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來(lái)源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard 工業(yè) 4.0 依賴(lài)于電子產(chǎn)品制造的智能自動(dòng)化。自動(dòng)化功能不僅越來(lái)越強大，而且無(wú)處不在，從邊緣到云，已經(jīng)運用到傳感器、機器人和協(xié)作機器人、可編程邏輯控制器 (PLC) 和各種各樣的其他設備中。半導體晶圓、集成電路、無(wú)源元件、包裝和電子系統都依賴(lài)于智能自動(dòng)化生產(chǎn)，涵蓋了消費、綠色能源、汽車(chē)、醫療、工業(yè)、軍事/航空航天等許多應用領(lǐng)域。統一的制造執行系統 (MES) 對從原材料到成品的整個(gè)制造鏈進(jìn)行實(shí)時(shí)監測、控制、跟蹤和記錄。 工業(yè) 4.0 中的網(wǎng)絡(luò )物理自動(dòng)化系統超越了傳統的制造活動(dòng)，依靠從云端深度強化學(xué)習到邊緣微型機器學(xué)習 (tinyML) 的各種形式的機器學(xué)習 (ML)，以實(shí)現靈活生產(chǎn)、持續改進(jìn)和穩定的高品質(zhì)。連接層數越來(lái)越多以及邊緣計算、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 和云計算的結合，日益加劇與網(wǎng)絡(luò )安全有關(guān)的挑戰。區塊鏈最近已進(jìn)入人們的視野，能夠實(shí)現全面、安全的供應鏈管理。 本文探討電子制造業(yè)領(lǐng)域中的關(guān)鍵自動(dòng)化趨勢，包括不斷增加的連接層、網(wǎng)絡(luò )安全方面日益增長(cháng)的需求、專(zhuān)門(mén)實(shí)施正在部署的 ML，以及可追溯性和 MES 如何支持實(shí)時(shí)生產(chǎn)指標和分析。然后，介紹全面實(shí)現工業(yè) 4.0 對高質(zhì)量、低成本化大規模定制的承諾而所需的一些技術(shù)，包括 DigKey 如何以廣泛的解決方案來(lái)滿(mǎn)足自動(dòng)化系統設計者的需求。最后，介紹區塊鏈是如何用來(lái)部署高度安全的企業(yè)級供應鏈管理系統的。 連接層越來(lái)越多 工業(yè) 4.0 中的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 包括了更多用于傳感器網(wǎng)絡(luò )、自主移動(dòng)機器人 (AMR) 和其他系統的有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )層。例如，開(kāi)發(fā) IO-Link 的目的是為了向大量傳感器、執行器、指示器以及其他以前未連接的傳統邊緣設備提供簡(jiǎn)化的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )連接，使其與諸如以太網(wǎng) IP、Modbus TCP/IP 和 PROFINET 等更高級別的網(wǎng)絡(luò )連接。借助 IO-Link，這些設備的輸入和輸出 (IO) 被捕獲后轉換為 IO-Link 協(xié)議，用于通過(guò) IEC 60974-5-2 標準規定的單一 4 線(xiàn)或 5 線(xiàn)非屏蔽電纜實(shí)現 IEC 61131-9 標準規定的串行連接（圖 1）。除了提供新網(wǎng)絡(luò )層以獲取有關(guān)工廠(chǎng)流程的更細化信息外，IO-Link 還支持快速部署和遠程配置、監測和診斷所連接的設備，以支持工業(yè) 4.0 工廠(chǎng)實(shí)現大規模定制所需的生產(chǎn)線(xiàn)和流程變化。 
圖 1：IO-Link 可用于把傳感器以及其他使用不同接口的設備連接至以太網(wǎng)、PROFINET 或 Modbus 網(wǎng)絡(luò )。（圖片來(lái)源：Banner Engineering） 從傳感器到機器人的各種無(wú)線(xiàn) IIoT 設備也有助于實(shí)現不斷增加的網(wǎng)絡(luò )層。包括 Wi-Fi、5G、LTE 等各種無(wú)線(xiàn)協(xié)議都已應用于現代工廠(chǎng)。例如，AMR 使用板載傳感器和 Wi-Fi 連接的組合來(lái)了解其周?chē)h(huán)境，識別可能的障礙物并安全有效地從一個(gè)地方移動(dòng)至另一個(gè)地方。協(xié)作機器人 (cobots) 用于與人合作，以提高工作效率。這種機器人通常需要采用無(wú)線(xiàn)連接。某些情況下，AMR 會(huì )根據需要使協(xié)作機器人在不同的任務(wù)間切換（圖 2）。
