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從概念上來(lái)看，智能制造是指具有自感知、自決策、自執(zhí)行等功能的先進(jìn)制造過(guò)程、系統(tǒng)和模式的總稱。因此，當(dāng)我們談?wù)撝悄苤圃鞎r(shí)，應(yīng)該從智能制造技術(shù)和智能制造系統(tǒng)兩個(gè)方面入手，這樣便讓智能制造寬泛的概念變得具體起來(lái)。
在與非網(wǎng)4月份專題——《工業(yè)智能智能》中，通過(guò)與恩智浦、瑞薩電子、Silicon Labs和Molex莫仕幾家廠商的交流，讓我們對(duì)“未來(lái)工廠”、中國(guó)智能制造產(chǎn)業(yè)有了更深層的理解。
實(shí)現(xiàn)智能制造的“必要技術(shù)”
在談?wù)摳鲝S商面向不同應(yīng)用領(lǐng)域所推出的智能系統(tǒng)之前，我們將目光先聚焦在智能技術(shù)上。智能制造技術(shù)是用計(jì)算機(jī)模擬、分析，對(duì)制造業(yè)智能信息收集、存儲(chǔ)、完善、共享、繼承、發(fā)展而誕生的、多學(xué)科融合的先進(jìn)制造技術(shù)。
Molex莫仕亞太南區(qū)銷售副總裁David Ho表示，如果我們以工業(yè)4.0為概念模型，那么生產(chǎn)各個(gè)方面都將被監(jiān)控和測(cè)量，通過(guò)使用傳感器陣列和機(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M)接口(通常是一個(gè)非常高速的攝像機(jī))，再加上人機(jī)交互(HMIs)、人機(jī)界面(可以采用監(jiān)視器、平視顯示器和智能眼鏡的形式)等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。持續(xù)的數(shù)據(jù)反饋循環(huán)將為ML/AI系統(tǒng)提供優(yōu)化生產(chǎn)效率所需的數(shù)據(jù)。
Molex莫仕亞太南區(qū)銷售副總裁David Ho
同時(shí)，企業(yè)可以通過(guò)以下方式削減成本：
??? ?將無(wú)功HVAC和照明系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為主動(dòng)型HVAC和照明系統(tǒng)，顯著節(jié)省能源
??? ?通過(guò)智能監(jiān)控和預(yù)測(cè)性維護(hù)，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命
??? ?部署統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線系統(tǒng)，以較低的成本加快安裝速度
??? ?采用基于網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)監(jiān)控，幫助減少差旅和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用
??? ?實(shí)施嵌入式計(jì)算，實(shí)現(xiàn)設(shè)備至設(shè)備和設(shè)備到集中控制器的通信，同時(shí)分散決策權(quán)并實(shí)現(xiàn)近實(shí)時(shí)響應(yīng)
在恩智浦看來(lái)，進(jìn)入工業(yè)4.0時(shí)代，車間不再是一個(gè)簡(jiǎn)單的流水線生產(chǎn)場(chǎng)所，而是漸漸發(fā)展成了一個(gè)相互配合的，具備強(qiáng)大邊緣計(jì)算、實(shí)時(shí)交互能力的龐大系統(tǒng)，不僅能提高產(chǎn)能、降低成本，還將催化大規(guī)模定制生產(chǎn)。要實(shí)現(xiàn)這樣的工作模式，便需要生產(chǎn)系統(tǒng)能夠融合機(jī)器學(xué)習(xí)能力、強(qiáng)大的視覺(jué)、工業(yè)級(jí)的實(shí)時(shí)通信以及精準(zhǔn)的自動(dòng)化控制。
對(duì)此，恩智浦方面著重對(duì)以下幾項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了說(shuō)明。
非接觸式人機(jī)交互
針對(duì)人機(jī)交互方面，要求系統(tǒng)具備接受非接觸式指令的能力，包括高效的人臉識(shí)別、手勢(shì)與動(dòng)作識(shí)別等。
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集中式工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)
另外，要求系統(tǒng)能夠在單路以太網(wǎng)電纜中支持多個(gè)應(yīng)用，基于先進(jìn)的通信協(xié)議，在復(fù)雜的工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸的無(wú)縫銜接，提高數(shù)據(jù)收發(fā)的實(shí)時(shí)性與帶寬的充分利用。
