相比其他经济领域，制造业更早就进入了数字化转型的阶段----那就是人们熟知的工业 4.0阶段，通过将工业 4.0 模式与先进的分析、人工智能 (AI) 和工业物联网 (IIoT) 相结合，可以为各种工厂运营提供速度和精确度，提高生产率和可靠性。科技的迅速发展以及在整个工业、制造业中的整合，工业系统的“智商”正快速提升，这些改变正在重塑制造商运营和生产优质产品的方式。
以工业设备的维护为例，借助多种技术的融合，高度自动化的生产正在线减少定期和手动检查，能够为制造商提高生产效率、降低生产成本、提高产品质量、增加灵活性、提高安全性。根据 Cummins提供的数据，生产线停机时给制造公司带来的成本高达每小时 60,000 英镑，使用预测性维护(predictive maintenance，PdM) 可将设备正常运行时间和可用性提高 10-20%，并将总体维护成本降低 5-10%。一些工厂使用了智能维护解决方案为制造流程升级，收获了较高的投资回报率。
工业自动化系统涉及多种技术 图片来源element14.com
包括计算、感知、工业控制、I/O接口、连接、通信、电源以及安全防护等多个模块共同构成了现代的工业自动化系统。半导体IC公司、接口和线缆，系统集成、软件系统供应商都是供应链的重要组成部分，越来越“聪明”的工业自动化系统，离不开全产业链各环节的努力。
“感知”推动工业自动化系统
人工智能和高精度效率传感设备越来越多地在工业自动化系统中得到应用，分布式的物联网节点为整个系统提供大量重要的实时数据，以便进行决策，很多时候这些决策都不需要人工进行干预。为降低计算中心的负担和压力，同时提升边缘端的决策速度，边缘计算能力不断提升，传感器的的不断加入，让整个工业自动化系统的感知能力越来越强。因此,与其他经济领域一样，边缘计算和感知系统一直是近些年来的热点。
Velodyne Lidar 首席营销官 Sally Frykman在其署名文章中表示：虽然自动驾驶汽车的全面应用还未到来，但这并不会减缓市场对激光雷达的需求。相反，在工业和机器人技术、智能基础设施、以及智慧城市等应用领域的推动下，激光雷达的市场需求将迅猛增长，进而迎来大规模商用的机会。
很明显，Velodyne Lidar感受到了工业应用对感知系统的强烈需求。
在当前全球经济不确定性加剧的情况之下，世界各地的公司正在实现供应链自动化，以节省资金、提高效率并缓解疫情和其他宏观问题所造成的瓶颈与危机。越来越多地企业在工厂、仓库、港口和其他商业环境中采用智能自动化。例如，由于日益增长的港口拥堵和生产延误所造成的高需求和大量损失，导致供应链运营面临着巨大压力，物流和仓库流程被要求以更快、更高效的方式完成订单。
麦肯锡研究发现，工业4.0的转型帮助94%的公司在新冠危机期间保持正常运营。
安森美总裁兼首席执行官(CEO) Hassane El-Khoury在2022年9月的财报中表示：“我们执行业务转型的能力继续带来创纪录的业绩，第二季度收入同比增长25%，non-GAAP毛利率增长1,130个基点至49.7%。我们的智能电源和智能感知方案的差异化。在汽车功能电子化、先进驾驶辅助系统(ADAS)、能源基础设施和工厂自动化等加速发展的大趋势中保持领先地位，使得我们能扩大长期供应协议并提高需求的可视性。”
工业控制系统数字化程度越来越高
在如今的工业应用中，尽可能多的数据都被放到了互联网中。
工业控制系统 (ICS) 包括管理控制和数据采集 (SCADA) 系统、分布式控制系统 (DCS) 和其他控制系统配置，如可编程逻辑控制器 (PLC)、智能电子设备 (IED)、远程终端单元 (RTU) 和其他现场设备。ICS 通过持续控制和监控每个工业过程并减少人工工作，提高了性能、安全性和可靠性。
