摘要：智能制造涉及云计算、嵌入式视觉、工业和消费类物联网（IIoT和IoT）及5G等各个领域，随着社会需求的不断提高，相关政策支持的不断完善，以及基础技术的持续发展，智能制造的各项技术也将得到进一步的突破和发展。
关键词：智能制造；物联网；工业通讯网络
DOI：10.3969/j.jssn.1005-5517.2017.2.003
人工智能与互联网技术融合下的“机器人2.0”
机器人在汽车、电子制造等行业中的应用已经非常普遍，但目前的机器人多指一些自动化设备，并不是真正意义上的机器人。而随着传感器、人工智能等技术的进步，未来，机器人将逐渐与人工智能、云计算、大数据、互联网等信息技术相结合，实现感知、深度学习和决策等功能，从执行一项简单重复性的工作进化为执行各种复杂多样化的工作，并开始应用大数据实现自律化。如今，微软、谷歌、英特尔等科技巨头已进军机器人产业.布局“机器人2.0”时代，引领智能机器人的创新发展。我国已发布《机器人产业发展规划（2016-2020年）》，重点开展人工智能、机器人深度学习等新一代机器人技术研究，注重战略性、前瞻性、创新性的工作，以期在机器人产业变革中实现“弯道超车”。
专业级无人机
由于航拍应用的局限性，消费级无人机市场短期内将不会呈现爆发式增长，从技术、成本、应用成熟度和行业发展规律等角度看，中国无人机市场正在逐渐走向成熟，愈发激烈的竞争也促使企业向专业级应用转型。技术方面，随着传统数据处理芯片厂商，如英特尔、高通、英伟达布局无人机数据处理平台上，无人机将成为实现人工智能的最佳载体，快速突破专业应用的技术瓶颈。产品方面，以歌尔声学、比亚迪为代表的ODM厂商逐渐布局无人机生产制造，加速产品量产及迭代，有效降低专业应用成本，从根本上推动专业应用市场的发展。应用方面，经过几年的用户培养，无人机在各专业领域，尤其是农业植保的应用逐步为用户所接受，无人机专业应用将呈现旺盛的市场需求。
互联性对智能设备更高的性能要求
互联大趋势要求更高的可编程性和软件定义性
未来将会有超过500亿的器件和机器于2020年前实现互连。一旦连接，它们必须具有足够的安全性以抵御硬件级别的直接入侵。因为这些设备、机器、系统和网络对环境的感知度越来越高，它们必须适应它们的环境和需求，因而必须具有更高的可编程性与软件定义性。此外，它们还必须具备可扩展性，因为越来越多的功能不仅进行了虚拟化，而且还高效映射到了共享计算资源中。由于数据和视频是通过无处不在的传感器和摄像机采集的，因此，分析必须帮助这些机器进行识别、说明、决策和行动。此外，这些系统和网络还必须满足心急的最终用户与实时场景不断增长的需要，其需要即时的低时延响应。然而在幕后，它们还必须在尽量降低功耗的同时，通过更为高级的算法处理呈指数增长的数据量、数据包和像素。并且还必须高度差异化，否则将在竞争日益激烈的低成本全球市场中失败。这只能通过将软件智能与硬件优化、“任意”连接相组合来实现。Xilinx全可编程解决方案可实现更智能的互连差异化系统，从而可将高级别的软件智能性与硬件优化及“任意”连接功能进行完美整合，成为驱动行业大趋势未来发展的强大动力。
关键技术相互依存
推动这些大趋势的一些关键技术，包括机器学习训练和推断、实时的计算机视觉、日益异构化的传感器融合、预测分析、大规模无线MIMO，网络功能虚拟化（NFV）以及超高清视频串流。我们看到的是，技术的进步有空前加速和统一的趋势，众多的技术正在不断地被组合在一起，创造出全新的应用和市场。
我们也越来越多地看到这些大趋势和相关支持技术的相互依存。例如，包括自動驾驶汽车、“协作机器人（Cobot）”和“感知与规避”无人机等视觉导向的自主系统的开发，就是通过将可重配置和实时传感器融合、计算机视觉和机器学习技术集中于同一“全可编程”或者硬件加速多处理系统级芯片（MPSoC）而实现的。
由于5G连接技术的出现，这些自主系统将成为物联网的组成部分，从而获得不间断的机器学习训练更新、预测维护指令、新功能及服务更新，以及实时的超高清视频云端上传和下载。在“雾”计算的配合下，云计算将利用可重配置的FPGA加速技术，以更高的吞吐量和更低的时延处理这些工作负载。
扩阵容、推环境、建专区
