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    新連接技術如何降低工業 4.0 的壁壘

    2023-10-10 10:54:59 德州儀器

    在過去的幾十年里,網絡智能已經遍布我們的城市、家庭和辦公室,對從恒溫器到交通信號燈的一切事物實現了賦能,并隨著制造商考慮如何通過連接技術和數字化的進步或工業 4.0 來提高產量而蔓延到工廠車間。

    大多數人都通過將邊緣節點或終端連接到互聯網在家中體驗過自動化,德州儀器副總裁兼高速數據 (HSD) 部門總經理 Ahmed Salem 說道。同樣,工業 4.0 涉及將信息技術的創新與運營技術聯系起來,使制造系統變得更加智能和自主。

    籠式機器人定義了工業 3.0 時代,它們傳統上用于重工業,并且往往只執行有限數量的可重復任務,而工業 4.0 涉及足夠智能的機器人,它們可以與人類一起安全自主地組裝從汽車、飛機機翼到智能手機和筆記本電腦的任何東西。 

    在速度與可靠性之間找到平衡

     現代工廠網絡架構的趨勢是,通過持續制定行業標準和協議(如時間敏感網絡 (TSN)、EtherCAT Profinet)來提高效率、安全性和可持續性。

    在家里,同步或數據丟失問題只是令人沮喪而已,Ahmed 說道。但在工業自動化領域,可靠性和值得信賴的通信至關重要,因為數據丟失的后果可能代價高昂,甚至是災難性的。

    即使是像發送控制信號時意外產生幾毫秒延遲這樣簡單的事情,也可能導致壓縮天然氣機器不同步,造成永久性損壞。在最壞的情況下,斷開連接可能會導致機械臂失控等危險情況。

    由于這些原因,工廠過去依賴于經過實踐驗證的確定性通信技術,確保在設定的時間窗口內發送所有控制信號。然而,其中大多數技術都存在速度慢這一缺點,這會阻礙大量信息的快速流動,從而影響多傳感器智能控制系統發揮作用。

    相比之下,以太網長期以來一直提供高級自動化所需的帶寬,最大速度為幾十、幾百甚至上千兆比特數量級。例如,EtherCAT Profinet 就是專為應對工業環境挑戰而設計的工業以太網協議。使用工業以太網的新工業通信裝置比例從 2016 年的 38% 增加到今年的 68%。

    此外,TSN 標準的開發使以太網成為控制網絡的常見選項,因為以太網可通過高度精確的分布式時鐘和自動確定時間敏感控制消息優先級等功能,確保在指定的時間窗口內發送控制信號。

    德州儀器的產品組合品類豐富,包括上述連接解決方案以及更多有線或無線解決方案,并經過驗證和測試,符合最高的工業、汽車和監管標準。

    與傳統基礎設施搭配使用

    雖然較新的協議和 TSN 使以太網適合在工業控制環境中使用,但安裝成本仍然是阻礙其得以采用的因素。

    以往,以太網設計使用多根雙絞線電纜,最大長度可達 100 米。這意味著,想要采用以太網的制造商不僅需要更換所有電纜,還將不得不改變使用較早單線對技術建造的工廠的整個布局,這涉及到的電纜長度長達幾公里。

    大多數制造商無法承受停止生產線數周來更換昂貴基礎設施的成本,因此單線對以太網的開發(可以使用工廠的現有電纜運行)一直是實現技術采用的關鍵。

     

    單線對以太網是一種易于采用的以太網版本,無需從根本上改變您構建制造設施的方式,以太網聯盟行業聯盟主席 Peter Jones 說道。與其期望工廠滿足現代信息技術的要求,不如去問問他們需要什么,以及我們能提供什么幫助。

    作為以太網聯盟的成員,德州儀器致力于通過支持單線對、多線對或光纖布線的物理層收發器系列,幫助開發工業以太網的多種形式。自動化系統設計人員可從這些產品中選擇 10/100Mbps 10/100/1000Mbps DP838x 工業以太網收發器實現高速率和低延時,或選擇 DP83TD510 收發器實現 2 公里的電纜長度。所有收發器都能夠抵抗工廠環境中的高溫和電磁噪聲影響。

    制造業的精益化未來

    建設制造業的美好未來是一個持續過程。隨著復合傳感器變得越來越經濟實惠,人工智能 (AI) 功能變得越來越精進,人們對更高通信帶寬的需求也在日益增加。但隨著這些挑戰的出現,創建更可持續和更高效制造工藝的機遇也相繼而來。

    專為支持邊緣 AI 而設計的處理器(例如德州儀器的 mcus-processors/arm-based-processors/overview.html">AM6xA 處理器產品系列)可省去與集中式可編程邏輯控制器通信的需求。在本地運行機器視覺算法不僅可以使機器人與人類一起工作,甚至可以使它們向人類學習。例如,通過調整可以使個人以更優順序執行一系列裝配任務。

    從長遠來看,工業 4.0 還將涉及對關鍵系統(包括傳感器、執行器及其連接的通信基礎設施)的持續監控以及預測性分析的部署(可以自動預測何時需要維護或維修工作)。

    對于較新的基于視覺的機器人系統,V3Link 等技術可實現低延時、同步和可擴展的無壓縮視頻傳輸,有助于避免工廠車間發生事故。

    改善人與其他機器人之間的協調需要先進的本地處理,并且通常還需要無線連接,以實現可靠的室內定位系統(請參閱 Wi-Fi、低功耗藍牙 (BLE) Sub-1Ghz/BLE 等重要選項)。

    關閉工廠進行維護的成本很高,Ahmed 說道。如果您制定了定期維護計劃,就必須定期維護,無論是否需要。相比之下,預測性維護意味著您可以僅在需要時執行維護工作,從而避免不必要的停機和浪費。

    對于各制造商來說,在安全性、效率和可持續性方面的這些改進比可選優勢更重要。這些舉措對整個社會來說都非常重要,因為我們希望優化我們的系統以更好地應對 21 世紀的挑戰,處理器副總裁兼總經理 Roland Sperlich 說道。

    在接下來的 10 年里,我認為我們將開始看到傳感器技術和邊緣 AI 在降低功耗方面發揮作用,例如,允許我們動態關閉工廠的某些部分,然后在需要時快速讓它們恢復生產,他說道,隨著世界各國都需要適應不斷增長的人口和超負荷運轉的電網,這些創新對于實現節能至關重要,而節能不僅符合客戶預期,也符合我們所有人的需要。


    關鍵詞: 工業 4 0

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