智能制造的市場前景及技術發展

王瑩　王金旺

摘要：智能制造涉及云計算、嵌入式視覺、工業和消費類物聯網（IIoT和IoT）及5G等各個領域，隨著社會需求的不斷提高，相關政策支持的不斷完善，以及基礎技術的持續發展，智能制造的各項技術也將得到進一步的突破和發展。

關鍵詞：智能制造；物聯網；工業通訊網絡

DOI：10.3969/j.jssn.1005-5517.2017.2.003

人工智能與互聯網技術融合下的“機器人2.0”

機器人在汽車、電子制造等行業中的應用已經非常普遍，但目前的機器人多指一些自動化設備，并不是真正意義上的機器人。而隨著傳感器、人工智能等技術的進步，未來，機器人將逐漸與人工智能、云計算、大數據、互聯網等信息技術相結合，實現感知、深度學習和決策等功能，從執行一項簡單重復性的工作進化為執行各種復雜多樣化的工作，并開始應用大數據實現自律化。如今，微軟、谷歌、英特爾等科技巨頭已進軍機器人產業.布局“機器人2.0”時代，引領智能機器人的創新發展。我國已發布《機器人產業發展規劃（2016-2020年）》，重點開展人工智能、機器人深度學習等新一代機器人技術研究，注重戰略性、前瞻性、創新性的工作，以期在機器人產業變革中實現“彎道超車”。

專業級無人機

由于航拍應用的局限性，消費級無人機市場短期內將不會呈現爆發式增長，從技術、成本、應用成熟度和行業發展規律等角度看，中國無人機市場正在逐漸走向成熟，愈發激烈的競爭也促使企業向專業級應用轉型。技術方面，隨著傳統數據處理芯片廠商，如英特爾、高通、英偉達布局無人機數據處理平臺上，無人機將成為實現人工智能的最佳載體，快速突破專業應用的技術瓶頸。產品方面，以歌爾聲學、比亞迪為代表的ODM廠商逐漸布局無人機生產制造，加速產品量產及迭代，有效降低專業應用成本，從根本上推動專業應用市場的發展。應用方面，經過幾年的用戶培養，無人機在各專業領域，尤其是農業植保的應用逐步為用戶所接受，無人機專業應用將呈現旺盛的市場需求。

互聯性對智能設備更高的性能要求

互聯大趨勢要求更高的可編程性和軟件定義性

未來將會有超過500億的器件和機器于2020年前實現互連。一旦連接，它們必須具有足夠的安全性以抵御硬件級別的直接入侵。因為這些設備、機器、系統和網絡對環境的感知度越來越高，它們必須適應它們的環境和需求，因而必須具有更高的可編程性與軟件定義性。此外，它們還必須具備可擴展性，因為越來越多的功能不僅進行了虛擬化，而且還高效映射到了共享計算資源中。由于數據和視頻是通過無處不在的傳感器和攝像機采集的，因此，分析必須幫助這些機器進行識別、說明、決策和行動。此外，這些系統和網絡還必須滿足心急的最終用戶與實時場景不斷增長的需要，其需要即時的低時延響應。然而在幕后，它們還必須在盡量降低功耗的同時，通過更為高級的算法處理呈指數增長的數據量、數據包和像素。并且還必須高度差異化，否則將在競爭日益激烈的低成本全球市場中失敗。這只能通過將軟件智能與硬件優化、“任意”連接相組合來實現。Xilinx全可編程解決方案可實現更智能的互連差異化系統，從而可將高級別的軟件智能性與硬件優化及“任意”連接功能進行完美整合，成為驅動行業大趨勢未來發展的強大動力。

關鍵技術相互依存

推動這些大趨勢的一些關鍵技術，包括機器學習訓練和推斷、實時的計算機視覺、日益異構化的傳感器融合、預測分析、大規模無線MIMO，網絡功能虛擬化（NFV）以及超高清視頻串流。我們看到的是，技術的進步有空前加速和統一的趨勢，眾多的技術正在不斷地被組合在一起，創造出全新的應用和市場。

