制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)支柱，高端制造裝備是大國重器，而結(jié)合了機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化生產(chǎn)線等先進(jìn)技術(shù)的工業(yè)4.0，也正成為全球先進(jìn)制造國家下一波的競爭焦點(diǎn)。為此，在由ASPENCORE旗下《電子工程專輯》、《電子技術(shù)設(shè)計(jì)》和《國際電子商情》共同舉辦的“工業(yè)4.0與智慧工業(yè)研討會(huì)”上，來自美國芯源系統(tǒng)有限公司(MPS)、致茂電子(Chroma)、ADI、意法半導(dǎo)體(ST)、英國比克科技(Pico Technology)、優(yōu)傲機(jī)器人等公司的技術(shù)專家，就如何把握智慧工業(yè)機(jī)遇，為中國產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型做出貢獻(xiàn)等主題，與工程師朋友們共同分享了他們的真知灼見。

智能可編程電源模塊在工業(yè)的應(yīng)用

MPS公司北中國區(qū)副總經(jīng)理盧平指出，設(shè)備小型化/高集成化和物聯(lián)網(wǎng)正成為推動(dòng)電源變革的兩大趨勢。前者要求電源具備模塊化特性和更高功率密度，而以遠(yuǎn)程可控、有線/無線網(wǎng)絡(luò)為特質(zhì)的物聯(lián)網(wǎng)，則對(duì)數(shù)字電源、網(wǎng)絡(luò)供電、以及超低功耗提出了新的要求。

MPS公司北中國區(qū)副總經(jīng)理盧平

為此，MPS推出了業(yè)界第一款可以網(wǎng)上設(shè)置參數(shù)，遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)代碼燒寫的電源模塊。用戶可以在MPS官網(wǎng)上利用網(wǎng)站配置和仿真工具快速輸入負(fù)載需求，更改輸出電壓，調(diào)整無源元件參數(shù)，并即時(shí)評(píng)估設(shè)計(jì)性能。還可立即進(jìn)行設(shè)計(jì)更改，避免了耗時(shí)的系統(tǒng)驗(yàn)證和電路板返工，大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。MPS則直接在后臺(tái)進(jìn)行燒寫，之后將樣品送到客戶手中，所見即所得。盧平表示，這個(gè)創(chuàng)新的電源模塊可以大大簡化客戶原型設(shè)計(jì)時(shí)電源設(shè)計(jì)的難度，加快設(shè)計(jì)進(jìn)度。

除了可通過網(wǎng)站實(shí)現(xiàn)編程外，工程師在現(xiàn)場也可實(shí)現(xiàn)編程。只需為可配置的模塊訂購包括電路板、連接線材、通信接口設(shè)備、帶MPS軟件的閃存驅(qū)動(dòng)器在內(nèi)的完整可編程套件，用戶就可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)調(diào)整、優(yōu)化和更新設(shè)計(jì)。

“易于使用、出色的仿真性能和快速制作樣板”是MPS可編程電源模塊的三大特點(diǎn)。

具體而言，工程師無需使用外部元器件，就可以將電源模塊容易地直接插入電路板使用。并且還可以通過簡單的調(diào)節(jié)輸出電壓和電流限值，來滿足寬泛的操作要求；仿真軟件工具則允許設(shè)計(jì)人員模擬和驗(yàn)證設(shè)計(jì)性能，并通過完整的BOM表推薦加快設(shè)計(jì)過程。而一旦確定好準(zhǔn)確的規(guī)格和仿真結(jié)果，定制的樣板在幾天內(nèi)即可投入使用，這也加快了產(chǎn)品的上市時(shí)間。

AIoT智慧工廠系統(tǒng)整合

電商的出現(xiàn)正在讓制造業(yè)轉(zhuǎn)變成為制造服務(wù)業(yè)，從定制化設(shè)計(jì)到生產(chǎn)、測試與交貨，已經(jīng)全程實(shí)現(xiàn)了信息自動(dòng)化服務(wù)。對(duì)少量多樣的制造生態(tài)需求而言，既需要減少庫存并且越快越好的及時(shí)出貨，又需要快速的備料能力和高度整合的自動(dòng)化與資訊系統(tǒng)。

因此，在中國制造2025和工業(yè)4.0浪潮下，盡管實(shí)現(xiàn)智能制造的方法很多，但在致茂電子(Chroma)智能制造系統(tǒng)事業(yè)部總經(jīng)理林宙看來，業(yè)界首要思考的問題應(yīng)該是如何通過工業(yè)4.0版本的制造資訊系統(tǒng)(MES)、4.0 MES智能監(jiān)控與顯示、輕松將所有設(shè)備聯(lián)網(wǎng)以及精確的AI分析這4大工程，建立起智能制造大數(shù)據(jù)。

