工業(yè)4.0為元器件廠商帶來新機(jī)遇

摘要：當(dāng)前全球制造業(yè)發(fā)展越來越呈現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的新特征，美國(guó)提出“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略、德國(guó)提出“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，主要意圖就是搶占智能制造這一未來產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)。工業(yè)4.0革命將建立一個(gè)高度靈活的數(shù)字化、個(gè)性化產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式，并將重組產(chǎn)業(yè)鏈分工。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/269810.htm關(guān)鍵詞：工業(yè)4.0；物聯(lián)網(wǎng)；大數(shù)據(jù)；智能化；自動(dòng)化

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.2.003

第四次工業(yè)革命是綠色工業(yè)革命，一系列生產(chǎn)函數(shù)發(fā)生從自然要素投入為特征，到以綠色要素投入為特征的躍遷，并普及至整個(gè)社會(huì)。其核心特征應(yīng)該是高效節(jié)能，網(wǎng)絡(luò)化與模塊化。

工業(yè)4.0將會(huì)通過自動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò)及計(jì)算，將人、機(jī)器設(shè)備和信息連接在一起。就生產(chǎn)制造的流程而言，就是將這一切整合到一個(gè)數(shù)字化的企業(yè)平臺(tái)。通過數(shù)據(jù)采集、分析、優(yōu)化，得到最佳化的方式。從而實(shí)現(xiàn)更具效率的生產(chǎn)方式。

英飛凌：多元化身份，多角度推動(dòng)工業(yè)4.0

英飛凌科技（中國(guó)）有限公司總裁兼執(zhí)行董事賴群新表示：在工業(yè)4.0計(jì)劃中，英飛凌具有多元化的身份，從多重角度推動(dòng)工業(yè)4.0發(fā)展。首先，英飛凌是德國(guó)工業(yè)4.0的創(chuàng)始成員之一，參與討論制定相關(guān)的規(guī)則；其次，英飛凌也是工業(yè)4.0的使用者，英飛凌位于奧地利菲拉赫的工業(yè)4.O試點(diǎn)基地?fù)碛惺澜缟献罴舛说纳a(chǎn)系統(tǒng)之一，包含高度現(xiàn)代化生產(chǎn)控制與自動(dòng)化系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)安全與數(shù)據(jù)完整性水準(zhǔn)達(dá)到最高等級(jí)的前提下，人機(jī)互動(dòng)在試點(diǎn)工廠中將提升至一新的層次；最后，面向工業(yè)4.0和物聯(lián)網(wǎng)，英飛凌提供大量領(lǐng)先的半導(dǎo)體解決方案。

高能效和安全性是英飛凌重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域。英飛凌不僅是全球最大的功率半導(dǎo)體供應(yīng)商，在工業(yè)4.0節(jié)能方面發(fā)揮著重要作用；同時(shí)，作為25年來安全智能卡芯片的世界領(lǐng)導(dǎo)者，英飛凌的安全解決方案為工業(yè)4.0中的設(shè)備溝通、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、專利防偽等提供最高等級(jí)的安全保障。

ADI：電機(jī)控制是核心技術(shù)之一

工業(yè)4.0未來未來將會(huì)帶來如下變化：

第一：互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)給工業(yè)生產(chǎn)帶來的革命性變化。

第二：其次，虛擬與實(shí)際的界限似被消除。所有生產(chǎn)程序均可提前在計(jì)算機(jī)中仿真模擬，可在虛擬世界中完成生產(chǎn)的分析與優(yōu)化。

第三：人工將在很大程度上被機(jī)

器智能取代。

智能系統(tǒng)包含若干關(guān)鍵技術(shù)，但電機(jī)控制一定是核心技術(shù)之一。針對(duì)電機(jī)控制，ADI有著完整的系統(tǒng)方案，包括處理器，安全隔離相關(guān)的派生產(chǎn)品，位置檢測(cè)，以及模擬信號(hào)處理等，甚至延伸到軟件算法。

