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从传感器节点开始经云端,了解工业4.0


目前工业的数字化转型正在全面展开。几乎每个人都在使用(工业)物联网、智能工厂或信息物理(生产)系统这样的流行语。在工业强国之一的德国,它被称为 Industrie 4.0,而在世界的其他部分则被称为“工业4.0”。

然而,似乎没有人知道它的确切含义——虽然存在各种不同的解释,但没有明确的定义。对许多人来说,迈向工业 4.0 已成为日常生活的一部分,不断的重复使得这一概念不再新鲜。尽管数字化和网络已经成为频繁使用的流行语,但对工业4.0 的理解也毫无帮助。

聚焦于工业 4.0,尤其是在德国,很多行业都受政治影响。但其他国家已经认识到其对本国经济和竞争力的积极影响,鼓励它们进一步创新。在这种情况下,政府官员正在推动一种将供应商视角和用户公司视角结合起来的双重战略,主要领域是工业自动化和机械/制造工程。制造商一方面必须将新的高效智能技术用于自己的生产过程,另一方面还要将这些技术和产品投向市场。

相比之下,所有人都同意工业4.0不仅能推动新技术和智能产品发展,而且有助于扩展生产部门。这同时为驾驭现有及新兴市场不断增强的市场动能和复杂性创造了条件。能在多个领域发挥作用的公司似乎拥有特别好的起跑位置。

这点尤其适用于半导体行业中的公司。如 ADI 公司等半导体制造商已经在消化这个复杂的概念,将自己的生产线转变成全自动智能工厂。ADI 公司还向制造业中的公司提供创新技术,帮助它们将其制造设施改造成智能工厂。但是,要开始这种转变,必须认识到它在带来附加值、提高生产率并相应地降低成本的同时,也需要付出大量努力。

工业4.0不仅意味着生产的变化和技术的扩张,而且意味着对创新商业模式的需求在不断增加。关于工业 4.0 已进行广泛的讨论,并有很多不同的解读,研究结果大致可以分为三个方面:新技术、新产品和新商业模式。所有这三个方面一起涵盖了生产及其产品的整个价值链——从传感器节点开始经云端再到下游服务(图1)。

图1.当前的信号链

通常会有一个含某种形式传感器或执行器的节点,其同时建立与真实物理世界的联系通路。往来这些器件的信号常常相当小,并且是源自高噪声的恶劣环境。必须对其进行处理、转换并转发到信号链中的下一个链路。

由于此信号链存在问题,必须改变信号链。最初是将纯数据传输到云端,但已有越来越多的数据处理发生在节点上,如图 2 所示。

图2.未来的信号链

这种数据处理需要节点上具备更高的洞察力和知识——将数据转化为信息。这种智能检测技术可降低整体功耗,减少带宽浪费,促成反应型IIoT到预测型和实时IIoT的转变。

这就涉及到技术。许多半导体制造商已将其列为其核心竞争力之一,并且需要不断改进。

另外,能源效率也发挥着重要作用。半导体制造商受到鼓励,不仅利用其专业知识进一步开发产品,而且发展自己的设计和工艺技术,因为联网是IIoT整体解决方案的重要组成部分。无论有线还是无线,未来对这两种技术的需求会越来越多,必须将二者纳入解决方案组合中。

如果深入系统层面并专注于垂直细分市场,则可以为客户提供更完整的系统。就完整硬件平台而言,节点可以与相应的软件包一起提供。这可能还包括相关算法,用来分析节点中的已有数据,最终只将结果传输到网络(云端),减少信息的数据量。

虽然工业4.0是一个有意义且重要的话题,但半导体制造商在选择过程中必须非常小心。整个市场仍处于摸索阶段,有必要了解您在什么领域以及如何正确应用自己的实力和技术,以满足客户或应用的真正需求。

IIoT市场有哪些新需求?

考虑到工业价值链,市场需求在未来将会发生变化。这就是为什么半导体制造商必须将自己的企业和产品适应智能工厂的现实原因,当然还有其他原因。技术趋势正朝着智能和超高效节能产品以及(如可能)集成安全安保功能和能源采集能力方向发展。

图3显示了这样一个器件或者说一个完整的系统,其中以 ADI 公司基于 MEMS 的加速度计 ADXL356 为例。

图3.基于MEMS的智能传感器解决方案

ADXL356是一款低功耗、低噪声、3轴加速度计,具有超低失调漂移。由于其密封封装,ADXL356特别适合恶劣环境条件下的精确倾斜测量,以及低功耗或电池供电无线传感器网络中的高性能(长时间)测量。这些应用需要预测性维护和状态监控。两者均与工业4.0密切相关。在这些操作中,必须确定驱动元件的损坏程度,例如通过执行永久或定期振动诊断来确定。