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分布式驅(qū)動(dòng)控制
當(dāng)下的以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)⒖煽氐臅r(shí)延和信號(hào)抖動(dòng)考慮在內(nèi)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精確的控制。對(duì)于分布式的多個(gè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。
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時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)（time sensitive network，TSN）
TSN是目前國(guó)際產(chǎn)業(yè)界正在積極推動(dòng)的全新工業(yè)通信技術(shù)。這一技術(shù)允許周期性與非周期性數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡(luò)中傳輸。TSN的出現(xiàn)更好的服務(wù)時(shí)間敏感應(yīng)用及系統(tǒng)，保證數(shù)據(jù)在準(zhǔn)確的時(shí)間內(nèi)以最小的時(shí)間抖動(dòng)進(jìn)行傳輸。
實(shí)際上，現(xiàn)在回看各廠商對(duì)實(shí)現(xiàn)智能制造所需技術(shù)的描述，大家都認(rèn)可其融合的特性，不過(guò)也會(huì)有不同的側(cè)重點(diǎn)。瑞薩電子中國(guó)工業(yè)自動(dòng)化事業(yè)部高級(jí)總監(jiān)徐征談到人工智能（AI）的作用，他表示：“眾所周知，工廠自動(dòng)化等工業(yè)設(shè)備對(duì)實(shí)時(shí)處理能力要求極高，嵌入式人工智能（e-AI）解決方案成為絕大多數(shù)客戶的首選。利用嵌入式人工智能單元使現(xiàn)有設(shè)備能夠使用人工智能進(jìn)行推理執(zhí)行從而實(shí)現(xiàn)終端智能化，制造商們可以直接將e-AI技術(shù)集成到工廠設(shè)備中?！?/p>
瑞薩電子中國(guó)工業(yè)自動(dòng)化事業(yè)部高級(jí)總監(jiān)徐征
Silicon Labs工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)高級(jí)產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Mikko Niemi的回答圍繞在系統(tǒng)集成方面。“供應(yīng)鏈運(yùn)行中，系統(tǒng)之間的集成是最大的需求。隨著越來(lái)越多的公司希望將自己的庫(kù)存降到最低，物料流動(dòng)的管理變得至關(guān)重要。這就要求進(jìn)行大量的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作，這些系統(tǒng)可用于跟蹤制造中所使用的材料如何準(zhǔn)時(shí)到達(dá)工廠，以及之后最終商品如何被運(yùn)送至買方。這要求系統(tǒng)之間要無(wú)縫集成，并且需要供應(yīng)商們能夠就數(shù)據(jù)交換接口達(dá)成一致。對(duì)于這些系統(tǒng)之間的任何交互，網(wǎng)絡(luò)安全都是要優(yōu)先考慮的事項(xiàng)，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的安全數(shù)據(jù)交換機(jī)制不僅在數(shù)據(jù)交換中必須要使用，在數(shù)據(jù)收集和智能設(shè)備管理過(guò)程中也必須使用。”他對(duì)此講到。
Silicon Labs工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)高級(jí)產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Mikko Niemi
“未來(lái)工廠”的勾畫(huà)
基于對(duì)智能制造不同的切入點(diǎn)，實(shí)際上基于各家方案打造出來(lái)的智能制造系統(tǒng)會(huì)有所區(qū)別。然而，當(dāng)我們將所有這些觀點(diǎn)進(jìn)行融合之后，便能勾勒出一幅“未來(lái)工廠”的畫(huà)卷。
為了讓大家有更明確的概念，我們從恩智浦官網(wǎng)揭露出的“工業(yè)4.0”實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景出發(fā)：