除此以外，針對(duì)電機(jī)控制解決方案，ADI公司提供了門類齊全的產(chǎn)品組合，其中包括了模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器、放大器、嵌入式處理器、iCoupler數(shù)字隔離器和電源管理器件；另外，MEMS產(chǎn)品，如陀螺儀、加速度計(jì)，也是ADI針對(duì)電機(jī)控制應(yīng)用的核心產(chǎn)品之一。

TI：電機(jī)將朝向更智能、節(jié)能、可靠的方向發(fā)展

工業(yè)4.0即通過高級(jí)集成電路（IC）實(shí)現(xiàn)機(jī)器智能，進(jìn)而推動(dòng)整個(gè)變革進(jìn)程。而德州儀器（TI）正處于這次革命的風(fēng)口浪尖，面臨著許多挑戰(zhàn)與機(jī)遇。用戶希望通過提升機(jī)器的智能化程度，一方面可以提高質(zhì)量、可靠性和安全性，進(jìn)而改善整個(gè)制造流程；另一方面可以繼續(xù)保持低廉成本帶來的優(yōu)勢(shì)，對(duì)全球范圍內(nèi)的商品需求作出靈活響應(yīng)。

馬達(dá)作為在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的產(chǎn)品之一，工業(yè)4.0時(shí)代對(duì)芯片的高集成度硬件和算法、高效率和低功耗、高可靠性的要求更為嚴(yán)苛，也是難點(diǎn)所在。

德州儀器馬達(dá)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品持續(xù)向更智能、節(jié)能、可靠的方向發(fā)展。借助于長(zhǎng)期積累的設(shè)計(jì)、算法和工藝優(yōu)勢(shì)，德州儀器的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品均具備完備的保護(hù)、靈活的配置、低損耗和優(yōu)良的散熱性能。并且正在持續(xù)地改進(jìn)和優(yōu)化馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的控制算法，實(shí)現(xiàn)更加智能、易用和可靠。

德州儀器馬達(dá)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品線新推出了多款創(chuàng)新性的電機(jī)產(chǎn)品。根據(jù)馬達(dá)和應(yīng)用的不同主要有以下幾類：

（1）步進(jìn)電機(jī)及直流有刷驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品：

最新推出的DRV8848， DRV8846具備最新優(yōu)化的電流衰減模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的精確控制，提高電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性和精確性。

（2）三相無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品：

DRV8307， DRV8308涵蓋了帶霍爾（Hall）傳感器三相無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用需求。

（3）霍爾傳感器產(chǎn)品：

DRV5x霍爾傳感器產(chǎn)品是TI于2014年推出的全新產(chǎn)品，其具備工業(yè)等級(jí)或更高的可靠性，寬電壓范圍和豐富的靈敏度選擇范圍。

（4）線圈、繼電器驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品：

大部分馬達(dá)驅(qū)動(dòng)芯片都可以用于線圈和繼電器驅(qū)動(dòng)，包括DRV8803/DRV8804/DRV8806等，最具代表性的是DRV8860，八路帶串行控制接口的可級(jí)聯(lián)低邊驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)置自動(dòng)PWM發(fā)生器。

Maxim：PLC對(duì)安全和認(rèn)證的需求也很大

工業(yè)4.0和智能工廠意味著我們處于一個(gè)需要變革的階段，工廠互聯(lián)程度比以往更高，能夠適應(yīng)最新的傳感器技術(shù)，并且在高度安全的環(huán)境中快速處理“大數(shù)據(jù)”。在此種環(huán)境下，不允許發(fā)生單點(diǎn)故障的情況。系統(tǒng)要能夠智能地進(jìn)行自調(diào)節(jié)，并在所有情況下保持高精度工作性能。因此，需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、電源跟蹤，以便降低發(fā)熱、提升整合度。