一方面，Xilinx大力扩充了其产品阵容。今天的Xilinx从产品上既有广泛的全可编程FPGA器件系列，还包括从单核到双核，直到多核的可扩展型系统级Zynq SoC及MPSoC芯片；既有传统的高端产品系列，又扩充了强大的成本优化型FPGA系列和基于ARM的SoC系列产品，从而为越来越多领域对全可编程器件的需求提供了丰富的选择。
另一方面，为满足更加广泛的软件与系统工程师社区的需求，Xilinx推出新一代软件定义的SDX开发环境，大幅降低FPGA开发难度，为软件及系统级工程师也能享受FPGA硬件开发的优势提供了“全可编程”的编程模式，工程师可以用其熟悉的C、C++、OpenCL语言或者堆栈进行设计。
此外，面向可编程器件应用需求，Xilinx相继在官网推出了面向软件、硬件及系统开发人员的嵌入式视觉开发者专区及“加速专区”。其中汇集庞大而丰富的工程设计资源，包括软件开发优化库、硬件开发人员视觉IP、项目，以及Xilinx及其联盟计划成员和社区开发人员所提供的各种教程。通过这些专区，Xilinx为开发人员快速启动开发下一代视觉系统提供了一个“一站式平台”，帮助他们充分利用基于机器学习技术的传感器融合、高级计算机视觉算法以及对象检测与分析功能等。
工业通讯网络成为关键
全球各主要工业发达国家引领生产方式变革，稳步推进实施再工业化、制造业回归、工业4.0等发展战略，发展中国家制造业摆脱落后产能，实现转型升级的需求日趋迫切。
以此为契机，工业通信网络成为了提高生产效率和实时处理的关键组成部分。如今，工业以太网协议，如EtherCAT、PROFINET、Ethernet I/P等的节点数量和拓扑结构复杂性的增加，确保了高效通信的可靠性和效率。这些通信网络成为贯穿整个工厂生产的关键。
运动控制市场需求增长
就国内而言，“中国制造2025”等政策为运动控制产品提供了强有力的政策支持，未来该市场仍有很大的增长潜力。“智慧工厂”概念将为运动控制产品带来巨大需求；市场对相关设备产品以及解决方案的需求也应运而生，主要表现在：小型运动控制方案正在向包含通讯、反馈、控制等的大型方案转变和中小客户在产业升级过程中对运动控制需求增长。
以太网通讯相关芯片——RZ/T1系列
近年来，针对这一市场趋势，瑞萨电子推出了一系列工业以太网通信相关芯片。其中，RZ/T1系列是适用于AC伺服系统的高速实时性芯片。这颗芯片基于ARM核，不含ROM的设计使其拥有更高的主频，能实现更高速实时的处理，这是一般Flash MCU所无法企及的。
RZ/T1系列是集成度非常高的芯片，它由三大块组成，即：
1.搭载超实时性MCU：Cortex-R4F@300/450/600MHz（可选），含单、双精度浮点运算单元，内置紧密耦合存储器（512K+32K，TCM），消除缓存存储器易造成的执行时间波动，从而实现高速处理和相应。
2.内置用于工业以太网通信的R-IN引擎：Cortex-M3@150MHz，可支持多种标准工业以太网通信协议，如EtherCAT、PROFINET、Ethernet I/P等，客户无需外置其它专用以太网通信芯片。
3.内置编码器接口：支持多种协议的编码器接口，如NlKON A-Format、EnDat、BISS-B/C、Tamagawa Seiki等，客户无需外置FPGA/ASIC即可实现绝对值编码器接口功能。
基于RZ/T1芯片，瑞萨电子也提供相应的开发评估套件及运动控制解决方案套件，帮助客户更容易地评估RZ/T1的各种特性和驱动控制性能，缩短开发周期。运动控制解决方案套件包含所有开发需要的设备，包括MPU主板、变频板、电机、固件、工具、文档等。
边缘计算和存储的应用需求
智能制造网络边缘安全需要重视
边缘计算以及存储增加是我们持续观察到的趋势。随着行业变革开始向工业物联网（IIoT）和工业4.0发展，制造行业的机遇仍在孕育当中。智能制造的最终目标是通过互联的流程和实时的产品增加对信息的安全访问和可见性，从而提高整个生态系统的效率和生产率。因此，智能制造需要更多边缘计算和存储，并且可靠、安全地连接到云。
据“Cisco全球云指数”估计，一家互联智能工厂每天可产生1PB数据，其中只有0.2%的数据传输回云。传输到云的数据量可能因回程的成本效益、数据所有权问题等因素而异，由此导致了大量的边缘处理和数据存储要求，目的是通过数据分析获益。