在智慧工廠場(chǎng)景下，超低功耗的攝像頭模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控著收件區(qū)域，一旦在監(jiān)控區(qū)域范圍內(nèi)檢測(cè)到了人臉，后續(xù)人臉識(shí)別、物件識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別便會(huì)被激活。在演示中，操作員離開(kāi)推車，并將雙手高舉起來(lái)，表示工件已經(jīng)順利運(yùn)達(dá)指定區(qū)域，示意系統(tǒng)可以開(kāi)始操作。然后便是機(jī)器和系統(tǒng)的交互配合，識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)入低功耗待機(jī)狀態(tài)，等候下一次的工件運(yùn)送。
（完整演示請(qǐng)看文章《智慧工廠里的黑科技，恩智浦帶你來(lái)揭秘》）
相信看過(guò)恩智浦演示案例的人都有一個(gè)體會(huì)，在“未來(lái)工廠”中，人為參與的環(huán)節(jié)將越來(lái)越少，更過(guò)的工作將由機(jī)器和系統(tǒng)配合完成。
對(duì)于“未來(lái)工廠”， Mikko Niemi也進(jìn)行了描述。“未來(lái)工廠的定義非常接近于幾年前始于德國(guó)的工業(yè)4.0的定義。未來(lái)將會(huì)有越來(lái)越多的協(xié)作機(jī)器人，它們將與人合作來(lái)更靈活、更快速地制造產(chǎn)品。未來(lái)工廠也將擁有更高的靈活性，可以從生產(chǎn)一種產(chǎn)品轉(zhuǎn)向生產(chǎn)另一種產(chǎn)品，也可以確保實(shí)現(xiàn)更多的大規(guī)模定制生產(chǎn)，從而為最終用戶提供具有獨(dú)特功能的產(chǎn)品?！彼v到，“由于智能制造系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)需要和許多其它企業(yè)系統(tǒng)共享，因此基于云的SaaS（軟件即服務(wù)）解決方案越來(lái)越多地被采用。相比預(yù)裝軟件模式，這些系統(tǒng)可以支持更頻繁地安裝新的軟件版本。這樣還可使制造商專注于自己的主營(yíng)業(yè)務(wù)，而不用去培訓(xùn)IT員工來(lái)管理新的解決方案。軟件供應(yīng)商正越來(lái)越多地提供混合模型，其中軟件是在云端的，但是也可以安裝在制造商的私有云中以解決安全問(wèn)題。”
中國(guó)的智能制造
對(duì)于智能制造，中國(guó)有很明確的指標(biāo)：“十四五”期間，中國(guó)規(guī)模以上制造業(yè)企業(yè)智能制造能力成熟度達(dá)2級(jí)及以上的企業(yè)超過(guò)50%，重點(diǎn)行業(yè)、區(qū)域達(dá)3級(jí)及以上的企業(yè)分別超過(guò)20%和15%。智能制造裝備和工業(yè)軟件國(guó)內(nèi)市場(chǎng)滿足率分別超過(guò)70%和50%。中國(guó)將建成120個(gè)以上具有行業(yè)和區(qū)域影響力的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。
在我們的專題采訪中，各廠商也談到了他們對(duì)中國(guó)智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的看法。
談到中國(guó)制造業(yè)現(xiàn)狀，徐征表示：“目前中國(guó)的智能制造大體處于電氣自動(dòng)化+數(shù)字化的階段，正在逐步向?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化+網(wǎng)絡(luò)化階段的轉(zhuǎn)型。大而不強(qiáng)是中國(guó)是制造業(yè)的瓶頸。”
他總結(jié)出現(xiàn)階段中國(guó)制造業(yè)呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：
首先，中國(guó)制造業(yè)的細(xì)分領(lǐng)域眾多，在智能制造轉(zhuǎn)型期間，不同行業(yè)的發(fā)展速度參差不齊，實(shí)施的成本和落地的效率也各不相同。
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其次，各個(gè)行業(yè)乃至國(guó)家仍處于不斷地摸索和嘗試中，目前并沒(méi)有所謂的“最優(yōu)路徑”，所以這也要求相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)、產(chǎn)品設(shè)備、終端應(yīng)用等要不斷地迭代升級(jí)，推陳出新以滿足快速、多元化的發(fā)展的需求。
在Mikko Niemi看來(lái)，“中國(guó)制造商正越來(lái)越多地采用智能制造技術(shù)和解決方案。這個(gè)階段的特點(diǎn)是制造高端產(chǎn)品和生產(chǎn)更復(fù)雜的產(chǎn)品。采用智能制造技術(shù)的典型行業(yè)包括復(fù)雜電子產(chǎn)品裝配、生產(chǎn)完整產(chǎn)品裝配組件的離散制造，以及用于大型工業(yè)設(shè)備或工業(yè)車輛的高精度零件加工?！?/p>