PLC已經(jīng)存在了近半個(gè)世紀(jì)，現(xiàn)在人們可能會(huì)有這樣的想法：PLC已經(jīng)非常成熟，因而沒有多少改進(jìn)的空間。然而，我們卻看到對(duì)新型控制IC的需求比以往都高得多。除了提升分辨率、加快速度、縮小尺寸、降低功耗和成本等需求外，對(duì)安全和認(rèn)證的需求也很大。

在Maxim，已經(jīng)著手尋求將多種分立功能集成至單顆IC的方法，從而為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供尺寸、功耗和成本方面的顯著優(yōu)勢(shì)。例如：Maxim的微型PLC技術(shù)演示平臺(tái)展示了模擬整合如何能夠?qū)崿F(xiàn)PLC尺寸縮小10倍、功耗降低50%、數(shù)字I/O速度加快70倍。Maxim的智能整合方式以及自身專有的工業(yè)技術(shù)確保上述性能得以實(shí)現(xiàn)。

除了微型PLC的項(xiàng)目外，Maxim還重點(diǎn)關(guān)注IO -Link和超聲流量計(jì)。Maxim計(jì)劃打造更多采用超聲技術(shù)的計(jì)量方案，包括：氣表。此外，Maxim還有三個(gè)面向電能計(jì)量的設(shè)計(jì)，包括交流監(jiān)測(cè)方案和電能測(cè)量方案。

Xilinx：FPGA和SoC顛覆傳統(tǒng)控制

對(duì)多軸控制有天然的優(yōu)勢(shì)

FPGA的特點(diǎn)是擅長(zhǎng)做信號(hào)的并行處理和硬件加速。在電機(jī)方面，由于現(xiàn)在中高端的機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等會(huì)用到六軸及以上的電機(jī)，這方面基本是FPGA一統(tǒng)天下。而三軸、四軸方案有時(shí)會(huì)看到x86、DSP或FPGA方案。

中國(guó)現(xiàn)在四軸方案多一些，但是未來會(huì)向中高端去做。因?yàn)楝F(xiàn)在中國(guó)的電子元器件加工、食品飲料生產(chǎn)線、汽車生產(chǎn)線還主要靠采購國(guó)外設(shè)備，未來會(huì)逐漸國(guó)產(chǎn)化。

“針對(duì)工廠自動(dòng)化設(shè)備、高端數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等方面，Xilinx主推基于Zynq處理器的解決方案，”Xilinx亞太區(qū)Zynq業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理羅霖說，“好處是可以把電機(jī)控制和工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)合起來，即用戶可以通過工業(yè)以太網(wǎng)（例如EtherCAT， Profinet，Powerlink等）把電機(jī)作為伺服從機(jī)，工業(yè)電腦是主機(jī)來控制（圖1）。”對(duì)此，Xilinx有相應(yīng)的參考設(shè)計(jì)，比如有Zynq開發(fā)板，上面可帶4個(gè)步進(jìn)電機(jī)/BLDC（無刷電機(jī)），并提供相應(yīng)的算法，例如FOC（矢量控制）算法，另外，電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)等都可以在FPGA上進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)。這樣的優(yōu)勢(shì)是性能會(huì)大大提高，像電流環(huán)控制只需要1.6μs，速度環(huán)3.2μs，位置環(huán)6.4μs，即用戶可以在6.4μs內(nèi)完成4個(gè)馬達(dá)的實(shí)時(shí)控制。

機(jī)器視覺助力精確

為了執(zhí)行器的路線走得準(zhǔn)確，還需要機(jī)器視覺來判斷物體的位置和大小。傳統(tǒng)的做法是前端會(huì)用一個(gè)攝像頭，采集的圖像會(huì)通過視頻采集卡傳到工業(yè)電腦上，比如可以用x86的處理器做后面的圖像處理和分析，即把智能放到后端去了。現(xiàn)在，新的趨勢(shì)是把智能移向前端，即把越來越多的圖像采集、處理、實(shí)時(shí)分析做到攝像頭端，為此，Xilinx專門推出了基于Zynq的開發(fā)套件——Smart Vision Dev Kit。