我們也越來越多地看到這些大趨勢和相關支持技術的相互依存。例如，包括自動駕駛汽車、“協作機器人（Cobot）”和“感知與規避”無人機等視覺導向的自主系統的開發，就是通過將可重配置和實時傳感器融合、計算機視覺和機器學習技術集中于同一“全可編程”或者硬件加速多處理系統級芯片（MPSoC）而實現的。

由于5G連接技術的出現，這些自主系統將成為物聯網的組成部分，從而獲得不間斷的機器學習訓練更新、預測維護指令、新功能及服務更新，以及實時的超高清視頻云端上傳和下載。在“霧”計算的配合下，云計算將利用可重配置的FPGA加速技術，以更高的吞吐量和更低的時延處理這些工作負載。

擴陣容、推環境、建專區

一方面，Xilinx大力擴充了其產品陣容。今天的Xilinx從產品上既有廣泛的全可編程FPGA器件系列，還包括從單核到雙核，直到多核的可擴展型系統級Zynq SoC及MPSoC芯片；既有傳統的高端產品系列，又擴充了強大的成本優化型FPGA系列和基于ARM的SoC系列產品，從而為越來越多領域對全可編程器件的需求提供了豐富的選擇。

另一方面，為滿足更加廣泛的軟件與系統工程師社區的需求，Xilinx推出新一代軟件定義的SDX開發環境，大幅降低FPGA開發難度，為軟件及系統級工程師也能享受FPGA硬件開發的優勢提供了“全可編程”的編程模式，工程師可以用其熟悉的C、C++、OpenCL語言或者堆棧進行設計。

此外，面向可編程器件應用需求，Xilinx相繼在官網推出了面向軟件、硬件及系統開發人員的嵌入式視覺開發者專區及“加速專區”。其中匯集龐大而豐富的工程設計資源，包括軟件開發優化庫、硬件開發人員視覺IP、項目，以及Xilinx及其聯盟計劃成員和社區開發人員所提供的各種教程。通過這些專區，Xilinx為開發人員快速啟動開發下一代視覺系統提供了一個“一站式平臺”，幫助他們充分利用基于機器學習技術的傳感器融合、高級計算機視覺算法以及對象檢測與分析功能等。

工業通訊網絡成為關鍵

全球各主要工業發達國家引領生產方式變革，穩步推進實施再工業化、制造業回歸、工業4.0等發展戰略，發展中國家制造業擺脫落后產能，實現轉型升級的需求日趨迫切。

以此為契機，工業通信網絡成為了提高生產效率和實時處理的關鍵組成部分。如今，工業以太網協議，如EtherCAT、PROFINET、Ethernet I/P等的節點數量和拓撲結構復雜性的增加，確保了高效通信的可靠性和效率。這些通信網絡成為貫穿整個工廠生產的關鍵。

運動控制市場需求增長

就國內而言，“中國制造2025”等政策為運動控制產品提供了強有力的政策支持，未來該市場仍有很大的增長潛力。“智慧工廠”概念將為運動控制產品帶來巨大需求；市場對相關設備產品以及解決方案的需求也應運而生，主要表現在：小型運動控制方案正在向包含通訊、反饋、控制等的大型方案轉變和中小客戶在產業升級過程中對運動控制需求增長。

以太網通訊相關芯片——RZ/T1系列

近年來，針對這一市場趨勢，瑞薩電子推出了一系列工業以太網通信相關芯片。其中，RZ/T1系列是適用于AC伺服系統的高速實時性芯片。這顆芯片基于ARM核，不含ROM的設計使其擁有更高的主頻，能實現更高速實時的處理，這是一般Flash MCU所無法企及的。

RZ/T1系列是集成度非常高的芯片，它由三大塊組成，即：

1.搭載超實時性MCU：Cortex-R4F@300/450/600MHz（可選），含單、雙精度浮點運算單元，內置緊密耦合存儲器（512K+32K，TCM），消除緩存存儲器易造成的執行時間波動，從而實現高速處理和相應。