他進(jìn)一步分析稱，所謂的智慧化工廠，是指該工廠具有以下五大特色：

1.       可自主調(diào)整廠區(qū)與產(chǎn)線之產(chǎn)能配置；

2.       可自主調(diào)整上下游供應(yīng)配送；

3.       可自主優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)境之資源與能源配置；

4.       可輔助人員正確完成各種操作與組裝測試；

5.       可即時(shí)逆向追蹤生產(chǎn)進(jìn)程與履歷。

但傳統(tǒng)的MES僅限于資料搜集與報(bào)表分析，無法滿足快速變遷時(shí)代的需求。隨著工業(yè)4.0時(shí)代來臨，MES要成為整個(gè)工廠自動(dòng)化控制的核心系統(tǒng)，就不僅要擁有MES的原有范疇，還要包括CIM、EAP、機(jī)臺(tái)連線、整合機(jī)械手臂等多種功能。

因此，只有當(dāng)海量資料先進(jìn)分析、虛擬工廠設(shè)計(jì)與自動(dòng)化系統(tǒng)整合、物聯(lián)網(wǎng)裝置與系統(tǒng)、智能裝置與系統(tǒng)、機(jī)器人與機(jī)器手臂等五大關(guān)鍵領(lǐng)域同步發(fā)展，并高度結(jié)合與整合，才能使制造工廠正式進(jìn)化為智慧工廠。

海量資料先進(jìn)分析

運(yùn)用云端運(yùn)算能力，分析由每臺(tái)機(jī)器設(shè)備與裝置所傳來的海量資料，進(jìn)行篩選、分析、過濾設(shè)備可能故障原因、產(chǎn)品瑕疵發(fā)生原因，提高設(shè)備使用率與產(chǎn)品良率，另可透過巨量資料分析市場終端消費(fèi)需求，提供次世代產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)之參考。

物聯(lián)網(wǎng)裝置與系統(tǒng)

利用感測、有線、無線、行動(dòng)、衛(wèi)星等多種通訊網(wǎng)絡(luò)，使設(shè)備、裝置、控制中心的各種數(shù)據(jù)資料與參數(shù)，可以在設(shè)備、裝置、控制中心之間傳輸，且具備避免電氣干擾、資料竄改、線路備援等安全機(jī)制，確保每一筆資料的安全性。

有別于市面上大多數(shù)的系統(tǒng)，致茂電子的Smart Controller工業(yè)級(jí)智能控制器通過Android App與PC端控制軟件運(yùn)行，擁有多樣性、擴(kuò)充性、方便性、穩(wěn)定性四大特色。例如：通過Android App整合多種設(shè)備類型，無論哪一種設(shè)備皆可以藉由APP與機(jī)臺(tái)輕松互動(dòng)；經(jīng)由專業(yè)性ESD檢測外殼具有散熱與抗干擾設(shè)計(jì)，可以穩(wěn)定24小時(shí)不斷電運(yùn)作；雙網(wǎng)口的設(shè)計(jì)使多臺(tái)控制器之間可用網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)，結(jié)合現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，簡化網(wǎng)絡(luò)布線成本；用戶不但可依照不同需求搭配不同的APP軟件，還可自行擴(kuò)充包括CAN bus、SPI、I2C在內(nèi)的多種接口。

林宙建議采用以以太網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的OPC+Web Service架構(gòu)各自對(duì)應(yīng)現(xiàn)有復(fù)雜PLC與個(gè)人計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的機(jī)臺(tái)。不僅成本相對(duì)低許多，也足夠滿足一般制造工廠的需求，更何況相關(guān)人才眾多，系統(tǒng)有問題時(shí)可以隨時(shí)找到相關(guān)人員進(jìn)行調(diào)整、除錯(cuò)，因此導(dǎo)入此架構(gòu)將可獲得較多優(yōu)勢，也能提升導(dǎo)入工廠自動(dòng)化或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的意愿。

虛擬工廠設(shè)計(jì)與自動(dòng)化系統(tǒng)整合

建置實(shí)體生產(chǎn)線與工廠前，先在虛擬系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)線與工廠設(shè)計(jì)，以及直接在生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化系統(tǒng)整合規(guī)劃，大幅減少實(shí)體建設(shè)與整合所需要的資金、時(shí)間、材料等重要成本，讓產(chǎn)品得以更快速進(jìn)入市場。

智能裝置與系統(tǒng)

智能判斷與決策，并主動(dòng)與其他設(shè)備交換資訊，不需人力介入即可依據(jù)實(shí)際狀況進(jìn)行即時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)配，提升整體材料、能源、人力、時(shí)間等資源之利用效率。

Chroma新一代的電子看板管理解決方案，以Android平臺(tái)裝置透過HDMI界面與各類型顯示器整合，在工廠環(huán)境下以Wi-Fi快速傳遞各種信息至顯示屏幕上，后臺(tái)以Web界面的方式快速設(shè)定看板配置，可在工廠、醫(yī)院、賣場、公共環(huán)境等區(qū)域即時(shí)調(diào)整與上傳看板資訊。Chroma FEP則可依各區(qū)域配置需求即時(shí)建立新的看板，透過單一管理平臺(tái)設(shè)定模版，將各功能模組以拖曳方式完成模版建置，再分配給各區(qū)域電子看板呈現(xiàn)多元化資訊，可配置的功能包含圖檔、氣象資訊、時(shí)鐘、跑馬燈、儀表板、圖表、公告欄、資料表、內(nèi)嵌網(wǎng)頁等。