PLC革命

PLC可以理解成主站。過去PLC可能在工業(yè)電腦上，工業(yè)電腦運(yùn)行PLC的功能。現(xiàn)在出現(xiàn)了嵌入式PLC，例如有一些ARM處理器做的PLC。而且一些較高端的PLC希望集成更多的功能，諸如HMI（人機(jī)界面）和一些運(yùn)動(dòng)控制功能，這時(shí)，F(xiàn)PGA和Zynq也是非常好的選擇。因?yàn)榻裉斓腜LC上會(huì)集成工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，可以利用FPGA的硬件加速或者Zynq去運(yùn)行一些協(xié)議棧。相比x86通用處理器，由于x86沒有針對(duì)具體的應(yīng)用進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)（例如多軸的運(yùn)動(dòng)控制），用FPGA做并行的處理、硬件加速更合適。另外，x86上可能會(huì)帶有一些標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)口，但是這些并不一定是實(shí)時(shí)的工業(yè)以太網(wǎng)（因?yàn)閷?shí)時(shí)的工業(yè)以太網(wǎng)的協(xié)議跟一般的以太網(wǎng)不同，需要做一些專門的定制和修改。）。因此借助FPGA和Zynq的靈活性和性能，可以實(shí)現(xiàn)業(yè)界主流的所有工業(yè)以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，還可以把網(wǎng)絡(luò)和處理這兩部分整合在一個(gè)單芯片的解決方案里。

XMOS：智能制造和機(jī)器人將是熱點(diǎn)

對(duì)于XMOS而言，工業(yè)4.O的應(yīng)用熱點(diǎn)是智能制造和機(jī)器人；在這些領(lǐng)域中，為迎接工業(yè)4.0動(dòng)議的挑戰(zhàn)，將會(huì)需要全新的系統(tǒng)架構(gòu)。

xCORE多核微控制器系列擁有8到3 2個(gè)總頻率高達(dá)500 MHz的、并行運(yùn)行的32位RISC內(nèi)核。xCORE器件還帶有HardwareResponse I/O接口，它們可提供卓越的硬件實(shí)時(shí)I/O性能，同時(shí)伴隨很低的延遲。 這種多核解決方案支持完全獨(dú)立地執(zhí)行系統(tǒng)控制與通信任務(wù)，不產(chǎn)生任何實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）開銷。xCORE微控制器的硬件實(shí)時(shí)性能使得客戶能夠?qū)崿F(xiàn)非常精確的控制算法，同時(shí)在系統(tǒng)內(nèi)無抖動(dòng)。

這支持了分布式控制架構(gòu)的快速、輕松實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也使機(jī)器人制造系統(tǒng)能夠被快速重構(gòu)。XMOS與一位重要的合作伙伴Synapticon合作來提供這些應(yīng)用。Synapticon在提供用于信息物理網(wǎng)絡(luò)（cyber-physical）系統(tǒng)的分布式控制架構(gòu)等方面擁有多年經(jīng)驗(yàn)。

XMOS擁有多樣化的、可適用于工業(yè)4.O應(yīng)用的多核微控制器，包括8到32核xCORE General Purpose通用產(chǎn)品系列，以及獨(dú)特的多核架構(gòu)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）與電源管理電路集成在一起的xCORE Analog系列。

Molex：多種互聯(lián)，多層覆蓋工業(yè)4.0

工業(yè)4.0的特點(diǎn)在于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的形成，其中網(wǎng)絡(luò)化的傳感器陣列將監(jiān)控生產(chǎn)環(huán)境中的無數(shù)因素。工業(yè)流程優(yōu)化帶來的復(fù)雜挑戰(zhàn)將推動(dòng)高效人機(jī)界面（HMI）中的眾多應(yīng)用，而Molex在這方面可以為結(jié)合并使用了多開關(guān)格式和布局的設(shè)計(jì)提供電容式觸摸傳感器。

