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经济支柱,大国重器,中国工业转型如何把握发展机遇(上)

在由ASPENCORE旗下《电子工程专辑》、《电子技术设计》和《国际电子商情》共同举办的“工业4.0与智慧工业研讨会”上,来自美国芯源系统有限公司(MPS)、致茂电子(Chroma)、ADI、意法半导体(ST)、英国比克科技(Pico Technology)、优傲机器人等公司的技术专家,就如何把握智慧工业机遇,为中国产业转型做出贡献等主题,与工程师朋友们共同分享了他们的真知灼见......

制造业是国民经济支柱,高端制造装备是大国重器,而结合了机器人、物联网、自动化生产线等先进技术的工业4.0,也正成为全球先进制造国家下一波的竞争焦点。为此,在由ASPENCORE旗下《电子工程专辑》、《电子技术设计》和《国际电子商情》共同举办的“工业4.0与智慧工业研讨会”上,来自美国芯源系统有限公司(MPS)、致茂电子(Chroma)、ADI、意法半导体(ST)、英国比克科技(Pico Technology)、优傲机器人等公司的技术专家,就如何把握智慧工业机遇,为中国产业转型做出贡献等主题,与工程师朋友们共同分享了他们的真知灼见。XiCesmc

智能可编程电源模块在工业的应用

MPS公司北中国区副总经理卢平指出,设备小型化/高集成化和物联网正成为推动电源变革的两大趋势。前者要求电源具备模块化特性和更高功率密度,而以远程可控、有线/无线网络为特质的物联网,则对数字电源、网络供电、以及超低功耗提出了新的要求。XiCesmc

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MPS公司北中国区副总经理卢平XiCesmc

为此,MPS推出了业界第一款可以网上设置参数,远程实现代码烧写的电源模块。用户可以在MPS官网上利用网站配置和仿真工具快速输入负载需求,更改输出电压,调整无源元件参数,并即时评估设计性能。还可立即进行设计更改,避免了耗时的系统验证和电路板返工,大大缩短设计时间。MPS则直接在后台进行烧写,之后将样品送到客户手中,所见即所得。卢平表示,这个创新的电源模块可以大大简化客户原型设计时电源设计的难度,加快设计进度。XiCesmc

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除了可通过网站实现编程外,工程师在现场也可实现编程。只需为可配置的模块订购包括电路板、连接线材、通信接口设备、带MPS软件的闪存驱动器在内的完整可编程套件,用户就可以在数小时内调整、优化和更新设计。 XiCesmc

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“易于使用、出色的仿真性能和快速制作样板”是MPS可编程电源模块的三大特点。XiCesmc

具体而言,工程师无需使用外部元器件,就可以将电源模块容易地直接插入电路板使用。并且还可以通过简单的调节输出电压和电流限值,来满足宽泛的操作要求;仿真软件工具则允许设计人员模拟和验证设计性能,并通过完整的BOM表推荐加快设计过程。而一旦确定好准确的规格和仿真结果,定制的样板在几天内即可投入使用,这也加快了产品的上市时间。XiCesmc

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AIoT智慧工厂系统整合

电商的出现正在让制造业转变成为制造服务业,从定制化设计到生产、测试与交货,已经全程实现了信息自动化服务。对少量多样的制造生态需求而言,既需要减少库存并且越快越好的及时出货,又需要快速的备料能力和高度整合的自动化与资讯系统。XiCesmc

因此,在中国制造2025和工业4.0浪潮下,尽管实现智能制造的方法很多,但在致茂电子(Chroma)智能制造系统事业部总经理林宙看来,业界首要思考的问题应该是如何通过工业4.0版本的制造资讯系统(MES)、4.0 MES智能监控与显示、轻松将所有设备联网以及精确的AI分析这4大工程,建立起智能制造大数据。XiCesmc

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他进一步分析称,所谓的智慧化工厂,是指该工厂具有以下五大特色:XiCesmc

1. 可自主调整厂区与产线之产能配置;XiCesmc

2. 可自主调整上下游供应配送;XiCesmc

3. 可自主优化生产环境之资源与能源配置;XiCesmc

4. 可辅助人员正确完成各种操作与组装测试;XiCesmc

5. 可即时逆向追踪生产进程与履历。XiCesmc

但传统的MES仅限于资料搜集与报表分析,无法满足快速变迁时代的需求。随着工业4.0时代来临,MES要成为整个工厂自动化控制的核心系统,就不仅要拥有MES的原有范畴,还要包括CIM、EAP、机台连线、整合机械手臂等多种功能。XiCesmc

因此,只有当海量资料先进分析、虚拟工厂设计与自动化系统整合、物联网装置与系统、智能装置与系统、机器人与机器手臂等五大关键领域同步发展,并高度结合与整合,才能使制造工厂正式进化为智慧工厂。XiCesmc

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海量资料先进分析XiCesmc

运用云端运算能力,分析由每台机器设备与装置所传来的海量资料,进行筛选、分析、过滤设备可能故障原因、产品瑕疵发生原因,提高设备使用率与产品良率,另可透过巨量资料分析市场终端消费需求,提供次世代产品功能设计之参考。XiCesmc

物联网装置与系统XiCesmc

利用感测、有线、无线、行动、卫星等多种通讯网络,使设备、装置、控制中心的各种数据资料与参数,可以在设备、装置、控制中心之间传输,且具备避免电气干扰、资料窜改、线路备援等安全机制,确保每一笔资料的安全性。XiCesmc

