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感測器/MEMS  

實現工業4.0的基本系統設計

上網時間: 2015年05月06日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:工業4.0  PLC  I/O  感測器  機器人 

作者:Suhel Dhanan,Maxim控制與自動化策略市場經理

在自動化工業,人人都聽說過一個流行用語:‘工業4.0’(Industry 4.0)。該工業概念預見了未來一個高度整合、自動化以及彈性化的‘明日工廠’——這個未來工廠將快速、高效地出貨,以滿足市場需求。

顯然地,目前發生在製造和製程自動化領域的第四次革命將推動連網系統的骨幹單元進步:感測器、致動器、控制系統透過網際網路協議,以不同的網路類型實現互連。


圖1:工業自動化革命的四大關鍵時刻。
(來源:DFKI)

一旦所有的機器/感測器資料傳送至雲端,就能夠執行具有意義的分析,從而實現生產最佳化、故障預測、排定維護計畫、自動補充庫存,甚至客製最終產品指標,以滿足市場的動態變化。

工業4.0的一個有趣的案例是美國通用電氣公司(General Electric)的紐約Schenectady新廠。這座鈉鎳電池製造廠在18萬平方英呎的廠房中建置了1萬個感測器;所有的感測器均以高速的內部乙太網路互連。透過感測器可監測哪一批粉末用於形成電池芯所需的陶瓷、使用多高的溫度加熱,以及製造每一顆電池需要多少能耗等。而在廠房中,員工透過iPad與建置在廠房中的Wi-Fi存取所有的資料。

第四次工業革命即將全面展開,顯示廠房間無處不在的連接性將推動不斷改善的軟體和演算法,大幅提高生產力和預測能力。這的確令人印象深刻且切實可行。然而,在基礎設施到位以及這場革命真正爆發之前,我們還必須解決眾多的系統設計難題。本文重點討論部分關鍵的系統設計挑戰。

工業4.0的系統級設計注意事項

工業4.0的實現可能需要10年甚至20年的時間,但如今已經影響著形形色色的系統設計。圖2所示的自動化過程表明,當我們邁向工業4.0時,必須實現三項關鍵的系統設計。


圖2:工業4.0正推動三項基本的工業系統要求:分散式運算和控制、普適感測、認證和安全系統。

分散式運算和控制:已經起步的一個關鍵趨勢是運算和控制系統的本地化。為了提高複雜組裝線的靈活性、減少控制延遲並緩解主PLC的處理壓力,需要透過分散式控制。在下一代工廠中,這將變得越來越普及。PLC的尺寸將持續縮小,處理I/O通道數量不斷增加,還包括類比和數位。PLC還必須支援各種不同的I/O協定,包括像IO-Link標準等新協定。

無所不在的感測器:如何處理各個感測器?工業4.0的基本前提是共用製造資料,但這意味著必須先收集不斷增加的資料量。巨量資料來自於感測器系統數量的爆炸式成長,包括工廠內以及製程設備,並遍及整個遠端操作。即使製程參數不影響使用者目前的控制演算法,也必須收集資料供將來使用。可以預期的是,在當今雲端執行的演算法快速、爆炸式創新最終可能‘重新創造’傳統的製程參數,以預測重要的系統故障機制。工業領域常用於描述感測方案快速成長的一個詞叫‘普適感測’。

認證安全:最後,透過網際網路協定連接所有的感測器、控制系統和致動器以實現‘巨量資料’分析,毫無疑問地將會帶來安全方面的顧慮。透過軟體防火牆和安全的網際網路交換機/閘道器,可望解決大部份的工業安全問題。不過,對於安全的顧慮並不僅限於這些通訊埠,也涉及硬體本身。新的深度防禦標準要求終端裝置網路(例如討論中的感測器和PLC)必須先經過安全認證以確保安全性。這種廣泛的軟體和硬體安全對於系統設計帶來直接與系統級的影響。

(下一頁繼續:分散式本地控制)


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