工業(yè)4.0將部署使用極低功率無線技術(shù)的、具有移動(dòng)、微型化和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的“智能”設(shè)備，而Molex則供應(yīng)一系列多種標(biāo)準(zhǔn)天線，適用于各種IoT和M2M應(yīng)用。

智能工業(yè)應(yīng)用可以為創(chuàng)新性的互連解決方案帶來大量機(jī)會(huì)，尤其在于，Molex還為分布式控制系統(tǒng)提供解決方案。值得注意的是，Molex在現(xiàn)場(chǎng)總線的供貨方面扮演著積極的角色，這是一種設(shè)計(jì)用于實(shí)時(shí)分布式控制、采用各種協(xié)議的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。Molex為現(xiàn)場(chǎng)總線的四種技術(shù)提供互連解決方案：DeviceNet和PROFIBUS，這兩種一般視為是工業(yè)自動(dòng)化中較為傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線，以及基于以太網(wǎng)的Profinet和EtherNet/IP。

對(duì)于工業(yè)4.0所需要的高帶寬通信，Molex也提供緊湊式的zCD互連系統(tǒng)，可以支持電信與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的下一代應(yīng)用。Molex的zCD互連解決方案能夠在400Gbps的數(shù)據(jù)速率下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸（16條通道下各25Gbps），同時(shí)具有絕佳的信號(hào)完整性。

Littelfuse：以太網(wǎng)保護(hù)需求增加

在商業(yè)/工業(yè)系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)通常包含一個(gè)具有記錄功能的中央監(jiān)控站。可以通過選擇以太網(wǎng)供電（PoE）對(duì)該網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備進(jìn)行供電。選擇以太網(wǎng)供電，具體的以太網(wǎng)版本（lOOBaseT、千兆以太網(wǎng)等）以及是否涉及室內(nèi)或室外應(yīng)用，將決定所需要的電路保護(hù)器件。

從應(yīng)用的角度看，要回答的基本問題是用戶是不是唯一的威脅（即：靜電放電考慮），還是以太網(wǎng)端口也會(huì)暴露于雷擊瞬態(tài)威脅之下。對(duì)于以太網(wǎng)端口連接到本地交換機(jī)或設(shè)施內(nèi)攝像機(jī)的應(yīng)用安裝，雷電耦合進(jìn)入到電路的可能性較小。在這種情況下，由于數(shù)據(jù)速率可能會(huì)大于或等于lOOMbps，應(yīng)使用電容約為4pF或更低的TVS_極管陣列進(jìn)行靜電放電保護(hù)。

美國(guó)力特公司（Littelfuse，Inc.）全球技術(shù)營(yíng)銷經(jīng)理杜志德稱：力特公司已經(jīng)投資于較小尺寸的電路保護(hù)產(chǎn)品開發(fā)和工業(yè)系統(tǒng)高功率元件的發(fā)展。例如，力特已經(jīng)開發(fā)了一些新的差異化產(chǎn)品如高功率SMT TVS二極管，與傳統(tǒng)的通孔TVS二極管產(chǎn)品進(jìn)行區(qū)分，以應(yīng)對(duì)這種應(yīng)用的新趨勢(shì)。一些靜放電TVS二極管陣列可以從常見的0402縮小到01005的尺寸，這也是在市場(chǎng)上的主要領(lǐng)域之一。力特還將推出可以處理1200伏應(yīng)用系統(tǒng)的可控硅/雙向可控硅產(chǎn)品和一些IGBT產(chǎn)品（1200伏，450安）。

力特將高電壓和高電流IGBT定位為分離和模塊形式。這些產(chǎn)品主要是針對(duì)工業(yè)功率控制、電池充電、可再生能源、太陽能逆變器和其他的電力逆變器。產(chǎn)品的主要特點(diǎn)是高速啟動(dòng)、高耐壓（高雪崩擊穿）和易于控制等。現(xiàn)在的產(chǎn)品最高的電壓可以達(dá)到1700V，電流到450A，廣泛應(yīng)用在新能源領(lǐng)域。