無論你是否承認(rèn)，21世紀(jì)以來，科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，似乎成了人類前行的無形推手，改變著我們的個(gè)人生活，企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營。而剛剛過去的2020年，也是讓無數(shù)企業(yè)難以忘懷的一年。進(jìn)入后“疫情”時(shí)代，非接觸式生產(chǎn)，減少聚集等詞匯被越來越多的提起，生產(chǎn)方式的改變和升級(jí)也變得越來越迫切。而其中非常重要的話題，便是如何利用技術(shù)的進(jìn)步，把工廠的運(yùn)轉(zhuǎn)變得更加高效。
在工業(yè)生產(chǎn)與制造流程中，對(duì)于自動(dòng)化的需求日益增長，這催生了對(duì)于視覺系統(tǒng)更高的需求。如今，智慧視覺系統(tǒng)不僅僅出現(xiàn)在消費(fèi)電子，也越來越滲透于工業(yè)生產(chǎn)的流程。視覺系統(tǒng)能夠捕捉影像，作為一個(gè)龐大控制系統(tǒng)的一部分，具備與工廠中其他設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)與通信的能力。另外，更加高效可靠的通信協(xié)議也正在嶄露頭角，多重新技術(shù)的相互配合，實(shí)現(xiàn)不同于傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)。
工業(yè)4.0時(shí)代下生產(chǎn)制造的新需求
進(jìn)入工業(yè)4.0時(shí)代，車間不再是一個(gè)簡單的流水線生產(chǎn)場(chǎng)所，而是漸漸發(fā)展成了一個(gè)相互配合的，具備強(qiáng)大邊緣計(jì)算、實(shí)時(shí)交互能力的龐大系統(tǒng)，不僅能提高產(chǎn)能、降低成本，還將催化大規(guī)模定制生產(chǎn)。要實(shí)現(xiàn)這樣的工作模式，便需要生產(chǎn)系統(tǒng)能夠融合機(jī)器學(xué)習(xí)能力，強(qiáng)大的視覺，工業(yè)級(jí)的實(shí)時(shí)通信以及精準(zhǔn)的自動(dòng)化控制。
非接觸式人機(jī)交互
首先是針對(duì)人機(jī)交互方面，要求系統(tǒng)具備接受非接觸式指令的能力，包括高效的人臉識(shí)別，手勢(shì)與動(dòng)作識(shí)別等。
集中式工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)
另外，要求系統(tǒng)能夠在單路以太網(wǎng)電纜中支持多個(gè)應(yīng)用，基于先進(jìn)的通信協(xié)議，在復(fù)雜的工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o縫銜接，提高數(shù)據(jù)收發(fā)的實(shí)時(shí)性與帶寬的充分利用。
分布式驅(qū)動(dòng)控制
當(dāng)下的以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)⒖煽氐臅r(shí)延和信號(hào)抖動(dòng)考慮在內(nèi)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精確的控制。對(duì)于分布式的多個(gè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。
恩智浦近日在官方網(wǎng)站發(fā)布了恩智浦技術(shù)展廳客戶體驗(yàn)平臺(tái)，以更好的向客戶展示恩智浦所構(gòu)想的基于旗下不同產(chǎn)品所搭建的未來城市解決方案。其中針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，展廳清晰直白的演示了工業(yè)4.0背景下，融合了機(jī)器學(xué)習(xí)（Machine Learning）與時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）技術(shù)的智慧工廠運(yùn)作模型。
智慧工廠場(chǎng)景下，首先需要一系列的機(jī)器時(shí)刻運(yùn)作于待機(jī)狀態(tài)，等待操作員運(yùn)送工件。機(jī)器集成了超低功耗的攝像頭模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)控著收件區(qū)域。一旦在監(jiān)控區(qū)域范圍內(nèi)檢測(cè)到了人臉，即有人進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域范圍內(nèi)，就會(huì)喚醒一系列牽涉到機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的識(shí)別流程，包括對(duì)于操作人員的人臉識(shí)別，對(duì)于所到工件的物體識(shí)別，手勢(shì)識(shí)別也相應(yīng)被激活。
首先，機(jī)器識(shí)別人臉信息，進(jìn)行操作員的認(rèn)證，在確保該人員為工廠操作員后，激活手勢(shì)識(shí)別。在本次演示中，操作員離開推車，并將雙手高舉起來，表示工件已經(jīng)順利運(yùn)達(dá)指定區(qū)域，示意系統(tǒng)可以開始操作。接下來的流程將會(huì)由機(jī)器與系統(tǒng)配合進(jìn)行，同時(shí)低功耗的攝像頭也會(huì)在此時(shí)再次進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等候下一次的工件運(yùn)送。
