制造4.0背后的低調(diào)技術(shù)大盤點(diǎn)

與4.0時(shí)代的其他領(lǐng)域一樣，制造4.0也是使用數(shù)據(jù)和連接讓流程變得高效、精簡(jiǎn)，并讓智能系統(tǒng)能夠做出決策。此類發(fā)展與功能的實(shí)現(xiàn)，得益于眾多技術(shù)的支持。而其中，人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)常常風(fēng)光獨(dú)占；但要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，還有其他一些支持性技術(shù)不可或缺。本文探討了傳感器、可編程邏輯控制器、低功耗組件和系統(tǒng)以及視覺系統(tǒng)（至關(guān)重要但尚未得到充分認(rèn)可）在推進(jìn)制造4.0發(fā)展方面發(fā)揮的作用。

傳感器

傳感器在制造4.0中扮演著多重角色。除了捕獲用于洞察和決策的數(shù)據(jù)外，它們還捕獲整個(gè)產(chǎn)品制造過程中所需的數(shù)據(jù)。例如：

01、位置傳感器

極常見的傳感器類型之一。這些傳感器有助于測(cè)量機(jī)械位置，例如氣缸在啟動(dòng)裝配線上的下一個(gè)產(chǎn)品之前是否返回到原始位置。

02、存在檢測(cè)傳感器

大致相同。例如，光學(xué)存在檢測(cè)傳感器會(huì)發(fā)出一束光或激光，除非有東西阻擋，否則這束光始終可見，據(jù)此判斷其視野中是否存在某物。

03、尺寸檢測(cè)傳感器

數(shù)據(jù)可用于質(zhì)量控制，以及確定裝配時(shí)設(shè)備是否能夠安全地在生產(chǎn)線上移動(dòng)。

04、接觸傳感器

可用于感應(yīng)車廂門是打開還是關(guān)閉，或是急停以防設(shè)備損壞—兩者都具有安全隱患。

05、振動(dòng)傳感器

通常用于確定設(shè)備的健康狀況；比如，伺服電機(jī)出現(xiàn)振動(dòng)說明有零件出現(xiàn)磨損。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可以在問題發(fā)生之前預(yù)測(cè)維護(hù)需求。

沒有傳感器就沒有制造自動(dòng)化。在使用將45000公斤壓力壓到另一個(gè)表面上的壓力機(jī)時(shí)，您需要知道該區(qū)域是否干凈。傳感器相當(dāng)于自動(dòng)化的數(shù)字眼睛、耳朵、鼻子和手指，無需猜測(cè)或想當(dāng)然，從而實(shí)現(xiàn)更安全、一致且高效的狀態(tài)。更重要的是，穩(wěn)固設(shè)計(jì)才是真正所需，這些設(shè)計(jì)可能需要耐受熱量、濕氣、油、灰塵和/或其他各種可能的惡劣條件。

從數(shù)據(jù)收集的角度來看，傳感器是洞察一切的門戶，它們提供的原始數(shù)據(jù)可以讓用戶了解生產(chǎn)線上發(fā)生的一切。許多制造商仍在改造他們的舊設(shè)備；在這種情形下，要付出很多努力來開發(fā)既能連接舊的可編程邏輯控制器，又不影響其功能的數(shù)據(jù)接入點(diǎn)。還有一些制造商，雖擁有來自多個(gè)來源的數(shù)據(jù)流，但卻不清楚如何用其獲得有用的見解。

傳感器融合提高了可收集數(shù)據(jù)的質(zhì)量和類型，以及從數(shù)據(jù)中獲得洞察力的確定性。比如，可使用激光傳感器檢測(cè)高度，再使用視覺傳感器加以確認(rèn)。大多數(shù)情況下，使用兩個(gè)或以上不同傳感器收集數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生冗余；然而，傳感器融合讓您能夠根據(jù)各種傳感器的優(yōu)勢(shì)來組合數(shù)據(jù)，從而提高洞察力。盡管如此，了解如何應(yīng)用現(xiàn)如今的繁雜傳感器技術(shù)獲得有用的見解仍面臨著挑戰(zhàn)。