其中SCADA 是一种控制系统架构，使用计算机、图形用户界面 (GUI) 和网络数据通信来执行高级别的监督管理。SCADA 系统管理用于监控和发布过程命令的操作员界面。网络模块连接到其他外围设备，如执行逻辑计算和实时控制的离散 PID 控制器和可编程逻辑控制器。这些控制器与机械设备连接。
PLC将多个输入和输出 (I/O) 放置在一个与处理器集成的外壳中，其中有数千个 I/O 与 SCADA 系统联网。ICS 内部的可编程逻辑控制器 (PLC) 充当了物理世界和网络世界之间的有用桥梁。ICS 和 PLC 扮演着重要角色，因此常常为了复杂网络攻击的目标。一旦得逞，对这些设备的攻击会造成社会动荡和经济损失。
I/O接口创新推动新老系统自动化
处理系统从数字输入装置（比如开关、继电器或接触器）接收到的信号或数据，来自各种传感器的模拟输入可以指示物理参数的状态，比如温度、压力等。处理系统发送给数字输出装置（比如指示器、灯、警报、继电器或接触器）和模拟输出装置（比如电机、阀和比例控制器等）的信号或数据称为输出。如今的一些 I/O 模块提供了特殊的参数，包括频率 (Hz)、电阻（欧姆）或电压 (mV)。集成电路温度检测器 (ICTD)、热电偶 (TC) 和电阻温度检测器 (RTD) 可能是是专门的人工智能 (AI) 版本。
由于标准以太网可用于连接现代化 I/O 系统，因此很多新的架构可以弥合传统有线和几乎无处不在智能无线以及 I/O IIoT 之间的差距。这些系统可以将 I/O 控制与嵌入式 IT 技术配对，将远程从属节点转换为分布式数据节点。新一代的 I/O 系统正在推动这一趋势，通过以太网为对等系统、其他设备和软件系统提供了更强的连通性，而不局限于单个主机。这种新的 I/O 使创建完全具有 IIoT 能力的自动化系统成为可能。
连接要求更加苛刻
为了在工业机器之间、工厂车间内、云和 IT 之间传输数据、电力和命令，工业自动化和控制高度依赖电缆和连接器。工业环境需要坚固、耐用和高性能的连接设计。它们必须耐油、耐高温，在拖链中始终有效。
工业连接器在多种应用中至关重要，包括工厂车间环境、机械、采矿、地球物理勘探、发电/配电、农业设备等。重型连接器是一种可配置的通用解决方案。它们提供最高 IP 69k 级保护和 216 个触点，适合在恶劣环境中使用。额定电流范围为 10a 到 200a。M8/M12 连接器系统提供全面的连接器、IO 模块和电缆组件。
生产线需要复杂耐用的各种接口 图片来源：amphenol.com
如模块化结构的重型连接器 (HDC) 产品系列高度可配置且稳定，是机器人和自动化应用的理想选择。这样的安排可结合使用电力和现有的接口技术。护罩和外壳提供垂直和直角电缆方向以及 IP65 至 IP69k 的防水防护等级。
5G在工业通信中“戏份”更重
工业系统的信息流变得越来越大，数字控制器、大量自动化相关软件工具、现场设备和外部系统之间的通信协议也变得越来越多。这些协议通过无线或有线通信通道执行，并集成到任何复杂的自动化系统中。大多数现代自动化系统使用具有不同协议类型的数字共享通信网络，如 RS-485、PROFIBUS、EtherCAT PROFINET、CAN 控制、以太网/IP、PowerLink、PROFINET、Modbus、Modbus™ TCP/IP 等。
