制造業(yè)是國民經(jīng)濟支柱，高端制造裝備是大國重器，而結合了機器人、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)等先進(jìn)技術(shù)的工業(yè)4.0，也正成為全球先進(jìn)制造國家下一波的競爭焦點(diǎn)。為此，在由ASPENCORE旗下《電子工程專(zhuān)輯》、《電子技術(shù)設計》和《國際電子商情》共同舉辦的“工業(yè)4.0與智慧工業(yè)研討會(huì )”上，來(lái)自美國芯源系統有限公司(MPS)、致茂電子(Chroma)、ADI、意法半導體(ST)、英國比克科技(Pico Technology)、優(yōu)傲機器人等公司的技術(shù)專(zhuān)家，就如何把握智慧工業(yè)機遇，為中國產(chǎn)業(yè)轉型做出貢獻等主題，與工程師朋友們共同分享了他們的真知灼見(jiàn)。

智能可編程電源模塊在工業(yè)的應用

MPS公司北中國區副總經(jīng)理盧平指出，設備小型化/高集成化和物聯(lián)網(wǎng)正成為推動(dòng)電源變革的兩大趨勢。前者要求電源具備模塊化特性和更高功率密度，而以遠程可控、有線(xiàn)/無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )為特質(zhì)的物聯(lián)網(wǎng)，則對數字電源、網(wǎng)絡(luò )供電、以及超低功耗提出了新的要求。

MPS公司北中國區副總經(jīng)理盧平

為此，MPS推出了業(yè)界第一款可以網(wǎng)上設置參數，遠程實(shí)現代碼燒寫(xiě)的電源模塊。用戶(hù)可以在MPS官網(wǎng)上利用網(wǎng)站配置和仿真工具快速輸入負載需求，更改輸出電壓，調整無(wú)源元件參數，并即時(shí)評估設計性能。還可立即進(jìn)行設計更改，避免了耗時(shí)的系統驗證和電路板返工，大大縮短設計時(shí)間。MPS則直接在后臺進(jìn)行燒寫(xiě)，之后將樣品送到客戶(hù)手中，所見(jiàn)即所得。盧平表示，這個(gè)創(chuàng )新的電源模塊可以大大簡(jiǎn)化客戶(hù)原型設計時(shí)電源設計的難度，加快設計進(jìn)度。

除了可通過(guò)網(wǎng)站實(shí)現編程外，工程師在現場(chǎng)也可實(shí)現編程。只需為可配置的模塊訂購包括電路板、連接線(xiàn)材、通信接口設備、帶MPS軟件的閃存驅動(dòng)器在內的完整可編程套件，用戶(hù)就可以在數小時(shí)內調整、優(yōu)化和更新設計。

“易于使用、出色的仿真性能和快速制作樣板”是MPS可編程電源模塊的三大特點(diǎn)。

具體而言，工程師無(wú)需使用外部元器件，就可以將電源模塊容易地直接插入電路板使用。并且還可以通過(guò)簡(jiǎn)單的調節輸出電壓和電流限值，來(lái)滿(mǎn)足寬泛的操作要求；仿真軟件工具則允許設計人員模擬和驗證設計性能，并通過(guò)完整的BOM表推薦加快設計過(guò)程。而一旦確定好準確的規格和仿真結果，定制的樣板在幾天內即可投入使用，這也加快了產(chǎn)品的上市時(shí)間。

AIoT智慧工廠(chǎng)系統整合

電商的出現正在讓制造業(yè)轉變成為制造服務(wù)業(yè)，從定制化設計到生產(chǎn)、測試與交貨，已經(jīng)全程實(shí)現了信息自動(dòng)化服務(wù)。對少量多樣的制造生態(tài)需求而言，既需要減少庫存并且越快越好的及時(shí)出貨，又需要快速的備料能力和高度整合的自動(dòng)化與資訊系統。

因此，在中國制造2025和工業(yè)4.0浪潮下，盡管實(shí)現智能制造的方法很多，但在致茂電子(Chroma)智能制造系統事業(yè)部總經(jīng)理林宙看來(lái)，業(yè)界首要思考的問(wèn)題應該是如何通過(guò)工業(yè)4.0版本的制造資訊系統(MES)、4.0 MES智能監控與顯示、輕松將所有設備聯(lián)網(wǎng)以及精確的AI分析這4大工程，建立起智能制造大數據。