他認(rèn)為：“中國(guó)工廠的發(fā)展方向主要是從收集的數(shù)據(jù)中獲取有價(jià)值的成果，并系統(tǒng)性地利用這些成果去優(yōu)化現(xiàn)有的運(yùn)行狀況或推動(dòng)產(chǎn)生未來(lái)對(duì)制造業(yè)的投資。此外，還有許多制造商尚未投資于智能制造，這可能是由于缺乏對(duì)其好處的認(rèn)識(shí)或者其并非優(yōu)先的投資對(duì)象，例如，更愿意投資于新的生產(chǎn)能力而非為現(xiàn)有生產(chǎn)線投資智能裝置?！?/p>
看完業(yè)界的觀點(diǎn)，其實(shí)和中國(guó)工信部的定義非常相似。中國(guó)工信部明確表示，中國(guó)屬于制造業(yè)大國(guó)，但非技術(shù)大國(guó)，將繼續(xù)位列全球制造業(yè)的第三梯隊(duì)。
當(dāng)然，中國(guó)在智能制造的發(fā)展上也不全然都是落后者的姿態(tài)。David Ho便在采訪過(guò)程中指出了一些積極的方面。“中國(guó)很早就認(rèn)識(shí)到，實(shí)現(xiàn)這一長(zhǎng)期目標(biāo)的關(guān)鍵之一是實(shí)施相比以太網(wǎng)更高速高效的通信手段，而以太網(wǎng)至今仍然是工業(yè)自動(dòng)化的核心，許多制造工廠仍然采用傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線解決方案作為規(guī)范。隨著5G的到來(lái)，中國(guó)具有前瞻性的通信基礎(chǔ)設(shè)施正在引領(lǐng)全球競(jìng)爭(zhēng)力的發(fā)展步伐。這在智能制造領(lǐng)域提供了巨大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橹袊?guó)已經(jīng)建立了有效的5G基礎(chǔ)架構(gòu)，這為在整個(gè)中國(guó)工業(yè)基礎(chǔ) (包括智能工廠內(nèi)部的戰(zhàn)略整合) 上實(shí)施基于5G的應(yīng)用鋪平了道路。”
當(dāng)然，他也指出，為了真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0和類似概念愿景的目標(biāo)，中國(guó)應(yīng)該掌握機(jī)器學(xué)習(xí) (Machine Learning, ML) 和人工智能等不斷發(fā)展的技術(shù)。然后，中國(guó)以及全球其他市場(chǎng)應(yīng)當(dāng)滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)檢索的需求。我們現(xiàn)在討論的是TB (terabyte) 和PB (petabyte) 范圍內(nèi)的大量數(shù)據(jù)，而云存儲(chǔ)是行之有效的解決方案，但是在“邊緣”或“本地”設(shè)備上處理數(shù)據(jù)卻可以提供更快速，更敏捷的效率。
實(shí)際上，在ML/AI領(lǐng)域，可能不是簡(jiǎn)單地說(shuō)中國(guó)向世界各地學(xué)習(xí)；我們很快可能就會(huì)在這個(gè)游戲規(guī)則上逆襲 —— 世界各地要向中國(guó)學(xué)習(xí)。
面向智能制造的解決方案
來(lái)自恩智浦
時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)，OPC UA發(fā)布，工業(yè)PLC
恩智浦Layerscape LS1028A工業(yè)應(yīng)用處理器基于強(qiáng)大的多核Cortex-A72，集成以太網(wǎng)控制器支持TSN，帶有豐富的工業(yè)接口以及可配置的加密分流引擎。另外還集成了GPU與LCD控制器滿足一定人機(jī)交互的需求，可應(yīng)用于智慧工廠網(wǎng)絡(luò)管理，OPC UA客戶端。
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豐富的人機(jī)交互，機(jī)器學(xué)習(xí)
恩智浦i.MX 8M Plus應(yīng)用處理器基于強(qiáng)大的4核Cortex-A53，集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速單元，MIPI顯示與攝像頭接口，并集成了圖像處理單元（ISP）用于圖像處理與圖像增強(qiáng)，能夠勝任智慧工廠的動(dòng)作識(shí)別，人臉識(shí)別，工廠實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)等。i.MX 8M Plus應(yīng)用處理器專注于機(jī)器學(xué)習(xí)和視覺(jué)、高級(jí)多媒體以及具有高可靠性的工業(yè)自動(dòng)化，適用于智慧工廠的人機(jī)交互，圖像識(shí)別應(yīng)用。
來(lái)自Molex莫仕