随着智能制造进入数字化时代，网络安全成为亟需解决的热门话题。贯穿在当今众多攻击事件中的共同主题是：攻击者将恶意代码写入通常位于网络附近或边缘位置的设备的非易失性存储中，意图令该设备成为恶意僵尸网络的一部分。随着网络安全防御体系的发展正在跟上最新攻击的发展步伐，充分利用软件和硬件的现有功能至关重要。因此，切不可轻视智能制造网络边缘的系统代码保护工作。边缘计算在制造业中的应用
在制造业中，边缘计算意味着“互联”机器可以实时收集、分析数据，并做出明智的决策。这些计算单元可以通过传统的无线局域网或以太网网络实现互联，但由于蜂窝网络广为普及且部署成本较低，因此，使用微型机器对机器（M2M）模块进行连接更为高效，这些模块嵌入到这些边缘计算单元中，可以始终开启、随时可用。这些单元的部署范围相当广，可以部署在工厂的远程节点中，也可以部署到生产车间执行重复任务的机器人中。这些边缘计算单元可直接与云基础设施进行通讯，并直接提供用于分析的数据。通过机器学习和各项规则，这些单元还可以根据历史行为预测潜在问题或故障。这为操作员提供了充足的预警，方便做出变更并避免停机，从而提高工作效率并提供更高的投资回报（ROI）。这些边缘计算单元可以是安全、强大、耐用且性能更高的微型解决方案，比如M2M模块、工业物联网网关或工业PC（IPC），它们还可以执行边缘分析，提供实时决策和行动。这些工业PC通常采用x86和ARM处理器，具备各种外形尺寸，可扩展性好，能够满足多种客户需求，足以取代可编程逻辑控制器（PLC）或可编程自动化控制器（PAC）等传统的专用解决方案。此外，工厂中的操作员还可以利用工业PC执行工单管理、通知、报告和仪表盘任务，有助于提高效率。这样的工业PC可以紧密集成到分布式控制系统或常用的自动化工具中。工业物联网网关是另一种工业PC，可以通过嵌入式蜂窝技术连接可部署的其他高级功能。值得注意的是，虽然蜂窝技术的进步带来很多突破，新的蜂窝解决方案不断问世，但由于工业物联网网关要在极端环境中进行部署，因此，通常该类型网关对于坚固耐用有更高的要求。
工业商数（IQ）
综合上述挑战和趋势，美光科技推出了自己的工业商数（IQ）来应对各项挑战。推出工业商数（IQ）是为了针对工业产品设计在内存和存储方面做出明智的选择，不仅有助于满足功能性的产品要求，还可以确保设计的长期可靠性和品质，适合广泛的耐用型/工业使用案例（特别是边缘计算）。
美光认为工业商数相当重要，这体现着其“设计流程中提前选择的电子组件和存储解决方案对实现长期成功至关重要”这一思维模式。该商数所包括的范围可从针对具体应用的固件调整、严格的产品认证、温度可靠性测试、扩展的产品可用性，到更高效地管理硬件产品线、最大程度减少代价高昂的现场故障和維护停机，进而降低总体拥有成本（TCO）。以机器人为例，只选择技术正确、密度合适的存储是不够的，还务必要考虑使用寿命、冲击和振动下的性能稳定性、可靠性以及与安全性相关的参数。
工业以太网演进的PHY解决方案
现代工业环境充斥着复杂的自动化和制造技术，网络连接是使其基本运行的关键所在。工业网络通常包括可编程逻辑控制器（PLC）、电机控制和驱动，以及传感器网络和人机接口（HMI）。以太网技术将工业网络中的所有这些节点连接起来，在网络上传递精确控制和同步时钟等信息。高速装配线机器人是工厂应用以太网的一个例子，通过实时协调节点移动，以确保成品被完好无损地进行包装。
与在办公网络之类的企业应用中部署以太网不同，工业网路有更多物理与电子不良的环境
这就带来了一系列特殊的挑战。以太网组件和IEEE802.3系列标准正在不断发展，以满足工厂车间的特殊需求。环境高温、电压浪涌、严格的延迟要求和不断增长的网络速度是工业级以太网PHY（物理层设备或者收发器）必须要解决的一些关键挑战。
在极端环境中工作
在工业环境中，温度很难控制，这是因为通过以太网连接的电机和机器人通常必须在非常高的温度下焊接金属，此外，工厂的建筑结构也造成了难以提供良好的通风条件。为满足工业环境的需求，PHY必须被设计成在很宽的温度范围内能够发挥出其额定性能。例如，工业以太网PHY应能够在一40至85℃的温度范围内工作，可承受125℃的最大结温，即使环境温度持续数小时高温也能保持性能不变。