对于此类智能传感器解决方案,如图2所示,加速度计是整个系统的基础。它通过其他功能实现扩展:利用模数转换器、微控制器以及各种模拟和数字(部分隔离或无线)接口集成信号处理。无线接口支持以太网、6LoWPAN或WirelessHART等通信标准,具有最高的可靠性。特别是对于后两种标准,SmartMesh IP?和SmartMesh? WirelessHart等无线通信网络提供了非常好的解决方案。前者符合6LoWPAN标准,为每个节点提供原生IPv6寻址能力,并使传感器数据易于从云端访问。后者符合针对工业应用而设计的WirelessHART标准(IEC 62591),能够与其他供应商的 WirelessHART 设备进行互操作。两者均提供极其可靠且安全的数据传输,采用 AES 128 位端对端加密技术,最多可扩展至 50,000 个节点。

最后,在这些系统的开发过程中不可忽视功能安全。为了能让安全性成为完整系统解决方案的一部分,半导体制造商还应当投资于网络安全解决方案(CSS)和加密等技术。

类似图3所示的系统带来的后果是,可用的芯片级标准产品会较少,因为将来可以将其集成在电路板上。标准产品的集成已经在硅片上发生,或置于封装中成为系统化封装(SiP)。这意味着制造商必须对芯片级或者至少电路板级以及相应的生态系统有深入的了解。这样,客户可以更多地关注自己的应用,从而让自己与竞争对手区隔开来。

ADI公司之类的供应商必须考虑使用或整合来自其他市场的成熟技术。这可能有助于降低高成本并延长生命周期。其他产品中成功实施技术的一个例子是MEMS。MEMS技术过去从未被用于创建加速度计之外的器件,但现在已被用于ADGM1304等超快速开关。这款集成驱动器的单刀四掷(SP4T)开关可在0 Hz/直流至14 GHz的频率范围内工作,因而是各种射频应用或继电器替代产品的理想开关解决方案。

这种技术组合不仅有助于服务个别客户,而且可以帮助制造商进入不同(有时甚至是新的)市场。在很多情况下,制造商的各种技术可以通过这种方式轻松组合,创建新型高效应用。

然而,半导体制造商仅仅扩展其传感器和其他半导体器件的范围是不够的。为了继续被视为全球市场参与者,并充分挖掘工业4.0的潜力,其产品组合也应该在通信技术领域得到拓展。例如,在工业自动化领域可以清楚地看到向以太网(准确的说是确定性以太网)的转变。出于该原因,ADI公司最近收购了确定性以太网领域的半导体和软件解决方案供应商Innovasic。通过此次收购,ADI公司增加了关于高度同步网络中的鲁棒实时连接的专业技术,从而利用独特的软件解决方案扩展产品组合。因此,即使在数字化趋势盛行的当下,许多半导体制造商的目标仍是从模拟技术转向垂直系统领域,以提供连接物理与数字世界的完整系统解决方案。

然而,为了引起客户对此类系统的兴趣,可能有一些因素比较重要。不仅是适当的软件,还包括软件周围的工具和合乎需要的生态系统,这将为客户创造附加值。因此,未来还需要用于分析所生成数据的新服务和算法。

未来附加值对客户意味着什么?

如今,客户的资源越来越多地被引入软件之中。这对整个半导体行业来说是一个挑战,意味着必须向客户提供更多更高效的开发工具,而且还要提供培训机会、文档和支持;可以是直接提供,通过生态系统提供,或是通过分销商提供。

当然,仅仅因为技术上可行就开发所有这些具备工业4.0功能的产品和系统是没有任何意义的。重要的是必须为客户带来显著的附加值。为了证明购买和运行工业4.0应用所导致的额外成本是正当合理的,必须让客户能看到并获得此附加值。

通常,与客户相关的附加值可以归为以下三大类:

  • 通过节省时间、资源和金钱提高运营效率;

  • 通过分析使用数据提高客户满意度和忠诚度;

  • 通过扩展或创新商业模式创造额外的收入流。

智能产品的成功与附加值能否得到认可直接相关。这些因素最终决定了所有与实施相关的技术和商业参数,因此应详细分析。分析的结果也可能是产品理念在经济上不可行,或至少目前尚不可行。为使开发更加可行,以及为了更快速、更有效地集成到系统中,来自制造商的支持将会发挥重要作用。制造商将把他们的专业知识嵌入客户的开发流程中,从而减少客户需要付出的额外努力和成本。此外,制造商可以继续致力于其核心业务,无需浪费宝贵的时间去学习新技术,而合作伙伴和其他协作方可以帮助推动持续增长。

虽然工业4.0有诸多优点,但问题是为什么许多企业尚未投资于智能工厂?