中國(guó)工業(yè)基礎(chǔ)上實(shí)施基于5G的應(yīng)用鋪平了道路。然而，5G技術(shù)對(duì)突破性天線設(shè)計(jì)提出了重大要求，天線設(shè)計(jì)需要MIMO技術(shù)以及波束形成和波束控制功能。在這個(gè)方面，Molex莫仕在天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域多年積累的寶貴經(jīng)驗(yàn)可以發(fā)揮重要的作用。
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mmWave 5G的設(shè)計(jì)不僅需要關(guān)注天線，還需要注意天線的饋電、跡線和連接。這些連接器的額定速率必須超過(guò)10 GHz。對(duì)于每個(gè)高頻5G設(shè)備而言，要從每臺(tái)設(shè)備上的5G電子裝置獲取信號(hào)，需要特別關(guān)注端到端信號(hào)的完整性。對(duì)于信號(hào)完整性的重視，將會(huì)決定這些設(shè)備的運(yùn)作性能以及如何利用超高速5G信號(hào)。Molex莫仕的產(chǎn)品組合和設(shè)計(jì)技能則可以完全滿足這些要求。對(duì)于下一代網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫部署，精心設(shè)計(jì)發(fā)送和接收5G頻率信號(hào)的組件是至關(guān)重要的。
此外，大功率以太網(wǎng)供電 (PoE) 技術(shù)在智能制造的推進(jìn)中也起到了關(guān)鍵性的支持作用。
來(lái)自瑞薩電子
瑞薩電子的微處理器和微控制器（MCU & MPU）解決方案立足于終端智能，可協(xié)助制造商滿足智能工廠應(yīng)用不斷變化所需的實(shí)時(shí)性、安全性和連接性需求。
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瑞薩電子RZ/T1嵌入式人工智能（e-AI）解決方案是利用嵌入式AI單元使現(xiàn)有的終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化，可應(yīng)用于數(shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)、分析、控制等過(guò)程中。該e-AI解決方案可以直接嵌入到目前已有的工業(yè)制造裝置中，在終端設(shè)備上通過(guò)e-AI預(yù)判設(shè)備是否產(chǎn)生異常，同時(shí)將異常預(yù)警上傳至生產(chǎn)管理系統(tǒng)，這種邊緣計(jì)算能力大大得減少了網(wǎng)絡(luò)帶寬與功耗，實(shí)現(xiàn)了終端設(shè)備的在線智能化。在客戶的實(shí)際應(yīng)用中，產(chǎn)品良率提高至99.5%以上。
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面向數(shù)據(jù)安全問(wèn)題，EtherCAT安全驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)解決方案和RX安全解決方案可以幫助用戶解決相關(guān)問(wèn)題。
來(lái)自Silicon Labs
為幫助企業(yè)部署數(shù)字化，Silicon Labs提供諸如Wi-SUN等無(wú)線協(xié)議解決方案，它們可以自動(dòng)建立并修復(fù)傳感器之間的連接。
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在云端交互方面，Silicon Labs通過(guò)提供工具和示例代碼來(lái)支持基于云的市場(chǎng)，這些工具和代碼可支持無(wú)線芯片輕松實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的云連接。Silicon Labs擁有的優(yōu)勢(shì)之一是開(kāi)發(fā)人員可以從同一個(gè)來(lái)源獲得一組完整的工具。與依賴第三方工具和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）的供應(yīng)商相比，這有效減少了潛在的兼容性問(wèn)題。對(duì)企業(yè)數(shù)字化而言，底層代碼具有巨大的潛力。
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同時(shí)，Silicon Labs可以為企業(yè)提供廣泛的數(shù)字化優(yōu)勢(shì)，當(dāng)中就包括無(wú)線連接技術(shù)，其可用于通過(guò)傳感器對(duì)現(xiàn)有機(jī)器設(shè)備進(jìn)行改造或開(kāi)發(fā)可優(yōu)化工業(yè)資產(chǎn)使用的預(yù)測(cè)性維護(hù)解決方案。
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