圖 2：AMR（下方）可以利用機載傳感器和無(wú)線(xiàn)連接的組合從一個(gè)地點(diǎn)導航到另一個(gè)地點(diǎn)，并撿起一個(gè)立方體（上方）移動(dòng)至新的工作臺。（圖片來(lái)源：Omron） 越來(lái)越多的網(wǎng)絡(luò )危險 工業(yè)網(wǎng)絡(luò )的層數越來(lái)越多，而且所連接設備的數量在爆炸性增長(cháng)，從而導致了安全威脅載體越來(lái)越多，網(wǎng)絡(luò )危險越來(lái)越大。目前，已經(jīng)制定的一些工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)安全標準及方法包括國際電工委員會(huì ) (IEC) 62443、物聯(lián)網(wǎng)平臺安全評估標準 (SESIP)。 IEC 62443 是由國際自動(dòng)化學(xué)會(huì ) (ISA) 99 委員會(huì )制定并由 IEC 批準的一系列標準。IEC 62443 標準是一個(gè)有 800 多頁(yè)的工業(yè)自動(dòng)化和控制系統 (IACS) 系列標準，包括 4 個(gè)大部分 14 個(gè)子部分（圖 3）。界定產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和組件安全要求的關(guān)鍵部分是： · IEC 62443-4-1：產(chǎn)品安全開(kāi)發(fā)生命周期要求——定義安全產(chǎn)品開(kāi)發(fā)生命周期，包括初始需求定義、安全設計和實(shí)施、驗證和批準、缺陷和修補管理以及壽命終結。 · IEC 62443-4-2：工業(yè)自動(dòng)化和控制系統的安全：IACS 組件的技術(shù)安全要求——規定安全能力，使組件能夠減輕特定安全級別的威脅。
圖 3：IEC 62443 是一套全面的 IACS 安全標準。（圖片來(lái)源：IEC） SESIP 標準由 GlobalPlatform 發(fā)布，定義評估互聯(lián)產(chǎn)品安全的通用結構，并解決了物聯(lián)網(wǎng)特有的合規性、安全性、隱私性和可擴展性方面的挑戰。SESIP 以安全功能要求 (SFR) 的形式對組件和平臺的安全功能給出了明確的定義。該標準還規定了強度指標，以 SESIP“等級”的形式衡量在受到攻擊時(shí)的穩健性，具體分為 1 級到 5 級，其中 1 級是自我認證，5 級對應于廣泛的測試和第三方認證。 從云到邊緣的機器學(xué)習 ML 是智能自動(dòng)化的關(guān)鍵推動(dòng)因素，支持持續流程改進(jìn)和高品質(zhì)產(chǎn)品。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的使用是工業(yè) 4.0 領(lǐng)域中一項成熟的機器學(xué)習技術(shù)。這是通過(guò)云端的深度強化學(xué)習進(jìn)行補充的開(kāi)始。深度強化學(xué)習為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )核心增加了一種目標導向型算法框架。強化學(xué)習最初局限于如玩游戲等可重復環(huán)境，今天，算法已能夠在現實(shí)世界中的更模糊環(huán)境下運行。在未來(lái)，實(shí)施高級強化學(xué)習可能會(huì )實(shí)現通用人工智能。 ML 不僅僅是在云端，而且正深入到工廠(chǎng)車(chē)間和邊緣。工廠(chǎng)車(chē)間的工業(yè) PC 和可編程控制器的擴展槽越來(lái)越多地插入 ML 和 AI 加速卡，以實(shí)現智能化過(guò)程控制。 微型機器學(xué)習 (tinyML) 針對在低功耗應用中部署進(jìn)行了優(yōu)化。微型機器學(xué)習在傳感器應用中的使用量在飛速增長(cháng)。例如，在通過(guò)電池或能量收集供電的邊緣設備中，IIoT 傳感器分析就是一種微型機器學(xué)習應用。Arduino 提供了采用 Arduino Nano 33 BLE Sense 板的微型機器學(xué)習套件，該板上具有 MCU 和各種傳感器，可以監測運動(dòng)、加速度、旋轉、聲音、手勢、接近、顏色、光強度和移動(dòng)（圖 4）。此外，還包括一個(gè) OV7675 相機模塊和一塊 Arduino 盾板。板載 MCU 可以實(shí)現基于 TensorFlow Lite 開(kāi)源深度學(xué)習框架的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，用于設備端推理。