他進(jìn)一步分析稱(chēng)，所謂的智慧化工廠(chǎng)，是指該工廠(chǎng)具有以下五大特色：

1.       可自主調整廠(chǎng)區與產(chǎn)線(xiàn)之產(chǎn)能配置；

2.       可自主調整上下游供應配送；

3.       可自主優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)境之資源與能源配置；

4.       可輔助人員正確完成各種操作與組裝測試；

5.       可即時(shí)逆向追蹤生產(chǎn)進(jìn)程與履歷。

但傳統的MES僅限于資料搜集與報表分析，無(wú)法滿(mǎn)足快速變遷時(shí)代的需求。隨著(zhù)工業(yè)4.0時(shí)代來(lái)臨，MES要成為整個(gè)工廠(chǎng)自動(dòng)化控制的核心系統，就不僅要擁有MES的原有范疇，還要包括CIM、EAP、機臺連線(xiàn)、整合機械手臂等多種功能。

因此，只有當海量資料先進(jìn)分析、虛擬工廠(chǎng)設計與自動(dòng)化系統整合、物聯(lián)網(wǎng)裝置與系統、智能裝置與系統、機器人與機器手臂等五大關(guān)鍵領(lǐng)域同步發(fā)展，并高度結合與整合，才能使制造工廠(chǎng)正式進(jìn)化為智慧工廠(chǎng)。

海量資料先進(jìn)分析

運用云端運算能力，分析由每臺機器設備與裝置所傳來(lái)的海量資料，進(jìn)行篩選、分析、過(guò)濾設備可能故障原因、產(chǎn)品瑕疵發(fā)生原因，提高設備使用率與產(chǎn)品良率，另可透過(guò)巨量資料分析市場(chǎng)終端消費需求，提供次世代產(chǎn)品功能設計之參考。

物聯(lián)網(wǎng)裝置與系統

利用感測、有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)、行動(dòng)、衛星等多種通訊網(wǎng)絡(luò )，使設備、裝置、控制中心的各種數據資料與參數，可以在設備、裝置、控制中心之間傳輸，且具備避免電氣干擾、資料竄改、線(xiàn)路備援等安全機制，確保每一筆資料的安全性。

有別于市面上大多數的系統，致茂電子的Smart Controller工業(yè)級智能控制器通過(guò)Android App與PC端控制軟件運行，擁有多樣性、擴充性、方便性、穩定性四大特色。例如：通過(guò)Android App整合多種設備類(lèi)型，無(wú)論哪一種設備皆可以藉由APP與機臺輕松互動(dòng)；經(jīng)由專(zhuān)業(yè)性ESD檢測外殼具有散熱與抗干擾設計，可以穩定24小時(shí)不斷電運作；雙網(wǎng)口的設計使多臺控制器之間可用網(wǎng)絡(luò )串聯(lián)，結合現有網(wǎng)絡(luò )，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)成本；用戶(hù)不但可依照不同需求搭配不同的APP軟件，還可自行擴充包括CAN bus、SPI、I2C在內的多種接口。

林宙建議采用以以太網(wǎng)絡(luò )為基礎的OPC+Web Service架構各自對應現有復雜PLC與個(gè)人計算機為基礎的機臺。不僅成本相對低許多，也足夠滿(mǎn)足一般制造工廠(chǎng)的需求，更何況相關(guān)人才眾多，系統有問(wèn)題時(shí)可以隨時(shí)找到相關(guān)人員進(jìn)行調整、除錯，因此導入此架構將可獲得較多優(yōu)勢，也能提升導入工廠(chǎng)自動(dòng)化或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的意愿。

虛擬工廠(chǎng)設計與自動(dòng)化系統整合

建置實(shí)體生產(chǎn)線(xiàn)與工廠(chǎng)前，先在虛擬系統進(jìn)行生產(chǎn)線(xiàn)與工廠(chǎng)設計，以及直接在生產(chǎn)系統進(jìn)行自動(dòng)化系統整合規劃，大幅減少實(shí)體建設與整合所需要的資金、時(shí)間、材料等重要成本，讓產(chǎn)品得以更快速進(jìn)入市場(chǎng)。

智能裝置與系統

智能判斷與決策，并主動(dòng)與其他設備交換資訊，不需人力介入即可依據實(shí)際狀況進(jìn)行即時(shí)運轉調配，提升整體材料、能源、人力、時(shí)間等資源之利用效率。

Chroma新一代的電子看板管理解決方案，以Android平臺裝置透過(guò)HDMI界面與各類(lèi)型顯示器整合，在工廠(chǎng)環(huán)境下以Wi-Fi快速傳遞各種信息至顯示屏幕上，后臺以Web界面的方式快速設定看板配置，可在工廠(chǎng)、醫院、賣(mài)場(chǎng)、公共環(huán)境等區域即時(shí)調整與上傳看板資訊。Chroma FEP則可依各區域配置需求即時(shí)建立新的看板，透過(guò)單一管理平臺設定模版，將各功能模組以拖曳方式完成模版建置，再分配給各區域電子看板呈現多元化資訊，可配置的功能包含圖檔、氣象資訊、時(shí)鐘、跑馬燈、儀表板、圖表、公告欄、資料表、內嵌網(wǎng)頁(yè)等。