2.內置用于工業以太網通信的R-IN引擎：Cortex-M3@150MHz，可支持多種標準工業以太網通信協議，如EtherCAT、PROFINET、Ethernet I/P等，客戶無需外置其它專用以太網通信芯片。

3.內置編碼器接口：支持多種協議的編碼器接口，如NlKON A-Format、EnDat、BISS-B/C、Tamagawa Seiki等，客戶無需外置FPGA/ASIC即可實現絕對值編碼器接口功能。

基于RZ/T1芯片，瑞薩電子也提供相應的開發評估套件及運動控制解決方案套件，幫助客戶更容易地評估RZ/T1的各種特性和驅動控制性能，縮短開發周期。運動控制解決方案套件包含所有開發需要的設備，包括MPU主板、變頻板、電機、固件、工具、文檔等。

邊緣計算和存儲的應用需求

智能制造網絡邊緣安全需要重視

邊緣計算以及存儲增加是我們持續觀察到的趨勢。隨著行業變革開始向工業物聯網（IIoT）和工業4.0發展，制造行業的機遇仍在孕育當中。智能制造的最終目標是通過互聯的流程和實時的產品增加對信息的安全訪問和可見性，從而提高整個生態系統的效率和生產率。因此，智能制造需要更多邊緣計算和存儲，并且可靠、安全地連接到云。

據“Cisco全球云指數”估計，一家互聯智能工廠每天可產生1PB數據，其中只有0.2%的數據傳輸回云。傳輸到云的數據量可能因回程的成本效益、數據所有權問題等因素而異，由此導致了大量的邊緣處理和數據存儲要求，目的是通過數據分析獲益。

隨著智能制造進入數字化時代，網絡安全成為亟需解決的熱門話題。貫穿在當今眾多攻擊事件中的共同主題是：攻擊者將惡意代碼寫入通常位于網絡附近或邊緣位置的設備的非易失性存儲中，意圖令該設備成為惡意僵尸網絡的一部分。隨著網絡安全防御體系的發展正在跟上最新攻擊的發展步伐，充分利用軟件和硬件的現有功能至關重要。因此，切不可輕視智能制造網絡邊緣的系統代碼保護工作。邊緣計算在制造業中的應用

在制造業中，邊緣計算意味著“互聯”機器可以實時收集、分析數據，并做出明智的決策。這些計算單元可以通過傳統的無線局域網或以太網網絡實現互聯，但由于蜂窩網絡廣為普及且部署成本較低，因此，使用微型機器對機器（M2M）模塊進行連接更為高效，這些模塊嵌入到這些邊緣計算單元中，可以始終開啟、隨時可用。這些單元的部署范圍相當廣，可以部署在工廠的遠程節點中，也可以部署到生產車間執行重復任務的機器人中。這些邊緣計算單元可直接與云基礎設施進行通訊，并直接提供用于分析的數據。通過機器學習和各項規則，這些單元還可以根據歷史行為預測潛在問題或故障。這為操作員提供了充足的預警，方便做出變更并避免停機，從而提高工作效率并提供更高的投資回報（ROI）。這些邊緣計算單元可以是安全、強大、耐用且性能更高的微型解決方案，比如M2M模塊、工業物聯網網關或工業PC（IPC），它們還可以執行邊緣分析，提供實時決策和行動。這些工業PC通常采用x86和ARM處理器，具備各種外形尺寸，可擴展性好，能夠滿足多種客戶需求，足以取代可編程邏輯控制器（PLC）或可編程自動化控制器（PAC）等傳統的專用解決方案。此外，工廠中的操作員還可以利用工業PC執行工單管理、通知、報告和儀表盤任務，有助于提高效率。這樣的工業PC可以緊密集成到分布式控制系統或常用的自動化工具中。工業物聯網網關是另一種工業PC，可以通過嵌入式蜂窩技術連接可部署的其他高級功能。值得注意的是，雖然蜂窩技術的進步帶來很多突破，新的蜂窩解決方案不斷問世，但由于工業物聯網網關要在極端環境中進行部署，因此，通常該類型網關對于堅固耐用有更高的要求。

