智慧工厂的关键技术和解决方案

为什么全世界都在加速从“制造”迈向“智造”？工业3.0到工业4.0有哪些指数级的颠覆？工业5.0又将把制造带向哪里？

智能制造采用工业互联网技术，通过人、机、物的全面互联，可构建起全要素、全产业链、全价值链的新型工业生产制造和服务体系。

那么，作为智能制造的集中体现，一座智慧工厂是如何将物理世界和数字世界“缝合”起来的？

信息技术和先进的网络架构，建立起高度智能化的生产系统；实时网络连接以及人工智能算法等应用，实现数据的即时收集、分析和处理。构建一座高度自动化、智能化的工厂，涉及从应用层、执行层、网络层到感知层多个层面，包括工业物联网、低功耗AI控制器、天线、电感、连接器等多项技术及应用。

与此同时，“人智”和“机智”需要更智慧地融合，人与机器的协作是另一个重要层面。打开人与机器人之间的物理接口，让机器人更能够理解人类在工作中的意图以及思考，成为未来工业智能化发展的重要方向。

在这次的贸泽电子技术创新论坛厦门智慧工厂主题论坛，我们与ADI、Silicon Labs、TDK、KYOCERA AVX等众多行业知名的供应商，从产品策略及组合、技术应用以及行业趋势等多角度，分享智慧工厂升级中所使用的关键技术和解决方案，帮助大家深入了解智慧工厂的发展趋势，推动传统制造业迈向“智能+”时代。

以下是我们总结的技术干货。

1Analog Devices

边缘低功耗AI微处理器

赋能智能工厂转型升级

将人工智能和机器学习引入智能工厂，生产力和效率将得到较大的提高。边缘AI技术采用高级分析来处理和分析从工厂内各种来源收集的大量数据，有助于做出数据驱动的决策、优化流程、预测维护需求和提高整体效率。在某些情况下，工厂甚至可以实现完全自主。ADI新推出的MAX7800X系列就是这样一套可以部署在边缘端的典型产品。

ADI的边缘AI MA7800X系列包含两款产品，MAX78000和MAX78002。该系列产品是带有神经网络加速器的超低功耗AI微控制器，支持电池供电的嵌入式物联网设备在边缘通过快速、低功耗的AI推理来制定复杂决策。与传统的AI方案相比，快速、低功耗的决策实施可以使复杂的AI推理能耗降低到经典方案的百分之一以内，采用AI技术的电池供电系统可大幅延长其运行时间，有助于实现之前无法实现的新一代电池供电AI应用。

通过集成专用的神经网络加速器，MAX78000可以在本地以低功耗实时执行AI处理，使机器能够“看到”和“听到”复杂的形态。MAX78000还具有低功耗、低延迟、低成本、高集成度优势。在低功耗方面，MAX78000将硬件CNN加速器与超低功耗双核微控制器相结合，相较于经典MCU+DSP的方案，可将功耗降低99%以上。与运行在低功耗MCU上的纯软件解决方案相比，在配置并加载数据后，MAX78000运行AI推理的速度可比其快100倍，大幅提高了机器视觉、语音和面部识别等应用的效率，极大程度地在功耗、速度、成本三个方面达成平衡。

MAX78000和MAX78002都是基于Arm Cortex-M4F和RISC-V的低功耗处理器，搭载专用的卷积神经网络加速器执行AI推理。相比于MAX78000，MAX78002是一款升级的AI微控制器，使神经网络能够在互联网边缘端以超低功耗运行，将高能效的AI处理与ADI超低功耗微控制器相结合。通过其CNN加速器，即使是电池供电的应用也可执行AI推理。器件支持16M的模型的权重，不仅可以应用于图像识别，而且可以进行复杂的视频分析。

ADI的AI MCU主要应用领域包括：视觉识别、听觉识别、时间序列处理等三方面。视觉识别主要包括物体侦测、面部识别、动植物识别；听觉识别主要包括语音身份验证、振动识别；时间序列处理主要包括生理信号监测、工业信号监测等。

除了AI专用MCU，ADI还具有广泛的通用MCU产品，包括：安全MCU、低功耗MCU以及低功耗蓝牙MCU。例如，MAX32660低功耗MCU可用于收集扫地机器人的传感器数据。由于其低功耗特性，可以延长扫地机器人的电池使用时间，减少充电频率，提升用户体验。同时，其高集成度可以减少扫地机器人内部的组件数量，从而简化设计，降低成本‌。

2TDK 

适合工业以太网（SPE）

应用的TDK电感器

SPE通过单对导线实现以太网传输，打造紧凑且经济高效的双向通信的方案。可以实现直达现场层的一致IP通信。除数据传输外，单对以太网技术可同时通过PoDL功能为终端设备供电。这种新的互联技术满足统一网络架构的要求，是工业4.0和IIoT的基础。

针对IEEE 802.3cg标准的工业单对以太网（SPE）10BASE-T1L应用，TDK开发了一系列电感器，RCM70CGI-471共模扼流圈具有470µH的电感值，额定电压80V，额定电流700mA，非常适合这类应用。对于需要电隔离PHY芯片和连接器的设计，可选用变压比为1:1的ICI70CGI系列隔离电感器，具有1.0mH和2.2mH的电感值可供选择，隔离电压为2250V DC。

借助PoDL技术，只需一对电线即可连接执行器和传感器，并同时传输数据和电力。但系统需使用特殊的差模扼流圈来抑制干扰，PID*系列元件具有不同尺寸版本，以涵盖符合IEEE 802.3cg标准的所有6个功率等级（10-15），饱和电流范围：360mA至2100mA，可以根据不同功率和安全要求，选择不同的产品。