以太网广域网 (WAN) 普遍用于工厂规划和管理信息交换。在很多场合无线通信技术是灵活和高效的自动化解决方案的理想选择，可以避免布线的缺点和相关的硬连线连接。用户可以根据发射点和接收点之间的距离考虑很多通信方法。例如，在距离较长的情况下使用 GSM 或 CDMA，在距离较短的情况下使用蓝牙、Wireless HART Zigbee 和 Wi-Fi。Wi-Fi 提供高带宽且便于与 Internet 协议 (IP) 网络集成。蓝牙可以满足广泛的吞吐量和功耗需求。蓝牙低能耗技术可以通过可靠的电池供电信号灯提供室内定位能力，这些信号灯可运行几个月到一年不等。
可靠、安全、及时地传输数据是工业通信技术的关键要求之一。时间敏感网络（Time-Sensitive Networking ，TSN）是这些需求的推动者，3GPP标准化的5G移动技术通过不断调整，满足工业通信领域对数据传输的需求。5G可以将工业传感器或执行器等设备通过无线连接到 TSN 网络。与 4G 相比，5G 的新特性，特别是在无线接入网络（RAN）中的新特性，提供了更好的可靠性和传输时延，并且新的 5G 系统架构允许网络灵活部署。
爱立信预测，5G和TSN的互联将使工业自动化的全面通信成为可能，5G集成TSN作为提供确定性连接技术在工业自动化中将起到重要作用。
爱立信的无线工业通信概念演示 图片来源:ericsson.com
在工业自动化中引入5G技术具有很多优点。首先，5G技术可以降低布线等基础设施的相关成本，支持自动小车或移动自动导航车辆（AGV）等移动设备，提高工业应用的灵活性。此外，由于制造业对定制产品的需求不断地增加，就要求生产场所更加灵活。由于5G可以支持到远程站点的连接，使分散在不同地点的工厂连接起来，因此新的生产器件或者设备在5G的支持下，就可以在不需要线缆的情况下接入生产环境，新产品安装也不需要在同一个生产场所完成。
电源和系统保护
工业电源连接器旨在为恶劣、极端环境中的设备提供安全可靠的电源。从24V直流点到高达500V的交流电，这里面计算、控制设备通常需要更小的直流电源，而自动化系统中大量使用的各式电机则需要非常大的功率输入，有些甚至要在温度范围极端（从 -40°C 到 +70°C）的环境中。因此需要种类繁多的电源产品，第三代半导体功率器件，GaN和SiC材料也在工业应用中不断深入，工业电源正在尺寸，可靠性以及模块化等诸多方向不断改进，为智能工厂和工业 4.0 计划的不断发展的工业数字化基础设施提供未来所需的能力。
将电源系统类比为人类的心脏，那么对于“心脏”的保护就十分重要。可靠的保护装置可以维护和监控系统的环境，而不妨碍正常功能。现在的保护设备紧凑且节能，可以快速响应危险事件（如过流、短路、温度、电涌），确保长时间稳定地运行。
比如过流引起包括导体绝缘失效、设备损坏、火灾、人身伤害、触电和财产损失等严重问题。断路器可以防止出现这种危险情况；而短路发生时，流经保险丝组件的电流会迅速提高并断开电路。
各种创新解决方案层出不穷
“信息物理系统 (CPS: 一个包括由物理组件和计算组件构成的交互网络的智能系统)的概念带来了技术融合，我们正在经历一个新的自动化时代。”这是在不久前的2022 年国际固态电路会议 (ISSCC 2022) 上，意法半导体模拟、MEMS 和传感器产品部总裁 Marco Cassis对当工业自动化现况的概述。
各种新型的解决方案，让工业自动化进入一个使机器系统具有自主意识的时代。
ADI ADXL100x MEMS加速度计适用于无线预测性维护方案
ADI ADXL1002 电机健康监控 无线方案演示
