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提高產線效率 邊緣運算邁入工業市場
MCU扮演關鍵要角

【作者: 王岫晨】   2022年03月25日 星期五

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工業自動化發展讓大家有目共睹,關鍵技術包括嵌入式處理器。


透過MCU來賦予邊緣運算效能,特別是必須滿足工業等級的應用場景。



還可以兼顧降低成本、提高品質、增加靈活性並減少對環境的影響。


工業現代化和智慧製造的轉變,引發了自動化、機器人技術和工業物聯網(IIoT)等方面的創新。而引入人工智慧、互操作性和安全連接可以實現流程、資源和系統的實時監控、控制與優化。所有這些過程都可以提高生產力、提升安全性並降低成本。


智慧工廠願景

工業自動化是使用數位邏輯編程和機械化設備來操作機器,並最大程度地減少人工進行決策和手動命令的過程。例如使用機器學習來進行預測性維護或識別生產線上的問題,或者在倉庫的固定工作範圍內部署自主運行的機器人。而自動化系統也已經用於強化智慧製造和倉儲的不同層面,以優化生產線和相關的物流與資源。


若將傳統工業自動化的組成視為一座金字塔,其頂端會是監控電腦,它們用於運行工業控制軟體,並透過工業聯網進行通信。中層則是控制系統,透過PLC等設備來執行自動化相關程序以進行即時運算。至於底層則是現場感測器和執行設備,透過現場總線與控制器介接,並利用點對點連接進行通信。這些層級正在被重新定義,目標是在於實現智慧工廠的願景。


打開工業自動化大門


圖1 : 工業市場需要高水準的創新,來滿足不同特定需求。除了需要電源和能源管理技術之外,更不可或缺的是運算效能更高的MCU。(source:schneider.com)
圖1 : 工業市場需要高水準的創新,來滿足不同特定需求。除了需要電源和能源管理技術之外,更不可或缺的是運算效能更高的MCU。(source:schneider.com)

智慧工廠以工業感測器為核心。透過有線和無線連接技術,以及更高效率的電源轉換技術整合到設備中。效率更好的電源控制系統可以明顯降低製造系統的能耗,並降低成本和碳排放。PLC也是即時控制系統的一部分。PLC一直都是工業控制系統的重要組成,近年來大幅縮小了尺寸並增加了連接性,來提高工業自動化系統的效能。這使得智慧工廠可以即時監控,並快速重新配置速度,以滿足不斷變化的生產需求。


工業4.0是工廠自動化的下一階段,將工廠間的設備連接起來,成為工業物聯網(IIoT)的一部分。透過IIoT就能夠從雲端監控和控制設備。也可以將工業機器人等新設備添加到生產設施中,以提高生產過程的效率。從網路所收集到的感測器數據,可以建立流程數據模型,除了可以優化產線和持續改進,而且還允許進行預測性維護。


另外,將機器學習演算法應用於數據模型,就可以識別機器健康狀況的變化。這些數據還可以用於分析可能比預期更早發生故障的系統,進而可以實現預防性維護。這目的可以用於避免導致生產線停止的故障,一旦發生可能會耗費昂貴成本。


而在產線上的工業機器人,可以提高工廠自動化系統的靈活性,常見的兩軸和三軸系統可用於提高生產率。精度和可重複性是工業機器人的關鍵衡量標準。工業機器人使用不同等級的運動控制,例如簡單的取放組裝只需要在預定的位置上重複進行,至於焊接和精密加工等應用,則需要以準確的方向和速度來進行連續控制。工業機器人可以與機器視覺系統和機器學習密切配合,無需透過演練即可識別機器人手臂的正確定位。機器學習演算法可以協助提高生產過程的準確性和可重複性,進而提高效率。為了這些關鍵的應用情境,透過MCU可以為工廠中的不同設備,賦予邊緣運算的能力。


解決工業產品關鍵問題

隨著系統複雜性不斷增加,降低系統成本和節省電路板空間變得勢在必行。TI的元件提供了高精度類比整合能力,可節省電路板空間、最大限度地降低供應鏈複雜性,並降低總體成本,而不會影響系統性能。在未來,自動化和智慧系統的成敗取決於邊緣創新。TI的處理器支援高速AI,並可降低系統功耗和成本。晶片也整合了包括硬體加速、機器視覺和深度學習、高速I/O,以及功能安全和保障技術等。而隨著近年來可再生能源和節能產品與系統的趨勢正在成形,TI的MCU和處理器也具備獨特處理和控制功能,透過節能架構和先進的電源拓撲,大幅度地提高效能。