除了在高温下工作，PHY还应能承受高压浪涌。机械设备有时会突然聚积电荷，损坏部件并导致工业系统出现故障。通过增强静电放电（ESD）保护电路，PHY可以适当保护工业环境免受电荷波动的破坏。
在工业环境中实现高性能以太网的另一个挑战是实时应用，实时应用对延迟有非常严格的限制。在线性菊花链拓扑中，每个节点的延迟要非常小，才能保证整个网络满足快速请求和响应周期时间要求。为满足工业网络的实时要求，PHY应具备低延迟和确定性延迟特性。在菊花链下，低延迟能实现更快的响应，而确定性延迟可以实现跨网络单元的精确定时同步。与未经优化的方案相比，优化后的PHY能够将延迟降低30%至40%，从而提高了效率和效能。
满足不断增长的网络速度要求也是工业PHY的一个关键特性。虽然百兆的速度足以满足当今大多数工厂应用的需求，但是要求能够支持千兆电接口的需求越来越多。由于工业设备和网络的安装成本很高，因此建议PHY设备能够支持高达千兆的网络速度要求，以适应未来的解决方案。
工业解决方案的现状和未来
工厂变得更加智能，更加网络化，一些行业专家认为正在出现第四次工业革命。然而，随着不断出现的工业创新，很显然，在工厂中维持高性能互联将变得愈发重要。连接延迟、中断或故障有可能使生产减缓甚至停产，从而导致收入损失。不受恶劣工厂条件影响的硬件连接对于工业网络的实现是非常有价值的。
Marvell的88E151 2P、88E1510Q和88E1 548P PHY系列产品专为满足实时工业以太网的严格要求而设计，可用于千兆独立和交换系统的快速开发和部署。Marvell的PHY系列解决方案提供增强ESD保护、低延迟和确定性延迟特性，并具备在扩展温度范围内工作的能力，保证了工业网络能够长期保持性能稳定。Marvell的收发器符合1000BASE-T、1 00BASE-TX和10BASE-T标准，满足了工厂当前和未来的网络速度要求。该系列还支持采用了新一代MAC的节能以太网（EEE，EnergyEfficient Ethernet）。这系列PHY产品提供48管脚、56管脚QFN封装或196管脚TFBGA封装，以及各种主机接口选择，例如RGMII、MII和SGMII。MarveII还提供配合PHY产品系列的Prestera和Link Street交换机芯片和ARMADA嵌入式系统芯片。
印刷型电子产品成为当下趋势柔性混合电子学（FHE）
Molex公司GIGT业部高级销售工程师Linda Shan认为，智能制造领域当前的一个主要趋势就是印刷型电子产品，该产品在微型化医疗设备的设计方面可以带来巨大的优势，对于可穿戴诊断设备尤其明显。印刷型电子产品还可作为一种“智能”并且经济节省的方式来提供小尺寸、高柔性的集成传感器解决方案，理想用于生理、环境和生化上的监控，与传统电路相比，总成本要低得多。这种新一代的多功能、高灵活性传感器解决方案适合超移动空间内的部署。该解决方案还特别适用于包含了智能手表、运动腕带和智能手机在内的、采用越来越多传感器的产品，这类产品正在集成到已经高度复杂的各种设备当中。
最终产品的灵活性已经被证明是对于多种应用的一项关键需求，在智能制造方面开辟了一个新的领域，即所谓的柔性混合电子学（FHE）。FHE适用于日益受物联网/工业物联网中对传感器阵列的需求而推动的传感器监控功能，以及健身跟踪和医疗监控功能。此外，智能制造下的FHE还可应用于各种大型结构的传感器，范围从航空器和地面交通工具一直延伸到恶劣环境下的轻量级加固传感器。FHE应用还包含了农业、产品包装以及体育器材。
印刷型电池和网络通信带来的支持
可穿戴电子产品以及物联网（IOT）是两个相对较新的市场，这两个市场正在通过柔性混合电子学（FHE）推动着智能制造业的发展。FHE技术可以带来各种设备，整合起无线连接、传感器阵列通信、触摸界面和语音界面，以及使用创新性封装技术、在尺寸更小的柔性基板上实现组件部署的低功率操作。
在这种智能制造当中，电池自身也成了印刷型产品。比如说，Enfucell就是在印刷型电池设计领域的先驱。Molex现已签订了一份全球性许可协议来制造Enfucell的SoftBattery电源。这使得Molex可以更好地服务于使用印刷型电池为传感器阵列供电的、不断增长的市场。
