ADI技术文章：制造业发展的下一步

作者：ADI公司

创新引领工业 4.0 制造业转型

如今，制造业中最宝贵的资源不是钢铁、煤炭或电力，而是数据。制造商们开启了他们的工业 4.0 之旅，这是在人工智能和大规模连接推动下的最新工业革命。

在这个新时代，企业可以利用传感器和数字系统生成的数据来监控现实世界的生产流程，为实现更灵活的生产模式奠定基础，从而满足不断变化的消费者需求。

但是，就工业4.0的当前侧重点而言，消费者需求仅仅是冰山一角。在波及全球的经济、地缘政治、环境、人口问题和危机影响下，工业劳动力供给和供应链受到了前所未有的冲击。例如，新冠肺炎（COVID-19）疫情的发生凸显了先进技术、实时数据以及灵活的制造和供应链的重要性。

随着自动化程度不断提高，并由机器人承担重复性危险工作，制造商可以提升劳动力价值，确保生产连续性。这不仅可以解放员工，让他们能够发挥自己的脑力，还可以将以前外包的自动化和重复性工作拿回自行完成。物联网系统研究中心副主任、威斯康星大学麦迪逊分校副教授Kaibo Liu表示：“人们现在开始讨论和关注的功能越来越多，例如物联网、机器人和增强现实等在制造环境中的使用。您会注意到，我们开始从制造过程中收集分辨率越来越高的数据，从而在更多方面能够做出实时决策。”

（制造商不得不改变其运营方式以响应这种新型需求，包括采用更多的本地化制造设施，以及设计可以针对不同的批次规模快速重新配置的生产线。）

Nicola O’Byrne ADI公司互连运动和机器人市场经理

提高供应链的本地化程度也会提高制造业的灵活性，通过降低运输复杂性，减少对环境的影响。最后，制造商利用可靠的实时数据和易于重新配置的系统，可以迅速做出决策，例如安排维护计划、调整机器设置或从服装制作转向口罩生产。

下一次工业革命的一些要素仍然是令人向往的未来构想，比如由一组自主机器人来协作完成建筑、恢复和救援等高级任务，有些方面已经成为现实。分散式3D打印设备就是一个典型示例，它缩短了先进制造技术的上市时间和客户交付时间。如果能与正确的合作伙伴合作，如今的企业就能够赢得工业4.0制造技术带来的效率、安全性和生产力等方面的优势，并为制造业的下一次转型打下基础。

第 4 次工业革命

第三次工业革命为我们带来了电子、计算、电信和数字技术，让制造商在设计工厂时，使其能够大批量生产少数产品，甚至大批量生产单个产品。相比 20 世纪 20 年代，或者 21 世纪早期，现如今的消费者希望拥有更多选择和更高程度的定制体验，因此需要更高的灵活性。

ADI公司状态监控 Otosense AI 部门的副总裁 Kevin Carlin 表示：“如果您想要买一辆车，您会有很多种选择。制造商需要能够满足数十万，甚至数百万种不同的配置需求。同时还需要管理整个工厂和供应链，以能够实时响应这种需求，并配置工厂从一种模式转向另一种模式。”

实现这种飞跃并非易事。大多数工厂依赖现有的、可能已经过时的技术生态系统。如果只是简单地用新设备取代旧设备，不但价格昂贵，而且往往不切实际。所以，向工业4.0制造转型应该依靠增强，而不是替代——将现代化IT技术支持实现的智能带到工厂中的现有设备。

通过在生产层面构建传感器驱动的无线通信网络，ADI 公司等合作伙伴帮助制造商们开始采用状态监控等新兴技术。如此，工厂可以通过传感器监控特定设备或零件的健康状况，主动识别、诊断和解决异常，以免造成问题甚至导致全面故障。这种实时监控可以帮助延长设备寿命并提高吞吐量。鉴于计划外停机的成本可能占总制造成本的近四分之一，所以采用预测性维护有望大幅节省成本并提高生产力。

停机成本

对制造商来说，计划外停机成本高昂，而防止计划外停机是工业 4.0 制造技术的一个主要目标和特色。

23.9%的总制造成本来自停机成本

资料来源：“在制造中采用先进维护的成本和优势”，美国商务部，2018 年 4 月。

将 IT 技术运用到厂区

随着工业 4.0 到来，制造商们开始从传统的计算机基础设施过渡到新的网络解决方案，以加快速度，改善数据管理和提高能效。

硬件实现安全性

工业 4.0 制造有一个核心概念，称为“互操作性”，即在大量工业物联网设备中传输实时数据的能力。制造车间使用许多设备制造商提供的设备、软件协议和专有网络。到目前为止，还没有任何方法让这些单独的协议和网络能够相互通信。时间敏感型网络（ TSN ）的出现将首次实现这一功能。

现在的智能工厂会生成大量数据，所以为了实现互操作性，必须先构建可靠的现场网络。实时确定性以太网就是一种可以帮助实现这一目标的技术，它能够更有效地管理互联工厂中的海量数据。除了在传感器技术方面处于领先地位外，ADI 公司等合作伙伴还率先推出硬件改进（例如实时确定性以太网交换机），帮助构建工厂的中枢神经系统。

“在各个系统之间建立实时、高带宽连接，以更有效地控制各个生产过程，从而提高效率。”

—— Martin Cotter ADI公司销售与数字营销高级副总裁

ADI 公司全球销售与数字营销高级副总裁Martin Cotter表示：“在从物理向数字转变的过程中，我们的任务是确保边缘生成的信息现在能够传输给特定工厂中的任何设备。”他补充道：“在各个系统之间建立实时、高带宽连接，以更有效地控制各个生产过程，从而提高效率，帮助提高产出的确定性，推动实现下一代工业流程。”

成功实现互操作性之后，制造商就可以开始采用工业 4.0 制造中令人激动的先进技术，例如可以和人类一起在工厂中工作的机器人和“协作机器人”。与自动驾驶汽车一样，这些机器同样依靠先进的传感解决方案的支持，可以三维感测周围的环境，在它们执行重复性的复杂任务时，确保高度安全。

未来的工厂

下一代解决方案将兑现工业 4.0 的承诺，帮助提高生产力、效率、安全性和灵活性。

机器人和协作机器人

利用由传感器支持的分析，工厂可以主动识别和解决机械问题，以防造成机器故障和中断生产。

无线传感器网络

为工业环境定制的网络产品甚至可以在严苛的制造环境中实现物联网通信，这给射频带来了新的挑战。

机器人和协作机器人

先进的运动控制和传感解决方案正在将机器人与人类的协作变成现实，并开始在工厂环境中运用。

ADI等合作伙伴可以将不同的传感模式（例如视觉和飞行时间）与连接技术（例如确定性以太网）结合，用于实时传输数据，并更精准地控制机器人和协作机器人。据一份报告显示，使用这些工具可帮助美国制造商每年节省约404亿美元的资金。

“我们提供数据，哪里产生数据，哪里就有我们。50年以来，ADI公司深受客户的信赖，帮助他们解决严峻的工程挑战。我们拥有丰富的领域经验，这为我们携手当今客户推动未来发展奠定了坚实的基础。”

—— Martin Cotter ADI公司全球销售与数字营销高级副总裁

对于制造商来说，迈向未来需要进一步投资先进技术，以期推动工厂自动化发展和提高灵活性。在实现物理世界与数字世界接轨的传感器驱动层面上，真正体现了工业 4.0 带来的优势。