當今的終端設備市場需要更短的產(chǎn)品生命周期、更多的單獨配置產(chǎn)品及快速適應瞬息萬變的消費者權益。在制造車間，關鍵參數(shù)包括較低的資源利用率，特別是更低的功率、更快的制造時間和更低的生產(chǎn)停機時間。這些要求需要一個更復雜、更智能的工廠，利用云，并使用遠程大數(shù)據(jù)分析功能優(yōu)化并適應制造流程，增強在整個生命周期跟蹤產(chǎn)品的能力。

機器和生產(chǎn)單元與互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)系實現(xiàn)了過程數(shù)據(jù)的實時視圖。機器與產(chǎn)品的聯(lián)系還提供了產(chǎn)品數(shù)據(jù)的實時視圖。由工業(yè)服務機器人操作的自動化機器和生產(chǎn)單元處理原材料和生產(chǎn)部件。在生產(chǎn)過程中進行產(chǎn)品和機器質量檢查，以進一步縮短周期時間。這種方式減少了人機互動，并在生產(chǎn)過程中聚焦更高價值的任務。

創(chuàng)新的突破使得工業(yè)4.0成為現(xiàn)實。許多意義非凡的技術是由像德州儀器這樣的工程公司實現(xiàn)的。對于TI來說，解決子系統(tǒng)設計挑戰(zhàn)至關重要，這將提高包括效率和靈活性在內的智能制造設計，同時提供制造流程的實時視圖、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的一些關鍵技術：

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（IT）世界使用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）和更高層協(xié)議來實現(xiàn)安全的Web訪問。操作技術（OT）世界使用專用的現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)，其通常僅使用以太網(wǎng)標準，而不使用基于軟件的網(wǎng)絡堆棧組件。這種現(xiàn)場級和企業(yè)級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。將開放平臺通信統(tǒng)一架構（OPC UA）連接到較高層，并將現(xiàn)場總線連接到較低層的工業(yè)4.0網(wǎng)關是兼容性問題的短期解決方案。

將通信擴展到產(chǎn)品級需要低功耗通信。射頻識別RFID是獲得產(chǎn)品和機器通信的關鍵技術。將傳感器部署在產(chǎn)品附近和機器處時，電源通過電纜。IO-Link通過雙向數(shù)字通信為基本開/關狀態(tài)通信的擴展建立標準。IO-Link網(wǎng)關使用工業(yè)以太網(wǎng)或無線LAN直接與OPC UA通信。對于手動操作員的檢查，Bluetooth?低能量連接將數(shù)據(jù)發(fā)送到移動終端。

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。小批量的機床設置時間變得更加重要。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行離線模擬。許多材料和工具需要水冷卻，這使得光學傳感器難以檢測碰撞。在灰塵和潮濕環(huán)境中工作的掃描儀是必需品。

機床在其使用壽命期間會出現(xiàn)故障且生產(chǎn)質量也會降低。機床的連續(xù)力感測可在早期指示機床斷裂情形。機床質量會影響溫度傳感器和聲學傳感器的數(shù)據(jù)。預測性維護是一個潮詞，其描述了盡早更換早期預示有機床斷裂情形的概念，而不會影響生產(chǎn)流程或生產(chǎn)質量。

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

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

電機驅動和控制效率。電機是生產(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動器實現(xiàn)了對功耗有直接影響的動態(tài)轉矩曲線。通過絕對編碼器對隔離和轉子位置測量的高精度電流測量為每個控制周期提供控制算法。除了高效的電機控制算法外，功率級的效率是功耗的關鍵因素。氮化鎵（GaN）晶體管的更快的開關頻率降低了生產(chǎn)單元中的電動機驅動系統(tǒng)的功率。

現(xiàn)代生產(chǎn)單元具有四個一起工作的主要子系統(tǒng)：定義整個生產(chǎn)過程的計算機數(shù)字控制（CNC）系統(tǒng)、驅動生產(chǎn)用電動機和致動器的運動控制子系統(tǒng)、用于其它傳感和控制應用的可編程邏輯控制（PLC）系統(tǒng)，以及用于材料處理的服務機器人。

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)控制構成了智能工廠的基礎。本地智能在嵌入式微控制器和微處理器上運行。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。

工業(yè)4.0演示墻

我們展示了幾個工業(yè)演示，幫助利用TI半導體解決方案實現(xiàn)工業(yè)4.0和未來智能工廠。請蒞臨2016年德國慕尼黑電子展（electronica 2016）的TI展位（A4展廳，219展位）和德國紐倫堡自動化展的TI展位（展位＃6-441）親睹它們的風采。針對我們計劃展示的內容，您可先睹為快。

TI的工業(yè)4.0演示墻將采用最新的TI參考設計和創(chuàng)新，通過EtherCAT網(wǎng)關實現(xiàn)實時以太網(wǎng)通信功能。我們的傳感器通信采用IO-Link等有線技術和藍牙?低功耗等無線技術。TI的GaN技術與具有電流感測功能的48 V 3相GaN基逆變器一起展示，有助于提高變速電機驅動器的效率。

審核編輯：何安淇