可編程邏輯控制器

從機(jī)器收集信息時(shí)，通信不是從傳感器到傳感器，而是從傳感器到制造網(wǎng)絡(luò)中的可編程邏輯控制器（PLC）。PLC是堅(jiān)固耐用的固態(tài)工業(yè)計(jì)算機(jī)，用于控制制造流程。它是制造系統(tǒng)的大腦：既是存儲(chǔ)邏輯和流程信息的地方，也是網(wǎng)絡(luò)通信開始的地方。

PLC的主要功能是接收輸入，做出基于邏輯的實(shí)時(shí)決策，并通過輸出發(fā)送操作指令，確定復(fù)雜流程的操作順序。PLC的輸入可來自開關(guān)、傳感器、視覺系統(tǒng)和其他來源，而輸出目標(biāo)可包括警報(bào)器、繼電器、指示燈、氣缸、螺線管、模擬輸出、機(jī)器人，甚至其他可編程邏輯控制器。PLC確保接收到正確的輸入。例如，一臺(tái)機(jī)器可能配有一個(gè)啟動(dòng)傳送帶的紅色大按鈕；但是，PLC會(huì)監(jiān)視以確保先啟動(dòng)通電信號(hào)和可能的安全功能，才可以啟動(dòng)傳送帶。

PLC還通過為閉環(huán)數(shù)字孿生（CLDT）提供運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)來幫助提高制造效率。CLDT使用一個(gè)虛擬模型，理想情況下該模型考慮影響生產(chǎn)效率的所有系統(tǒng)與變量。在這里，PLC提供歷史和實(shí)時(shí)輸入/輸出數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)連同來自其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可用于微調(diào)機(jī)器設(shè)置、人員配備、物料存儲(chǔ)和其他運(yùn)營(yíng)配置。不論規(guī)模大小，均可實(shí)施CLDT，從單個(gè)設(shè)備到整條生產(chǎn)線乃至整個(gè)制造運(yùn)營(yíng)部門皆可。

在支持邊緣計(jì)算的環(huán)境中，虛擬化PLC勢(shì)頭正盛，消除了對(duì)物理PLC和機(jī)箱的需求。否則，整個(gè)制造車間的PLC可以安裝在單個(gè)機(jī)箱中，或采用模塊化設(shè)計(jì)，按功能（電源、處理、輸入/輸出選擇等）分組。模塊化PLC具有易于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗鼈儾灰蕾囉谄渌到y(tǒng)。不論是物理形式還是虛擬形式，PLC始終是制造流程的大腦。

低功耗組件和子系統(tǒng)

未被充分認(rèn)可的技術(shù)還包括在每個(gè)電子設(shè)備、電氣設(shè)備和子系統(tǒng)（包括PLC）中使用低功耗組件。低功耗組件一般位于設(shè)計(jì)的底層—晶體管、印刷電路板 (PCB)、電阻器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）……等等。就實(shí)現(xiàn)制造4.0而言，低功耗是一個(gè)重要的推動(dòng)因素，因?yàn)樗@著縮小了組件的尺寸。如果沒有低功耗組件的進(jìn)步，機(jī)電系統(tǒng)可能要包含一整箱繼電器，大得如同你房間的一面墻。

隨著組件和子系統(tǒng)的尺寸越來越小，系統(tǒng)也變得更出色，因?yàn)橄到y(tǒng)產(chǎn)生的熱量更少，效率更高，而且尺寸更緊湊。所有這些因素使得設(shè)計(jì)師構(gòu)建的復(fù)雜機(jī)械與工藝不會(huì)占據(jù)整個(gè)制造空間。當(dāng)然，尺寸越小還意味著成本越低。