工業商數（IQ）

綜合上述挑戰和趨勢，美光科技推出了自己的工業商數（IQ）來應對各項挑戰。推出工業商數（IQ）是為了針對工業產品設計在內存和存儲方面做出明智的選擇，不僅有助于滿足功能性的產品要求，還可以確保設計的長期可靠性和品質，適合廣泛的耐用型/工業使用案例（特別是邊緣計算）。

美光認為工業商數相當重要，這體現著其“設計流程中提前選擇的電子組件和存儲解決方案對實現長期成功至關重要”這一思維模式。該商數所包括的范圍可從針對具體應用的固件調整、嚴格的產品認證、溫度可靠性測試、擴展的產品可用性，到更高效地管理硬件產品線、最大程度減少代價高昂的現場故障和維護停機，進而降低總體擁有成本（TCO）。以機器人為例，只選擇技術正確、密度合適的存儲是不夠的，還務必要考慮使用壽命、沖擊和振動下的性能穩定性、可靠性以及與安全性相關的參數。

工業以太網演進的PHY解決方案

現代工業環境充斥著復雜的自動化和制造技術，網絡連接是使其基本運行的關鍵所在。工業網絡通常包括可編程邏輯控制器（PLC）、電機控制和驅動，以及傳感器網絡和人機接口（HMI）。以太網技術將工業網絡中的所有這些節點連接起來，在網絡上傳遞精確控制和同步時鐘等信息。高速裝配線機器人是工廠應用以太網的一個例子，通過實時協調節點移動，以確保成品被完好無損地進行包裝。

與在辦公網絡之類的企業應用中部署以太網不同，工業網路有更多物理與電子不良的環境

這就帶來了一系列特殊的挑戰。以太網組件和IEEE802.3系列標準正在不斷發展，以滿足工廠車間的特殊需求。環境高溫、電壓浪涌、嚴格的延遲要求和不斷增長的網絡速度是工業級以太網PHY（物理層設備或者收發器）必須要解決的一些關鍵挑戰。

在極端環境中工作

在工業環境中，溫度很難控制，這是因為通過以太網連接的電機和機器人通常必須在非常高的溫度下焊接金屬，此外，工廠的建筑結構也造成了難以提供良好的通風條件。為滿足工業環境的需求，PHY必須被設計成在很寬的溫度范圍內能夠發揮出其額定性能。例如，工業以太網PHY應能夠在一40至85℃的溫度范圍內工作，可承受125℃的最大結溫，即使環境溫度持續數小時高溫也能保持性能不變。

除了在高溫下工作，PHY還應能承受高壓浪涌。機械設備有時會突然聚積電荷，損壞部件并導致工業系統出現故障。通過增強靜電放電（ESD）保護電路，PHY可以適當保護工業環境免受電荷波動的破壞。

在工業環境中實現高性能以太網的另一個挑戰是實時應用，實時應用對延遲有非常嚴格的限制。在線性菊花鏈拓撲中，每個節點的延遲要非常小，才能保證整個網絡滿足快速請求和響應周期時間要求。為滿足工業網絡的實時要求，PHY應具備低延遲和確定性延遲特性。在菊花鏈下，低延遲能實現更快的響應，而確定性延遲可以實現跨網絡單元的精確定時同步。與未經優化的方案相比，優化后的PHY能夠將延遲降低30%至40%，從而提高了效率和效能。

滿足不斷增長的網絡速度要求也是工業PHY的一個關鍵特性。雖然百兆的速度足以滿足當今大多數工廠應用的需求，但是要求能夠支持千兆電接口的需求越來越多。由于工業設備和網絡的安裝成本很高，因此建議PHY設備能夠支持高達千兆的網絡速度要求，以適應未來的解決方案。

