工業4.0為元器件廠商帶來新機遇

摘要：當前全球制造業發展越來越呈現數字化、網絡化和智能化的新特征，美國提出“工業互聯網”戰略、德國提出“工業4.0”戰略，主要意圖就是搶占智能制造這一未來產業競爭制高點。工業4.0革命將建立一個高度靈活的數字化、個性化產品與服務的生產模式，并將重組產業鏈分工。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/269810.htm關鍵詞：工業4.0；物聯網；大數據；智能化；自動化

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.2.003

第四次工業革命是綠色工業革命，一系列生產函數發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，并普及至整個社會。其核心特征應該是高效節能，網絡化與模塊化。

工業4.0將會通過自動控制、網絡及計算，將人、機器設備和信息連接在一起。就生產制造的流程而言，就是將這一切整合到一個數字化的企業平臺。通過數據采集、分析、優化，得到最佳化的方式。從而實現更具效率的生產方式。

英飛凌：多元化身份，多角度推動工業4.0

英飛凌科技（中國）有限公司總裁兼執行董事賴群新表示：在工業4.0計劃中，英飛凌具有多元化的身份，從多重角度推動工業4.0發展。首先，英飛凌是德國工業4.0的創始成員之一，參與討論制定相關的規則；其次，英飛凌也是工業4.0的使用者，英飛凌位于奧地利菲拉赫的工業4.O試點基地擁有世界上最尖端的生產系統之一，包含高度現代化生產控制與自動化系統。在數據安全與數據完整性水準達到最高等級的前提下，人機互動在試點工廠中將提升至一新的層次；最后，面向工業4.0和物聯網，英飛凌提供大量領先的半導體解決方案。

高能效和安全性是英飛凌重點關注的領域。英飛凌不僅是全球最大的功率半導體供應商，在工業4.0節能方面發揮著重要作用；同時，作為25年來安全智能卡芯片的世界領導者，英飛凌的安全解決方案為工業4.0中的設備溝通、生產數據、專利防偽等提供最高等級的安全保障。

ADI：電機控制是核心技術之一

工業4.0未來未來將會帶來如下變化：

第一：互聯網、大數據、云計算、物聯網等新技術給工業生產帶來的革命性變化。

第二：其次，虛擬與實際的界限似被消除。所有生產程序均可提前在計算機中仿真模擬，可在虛擬世界中完成生產的分析與優化。

第三：人工將在很大程度上被機

器智能取代。

智能系統包含若干關鍵技術，但電機控制一定是核心技術之一。針對電機控制，ADI有著完整的系統方案，包括處理器，安全隔離相關的派生產品，位置檢測，以及模擬信號處理等，甚至延伸到軟件算法。

除此以外，針對電機控制解決方案，ADI公司提供了門類齊全的產品組合，其中包括了模數/數模轉換器、放大器、嵌入式處理器、iCoupler數字隔離器和電源管理器件；另外，MEMS產品，如陀螺儀、加速度計，也是ADI針對電機控制應用的核心產品之一。

TI：電機將朝向更智能、節能、可靠的方向發展

工業4.0即通過高級集成電路（IC）實現機器智能，進而推動整個變革進程。而德州儀器（TI）正處于這次革命的風口浪尖，面臨著許多挑戰與機遇。用戶希望通過提升機器的智能化程度，一方面可以提高質量、可靠性和安全性，進而改善整個制造流程；另一方面可以繼續保持低廉成本帶來的優勢，對全球范圍內的商品需求作出靈活響應。

馬達作為在工業領域應用最為廣泛的產品之一，工業4.0時代對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苛，也是難點所在。

德州儀器馬達驅動產品持續向更智能、節能、可靠的方向發展。借助于長期積累的設計、算法和工藝優勢，德州儀器的馬達驅動產品均具備完備的保護、靈活的配置、低損耗和優良的散熱性能。并且正在持續地改進和優化馬達驅動的控制算法，實現更加智能、易用和可靠。