犹豫的原因

主要障碍之一是企业尚未认识到智能工厂会带来重大利益,故不愿付出相关成本。例如,由于缺乏货币化评估标准,目前要计算投资回报率(ROI)仍然相当困难。因此,半导体制造商必须提高客户的意识,提供教育资料以说明智能工厂的优势,同时指出投资智能工厂会获得的价值。投资对于新技术和商业模式,以及开发和拓展营销活动、资格认定措施、销售管理都是必要的。

随着生产部门的转型,数据和IT安全等问题愈来愈重要。这些内容不仅仅是成功导入工业4.0的重要要求,还必须在数字系统中作为关键的采纳和成功因素加以实施。

此外,对于企业来说,重要的是要在开始实施工业4.0的早期阶段制定基本战略路线,收集相关技术经验。然而,这个过程需要耐心,因为许多相关技术可能要经过5年、10年甚至更长时间才能充分展现其潜力。而且,由于缺乏明确的定义,工业 4.0将于何时完全实现并没有一个确切日期。与其谈论“工业革命”,不如使用“工业演进”可能更有意义。

随着生产环境的改变,新的参与者和竞争者也将出现或影响市场。联盟即将出现,并会对塑造生产形象产生重大影响。厂房里的活动对企业未来的影响将越来越小。另外,软件和服务业也将发挥重要作用,因为只有将虚拟与现实世界联系并融合起来,才能确保制造商实现最大生产潜力。

尽管如此,半导体制造商不应忽视其过去已获成功或现在仍很成功的现有业务或产品。这些主要产品应该进一步发展,并通过保持适当的制造能力在未来继续予以支持。虽然当今的数据转换器架构非常稳定,也将继续作为未来的基础,但基于其基本架构进行改进仍有必要。例如,随着更小尺寸的工艺被用于此类产品,要实现相同甚至更好的性能并不容易。

新市场趋势下的适度增长

近年来的大型并购案引发了半导体市场的整合。销售和分销从器件转向系统。要在未来取得成功,个人或公司必须认识到工业4.0中的颠覆性技术和新市场的潜力,从而重新找准定位。企业必须持续利用好半导体行业的少数几个有机增长源。遗憾的是,半导体行业年销售额增长30%至40%的辉煌已成往事,现在这种增长率似乎已经结束。2015至2020年间,年均增长率预计只有3.4%。企业必须思考以下基本战略问题:未来增长将源自何方?

以下增长来源可能至关重要:由碳化硅(SiC)制成的功率半导体目前被视为未来产品的新增长源。与普通硅制半导体产品相比,碳化硅产品速度更快、更鲁棒、效率更高,因而被认为是颠覆市场的技术。由于对混合动力和电动汽车以及再生发电和某些工业应用的需求不断增长,SiC及其姊妹技术——氮化镓 (GaN)技术——在未来几年将占据主导地位。

结论

作为更大的物联网(也被称为“万物互联”)的一部分,工业 4.0 拥有巨大的潜力。在未来几十年中,其市场价值预计在万亿级范围。在工业 4.0 的帮助下,任何能够提高生产力的东西都会让不同规模的公司产生浓厚兴趣。

为了充分发掘物联网市场的全部潜力,需要的不仅仅是硬件。我们需要的是一个由硬件、软件和服务组成的生态系统。这种新环境鼓励小型灵活的公司与大公司开展合作。

但是,半导体制造商不应忽视当前趋势和工业4.0热潮之外的发展。有些技术传统上属于某个市场,但最终也会影响其他市场,比如5G。传统上,5G是用于移动设备和基础设施的通信技术。但在未来,推动5G需求的市场之一将是汽车市场。与其他系统的通信对于自动驾驶尤为重要。每辆车都成为一个复杂生态系统的一部分,其中通信起着关键作用。除了汽车之间的数据交换以外,这个生态系统还包括路边基础设施、5G网络和大型数据中心。此外,车辆依靠摄像头、激光雷达、雷达等传感器来获取有关环境的必要信息。整个通信系统必须协同工作。鉴于自动驾驶需要以更高速度、更低延迟和超强可靠性处理大量数据,5G似乎是目前最有前途的通信标准。

总之,工业4.0智能工厂的转型以及其所需的技术,为半导体制造商创造了巨大的可能和成功。

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