监控机器的健康状态可以实现预测性维护，让各个行业能够预测故障并节省大量运营成本、缩短停机时间。制造商使用振动、噪声和温度测量值等参数来确定触发维护操作的恰当时间。旋转机械（发动机、发电机等）中的异常振动可能是由滚珠轴承故障、轴安装误差、不平衡或松动等原因造成的。使用低噪声、高带宽加速度计在第一时间发现异常，避免措手不及。
Analog Devices ADXL100x MEMS加速度计可实现高分辨率振动测量，适用于工业条件监测应用。加速度计具有集成的全静电自检 (ST) 功能和超范围 (OR) 指示特性。ST功能和OR指示支持先进的系统级特性，非常适合用于嵌入式应用。这些加速度计采用3.3V至5.25V单电源供电，功耗低，还有助于无线传感产品的设计。
Microchip LAN9668系列TSN交换器 为工业自动化网络更高时钟精度
Microchip ，LAN9668系列TSN交换器
从减少搬运和储存到提高产量, 工厂自动化正全面提高生产效率。具有信息科技（IT）和营运科技（OT）融合架构的联网仓储和其他工业生态系统依靠时效性网络（TSN）和以太网络实现精确计时、同步和设备连接，包括相机镜头、条形码阅读器、扫描仪和输送机。这些生态系统需要下一代网络技术来实现设备、传感器和设备通信的连结。作为业界首个提供符合IEEE标准的功能的交换器解决方案，LAN9668系列TSN交换器组件可实现更低延迟的数据流量和更高的时钟精度。
意法：具有自主意识的高精度测斜仪
意法半导体的IIS2ICLX是一款高精度、低功耗的双轴数字测斜仪，用于工业自动化和结构健康监测 等应用，具有可设置的机器学习内核和16个独立的可设置有限状态机，有助于边缘设备节能省电，减少向云端传输的数据量。
IIS2ICLX具有高稳定性和可重复性、高精度和高分辨率的优点，特别适合工业应用，例如天线指向监测、云台调平、叉车和建筑机械、调平仪器、设备安装监测、以及太阳能板安装和光线跟踪，以及工业4.0应用，例如，机器人和自动驾驶汽车(AGV)。
德州仪器 ISO676x 6信道增强型数字隔离器
电涌是电气设备故障的主要原因。瞬态电涌描述的是电力流突然上升。瞬态电涌的来源有多个，最常见的是内部，如负载开关，甚至可能是正常的设备操作。电涌保护装置 (SPD) 与被保护的设备并联，因此在发生电涌期间，SPD 会在几纳秒的时间内降低其阻抗，从而导致冲击电流被分流。
德州仪器 ISO676x 6信道增强型数字隔离器设计用于需要高达5000VRMS隔离等级的成本敏感型应用（符合UL 1577标准）。Texas Instruments还通过VDE、TUV、CSA和CQC认证。这些器件借助隔离电源，能帮助防止UART、SPI、RS-485、RS-232和CAN等数据总线上的噪声电流损坏敏感电路。凭借创新的芯片设计和布局技术，ISO676x隔离器的电磁兼容性得到了显着增强，从而可确保提供系统级ESD、EFT和浪涌保护并符合辐射标准。
u-blox用于工业及室内定位应用 精巧低功耗蓝牙模块
室内资产追踪解决方案激发了许多新兴应用的出现，这些应用将受益于 ANNA-B4 的精巧尺寸、低功耗需求，以及关键的蓝牙测向支持，让用户可以在室内环境中精确定位被标记的移动资产。在各种环境，包括智慧建筑、工厂、医院和仓库，室内资产追踪的应用越来越受到欢迎。
u-blox ANNA-B4模块，是一款功能丰富、尺寸超精巧的Bluetooth 5.1 系统级封装（SiP） 模块。ANNA-B4 锁定恶劣环境的应用，例如智能照明网络和工业断路器，以及制造现场、仓库、医院和智能城市的室内定位使用案例。这款SiP 模块支持蓝牙网状网络、远距离传输和测向功能，以及Thread 和 Zigbee，工作温度可高达 105 °C，且已获得全球认证。
参考资料：