機(jī)器人與機(jī)器手臂

以機(jī)器人與機(jī)器手臂取代人力，執(zhí)行高重復(fù)性、高負(fù)重度、高疲勞度、高傷害性、高危險(xiǎn)度、高污染性等作業(yè)，提高制造產(chǎn)線的產(chǎn)能與效率。

工業(yè)4.0系統(tǒng)設(shè)計(jì)中電源設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

“工業(yè)4.0 時(shí)代，在使用大量數(shù)據(jù)、設(shè)有各種傳感器的工廠中，電源的外形尺寸、效率、EMI這些性能指標(biāo)更為關(guān)鍵。”ADI電源產(chǎn)品中國區(qū)市場總監(jiān)梁再信說，如果說工業(yè)4.0是一場革命，ADI以µModule技術(shù)為主的高性能電源正在推動(dòng)基礎(chǔ)技術(shù)變革。

ADI電源產(chǎn)品中國區(qū)市場總監(jiān)梁再信

作為高端工業(yè)智能領(lǐng)域的高性能模擬器件供應(yīng)商，ADI認(rèn)為未來工業(yè)4.0的設(shè)備和裝置的智能化會(huì)越來越高，這時(shí)設(shè)備“是否夠靈活、效率是否夠高、溝通暢否、安全性以及可靠性”都是非常關(guān)鍵的性能要求。

為了滿足上述五點(diǎn)要求，ADI 針對(duì)工業(yè)4.0領(lǐng)域的電源創(chuàng)新主要考慮以下三個(gè)維度：

效率，做到更加節(jié)能、提高效率，不斷突破極致

外形尺寸，在做出高性能電源的同時(shí)，減少PCB尺寸以及增加更多的功

EMI，不斷提高產(chǎn)品的可靠性、創(chuàng)新性，設(shè)計(jì)出更完美的噪聲處理方案

要想做出高集成度的電源產(chǎn)品，電路板小尺寸、薄型化等是關(guān)鍵方向。“做好電源模塊，讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師專注于做系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，而不用花時(shí)間去調(diào)一個(gè)復(fù)雜的電源系統(tǒng)。”梁再信表示這是電源模塊的關(guān)鍵點(diǎn)。他給出了某個(gè)系統(tǒng)IO和內(nèi)核供電系統(tǒng)的示例，成功節(jié)省30到100個(gè)的元器件數(shù)量，而且整個(gè)系統(tǒng)的可靠性也會(huì)得到提升。

比如 ADI µModule (微型模塊)穩(wěn)壓器LTM4622，該產(chǎn)品采用纖巧的超薄型6.25mm x 6.25mm x 1.82mm LGA和6.25mm x 6.25mm x 2.42mm BGA封裝，封裝中內(nèi)置了開關(guān)控制器、功率FET、電感器和支持組件，其高開關(guān)頻率和電流模式控制的運(yùn)用可實(shí)現(xiàn)針對(duì)電壓和負(fù)載變化的非?？焖偎矐B(tài)響應(yīng)，而并不犧牲穩(wěn)定性。此外，四路4A電源模塊整列LTM4644，輸出可通過并聯(lián)形成一個(gè)陣列以提供高達(dá)16A的電流能力，該電源模塊的高效率設(shè)計(jì)使每個(gè)通道能夠提供4A連續(xù)(5A峰值)輸出電流，僅需大容量的輸入和輸出電容器。

怎么樣減少系統(tǒng)的噪聲和干擾，EMI是關(guān)鍵，而大部分的EMI問題都是從電源干擾來的。從梁再信現(xiàn)場分享的剖面圖來看，磁場因?yàn)榉聪?，形成一個(gè)閉環(huán)回路。ADI Silent Switcher已經(jīng)演進(jìn)到第三代，要解決的問題是如何在超小體積、高功率的情況下控制EMI，讓該指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)。

 “大家知道LDO就是為了降低紋波，而且也能提高效率。但電路板上還有一些給ADC用的基準(zhǔn)電源，它的噪聲也比較低。但基準(zhǔn)和LDO針對(duì)的應(yīng)用場景卻不一樣，前者追求初始精度和長期穩(wěn)定性，而后者則是追求怎樣去輸出大電流。”梁再信補(bǔ)充分析道。

目前，ADI Silent Switcher2 產(chǎn)品效率可達(dá)93%，滿足CISPR25 Class 5 EMI的指標(biāo)，以該系列產(chǎn)品中的LT8609為例，即使僅僅使用簡單的2層板，也同樣能夠?qū)崿F(xiàn)很低的EMI表現(xiàn)。

除此之外，梁再信還介紹了ADI 大電流超級(jí)電容器后備控制器和系統(tǒng)監(jiān)視器LTC3350以及備份電源LTC4041針對(duì)工業(yè)4.0設(shè)備做掉電保護(hù)的典型應(yīng)用。