【導(dǎo)讀】24小時連續(xù)作業(yè)，無人工干預(yù)，機器自助配合，質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)控……產(chǎn)業(yè)界將具備這些特點的工廠定義為“熄燈工廠”，也可稱為“關(guān)燈工廠”或“黑燈工廠”。當(dāng)前，全球頭部品牌的汽車制造工廠，智能手機/PC代工廠，很多都是以“熄燈工廠”標(biāo)準(zhǔn)來打造。
24小時連續(xù)作業(yè)，無人工干預(yù)，機器自助配合，質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)控……產(chǎn)業(yè)界將具備這些特點的工廠定義為“熄燈工廠”，也可稱為“關(guān)燈工廠”或“黑燈工廠”。當(dāng)前，全球頭部品牌的汽車制造工廠，智能手機/PC代工廠，很多都是以“熄燈工廠”標(biāo)準(zhǔn)來打造。
“熄燈工廠”的架構(gòu)和價值
“熄燈工廠”代表著全自動化的生產(chǎn)流程。通過“關(guān)燈”運轉(zhuǎn)模式，工廠在生產(chǎn)效率和庫存周期等方面得到明顯改善，助力企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。達(dá)沃斯世界經(jīng)濟論壇與管理咨詢公司麥肯錫將這些先進(jìn)的工廠定義為“燈塔工廠”，截至目前，全球共有132座“燈塔工廠”，其中50座位于中國。
“熄燈工廠”作為工業(yè)4.0的典型應(yīng)用，其體系架構(gòu)和工業(yè)4.0類似，如下圖所示。
圖1：工業(yè)4.0體系框圖（圖源：Plattform Industrie 4.0）
這樣看可能不夠具體，我們以富士康工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能工廠架構(gòu)來具體看一下“熄燈工廠”的組成。如下圖所示，“熄燈工廠”是富士康工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用之一，其非常大的改變是軟硬件對人的替代：系統(tǒng)中的決策者變成了各種智能軟件系統(tǒng)，管理者則是操作系統(tǒng)配合硬件系統(tǒng)，執(zhí)行者是各種終端設(shè)備。
圖2：富士康工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云架構(gòu)和“熄燈工廠”應(yīng)用（圖源：富士康）
在人工成本快速上漲，產(chǎn)品迭代速度日益加快的大背景下，“熄燈工廠”是工業(yè)制造領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢，帶來了更高的柔性生產(chǎn)效率和協(xié)同生產(chǎn)能力。同時，“熄燈工廠”具備更高效、高質(zhì)量的自動質(zhì)量檢測能力，有效避免了人工主觀造成的漏檢與誤檢，能大幅提高產(chǎn)品交付質(zhì)量。當(dāng)然，“熄燈工廠”并不意味著完全無人化，只是將生產(chǎn)、決策、調(diào)度的權(quán)利留給了前端設(shè)備，極少數(shù)的人員在后端負(fù)責(zé)監(jiān)管和運維。
通過圖2我們能夠清晰地看到，“熄燈工廠”的企業(yè)層主要由各種功能軟件和系統(tǒng)組成，車間層主要是各種硬件系統(tǒng)和連接技術(shù)，設(shè)備層則是具體的設(shè)備和儀器。“熄燈工廠”涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、自動質(zhì)量和工業(yè)自動化等，這些關(guān)鍵技術(shù)均以電子元器件為基礎(chǔ)構(gòu)建底層系統(tǒng)，這是貿(mào)澤電子攜手原廠為產(chǎn)業(yè)發(fā)揮賦能價值的地方。
為了持續(xù)提升這些核心技術(shù)的整體性能，信號鏈、微控制器、傳感器、網(wǎng)關(guān)芯片和電源管理芯片等也在持續(xù)突破。以傳感器為例，已經(jīng)不僅是簡單地將物理信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，在小型化、集成化的前提下，也逐步具備了智能化的能力。
下面我們就來具體看一下，構(gòu)建“熄燈工廠”可以用到哪些性能領(lǐng)先的電子元器件。
“熄燈工廠”中的機器視覺
上面已經(jīng)提到，“熄燈工廠”一大顯著特點是僅需要少數(shù)幾個人根據(jù)現(xiàn)場信號燈來解決一些突發(fā)情況。我們都知道在傳統(tǒng)工廠中很多工作需要人眼去做判斷，那么機器在執(zhí)行相同的操作，甚至是更復(fù)雜的操作時，也需要具備這種視覺能力，這就是為什么機器視覺會如此被重視。