工業解決方案的現狀和未來

工廠變得更加智能，更加網絡化，一些行業專家認為正在出現第四次工業革命。然而，隨著不斷出現的工業創新，很顯然，在工廠中維持高性能互聯將變得愈發重要。連接延遲、中斷或故障有可能使生產減緩甚至停產，從而導致收入損失。不受惡劣工廠條件影響的硬件連接對于工業網絡的實現是非常有價值的。

Marvell的88E151 2P、88E1510Q和88E1 548P PHY系列產品專為滿足實時工業以太網的嚴格要求而設計，可用于千兆獨立和交換系統的快速開發和部署。Marvell的PHY系列解決方案提供增強ESD保護、低延遲和確定性延遲特性，并具備在擴展溫度范圍內工作的能力，保證了工業網絡能夠長期保持性能穩定。Marvell的收發器符合1000BASE-T、1 00BASE-TX和10BASE-T標準，滿足了工廠當前和未來的網絡速度要求。該系列還支持采用了新一代MAC的節能以太網（EEE，EnergyEfficient Ethernet）。這系列PHY產品提供48管腳、56管腳QFN封裝或196管腳TFBGA封裝，以及各種主機接口選擇，例如RGMII、MII和SGMII。MarveII還提供配合PHY產品系列的Prestera和Link Street交換機芯片和ARMADA嵌入式系統芯片。

印刷型電子產品成為當下趨勢柔性混合電子學（FHE）

Molex公司GIGT業部高級銷售工程師Linda Shan認為，智能制造領域當前的一個主要趨勢就是印刷型電子產品，該產品在微型化醫療設備的設計方面可以帶來巨大的優勢，對于可穿戴診斷設備尤其明顯。印刷型電子產品還可作為一種“智能”并且經濟節省的方式來提供小尺寸、高柔性的集成傳感器解決方案，理想用于生理、環境和生化上的監控，與傳統電路相比，總成本要低得多。這種新一代的多功能、高靈活性傳感器解決方案適合超移動空間內的部署。該解決方案還特別適用于包含了智能手表、運動腕帶和智能手機在內的、采用越來越多傳感器的產品，這類產品正在集成到已經高度復雜的各種設備當中。

最終產品的靈活性已經被證明是對于多種應用的一項關鍵需求，在智能制造方面開辟了一個新的領域，即所謂的柔性混合電子學（FHE）。FHE適用于日益受物聯網/工業物聯網中對傳感器陣列的需求而推動的傳感器監控功能，以及健身跟蹤和醫療監控功能。此外，智能制造下的FHE還可應用于各種大型結構的傳感器，范圍從航空器和地面交通工具一直延伸到惡劣環境下的輕量級加固傳感器。FHE應用還包含了農業、產品包裝以及體育器材。

印刷型電池和網絡通信帶來的支持

可穿戴電子產品以及物聯網（IOT）是兩個相對較新的市場，這兩個市場正在通過柔性混合電子學（FHE）推動著智能制造業的發展。FHE技術可以帶來各種設備，整合起無線連接、傳感器陣列通信、觸摸界面和語音界面，以及使用創新性封裝技術、在尺寸更小的柔性基板上實現組件部署的低功率操作。

在這種智能制造當中，電池自身也成了印刷型產品。比如說，Enfucell就是在印刷型電池設計領域的先驅。Molex現已簽訂了一份全球性許可協議來制造Enfucell的SoftBattery電源。這使得Molex可以更好地服務于使用印刷型電池為傳感器陣列供電的、不斷增長的市場。

智能制造已經以工業4.0和工業物聯網的形式開始蓬勃發展，而網絡通信解決方案供應商可以為這一過渡過程提供支持。Molex與遠程維護和網絡安全產品及解決方案的制造商MB Connect Line GmbH達成一項協議，使得他們共同致力于向復雜機械設備的制造商以及自動化的提供商提供對數據和網絡的高度安全可靠的遠程訪問能力。