德州儀器馬達驅動產品線新推出了多款創新性的電機產品。根據馬達和應用的不同主要有以下幾類：

（1）步進電機及直流有刷驅動器產品：

最新推出的DRV8848， DRV8846具備最新優化的電流衰減模式，實現對電流的精確控制，提高電機運行的平穩性和精確性。

（2）三相無刷電機驅動器產品：

DRV8307， DRV8308涵蓋了帶霍爾（Hall）傳感器三相無刷電機驅動器的大多數工業應用需求。

（3）霍爾傳感器產品：

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

（4）線圈、繼電器驅動產品：

大部分馬達驅動芯片都可以用于線圈和繼電器驅動，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聯低邊驅動器，內置自動PWM發生器。

Maxim：PLC對安全和認證的需求也很大

工業4.0和智能工廠意味著我們處于一個需要變革的階段，工廠互聯程度比以往更高，能夠適應最新的傳感器技術，并且在高度安全的環境中快速處理“大數據”。在此種環境下，不允許發生單點故障的情況。系統要能夠智能地進行自調節，并在所有情況下保持高精度工作性能。因此，需要進行大量的數據監測、電源跟蹤，以便降低發熱、提升整合度。

PLC已經存在了近半個世紀，現在人們可能會有這樣的想法：PLC已經非常成熟，因而沒有多少改進的空間。然而，我們卻看到對新型控制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，對安全和認證的需求也很大。

在Maxim，已經著手尋求將多種分立功能集成至單顆IC的方法，從而為系統設計人員提供尺寸、功耗和成本方面的顯著優勢。例如：Maxim的微型PLC技術演示平臺展示了模擬整合如何能夠實現PLC尺寸縮小10倍、功耗降低50%、數字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技術確保上述性能得以實現。

除了微型PLC的項目外，Maxim還重點關注IO -Link和超聲流量計。Maxim計劃打造更多采用超聲技術的計量方案，包括：氣表。此外，Maxim還有三個面向電能計量的設計，包括交流監測方案和電能測量方案。

Xilinx：FPGA和SoC顛覆傳統控制

對多軸控制有天然的優勢

FPGA的特點是擅長做信號的并行處理和硬件加速。在電機方面，由于現在中高端的機器人、數控機床等會用到六軸及以上的電機，這方面基本是FPGA一統天下。而三軸、四軸方案有時會看到x86、DSP或FPGA方案。

中國現在四軸方案多一些，但是未來會向中高端去做。因為現在中國的電子元器件加工、食品飲料生產線、汽車生產線還主要靠采購國外設備，未來會逐漸國產化。

“針對工廠自動化設備、高端數控機床、機器人等方面，Xilinx主推基于Zynq處理器的解決方案，”Xilinx亞太區Zynq業務發展經理羅霖說，“好處是可以把電機控制和工業以太網結合起來，即用戶可以通過工業以太網（例如EtherCAT， Profinet，Powerlink等）把電機作為伺服從機，工業電腦是主機來控制（圖1）。”對此，Xilinx有相應的參考設計，比如有Zynq開發板，上面可帶4個步進電機/BLDC（無刷電機），并提供相應的算法，例如FOC（矢量控制）算法，另外，電流環、速度環、位置環等都可以在FPGA上進行硬件實現。這樣的優勢是性能會大大提高，像電流環控制只需要1.6μs，速度環3.2μs，位置環6.4μs，即用戶可以在6.4μs內完成4個馬達的實時控制。

機器視覺助力精確

為了執行器的路線走得準確，還需要機器視覺來判斷物體的位置和大小。傳統的做法是前端會用一個攝像頭，采集的圖像會通過視頻采集卡傳到工業電腦上，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。現在，新的趨勢是把智能移向前端，即把越來越多的圖像采集、處理、實時分析做到攝像頭端，為此，Xilinx專門推出了基于Zynq的開發套件——Smart Vision Dev Kit。

PLC革命

PLC可以理解成主站。過去PLC可能在工業電腦上，工業電腦運行PLC的功能。現在出現了嵌入式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（人機界面）和一些運動控制功能，這時，FPGA和Zynq也是非常好的選擇。因為今天的PLC上會集成工業實時以太網，可以利用FPGA的硬件加速或者Zynq去運行一些協議棧。相比x86通用處理器，由于x86沒有針對具體的應用進行專門的設計（例如多軸的運動控制），用FPGA做并行的處理、硬件加速更合適。另外，x86上可能會帶有一些標準的以太網口，但是這些并不一定是實時的工業以太網（因為實時的工業以太網的協議跟一般的以太網不同，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，可以實現業界主流的所有工業以太網的標準，還可以把網絡和處理這兩部分整合在一個單芯片的解決方案里。