智能制造已经以工业4.0和工业物联网的形式开始蓬勃发展，而网络通信解决方案供应商可以为这一过渡过程提供支持。Molex与远程维护和网络安全产品及解決方案的制造商MB Connect Line GmbH达成一项协议，使得他们共同致力于向复杂机械设备的制造商以及自动化的提供商提供对数据和网络的高度安全可靠的远程访问能力。
M0lex智能制造解决方案
Molex的Soligie印刷型电子传器感具备在塑料、纸质以及金属箔之类柔性基板上制作组件和互连功能的全部优势。这样可在微型化医疗设备的设计过程中提供一项主要的优势。Soligie印刷型电子传器感设计采用了低成本的基板，在其上可以使用导电银墨来形成电路，从而添加组件；同时还采用了高精度的卷对卷（R2R）高速印刷工艺，完全等效于铜电路的性能，可以减少制造工艺、使用的材料，并降低成本。本产品适用于传感器、电池、LED和其他无源装置的集成，与传统的电路相比总成本更低，可实现小尺寸、高灵活性的一体化传感器解决方案。
Molex新开发的Brad IP67解决方案智能制造产品组合。这种工业通信下的开放标准协议基于IO-Link技术，可以通过PROFINET将小型传感器和执行器连接到网络。采用菊花链布线拓扑结构，集成的2端口交换机可达到100Mbps的全双工数据传输速率，在为应用布线的过程中无需使用交换机，为机器的制造商降低总成本。短路保护、介质冗余协议（MRP）、网络服务器以及可视的诊断用LED指示灯之类的高级模块功能便于使用，可简化设备的操作。
电池技术的发展与应用
电池技术在各领域中的发展
在传统的航空航天应用中，对电源的可靠性、效率、重量和体积的要求从未降低。这些年来在航空航天中新型电子材料的出现，例如GaN功放的应用，能使得系统性能大幅提高，也因此对电源提出了更高要求，不仅要求功率密度，还对产品的高度提出了苛刻要求。
新能源汽车一直是Vicor重点关注的领域，为了满足国家对车企的排放燃油要求，众多车企将汽油车改装成油电混合汽车，甚至直接将动力系统改成纯电系统。为了维持汽车重量尺寸不变，电源的重量、尺寸和散热性能都需要满足具有挑战性的技术指标。Vicor上一代基于ChiP的方案明显改善了新能源汽车DCDC的功率密度。
SG作为新一代通讯技术标准，MIMO将得到更广泛的应用。无线产品板上供电系统将有所改变，功率会更大，而产品的体积不会变大，直接从高输入电压转换到目标电压是目前关注焦点。
近几年，各种电池技术的发展与应用非常迅速，如采用电池作为动力源的自动化搬运机器人、为电路系统供电的测试设备等，这些产品提高了工厂自动化产线的生产效率。而高效、轻便的电源管理方案能延长电池的工作时间。由于电池电压的波动，采用高效升降压转换器稳压的电池具有更大的可用性。
电源的智能化
高效率、低成本、低能耗的绿色智能工厂已经成为各制造企业追求的目标。在该目标下，电源技术一直围绕着提升效率和密度在发展，效率和密度提升了，单位功率的成本就降下来了。在发展过程中出现了新的材料，新的技术和新的封装。例如，SiC、GaN宽禁带材料经过这几年的发展，已经开始应用于越来越多的电源系统中，产生了良好的效应。无线充电技术的应用给工业智能化的带来更多的可能。
智能制造也需要电源的智能化，电源的可通讯性将是未来对电源的一个基本要求。具有通讯接口的电源，可以直接将电源的各种状态汇报给管理系统，并且根据系统需要做动态调整。
Vicor的ChiP平台及升降压技术
Vicor从2013年开始将ACDC、DCDC等不同的电源架构封装在ChiP平台中，紧接着为了改善客户应用中的散热问题，将ChiP置于双面增强散热的VIA封装中。这两个已经完全量产的平台可以提供灵活的产品选型。这些产品都可以选择支持PMBus通讯接口。
Vicor具有非常好的升降压技术，能够把输入电压范围扩展宽，兼容非常高的输入比，可以支持传统汽车、新能源汽车、医疗设备和其他电池供电设备等应用。其中降压芯片P13S2x系列芯片采用ZVS技术，可以支持高输入输出电压差。在典型的SG通讯应用中，从48V转SV，20A輸出，转换效率超过93%。今年还将推出全新电源架构的稳压隔离产品，功率密度将数倍于现有Vicor的产品。
相关热词搜索： 技术发展 市场前景 智能 制造