GGII數(shù)據(jù)顯示，2022年中國機器視覺市場規(guī)模為170.65億元，預(yù)計到2027年將達(dá)到565.65億元，其中2D視覺市場規(guī)模將達(dá)到407.15億元，3D視覺市場規(guī)模將達(dá)到158.5億元。快速增長的機器視覺技術(shù)在“熄燈工廠”里主要從事以下幾方面的工作：
#01. 引導(dǎo)定位
為了讓包括機械臂在內(nèi)的產(chǎn)線設(shè)備能夠找準(zhǔn)目標(biāo)物的位置，基于圖像處理和分析技術(shù)的視覺定位引導(dǎo)系統(tǒng)便是系統(tǒng)中不可或缺的一部分，在上下料、生產(chǎn)、裝配等環(huán)節(jié)發(fā)揮重要作用，其配置模式包括固定機位模式、移動機位模式以及混合模式。
#02. 外觀檢測
機器視覺質(zhì)檢技術(shù)是一種信號鏈、無損傷的自動檢測技術(shù)，過往這是生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)用人工較多的地方，換用機器視覺檢測系統(tǒng)之后，在尺寸檢測、形狀檢測、外觀缺陷檢測等方面得到明顯改善。
#03. 高精度檢測
在檢測環(huán)節(jié)，引入機器視覺之后，系統(tǒng)檢測的能力已經(jīng)超出人類極限，可以實現(xiàn)毫米級，甚至是微米級的檢測，比如電路板引腳檢測、硬幣字符檢測等。
#04. 識別和分揀
機器視覺能夠?qū)D像進(jìn)行處理、分析和理解，以識別各種不同模式的目標(biāo)和對象，主要的識別手段包括Blob分析法（BlobAnalysis）、模板匹配法和深度學(xué)習(xí)法。同時，系統(tǒng)基于識別的結(jié)果還可以進(jìn)一步結(jié)合機械臂增加分揀環(huán)節(jié)，這在目前的倉儲和快遞行業(yè)已經(jīng)非常普遍。
因此，機器視覺是實現(xiàn)工業(yè)自動化和智能化的必要手段，相當(dāng)于人類視覺在機器上的延伸，具備精確性、持續(xù)性、高效性和可重復(fù)性等特點。為了幫助大家更好地打造機器視覺方案，在此我們?yōu)榇蠹彝扑]一款來自制造商ADI的100萬像素飛行時間模塊，貿(mào)澤電子官網(wǎng)上該器件的料號為ADTF3175BMLZ。
圖3：ADTF3175 100萬像素飛行時間模塊（圖源：貿(mào)澤電子）
ADTF3175基于ADSD3100進(jìn)行設(shè)計，集成了用于成像器的鏡頭和光學(xué)帶通濾波器、包含光學(xué)元件的紅外照明源、激光二極管、激光二極管驅(qū)動器和光電檢測器、閃存以及電源穩(wěn)壓器，可產(chǎn)生本地電源電壓。
圖4：ADTF3175模塊系統(tǒng)框圖（圖源：ADI）
作為ADTF3175模塊的核心，ADSD3100是一款100萬像素CMOS間接飛行時間（ITF）成像器，設(shè)計用于高分辨率3D深度傳感和視覺系統(tǒng)。該芯片支持1024（水平）×1024（垂直）像素陣列，3.5μm×3.5μm方形像素，以及1/3.6英寸光學(xué)格式。
圖5：ADSD3100系統(tǒng)框圖（圖源：ADI）
ADSD3100通過移動行業(yè)處理器接口(MIPI)、攝像頭串行接口2（CSI-2）接口與主機系統(tǒng)進(jìn)行電氣連接，這一點在ADTF3175模塊上得到了充分利用。同時，ADTF3175模塊編程和操作通過4線SPI和I2C串行接口進(jìn)行控制。
除了機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)以外，ADTF3175模塊還可用于機器人、樓宇自動化和增強現(xiàn)實(AR)系統(tǒng)等應(yīng)用方向。
“熄燈工廠”中的狀態(tài)監(jiān)測
機器視覺的應(yīng)用很多都是為了讓工業(yè)制造系統(tǒng)清晰地了解產(chǎn)品的狀態(tài)量，其實系統(tǒng)自身的狀態(tài)量監(jiān)測也很重要。如果系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)測出故障的發(fā)生，將會大幅度提升設(shè)備運行的可靠性。
一般而言，設(shè)備從正常運轉(zhuǎn)到發(fā)生故障停機，有一個發(fā)生和發(fā)展的過程，很多故障并不是突發(fā)的。因此，在“熄燈工廠”里都會有一個工況監(jiān)測系統(tǒng)，屬于設(shè)備管理系統(tǒng)的一部分。通過這個系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確把握系統(tǒng)中各設(shè)備的運轉(zhuǎn)情況。這樣做對于產(chǎn)線良率的保持也很有幫助。