有鑑於延長電池壽命是工業產品的一個關鍵問題,尤其是隨著這些產品變得更加複雜和高度互聯。開發人員必須在產品的整個生命週期內,盡可能地減少功耗,這通常意味著必須減少處理單元中的功耗。TI多樣化的MCU產品組合,具有即時控制功能和高精度整合能力,並針對工業應用進行了優化,這些MCU可以滿足任何設計和預算的需求。而基於Arm架構的32位元MCU能提供可擴展的高性能和節能設備組合,滿足工業系統需求,並為設計帶來功能安全、電源效率、實時控制、高級網路、分析和安全等功能。


透過創新滿足工業需求


圖2 : 工業自動化市場中,不可或缺的是運算效能更高的MCU。(source:atriainnovation.com)
圖2 : 工業自動化市場中,不可或缺的是運算效能更高的MCU。(source:atriainnovation.com)

工業市場涵蓋了廣泛的應用,其中許多應用正服務於成熟的產業中。與物聯網相關的新技術和服務的引入,正加速推動這些產業的新成長。智慧化工業也正在推動機器、工廠和工作場所變得更有效率。在工業自動化市場上,ST長期一直都是相關的元件供應商,這些元件過去一直在家用電器、家庭和樓宇自動化等領域表現強勁,而現在應用到工業市場上,表現一樣非常亮眼。


事實上,工業市場的應用中,需要非常高水準的創新,來提供滿足不同特定需求的解決方案。例如,從家用電器中的微瓦級到工廠電機中的兆瓦級功率產品,以及可以覆蓋一系列數據速率,以及從厘米到數十公里距離遠的連接解決方案,這些背後除了需要電源和能源管理技術之外,更不可或缺的是運算效能更高的MCU。


工業市場發展的關鍵技術包括嵌入式處理器,例如人工智慧功能、有線和無線連接、安全和保護、創新電力技術、雲和邊緣計算以及大數據分析。背後的關鍵技術都有賴於MCU來賦予更高的效能,特別是需要能滿足工業等級的應用場景。工廠自動化或工業自動化是透過工廠設備的連接性能,來提高控制系統的效率和可靠性。而反過來又可以降低成本、提高品質、增加靈活性並減少對環境的影響。


近年來,工業市場的自動化發展讓大家有目共睹。然而工業半導體元件與一般消費級別的晶片必須有所不同,以ST為例,從技術(包括SiC和GaN)以及垂直整合製造能力等方面都進行了大量投資,以滿足工業市場的更高需求。ST過往在消費市場的MCU產品擁有非常高的市場占有率,而近年來也增加了工業等級MCU產品線,也就是STM32系列的一部分,這系列MCU在工廠自動化應用中,為客戶提供了極具吸引力的附加價值。


此外,MCU往往還會搭配許多不同感測元件。ST的工業感測器系列產品(例如加速度計、傾角計、磁性感測器、壓力感測器、接近感測器和溫度感測器),這些許多不同的感測器使用壽命都在10年之久,能滿足工業市場動輒多達數十年的供貨保證期限,並且還在繼續成長,進而有機會開拓新的應用市場。30多年在工業市場的持續投資和經驗,使ST能夠開發出一系列的工業技術與產品,並為客戶提供針對不同應用的定制解決方案。ST認為,對於要求嚴苛的工業應用,沒有一個滿足所有應用的萬能產品,但供應商必須要有能力為所有工業市場提供解決方案來滿足不同需求。


結語

2022年全球仍面對疫情的嚴峻、供應鏈供需失衡等問題、通膨與成本上升,是製造產業的最大困擾。基於數據分析的營運決策、全球化與在地生產的供應鏈管理、提升生產效率、品管與降低成本,也將成為智慧自動化與工業數位轉型的共同認知。而在其中,半導體元件也將扮演著重要的角色,成為自動化產線的最大助力。


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