現(xiàn)在，我們能夠應(yīng)用那些過去雖可提供但價(jià)格讓人望而卻步的各種技術(shù)與方法。埃隆·馬斯克在接受采訪時(shí)提到，將東西送到火星要花費(fèi)每噸14萬美元。他認(rèn)為，我們雖然擁有這項(xiàng)技術(shù)，但卻沒有人愿意花這么大的代價(jià)去資助這個(gè)項(xiàng)目。

視覺系統(tǒng)

您可以把視覺系統(tǒng)看作是能夠識(shí)別物體、將關(guān)鍵信息傳達(dá)給其他系統(tǒng)并根據(jù)所見內(nèi)容采取行動(dòng)的高級(jí)機(jī)器人。它的應(yīng)用通常分為以下四類：

定位?— 確定零件的位置和方向

識(shí)別?— 識(shí)別零件、識(shí)別條形碼、進(jìn)行庫存分類等

計(jì)量?— 測(cè)量并計(jì)算兩點(diǎn)之間的距離，以及確定測(cè)量是否符合規(guī)范

檢驗(yàn)?— 包括檢測(cè)缺陷或異常

在制造環(huán)境中，視覺系統(tǒng)可被訓(xùn)練用于識(shí)別能夠被測(cè)量、計(jì)數(shù)、解碼或定位的對(duì)象。與其他機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用一樣，訓(xùn)練需要大型數(shù)據(jù)集，其中有形狀、大小、方向、邊緣、圖案、顏色等特征。例如，在訓(xùn)練系統(tǒng)識(shí)別翅片管中的缺陷時(shí)，系統(tǒng)經(jīng)訓(xùn)練可能會(huì)識(shí)別出具有以下特征的翅片管：指定長(zhǎng)度與周長(zhǎng)，帶條形翅片（而非金屬絲翅片），表面平整（非鋸齒狀），焊縫相距0.14英寸。經(jīng)訓(xùn)練的系統(tǒng)可儲(chǔ)存圖像（即各種不同形式的像素集合），用作比較的基礎(chǔ)。

在使用中，視覺系統(tǒng)會(huì)提供通過/失敗這兩種結(jié)果。繼續(xù)以此為例，系統(tǒng)攝像頭將在翅片管制造過程完成時(shí)獲取其圖像。圖像由捕獲的光組成，具有黑色、白色、灰色和可能的彩色區(qū)域。圖像被傳送到圖像傳感器，該傳感器捕獲反射光并將其轉(zhuǎn)換為不同形式的像素。然后，系統(tǒng)會(huì)解析該圖像，確定其是否與自己被訓(xùn)練識(shí)別的具體像素形式相匹配。

視覺系統(tǒng)的使用給制造業(yè)帶來了多方面的提升，例如提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少浪費(fèi)（材料和時(shí)間）、減少停機(jī)時(shí)間、創(chuàng)建可追溯性和問責(zé)制以及促進(jìn)合規(guī)性。

結(jié)語

制造4.0在令人驚嘆的技術(shù)支持下，正飛速發(fā)展。盡管人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和增材制造常常占據(jù)頭條，但也有一些不起眼的技術(shù)在發(fā)揮著重要作用：

傳感器捕獲用于洞察和決策的數(shù)據(jù)，推動(dòng)產(chǎn)品制造流程順暢進(jìn)展。

PLC是制造系統(tǒng)的大腦：它是存儲(chǔ)程序、信息和備份以及進(jìn)行通信的地方。

低功耗組件和子系統(tǒng)使我們現(xiàn)在能夠應(yīng)用以前成本過高、尺寸過大的技術(shù)與方法。

視覺系統(tǒng)使機(jī)器人能夠看到物體、將關(guān)鍵信息傳達(dá)給其他系統(tǒng)并執(zhí)行任務(wù)。

華麗光鮮的技術(shù)可能會(huì)搶占風(fēng)頭，奪人眼球，但對(duì)于制造4.0及其未來技術(shù)而言，這些不那么光鮮的技術(shù)也同樣舉足輕重。

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