项是目前对于电机驱动最新的要求,TI基于高度集成的电机驱动方案,能很好的满足以上几个需求。”德州仪器(TI)马达驱动产品线应用工程师左巍认为,集成式方案不仅体积小、设计更简单,而且也比分散式的更安全。

与目前市场上主流采用的离散式电机驱动方案不一样,TI采用了将驱动器、MOS管、?;さ缏?、控制开关、算法全部集中在一起的高度集成式方案。“为实现同等功能,离散方案需要包括闲置逻辑、MOSFET驱动、Predriver驱动、输出、时钟、电源管理、温度传感器、?;さ缏?、电源控制、比较器、参考电压等100余个晶体管、数字门电路、放大器、LDO、温度传感器和保险丝等,总体成本会比集成方案高,更重要的是离散式方案的安全性降低很多。”

更重要的是,集成式电机驱动方案设计很简便,不需要客户再去单独设计,直接拿来按照参考设计就可以直接使用,有利于用最快的速度将产品推向市场。“整个电机驱动的定位是稳健、可靠、?;?、运行和智能,不需要用MCU做太多其它关联性的事情,只要关心在其主控算法上就行了。”左巍说。

李益明表示,智能机器人是具有感觉、识别、推理和判断能力,甚至自适应能力的机器人,它可以根据外界条件的变化在一定范围内自行修改程序。涉及的关键技术包括传感器、高精度模数转换、电机驱动等,美信为此储备了大量业界领先的传感器、完整信号链、以及电机驱动方案等用于智能机器人实现。

对中国制造业的影响

在《智能制造科技发展“十二五”专项规划》中,重点强调了抓住智能制造发展契机,是实现中国从制造大国向强国转变的重要保障。于常涛对此解读认为,工业4.0时代,中国制造业最大的机遇来自不断趋好的宏观经济形式和国家政策扶持,而最大的挑战则来自与发达国家在技术能力上的差距。“中国制造业以高性价比在全球市场中获得了很强的竞争力,但传统的经济发展动力正在衰竭,目前面临着转型升级的挑战。”

2012年,中国超越美国成为全球最大的制造业大国,中国制造业出口占世界制造业出口的比重从1990年的0.8%上升到2009年的13.5%。然而,过去驱动中国制造业的发展动力是要素投入和投资驱动,具体来说是经济规模、资源投入、低成本、投资和全球化;但在新的背景下,制造业的发展是创新驱动,是绿色产品、商业模式创新、价值网络整合、客户定制化、敏捷制造和制造业服务化。

他将中国制造业的创新驱动分为以下几种模式,即“二次创新”、制造业服务化、商业生态系统创新和二次商业模式创新。所谓通过“二次创新”实现技术跨越,具体来说就是在技术能力较低的情况下实现技术获取、吸收和利用,在技术能力积累的基础上实现技术探索,实现创造性学习;通过制造业服务化,实现制造业的转型升级,有两种方式是值得中国企业借鉴和学习的:一是如西子奥的斯公司通过在制造中结合服务,增加产品的服务价值;另一种是从制造转为服务,如杭氧集团,从单纯设备供应商转型为出售气体服务;而通过构建商业生态系统和二次商业模式创新,淘宝从2003年零起步,到2012年发展为年销售收入超1万亿元的世界第一商业平台。

因此,在这样的大背景下,中国政府提出的智能制造发展目标,将是打造以设计与工艺技术、智能机器人技术和系统控制技术等为核心的高端装备和系统集成技术,按照“储备一代、研发一代、推广一代”的技术路线,突破智能制造基础技术与部件、攻克一批智能化装备、研发若干制造过程自动化生产线,制定相应技术与安全标准,增强产业竞争力。重点研究工业机器人、自动化生产线、流程工业的核心工艺和成套装备等,提升制造过程智能化水平。

智能制造:工业革命背后的逻辑思维