接著我們的視線轉(zhuǎn)向集中工業(yè)網(wǎng)絡(luò)方面。時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)（time sensitive network，TSN）是目前國際產(chǎn)業(yè)界正在積極推動(dòng)的全新工業(yè)通信技術(shù)。這一技術(shù)允許周期性與非周期性數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡(luò)中傳輸。TSN的出現(xiàn)更好的服務(wù)時(shí)間敏感應(yīng)用及系統(tǒng)，保證數(shù)據(jù)在準(zhǔn)確的時(shí)間內(nèi)以最小的時(shí)間抖動(dòng)進(jìn)行傳輸。這里借助時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）技術(shù)，利用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)總線，實(shí)現(xiàn)高效的流量分配，對(duì)于高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠自發(fā)的進(jìn)行傳輸，通過更精準(zhǔn)的時(shí)間同步控制，最大程度利用總線帶寬。
我們?cè)賮斫嚯x了解工業(yè)4.0背景下，生產(chǎn)系統(tǒng)中的生產(chǎn)設(shè)備。智慧工廠要求系統(tǒng)具備低延遲和高魯棒性的基本特點(diǎn)。對(duì)于電機(jī)控制也有更高的實(shí)時(shí)性要求。而TSN低延遲，高確定性，低抖動(dòng)的特點(diǎn)能夠幫助實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和指令可靠的在同一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行傳輸，帶來更好的電機(jī)控制整體表現(xiàn)。
縱覽智慧工廠的整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，TSN不僅僅作用于智慧工廠的某一特定設(shè)備節(jié)點(diǎn)，也可能貫穿整個(gè)系統(tǒng)。利用TSN高等級(jí)的時(shí)鐘同步與多重?cái)?shù)據(jù)同時(shí)傳輸?shù)哪芰Γ谕痪W(wǎng)絡(luò)中可能同時(shí)存在多個(gè)工業(yè)協(xié)議的通信過程。
智慧工業(yè)網(wǎng)絡(luò)如今面臨了前所未有的網(wǎng)絡(luò)化，標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)安全的要求。針對(duì)這些方面訴求，基于以太網(wǎng)的 OPC UA（Open Platform Communications – Unified Architecture，開放平臺(tái)通信 - 統(tǒng)一架構(gòu)）通信標(biāo)準(zhǔn)正在快速發(fā)展。OPC UA提供完整的架構(gòu)，讓數(shù)據(jù)采集、信息模型化以及工廠底層與企業(yè)層面之間的通訊更加安全、可靠。利用這一開放的平臺(tái)架構(gòu)，進(jìn)行智慧工廠監(jiān)控，上至工廠下至現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，例如傳感器和驅(qū)動(dòng)等，OPC UA提供了充分的透明度，使數(shù)據(jù)變得更安全。
恩智浦智慧工廠解決方案
時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)，OPC UA發(fā)布，工業(yè)PLC
作為智慧工廠的“中樞”，恩智浦Layerscape LS1028A工業(yè)應(yīng)用處理器基于強(qiáng)大的多核Cortex-A72，集成以太網(wǎng)控制器支持TSN，帶有豐富的工業(yè)接口以及可配置的加密分流引擎。另外還集成了GPU與LCD控制器滿足一定人機(jī)交互的需求，可應(yīng)用于智慧工廠網(wǎng)絡(luò)管理，OPC UA客戶端。
此外，工業(yè)可編程邏輯控制器（PLC）作為智慧工廠典型的數(shù)字運(yùn)算操作系統(tǒng)，要求強(qiáng)大的可編程邏輯執(zhí)行能力，對(duì)于時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)支持等。LS1028A工業(yè)應(yīng)用處理器也能夠很好的應(yīng)用。
豐富的人機(jī)交互，機(jī)器學(xué)習(xí)
全新上市的i.MX 8M Plus應(yīng)用處理器專注于機(jī)器學(xué)習(xí)和視覺、高級(jí)多媒體以及具有高可靠性的工業(yè)自動(dòng)化，適用于智慧工廠的人機(jī)交互，圖像識(shí)別應(yīng)用。
i.MX 8M Plus應(yīng)用處理器基于強(qiáng)大的4核Cortex-A53，集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速單元，MIPI顯示與攝像頭接口，并集成了圖像處理單元（ISP）用于圖像處理與圖像增強(qiáng)，能夠勝任智慧工廠的動(dòng)作識(shí)別，人臉識(shí)別，工廠實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)等。同時(shí)，i.MX 8M Plus還支持h.265編解碼，集成3D/2D圖形加速及多種音頻功能，助力開發(fā)者基于該處理器設(shè)計(jì)工業(yè)人機(jī)交互界面與操作面板。
電機(jī)控制
同樣支持千兆以太網(wǎng)與TSN的工業(yè)級(jí)微控制器——i.MX RT1170為智慧工廠終端電機(jī)控制保駕護(hù)航。i.MX RT1170采用主頻達(dá)1GHz的Cortex-M7內(nèi)核和主頻達(dá)400MHz的Arm Cortex-M4內(nèi)核，自帶2MB SRAM，集成MIPI顯示與攝像頭接口，提供一定的實(shí)時(shí)監(jiān)控與圖像捕捉能力。
隨著智慧工廠從概念到走向普及，工業(yè)4.0也在悄然發(fā)生變化。其中針對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能的需求越來越強(qiáng)烈，對(duì)于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)低延遲和魯棒性的要求越來越高，這一系列的進(jìn)步都離不開全新的技術(shù)和產(chǎn)品的支持。恩智浦基于全新量產(chǎn)的數(shù)款微控制器，處理器產(chǎn)品，描繪了一個(gè)智慧工廠的藍(lán)本，也期待著智慧工廠的形態(tài)走向越來越多的生產(chǎn)車間，進(jìn)一步提高整個(gè)社會(huì)的生產(chǎn)力水平與生產(chǎn)效率。