機器人與機器手臂

以機器人與機器手臂取代人力，執行高重復性、高負重度、高疲勞度、高傷害性、高危險度、高污染性等作業(yè)，提高制造產(chǎn)線(xiàn)的產(chǎn)能與效率。

工業(yè)4.0系統設計中電源設計的挑戰

“工業(yè)4.0 時(shí)代，在使用大量數據、設有各種傳感器的工廠(chǎng)中，電源的外形尺寸、效率、EMI這些性能指標更為關(guān)鍵。”ADI電源產(chǎn)品中國區市場(chǎng)總監梁再信說(shuō)，如果說(shuō)工業(yè)4.0是一場(chǎng)革命，ADI以µModule技術(shù)為主的高性能電源正在推動(dòng)基礎技術(shù)變革。

ADI電源產(chǎn)品中國區市場(chǎng)總監梁再信

作為高端工業(yè)智能領(lǐng)域的高性能模擬器件供應商，ADI認為未來(lái)工業(yè)4.0的設備和裝置的智能化會(huì )越來(lái)越高，這時(shí)設備“是否夠靈活、效率是否夠高、溝通暢否、安全性以及可靠性”都是非常關(guān)鍵的性能要求。

為了滿(mǎn)足上述五點(diǎn)要求，ADI 針對工業(yè)4.0領(lǐng)域的電源創(chuàng )新主要考慮以下三個(gè)維度：

效率，做到更加節能、提高效率，不斷突破極致

外形尺寸，在做出高性能電源的同時(shí)，減少PCB尺寸以及增加更多的功

EMI，不斷提高產(chǎn)品的可靠性、創(chuàng )新性，設計出更完美的噪聲處理方案

要想做出高集成度的電源產(chǎn)品，電路板小尺寸、薄型化等是關(guān)鍵方向。“做好電源模塊，讓產(chǎn)品設計工程師專(zhuān)注于做系統級設計，而不用花時(shí)間去調一個(gè)復雜的電源系統。”梁再信表示這是電源模塊的關(guān)鍵點(diǎn)。他給出了某個(gè)系統IO和內核供電系統的示例，成功節省30到100個(gè)的元器件數量，而且整個(gè)系統的可靠性也會(huì )得到提升。

比如 ADI µModule (微型模塊)穩壓器LTM4622，該產(chǎn)品采用纖巧的超薄型6.25mm x 6.25mm x 1.82mm LGA和6.25mm x 6.25mm x 2.42mm BGA封裝，封裝中內置了開(kāi)關(guān)控制器、功率FET、電感器和支持組件，其高開(kāi)關(guān)頻率和電流模式控制的運用可實(shí)現針對電壓和負載變化的非?？焖偎矐B(tài)響應，而并不犧牲穩定性。此外，四路4A電源模塊整列LTM4644，輸出可通過(guò)并聯(lián)形成一個(gè)陣列以提供高達16A的電流能力，該電源模塊的高效率設計使每個(gè)通道能夠提供4A連續(5A峰值)輸出電流，僅需大容量的輸入和輸出電容器。

怎么樣減少系統的噪聲和干擾，EMI是關(guān)鍵，而大部分的EMI問(wèn)題都是從電源干擾來(lái)的。從梁再信現場(chǎng)分享的剖面圖來(lái)看，磁場(chǎng)因為反向，形成一個(gè)閉環(huán)回路。ADI Silent Switcher已經(jīng)演進(jìn)到第三代，要解決的問(wèn)題是如何在超小體積、高功率的情況下控制EMI，讓該指標遠遠低于標準。

 “大家知道LDO就是為了降低紋波，而且也能提高效率。但電路板上還有一些給ADC用的基準電源，它的噪聲也比較低。但基準和LDO針對的應用場(chǎng)景卻不一樣，前者追求初始精度和長(cháng)期穩定性，而后者則是追求怎樣去輸出大電流。”梁再信補充分析道。

目前，ADI Silent Switcher2 產(chǎn)品效率可達93%，滿(mǎn)足CISPR25 Class 5 EMI的指標，以該系列產(chǎn)品中的LT8609為例，即使僅僅使用簡(jiǎn)單的2層板，也同樣能夠實(shí)現很低的EMI表現。

除此之外，梁再信還介紹了ADI 大電流超級電容器后備控制器和系統監視器LTC3350以及備份電源LTC4041針對工業(yè)4.0設備做掉電保護的典型應用。