作為MEMS慣性元件的一種，MEMS加速度計能夠測量物體的加速力，從而得到物體的振動和位置信息，讓物體能夠了解自身狀態(tài)，因此在“熄燈工廠”里得到廣泛應(yīng)用，典型應(yīng)用包括振動檢測、姿態(tài)控制、安防報警、狀態(tài)記錄、動作識別等。
接下來，我們便為大家介紹一款性能領(lǐng)先的MEMS加速計，同樣是來自制造商ADI，貿(mào)澤電子官網(wǎng)上，該器件的料號為ADXL367BCCZ-RL7。
圖6：ADXL367 MEMS加速計（圖源：貿(mào)澤電子）
ADXL367 MEMS加速計是一款超低功耗三軸微機電系統(tǒng)(MEMS)加速計，在100Hz輸出數(shù)據(jù)速率下僅消耗0.89μA電流，在運動觸發(fā)喚醒模式下消耗180nA電流。與使用功率占空比來實現(xiàn)低功耗的加速計不同，ADXL367沒有通過欠采樣混疊輸入信號，而是采用全數(shù)據(jù)速率對傳感器的整個帶寬進(jìn)行采樣。器件內(nèi)部的低通濾波器轉(zhuǎn)角自動設(shè)置，以確保滿足奈奎斯特采樣準(zhǔn)則。
圖7：ADXL367 MEMS加速計在幾種電源電壓下的電流消耗與輸出數(shù)據(jù)率（圖源：ADI）
ADXL367 MEMS加速計具有14位恒定輸出分辨率。同時，在較低分辨率足夠時，還提供8位格式化數(shù)據(jù)實現(xiàn)更高效的單字節(jié)傳送。為了兼容ADXL362設(shè)計，還支持12位格式化數(shù)據(jù)。該器件具有±2g、±4g和±8g測量范圍可供選擇，在±2g范圍內(nèi)，分辨率為0.25mg/LSB。
ADXL367是一款高集成、多性能的器件，內(nèi)置微功率溫度傳感器，用于同步轉(zhuǎn)換額外模擬輸入和具有中斷能力的內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、可以在任何輸出數(shù)據(jù)速率下工作和僅增加35nA電流的單擊和雙擊檢測，以及防止誤觸發(fā)的狀態(tài)機。
圖8：ADXL367 MEMS加速計功能框圖（圖源：ADI）
圖9：ADXL367單擊和雙擊檢測（圖源：ADI）
ADXL367 MEMS加速計提供深度多模輸出先進(jìn)先出(FIFO)功能。
圖10：ADXL367 MEMS加速計FIFO讀取功能（圖源：ADI）
圖11：ADXL367 MEMS加速計SPI FIFO讀取功能（圖源：ADI）
除了24/7全天候不間斷感測和工業(yè)應(yīng)用以外，ADXL367 MEMS加速計還可用于運動使能省電開關(guān)、運動使能計量設(shè)備、數(shù)字醫(yī)療保健、單節(jié)電池供電的智能手表、智能家居、產(chǎn)銷合一商品和生命體征監(jiān)控設(shè)備等應(yīng)用中。
“熄燈工廠”的下一步：精益化
“熄燈工廠”的廣泛部署打通了離散制造企業(yè)的設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、控制、車間、企業(yè)間的信息流與控制流，幫助企業(yè)實現(xiàn)了數(shù)字化和智能化升級。不過，當(dāng)前很多“熄燈工廠”解決的痛點還主要是機器替代人工，雖然提高了生產(chǎn)效率，不過對于生產(chǎn)任務(wù)的變動不能靈活地響應(yīng)。在生產(chǎn)的過程中，大部分自動化設(shè)備只能從事簡單重復(fù)的工作，對于使用復(fù)雜系統(tǒng)的產(chǎn)品生產(chǎn)難以勝任。另外，有些企業(yè)為了強制性推動“熄燈工廠”的概念，導(dǎo)致工廠能耗大幅度上漲。
因此，“熄燈工廠”下一步發(fā)展趨勢是精益化。精益化首先要求“熄燈工廠”各環(huán)節(jié)的設(shè)備和系統(tǒng)需要具備更高的智能化水平，與時下另一大熱門理念——“柔性生產(chǎn)”進(jìn)行融合，從機械自動化邁向柔性自動化，對產(chǎn)品具有自主建模、自主規(guī)劃的能力。
精益化其次是要求“熄燈工廠”和企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略相一致，在提升生產(chǎn)效率的同時降低工廠整體能耗，持續(xù)降低制造型企業(yè)的碳排放，助力工業(yè)的“雙碳目標(biāo)”實現(xiàn)。
從“熄燈工廠”后續(xù)發(fā)展態(tài)勢不難看出，智能化和低功耗的屬性是非常明顯的，這就要求應(yīng)用于這一方向的元器件同樣具備這些特征，當(dāng)然這也是貿(mào)澤電子元器件新品的賣點。
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