作为工业的数据链路，SPE使用一对双绞线完成数据和电力的传输。可实现复杂工业物联网方案中的端到端IP通讯，以及供电传输，极大降低了系统的复杂性和成本。

3KYOCERA AVX

京瓷全系列电容等产品

助力智慧工厂应用

KYOCERA AVX产品在智能表计和智能跟踪系统上的应用，面向广大的智能表计和跟踪系统厂商提供连接器和天线的整体方案。智能电表是一种电子装置，用于记录电能、天然气、水和区域供暖的消耗量。通过实时监测工厂内各种设备的用电情况，为工业企业提供了能源透明化的数据，为制定科学的能源管理策略提供了实时支持，智能表计可将信息和数据传送给供应商，用于客户计费、系统监控和能源管理。

进入AI时代，无线技术的广泛应用为各种创新带来了可能。随着无线连接应用的的增长，对于各种类型天线的需求也日趋旺盛。KYOCERA AVX天线设计用于智能表计，产品系列包括嵌入式、内部、外部和室外天线，可在全球范围内使用。KYOCERA AVX多种天线组合可帮助用户为其应用选择理想的产品，用于Wi-Fi、BLE、Zigbee、NB-IoT、LTE-M、LoRa、ISM、GNSS、V2X、UWB等不同的协议频段。它们使用的频段不同，有时同一技术在全球不同地区使用的频段也有差异，工程师根据终端具体应用进行正确选择。KYOCERA AVX进行了很全面的产品布局，典型应用还包括物联网、汽车、智能家居、蜂窝、车队和资产跟踪等。

KYOCERA AVX连接器是另一个值得关注的产品，根据特定应用的要求，进行深度优化，形成具有差异化优势的产品。KYOCERA AVX连接器产品高性能的优势，很大程度上归功于其优异的触点技术。特别是其创新的一体化的互连解决方案，只需要一个连接器接头与导线直接连接，就能够实现更简单、更快速，也更可靠的电气连接。根据这样的机械结构，KYOCERA AVX推出了高性价比、操作使用便捷的线对板连接器产品，以及在可靠性方面表现更出色、在规模化的布线和端接方面更具效率和成本优势的IDC连接器（绝缘位移连接器），获得了广泛的市场认可。

例如9176-700系列带帽IDC连接器具有用户友好、外形小巧的表面安装外形，带有集成端接/固定帽，用户可以简单地将导线插入触点中（无需剥离），然后将其向下按压，以提供与PCB的坚固可靠的气密连接。这种快速高效的工艺不需要任何工具或焊料，与焊料和压接工艺相比，这降低了复杂性和成本，并且由此产生的连接已经经过了不同程度的冲击、振动和温度循环测试。

KYOCERA AVX还具有丰富的电容、ESD防护、晶振产品方案，电容包括：聚合物钽电容、SMT铝电解电容、高容值MLCC电容。丰富的产品组合、不同的封装形式可以广泛应用于各类工业领域。

4Silicon Labs

用于工业自动化安全、低延迟

低功耗的无线连接解决方案

对工业应用来说，传统的有线方案限制了机器的灵活性，维护成本高昂，可能会出现线缆的退化和断裂，且不能与快速移动或旋转的运动控制解决方案一起使用。针对工业4.0需要能够在恶劣环境中应用的工业级无线通信。IO-Link Wireless是IO-Link标准的扩展，是高可靠性确定性无线通信标准，用于工厂自动化的控制和监控。IO-Link Wireless基于IO Link IEC 61139-9标准，提供工业可靠性、低延迟、可扩展性和确定性通信并与有线工厂自动化协议兼容。满足了工业4.0的要求，可以轻松实时访问设备，以进行驱动和数据收集。并得到了广泛的应用。

在构建IO-Link Wireless功能设备时，可以根据其应用限制从不同的系统架构中进行选择。三种常见的方案包括：

SoC是紧凑的实现方式，即使是更高层的IO-Link Wireless协议功能也在SoC上执行，从而形成单芯片方案。

无线协处理器要求更高的应用可以添加专用主机处理器，并使用无线SoC作为协处理器。

SoM为了缩短硬件开发时间，可以围绕完全集成和认证的IO-Link Wireless模块实施来构建。

Silicon Labs提供了全面的SoC方案，支持IO-Link Wireless未来应用的需求。SoC中提供的硬件和软件安全功能，安全引导、安全调试接口、加密通信和安全密钥存储，这些功能解决了安全痛点。AI/ML加速器支持W-Devices中的节能处理，实现边缘的更多本地计算，节省网络流量，并从后端卸载资源。

EFR32FG13、EFR32BG21和EFR32BG24因为其快速RF信道和无线电状态切换时间、出色的无线灵敏度和超低功耗模式为IO-Link Wireless提供了优质的选择。从面向未来的角度来看，Silicon Labs SoC通过了物联网行业高级的PSA Level 3安全认证－其Secure Vault（安全设备标识、安全密钥管理与存储、防防篡改检测）缓解了安全漏洞。

IO-Link Wireless为新机器和现有设备的改造提供了经验证的解决方案，并满足监控用例的延迟和可靠性标准。它简化了安装，并支持市场上广泛可用的IO Link有线传感器。IO-Link Wireless是使机器和生产线自适应、更快、更灵活的不可或缺的组件。

结语

智能机器人、传感技术、云计算、无线通信、预测性维护、智能控制和数据安全等技术，与人类智慧，在智慧工厂中集中体现。但这绝不是简单的叠加，而是需要更有智慧地融合协作，也是智能制造未来发展的新阶段。