XMOS：智能制造和機器人將是熱點

對于XMOS而言，工業4.O的應用熱點是智能制造和機器人；在這些領域中，為迎接工業4.0動議的挑戰，將會需要全新的系統架構。

xCORE多核微控制器系列擁有8到3 2個總頻率高達500 MHz的、并行運行的32位RISC內核。xCORE器件還帶有HardwareResponse I/O接口，它們可提供卓越的硬件實時I/O性能，同時伴隨很低的延遲。 這種多核解決方案支持完全獨立地執行系統控制與通信任務，不產生任何實時操作系統（RTOS）開銷。xCORE微控制器的硬件實時性能使得客戶能夠實現非常精確的控制算法，同時在系統內無抖動。

這支持了分布式控制架構的快速、輕松實現，同時也使機器人制造系統能夠被快速重構。XMOS與一位重要的合作伙伴Synapticon合作來提供這些應用。Synapticon在提供用于信息物理網絡（cyber-physical）系統的分布式控制架構等方面擁有多年經驗。

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

Molex：多種互聯，多層覆蓋工業4.0

工業4.0的特點在于物聯網（IoT）的形成，其中網絡化的傳感器陣列將監控生產環境中的無數因素。工業流程優化帶來的復雜挑戰將推動高效人機界面（HMI）中的眾多應用，而Molex在這方面可以為結合并使用了多開關格式和布局的設計提供電容式觸摸傳感器。

工業4.0將部署使用極低功率無線技術的、具有移動、微型化和網狀網絡特點的“智能”設備，而Molex則供應一系列多種標準天線，適用于各種IoT和M2M應用。

智能工業應用可以為創新性的互連解決方案帶來大量機會，尤其在于，Molex還為分布式控制系統提供解決方案。值得注意的是，Molex在現場總線的供貨方面扮演著積極的角色，這是一種設計用于實時分布式控制、采用各種協議的計算機網絡。Molex為現場總線的四種技術提供互連解決方案：DeviceNet和PROFIBUS，這兩種一般視為是工業自動化中較為傳統的現場總線，以及基于以太網的Profinet和EtherNet/IP。

對于工業4.0所需要的高帶寬通信，Molex也提供緊湊式的zCD互連系統，可以支持電信與數據網絡中的下一代應用。Molex的zCD互連解決方案能夠在400Gbps的數據速率下進行數據傳輸（16條通道下各25Gbps），同時具有絕佳的信號完整性。

Littelfuse：以太網保護需求增加

在商業/工業系統中，網絡通常包含一個具有記錄功能的中央監控站。可以通過選擇以太網供電（PoE）對該網絡上的設備進行供電。選擇以太網供電，具體的以太網版本（lOOBaseT、千兆以太網等）以及是否涉及室內或室外應用，將決定所需要的電路保護器件。

從應用的角度看，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），還是以太網端口也會暴露于雷擊瞬態威脅之下。對于以太網端口連接到本地交換機或設施內攝像機的應用安裝，雷電耦合進入到電路的可能性較小。在這種情況下，由于數據速率可能會大于或等于lOOMbps，應使用電容約為4pF或更低的TVS_極管陣列進行靜電放電保護。

美國力特公司（Littelfuse，Inc.）全球技術營銷經理杜志德稱：力特公司已經投資于較小尺寸的電路保護產品開發和工業系統高功率元件的發展。例如，力特已經開發了一些新的差異化產品如高功率SMT TVS二極管，與傳統的通孔TVS二極管產品進行區分，以應對這種應用的新趨勢。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，這也是在市場上的主要領域之一。力特還將推出可以處理1200伏應用系統的可控硅/雙向可控硅產品和一些IGBT產品（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。這些產品主要是針對工業功率控制、電池充電、可再生能源、太陽能逆變器和其他的電力逆變器。產品的主要特點是高速啟動、高耐壓（高雪崩擊穿）和易于控制等。現在的產品最高的電壓可以達到1700V，電流到450A，廣泛應用在新能源領域。