圖 4：Arduino 的微型機器學(xué)習套件為開(kāi)發(fā) IIoT 傳感器應用而設計。（圖片來(lái)源：DigiKey） 實(shí)時(shí)指標和分析 實(shí)時(shí)指標和分析是智能自動(dòng)化的重要方面�？勺匪菪� 4.0 結合了前幾代可追溯性中的產(chǎn)品可視性、供應鏈可視性和生產(chǎn)線(xiàn)可視性，并提供了一個(gè)涵蓋產(chǎn)品所有方面的完整歷史。此外，還包括所有機器和流程參數，支持優(yōu)化制造過(guò)程的整體設備效率 (OEE) 指標（圖 5）。
圖 5：可追溯性 4.0 是一種全面實(shí)施方案，可滿(mǎn)足工業(yè) 4.0 運營(yíng)的多樣化要求。（圖片來(lái)源：Omron） 可追溯性在許多行業(yè)都至關(guān)重要，涵蓋從醫療設備制造到汽車(chē)、航空航天等眾多行業(yè)。就醫療設備而言，根據監管要求，需要進(jìn)行廣泛的跟蹤和追溯。汽車(chē)和航空航天系統可能有數以萬(wàn)計的部件需要追蹤。不僅僅是零件歷史，可追溯性還包括跟蹤單個(gè)零件的幾何尺寸和公差 (GD&T)。GD&T 使精密制造成為可能，并根據零件的精確 GD&T 值進(jìn)行安裝，以支持航空航天、汽車(chē)制造等行業(yè)的高精度裝配。 可追溯性可以提高產(chǎn)品召回準確性和召回效率�？勺匪菪允怪圃焐棠軌虼_定受到影響的產(chǎn)品和供應商，以及任何缺陷部件的供應商。 通過(guò)可追溯性，可以加速實(shí)施糾正性和預防性行動(dòng)。與產(chǎn)品召回一樣，了解完整的產(chǎn)品原產(chǎn)地信息使制造商能夠有效地、有針對性地安排產(chǎn)品的現場(chǎng)服務(wù)、維護。 可追溯性和 MES 融合了可追溯性的統一實(shí)施 MES 可以產(chǎn)生一個(gè)可搜索的數據庫，其中包括與單個(gè)產(chǎn)品相關(guān)的所有信息，涵蓋了計劃中的設計和竣工結果。例如，開(kāi)始生產(chǎn)之前，可追溯性用來(lái)在單個(gè)部件或材料到達時(shí)實(shí)施跟蹤，包括進(jìn)貨質(zhì)量測試數據、供應工廠(chǎng)的位置等等。MES 根據規劃好的設計來(lái)驗證這些信息，并將其輸入配套作業(yè)和在制品數據庫。 通過(guò) IIoT 與 MES 結合提供的可追溯性數據可支持工業(yè) 4.0 環(huán)境下的大規模產(chǎn)品定制。MES 能使正確的材料、流程和其他資源處于正確的位置，從而確保實(shí)現最低的生產(chǎn)成本、最高的產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)，MES 可以和可追溯性相結合并證明符合政府法規，使審核或其他人員可以根據需要隨時(shí)查閱數據。 區塊鏈 區塊鏈是一個(gè)去中心化或分布式數字賬本系統，用于以可驗證的、不可篡改的方式記錄多方之間的交易。任何信任是重要因素的交易，如供應鏈管理，都是區塊鏈的潛在用武之地。在有許多參與者的供應鏈中，區塊鏈可以提高交易效率，并使交易可驗證、防篡改。區塊鏈在供應鏈活動(dòng)中的使用優(yōu)勢如下所列： 替換人工流程。依靠簽名或其他形式的物理驗證的紙質(zhì)手工流程，有可能利用區塊鏈進(jìn)行改進(jìn)。其局限性在于，賬本中的參與者的范圍必須有限且容易識別�？爝f公司擁有不斷變化的陌生客戶(hù)數據庫，就可能不是區塊鏈的好選擇。一個(gè)擁有有限的、緩慢變化的以及可信賴(lài)的供應商群體的制造業(yè)務(wù)，則是一個(gè)很好的區塊鏈選擇。 加強可追溯性。區塊鏈可以為提高供應鏈透明度，滿(mǎn)足日益增長(cháng)的監管和消費者信息要求提供一種良好的工具。例如，區塊鏈可以支持《藥品供應鏈和安全法》以及美國食品和藥物管理局的唯一設備標識符授權。在汽車(chē)和其他行業(yè)中，整個(gè)供應鏈上的供應商都可以參與召回，區塊鏈可以為實(shí)施汽車(chē)行業(yè)行動(dòng)小組發(fā)布的可追溯性指南提供一種良好的工具。 結束語(yǔ) 作為工業(yè) 4.0 基礎的智能自動(dòng)化依賴(lài)于實(shí)施眾多的技術(shù)，包括越來(lái)越多的有線(xiàn)連接和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )層，這招致了越來(lái)越復雜的網(wǎng)絡(luò )安全威脅。此外，機器學(xué)習正在從邊緣擴展到云端，以支持實(shí)時(shí)指標和分析，包括可追溯性和統一的 MES。最后，正在為支持防篡改的、可驗證的數據庫引入區塊鏈技術(shù)。 |