有别于市面上大多数的系统,致茂电子的Smart Controller工业级智能控制器通过Android App与PC端控制软件运行,拥有多样性、扩充性、方便性、稳定性四大特色。例如:通过Android App整合多种设备类型,无论哪一种设备皆可以藉由APP与机台轻松互动;经由专业性ESD检测外壳具有散热与抗干扰设计,可以稳定24小时不断电运作;双网口的设计使多台控制器之间可用网络串联,结合现有网络,简化网络布线成本;用户不但可依照不同需求搭配不同的APP软件,还可自行扩充包括CAN bus、SPI、I2C在内的多种接口。XiCesmc

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林宙建议采用以以太网络为基础的OPC+Web Service架构各自对应现有复杂PLC与个人计算机为基础的机台。不仅成本相对低许多,也足够满足一般制造工厂的需求,更何况相关人才众多,系统有问题时可以随时找到相关人员进行调整、除错,因此导入此架构将可获得较多优势,也能提升导入工厂自动化或工业物联网的意愿。XiCesmc

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虚拟工厂设计与自动化系统整合XiCesmc

建置实体生产线与工厂前,先在虚拟系统进行生产线与工厂设计,以及直接在生产系统进行自动化系统整合规划,大幅减少实体建设与整合所需要的资金、时间、材料等重要成本,让产品得以更快速进入市场。XiCesmc

智能装置与系统XiCesmc

智能判断与决策,并主动与其他设备交换资讯,不需人力介入即可依据实际状况进行即时运转调配,提升整体材料、能源、人力、时间等资源之利用效率。XiCesmc

Chroma新一代的电子看板管理解决方案,以Android平台装置透过HDMI界面与各类型显示器整合,在工厂环境下以Wi-Fi快速传递各种信息至显示屏幕上,后台以Web界面的方式快速设定看板配置,可在工厂、医院、卖场、公共环境等区域即时调整与上传看板资讯。Chroma FEP则可依各区域配置需求即时建立新的看板,透过单一管理平台设定模版,将各功能模组以拖曳方式完成模版建置,再分配给各区域电子看板呈现多元化资讯,可配置的功能包含图档、气象资讯、时钟、跑马灯、仪表板、图表、公告栏、资料表、内嵌网页等。XiCesmc

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机器人与机器手臂XiCesmc

以机器人与机器手臂取代人力,执行高重复性、高负重度、高疲劳度、高伤害性、高危险度、高污染性等作业,提高制造产线的产能与效率。XiCesmc

工业4.0系统设计中电源设计的挑战

“工业4.0 时代,在使用大量数据、设有各种传感器的工厂中,电源的外形尺寸、效率、EMI这些性能指标更为关键。”ADI电源产品中国区市场总监梁再信说,如果说工业4.0是一场革命,ADI以µModule技术为主的高性能电源正在推动基础技术变革。XiCesmc

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ADI电源产品中国区市场总监梁再信XiCesmc

作为高端工业智能领域的高性能模拟器件供应商,ADI认为未来工业4.0的设备和装置的智能化会越来越高,这时设备“是否够灵活、效率是否够高、沟通畅否、安全性以及可靠性”都是非常关键的性能要求。XiCesmc

为了满足上述五点要求,ADI 针对工业4.0领域的电源创新主要考虑以下三个维度:XiCesmc

效率,做到更加节能、提高效率,不断突破极致XiCesmc

外形尺寸,在做出高性能电源的同时,减少PCB尺寸以及增加更多的功XiCesmc

EMI,不断提高产品的可靠性、创新性,设计出更完美的噪声处理方案XiCesmc

要想做出高集成度的电源产品,电路板小尺寸、薄型化等是关键方向。“做好电源模块,让产品设计工程师专注于做系统级设计,而不用花时间去调一个复杂的电源系统。”梁再信表示这是电源模块的关键点。他给出了某个系统IO和内核供电系统的示例,成功节省30到100个的元器件数量,而且整个系统的可靠性也会得到提升。XiCesmc

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比如 ADI µModule (微型模块)稳压器LTM4622,该产品采用纤巧的超薄型6.25mm x 6.25mm x 1.82mm LGA和6.25mm x 6.25mm x 2.42mm BGA封装,封装中内置了开关控制器、功率FET、电感器和支持组件,其高开关频率和电流模式控制的运用可实现针对电压和负载变化的非常快速瞬态响应,而并不牺牲稳定性。此外,四路4A电源模块整列LTM4644,输出可通过并联形成一个阵列以提供高达16A的电流能力,该电源模块的高效率设计使每个通道能够提供4A连续(5A峰值)输出电流,仅需大容量的输入和输出电容器。XiCesmc

怎么样减少系统的噪声和干扰,EMI是关键,而大部分的EMI问题都是从电源干扰来的。从梁再信现场分享的剖面图来看,磁场因为反向,形成一个闭环回路。ADI Silent Switcher已经演进到第三代,要解决的问题是如何在超小体积、高功率的情况下控制EMI,让该指标远远低于标准。XiCesmc

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“大家知道LDO就是为了降低纹波,而且也能提高效率。但电路板上还有一些给ADC用的基准电源,它的噪声也比较低。但基准和LDO针对的应用场景却不一样,前者追求初始精度和长期稳定性,而后者则是追求怎样去输出大电流。”梁再信补充分析道。XiCesmc

目前,ADI Silent Switcher2 产品效率可达93%,满足CISPR25 Class 5 EMI的指标,以该系列产品中的LT8609为例,即使仅仅使用简单的2层板,也同样能够实现很低的EMI表现。XiCesmc

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除此之外,梁再信还介绍了ADI 大电流超级电容器后备控制器和系统监视器LTC3350以及备份电源LTC4041针对工业4.0设备做掉电保护的典型应用。XiCesmc

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邵乐峰
ASPENCORE中国区首席分析师。
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