产业规模突破万亿元巨头们如何为高速发展工业互联网提供技术支撑

 近日,《工业互联网平台选型要求》、《工业互联网平台 微服务参考框架》和《工业互联网平台 开放应用编程接口功能要求》3项工业互联网平台领域国家标准正式发布,不难看出在工业经济向数字经济转型过渡的当下,制造业作为全球经济发展的主导力量,其数字化转型的受关注程度。要知道工业互联网已连续六年写入政府工作报告,自2023年1月以来,25个省级政府工作报告中再次提及工业互联网,22个省级政府工作报告对工业互联网2023年规模发展做出政策部署。

图源:工联院、中商产业研究院

政策的积极影响也让市场对工业互联网领域保持着高度的热情与专注。工联院、中商产业研究院整理数据显示,截止2022年我国工业互联网产业增加值规模达到4.45万亿元,预计2023年工业互联网产业增加值规模将达到4.79万亿元。并且,目前已有32家重点工业互联网平台工业设备连接总数为8049.60万台,工业模型数量合计85.16万个,工业APP数量29.33万个,共服务企业765.96万家次。在政策与市场的双重加持下,整个工业互联网发展活力进一步释放,相关体系建设进程加速,底层关键技术也在不断创新迭代。

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工业传感器的正确用法:从数据采集到预测性维护

制造业智能化的抓手无疑是数据,而传感器是网络互联数据产生的根源,是工业互联网的神经末梢,为工业互联网全生态构建提供最基础的数据支撑。其通过“望、闻、听、切”来感知产品、设备和工业环境的各种状态信息。例如常见的视觉/红外传感器,其基于机器视觉充当生产设备赋能工业制造已经得到广泛应用,通过代替人眼进行识别、非接触检测、测量,机器视觉能够带来高效低成本的效益。

在这方面,全球优秀的光学解决方案提供商艾迈斯欧司朗推出的新型Mira220图像传感器,其拥有高量子效率,堆式芯片设计采用了艾迈斯欧司朗先进的背照技术,将封装尺寸缩小到仅为5.3mm x 5.3mm,为空间受限的产品制造商提供更大的设计灵活性,由于尺寸极小,可低功耗运行,非常适合无人机、机器人以及移动和可穿戴设备中的主动立体视觉或3D结构光系统。

图源：艾迈斯欧司朗

Mira220的分辨率+封装尺寸的优势能够适配不同应用对模组整体大小的要求,其近红外增强性能大大提高系统信噪比和整体功耗效能,使得处理器搭配双目3D硬件模组为自动化机器视觉等应用提供一个完整的视觉及深度图的解决方案,缩短了开发过程,从而大大加速了最终应用落地。

除了赋能生产制造外,对设备本身的健康状况进行监测也是工业互联网中基于传感器的另一个重要应用。目前工业制造正变得更高效,但设备本身的维护工作却仍存巨大挑战。国际自动化学会ISA曾有数据显示,全球制造商每年因设备故障停机遭受的损失高达6470亿美元。为了防止生产设备出现计划外的停机,如何更快实现预测性维护是行业当前的重要发展方向。

要实现预测性维护的广泛落地,需要解决准确预测与有效诊断两大核心问题,而庞大的高精度实时数据积累采集硬件方案,以及先进的分析技术、设备数字化模型与诊断算法都是刚需,传感技术的进步以及人工智能技术的引入也为此提供了重要的作用加快发展进程。ADI打造高性能预测性维护方案SMS,其主要由固定于电机散热片上的数据采集及通讯硬件、基于云端的软件与算法以及客户端的应用程序构成,通过与Android或iOS移动应用一起使用,可轻松设置传感器,提供对部署数据的可见性,其突出优势除了能对电机的开关机次数、运行时间、转速、电流、输出力矩/功率等运行状态进行实时监测外,还能诊断出行业最多的9种电机异常,让设备运维变得更智能更方便。

SMS解决方案嵌入了5个高性能的传感器,包括两个振动传感器ADXL1002、两个温度传感器ADT7420以及ADI定制的磁传感器——ADXL1002具有超低噪声,支持高宽带运行,在相位响应、耐冲击性和恢复性上具有卓越性能;两个温度传感器分别用于检测环境与电机表面的温度差异;ADI定制的磁传感器则通过检测电机转子转动产生的磁场场强,能间接计算出电机的部分电流信号。得益于监测电机运行状况与SMS云端AI引擎数据分析的准确性,SMS解决方案能够为客户提供可靠的状态数据监测并反馈基于诊断结果的维护建议。

RFID技术为万物互联打上“补丁”

工业互联网的核心是将一个工厂所有的对象通过通信技术实现网络互联。为了实现各个组成部分在生产过程中能自行发挥控制作用,需要相应的技术,比如无线射频识别(RFID)技术。RFID的优势是能助力生产流程透明和可靠控制,要知道工业环境下并非所有的元件与设备都能够与机器进行,这与工业互联网的理念相悖。对此,RFID标签的出现为这项挑战带来了转机,RFID即使安置在金属物上也能保证可靠工作。很多情况下,RFID标签同时还可作为铭牌来使用,所以必须十分坚固和耐用,能够耐受各种气候和使用环境条件。

目前市场上提供的RFID标签具有足够大的带宽。通过合适的咨询和客户现场的过程分析之后,每个企业都能选择适合自己的产品,为其生产的仪器装置安设一个RFID主标签。在过程链中由此带来了诸多优点:除了实现灵活生产外,在各个不同的加工单元上还能够实现智能化流程控制和自动采集装配通道中各个单元的信息。同样,这个标签还能进行一些功能扩展,并应用在最终检验处、物品出口处和物流链中,以及销售商或技术服务单位等各个环节。

