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工业4.0发生在即 MEMS感测肩负重任
感测能力是智慧工厂的第一步

【作者: 王岫晨】2018年11月14日 星期三

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在工业市场上,一种典范式的转变正在发生,这正是工业4.0的自动化生产革命。一般人或许不太知道工业4.0是什麽。我们可以说工业4.0就是一种工业物联网、智能工厂、或是一种智能化的生产网络。事实上,工业4.0指的就是一种工业生产的价值链,以及商品生产数位化与网路化的全球化趋势。


强化制造业竞争力

而面对这样的全球趋势,各国政府大多必须采行一些相关策略,来强化制造业的竞争力。这些策略通常结合了技术供应商与工厂客户等不同角度的观点,来针对工业自动化与工厂产线实施最隹化工程。在这样的过程中,通常技术供应商会将最新的技术应用於他们自己的工厂中,以及产品的生产过程上,来深入了解其产品的性能。另一方面,则是将这些解决方案提供给市场上的客户,来为他们解决实际生产上的问题。


从工厂客户的角度来看,数据资料、通讯技术与传统高科技方法之间的整合,主要目的都是为了要能提高生产效率。为了实现这样的目的,就必须要满足由市场趋势与市场复杂度增加所衍生而出的新挑战。而从解决方案供应商的角度来看,为新市场设计智能化技术和解决方案,并且接着为这些市场提供服务非常重要。为了要满足供应商和制造商的需求,就需要采取能够兼顾这两种不同观点的产品策略。


智慧工厂从自身做起

目前许多半导体厂商在发展相关的工业4.0解决方案,都已是采用这样的策略来满足多方的不同需求,例如ADI、ST、ROHM等都是其中最好的范例厂商。以针对工业4.0的产品策略来看,面对这样复杂的概念,对这些厂商来说最好的策略,就是将自家生产线转换成为全自动的智能工厂,也就是在自家先实现工业4.0的实做。此外,这些半导体解决方案制造商,还为其他工业生产客户提供创新技术,协助这些厂商将生产设备转变成为智能化工厂。



图1 :  从工厂客户的角度来看,数据资料、通讯技术与传统高科技方法之间的整合,主要目的都是为了要能提高生产效率。
图1 : 从工厂客户的角度来看,数据资料、通讯技术与传统高科技方法之间的整合,主要目的都是为了要能提高生产效率。

当然,这样的过程中,半导体解决方案供应商会遭遇很多的挑战。当客户开始决定是否将其制造设施转变为智能工厂,也意味着他们将着重於提高生产率,同时降低成本。工业4.0将为中小企业客户提供附加价值,而对於半导体制造商而言,他必须满足客户三种需求:新技术、新产品和新商业模式。这三个需求同时涵盖了生产及产品的价值链,从感测器节点开始,透过云端,再到下游的服务。


在转变成为智能工厂的过程中,强烈地需要智能化和节能化,更确切地说,是能够完全自主的系统,可以透过简单的方式整合到现有的生产结构中。这些系统则是由各种半导体元件和感测器所组成,它们与类比及数位讯号处理IC相互结合。工业4.0的价值链就从这些设备开始。首先,感测器负责从真实的世界收集资料,然後再转换和处理数位领域内的数据。


MEM感测器需提供随??即用能力

随着工业4.0价值链的发展,市场需求就需要改变。这就是为什麽半导体制造商必须调整自身的策略以及产品,以实现智能工厂的客户需求。目前技术趋势正朝着智能和节能的产品方向发展,兼具整合性与安全性,并保障其功能以及能量收集能力。ADI的MEMS加速度计和陀螺仪解决方案,可为设计人员提供独立元件和即??即用的iSensor MEMS子系统。这种iSensor MEMS IMU是高度整合的多轴解决方案,结合了??转仪、加速度计、磁力计、压力传感器和其他技术,可在动态条件下实现高自由度应用。


至於ADI的数位温度感测器,则可以在很宽的温度范围内,实现高达±0.25℃的精准度,NIST可追溯,并且可以随??即用,无需额外的信号调理或校准,可以精确的准确度和可靠性检测并测量温度。


此外,ADI数位温度感测器可以整合DAC与ADC。多样化的接囗则包括数位产品的I2C、SPI和PWM,以及类比产品的电流和电压介面等。光学感测器则可在低功耗的条件下,实现非常高的信噪比,这也成为了电池供电应用的理想选择。


多重感测器能力是工业应用的关键

ST的MEMS感测器在消费市场上,拥有领先的地位,在车用领域也具备很高的专业实力。现在ST将这样的能量延伸至工业领域上,为不同的工业应用提供完整的MEMS解决方案。面对新兴工业应用,ST从产品的运送、安装营运到寿命结束,都能提供完整的感测器来控制相关设备。这些产品包括震撞指示器、振动、温度感测、倾斜度、环境振动、温湿度压力计、超音波监测器等,工厂的现有设备可以附加智慧感测器或以无线方式进行局部与云端连结,而新增制造设备则可预先安装智慧感测器或透过IO-Link等有线或无线的方式连线。


图2 : 工业4.0是一场自动化的生产革命,然而却也带来了新的挑战。
图2 : 工业4.0是一场自动化的生产革命,然而却也带来了新的挑战。

另外,针对智慧工业应用,ST相关方案则包括了陀螺仪、六轴加速度计、高精度测斜仪、低功耗加速度计、以及磁力计等,并致力於这些相关产品寿命、组合的扩充与提升。


准确度是感测器产品区隔的关键之一。ST基於过去在消费性MEMS感测器的技术累积与市场经验,现阶段将会进一步打开工业市场的感测器大门,并提供不同工业市场应用的各式各样需求。除了承诺能提供10年的工业产品供货期之外,ST并具备提供多重感测器的能力,这将是推动自动化时代新一波MEMS产品的关键所在。ST也针对工业用感测器需求的扩大,在精确度、耗电及可靠度均提供更先进的效能。


感测器需创造新应用与新价值

感测器技术在许多领域变得越来越重要,例如汽车、医药、建筑、能源和农业等。感测器主要用於独立设备或系统操作的自动控制,例如自动控制机床和其他制造设备的工厂自动化系统,或监控食品温度自动??饪的微波炉。感测器的正朝着两个主要方向发展,第一是透过更复杂的技术来整理并分析感测器收集的数据,从而创造新的应用和新的价值。控制器和自动控制系统正在不断融合,以便在要求安全性与可靠性的应用(如车辆自主制动功能)和医疗电子等设备中扩大应用层面,以持续收集数据资料。第二种趋势则是利用网络技术收集与整合来自大量感测器的数据,并抓取有助於改善生活品质的资讯。大数据技术的成熟,正推动着资通讯领域的新发展和新应用。


ROHM拥有高性能、低功耗加速度计、陀螺仪和6轴感测器,以及支持各种感测器组合的综合软体库,可满足各种不同工业应用的需求。此外如照度感测IC具备趋近人眼视感度的光学特性,以及显示器背光的自动调光功能,不但能降低装置功耗,还能提升画面清晰度。至於温度感测IC则将温度检测功能内建於单一晶片中,能够有效降低管理成本。


结语

工业4.0号称将带动第四次的工业革命,在落实上当然有其困难。特别是工业4.0更偏重於透过网路实体系统来赋予终端装置更高的智能化,且不同领域市场均存在着不同的技术需求,要能满足这些不同层面的应用,除了累积的经验之外,更要有能力提供市场所需的完整产品阵容。随着各大MEMS感测器大厂的解决方案持续推陈出新,也将为工业产线带来更稳定、安全的应用环境。


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