M0lex智能制造解決方案

Molex的Soligie印刷型電子傳器感具備在塑料、紙質以及金屬箔之類柔性基板上制作組件和互連功能的全部優勢。這樣可在微型化醫療設備的設計過程中提供一項主要的優勢。Soligie印刷型電子傳器感設計采用了低成本的基板，在其上可以使用導電銀墨來形成電路，從而添加組件；同時還采用了高精度的卷對卷（R2R）高速印刷工藝，完全等效于銅電路的性能，可以減少制造工藝、使用的材料，并降低成本。本產品適用于傳感器、電池、LED和其他無源裝置的集成，與傳統的電路相比總成本更低，可實現小尺寸、高靈活性的一體化傳感器解決方案。

Molex新開發的Brad IP67解決方案智能制造產品組合。這種工業通信下的開放標準協議基于IO-Link技術，可以通過PROFINET將小型傳感器和執行器連接到網絡。采用菊花鏈布線拓撲結構，集成的2端口交換機可達到100Mbps的全雙工數據傳輸速率，在為應用布線的過程中無需使用交換機，為機器的制造商降低總成本。短路保護、介質冗余協議（MRP）、網絡服務器以及可視的診斷用LED指示燈之類的高級模塊功能便于使用，可簡化設備的操作。

電池技術的發展與應用

電池技術在各領域中的發展

在傳統的航空航天應用中，對電源的可靠性、效率、重量和體積的要求從未降低。這些年來在航空航天中新型電子材料的出現，例如GaN功放的應用，能使得系統性能大幅提高，也因此對電源提出了更高要求，不僅要求功率密度，還對產品的高度提出了苛刻要求。

新能源汽車一直是Vicor重點關注的領域，為了滿足國家對車企的排放燃油要求，眾多車企將汽油車改裝成油電混合汽車，甚至直接將動力系統改成純電系統。為了維持汽車重量尺寸不變，電源的重量、尺寸和散熱性能都需要滿足具有挑戰性的技術指標。Vicor上一代基于ChiP的方案明顯改善了新能源汽車DCDC的功率密度。

SG作為新一代通訊技術標準，MIMO將得到更廣泛的應用。無線產品板上供電系統將有所改變，功率會更大，而產品的體積不會變大，直接從高輸入電壓轉換到目標電壓是目前關注焦點。

近幾年，各種電池技術的發展與應用非常迅速，如采用電池作為動力源的自動化搬運機器人、為電路系統供電的測試設備等，這些產品提高了工廠自動化產線的生產效率。而高效、輕便的電源管理方案能延長電池的工作時間。由于電池電壓的波動，采用高效升降壓轉換器穩壓的電池具有更大的可用性。

電源的智能化

高效率、低成本、低能耗的綠色智能工廠已經成為各制造企業追求的目標。在該目標下，電源技術一直圍繞著提升效率和密度在發展，效率和密度提升了，單位功率的成本就降下來了。在發展過程中出現了新的材料，新的技術和新的封裝。例如，SiC、GaN寬禁帶材料經過這幾年的發展，已經開始應用于越來越多的電源系統中，產生了良好的效應。無線充電技術的應用給工業智能化的帶來更多的可能。

智能制造也需要電源的智能化，電源的可通訊性將是未來對電源的一個基本要求。具有通訊接口的電源，可以直接將電源的各種狀態匯報給管理系統，并且根據系統需要做動態調整。

Vicor的ChiP平臺及升降壓技術

Vicor從2013年開始將ACDC、DCDC等不同的電源架構封裝在ChiP平臺中，緊接著為了改善客戶應用中的散熱問題，將ChiP置于雙面增強散熱的VIA封裝中。這兩個已經完全量產的平臺可以提供靈活的產品選型。這些產品都可以選擇支持PMBus通訊接口。

Vicor具有非常好的升降壓技術，能夠把輸入電壓范圍擴展寬，兼容非常高的輸入比，可以支持傳統汽車、新能源汽車、醫療設備和其他電池供電設備等應用。其中降壓芯片P13S2x系列芯片采用ZVS技術，可以支持高輸入輸出電壓差。在典型的SG通訊應用中，從48V轉SV，20A輸出，轉換效率超過93%。今年還將推出全新電源架構的穩壓隔離產品，功率密度將數倍于現有Vicor的產品。