恩智浦一直在关注改领域的发展,前不久宣布推出新款芯片UCODE 9xm,兼具灵活的大容量存储器及先进的读/写性能。UCODE 9xm旨在提高整个系统的可靠性和准确性,使客户能够利用更小的标签天线,对更小的物体进行单独标记,并将其集成到智能制造过程、供应链管理和追踪应用中。用户可以凭借该产品灵活地标记多种类型的对象,从而获得更完整的供应链视图。

据了解,UCODE 9xm具备领先性能,灵敏度较以往恩智浦UCODE存储器IC提升三倍以上,客户可选配存储器,标记的物品更加多样化,精确呈现供应链详情。RAIN RFID标签已成为自动化工业流程中的至关重要的组成部分。然而,支持自动化流程所需存储器的标签通常读写性能会低于存储容量较低的标签,造成无法标记所有必要的项目,从而降低了系统效率。UCODE 9xm结合了灵活的大容量存储器选项与先进的读写性能,解决了该问题,同时易于部署,可提高系统整体性能。

另一边,工业自动化领域的诸多制造商都有推相关的解决方案,例如易福门推出适应中国市场需求的 RFID UHF 紧凑型设备,带有 IO-link 接口,以提供最佳性能和个性化解决方案。该方案集天线、估算单元和开关信号于一身,能够减少安装时间,并且在长达3米的范围内读取多达16个标签,防护等级达IP67,可安装在金属或潮湿环境。此外,还配备现场总线接口、数字量输入/输出或IO-link接口, 降低布线复杂度。霍尼韦尔则针对专门定制RFID标签的客户推出了PX240S RFID打印机,其标签兼容性十分卓越,最小标签高度扩大至12.5mm,支持最小16mm的芯片间距,可打印的RFID标签厚度可达1.5mm,可兼容Impinj、NXP、Alience进口芯片及部分国产芯片,还支持柔性抗金属标签的打印。

加速智能化进程,MCU助力工控性能升级

在工业领域,自动化,智能化发展进程少不了MCU技术的支持。例如工业控制、人机交互和工业以太网等应用都离不开MCU,以工控的主要应用场景——工业机器人为例,为了实现工业机器人所需的复杂运动,工业机器人单机就将至少使用十余颗MCU产品,对电机的位置、方向、速度和扭矩进行高精度控制时,MCU则执行电机控制所需的复杂、高速运算。

随着工业控制市场的持续向好,催涨MCU需求。根据Prismark统计,2020年全球工业控制的市场规模为2310亿美元,预计至2023年全球工业控制的市场规模将达到2600亿美元,年复合增长率约为3%。根据赛迪顾问的数据,2020年中国工业控制市场规模达到2321亿元,同比增长13.1%。2021年市场规模约达到2600亿元。面对庞大的市场需求,全球各大主要的半导体企业都积极参与其中,分别在各项关键功能和性能上提出有效的解决方案。例如深耕工业领域的意法半导体近日推出两款主要用于工业控制领域的MCU,分别是适用于工业类应用中有更高性能要求和信息安全要求的STM32H5,和具有超高性价比的工业级通用MPU产品STM32MP13。

图源：意法半导体

其中STM32H5 MCU基于Cortex-M33内核,主频高达250MHz,从STM32F4 (Cortex-M4@180MHz)到STM32H5,性能提升20%左右。此外,STM32H5中增加了FMAC与Cordic两个数学加速器,还增加了开关模式电源的选项,能够在 250MHz 运行过程中做到66微安,实现优化成本/性能之间的平衡。另一款STM32MP13内置Cortex-A7,最高主频可以达到1GHz,DRAM支持533MHz时钟,最宽的结温范围是-40至+125度。STM32MP13具有三大特点:易用、安全、低功耗。

另一边,全球半导体解决方案供应商瑞萨电子也在近日宣布了面向电机控制应用领域发布三个全新MCU产品群,其中超过35种来自于RX和RA家族的新产品。这些新款MCU扩充了瑞萨包括多种MCU与MPU、模拟和电源解决方案、传感器、通信设备、信号调节器等的卓越电机控制产品组合。

图源：瑞萨电子

其中RA4T1产品群可提供100 MHz性能,以及高达256KB的闪存和40KB的SRAM;全新RA6T3产品群工作频率为200MHz,同时提供256KB的闪存和40KB的SRAM。两个全新产品群均以电机控制应用为目标应用,具备一系列卓越特性与功能,包括用于加速的三角函数单元(TFU)、带有集成PGA的先进ADC,以及包括CAN FD在内的多种通信接口选择。瑞萨灵活配置软件包(FSP)均可支持这些新产品,可轻松移植其它RA产品的设计。另外的RX26T产品群具有高达512KB的闪存和64KB的SRAM。它们不仅可支持5V电源,提供高抗噪能力和控制精度,而且还能够提供TFU、片上定时和中断控制功能。据悉使用热门产品RX24T MCU的用户,可轻松将其设计扩展至全新的RX26T产品,以充分发挥现有设计软件的优势,同时实现性能与控制效率的双重提升。

随着技术的进步,基于大规模智能化设备的工业互联网正在加速整个制造业转型升级进程。目前工业互联网已经全面融入45个国民经济大类,跨行业跨领域平台达28家,标识解析体系全面建成,安全技术服务体系日益完善。在此背景下,为进一步助力工业互联网行业的创新发展,2023慕尼黑上海电子展将凭借行业的先进技术与产品,以新产品发布、新技术演示为目的,助推工业互联网走向纵深。

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